[發明專利]一種通過電磁信息監測水下機器人健康狀態的裝置及方法

有效

• 申請號: 201911297496.2
• 申請日: 2019-12-17
• 公開（公告）號: CN112986709B
• 公開（公告）日: 2022-03-08
• 發明（設計）人: 王明亮;李德隆;朱興華;劉大勇;郭海亮
• 申請（專利權）人: 中國科學院沈陽自動化研究所
• 主分類號: G01R31/00
• 分類號: G01R31/00;G01R29/08
• 代理公司: 沈陽科苑專利商標代理有限公司 21002
• 代理人: 王倩

本發明提供了一種通過電磁信息監測水下機器人健康狀態的裝置及方法，該裝置包括信息收集部分，用于采集電子設備的電磁場信號；信息處理部分，用于將信息收集部分收集的電磁場信號進行預處理，并將預處理后的電磁場信號儲存或轉發給信息分析部分；信息分析部分，用于將預處理后的電磁場信號進行分離和特征提取，建立電子設備的健康檔案并制定健康指標。本發明裝置的檢測功能不僅能夠實現水下機器人整個電氣系統的健康監測，檢測數據還可為水下機器人電磁兼容設計及整改提供有益的幫助。本發明裝置能夠準確的給出航行器各部位電磁輻射強度和分布情況，對線圈施加直流電壓后可作為大型水下機器人磁隱身中主動消磁的輔助裝置。

技術領域

本發明屬于故障診斷、預測及電磁兼容技術領域，涉及模擬信號及數字信號處理，模式識別、聚類等人工智能技術，適用于水下機器人等空間電磁環境相對獨立條件下的電磁信號檢測與處理，旨在提高電氣系統的可靠性、故障預測準確率等功能。

背景技術

21世紀是海洋的世紀，也是我國建設海洋強國的戰略機遇期，而水下機器人作為未來開發與控制海洋的利器，正迎來高速蓬勃的發展，其趨勢正朝著大型化、集成化、智能化方向發展。現如今，國內外在研或已投入使用的大型水下機器人已有多種型號，重量達數十甚至上百噸，內部集成幾十至幾百種不同的功能部件，包含成千上萬個電子元器件，如此龐大的系統，通常在水下一次執行任務的時間可達數月甚至一年，已經在多個領域對有人水下航行器形成了壓倒性的優勢，而其卓越的性能優勢離不開整個系統高可靠性的支持。但是，隨著水下機器人信息技術裝備的集成化與智能化的增強，各種功能電子設備的增多勢必帶來系統整體故障率的增高和可靠性的降低。對于電子設備而言，首先對溫度、濕度等環境變化較為敏感，其次在其壽命周期內隨著使用時間的推移會出現諸多難以預知的故障，裝備或系統往往因為器件老化、設計及使用不當或工作環境的影響而出現各種事故，造成不可估量的損失。因而，自20世紀80年代以來，故障診斷、預測等健康管理等技術就已在工程中得到應用，飛機發動機監控系統就是早期的代表。現如今借助人工智能技術帶來的信息處理能力的飛速發展，高速采集硬件成本的降低，對電子設備健康管理所需的復雜高頻信息采集、分離與特征提取奠定了基礎。在此基礎上，對于可靠性的提高已經不再局限于對單一設備或系統的平均無故障時間(MTBF)的提高等要求，而已經開始要求機器人能夠對自身的關鍵、重要部件乃至整個系統的自我監測、對潛在故障的判斷和預測等一系列健康管理能力，這一能力儼然已經成為智能水下機器人不可或缺的一部分，甚至是水下機器人智能化水平的評判標準之一。

針對水下機器人裝備中電子設備的健康管理，從電磁兼容技術領域的相關知識易知每個電子設備工作時都會不同程度的對外輻射電磁信號，電磁兼容研究的內容是通過合理的規劃與抑制電磁輻射來確保各設備工作時不發生電磁自擾和互擾現象。然而任何事物都具有兩面性，如果利用設備工作時對外輻射的電磁信號來解讀設備工作時的狀態信息，也可以實現對設備的健康狀態監測。如晶振時鐘信息、電源信息、通信信息、開關信息等。經驗表明，電子設備故障前，其自身的電磁信息通常會先出現異常，那么在設備正常工作時通過采集、存儲這些電磁信息，建立設備正常工作狀態的電磁信息數據庫，采用信息處理技術對信息特征進行提取，在設備初現異常時，根據這些信息特征對比就能實時監測設備運行狀態以及提早發現設備將要出現的故障。其中技術難點是如何避免外界電磁信息的干擾、信息分離、被分離后的信息特征提取等。

隨著人工智能技術的發展，諸多智能算法對信息分離和信息特征提取技術已經較為成熟，如光學、聲學信號處理等技術，不過對于外界復雜多變的電磁干擾，目前的信號處理技術還難以將具有特征相同或十分相近的干擾信號和有用信號加以區分。但如果電磁信號與外界有著良好的隔離環境，且特征相對穩定，如開關信號、晶振信號等，在現有技術基礎上進行改進和提升，則有望實現獨立環境下的電磁信號特征分離與提取。而水下機器人由于其獨特的機體構造和工作環境恰恰符合這種要求。