[发明专利]一种通过电磁信息监测水下机器人健康状态的装置及方法

说明书

本发明提供了一种通过电磁信息监测水下机器人健康状态的装置及方法，该装置包括信息收集部分，用于采集电子设备的电磁场信号；信息处理部分，用于将信息收集部分收集的电磁场信号进行预处理，并将预处理后的电磁场信号储存或转发给信息分析部分；信息分析部分，用于将预处理后的电磁场信号进行分离和特征提取，建立电子设备的健康档案并制定健康指标。本发明装置的检测功能不仅能够实现水下机器人整个电气系统的健康监测，检测数据还可为水下机器人电磁兼容设计及整改提供有益的帮助。本发明装置能够准确的给出航行器各部位电磁辐射强度和分布情况，对线圈施加直流电压后可作为大型水下机器人磁隐身中主动消磁的辅助装置。

技术领域

本发明属于故障诊断、预测及电磁兼容技术领域，涉及模拟信号及数字信号处理，模式识别、聚类等人工智能技术，适用于水下机器人等空间电磁环境相对独立条件下的电磁信号检测与处理，旨在提高电气系统的可靠性、故障预测准确率等功能。

背景技术

21世纪是海洋的世纪，也是我国建设海洋强国的战略机遇期，而水下机器人作为未来开发与控制海洋的利器，正迎来高速蓬勃的发展，其趋势正朝着大型化、集成化、智能化方向发展。现如今，国内外在研或已投入使用的大型水下机器人已有多种型号，重量达数十甚至上百吨，内部集成几十至几百种不同的功能部件，包含成千上万个电子元器件，如此庞大的系统，通常在水下一次执行任务的时间可达数月甚至一年，已经在多个领域对有人水下航行器形成了压倒性的优势，而其卓越的性能优势离不开整个系统高可靠性的支持。但是，随着水下机器人信息技术装备的集成化与智能化的增强，各种功能电子设备的增多势必带来系统整体故障率的增高和可靠性的降低。对于电子设备而言，首先对温度、湿度等环境变化较为敏感，其次在其寿命周期内随着使用时间的推移会出现诸多难以预知的故障，装备或系统往往因为器件老化、设计及使用不当或工作环境的影响而出现各种事故，造成不可估量的损失。因而，自20世纪80年代以来，故障诊断、预测等健康管理等技术就已在工程中得到应用，飞机发动机监控系统就是早期的代表。现如今借助人工智能技术带来的信息处理能力的飞速发展，高速采集硬件成本的降低，对电子设备健康管理所需的复杂高频信息采集、分离与特征提取奠定了基础。在此基础上，对于可靠性的提高已经不再局限于对单一设备或系统的平均无故障时间(MTBF)的提高等要求，而已经开始要求机器人能够对自身的关键、重要部件乃至整个系统的自我监测、对潜在故障的判断和预测等一系列健康管理能力，这一能力俨然已经成为智能水下机器人不可或缺的一部分，甚至是水下机器人智能化水平的评判标准之一。

针对水下机器人装备中电子设备的健康管理，从电磁兼容技术领域的相关知识易知每个电子设备工作时都会不同程度的对外辐射电磁信号，电磁兼容研究的内容是通过合理的规划与抑制电磁辐射来确保各设备工作时不发生电磁自扰和互扰现象。然而任何事物都具有两面性，如果利用设备工作时对外辐射的电磁信号来解读设备工作时的状态信息，也可以实现对设备的健康状态监测。如晶振时钟信息、电源信息、通信信息、开关信息等。经验表明，电子设备故障前，其自身的电磁信息通常会先出现异常，那么在设备正常工作时通过采集、存储这些电磁信息，建立设备正常工作状态的电磁信息数据库，采用信息处理技术对信息特征进行提取，在设备初现异常时，根据这些信息特征对比就能实时监测设备运行状态以及提早发现设备将要出现的故障。其中技术难点是如何避免外界电磁信息的干扰、信息分离、被分离后的信息特征提取等。

随着人工智能技术的发展，诸多智能算法对信息分离和信息特征提取技术已经较为成熟，如光学、声学信号处理等技术，不过对于外界复杂多变的电磁干扰，目前的信号处理技术还难以将具有特征相同或十分相近的干扰信号和有用信号加以区分。但如果电磁信号与外界有着良好的隔离环境，且特征相对稳定，如开关信号、晶振信号等，在现有技术基础上进行改进和提升，则有望实现独立环境下的电磁信号特征分离与提取。而水下机器人由于其独特的机体构造和工作环境恰恰符合这种要求。