郝昕玉 姬長英

摘要 介紹了一種基于時(shí)間序列理論建立的故障檢測模塊。該檢測模塊可用于自主移動農(nóng)業(yè)機(jī)器人導(dǎo)航系統(tǒng)的故障診斷。檢測模塊的設(shè)計(jì)思想就是通過對導(dǎo)航系統(tǒng)中定位傳感器GPS正常和故障情況下輸出的隨機(jī)漂移信號進(jìn)行分析，得到一種判斷GPS性能故障的規(guī)律，即建立AR模型進(jìn)行時(shí)間序列分析。利用K-L信息測度函數(shù)作為判別函數(shù)來檢測系統(tǒng)故障。

關(guān)鍵詞 導(dǎo)航系統(tǒng)；故障檢測模塊；時(shí)間序列

中圖分類號 S24 文獻(xiàn)標(biāo)識碼 A 文章編號 0517-6611（2015）34-334-03

自主移動農(nóng)業(yè)機(jī)器人是電池驅(qū)動，有4只輪子，能自由行走在農(nóng)田里的一種移動平臺。并且能夠自動完成相關(guān)指令，動作或者任務(wù)的一類輪式農(nóng)業(yè)機(jī)器人。這類農(nóng)業(yè)機(jī)器人用途很廣，發(fā)展前景很好。比如在農(nóng)田水果采摘中，利用視覺系統(tǒng)、全球定位系統(tǒng)等完成自主導(dǎo)航，通過機(jī)械手設(shè)備摘取果實(shí)，從而完成農(nóng)田采摘的作用。

在研究自主移動農(nóng)業(yè)機(jī)器人的領(lǐng)域當(dāng)中，很多研究的前提都是假設(shè)農(nóng)業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)能工作在理想狀態(tài)中。但實(shí)際上自主移動農(nóng)業(yè)機(jī)器人在田地的真實(shí)環(huán)境中工作，由于工作環(huán)境復(fù)雜，難以預(yù)料的情況較多，很容易出現(xiàn)故障， 尤其是其機(jī)械部件和控制系統(tǒng)極易出現(xiàn)故障。故障的類型很多，以故障產(chǎn)生的部位來分，可以分為零部件故障、執(zhí)行器故障和傳感器故障。以分析自主移動農(nóng)業(yè)機(jī)器人本身的特點(diǎn)，傳感器故障最為常見，比如強(qiáng)光反射、多種多樣的光照條件、陰影、雜物和路面不平整等因素在不同程度上會影響視覺傳感器的精度，導(dǎo)致其出現(xiàn)不可預(yù)測的故障；多路徑、大樹、天氣變化、高層建筑物以及其本身的故障等引起的測量誤差，都將影響GPS提供的信息喪失正確性。 這些原因引起的故障，人沒有辦法直接進(jìn)行干預(yù)或者是直接干預(yù)的代價(jià)太高。如果這些故障沒有得到及時(shí)處理或者是沒有被檢測出來，那么自主移動農(nóng)業(yè)機(jī)器人將會以一種危險(xiǎn)的方式或者不可預(yù)測的方式運(yùn)行。這不僅會使自主移動農(nóng)業(yè)機(jī)器人的使用壽命縮短，甚至?xí)棺灾饕苿愚r(nóng)業(yè)機(jī)器人不能正常工作，最終很可能產(chǎn)生非常嚴(yán)重的事故。所以必須安裝機(jī)器人導(dǎo)航系統(tǒng)故障檢測模塊，以提高其作業(yè)的安全性。為此介紹了一種適用于自主移動農(nóng)業(yè)機(jī)器人導(dǎo)航系統(tǒng)的故障檢測模塊。

1 工作原理

在沒有研制出檢測模塊之前，自主移動農(nóng)業(yè)機(jī)器人導(dǎo)航系統(tǒng)采用傳統(tǒng)的故障檢測模式，通過實(shí)際值與設(shè)定的閾值進(jìn)行比較，若超出允許范圍，則認(rèn)為輸出值出現(xiàn)異常或故障；反之，認(rèn)為工作正常。顯而易見，這種故障檢測和診斷方式不但準(zhǔn)確性和可控性較差，而且對于某些故障仍無法檢測。另外，定位傳感器GPS正常工作時(shí)的輸出信號并不是在某一狀態(tài)下維持一個(gè)固定值不變，且由于受到常值漂移及外界干擾等因素的影響，其信號特征比較復(fù)雜，因此傳統(tǒng)的故障檢測方式準(zhǔn)確率不高。為達(dá)到對其進(jìn)行性能檢測和故障診斷的目的，設(shè)計(jì)并研制了定位導(dǎo)航系統(tǒng)的專用檢測模塊。

故障檢測模塊的工作流程如圖1所示。導(dǎo)航系統(tǒng)進(jìn)入將要檢測的狀態(tài)時(shí)，定位導(dǎo)航系統(tǒng)的專用檢測模塊通過RS-232串行口向自主移動農(nóng)業(yè)機(jī)器人的導(dǎo)航系統(tǒng)發(fā)送各種檢測指令，定位導(dǎo)航系統(tǒng)隨機(jī)進(jìn)入相應(yīng)的檢測狀態(tài)，同時(shí)把監(jiān)測到的數(shù)據(jù)傳到導(dǎo)航系統(tǒng)的專用檢測模塊，由檢測模塊完成數(shù)據(jù)的分析、處理、判斷。檢測過程中，工控機(jī)通過中斷控制方式接收命令、采集數(shù)據(jù)、對數(shù)據(jù)處理及判斷；檢測過程由工控機(jī)自動完成，無需人工干預(yù)。

2 硬件配置

工業(yè)控制計(jì)算機(jī)作為整個(gè)自主移動農(nóng)業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)的控制中心，主要任務(wù)是負(fù)責(zé)各種數(shù)據(jù)的傳輸和相關(guān)處理，比如處理各種圖像數(shù)據(jù)、采集編碼器等傳感器的信息、傳送控制命令等，因此對于硬件的配置有很高的要求。自主移動農(nóng)業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)選用了臺灣研華公司生產(chǎn)的工業(yè)控制計(jì)算機(jī)IPC510，主要配置：

CPU類型 Intel 奔騰4 2.4 GHz；

硬盤的容量80 GB；

內(nèi)存的容量 512 MB；

顯存128 MB；

其硬件組成如圖2所示。

實(shí)現(xiàn)田間自主導(dǎo)航的關(guān)鍵問題是系統(tǒng)的供電問題，自主移動農(nóng)業(yè)機(jī)器人的電源是由3個(gè)蓄電池組成，如圖3所示。采用一塊獨(dú)立的12 V、60 AH鉛酸蓄電池給工控機(jī)和下位機(jī)電動機(jī)控制器等微電子部分供電，避免驅(qū)動系統(tǒng)對控制系統(tǒng)的電磁干擾，自主移動農(nóng)業(yè)機(jī)器人工作時(shí)通過逆變器將蓄電池的直流電轉(zhuǎn)換為交流電后供給工業(yè)控制計(jì)算機(jī)；將其他兩個(gè)12 V、100 AH鉛酸蓄電池進(jìn)行串聯(lián)，輸出電壓為24 V，給功率消耗大的8個(gè)電動機(jī)供電。

圖3 電源模塊

3 軟件設(shè)計(jì)

自主移動農(nóng)業(yè)機(jī)器人導(dǎo)航系統(tǒng)故障檢測模塊的軟件設(shè)計(jì)是基于Windows平臺的Visual C++6.0和MATLAB7.0設(shè)計(jì)完成的。1984年，Math Works 公司推出的圖像處理及數(shù)值計(jì)算軟件即MATLAB軟件。MATLAB軟件可以實(shí)現(xiàn)圖像處理、信號處理、自動控制、偏微分方程數(shù)值解、統(tǒng)計(jì)、優(yōu)化、數(shù)值分析、等若干領(lǐng)域的圖形顯示和計(jì)算功能。其中集成的控制系統(tǒng)工具箱提供了有效的方法和途徑可以進(jìn)行分析和設(shè)計(jì)各種復(fù)雜的控制系統(tǒng)。在開始編譯程序之前，必須正確設(shè)置VC的編譯環(huán)境。

（1）設(shè)置 Visual C++6.0 的編譯環(huán)境：點(diǎn)擊菜單Tools/Options，打開Visual C++6.0設(shè)置屬性頁，進(jìn)入Directories頁面，在Show directories for下拉菜單中選擇Include Files。添加路徑為C：Program Files＼Matlab704＼extern＼include（在Matlab的安裝路徑下），再選擇下拉列表中的Library Files。添加路徑為C：Program Files＼Matlab704＼extern＼lib＼win32＼microsoft＼msvc60（在Matlab的安裝路徑下）。編譯環(huán)境設(shè)置好之后，以后使用中無需重新設(shè)置。

（2）庫文件的添加：點(diǎn)擊菜單Project/settings，進(jìn)入Link頁面，在Object/Library/Modules框中，添加庫文件名，即libmx.lib、libmat.lib、libeng.lib。對于每個(gè)新的工程文件都要單獨(dú)添加庫文件。

（3）程序在使用engine函數(shù)的頭文件，必須包含2個(gè)文件，即# include “engine.h”和# include “stdafx.h”。

（4）在應(yīng)用程序中，添加調(diào)用Matlab引擎的程序代碼：

void matlab_engine∷OnButton1（）

{

// TODO：Add your control notification handler code here

Engine *ep；

{ If（?。╡p=engOpen（NULL））） //打開MATLAB引擎

∷MessageBox（NULL，"Can start the MATLAB engine"，"VC調(diào)用matlab engine"，MB_OK）；

……

engEvalString（ep，"t=1：1：300；t=t；"）；

engEvalString（ep，"y=y；"）；

engEvalString（ep，"D=dataprocess（t，y）；"）；

……

∷MessageBox（（HWND）NULL，（LPSTR）buffer，（LPSTR）"MATLAB-whos"，MB_OK）；

D=engGetVariable（ep，"D"）；

engClose（ep）；

}

Dreal=mxGetPr（D）；

sprintf（buffer，"D=%f"，Dreal[1]）；

∷MessageBox（（HWND）NULL，（LPSTR）buffer，（LPSTR）"Engwindemo.c"，MB_OK）；

mxDestroyArray（y）；

}

（5）程序運(yùn)行的界面與功能：這里只是采用無故障樣本數(shù)據(jù)對程序進(jìn)行演示。點(diǎn)擊“載入路徑”，軟件將自動輸入事先保存在記事本中的樣本數(shù)據(jù)。該記事本與軟件在同一目錄下。程序的界面如圖4所示。點(diǎn)擊自主模式，在運(yùn)行過程中，將調(diào)用MATLAB程序，對數(shù)據(jù)進(jìn)行故障診斷，診斷結(jié)果如圖5所示。

圖4 程序運(yùn)行界面

圖5 程序運(yùn)行結(jié)果

這里D表示參考?xì)埐钚蛄衶ωt}R和殘差序列{ωt}RT之間的信息距離。這里D=0，表示待檢測的時(shí)間序列所描述的工作狀況是正常的。和之前所選擇的無故障樣本數(shù)據(jù)對程序進(jìn)行演示是一致的。

4 結(jié)語

故障檢測模塊的設(shè)計(jì)成功，解決了自主移動農(nóng)業(yè)機(jī)器人

導(dǎo)航系統(tǒng)故障診斷的難題。故障檢測模塊既可以獲取自主

移動農(nóng)業(yè)機(jī)器人導(dǎo)航系統(tǒng)的狀態(tài)信息數(shù)據(jù)又可以完成系統(tǒng)

的性能分析和故障診斷，還可以保證導(dǎo)航系統(tǒng)的正常工作并

且性能指標(biāo)不受影響。檢測模塊的工作原理為已有設(shè)備的性能檢測和故障診斷提供了一種新思路。

由于自主移動農(nóng)業(yè)機(jī)器人沒有外部測試設(shè)備的檢測接口，目前的故障檢測模塊只能通過串口獲得系統(tǒng)內(nèi)部的信息，一旦系統(tǒng)內(nèi)部的計(jì)算機(jī)出現(xiàn)故障，將很難實(shí)施故障的診斷。由此得到一個(gè)提醒，在設(shè)計(jì)某個(gè)產(chǎn)品或系統(tǒng)時(shí)應(yīng)充分考慮到它的檢測性，預(yù)留檢測接口，盡可能為以后的故障診斷提供必要的條件。

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