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1、-范文最新推荐-1 / 49Matlab 基于灰色关联理论的移动机械人故障诊断方法研究摘要：随着计算机理论、电子信息技术、自动控制理论、机械自动化等学科的发展和新型材料的应用，移动机器人技术突飞猛进。移动机器人已被广泛应用于工业、农业、军事、太空探索、深海探索、医疗、救援和日常生活中。现代的工农产业、军事领域的日趋复杂化以及人们对生活质量的不断追求，使得对移动机器人功能要求越来越高，制造机器人技术也越来越先进、部件越来越复杂。从简单到智能化、从人工到自主运行、从已知环境到未知环境、从单机器人操作到多机器人协调及编队工作等等，这些应用都对移动机器人的稳定性提出了一定要求。4250如果移动机器人在
2、带故障状态下运行，一方面会使移动机器人的寿命缩短，另一方面还可能带来灾难性的后果。即使花费大量人力物力和资金投入，对其精心设计和制造移动机器人，在面对未知的、复杂和多变的应用环境时，也经常避免不了会出现故障。因此，对于移动机器人进行故障诊断具有重要意义。本文在国内外学者对移动机器人故障诊断研究的基础上，引用了相关领域的分析方法，对未知环境下的移动机器人故障诊断进行了深入的研究。主要工作如下：首先，手动拆解合时机器人硬件部分，分析各个硬件可能导致的故障，并且分析罗列出来的故障的发生概率，综合所有故障罗列出一张故障树。接着通过对故障获取的数据和正常运行状态下的数据的分析比较，并且利用灰色关联理论，
3、对故障进行定位；最后，利用 matlab 仿真对故障诊断方法进行验证。综上，本文归纳了基于移动机器人的故障树，并利用灰色关联理论对移动机器人进行了故障诊断，仿真实验和实物试验证明该方法具有良好的效果。 To sum up, this paper sums up the fault tree based on mobile robot, and the robot was used in fault diagnosis of grey correlation theory. Simulation and experiment prove -范文最新推荐-3 / 49that this metho
4、d has a good effect.Key Words： Fault Diagnosis； Grey correlation theory ； mobile robot ；Matlab； Fault Tree目录1 绪论 11.1 机器人概述 11.2 机器人故障诊断研究的意义 41.3 故障和故障诊断简介 51.3.1 故障基本概念 51.3.2 故障诊断介绍 5 2 合时机器人硬件介绍 72.1 电源模块 72.1.1 充电电池 72.1.2 镍氢电池 72.1.3 稳压器 92.2 运动模块 102.2.1 H 桥介绍 102.2.2 L298N 介绍 132.3 传感器模块 152
5、.3.1 霍尔转速传感器 152.3.2 红外测距传感器 SHARP 2Y0A21 概述 15-范文最新推荐-5 / 492.3.3 电子罗盘 ZCC212N172.3.4 无线通讯 ZF02182.3.5 主控芯片 NXP 的 LPC2368FBD100203 移动机器人故障分析和故障树 213.1 各类故障分析 213.1.1 供电模块故障分析 213.1.2 运动模块故障分析 213.1.3 机械模块故障分析 213.1.4 传感器模块故障分析 223.2 故障树简介 223.3 移动机器人当前状态故障树及分析 233.4 机器人不走直线故障树及分析 243.4.1 软件故障 243.4
6、.2 硬件故障 243.4.3 供电模块中电源模块问题 27 移动机器人是机器人学中的一个重要分支，它集成了人工智能、自动控制理论、信号处理、图像分析等，把各专业技术融为一体，其中甚至涉及到了计算机、控制、通讯、机械、自动化等多学科，成为当前智能机器人研究的重点之一。早在 20 世纪 60 年代，人类就开始对于移动机器人的研究。近二十年来，随着机器人技术的不断发展。移动机器人的应用范围和功能都大大增强。在工业、制造业、服务业、国防等诸多领域表现出广泛的应用前景。此外，国内外的太空探索和海洋开发两大高端技术领域，对移动机器人的市场需求越来越大，使得移动机器人的研究在世界各国-范文最新推荐-7 /
7、 49受到了强烈的关注1。1.1 机器人概述机器人是自动执行工作的机器装置。它可以在人类指挥和操纵下工作，也可以按照预先设定的程序运行，甚至可以根据人工智能技术自主行动。机器人可以协助或取代人类工作，改善人们的生产生活质量，例如机器人可以在工业生产、太空探索，危险环境甚至人类无法到达的领域下进行工作。机器人是控制系统、机械电子、计算机、材料和仿生学等多技术交叉的学科，目前在工业、医学、农业、军事、娱乐和日常生活等多个领域广泛应用。机器人通常由控制系统、检测系统、驱动系统、执行器和各种辅助系统组成。分别相当于人的大脑、各种感官和手脚等。移动机器人是机器人的一种。根据移动机器人所处的工作环境不同，
8、移动机器人的运动方式分为陆地、水下和天空等不同形式。在陆地或某个固定平面上的移动机器人可分为履带式移动机器人、轮式移动机器人和爬行式移动机器人等。在水下工作的移动机器人分为鳍摇式机器人、螺旋桨式移动机器人等。飞行移动机器人的飞行方式则分为螺旋桨式、扑翅式和喷气式等。 由于人们对机器人的需求越来越大，机器人的功能要求越来越高级，使得机器人系统日趋复杂，导致了机器人更容易出现故障。尤其是移动机器人，工作在复杂的未知环境中，环境条件可能比较恶劣，如强辐射、大温差、复杂地形等，在这种情况下，机器人机械部件和控制系统都容易出现故障。同时人类也无法直接对机器人进行维护和维修，或人类不能直接维护和维修的代价
9、十分昂贵而不得不放弃对其进行维修34因此，及时检测和处理移动机器人的故障是十分必要的，如移动机器人一直以故障方式运行，可能其工作性能大大降低。使用寿命也大大缩短，严重时甚至给人们的生命财产安全带来危害、导致危险后果无法估量5 。以美国宇航局的“勇气”号和“机遇”号火星车为例， “勇气”号和-范文最新推荐-9 / 49“机遇”号着陆后不久，便相继发生故障。其一，“勇气”号高增益天线的驱动马达工作异常；其二，火星地形变化复杂，使火星车的太阳能板只能获得预计电力的 83%；其三，部
10、分安全气囊挡在“勇气”号驶离登陆舱的路线上，而使它无法收回；其四，“勇气 ”号开始行走后，便在 2004 年 1 月 21 日与地面失去联系长达30 多个小时。“机遇”号也发现有故障:1月 27 日科学家发现，刚登陆火星才 3 天的“机遇”号的温度调节装置发生了故障。加热元件持续运转导致某些附件过热，消耗大量电力。2 月 25日，美国宇航局又宣布，“机遇 ”号供电系统故障。4 月 13 日，科学家对“勇气”号和“机遇”号火星车进
11、行了软件升级，火星车在三个方面有明显的改进：其一是自动导航软件得到更新。原先的导航软件在检测到无法绕过的障碍后，无法判定下一步运行状态。有了新软件，火星车会转身去寻找可能的最佳路径，从而能自主地在火星上行驶更远的距离。其次，新软件自动通过火星车的存储器故障做出反应，并更轻松地恢复到稳定状态。另外，机遇号能进入“深度睡眠 ”状态，解决了“机遇”号的加热组件故障。 1.3.2 故障诊断介绍故障诊断包括三个步骤：故障检测；故障分离；故障辨识；在现有的故障诊断研究中，有一些方法只对故障进行检测，有一些方法同时进行故障检测和辨识。有时将故障检测、故障分离和
12、故障辨识作为不同的任务来完成，有时对他们并不进行严格的区分。故障检测(Fault Detection)：是指检测系统或设备的运行状态，确定系统或设备是否发生了故障。故障检测的目标是尽可能减少误报和漏报故障。故障分离(Fault Isolation)：是指在检测出故障后，确定故障的种类或发生的部位。故障辨识(Fault Identification)：是指在故障发生后，确定故障的起因，发生时间、位置和故障的性质，并对故障的严重程度加以评估等。-范文最新推荐-11 / 49故障诊断(Fault Diagnosis)：是指当设备发生故障后，不但要确定出故障原因、部位、类型及严重程度，还要对其状态及发
13、展趋势进行预测和维修决策。故障决策(Fault Decision making)：是指在故障发生后，根据故障的类别，严重程度、变化趋势等，决定采取的相应措施。故障误报(False Alarm)：是指系统没有发生故障而报警。系统的故障误报率是衡量故障诊断系统的基本指标之一。故障漏报(Missing Alarm)：是指系统发生了故障而没有报警。而“故障漏报率是衡量故障诊断系统的又一基本指标” 。故障预报(Fault Prediction)：是指根据系统的残差和症状等动态信息，在故障尚未发生时，对其运动状态趋势的估计，“它一般通过对系统的运行参数或残差进行预测来实
14、现准确的故障预报可以有效地避免或降低故障发生带来的损失”。解析冗余(Analysis Redundancy)：广义上是指利用非硬件冗余方法得到系统的故障信息，实现系统的故障诊断；侠义上是指针对系统的数学模型，通过可测变量之间存在的冗余函数关系产生冗余信息，再通过对冗余信息的分析实现系统的故障诊断。 图 2.1 合时机器人充电电池见图 2.1 可以知道我们使用的是 1.2V 电压的镍氢电池，容量为 2000mAh，并且通过串联 10 节电池来组成 12 伏稳压电压。镍氢电池是由氢离子和金属镍合成。它的工作原理是：某些金属具有很强的捕捉氢的能力，在一定的温度和压力条件下，这些金属能够大量“吸收”氢气，反应生成金属氢化
