基于粒子群優(yōu)化單穩(wěn)態(tài)自適應(yīng)隨機共振的自主式水下機器人信號處理方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及的是一種自主式水下機器人推進器故障診斷、容錯控制方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 隨著陸地資源日漸減少，人類開發(fā)海洋的步伐越來越快。自主式水下機器人（AUV: AutonomousUnderwaterVehicle)是目前唯一能夠在無人情況下在深海進行探測、開發(fā)的 載體，一直受到國內(nèi)外研究人員的高度重視。推進器是AUV最重要的執(zhí)行部件且負(fù)荷最重， 一旦其出現(xiàn)故障直接影響AUV的安全性。對AUV推進器狀態(tài)進行故障診斷，是提高AUV安 全性的重要技術(shù)手段。
[0003] 由于外部干擾的影響，直接采用傳感器采集到的AUV控制信號和狀態(tài)信號進行故 障診斷效果不佳，存在容易誤檢和漏檢的問題。目前的外部干擾抑制方法能夠有效抑制AUV 信號中所含外部干擾，但在抑制的同時也極易造成過抑制問題，即對于故障診斷極為重要 的信號特征也被抑制，影響故障診斷的準(zhǔn)確性。隨機共振理論是在研究古氣象冰川問題時 提出的，它是指在一個非線性雙穩(wěn)系統(tǒng)中，當(dāng)僅在周期信號的驅(qū)動下，不足以使系統(tǒng)輸出在 兩個穩(wěn)態(tài)間進行躍遷，但在噪聲的協(xié)助下，系統(tǒng)輸出會按信號頻率在兩穩(wěn)態(tài)間進行切換，從 而達到抑制噪聲并強化周期信號的效果。
[0004] 為實現(xiàn)信號的隨機共振，傳統(tǒng)方法通常采用向原信號中添加噪聲或固定系統(tǒng)一個 結(jié)構(gòu)參數(shù)并按固定步長調(diào)節(jié)另一個結(jié)構(gòu)參數(shù)的自適應(yīng)調(diào)整策略。但在研究AUV信號隨機共 振的過程中發(fā)現(xiàn)，AUV信號中外部干擾與真實故障信號耦合在一起難以剝離，添加噪聲的方 法難以實現(xiàn)其隨機共振；固定一個參數(shù)調(diào)整另一個參數(shù)的調(diào)整策略能夠?qū)崿F(xiàn)AUV信號隨機 共振，但由于只對單一參數(shù)進行自適應(yīng)調(diào)整，忽略了參數(shù)之間的交互作用，存在隨機共振系 統(tǒng)參數(shù)選取缺乏合理的理論依據(jù)以及難以實現(xiàn)最優(yōu)隨機共振效果的問題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明的目的在于提供一種能抑制外部干擾、增強故障信號特征、提高故障診斷 的準(zhǔn)確性的基于粒子群優(yōu)化單穩(wěn)態(tài)自適應(yīng)隨機共振的自主式水下機器人信號處理方法。
[0006] 本發(fā)明的目的是這樣實現(xiàn)的：
[0007] (1)首先，對自主式水下機器人采集到的數(shù)據(jù)進行滑動窗處理，當(dāng)采集到數(shù)據(jù)長度 為L的傳感器和控制器信號后開始檢測，當(dāng)再次采集到新的數(shù)據(jù)后，舍棄原數(shù)組第一個數(shù) 據(jù)并將新采集回來的數(shù)據(jù)放在原數(shù)組的末尾，始終保持?jǐn)?shù)據(jù)長度為L= 250~500 ;
[0008] (2)采用粒子群優(yōu)化算法對單穩(wěn)態(tài)隨機共振系統(tǒng)結(jié)構(gòu)參數(shù)進行優(yōu)化，首先進行種 群初始化，具體方法為：設(shè)置單穩(wěn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)參數(shù)a、b的搜索范圍在[0, 7]區(qū)間，Tmax= 100， 隨機初始化N= 50個粒子組成一個種群；
[0009] (3)采用式雄)⑴-MO'' +S(Z)所示的單穩(wěn)態(tài)隨機共振模型處理自主式水下 機器人信號，式中X(t)為單穩(wěn)隨機共振系統(tǒng)輸出信號，為中x(t)的導(dǎo)數(shù)，s(t)為步驟 (1)所述的自主式水下機器人控制信號和狀態(tài)信號，a、b為單穩(wěn)隨機共振系統(tǒng)結(jié)構(gòu)參數(shù)；
[0010] (4)采用互相關(guān)系數(shù)R作為適應(yīng)度函數(shù)來評價粒子的個體適應(yīng)度，R值越大則粒子
【主權(quán)項】
1. 一種基于粒子群優(yōu)化單穩(wěn)態(tài)自適應(yīng)隨機共振的自主式水下機器人信號處理方法，其 特征是： (1) 首先，對自主式水下機器人采集到的數(shù)據(jù)進行滑動窗處理，當(dāng)采集到數(shù)據(jù)長度為L =250~500的傳感器和控制器信號后開始檢測，當(dāng)再次采集到新的數(shù)據(jù)后，舍棄原數(shù)組第 一個數(shù)據(jù)并將新采集回來的數(shù)據(jù)放在原數(shù)組的末尾，始終保持?jǐn)?shù)據(jù)長度為L ; (2) 采用粒子群優(yōu)化算法對單穩(wěn)態(tài)隨機共振系統(tǒng)結(jié)構(gòu)參數(shù)進行優(yōu)化，首先進行種群初 始化，具體方法為：設(shè)置單穩(wěn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)參數(shù)a、b的搜索范圍在[0, 7]區(qū)間，Tmax= 100,隨機 初始化N = 50個粒子組成一個種群； (3) 采用式MO3 +40所示的單穩(wěn)態(tài)隨機共振模型處理自主式水下機器 人信號，式中x(t)為單穩(wěn)隨機共振系統(tǒng)輸出信號，+⑴為中x(t)的導(dǎo)數(shù)，s(t)為步驟（1) 所述的自主式水下機器人控制信號和狀態(tài)信號，a、b為單穩(wěn)隨機共振系統(tǒng)結(jié)構(gòu)參數(shù)； (4) 采用互相關(guān)系數(shù)R作為適應(yīng)度函數(shù)來評價粒子的個體適應(yīng)度，R值越大則粒子的適 應(yīng)性越好；R由式
其中：s 為自主式水下機器人縱向速度原始信號，X為單穩(wěn)系統(tǒng)輸出信號，L為自主式水下機器人信 號數(shù)據(jù)長度，j代表取L個數(shù)據(jù)中的第j個數(shù)據(jù)； (5) 采用式 Vi (t+1) =WXViaHc1XR1X (Pi (O-XiU) )+c2XR2X (G(t)-Xi ⑴）所示的 方式更新所有粒子的分形速度和位置，其中：t為當(dāng)前迭代次數(shù)，i代表種群中第i個粒子， Xi (t)、Vi (t)分別為第t次迭代時第i個粒子的位置和飛行速度，Vi (t+Ι)為第t+Ι次迭代 時第i個粒子的飛行速度，Vi (t)為第t次迭代時第i個粒子的飛行速度，C1= 2和c 2= 2 為學(xué)習(xí)因子，RJPR2為介于[〇, 1]之間相互獨立均勻分布的隨機數(shù)，Pi (t)為經(jīng)過t次迭代 第i個粒子迄今為止搜索到的最優(yōu)解，G(t)為經(jīng)過t次迭代整個種群所有粒子迄今為止搜 索到的最優(yōu)解，W為慣性權(quán)重、由式w(t) = Wmax-(Wmax-Wmin) Xt/Tmax求得，式中Wmax= 25為慣 性權(quán)重的上限，Wmin= 1為慣性權(quán)重的下限，t為當(dāng)前迭代次數(shù)，Tmax為最大迭代次數(shù)，得到更 新后的粒子飛行速度Vi (t+Ι)后，帶入式Xi (t+1) = Xi (t)+Vi (t+1)，式中Xi (t+i)為第t+1 次迭代時第i個粒子的位置，Xi (t)為第t次迭代時第i個粒子的位置。經(jīng)上述計算后，得 到更新后粒子的位置和飛行速度； (6) 判斷是否符合終止條件，當(dāng)滿足下列條件中的任何一個時，迭代終止：1.進化代數(shù) 達到設(shè)定的最大閾值了^么兩代之間的最優(yōu)適應(yīng)度值之差小于預(yù)設(shè)精度，滿足上述兩個 條件任何一個則迭代優(yōu)化過程終止，進入下一步驟；兩個條件均不滿足則回到步驟（3)繼 續(xù)進行迭代優(yōu)化； (7) 經(jīng)粒子迭代更新優(yōu)化后，得到最優(yōu)結(jié)構(gòu)參數(shù)a和b的值并輸出給單穩(wěn)隨機共振系 統(tǒng)； (8) 采用最優(yōu)結(jié)構(gòu)參數(shù)a和b的單穩(wěn)態(tài)隨機共振：根據(jù)步驟（7)得到的最優(yōu)結(jié)構(gòu)參數(shù) a和b的值，固化步驟（3)所述單穩(wěn)態(tài)隨機共振系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)參數(shù)值，對自主式水下機器人控 制信號和狀態(tài)信號進行隨機共振處理。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于粒子群優(yōu)化單穩(wěn)態(tài)自適應(yīng)隨機共振的自主式水下機器 人信號處理方法，其特征是：L = 300。
【專利摘要】本發(fā)明提供的是一種基于粒子群優(yōu)化單穩(wěn)態(tài)自適應(yīng)隨機共振的自主式水下機器人信號處理方法。通過粒子群優(yōu)化算法對單穩(wěn)態(tài)隨機共振系統(tǒng)結(jié)構(gòu)參數(shù)進行優(yōu)化，以實現(xiàn)AUV控制信號和狀態(tài)信號的自適應(yīng)隨機共振，并提高其隨機共振效果，通過隨機共振現(xiàn)象最終達到抑制AUV控制信號和狀態(tài)信號中所含外部隨機干擾，增強故障信號特征的目的。本發(fā)明解決傳統(tǒng)單參數(shù)固定步長自適應(yīng)隨機共振方法優(yōu)于忽略了參數(shù)之間的交互作用而導(dǎo)致的結(jié)構(gòu)參數(shù)選取缺乏合理的理論依據(jù)，以及難以實現(xiàn)最優(yōu)隨機共振效果的問題，經(jīng)自適應(yīng)隨機共振系統(tǒng)處理后的AUV控制信號和狀態(tài)信號，抑制了外部干擾且增強了故障信號特征，可用于AUV推進器故障診斷、容錯控制等領(lǐng)域。
【IPC分類】G05B13-04
【公開號】CN104678768
【申請?zhí)枴緾N201510054107
【發(fā)明人】張銘鈞, 劉維新, 劉星, 殷寶吉, 王玉甲, 趙文德, 姚峰
【申請人】哈爾濱工程大學(xué)
【公開日】2015年6月3日
【申請日】2015年1月30日