激光測距機的故障診斷研究

1、 目錄TOC o 1-3 h z u HYPERLINK l _Toc22050 1、研究背景和意義 PAGEREF _Toc22050 3 HYPERLINK l _Toc30126 2、 激光測距系統(tǒng)的認識 PAGEREF _Toc30126 3 HYPERLINK l _Toc26302 2、1脈沖式激光測距原理 PAGEREF _Toc26302 3 HYPERLINK l _Toc19106 2、2激光測距機系統(tǒng) PAGEREF _Toc19106 3 HYPERLINK l _Toc18216 3、 激光測距機故障診斷相關(guān)方法概述 PAGEREF _Toc18216 4 HYPER

2、LINK l _Toc12465 3、1粗糙集理論 PAGEREF _Toc12465 4 HYPERLINK l _Toc4026 3、2 RBF 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò) PAGEREF _Toc4026 4 HYPERLINK l _Toc13539 3、3RBR 和 CBR 理論 PAGEREF _Toc13539 5 HYPERLINK l _Toc32522 3、4 RCM理論 PAGEREF _Toc32522 5 HYPERLINK l _Toc12900 3、5 故障字典法 PAGEREF _Toc12900 6 HYPERLINK l _Toc26325 3、6 本章小結(jié) PAGEREF

3、_Toc26325 6 HYPERLINK l _Toc4660 4、 基于故障字典法的激光測距機的故障診斷 PAGEREF _Toc4660 6 HYPERLINK l _Toc22896 4、1故障診斷依據(jù) PAGEREF _Toc22896 6 HYPERLINK l _Toc32096 4、2故障字典的建立 PAGEREF _Toc32096 7 HYPERLINK l _Toc25495 4、2、1故障子集的劃分 PAGEREF _Toc25495 7 HYPERLINK l _Toc15884 4、2、2 故障字典的建立 PAGEREF _Toc15884 8 HYPERLINK

4、l _Toc15822 4、2、3故障字典的編制 PAGEREF _Toc15822 9 HYPERLINK l _Toc11738 5、 參考文獻 PAGEREF _Toc11738 9 1、研究背景和意義光電裝備作為戰(zhàn)場上的感知器，在現(xiàn)代高技術(shù)戰(zhàn)爭中發(fā)揮著不可替代的重要作用。其技術(shù)與結(jié)構(gòu)復(fù)雜程度日益增加,用傳統(tǒng)人工判斷的方法進行故障檢測與診斷越來越困難,有的根本實現(xiàn)不了。我軍現(xiàn)役的光電裝備主要包括可見光儀器、激光目標指示器、紅外熱像儀、微光夜視儀4類,其現(xiàn)代化、自動化程度越來越高。就最典型的激光裝備激光測距機為例,它是集電子、光學、機械為一體,結(jié)構(gòu)精密、工作原理復(fù)雜的光電系統(tǒng),其故障診斷非

5、常復(fù)雜和困難,裝備一旦出現(xiàn)故障,無論故障大小,一概送廠修理,直接造成時間與經(jīng)濟的巨大損失。隨著技術(shù)的發(fā)展，激光測距不僅用于軍用，在民用上也發(fā)展的十分迅速，所以對于激光測距機的故障診斷的研究具有十分重要的意義。激光測距系統(tǒng)的認識2、1脈沖式激光測距原理脈沖激光測距原理是用激光器向被測目標發(fā)射單個或一串脈沖寬度很寬的激光脈沖,激光脈沖到達被測目標后反射回來,通過測量脈沖從發(fā)射到返回所經(jīng)過的飛行時間,可算出測距機與目標之間的距離。飛行時間t可由計數(shù)器從開始到停止所經(jīng)過的時鐘脈沖的周期個數(shù)來測量,設(shè)在這段時間內(nèi),時鐘脈沖的周期為T,進入計數(shù)器的脈沖個數(shù)為n ,則被測距離。2、2激光測距機系統(tǒng)激光測距系

6、統(tǒng)主要有三大部分組成：激光發(fā)射部分、激光接受部分和信號處理部分。整個電路的工作過程為:發(fā)射電路接收到控制系統(tǒng)的發(fā)射觸發(fā)信號后,脈沖發(fā)生電路產(chǎn)生電脈沖,驅(qū)動電路對脈沖功率進行放大用以驅(qū)動激光器產(chǎn)生激光脈沖,與此同時,脈沖發(fā)生電路產(chǎn)生脈沖信號作為計數(shù)器開始計數(shù)的開啟信號;脈沖到達待測目標表面后會發(fā)生漫反射,反射的回波信號必須先經(jīng)聚焦透鏡聚焦,再經(jīng)過光電探測器接收并轉(zhuǎn)換為電信號,最后經(jīng)過脈沖放大電路的放大、濾波整形后輸出一個停止計數(shù)信號,將該信號發(fā)送到計數(shù)器的停止計數(shù)端。計數(shù)電路的作用是接收到控制電路的觸發(fā)脈沖信號時開始計數(shù),收到接收電路的回波信號時停止計數(shù),記錄的脈沖個數(shù)送到控制計算電路;控制計算

7、電路向激光發(fā)射電路和計數(shù)電路發(fā)出觸發(fā)脈沖信號,并且對接收到的數(shù)據(jù)進行相關(guān)計算,最后將計算結(jié)果送交顯示電路進行顯示,顯示電路的功能是顯示待測目標和測距系統(tǒng)之間的測量距離。下面是脈沖激光測距的結(jié)構(gòu)框圖：圖1 脈沖激光測距結(jié)構(gòu)框圖激光測距機故障診斷相關(guān)方法概述3、1粗糙集理論 粗糙集理論作為處理含糊性和不確性信息的數(shù)學工具，它不需要任何先驗知識，充分利用數(shù)據(jù)本身提供的信息，在保持系統(tǒng)分類能力不變的情況下，通過知識約簡從大量的數(shù)據(jù)信息中發(fā)現(xiàn)某些問題的基本知識或規(guī)則。由于粗糙集理論能夠在不需要數(shù)據(jù)任何附加信息的情況下分析數(shù)據(jù)中隱藏的事實，所以它在專家系統(tǒng)、數(shù)據(jù)挖掘、模式識別、決策分析等領(lǐng)域有著非常廣泛地

8、應(yīng)用。3、2 RBF 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò) 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在1985年有Powell提出，在國內(nèi)也有近二十年的發(fā)展過程，它作為信息處理的一種手段，已經(jīng)被成功的應(yīng)用到了多個領(lǐng)域。BP（Back Propagation）網(wǎng)絡(luò)作為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型之一，得到了廣泛、有效地應(yīng)用，己經(jīng)證明，在隱含層足夠多時，BP網(wǎng)絡(luò)能夠逼近任何非線性映射關(guān)系，但因為誤差曲面是一個超曲面，且該曲面相當復(fù)雜，因此，BP網(wǎng)還有很多問題。徑向基函數(shù)( Radial BasisFunction，RBF)網(wǎng)絡(luò)是有Moody和Darken提出的一種三層前向網(wǎng)絡(luò)，它具有全局逼近性質(zhì)、最佳逼近性能、結(jié)構(gòu)上具有輸出-權(quán)值線性關(guān)系、訓練方法快等優(yōu)點，是一種性能良好

9、的前向網(wǎng)絡(luò)，能確切地描述實際神經(jīng)元的響應(yīng)基于感受野這一特點，因此，RBF網(wǎng)絡(luò)在性能上優(yōu)于BP網(wǎng)絡(luò)。3、3RBR 和 CBR 理論 基于規(guī)則的推理（RBR）是專家系統(tǒng)中最簡單、最常用的一種推理方法，它將領(lǐng)域?qū)＜业闹R表示成IFTHEN的形式。早期的專家系統(tǒng)大多是基于規(guī)則的，基于規(guī)則的專家系統(tǒng)使用知識庫中的規(guī)則，對具體的問題和數(shù)據(jù)進行推理，通過推理機獲得新的信息。近年來國內(nèi)外基于規(guī)則的專家系統(tǒng)已經(jīng)有很多成功的范例?；诎咐耐评恚–BR），即基于實例的推理，是一種相似的推理方法，它處理問題的方式和人類類似，當對一個問題求解時，首先在知識庫中尋找是否有類似的案例，若有則直接采用對以前類似案例的處理經(jīng)

10、驗來處理該案例；假若是以前沒有遇到過的案例，則通過對舊案例的回憶或類比，從中獲得提示或指導，針對新舊案例的差異做相應(yīng)調(diào)整，從而得到新問題的解并形成新的案例輸入到案例庫中，用作對以后問題的求解依據(jù)。3、4 RCM理論以可靠性為中心的維修即 RCM，是一種系統(tǒng)的工程過程，主要用來優(yōu)化維修制度、確定設(shè)備的預(yù)防性維修需求。RCM 作為一種分析、判斷方法，進行 RCM 分析的目的是以最小的經(jīng)濟代價實現(xiàn)或接近實現(xiàn)復(fù)雜系統(tǒng)及設(shè)備的固有可靠性水平。在 RCM 的分析過程中，首先對被研究對象的功能、故障情況進行分析，確定系統(tǒng)可能發(fā)生的故障、引起故障的原因及故障后果，然后用一定的邏輯決策方法，確定各種故障所對應(yīng)的

11、最佳維修方式（事后維修、定期維修、狀態(tài)維修），最后根據(jù)現(xiàn)場的各類數(shù)據(jù)，在損失最小的條件下優(yōu)化維修策略。3、5 故障字典法 故障字典法診斷故障的基本思想是:首先提取電路(系統(tǒng))在各種故障狀態(tài)下的電路特征(如測試點的支流電位向量、網(wǎng)絡(luò)的幅頻特性等),然后將特征與故障一一對應(yīng)關(guān)系列成一個字典。在實際診斷時,只要提取電路(系統(tǒng))的實時特征,就可以從故障字典中查出此時對應(yīng)的故障。 按照故障特征,可將故障字典法分為兩大類:直流故障字典法,它的故障特征是電路的直流工作點(一般僅取節(jié)點的直流電位)的偏移;另一類是交流故障字典法,它的故障特征是電路幅頻(或相頻)特性的轉(zhuǎn)折點的移動。3、6 本章小結(jié) 激光測距機的

12、常見故障約有90%的故障是由電源電路和其他模擬電路引起的，所以對測距機的故障診斷也就是對模擬電路的故障診斷。通過對以上方法分析，發(fā)現(xiàn)故障字典法是目前模擬電路故障診斷中最具有實用價值的方法，有診斷條件限制少、簡單有效、實用性強和工程應(yīng)用較多等優(yōu)點。依據(jù)故障字典法的基本思想，根據(jù)測距機電路原理和故障特點，對故障進行分析歸類，利用專家經(jīng)驗，提出了一種基于故障案例和電路原理分析的故障字典。該方法便于工程實現(xiàn)，具有較好的實用性?；诠收献值浞ǖ募す鉁y距機的故障診斷4、1故障診斷依據(jù) 故障診斷依據(jù)主要有兩種。一是激光測距機的故障特征，包括：旋鈕、開關(guān)控制功能失常；目標距離顯示不正確；相關(guān)信息顯示不正確；相

13、關(guān)反應(yīng)不正常等。 二是電纜口信號故障特征。 一般激光測距機都有傳遞信號的電纜口，其內(nèi)部電路故障可能會在電纜口信號上有反映，成為故障診斷的依據(jù)，但纜口信號一般只 是激光測距機內(nèi)部電路信號的很少部分，對故障診斷的幫助有限。 因電路系統(tǒng)是激光測距機的重要構(gòu)成部分，而且其故障占激光測距機故障總 數(shù)目的90%以上，故研究故障診斷，應(yīng)該主要針對電路故障研究診斷理論和方法， 考慮到故障字典法適用于診斷電路故障，所以可用于實現(xiàn)激光測距機故障的快速診斷。建立激光測距機故障字典，要根據(jù)積累的激光測距機維修經(jīng)驗，確定可以診斷故障的集合，并求出激光測距機存在故障集合的每個故障時對應(yīng)的故障特征，制成故障與特征對應(yīng)的字典

14、。如果字典中每個故障對應(yīng)的特征各不相同，就可以直接查字典得到故障診斷結(jié)論。4、2故障字典的建立建立合理有效的故障字典是工程實現(xiàn)的關(guān)鍵，在該設(shè)計中首先對測距機常見的故障進行歸類劃分，把故障劃分為多個相互獨立的故障子集，再分別對故障子集建立字典。4、2、1故障子集的劃分故障子集的劃分借鑒了故障樹的思想，將測距機的故障按照現(xiàn)象及產(chǎn)生原因自上而下進行模塊劃分，把每個電路單元作為一個故障子集，每個故障子集對應(yīng)相應(yīng)電路的各個模塊，每個模塊實現(xiàn)一個功能，對應(yīng)一個故障字典編碼。根據(jù)相關(guān)理論可以將故障模式繼續(xù)分解，直至最小可更換單元。但是這樣會加大測量工作和計算量，使故障字典更為龐大，難以實現(xiàn)。為此，在該診斷儀

15、的工程實現(xiàn)中，充分利用了專家經(jīng)驗，進行故障梳理。歸納故障特征#選擇合適的測試點，使測量和診斷更為簡單。如某測距機不能發(fā)射激光，在進行整機檢測時，沒有觸發(fā)壓，則判定是電源電路出現(xiàn)故障，再對電源電路的高壓模塊進行檢測，故障診斷和故障排除。下圖是激光測距分類模式圖：圖2 激光測距機故障模式分類圖4、2、2 故障字典的建立 建立故障字典的基本思想是以故障子集為依據(jù)，盡可能采用最簡潔的故障特征表示故障狀態(tài)。在建立過程中，本著建立步驟簡單，電路測點少，計算量小，不考慮元件的容差，僅進行功能性驗證等原則，大大減少測前/后處理的工作量。建立故障字典的步驟是采集電路在不同信號激勵下的不同測試點的輸出信號，并由此

16、編制故障字典。因此，激勵信號的選擇是其難點，測試點的選擇和故障字典的編制是其重點。 首先是激勵信號的選擇。目前，在電路檢測領(lǐng)域內(nèi)還沒有一種輸入激勵信號的通用方法和程序，通常根據(jù)電路原理或通過對電路進行靈敏度分析，逐步得到能隔離故障集中所有故障的激勵信號。在本文中，激勵信號的選擇主要依據(jù)兩方面：一是測距機正常工作時各電路單元所需要的信號；二是測距機出現(xiàn)常見故障時各電路單元所需要的信號。由于測距機工作時都是直流信號，且信號多為簡單的脈沖等控制信號。因此，可以利用FPGA芯片進行信號的模擬和控制，需要注意的是要控制好激勵信號的時序、脈寬和幅度。 再就是測試點的選擇。測試點的選擇應(yīng)遵循在故障集中故障均

17、可隔離的前提下，使測點數(shù)目最少，且能獲得較多的故障信息。經(jīng)過分析和整合，測試點包括三部分：1、測距機自帶的整機測試端口，可以實現(xiàn)整機的信號采集；2、各電路單元的板件接口，可以實現(xiàn)各板件的整版檢測，概略判斷故障的位置；3、板上各模塊的測試點，按照故障子集中的電路模塊進行設(shè)置測試點，盡量選擇能獲得故障信息量最多的故障點或模塊作為實際使用的測試點。4、2、3故障字典的編制 當測距機出現(xiàn)故障時，各測試點的測試值有可能變化范圍較大，因此，在編制字典時，首先把整機測試端口在正常工作狀態(tài)下的測試值編成特征向量，作為整機功能是否正常的判斷依據(jù)；其次，把各電路測試點在常見故障狀態(tài)下測試值編入向量，作為故障字典。

18、如果各向量的數(shù)值均在允許范圍內(nèi)，則診斷儀顯示測距機功能正常。如果有個別向量出現(xiàn)誤差，則診斷儀會根據(jù)向量信號的產(chǎn)生來源提示某電路單元出現(xiàn)故障。參考文獻1 黃文虎等編著.設(shè)備故障診斷原理、技術(shù)及應(yīng)用M. 科學出版社, 1996 2 孫斌,萬強,郭延龍,林軼. HYPERLINK /kcms/detail/detail.aspx?filename=GXGD200405010&dbcode=CJFQ&dbname=CJFD2004&v= t /kcms/detail/frame/_blank 激光測距機故障檢測軟件的優(yōu)化J. 光學與光電技術(shù). 2004(05) 3 歐陽宏志,廖湘柏,劉華. HYPERLINK /kcms/detail/detail.aspx?filename=DZKK200812025&dbcode=CJFQ&dbname=CJFD2008&v= t /kcms/detail/frame/_blank 模擬