Matlab基于灰色关联理论的移动机械人故障诊断方法研究(4)
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文护和文修，或人类不能直接文护和文修的代价十分昂贵而不得不放弃对其进行文修[3][4]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“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。
尽管进行了改进和升级，6月“勇气”号的右前轮驱动马达还是出现了机械故障，导致右前轮性能下降，“勇气”号开始出现衰老的迹象。据悉，在“勇气”号和“机遇”号探测计划的实施过程中，美国宇航局投入的经费和评估测试远超出了原先的预算，总共耗资约8.2亿美元，仍然出了各种故障，时有报导称：“勇气”号和“机遇”号发生故障，今后还不知会有什么不可预知的各种突发情况。由此可见，移动机器人系统复杂，其工作环境难以预测，故障难以避免。研究故障诊断与容错控制技术，提高移动机器人的安全性和可靠性，已成为全球研究移动机器人的首要任务。
1.3 故障和故障诊断简介
故障诊断技术是一门综合性技术。它以现代控制理论、计算机、工程、可靠性理论、数理统计、模糊理论、信号处理模式识别、人工智能等作为理论依据，以现代测试仪器和计算机为技术手段，结合各种诊断方法(系统、设备、机器、工艺过程等)的逐步形成的规律。它与鲁棒控制、容错控制、自适应控制以及智能控制等有着密切的关系。
1.3.1 故障基本概念
故障(Fault)，通常指设备在规定条件下，不能完成其规定功能的一种状态。这种状态往往是由不正确的技术条件、运算逻辑错误、环境变化、零部件损坏、操作错误等引起，故障会引起部分或全局系统失效。故障的发生会影响过程的文修费用、安全性和有效性。因此，及早地发现故障，在故障发生前进行预测，显得非常重要。