自主式水下机器人推进器弱故障诊断方法研究

结题报告
项目介绍
AI项目解读

基本信息

  • 批准号:
    51679054
  • 项目类别:
    面上项目
  • 资助金额:
    62.0万
  • 负责人:
  • 依托单位:
  • 学科分类:
    E1102.船舶工程
  • 结题年份:
    2020
  • 批准年份:
    2016
  • 项目状态:
    已结题
  • 起止时间:
    2017-01-01 至2020-12-31

项目摘要

Autonomous Underwater Vehicle (AUV) operates in the complex ocean environment without human intervention and cables. And thrusters are the most common and important force-providing device for underwater vehicles. Thruster fault diagnosis technology has played an important role on the AUV’s safety. However, the feature of weak thruster fault is faint, which also has only a few differences from the feature caused by external disturbance such as ocean current. Nowadays, there is no mature theory and unanimously accepted solutions for the weak thruster fault diagnosis in AUVs..At first, the project researches on the coordination between the transition frequency of Brownian particles and switching frequency of potential well. Based on energy transduction method, the project will obtain the mechanism of weak fault feature enhancement and disturbance suppression. Then with respect to statistical variance reconstruction of fault feature signal, the project plans to receive a solution to enhance the fault singular signal once again. Furthermore, as for the general projection synchronization among the fault information with different dimensions, the project is expected to achieve the nonlinear mapping relation between the fault feature matrixes and the magnitudes of fault based on the simultaneous lifting method for multi-source information. At last, the project researches on the confirmation problem for the fault identification results, and it obtains the coordinative operation mechanism between fault diagnosis and fault tolerant control based on the virtual adherent system. The project results will provide the corresponding theoretical and technical foundation for weak or incipient thruster fault of AUV, manned deep-sea submersible or other underwater equipment.
无人无缆自主式水下机器人(AUV)工作在复杂海洋环境,推进器作为AUV核心部件和负荷最重部件,其故障诊断技术对AUV安全性有重要影响。推进器弱故障特征微弱并且与海流等外部随机干扰特征相差较小,对于推进器弱故障诊断问题,目前尚无成熟的理论和一致认可的解决方法。.本项目针对布朗粒子跃迁频率与势阱切换频率的协调问题,采用信号能量转移方法,得到弱故障特征增强和干扰信号抑制机理;针对故障特征信号的统计方差重构问题,采用小波细节分量转移的方法,得到故障奇异信号再次增强方法;针对不同维度故障信息之间的广义射影同步问题,采用基于多源信息的同步升维方法,得到弱故障特征矩阵与弱故障程度的非线性映射关系;针对推进器辨识结果的进一步确诊问题,采用虚拟伴随系统的方法,得到故障诊断与容错控制的协同运作机理。本项目研究成果将为AUV、载人潜器等水下装备推进器弱故障或早期故障诊断提供相应的理论和技术基础。

结项摘要

无人无缆自主式水下机器人(AUV)工作在复杂海洋环境,作为AUV核心部件部件的推进器是AUV影响安全性的重要因素。推进器弱故障特征微弱并且与海流等干扰特征相差较小,推进器弱故障诊断问题目前尚无成熟的理论和一致认可的解决方法。研究推进器弱故障诊断技术对提高AUV安全性、加快其实用化进程具有重要的研究意义和实用价值。. 本项目针对AUV推进器弱故障诊断问题,主要从推进器弱故障特征增强和干扰信号抑制、弱故障奇异信号再次增强、弱故障程度辨识、弱故障辨识结果确诊四个方面进行研究,取得以下研究成果:. 在推进器弱故障特征提取和干扰信号抑制方面:1)得到外部干扰信号能量向故障信号能量转移的机理和方法。基于小波和二维卷积计算,实现信号在时频域能量集中区域增强;2)得到基于ISOMAP算法的推进器弱故障特征提取方法。解决了AUV不同类别数据融合后映射关系不唯一的问题。.在推进器弱故障奇异信号再次增强方面:提出同态隶属函数方法和低频趋势预测方法,对当前控制信号和速度信号进行前向预测,从预测信号中提取故障特征,实现推进器弱故障奇异信号再次增强并提高弱故障诊断精度。. 在推进器弱故障程度辨识方面:1)提出基于特征值相对变化量的归一化计算方法、基于故障信号类型计算相互关系数的方法,解决了不同故障信号间的差异性问题。提出基于正态分布函数计算不同故障信号间关联度的方法,解决了故障信号关联度处理不当的问题。2)得到基于灰色预测模型的水下机器人推进器弱故障程度预测方法,提高了辨识精度。. 在推进器弱故障辨识结果确诊方面:得到推进器故障重构及自适应容错控制方法。提出基于高阶滑模观测器的推进器故障重构方法,解决了适应容错控制框架下故障估计误差较大的问题,得到了故障诊断与容错控制的协同运作机理以及基于虚拟伴随系统的弱故障在线确诊方法。. 本项目研究成果为AUV等水下装备推进器弱故障诊断提供理论和技术基础。

项目成果

期刊论文数量(9)
专著数量(0)
科研奖励数量(0)
会议论文数量(2)
专利数量(3)
Fault degree identification method for thruster of autonomous underwater vehicle using homomorphic membership function and low frequency trend prediction
基于同态隶属函数和低频趋势预测的自主水下航行器推进器故障程度识别方法
  • DOI:
    10.1177/0954406218768830
  • 发表时间:
    2019-02
  • 期刊:
    Journal of Mechanical Engineering Science
  • 影响因子:
    --
  • 作者:
    Yin Baoji;Yao Feng;Wang Yujia;Zhang Mingjun;Zhu Chenguang
  • 通讯作者:
    Zhu Chenguang
Weak thruster fault detection for autonomous underwater vehicle based on artificial immune and signal pre-processing
基于人工免疫和信号预处理的自主水下航行器弱推进器故障检测
  • DOI:
    10.1177/1687814018758739
  • 发表时间:
    2018-02-23
  • 期刊:
    ADVANCES IN MECHANICAL ENGINEERING
  • 影响因子:
    2.1
  • 作者:
    Yao, Feng;Wang, Fei;Zhang, Mingjun
  • 通讯作者:
    Zhang, Mingjun
自主式水下机器人推进器弱故障辨识方法
  • DOI:
    --
  • 发表时间:
    2020
  • 期刊:
    哈尔滨工程大学学报
  • 影响因子:
    --
  • 作者:
    于大程;朱晨光;张铭钧
  • 通讯作者:
    张铭钧
Design and Experimental Validation of an Adaptive Sliding Mode Observer-Based Fault-Tolerant Control for Underwater Vehicles
基于自适应滑模观测器的水下航行器容错控制的设计和实验验证
  • DOI:
    10.1109/tcst.2018.2870829
  • 发表时间:
    2019-11
  • 期刊:
    IEEE Transactions on Control Systems Technology
  • 影响因子:
    4.8
  • 作者:
    Liu X.;Zhang M.;Wang Y.;Rogers E.
  • 通讯作者:
    Rogers E.
A fault diagnosis approach for autonomous underwater vehicle thrusters using time-frequency entropy enhancement and boundary constraint-assisted relative gray relational grade
基于时频熵增强和边界约束辅助相对灰色关联度的自主水下航行器推进器故障诊断方法
  • DOI:
    10.1177/0959651819862177
  • 发表时间:
    2019-07-18
  • 期刊:
    PROCEEDINGS OF THE INSTITUTION OF MECHANICAL ENGINEERS PART I-JOURNAL OF SYSTEMS AND CONTROL ENGINEERING
  • 影响因子:
    1.6
  • 作者:
    Yin, Baoji;Zhang, Mingjun;Su, Shijie
  • 通讯作者:
    Su, Shijie

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其他文献

无人艇运动控制方法的回顾与展望
  • DOI:
    10.3969/j.issn.1000-4882.2014.04.025
  • 发表时间:
    2014
  • 期刊:
    中国造船
  • 影响因子:
    --
  • 作者:
    廖煜雷;张铭钧;董早鹏;刘鹏
  • 通讯作者:
    刘鹏
自主式水下机器人自适应区域跟踪控制
  • DOI:
    --
  • 发表时间:
    2014
  • 期刊:
    机械工程学报
  • 影响因子:
    --
  • 作者:
    张铭钧;褚振忠
  • 通讯作者:
    褚振忠
随机干扰下AUV推进器故障特征提取与融合
  • DOI:
    --
  • 发表时间:
    --
  • 期刊:
    华中科技大学学报(自然科学版)
  • 影响因子:
    --
  • 作者:
    张铭钧;殷宝吉;刘维新;王玉甲
  • 通讯作者:
    王玉甲
基于动态运动基元的轨迹学习方法
  • DOI:
    10.13973/j.cnki.robot.180135
  • 发表时间:
    2018
  • 期刊:
    机器人
  • 影响因子:
    --
  • 作者:
    姚峰;刘崇德;王玉甲;张铭钧
  • 通讯作者:
    张铭钧
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  • DOI:
    10.13973/j.cnki.robot.170426
  • 发表时间:
    2018
  • 期刊:
    机器人
  • 影响因子:
    --
  • 作者:
    杨超;郭佳;张铭钧
  • 通讯作者:
    张铭钧

其他文献

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张铭钧的其他基金

外部干扰下自主式水下机器人推进器与导航传感器故障诊断方法研究
  • 批准号:
    51279040
  • 批准年份:
    2012
  • 资助金额:
    80.0 万元
  • 项目类别:
    面上项目

相似国自然基金

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课题项目:调控A型流感病毒诱导IFN-β表达的机制研究

AI项目摘要:

本研究聚焦于TRIM2蛋白在A型流感病毒诱导的IFN-β表达中的调控机制。A型流感病毒是全球性健康问题,其感染可导致严重的呼吸道疾病。IFN-β作为关键的抗病毒因子,其表达水平对抗病毒防御至关重要。然而,TRIM2如何调控IFN-β的表达尚未明确。本研究假设TRIM2通过与病毒RNA或宿主因子相互作用,影响IFN-β的产生。我们将采用分子生物学、细胞生物学和免疫学方法,探索TRIM2与A型流感病毒诱导IFN-β表达的关系。预期结果将揭示TRIM2在抗病毒免疫反应中的作用,为开发新的抗病毒策略提供理论基础。该研究对理解宿主抗病毒机制具有重要科学意义,并可能对临床治疗流感病毒感染提供新的视角。

AI项目思路:

科学问题:TRIM2如何调控A型流感病毒诱导的IFN-β表达?
前期研究:已有研究表明TRIM2参与抗病毒反应,但其具体机制尚不明确。
研究创新点:本研究将深入探讨TRIM2在IFN-β表达中的直接作用机制。
技术路线:包括病毒学、分子生物学、细胞培养和免疫检测技术。
关键技术:TRIM2与病毒RNA的相互作用分析,IFN-β启动子活性检测。
实验模型:使用A型流感病毒感染的细胞模型进行研究。

AI技术路线图

        graph TD
          A[研究起始] --> B[文献回顾与假设提出]
          B --> C[实验设计与方法学准备]
          C --> D[A型流感病毒感染模型建立]
          D --> E[TRIM2与病毒RNA相互作用分析]
          E --> F[TRIM2对IFN-β启动子活性的影响]
          F --> G[IFN-β表达水平测定]
          G --> H[TRIM2功能丧失与获得研究]
          H --> I[数据收集与分析]
          I --> J[结果解释与科学验证]
          J --> K[研究结论与未来方向]
          K --> L[研究结束]
      
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