專利名稱：一種探測器嵌入式自主故障監(jiān)測與異常數(shù)據(jù)記錄裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及探測器安全監(jiān)測技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及探測器嵌入式自主故障監(jiān)測與異常數(shù)據(jù)記錄裝置。
背景技術(shù)：
隨著空間、海洋等技術(shù)的發(fā)展，深空、深海探測任務(wù)日益增多，對于探測器的安全與可靠運(yùn)行也提出了更高的要求?？臻g、海洋探測器是一個(gè)大規(guī)模復(fù)雜系統(tǒng)，其自身結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性以及惡劣的空間環(huán)境，容易導(dǎo)致探測器運(yùn)行異?；蛳到y(tǒng)故障。目前，人們對于探測器故障的異常信息的了解非常有限。因此，有必要對探測器進(jìn)行實(shí)時(shí)異常監(jiān)測，并自主記錄異常數(shù)據(jù)，以便對探測器故障消除，以及未來的探測器設(shè)計(jì)提供重要信息。現(xiàn)有的空間、海洋等探測器對于空間、海洋環(huán)境和安全狀況的監(jiān)測，主要依賴于探測器所攜帶的數(shù)據(jù)記錄儀，數(shù)據(jù)記錄采用全記錄的方式，本身不具備自主數(shù)據(jù)選擇和特征提取的能力。而空間、海洋等探測器對于自身故障的監(jiān)測與處理，主要依賴于探測器的主控制器，而主控制器對于探測器故障的監(jiān)測與處理只是其眾多任務(wù)之一，因此主控制器很難具備精確的故障數(shù)據(jù)分析與處理能力，這極大地限制了探測器自身故障監(jiān)測與處理的實(shí)時(shí)性和可靠性需求。目前多半的解決辦法是探測器將獲取的故障信息通過探測器所攜帶的通訊裝置發(fā)送到地面或陸地上，由地面站或陸地站對故障進(jìn)行特征提取、信息處理，再利用地面或陸地?cái)?shù)據(jù)處理系統(tǒng)配合專家對探測器的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行分析，根據(jù)結(jié)果對探測器進(jìn)行控制。該方法為探測器的運(yùn)行提供了一定的保障，但是由于探測器的主控制器的數(shù)據(jù)處理能力有限，且探測器與地面或陸地測控站之間存在較大的通信延遲，這些因素都限制了傳統(tǒng)的異常監(jiān)測與處理方式的有效性。由于空間、海洋特別是深空、深海環(huán)境復(fù)雜多變，探測器運(yùn)行環(huán)境惡劣，故而需要不斷地獲得空間、海洋環(huán)境的知識，提取探測器系統(tǒng)中的異常信息，以盡量減輕空間、海洋環(huán)境及自身異常對空間、海洋探測任務(wù)的影響。針對探測器正常運(yùn)行階段出現(xiàn)一些由外部環(huán)境或內(nèi)部元器件故障引起的異常狀態(tài)，本發(fā)明設(shè)計(jì)了一種探測器的自主異常監(jiān)測與數(shù)據(jù)記錄裝置，用于及時(shí)有效地檢測出異常數(shù)據(jù)是否發(fā)生、發(fā)生的具體時(shí)刻、停止的具體時(shí)刻，對異常信息進(jìn)行自主特征提取、故障診斷及數(shù)據(jù)記錄，為探測器的自主故障處理與正常運(yùn)行以及探測器后續(xù)的科學(xué)研究奠定基石出。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提出一種探測器嵌入式自主故障監(jiān)測與異常數(shù)據(jù)記錄裝置，作為空間、海洋探測器的載荷，該裝置將完成探測器運(yùn)行環(huán)境與自身故障的監(jiān)測，以及特異數(shù)據(jù)高速、準(zhǔn)確、長時(shí)、大容量記錄任務(wù)，以解決目前空間、海洋探測器尚無法完成自主監(jiān)測與記錄異常狀況同時(shí)實(shí)現(xiàn)的問題。一種探測器嵌入式自主故障監(jiān)測與異常數(shù)據(jù)記錄裝置包括嵌入式控制器、外部標(biāo)準(zhǔn)總線接口和存儲器；
嵌入式控制器包括數(shù)據(jù)預(yù)處理函數(shù)模塊、典型探測器系統(tǒng)模型模塊、信號處理與特征提取算法模塊和外圍設(shè)備接口模塊；數(shù)據(jù)預(yù)處理函數(shù)模塊，用于在所獲得的測量數(shù)據(jù)進(jìn)行識別與分析之前，先進(jìn)行測量數(shù)據(jù)的集成數(shù)據(jù)預(yù)處理，所述的集成數(shù)據(jù)預(yù)處理是對所獲得的測量數(shù)據(jù)進(jìn)行提取、整理和變換，從而生成供典型探測器系統(tǒng)模型模塊使用的預(yù)處理數(shù)據(jù)；典型探測器系統(tǒng)模型模塊，用于根據(jù)不同的子系統(tǒng)或者部件選取參考模型，及時(shí)有效地甄別和測試出預(yù)處理數(shù)據(jù)中的異常數(shù)據(jù)是否發(fā)生、以及異常數(shù)據(jù)發(fā)生的具體時(shí)刻和停止的具體時(shí)刻，以得到反映異?，F(xiàn)象的征兆信號，進(jìn)而通過征兆信號觸發(fā)信號處理與特征提取算法模塊；信號處理與特征提取算法模塊，用于在典型探測器系統(tǒng)模型模塊的觸發(fā)下開始對征兆信號進(jìn)行特征提取，選擇對應(yīng)征兆信號的征兆評價(jià)函數(shù)判斷是否出現(xiàn)異常狀態(tài)，并對異常狀態(tài)進(jìn)行歸類；外圍設(shè)備接口模塊，用于與外圍設(shè)備連接；嵌入式控制器的外圍設(shè)備接口模塊的外圍設(shè)備接口的輸入輸出端同時(shí)與外部標(biāo)準(zhǔn)總線接口的輸入輸出端和存儲器的輸入輸出端連接；存儲器，用于進(jìn)行異常數(shù)據(jù)記錄。本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有如下優(yōu)點(diǎn)1)本發(fā)明提出了一種適用于空間、海洋探測器的嵌入式自主故障監(jiān)測與異常數(shù)據(jù)記錄的裝置，具有自主異常數(shù)據(jù)甄別、異常數(shù)據(jù)特征提取與高速、大容量數(shù)據(jù)記錄等功能， 解決了探測器異常數(shù)據(jù)難于獲得的問題。2)本發(fā)明的軟硬件體系通過模塊化架構(gòu)實(shí)現(xiàn)，通過選用不同的庫函數(shù)，可以實(shí)現(xiàn)不同的功能。系統(tǒng)的功能易于更改和擴(kuò)展，能夠靈活滿足高度自定義的功能需求。3)對于不同的子系統(tǒng)或部件，只需選擇相應(yīng)的軟件算法來實(shí)現(xiàn)故障監(jiān)測與異常數(shù)據(jù)記錄，因此該方法能夠適應(yīng)部件眾多、結(jié)構(gòu)復(fù)雜的航天器系統(tǒng)。


圖1是本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施例方式具體實(shí)施方式
一結(jié)合圖1說明本實(shí)施方式，本實(shí)施方式包括嵌入式控制器1、外部標(biāo)準(zhǔn)總線接口 2和存儲器3;嵌入式控制器1包括數(shù)據(jù)預(yù)處理函數(shù)模塊11、典型探測器系統(tǒng)模型模塊12、信號處理與特征提取算法模塊13和外圍設(shè)備接口模塊14 ；數(shù)據(jù)預(yù)處理函數(shù)模塊11，用于在所獲得的測量數(shù)據(jù)進(jìn)行識別與分析之前，先進(jìn)行測量數(shù)據(jù)的集成數(shù)據(jù)預(yù)處理，所述的集成數(shù)據(jù)預(yù)處理是對所獲得的測量數(shù)據(jù)進(jìn)行提取、整理和變換，從而生成供典型探測器系統(tǒng)模型模塊12使用的預(yù)處理數(shù)據(jù)；其中，數(shù)據(jù)預(yù)處理函數(shù)模塊11中的集成數(shù)據(jù)預(yù)處理所采用的算法包括有線性插值算法、樣條插值算法、徑向基函數(shù)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法、灰色模型預(yù)測算法和2-抽樣算法；所述的集成數(shù)據(jù)預(yù)處理是采用插值算法對小范圍空缺或丟失的數(shù)據(jù)進(jìn)行填補(bǔ)；或通過插值算法或抽樣算法對不同采樣率的數(shù)據(jù)進(jìn)行時(shí)間同步；或根據(jù)預(yù)先給定的數(shù)據(jù)格式對來自于不同信息源的測量數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)一。對于不同的子系統(tǒng)或者部件，所采用的數(shù)據(jù)預(yù)處理算法可能不相同，具體算法由設(shè)計(jì)者從數(shù)據(jù)預(yù)處理函數(shù)模塊11中選擇。本模塊解決了空間、海洋探測器中的傳感器數(shù)量龐大，分布在空間、海洋探測器系統(tǒng)的各個(gè)部分，數(shù)據(jù)量大、數(shù)據(jù)類型和格式都不統(tǒng)一，這給空間、海洋探測器異常狀態(tài)的分析和記錄帶來了很大的困難。典型探測器系統(tǒng)模型模塊12，用于根據(jù)不同的子系統(tǒng)或者部件選取參考模型，及時(shí)有效地甄別和測試出預(yù)處理數(shù)據(jù)中的異常數(shù)據(jù)是否發(fā)生、以及異常數(shù)據(jù)發(fā)生的具體時(shí)刻和停止的具體時(shí)刻，以得到反映異?，F(xiàn)象的征兆信號，進(jìn)而通過征兆信號觸發(fā)信號處理與特征提取算法模塊13 ；其中，典型探測器系統(tǒng)模型模塊12中的參考模型包括了不同子系統(tǒng)或部件的解析模型和基于數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)模型；所述的數(shù)據(jù)模型是對于難于根據(jù)物理關(guān)系建立解析模型的部件，采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)或支持向量機(jī)基于數(shù)據(jù)的學(xué)習(xí)方法建立其數(shù)據(jù)模型?？臻g、海洋探測器結(jié)構(gòu)復(fù)雜和部件眾多，為了準(zhǔn)確識別空間、海洋探測器運(yùn)行環(huán)境惡化與部件故障等異常狀況的出現(xiàn)、發(fā)生與停止時(shí)刻，需要針對不同的子系統(tǒng)或部件建立輸入輸出映射關(guān)系的模型作為參考進(jìn)行監(jiān)測和診斷。信號處理與特征提取算法模塊13，用于在典型探測器系統(tǒng)模型模塊12的觸發(fā)下開始對征兆信號進(jìn)行特征提取，選擇對應(yīng)征兆信號的征兆評價(jià)函數(shù)判斷是否出現(xiàn)異常狀態(tài)，并對異常狀態(tài)進(jìn)行歸類；其中，信號處理與特征提取算法模塊13的征兆評價(jià)函數(shù)包括閾值評價(jià)算法、2-范數(shù)評價(jià)算法、快速傅里葉變換、小波變換、經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解、相關(guān)性分析和聚類算法。信號處理與特征提取算法模塊13中選取征兆評價(jià)函數(shù)對征兆信號進(jìn)行變換，把在維數(shù)較高的測量空間中表示的模式變?yōu)樵诰S數(shù)較低的特征空間中表示的模式。特征提取的目標(biāo)是對異常狀態(tài)進(jìn)行準(zhǔn)確地歸類，以避免因重復(fù)存儲而造成的存儲器浪費(fèi)和信息冗余。為了有效地分析異常數(shù)據(jù)的特性，需要對異常數(shù)據(jù)進(jìn)行變換，得到最能反映數(shù)據(jù)本質(zhì)的特征。外圍設(shè)備接口模塊14，用于與外圍設(shè)備連接；嵌入式控制器1的外圍設(shè)備接口模塊14的外圍設(shè)備接口的輸入輸出端同時(shí)與外部標(biāo)準(zhǔn)總線接口 2的輸入輸出端和存儲器3 的輸入輸出端連接；存儲器3，用于進(jìn)行異常數(shù)據(jù)記錄；存儲器3采用是大容量高速存儲器；在得到異常數(shù)據(jù)的特征并完成有效歸類之后，數(shù)據(jù)記錄模塊調(diào)用接口函數(shù)存儲異常數(shù)據(jù)相關(guān)的信息。為了實(shí)現(xiàn)本嵌入式系統(tǒng)能夠?qū)Ξ惓９ぷ鳁l件下的狀態(tài)記錄，系統(tǒng)需要具備高速、超大容量數(shù)據(jù)存儲的功能。在本發(fā)明中采用FPGA配合NAND Flash陣列來實(shí)現(xiàn)。嵌入式控制器1采用以ARM Cortex-AS為核心的處理器，配以大容量的存儲器3 作為平臺的核心模塊，同時(shí)一方面充分利用所述處理器直接提供的外圍接口，如UART、I2C、 USB、GPIO和McSPI ；另一方面，通過選擇與所需外圍接口對應(yīng)的控制芯片(如1553B總線外圍接口可選擇DDC公司的BU-61580或與之兼容的接口芯片等)和硬件接口，即外圍設(shè)備接口模塊14是種類豐富、接口標(biāo)準(zhǔn)的外圍模塊。在通用存儲器方面，系統(tǒng)對SDRAM、DDRAM、 NOR FLASH,NAND FLASH、SRAM、MMC和SD存儲器接口提供無縫支持，充分滿足信號處理與特
5征提取應(yīng)用對系統(tǒng)內(nèi)存和程序數(shù)據(jù)存儲器的各種需求。其中典型探測器系統(tǒng)模型模塊12 和信號處理與特征提取算法模塊13中的算法可以根據(jù)數(shù)據(jù)類型進(jìn)行人為選定。本發(fā)明利用軟硬件平臺具有的強(qiáng)大的處理能力、豐富的異常識別和特征提取算法，以及海量的存儲能力實(shí)現(xiàn)對航天器異常的快速甄別、特征提取和數(shù)據(jù)記錄等功能。下面結(jié)合實(shí)施實(shí)例和

本發(fā)明的
具體實(shí)施例方式執(zhí)行步驟一從數(shù)據(jù)預(yù)處理函數(shù)模塊11中選取滑動(dòng)數(shù)據(jù)窗的方式進(jìn)行數(shù)據(jù)集成數(shù)據(jù)預(yù)處理；將采集到的信號以先入先出的方式集成當(dāng)包含N = 64個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)的數(shù)據(jù)窗中， 數(shù)據(jù)窗中的數(shù)據(jù)隨著時(shí)間的推移依次更新，但其數(shù)據(jù)長度保持不變；執(zhí)行步驟二 從典型探測器系統(tǒng)模型模塊12中選取蒙特卡羅模型，采用基于模型的診斷算法進(jìn)行異常識別；考慮該信號具有如下的數(shù)學(xué)模型x(k+l) = Ax (k) +Bu (k) +ν (k) +f (k)(1)其中系數(shù)矩陣A，B已知，u(k)為已知控制信號，v(k)為零均值白噪聲信號，f(k) 是未知故障信號。信號的初值X(O)已知；可以從典型探測器模型庫中選用蒙特卡羅模型作為該信號的參考模型。X (k+1) = Ax (k) +Bu (k) + Σ Vi (k) /M(2)其中Vi (k)為與v(k)概率密度分布相同的隨機(jī)信號，i = 1，2，…，M0然后從信號處理與特征提取算法庫中選取2-范數(shù)算法并設(shè)置檢測閾值，對蒙特卡羅模型參考輸出與實(shí)際信號的差別進(jìn)行評價(jià)，以判斷異常是否發(fā)生。執(zhí)行步驟三從信號處理與特征提取算法模塊13中選取小波變換算法進(jìn)行特征提取并歸類；由于信號在小波變換域中主要集中在少數(shù)系數(shù)上，可以減少數(shù)據(jù)量。因此，本步驟選取信號處理與特征提取算法模塊13中的小波變換算法進(jìn)行特征提取，其具體算法步驟為1)選取小波基函數(shù)；2)用小波基函數(shù)對步驟二中得到的偏差信號進(jìn)行小波變換，提取不同尺度下的小波系數(shù)作為特征信息；得到小波系數(shù)后，采用信號處理與特征提取算法模塊13中的相關(guān)性分析函數(shù)判斷本次異常狀態(tài)與已知狀態(tài)的相關(guān)性，以識別此次異常狀態(tài)是否已出現(xiàn)過，若本次異常狀態(tài)已經(jīng)出現(xiàn)過，則只記錄其類別與發(fā)生時(shí)間等信息；若本次異?，F(xiàn)象為新的異常狀態(tài)，則還需存儲其特征信息(在本實(shí)例中即為小波系數(shù))，執(zhí)行步驟四存儲異常特征數(shù)據(jù)。為了使本嵌入式系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)在異常工作狀態(tài)下的高速大容量數(shù)據(jù)記錄，系統(tǒng)需要具備超大容量數(shù)據(jù)存儲的功能。本步驟中，處理器通過FPGA控制Flash陣列的地址譯碼和數(shù)據(jù)讀寫控制，實(shí)現(xiàn)高速的超大容量數(shù)據(jù)存儲功能。
權(quán)利要求
1.一種探測器嵌入式自主故障監(jiān)測與異常數(shù)據(jù)記錄裝置，其特征在于它包括嵌入式控制器(1)、外部標(biāo)準(zhǔn)總線接口(2)和存儲器(3)；嵌入式控制器(1)包括數(shù)據(jù)預(yù)處理函數(shù)模塊(11)、典型探測器系統(tǒng)模型模塊(12)、信號處理與特征提取算法模塊(1 和外圍設(shè)備接口模塊(14)；數(shù)據(jù)預(yù)處理函數(shù)模塊(11)，用于在所獲得的測量數(shù)據(jù)進(jìn)行識別與分析之前，先進(jìn)行測量數(shù)據(jù)的集成數(shù)據(jù)預(yù)處理，所述的集成數(shù)據(jù)預(yù)處理是對所獲得的測量數(shù)據(jù)進(jìn)行提取、整理和變換，從而生成供典型探測器系統(tǒng)模型模塊(1 使用的預(yù)處理數(shù)據(jù)；典型探測器系統(tǒng)模型模塊(12)，用于根據(jù)不同的子系統(tǒng)或者部件選取參考模型，及時(shí)有效地甄別和測試出預(yù)處理數(shù)據(jù)中的異常數(shù)據(jù)是否發(fā)生、以及異常數(shù)據(jù)發(fā)生的具體時(shí)刻和停止的具體時(shí)刻，以得到反映異?，F(xiàn)象的征兆信號，進(jìn)而通過征兆信號觸發(fā)信號處理與特征提取算法模塊(13)；信號處理與特征提取算法模塊(13)，用于在典型探測器系統(tǒng)模型模塊(1 的觸發(fā)下開始對征兆信號進(jìn)行特征提取，選擇對應(yīng)征兆信號的征兆評價(jià)函數(shù)判斷是否出現(xiàn)異常狀態(tài)，并對異常狀態(tài)進(jìn)行歸類；外圍設(shè)備接口模塊(14)，用于與外圍設(shè)備連接；嵌入式控制器(1)的外圍設(shè)備接口模塊(14)的外圍設(shè)備接口的輸入輸出端同時(shí)與外部標(biāo)準(zhǔn)總線接口( 的輸入輸出端和存儲器⑶的輸入輸出端連接；存儲器(3)，用于進(jìn)行異常數(shù)據(jù)記錄。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種探測器嵌入式自主故障監(jiān)測與異常數(shù)據(jù)記錄裝置，其特征在于數(shù)據(jù)預(yù)處理函數(shù)模塊(11)中的集成數(shù)據(jù)預(yù)處理所采用的算法包括有線性插值算法、樣條插值算法、徑向基函數(shù)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法、灰色模型預(yù)測算法和2-抽樣算法。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種探測器嵌入式自主故障監(jiān)測與異常數(shù)據(jù)記錄裝置，其特征在于典型探測器系統(tǒng)模型模塊(12)中的參考模型包括了不同子系統(tǒng)或部件的解析模型和基于數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)模型；所述的數(shù)據(jù)模型是對于難于根據(jù)物理關(guān)系建立解析模型的部件， 采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)或支持向量機(jī)基于數(shù)據(jù)的學(xué)習(xí)方法建立其數(shù)據(jù)模型。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種探測器嵌入式自主故障監(jiān)測與異常數(shù)據(jù)記錄裝置，其特征在于信號處理與特征提取算法模塊(1 的征兆評價(jià)函數(shù)包括閾值評價(jià)算法、2-范數(shù)評價(jià)算法、快速傅里葉變換、小波變換、經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解、相關(guān)性分析和聚類算法。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種探測器嵌入式自主故障監(jiān)測與異常數(shù)據(jù)記錄裝置，其特征在于嵌入式控制器(1)采用以ARM Cortex-AS為核心的處理器。
全文摘要
一種探測器嵌入式自主故障監(jiān)測與異常數(shù)據(jù)記錄裝置，它涉及探測器安全監(jiān)測技術(shù)領(lǐng)域，以解決目前空間、海洋探測器尚無法完成自主監(jiān)測與記錄異常狀況同時(shí)實(shí)現(xiàn)的問題。數(shù)據(jù)預(yù)處理函數(shù)模塊，用于進(jìn)行測量數(shù)據(jù)的集成數(shù)據(jù)預(yù)處理，從而生成供典型探測器系統(tǒng)模型模塊使用的預(yù)處理數(shù)據(jù)；典型探測器系統(tǒng)模型模塊以得到反映異?，F(xiàn)象的征兆信號，進(jìn)而通過征兆信號觸發(fā)信號處理與特征提取算法模塊；信號處理與特征提取算法模塊對征兆信號進(jìn)行特征提?。煌鈬O(shè)備接口模塊的外圍設(shè)備接口的輸入輸出端同時(shí)與外部標(biāo)準(zhǔn)總線接口的輸入輸出端和存儲器的輸入輸出端連接；存儲器進(jìn)行異常數(shù)據(jù)記錄。應(yīng)用于空間、海洋探測器，該裝置完成數(shù)據(jù)高速、準(zhǔn)確、長時(shí)、大容量記錄。
文檔編號G05B19/048GK102393666SQ201110281909
公開日2012年3月28日 申請日期2011年9月21日 優(yōu)先權(quán)日2011年9月21日
發(fā)明者張淼, 張迎春, 沈毅, 王振華 申請人:哈爾濱工業(yè)大學(xué)