【毕业学位论文】基于自适应粒子滤波器的移动机器人故障诊断理论与方法研究-模式识别与智能系统博士论文

博士学位论文 基于自适应粒子滤波器的移动机器人 故障诊断理论与方法研究 作者姓名： 段琢华 学科专业： 模式识别与智能系统 学院（系、所） ： 信息科学与工程学院 指导教师： 蔡自兴 教授 中 南 大 学 2007年 5月 分类号 密级 博 士 学 位 论 文 基于自适应粒子滤波器的移动机器人 故障诊断理论与方法研究 作者姓名： 段琢华 学科专业： 模式识别与智能系统 学院（系、所） ： 信息科学与工程学院 指导教师： 蔡自兴 教授 论文答辩日期 答辩委员会主席 中 南 大 学 2007年 5月 博士学位论文 摘 要 要 故障检测与诊断对于移动机器人运动控制、定位、建图、导航以及安全至关重要。在诸如深空探测、核废料清理、军 事搜救等复杂环境下工作的移动机器人系统，其传感器、控制以及机械部件 容易出现故障，同时人的干预通常是受限、延时甚至不可能的。此外，移动 机器人是一种资源受限的高度非线性、非高斯动态系统，且有关机器人故障 的历史数据非常稀少，因而基于数据以及基于线性模型的诊断方法 在移动机器人上通常不适用。 粒子滤波器是监视动态系统的序列蒙特卡罗方法，通过带权样本集非参数化地近似后验分布。其特点包括计算复杂度 只与粒子数有关，可以处理非线性、非高斯系统估计问题。因此，粒子滤波 器已广泛应用于移动机器人导航、定位以及故障诊断等领域。但针对复杂的 高维状态空间，仍需要解决效率与精度之间的矛盾：为获得较为精确的估计 ，需要大量的粒子数目；而为了保证实时性，需要尽可能地降低粒子数目。 本论文针对移动机器人导航控制中故障及异常检测与诊断问题，研究了以同时提高粒子滤波器估计效率和精度为目标的若干自适应技术，从理论和/或应用的角度分析了所述方法的有效性，主要创新包括： 1. 提出了一种自适应粒子滤波器框架， 该框架可以集成相互联系的多种自适应机制，包括：建议分布自适应或与之密 切相关的状态空间自适应、粒子数目自适应以及进化算子自适应等。建议分 布自适应和状态空间自适应通常是粒子数目自适应调整的重要原因。粒子数 通过计算两个不同粒子数目的粒子集表示的近似分布之间 离(大小自适应地调整，并对其有效性进行了证明。 2. 针对粒子滤波器逻辑推理能力弱的不足 ，提出了一种通用的框架将领域知识集成到粒子滤波器中。实现了模糊自适 应粒子滤波算法 应用于移动机器人航迹推算系统传感器故障的诊断 。其核心是利用模糊逻辑表示领域知识，将采样空间约束到“全状态空间” 的某一模糊子空间，模糊子空间可以自然地通过转移概率矩阵表示，从模糊 子空间采样可以提高故障识别能力。 3针对移动机器人更频繁出现的车 轮打滑、车轮受阻以及传感器噪声过大等“软故障” ，提出两种自适应粒子滤波方法 用激光雷达测量信息对软故障进行实时补偿。提取了 5 个残差特征，通过阈值逻辑实时地检测故障。 用建议 分布自适应和粒子数目自适应，其中建议分布自适应根据残博士学位论文 摘 要 方差；粒子数目自适应采用第1 点提出的方法。用进化计算的变异算子恢复粒子多样性，很大程度上缓解了常规粒子滤波器的样本贫化问题。 4针对具有不完备模型的复杂系统， 提出了检测未知异常以及诊断已知故障的粒子滤波器算法 统 未建模动态利用未知故障模式描述，当存在未知模式时，常规的粒子滤波器算法存在发 散现象。分析了常规粒子滤波器发散的原因，提取了两个基于粒子集的特征：规格化因子 W 以及最大后验概率估计状态的信度水平 B。在此基础上设计了检测未知故障模式的阈值逻辑，在一定假设下从理论上证明了算法的正确性。 5. 提出一种高效鲁棒的激光雷达测量模型 ，该测量模型对激光雷达部分测量失效以及环境中存在动态障碍不敏感。首 先通过分段分析的方法检测并滤除激光雷达的无效射线，然后提出一种高效 的“逆射线跟踪”算法快速地计算期望距离。 “逆射线跟踪”方法根据射线击中的点在原始坐标系下的期望方向，在 O(1)时间内确定期望距离。选择 似然度高的部分射线构成整个扫描的似然概率，有效地滤除了动态障碍以及其它 原因导致的低概率射线。通过复杂动态环境下的鲁棒并发定位与建图问题验 证了该测量模型的有效性。 关键词 自适应粒子滤波器 ,移动机器人 ,故障诊断 ,不完备模型 ,软故障 ,鲁棒测量模型 中南大学博士学位论文 is in in as of to be is or is a of in is to be in is a to PF a of a PF in so on in it is to of to be it of to it to to In or of in of as An is of as to is of 南大学博士学位论文 of is A is to of A is to of of a is to to to a of be as of or of to of is of is to of to is to by a is to of is PF of of of W, of B. on is to of is A is is to a is to of an to of of is 南大学博士学位论文 (1) of (2) by of is in 中南大学博士学位论文 目 录 录 摘 要 .一章 绪 论 .题来源与研究背景 .动机器人故障诊断的研究意义 .动机器人故障诊断研究现状 . 移动机器人故障模型 . 移动机器人故障诊断的特点 . 移动机器人故障诊断的主要方法 . 移动机器人故障诊断的难点问题 . 研究趋势 . 10 文研究的关键问题与论文结构 . 10 键问题与研究思路 . 10 文章节的安排 . 11 第二章 基于粒子滤波器的混合 动态系统故障诊断 . 13 合动态系统故障诊断问题 . 13 子滤波器基本原理 . 14 特卡罗重要性采样近似 . 14 本的粒子滤波算法 . 15 于粒子滤波器的故障诊断 . 16 高粒子滤波器效率与精度的方法 . 18 进的采样方法 . 18 维技术 . 19 适应调整粒子数 . 19 解样本贫化的技术 . 20 对故障诊断问题的改进 . 21 结 . 21 第三章 自适应粒子滤波器 . 22 适应粒子滤波器的基本结构 . 22 适应调整粒子数目 . 23 中南大学博士学位论文 目 录 验分布的单调收敛性 . 24 子数目自适应算法 . 26 验与分析 . 28 结 . 32 第四章 航迹推算传感器故障诊断的 模糊自适应粒子滤波器 . 33 动机器人原型系统以及航 迹推算系统故障模型 . 33 动机器人原型系统 . 33 障空间 . 33 障模型 . 35 态空间自适应 . 35 动机器人运动模式 . 36 域约束 . 36 算条件转移概率+1(| )s j s i,u ,u= . 37 糊自适应粒子滤波器算法 . 39 法描述 . 39 验分析 . 40 结 . 43 第五章 软故障实时检测与补偿 . 45 型与软故障检测 . 45 动学模型 . 45 障模式，特征提取与软故障检测 . 46 量模型 . 47 故障补偿的自适应粒子滤波器 . 48 本结构 . 48 议分布自适应 . 49 子数目自适应 . 50 验与分析 . 51 验场景 . 51 障检测结果分析 . 51 议分布自适应分析 . 51 子数目自适应、精度及效率分析 . 55 故障补偿的自适应进化粒子滤波算法 . 59 样性测度 . 59 适应进化粒子滤波器 . 59 中南大学博士学位论文 目 录 验以及分析 . 60 章小结 . 62 第六章 模型不完备系统的故障检测与诊断 . 63 完备混合动态系统 . 64 知模式检测 . 65 完备模型诊断的粒子滤波算法 . 68 验分析 . 69 线性动力学模型 . 70 故障同时发生的情形 (移动机器人航迹推算系 统传感器故障诊断 ). 71 完备系统诊断的自适应机制 . 74 结 . 75 第七章 激光雷达异常检测及鲁棒测量模型 . 77 光雷达异常检测与滤除 . 78 维激光雷达 . 78 光雷达测量分段分析 . 78 常分段检测以及有效测量窗口构造 . 80 光雷达鲁棒测量模型 . 81 射线跟踪技术及单束射线的似然概率 (| , )bM x . 81 用高似然度射线计算 (| ,)M x . 83 验分析 . 84 合应用 鲁棒并发定位与建图 . 86 棒并发定位与建图算法（ . 87 验分析 . 89 结 . 93 第八章 结论与展望 . 94 论文工作小结 . 94 一步研究工作 . 95 参 考 文 献 . 96 致 谢 . 104 攻读博士期间完成的学 术论文与科研工作 . 105 博士学位论文 第一章 绪论 1第一章 绪 论 题来源与研究背景 本论文研究课题得到国家自然科学基金 重点项目“未知环境中移动机器人导航控制的理论与方法研究” （批准号： 60234030）的支持，该课题已于 2007 年 1 月结题并被评为“优秀” 。 本论文着重研究该课题中“移动 机器人故障诊断”部分。 动机器人故障诊断的研究意义 21世纪初，世界各国掀起了星球探测的 新一轮高潮。已经具备 空间探测能力的中国，也于 2004年正式启动了“探月工程” ，迈出了我国航天深空 探测的第一步。深空探测往往面临着复杂的未知环境，环境条件十分 恶劣，如强辐射、大温差、复杂地形等。在这种环境下，人类很难开展探测活动， 而利用移动机器人进行 空间探测和开发，早已成为世界各国开发空间资源的主要手段之一1。因此，研究和发展未知环境中的移动机器人技术，对于开展我国的月 球探测工程具有极其重要的意义。 在复杂的未知环境中，机器人机械部件 和控制系统极易出现故障，同时人类也无法对机器人进行直接干预（ 或人类干预的代价很高）1如果故障没有检测出来或者没有及时处理，移动机器人将会以一种不可预测 和危险的方式工作，不仅缩短其使用寿命，严重时不能进行正常的探测活动，甚至可能导致灾难性的后果。如美国投资 气”号，2004年 1 月 4日在火星登陆后，正常工作了一段时间，就于 1月 21日因其电脑存储器出现问 题，与地面失去联系达十天之久。如果这一故障没有及时排除，必然会造成巨大的损失。由 此可见，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，已经成 为未知环境中的移动机器人技术的迫切研究任务。例如，009 火 星科学实验室的技术计划中将漫游 车的实时故障检测列为主要攻关技术之一3，中南大学、国防科技大学以及吉林大学共同承担的国家自然基金重点项目“未知环境中移动机器人导航 控制理论与方法研究”也将故障诊断与容错控制作为核心课题加以研究1。 故障泛指系统不能完成预期功能4。故障检测与诊断（含 检测与诊断两个过程，检测是确定系 统是否发生故障，诊断则是确定发生故障的部件以及故障类型，即确定各部件的行为模式4。国内外对于故障诊断和容错控制技术进行了广泛和系统的研究4主要的故障诊断方法有基于数学博士学位论文 第一章 绪论 2模型的方法4基于逻辑模型的方法9基于信号处理的方法以及基于计算智能的方法11。多种理论与方法的融合是复杂 系统故障诊断技术的发展方向12 动机器人故障诊断研究现状 在轮式移动机器人领域，国外对结构化 或半结构化环境下移动机器人故障诊断研究较多，对内部惯导传感器故障诊断研究较为成 熟。但当涉及未知环境条件（如野外搜救和深空探测）时，由于环境的不确定性，移