一种改进型设备故障定位算法研究

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目前，设备的故障都是通过技术员来判断，或者通过智能机器人的定位跟踪，是依靠视觉定位和听觉定位来实现，由于视觉场被限定在小于180。的范围内，且不能穿过不透光的障碍物，因此单纯依靠机器人视觉获取外界信息来进行定位的精度相对较低。相对于视觉信号来说，声音信号在时间轴上是-维的，在空间上是沿球面径向传播的，任何方向上的传感器都能接收到声波，而-般石油设备故障处发出的声音频率和正常时有差别 。因此可 以通过对声音信号的采集和处理，判断出故障声音的大致位置，然后引导机器人移动至目标位置的声音弓i导定位系统是机器人智能化领域内的-个研究热点u 。

1 传统声音定位的基本原理人类能听见的声音频率为20Hz.20000Hz的机械波。定位系统中需要有发声单元和接收拈组成，图1 声音定位模型声音定位模型需要-个发声单元，放在需要定位的区域 ，三个接收拈分别放在如图的位置，接收拈1和接收拈2相距S1，接收拈1和接收拈3相距S2。S1和S2都是已知的。声音在所测介质中的传播速度为V。发声单元和接收拈是独立的，没有数据交流。三个接收拈由-个控制器控制，每个接收拈接收到的声音的幅度和相位就有差别，为了使得到的定位精度更高，这次研究使用的是利用相位差别来定位。

2 发声单元和接收拈的波形为了接收部分更加容易处理接收到的信号，需要对发声部分有-定的要求 。发声单元实际作用就是把-个频率低的矩形波调幅到高频率的正弦波上。矩形波的周期撒与发声单元到接收模块的最大距离差。最胸形波周期为发声单元到接收拈的最大距离差除以声音在此介质中的传播速度∮收拈接收到声音信号，再解调出矩形波。利用各个接收拈接收到矩形波的相位差来得到发声单元的坐标 。如图2所示，为发声单元在坐标(15，17)时发声单元和接收拈的波形。

调幅波形 ---] r--] r-- t -- - 接 块1 Ⅲr- - j- L- r～ 按收模决2接收拈3图2 发声单元和接收解调后的波形收稿日期：2012-10-24基金项耳：国家高技术研究发展计划 (863计划) (2007AA090801.03)作者简介：顾三春 (1970-)，女，四川人，实验师，学士，主要从事测试技术方面的研究和实验室管理工作。

第35卷 第3期 2013-03(上) [331务l 訇 化3 基于查表法的改进型算法可以看见各个拈接收到的波形存在相位差，我们设定接收拈1与接收拈2之间的相位差转化为时间为t1，拈1与拈3之间的相位差转化为时间差为t2。由时间差乘以声音的传播速度可以计算出发声单元到各个接收单元的距离差分别为11和12。利用几何定理可以得到方程式(1)和方程式(2)。

√ × Y -/(S1- )×( 1- )十Y× ：-f1 (1)- 两 -12 (2)其中X，Y为发声单元所在的坐标，其中以接收拈1所在位置为坐标原点，从接收拈1到接收拈2的反向为x轴的正向，接收拈2到接收模块3的方向为Y轴正向。S1为接收拈1与接收模块2之间的距离，s2为接收拈2与接收拈3之间的距离。由两个方程式反解出X，y的值，理论上是能实现的，当S1为50cm，S2为35cm时，公式(3)是利用matlab计算出的X的解。

x11 2/100 4-(-u x(-122500111225OO×l24- 70×f-11 4X12 2 4- 1225×11 4 4- 2>(11 3×12 32450×113×12.112×12 4 4- 7450×112×12 2-7625625×112-5000×11×12 3 4-6125000×11×12 4-250012 4-12375O0O×l2 2 4-11407812500) (1/2)200XllX12 2 49Xll 3-lOOX12 3))/(50X(98Xll 220oX12 2-245000))4-25 (3)该计算公式如果使用普通单片机来处理计算量太大，也会占用很大程序存储空间。当时间差出现偏差时，速度不能满足要求。为了满足声音定位在单片机上实现，迫切需要-种更加简单的定位算法 。基于FPGA响应速度快，原因在于并没有使用很大的计算量，而是首先就把结果存在了-个数据表内，计算时只需要读取存储器里面的值。单片机里面也有很丰富的程序存储器资源，要是能在存储器中设立-个表，也可以快速计算出发声单元的位置∩以看出每个坐标 (x，Y)对应的t1和t2是--对应的。只要得到tl和t2就能找出对应的 (x，Y)。这个方法不存在大的计算量，关键是设计出这个表和找出查找方法。

如果要求设计精度为1cm，那么这个表就要占2×50×35个存储空间。这次设计了两个二位数组，分别为D1[]和D2[]]，其中D1x]y]对应坐标为 (x，Y)时接收拈1和接收拈2之间的时间差，D2[x儿y为对应坐标 (X，Y)时接收拈1和接收拈3之间的时间差。如图3所示流程图为通过巳知的t1和t2找到发声单元的坐标 (x，y)。

[341 第35卷 第3期 2013-03(上)图3 查表流程图4 测试系统设计基于改进算法原理，设计的系统硬件控制电路总体结构框图如图4所示，包括电源拈、控制模块、声音的声响拈、接收拈和显示拈 。其工作原理为：首先声响拈通过按键发出声音，接着接收拈对声响拈发出的声音接收，放大，比较之后将传给控制拈，控制拈通过各个接收拈传过来的信息确定声响拈的位置，然后通过显示拈将声响拈在坐标纸中的位置显示出来 。系统框图如图4所示。

图4 系统框图5 算法验证为验证该该进算法，进行了系统测试～发声源放在500mm×350mm的坐标纸任意坐标上，在其四角外侧分别固定安装-个声音接收拈通过，用手，读取LCD上的显示的坐标值与实际值比较，测试结果如表1所示。

6 结论由上面的测试结果可知 ，声音定位误差在30mm之内，精度较高。本文设计的利用查表法进行声音定位，有计算简单，精度高的优点。只要增加表的容量就能把定位精度提得更高。查找法流程图简单，能很方便的转换成嵌入式语言描述，用单片机、FPGA和CPLD等实现。同时该改进算法不仅适用于设备故障声音定位，其它嵌入式方面的运用也可以使用该查表法实现。

X坐标 (ram) Y坐标 (mm) 总误差真实值 测量值 误差 真实值 测量值 误差 (mm)第-次 60 70 10 60 80 20 22.3第二 次 200 180 20 90 70 20 28-3第三次 270 270 0 160 150 10 10第四次 30o 290 10 250 230 20 17.33第五次 450 430 20 30o 290 10 17.3