2. 水下机器人导航传感器故障模式库构建
故障诊断的第一步不是写算法，而是把“可能坏成什么样”说清楚。水下机器人导航系统由DVL、IMU、深度计、磁力计、USBL、LBL以及水面GPS等多源传感器构成，它们的工作原理、误差特性和失效机理差异很大。如果故障模式定义含糊，后续的残差构造、阈值设定和隔离逻辑就无从谈起。本节的任务是把这些传感器的典型故障归纳为可观测、可区分、可复用的模式条目，形成一份能直接支撑诊断算法设计的故障模式库。
一、故障模式的统一分类口径
工程上最容易出现的混乱是“漂移”和“缓慢失效”混用、“跳变”和“野值”混用。为保证清单可复用，本课程统一采用五类基本模式，并约定其数学表现。设某传感器在 k 时刻的输出为 y(k)，其正常参考值为 r(k)，残差 e(k)=y(k)−r(k)：
- 漂移：e(k) 呈单调或近似单调累积，量级随时间缓慢增大，短时变化率小，长期不可忽略。
- 跳变：e(k) 在单步或极少数步内出现大幅阶跃，之后可能维持新偏置，也可能恢复。
- 卡死：y(k) 长时间保持恒定或变化率趋近于零，而参考值仍在变化，表现为方差骤降而非升高。
- 噪声增大：e(k) 均值基本不变，但方差显著上升，频谱展宽。
- 失效：输出中断、全零、饱和、报错标志置位或数据完全不可信。
需要强调，同一物理故障可能在不同传感器上表现为不同模式。例如DVL的底跟踪丢失，对速度输出表现为失效或卡死，而对位置推算则表现为漂移。因此故障模式库的条目应以“传感器—观测量—模式”三元组为主键，而不是只按传感器分类。
二、各传感器典型故障模式梳理
DVL（多普勒计程仪）：常见故障包括底跟踪丢失导致速度输出失效、四波束中单波束异常引起的速度跳变、气泡或悬浮物导致的噪声增大、以及长时间无有效底回波时的速度卡死。DVL对海底高度敏感，超出作用距离后往往先出现噪声增大再转为失效，这一渐变过程对诊断很有价值。
IMU（惯性测量单元）：陀螺零偏漂移和加速度计零偏漂移是最典型的缓慢故障，表现为姿态与速度残差随时间累积；剧烈冲击可能造成输出跳变；温度补偿失效常表现为噪声增大；通信中断则直接失效。IMU的漂移与DVL失效在位置残差上高度相似，这正是需要多源交叉验证的原因。
深度计：压力传感器常见零点漂移、引压管堵塞导致的卡死、以及温度引起的噪声增大。深度计卡死时输出恒定，而DVL推算的垂向速度仍在变化，二者残差会持续发散，是很好的隔离特征。
磁力计：受电机电流、铁磁结构干扰时表现为航向跳变或噪声增大；未校准的硬磁/软磁偏差表现为缓慢漂移；强干扰下可能饱和失效。磁力计故障对航向影响直接，需与IMU航向残差联合判断。
USBL与LBL：水声定位的典型故障是多路径引起的野值跳变、应答器失联导致的失效、声速误差引起的系统性漂移，以及更新率下降造成的卡死。USBL还易受船体遮挡影响，表现为间歇性跳变。
GPS（水面）：仅在水面有效，常见多路径跳变、卫星数不足导致的噪声增大、以及失锁失效。GPS与USBL在切换时若时间不同步，会产生位置跳变，这属于系统级而非单传感器故障，需在库中单独标注。
三、故障模式清单与影响分析表
下表给出可直接用于诊断算法设计的示例条目，参数为教学假设值，实际工程需按具体型号标定。表中“可观测残差”指诊断时可构造的比对量，“隔离特征”指区分该模式与其他模式的关键判据。
| 传感器 | 观测量 | 故障模式 | 可观测残差 | 隔离特征 | 影响 |
|---|---|---|---|---|---|
| DVL | 三轴速度 | 底跟踪失效 | 速度残差突增并持续 | 有效标志位清零，方差先升后断 | 位置推算漂移 |
| DVL | 速度 | 单波束跳变 | 单轴残差阶跃 | 仅一轴异常，其余轴正常 | 航迹短时抖动 |
| IMU | 角速度/比力 | 零偏漂移 | 姿态残差缓慢累积 | 残差斜率稳定，方差不变 | 航向与位置长期偏移 |
| IMU | 角速度 | 冲击跳变 | 单步大残差 | 短时尖峰后恢复 | 姿态瞬时错误 |
| 深度计 | 深度 | 卡死 | 深度残差持续发散 | 输出方差趋零 | 定深控制失效 |
| 磁力计 | 航向 | 干扰跳变 | 航向残差阶跃 | 与电机电流相关 | 航向短时错误 |
| USBL | 位置 | 多路径野值 | 位置残差尖峰 | 间歇出现，幅值大 | 定位点漂移 |
| LBL | 位置 | 应答器失联 | 更新中断 | 数据龄期超限 | 定位降级 |
| GPS | 位置 | 失锁 | 无有效解 | 卫星数低于阈值 | 水面导航中断 |
四、从清单到可执行判据
清单只是静态描述，要真正支撑诊断，还需为每条模式给出可计算的判据。以DVL底跟踪失效为例，可构造滑动窗口内的速度残差均值与有效标志位联合判据：当连续 N 个周期内有效标志为0，且残差均值超过 3σ 时判定失效；而单波束跳变则用单轴残差的一阶差分超过阈值、且其余两轴正常来隔离。IMU零偏漂移则更适合用残差斜率估计，例如对最近 M 个姿态残差做线性拟合，斜率超过设定值即报警。这些判据的阈值应来自正常航行数据的统计，而非拍脑袋设定。
下图给出故障模式库从传感器观测到诊断输出的组织关系，重点体现“同一残差可对应多种模式、需靠隔离特征区分”的结构，而非线性流程。
五、构建过程中的两个关键注意点
第一，故障模式库必须与坐标系和参照约定绑定。速度残差是在载体坐标系还是导航坐标系下计算，深度是相对水面还是相对某基准面，航向是磁北还是真北，这些约定若不一致，同一模式在不同模块中会得到相反结论。建议在库的头部显式声明参照系，并在所有残差定义中沿用。
第二，要区分单传感器故障与系统级故障。GPS与USBL切换时的位置跳变、DVL与IMU时间不同步引起的速度残差，本质上属于多源融合层面的问题，不应简单归入某一传感器。库中应设置“系统级”类别，标注其触发条件与影响范围，避免诊断时误隔离正常传感器。
完成上述梳理后，故障模式库就具备了三个用途：作为诊断算法的设计输入，明确需要构造哪些残差；作为测试用例的来源，按模式逐条注入验证检出率；作为复盘依据，将实际故障归入标准条目，持续修正阈值与判据。下一阶段即可在此基础上开展残差生成与阈值整定工作。