[發明專利]基于健康度的四旋翼隨機混雜系統健康評估方法

有效

• 申請號: 201810139727.6
• 申請日: 2018-02-11
• 公開（公告）號: CN108388229B
• 公開（公告）日: 2020-04-10
• 發明（設計）人: 趙峙堯;王小藝;許繼平;于家斌;王立
• 申請（專利權）人: 北京工商大學
• 主分類號: G05B23/02
• 分類號: G05B23/02
• 代理公司: 北京永創新實專利事務所 11121
• 代理人: 趙文穎

1.一種基于健康度的四旋翼隨機混雜系統健康評估方法，其特征在于，該方法具體步驟如下：

步驟一：建立四旋翼隨機混雜系統模型；

建立四旋翼動態模型過程方程，包括運動學方程、動力學方程和控制分配方程，運動學方程的輸入為線性速度和角速度，輸出為位置和姿態；動力學方程的輸入為力和力矩，輸出為四旋翼的速度和角速度；控制分配方程將力和力矩分配到四個槳上；在控制分配模型中引入效率系數矩陣，建模執行器效率退化執行器故障；

根據不同傳感器異常類型定義離散模態，各模態的連續動態行為均通過過程方程和測量方程描述，離散模態之間按概率切換，結合各模態的連續動態行為構成四旋翼隨機混雜系統模型；

步驟二：四旋翼混雜狀態估計；

故基于四旋翼隨機混雜系統模型，利用改進交互多模型算法估計四旋翼混雜狀態分布，包括過程變量的概率密度函數和離散模態的離散概率分布；

步驟三：執行器效率系數計算和傳感器異常類型識別；

結合四旋翼隨機混雜系統模型，利用改進交互多模型算法得到的四旋翼混雜狀態分布，計算執行器效率系數，并識別傳感器異常類型；

步驟四：計算四旋翼健康度。

2.根據權利要求1所述的一種基于健康度的四旋翼隨機混雜系統健康評估方法，其特征在于，所述的步驟一具體為：

建立四旋翼動態模型過程方程如下：

式中，表示四旋翼在地面坐標系下的位置；表示四旋翼在地面坐標系下的速度；表示四旋翼的姿態角；表示四旋翼繞機體軸的旋轉角速率；表示螺旋槳產生的總拉力大小；表示螺旋槳拉力在機體軸上產生的力矩；m為四旋翼質量；g為重力加速度；表示四旋翼的轉動慣量；令{^ep_x,d,^ep_y,d,^ep_z,d,φ_d,θ_d,ψ_d}表示期望的四旋翼位置和姿態；設計PD控制器如下：

且

式中，為虛擬控制量，參數分別為PD控制器各控制量對應的控制參數，針對“+”型四旋翼，控制分配模型為：

式中，表示四個螺旋槳產生的升力；H表示控制分配矩陣；d代表轉子與機體中心的距離；λ_i,i＝1,2,3,4表示每個螺旋槳扭矩與升力的比值；

引入效率矩陣

Λ＝diag(η₁ η₂ η₃ η₄) (5)

式中，η_i∈[0,1],i＝1,2,3,4表示第i個執行器的執行效率，η_i＝1表示第i個執行器完全健康，工作正常，η_i＝0表示第i個執行器完全失效，η_i∈(0,1)反映第i個執行器效率的部分退化；四旋翼執行器效率異常建模為

設x＝[^ep_x^ep_y^ep_z^ev_x^ev_y^ev_z φ θ ψ ^bω_x^bω_y^bω_z]^T為四旋翼過程變量，則觀測方程為

y＝Cx+Γ_vv (7)

式中，y表示四旋翼的觀測量；C表示觀測矩陣；v表示四旋翼觀測噪聲，Γ_v為噪聲驅動陣；傳感器異常行為的建模通過改變觀測矩陣C和噪聲項Γ_vv來實現；

設

式中，q_j為四旋翼的離散模態，代表不同健康水平，M為模態數；各模態之間的切換由馬爾科夫鏈描述，即

式中，k為采樣時刻；p_j為四旋翼處于模態q_j的概率，滿足π_ij為模態切換概率，滿足

對于均有離散時間連續動態行為：

式中，F_j(x(k-1),u(k-1),Λ(k-1))由式(1)-(5)在時間上離散化得到；為高斯過程噪聲，為噪聲驅動項，為噪聲協方差陣；測量噪聲項為噪聲驅動項，為噪聲協方差陣，最終，得到四旋翼隨機混雜系統模型。