[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

本發明公開了一種基于健康度的四旋翼隨機混雜系統健康評估方法，屬于飛行器健康管理技術領域。本發明首先建立一種四旋翼隨機混雜系統模型。該模型的離散模態考慮了傳感器健康模態和不同類型傳感器異常模型；各模態的連續動態行為均通過過程方程和測量方程來描述，其中過程方程利用增廣變量法建模了執行器執行效率，不同模態下的測量方程建模了不同類型傳感器異常時的觀測行為。然后，利用改進交互多模型算法實現四旋翼的混雜狀態評估。最后，提出一種健康度指標對四旋翼進行定量健康評估。本發明可解決四旋翼飛行過程難以定量測量系統動態性能的問題，也可以有效識別執行器和傳感器同時出現故障的情景。

技術領域

本發明涉及一種基于健康度的四旋翼隨機混雜系統健康評估方法，屬于飛行器健康管理技術領域。

背景技術

四旋翼飛行器(以下簡稱四旋翼)作為一種可垂直起降無人飛行器，已應用于實時監控、搜尋救援、管道/電力巡檢、環境監測、農業植保等多項軍用、民用任務場景中。從可靠性角度分析，四旋翼在飛行過程中難以保證不發生包括通信、傳感器、動力系統、機身結構等各方面的軟硬件故障或性能異常。這些故障和異常可能會導致任務中斷、摔機，甚至會威脅到地面人員的生命及財產安全。近年來，隨著四旋翼應用范圍的推廣、市場規模的擴大以及個人用戶數量的增加，研究四旋翼飛行可靠性問題具有十分重要的理論意義和工程價值。

系統健康管理技術利用系統模型、觀測數據以及相關算法檢測過程異常，評估健康退化，預測剩余壽命，進而制定相應的維修、運行策略保證系統完成預期功能。在健康管理技術框架下，健康評估通過分析系統觀測數據，并結合系統模型，評估系統當前工作狀態是否正常，以及系統在未來一定時間段內是否存在潛在的健康退化。國外大型飛機機載系統均裝備了先進的健康管理系統，以實現高可靠飛行和健康服役。然而，四旋翼飛行可靠性問題的解決方案大多是基于故障診斷和容錯控制，利用“健康”來度量四旋翼整體性能表現，并以此為依據探索如何保障四旋翼可靠飛行的研究較少。這主要是由于四旋翼等動態系統的健康定義不明確，缺少合理的度量指標，大多數已有的健康管理研究通常用“故障”和“壽命”來描述“健康”。

發明內容

本發明的目的是為了解決上述問題，彌補四旋翼飛行可靠性問題研究存在的不足，以“健康”為導向，提出一種基于健康度的四旋翼隨機混雜系統健康評估方法，為解決四旋翼飛行可靠性問題提供一種新思路和可行解決方案。

本發明提供一種基于健康度的四旋翼隨機混雜系統健康評估方法，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(推力、俯仰力矩、滾轉力矩和偏航力矩)，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這一類執行器故障。

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來描述，其中不同模態下的測量方程均反映了不同類型傳感器異常時的觀測行為。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。

交互多模型算法是一種基于濾波的遞歸估計器，能夠有效估計隨機混雜系統的混雜狀態分布。經典交互多模型算法直接應用于系統狀態估計存在兩點不足。第一，經典交互多模型算法的模態轉移概率在狀態估計過程中保持不變，這會導致錯誤的模態識別；第二，經典交互多模型算法的“交互”步驟會使估計量協方差矩陣以非高斯的方式遞歸，導致混雜狀態分布不能用于健康計算。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