[發明專利]多旋翼飛行器在大氣紊流擾動下的健康性能評估方法

有效

• 申請號: 202010280146.1
• 申請日: 2020-04-10
• 公開（公告）號: CN111460676B
• 公開（公告）日: 2021-03-05
• 發明（設計）人: 趙峙堯;王小藝;許繼平;于家斌;王昭洋
• 申請（專利權）人: 北京工商大學
• 主分類號: G06F30/20
• 分類號: G06F30/20;G06F30/28;G06F111/10;G06F119/10;G06F119/14;G06F113/08
• 代理公司: 北京永創新實專利事務所 11121
• 代理人: 冀學軍

1.一種多旋翼飛行器在大氣紊流擾動下的健康性能評估方法，其特征在于，具體步驟如下：

步驟一：針對某多旋翼飛行器，建立大氣紊流擾動下的多旋翼飛行器的隨機混雜系統模型；

具體過程為：

首先，定義為多旋翼飛行器狀態變量，將大氣紊流作為多旋翼飛行器受到的外部風力^bf_w，并利用Dryden大氣紊流模型模擬風場，建立多旋翼飛行器的動態模型方程；

動態模型方程如下：

x(k)＝F(x(k-1),^bf_w(k-1))+Γ_ww(k-1)

y(k)＝Cx(k)+Γ_vv(k)

式中，表示多旋翼飛行器在地面坐標系下的三維位置；表示多旋翼飛行器的速度在地面坐標系下的投影；表示多旋翼飛行器的姿態角，φ對應滾轉角，θ對應俯仰角和對應偏航角；表示多旋翼飛行器繞機體軸的旋轉角速率；F(·)表示多旋翼飛行器的飛行過程方程；k為采樣時刻；為多旋翼飛行器受到的外部風力在機體坐標系下的投影；y表示多旋翼飛行器的觀測量；C表示觀測矩陣；w表示多旋翼飛行器的過程噪聲，v表示多旋翼飛行器的觀測噪聲；Γ_w表示過程噪聲的驅動陣，Γ_v表示觀測噪聲的驅動陣；

然后，建立離散模態集合并利用馬爾科夫鏈來描述各模態之間的切換，如下：

式中，表示概率測度，p_j為多旋翼飛行器處于模態q_j的概率，滿足π_ij為模態切換概率，對于任一模態q_i，滿足

最后，建立多旋翼飛行器的隨機混雜系統模型

Q表示過程噪聲的誤差協方差陣，R表示觀測噪聲的誤差協方差陣；p表示概率；F表示多旋翼飛行器的飛行過程方程；

多旋翼飛行器的狀態變量構成的動態模型的過程方程，表達式如下：

g為重力加速度；m為多旋翼質量；矩陣表示從機體坐標系到地面坐標系的旋轉矩陣；表示螺旋槳產生的總拉力大?。槐硎径嘈淼霓D動慣量；表示螺旋槳拉力在機體軸上產生的力矩；表示實數空間，上角標為空間維度；矩陣W滿足：

當多旋翼前飛時，計算由大氣紊流風場產生的風力導致多旋翼在機體坐標系下的投影；

計算公式為：

式中，C_d為多旋翼機身的阻力系數，表示多旋翼周圍的氣流相對多旋翼的流動速度在機體坐標系下的投影，即：

式中，表示從地面坐標系到機體坐標系的旋轉矩陣；

表示復雜風場環境的風速在地面坐標系下的分量表示，在時間上可以看成是三維有色噪聲序列；

步驟二：基于多旋翼飛行器的隨機混雜系統模型，利用交互多模型-粒子濾波算法估計多旋翼混雜狀態分布，得到混雜狀態的概率密度函數；

混雜狀態的概率密度函數包括多旋翼飛行器狀態變量分布的概率密度函數和離散模態的離散概率分布，如下：

Y^k＝{y(0),y(1),…,y(k)}表示多旋翼飛行器截止到采樣時刻k的觀測量集合；

步驟三：結合混雜狀態分布的概率密度函數，計算多旋翼飛行器的模糊健康度；

首先，計算多旋翼在模態q_j下的模糊健康度h_j(k)；

μ(·)為隸屬度函數，Δ_p(k)是多旋翼飛行器在采樣時刻k的實時位置偏離任務路徑的三維分量最大值；表示第l個粒子的標準化權重；表示第l個粒子的一步預測值；

然后，融合各模態下的模糊健康度得到多旋翼飛行器的模糊健康度，公式如下：

步驟四、利用模糊健康度h(k)，判定該多旋翼飛行器的健康等級，根據健康等級判定結果，制定相應的安全飛行策略；

健康等級判定公式為：HL(k)＝Ψ(h(k))，其中Ψ為判定函數。