[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

本發明公開了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，屬于無人飛行器飛行可靠性和安全性分析技術領域。本發明首先建立大氣紊流擾動下多旋翼飛行器隨機混雜系統模型。該模型包含多旋翼飛行器的飛行運動學和動力學特性、風擾動模型、大氣紊流風場模擬模型；設置不同模態表征不同類型傳感器異常行為，利用模態跳轉建模飛行器健康性能變化。然后，利用交互多模型?粒子濾波算法估計多旋翼飛行器混雜狀態的概率密度函數。最后，提出模糊健康度作為健康指標對多旋翼飛行器的健康性能進行定量評估。本發明可解決多旋翼飛行器在飛行過程中飛行健康性能難以定量評價的問題，是保障多旋翼飛行器飛行可靠性和安全性的有效解決方案。

技術領域

本發明屬于無人飛行器飛行可靠性和安全性分析領域，具體是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。

背景技術

多旋翼飛行器(以下簡稱多旋翼)作為一種可以垂直起降的無人飛行器，已在航空工程領域獲得了極大的關注，廣泛應用于多種軍民用場景。從飛行可靠性和安全性角度分析，多旋翼自身的任何異常和故障都會導致巨大的災難。

目前，通過故障預測和健康管理的技術框架，利用健康評估分析多旋翼的觀測數據，并結合模型評估多旋翼當前工作狀態和整體性能是否正常，為保障多旋翼的可靠和安全飛行提供了一個有效思路。

已有的健康評估研究主要分為兩類：基于模型(物理失效模型、動態數學模型)的方法和數據驅動的方法。基于物理失效模型的健康評估方法是利用元件或產品的物理失效模型、故障機理知識來描述其退化并實現健康評估；基于數學模型的健康評估方法根據系統已有的數學模型或者利用系統辨識方法獲取系統模型，進一步采用濾波器或觀測器等工具估計系統狀態或生成殘差，并基于此判定系統健康水平。數據驅動的健康評估方法通過對歷史數據進行建模和分析，提取正常工作狀態和異常工作狀態下的系統表現模式，并與當前時刻的系統觀測數據進行比對，實現健康評估。

常見的數據驅動模型包括人工神經網絡(含深度神經網絡)、支持向量機、隱馬爾科夫模型和貝葉斯網絡等。考慮到基于模型的方法和數據驅動的方法均具有各自的優勢和不足，許多研究也嘗試將兩種方法融合起來，既利用已知系統機理，也充分挖掘觀測數據信息，提高健康評估精度。

針對多旋翼飛行可靠性和安全性問題研究，已有文獻大多基于模型、數據驅動或知識推理實現多旋翼機載部件的故障診斷，而利用“健康”來定量度量多旋翼飛行過程整體健康性能表現的研究相對較少。

發明內容

本發明為了彌補現有的多旋翼飛行可靠性問題中存在的不足，以“健康”為導向，提出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，為解決多旋翼飛行可靠性問題提供一種新思路和有效解決方案。

所述的健康性能評估方法，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：

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。