飛行可靠性問題是多旋翼無人機行業(yè)當(dāng)前發(fā)展所面臨的技術(shù)難題，同時也是影響其發(fā)展的重要因素。多旋翼無人機飛行過程中的部件故障和性能異常會導(dǎo)致任務(wù)中斷、摔機，甚至威脅到地面人員的財產(chǎn)、生命安全。本書基于可靠性理論，針對一類混雜動態(tài)系統(tǒng)，研究一種基于健康度的混雜動態(tài)系統(tǒng)健康評估技術(shù)，并將理論研究應(yīng)用于多旋翼無人機的健康評估工作中，進而將健康評估結(jié)果作為健康退化事件，設(shè)計多旋翼無人機的應(yīng)急決策機制。本書主要內(nèi)容包括目標(biāo)研究對象建模、觀測信息處理和健康管理系統(tǒng)3個層面的技術(shù)研究，涵蓋健康度量指標(biāo)、健康和異常行為建模、健康監(jiān)測技術(shù)、健康預(yù)測技術(shù)、應(yīng)急決策機制設(shè)計。本書所研究的健康評估，是一種廣義上的健康評估，涵蓋健康監(jiān)測和健康預(yù)測，并針對多旋翼無人機給出了一套完整的系統(tǒng)健康管理方法和解決方案。
本書適合作為控制科學(xué)與工程及相關(guān)學(xué)科的研究生教材，以及無人機等相關(guān)行業(yè)的工程手冊，也可供學(xué)術(shù)研究參考使用。
趙峙堯，博士，北京工商大學(xué)副教授，碩士生導(dǎo)師。入選2021-2023北京市科協(xié)青年人才托舉工程。長期從事系統(tǒng)科學(xué)理論與工程領(lǐng)域理論、方法和關(guān)鍵技術(shù)研究，專注于利用復(fù)雜動態(tài)系統(tǒng)健康管理技術(shù)，探究智能系統(tǒng)、環(huán)保、食品安全領(lǐng)域的風(fēng)險防控體系建設(shè)。主持國家自然科學(xué)基金青年項目、北京市自然科學(xué)基金青年項目等國家及省部級課題，在國內(nèi)外期刊上發(fā)表SCI論文30余篇，授權(quán)國家發(fā)明專利10余項，獲得中國發(fā)明協(xié)會發(fā)明創(chuàng)新獎二等獎、中國儀器儀表學(xué)會科技進步獎二等獎、首屆全國高校自動化類專業(yè)青年教師講課（說課）競賽一等獎等、北京高校第十一屆青年教師教學(xué)基本功比賽工科類一等獎。目前研究集中在多旋翼無人機系統(tǒng)的健康性能評估與決策、食品供應(yīng)鏈安全風(fēng)險評估與防控、水環(huán)境機理建模及健康風(fēng)險評價等方面取得了重要成果。
第1章 緒論 1
1.1 名詞解析 1
1.1.1 健康管理與健康評估 1
1.1.2 混雜動態(tài)系統(tǒng)與多旋翼飛行器 7
1.2 關(guān)鍵技術(shù)問題和意義 9
1.2.1 關(guān)鍵技術(shù)問題 9
1.2.2 關(guān)鍵技術(shù)研究意義 10
1.3 技術(shù)研究現(xiàn)狀分析 13
1.3.1 健康評估技術(shù)研究現(xiàn)狀 13
1.3.2 混雜動態(tài)系統(tǒng)研究現(xiàn)狀 25
1.3.3 發(fā)展趨勢 28
1.4 本書內(nèi)容與章節(jié)安排 31
1.4.1 本書內(nèi)容 31
1.4.2 章節(jié)安排 33
1.5 小結(jié) 36
第2章 基礎(chǔ)知識 37
2.1 可靠性的基本概念 37
2.1.1 可靠性的定義 37
2.1.2 可靠性常用的三大指標(biāo) 38
2.1.3 可靠性特征量 38
2.2 率模可靠性理論 39
2.2.1 基本概念 39
2.2.2 率模可靠度 40
2.3 混雜動態(tài)系統(tǒng)模型 41
2.3.1 隨機混雜系統(tǒng) 41
2.3.2 隨機線性混雜系統(tǒng) 43
2.4 多旋翼動態(tài)模型 45
2.4.1 總體描述 45
2.4.2 坐標(biāo)系 46
2.4.3 多旋翼剛體模型 47
2.4.4 控制分配模型 49
2.4.5 PD控制器 51
2.5 離散事件系統(tǒng)監(jiān)督控制理論 51
2.5.1 有限狀態(tài)自動機 52
2.5.2 監(jiān)督控制理論 53
2.6 小結(jié) 55
第3章 健康度量指標(biāo) 56
3.1 健康的定義 56
3.2 經(jīng)典健康度 57
3.3 模糊健康度 58
3.3.1 定義及算法的提出 58
3.3.2 模糊健康度計算過程及有效性——案例驗證 61
3.3.3 算法改進 66
3.4 健康等級 72
3.5 混雜動態(tài)系統(tǒng)的健康度量 73
3.5.1 混雜動態(tài)系統(tǒng)的經(jīng)典健康度 73
3.5.2 混雜動態(tài)系統(tǒng)的模糊健康度 74
3.6 小結(jié) 75
第4章 混雜動態(tài)系統(tǒng)健康和異常行為建模 76
4.1 系統(tǒng)建模概述 76
4.2 執(zhí)行器行為建模 77
4.2.1 執(zhí)行器健康模型 77
4.2.2 加性輸入故障 78
4.2.3 控制效率退化 78
4.3 傳感器行為建模 79
4.3.1 傳感器健康模型 80
4.3.2 信號丟失 80
4.3.3 信號卡死 82
4.3.4 信號漂移 83
4.3.5 大噪聲 84
4.4 多旋翼異常行為建模 86
4.4.1 控制效率退化建模 86
4.4.2 傳感器異常行為建模 87
4.4.3 多旋翼的混雜動態(tài)系統(tǒng)建模 91
4.5 小結(jié) 93
第5章 混雜動態(tài)系統(tǒng)健康監(jiān)測技術(shù) 94
5.1 問題概述 94
5.2 一般動態(tài)系統(tǒng)健康監(jiān)測算法 95
5.2.1 基于擴展卡爾曼濾波的系統(tǒng)狀態(tài)估計 95
5.2.2 健康定量計算 97
5.3 基于改進交互多模型的混雜動態(tài)系統(tǒng)健康監(jiān)測算法 100
5.3.1 基于改進交互多模型算法的系統(tǒng)狀態(tài)估計 101
5.3.2 健康定量計算 106
5.4 健康監(jiān)測仿真 107
5.4.1 多旋翼控制效率退化仿真 107
5.4.2 多旋翼傳感器異常仿真 120
5.5 健康監(jiān)測實驗 134
5.6 小結(jié) 140
第6章 混雜動態(tài)系統(tǒng)健康預(yù)測技術(shù) 142
6.1 問題概述 142
6.2 隨機線性混雜系統(tǒng)的健康預(yù)測算法 143
6.2.1 含觀測器的隨機線性混雜系統(tǒng) 143
6.2.2 隨機線性混雜系統(tǒng)的混雜狀態(tài)演化 144
6.3 多旋翼傳感器異常情景下的健康預(yù)測仿真 155
6.3.1 多旋翼模型線性化 155
6.3.2 隨機線性混雜系統(tǒng)建模 157
6.3.3 混雜狀態(tài)演化和健康定量計算 159
6.3.4 仿真結(jié)果 161
6.4 小結(jié) 169
第7章 多旋翼應(yīng)急決策機制設(shè)計 171
7.1 問題概述 171
7.2 多旋翼常見可靠飛行問題 173
7.2.1 通信故障 173
7.2.2 傳感器失效 174
7.2.3 動力系統(tǒng)異常 175
7.3 多旋翼設(shè)計的用戶需求 176
7.3.1 功能需求 176
7.3.2 可靠飛行需求 177
7.4 多旋翼模態(tài)和事件定義 178
7.4.1 多旋翼模態(tài) 178
7.4.2 多旋翼事件 179
7.5 應(yīng)急決策機制設(shè)計 182
7.5.1 多旋翼被控對象建模 183
7.5.2 可靠飛行需求設(shè)計 185
7.5.3 基于Supremica軟件設(shè)計應(yīng)急決策機制 217
7.5.4 基于TCT軟件設(shè)計應(yīng)急決策機制 223
7.5.5 反例與討論 231
7.6 多旋翼應(yīng)急決策機制仿真 240
7.7 小結(jié) 244
附錄A 專業(yè)詞匯中英文對照表 246
附錄B 符號列表 251
參考文獻 255
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