混杂动态系统健康评估及在多旋翼无人机中的应用

本书适合作为控制科学与工程及相关学科的研究生教材，以及无人机等相关行业的工程手册，也可供学术研究参考使用。

飞行可靠性问题是多旋翼无人机行业当前发展所面临的技术难题，同时也是影响其发展的重要因素。多旋翼无人机飞行过程中的部件故障和性能异常会导致任务中断、摔机，甚至威胁到地面人员的财产、生命安全。本书基于可靠性理论，针对一类混杂动态系统，研究一种基于健康度的混杂动态系统健康评估技术，并将理论研究应用于多旋翼无人机的健康评估工作中，进而将健康评估结果作为健康退化事件，设计多旋翼无人机的应急决策机制。本书主要内容包括目标研究对象建模、观测信息处理和健康管理系统3个层面的技术研究，涵盖健康度量指标、健康和异常行为建模、健康监测技术、健康预测技术、应急决策机制设计。本书所研究的健康评估，是一种广义上的健康评估，涵盖健康监测和健康预测，并针对多旋翼无人机给出了一套完整的系统健康管理方法和解决方案。本书适合作为控制科学与工程及相关学科的研究生教材，以及无人机等相关行业的工程手册，也可供学术研究参考使用。

第1章绪论1
1.1名词解析1
1.1.1健康管理与健康评估1
1.1.2混杂动态系统与多旋翼飞行器7
1.2关键技术问题和意义9
1.2.1关键技术问题9
1.2.2关键技术研究意义10
1.3技术研究现状分析13
1.3.1健康评估技术研究现状13
1.3.2混杂动态系统研究现状25
1.3.3发展趋势28
1.4本书内容与章节安排31
1.4.1本书内容31
1.4.2章节安排33
1.5小结36
第2章基础知识37
2.1可靠性的基本概念37
2.1.1可靠性的定义37
2.1.2可靠性常用的三大指标38
2.1.3可靠性特征量38
2.2率模可靠性理论39
2.2.1基本概念39
2.2.2率模可靠度40
2.3混杂动态系统模型41
2.3.1随机混杂系统41
2.3.2随机线性混杂系统43
2.4多旋翼动态模型45
2.4.1总体描述45
2.4.2坐标系46
2.4.3多旋翼刚体模型47
2.4.4控制分配模型49
2.4.5PD控制器51
2.5离散事件系统监督控制理论51
2.5.1有限状态自动机52
2.5.2监督控制理论53
2.6小结55
第3章健康度量指标56
3.1健康的定义56
3.2经典健康度57
3.3模糊健康度58
3.3.1定义及算法的提出58
3.3.2模糊健康度计算过程及有效性——案例验证61
3.3.3算法改进66
3.4健康等级72
3.5混杂动态系统的健康度量73
3.5.1混杂动态系统的经典健康度73
3.5.2混杂动态系统的模糊健康度74
3.6小结75
第4章混杂动态系统健康和异常行为建模76
4.1系统建模概述76
4.2执行器行为建模77
4.2.1执行器健康模型77
4.2.2加性输入故障78
4.2.3控制效率退化78
4.3传感器行为建模79
4.3.1传感器健康模型80
4.3.2信号丢失80
4.3.3信号卡死82
4.3.4信号漂移83
4.3.5大噪声84
4.4多旋翼异常行为建模86
4.4.1控制效率退化建模86
4.4.2传感器异常行为建模87
4.4.3多旋翼的混杂动态系统建模91
4.5小结93
第5章混杂动态系统健康监测技术94
5.1问题概述94
5.2一般动态系统健康监测算法95
5.2.1基于扩展卡尔曼滤波的系统状态估计95
5.2.2健康定量计算97
5.3基于改进交互多模型的混杂动态系统健康监测算法100
5.3.1基于改进交互多模型算法的系统状态估计101
5.3.2健康定量计算106
5.4健康监测仿真107
5.4.1多旋翼控制效率退化仿真107
5.4.2多旋翼传感器异常仿真120
5.5健康监测实验134
5.6小结140
第6章混杂动态系统健康预测技术142
6.1问题概述142
6.2随机线性混杂系统的健康预测算法143
6.2.1含观测器的随机线性混杂系统143
6.2.2随机线性混杂系统的混杂状态演化144
6.3多旋翼传感器异常情景下的健康预测仿真155
6.3.1多旋翼模型线性化155
6.3.2随机线性混杂系统建模157
6.3.3混杂状态演化和健康定量计算159
6.3.4仿真结果161
6.4小结169
第7章多旋翼应急决策机制设计171
7.1问题概述171
7.2多旋翼常见可靠飞行问题173
7.2.1通信故障173
7.2.2传感器失效174
7.2.3动力系统异常175
7.3多旋翼设计的用户需求176
7.3.1功能需求176
7.3.2可靠飞行需求177
7.4多旋翼模态和事件定义178
7.4.1多旋翼模态178
7.4.2多旋翼事件179
7.5应急决策机制设计182
7.5.1多旋翼被控对象建模183
7.5.2可靠飞行需求设计185
7.5.3基于Supremica软件设计应急决策机制217
7.5.4基于TCT软件设计应急决策机制223
7.5.5反例与讨论231
7.6多旋翼应急决策机制仿真240
7.7小结244
附录A专业词汇中英文对照表246
附录B符号列表251
参考文献255