[发明专利]多旋翼飞行器在大气紊流扰动下的健康性能评估方法

权利要求书

1.一种多旋翼飞行器在大气紊流扰动下的健康性能评估方法，其特征在于，具体步骤如下：

步骤一：针对某多旋翼飞行器，建立大气紊流扰动下的多旋翼飞行器的随机混杂系统模型；

具体过程为：

首先，定义为多旋翼飞行器状态变量，将大气紊流作为多旋翼飞行器受到的外部风力^bf_w，并利用Dryden大气紊流模型模拟风场，建立多旋翼飞行器的动态模型方程；

动态模型方程如下：

x(k)＝F(x(k-1),^bf_w(k-1))+Γ_ww(k-1)

y(k)＝Cx(k)+Γ_vv(k)

式中，表示多旋翼飞行器在地面坐标系下的三维位置；表示多旋翼飞行器的速度在地面坐标系下的投影；表示多旋翼飞行器的姿态角，φ对应滚转角，θ对应俯仰角和对应偏航角；表示多旋翼飞行器绕机体轴的旋转角速率；F(·)表示多旋翼飞行器的飞行过程方程；k为采样时刻；为多旋翼飞行器受到的外部风力在机体坐标系下的投影；y表示多旋翼飞行器的观测量；C表示观测矩阵；w表示多旋翼飞行器的过程噪声，v表示多旋翼飞行器的观测噪声；Γ_w表示过程噪声的驱动阵，Γ_v表示观测噪声的驱动阵；

然后，建立离散模态集合并利用马尔科夫链来描述各模态之间的切换，如下：

式中，表示概率测度，p_j为多旋翼飞行器处于模态q_j的概率，满足π_ij为模态切换概率，对于任一模态q_i，满足

最后，建立多旋翼飞行器的随机混杂系统模型

Q表示过程噪声的误差协方差阵，R表示观测噪声的误差协方差阵；p表示概率；F表示多旋翼飞行器的飞行过程方程；

多旋翼飞行器的状态变量构成的动态模型的过程方程，表达式如下：

g为重力加速度；m为多旋翼质量；矩阵表示从机体坐标系到地面坐标系的旋转矩阵；表示螺旋桨产生的总拉力大小；表示多旋翼的转动惯量；表示螺旋桨拉力在机体轴上产生的力矩；表示实数空间，上角标为空间维度；矩阵W满足：

当多旋翼前飞时，计算由大气紊流风场产生的风力导致多旋翼在机体坐标系下的投影；

计算公式为：

式中，C_d为多旋翼机身的阻力系数，表示多旋翼周围的气流相对多旋翼的流动速度在机体坐标系下的投影，即：

式中，表示从地面坐标系到机体坐标系的旋转矩阵；

表示复杂风场环境的风速在地面坐标系下的分量表示，在时间上可以看成是三维有色噪声序列；

步骤二：基于多旋翼飞行器的随机混杂系统模型，利用交互多模型-粒子滤波算法估计多旋翼混杂状态分布，得到混杂状态的概率密度函数；

混杂状态的概率密度函数包括多旋翼飞行器状态变量分布的概率密度函数和离散模态的离散概率分布，如下：

Y^k＝{y(0),y(1),…,y(k)}表示多旋翼飞行器截止到采样时刻k的观测量集合；

步骤三：结合混杂状态分布的概率密度函数，计算多旋翼飞行器的模糊健康度；

首先，计算多旋翼在模态q_j下的模糊健康度h_j(k)；

μ(·)为隶属度函数，Δ_p(k)是多旋翼飞行器在采样时刻k的实时位置偏离任务路径的三维分量最大值；表示第l个粒子的标准化权重；表示第l个粒子的一步预测值；

然后，融合各模态下的模糊健康度得到多旋翼飞行器的模糊健康度，公式如下：

步骤四、利用模糊健康度h(k)，判定该多旋翼飞行器的健康等级，根据健康等级判定结果，制定相应的安全飞行策略；

健康等级判定公式为：HL(k)＝Ψ(h(k))，其中Ψ为判定函数。