复杂风场环境中多旋翼健康评估及应急决策机制设计

Flight reliability is a key difficulty that multicopter drones face nowadays. It has become an important factor affecting the development of multicopters. In-flight component failures and system anomalies will abort missions, crash multicopters, and even threaten people’s lives and properties. Currently, existing studies seek to deal with flight reliability issues through fault diagnosis and fault-tolerant control technology. However, there lack studies using “health” to measure the overall performance and reliable flight capability of multicopters, and thus exploring how to ensure flight reliability from the perspective of high-level decision-making logic. Current studies cannot completely meet the high requirement of reliable flights of drones. Therefore, this project focuses on the flight reliability of multicopters with an orientation of “health” under the technological framework of system health management, and studies health evaluation and emergency decision-making mechanism design in complex wind field environment. First, a hybrid dynamic model of mutlicopter is established in complex wind field environment. Then, a quantitative metric of multicopter health-“health degree” is constructed, and a health evaluation algorithm is studied. Furthermore, a scientific method is studied to design the emergency decision-making mechanism. Finally, flight simulations and experiments are implemented for validation and verification. The research content of the project is conducive to the development of the drone industry and has theoretical significance and engineering value.

飞行可靠性问题是多旋翼无人飞行器行业当前发展面临的技术难题，已成为影响多旋翼发展的重要因素。多旋翼飞行过程中的部件故障和性能异常会导致任务中断、摔机，甚至威胁地面人员的生命、财产安全。目前，已有研究大多基于故障诊断和容错控制技术研究多旋翼飞行可靠性问题，缺少利用“健康”度量多旋翼整体性能表现和可靠飞行能力，并以此为依据从上层决策逻辑角度探索如何保障可靠飞行的研究，难以完全满足无人机高水平的可靠飞行需求。本项目针对多旋翼飞行可靠性问题，以“健康”为导向，依照系统健康管理技术框架，开展复杂风场环境中的多旋翼健康评估及应急决策机制设计研究。首先，建立复杂风场环境中的多旋翼混杂动态模型；其次，构建多旋翼健康度量指标“健康度”，研究健康评估算法；然后，研究科学的多旋翼应急决策机制设计方法；最后，开展多旋翼飞行仿真及试验验证。本项目研究内容符合无人飞行器行业发展需求，具有十分重要的理论意义和工程价值。

飞行可靠性问题是多旋翼无人飞行器行业当前发展面临的技术难题，已成为影响多旋翼发展的重要因素。多旋翼飞行过程中的部件故障和性能异常会导致任务中断、摔机，甚至威胁地面人员的生命、财产安全。目前，已有研究大多基于故障诊断和容错控制技术研究多旋翼飞行可靠性问题，缺少利用“健康”度量多旋翼整体性能表现和可靠飞行能力，并以此为依据从上层决策逻辑角度探索如何保障可靠飞行的研究，难以完全满足无人机高水平的可靠飞行需求。本项目针对多旋翼飞行可靠性问题，以“健康”为导向，依照系统健康管理技术框架，开展了复杂风场环境中的多旋翼健康评估及应急决策机制设计研究。首先，建立了基于随机混杂动态系统的复杂风场环境中的多旋翼混杂动态模型；其次，构建多旋翼健康度量指标“健康度”，研究基于交互多模型-粒子滤波等方法的多种健康评估算法；然后，研究了基于监督控制等理论的多种多旋翼应急决策机制设计方法；最后，开展多旋翼飞行仿真及试验验证。本项目研究内容符合无人飞行器行业发展需求，具有十分重要的理论意义和工程价值。项目整体按照计划执行超前，完成各项研究内容。除此之外，结合依托单位的轻工、食品研究特色，将涵盖多旋翼健康评估及应急决策机制设计的复杂系统健康管理理论思想横向延展到河湖水质健康风险评估、粮油食品安全风险评价等领域，开展信息科学、环境科学、食品科学交叉领域研究，取得的成果对河湖水质健康管理系统建设和粮油食品健康管理系统建设均提供了一种新的可行思路。