飛行可靠性問題是多旋翼無人機行業當前發展所面臨的技術難題，同時也是影響其發展的重要因素。多旋翼無人機飛行過程中的部件故障和性能異常會導致任務中斷、摔機，甚至威脅到地面人員的財產、生命安全。本書基于可靠性理論，針對一類混雜動態系統，研究一種基于健康度的混雜動態系統健康評估技術，并將理論研究應用于多旋翼無人機的健康評估工作中，進而將健康評估結果作為健康退化事件，設計多旋翼無人機的應急決策機制。本書主要內容包括目標研究對象建模、觀測信息處理和健康管理系統3個層面的技術研究，涵蓋健康度量指標、健康和異常行為建模、健康監測技術、健康預測技術、應急決策機制設計。本書所研究的健康評估，是一種廣義上的健康評估，涵蓋健康監測和健康預測，并針對多旋翼無人機給出了一套完整的系統健康管理方法和解決方案。
本書適合作為控制科學與工程及相關學科的研究生教材，以及無人機等相關行業的工程手冊，也可供學術研究參考使用。
趙峙堯，博士，北京工商大學副教授，碩士生導師。入選2021-2023北京市科協青年人才托舉工程。長期從事系統科學理論與工程領域理論、方法和關鍵技術研究，專注于利用復雜動態系統健康管理技術，探究智能系統、環保、食品安全領域的風險防控體系建設。主持國家自然科學基金青年項目、北京市自然科學基金青年項目等國家及省部級課題，在國內外期刊上發表SCI論文30余篇，授權國家發明專利10余項，獲得中國發明協會發明創新獎二等獎、中國儀器儀表學會科技進步獎二等獎、首屆全國高校自動化類專業青年教師講課（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的健康性能評估與決策、食品供應鏈安全風險評估與防控、水環境機理建模及健康風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 混雜動態系統與多旋翼飛行器 7
1.2 關鍵技術問題和意義 9
1.2.1 關鍵技術問題 9
1.2.2 關鍵技術研究意義 10
1.3 技術研究現狀分析 13
1.3.1 健康評估技術研究現狀 13
1.3.2 混雜動態系統研究現狀 25
1.3.3 發展趨勢 28
1.4 本書內容與章節安排 31
1.4.1 本書內容 31
1.4.2 章節安排 33
1.5 小結 36
第2章 基礎知識 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 38
2.1.3 可靠性特征量 38
2.2 率�？煽啃岳碚� 39
2.2.1 基本概念 39
2.2.2 率模可靠度 40
2.3 混雜動態系統模型 41
2.3.1 隨機混雜系統 41
2.3.2 隨機線性混雜系統 43
2.4 多旋翼動態模型 45
2.4.1 總體描述 45
2.4.2 坐標系 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 離散事件系統監督控制理論 51
2.5.1 有限狀態自動機 52
2.5.2 監督控制理論 53
2.6 小結 55
第3章 健康度量指標 56
3.1 健康的定義 56
3.2 經典健康度 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 混雜動態系統的健康度量 73
3.5.1 混雜動態系統的經典健康度 73
3.5.2 混雜動態系統的模糊健康度 74
3.6 小結 75
第4章 混雜動態系統健康和異常行為建模 76
4.1 系統建模概述 76
4.2 執行器行為建模 77
4.2.1 執行器健康模型 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 多旋翼的混雜動態系統建模 91
4.5 小結 93
第5章 混雜動態系統健康監測技術 94
5.1 問題概述 94
5.2 一般動態系統健康監測算法 95
5.2.1 基于擴展卡爾曼濾波的系統狀態估計 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系統健康監測算法 100
5.3.1 基于改進交互多模型算法的系統狀態估計 101
5.3.2 健康定量計算 106
5.4 健康監測仿真 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 健康監測實驗 134
5.6 小結 140
第6章 混雜動態系統健康預測技術 142
6.1 問題概述 142
6.2 隨機線性混雜系統的健康預測算法 143
6.2.1 含觀測器的隨機線性混雜系統 143
6.2.2 隨機線性混雜系統的混雜狀態演化 144
6.3 多旋翼傳感器異常情景下的健康預測仿真 155
6.3.1 多旋翼模型線性化 155
6.3.2 隨機線性混雜系統建模 157
6.3.3 混雜狀態演化和健康定量計算 159
6.3.4 仿真結果 161
6.4 小結 169
第7章 多旋翼應急決策機制設計 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 動力系統異常 175
7.3 多旋翼設計的用戶需求 176
7.3.1 功能需求 176
7.3.2 可靠飛行需求 177
7.4 多旋翼模態和事件定義 178
7.4.1 多旋翼模態 178
7.4.2 多旋翼事件 179
7.5 應急決策機制設計 182
7.5.1 多旋翼被控對象建模 183
7.5.2 可靠飛行需求設計 185
7.5.3 基于Supremica軟件設計應急決策機制 217
7.5.4 基于TCT軟件設計應急決策機制 223
7.5.5 反例與討論 231
7.6 多旋翼應急決策機制仿真 240
7.7 小結 244
附錄A 專業詞匯中英文對照表 246
附錄B 符號列表 251
參考文獻 255
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