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。
赵峙尧，博士，北京工商大学副教授，硕士生导师。入选2021-2023北京市科协青年人才托举工程。长期从事系统科学理论与工程领域理论、方法和关键技术研究，专注于利用复杂动态系统健康管理技术，探究智能系统、环保、食品安全领域的风险防控体系建设。主持国家自然科学基金青年项目、北京市自然科学基金青年项目等国家及省部级课题，在国内外期刊上发表SCI论文30余篇，授权国家发明专利10余项，获得中国发明协会发明创新奖二等奖、中国仪器仪表学会科技进步奖二等奖、首届全国高校自动化类专业青年教师讲课（说课）竞赛一等奖等、北京高校第十一届青年教师教学基本功比赛工科类一等奖。目前研究集中在多旋翼无人机系统的健康性能评估与决策、食品供应链安全风险评估与防控、水环境机理建模及健康风险评价等方面取得了重要成果。
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
2.4.5 PD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
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