本發(fā)明涉及無人機(jī)，具體為無人機(jī)環(huán)境感知中的智能故障警報(bào)系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

1、無人機(jī)技術(shù)作為近年來快速發(fā)展的高新技術(shù)之一，已經(jīng)在眾多領(lǐng)域展現(xiàn)出其獨(dú)特的優(yōu)勢和廣泛的應(yīng)用前景，從環(huán)境監(jiān)測到災(zāi)害救援，從農(nóng)業(yè)植保到地理勘探，無人機(jī)以其靈活機(jī)動、成本低廉、視野廣闊等特點(diǎn)，成為了現(xiàn)代科技不可或缺的組成部分，隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步，無人機(jī)被越來越多地應(yīng)用于極端環(huán)境條件下執(zhí)行復(fù)雜任務(wù)，這對無人機(jī)的環(huán)境適應(yīng)性和穩(wěn)定性提出了更高的要求。

2、盡管現(xiàn)有無人機(jī)技術(shù)在許多方面已經(jīng)取得了顯著成就，但在極端環(huán)境條件下的應(yīng)用仍面臨諸多挑戰(zhàn)，傳統(tǒng)無人機(jī)在遭遇高溫、低溫或高海拔等極端環(huán)境時(shí)，往往會出現(xiàn)電子元件過熱、電池性能急劇下降、機(jī)械部件磨損加劇等問題，這些問題直接影響了無人機(jī)的穩(wěn)定性和安全性，高溫環(huán)境下，無人機(jī)內(nèi)部的電子元件容易因過熱而損壞，影響飛行控制，低溫環(huán)境下，電池性能顯著下降，續(xù)航時(shí)間縮短，且機(jī)械部件可能因低溫而凍結(jié)或失去靈活性，高海拔環(huán)境中，空氣稀薄導(dǎo)致發(fā)動機(jī)效率降低，飛行性能受限，此外，傳統(tǒng)無人機(jī)大多缺乏智能的故障預(yù)警系統(tǒng)，無法實(shí)時(shí)監(jiān)測環(huán)境變化并提前預(yù)警潛在故障，增加了飛行風(fēng)險(xiǎn)。

3、針對上述問題，有必要對現(xiàn)有的無人機(jī)環(huán)境感知中的智能故障警報(bào)系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化，通過集成多傳感器、智能算法及自適應(yīng)調(diào)節(jié)機(jī)制，實(shí)現(xiàn)了對無人機(jī)當(dāng)前環(huán)境參數(shù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測與評估，并據(jù)此自動調(diào)整無人機(jī)的工作狀態(tài)，同時(shí)在檢測到潛在故障時(shí)立即發(fā)出警報(bào)，因此，開發(fā)一種能夠綜合實(shí)現(xiàn)上述特點(diǎn)的無人機(jī)環(huán)境感知中的智能故障警報(bào)系統(tǒng)具有重要意義。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的就是為了彌補(bǔ)現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供了無人機(jī)環(huán)境感知中的智能故障警報(bào)系統(tǒng)，它能夠通過集成多傳感器、智能算法及自適應(yīng)調(diào)節(jié)機(jī)制，該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)對無人機(jī)所處環(huán)境的全面、實(shí)時(shí)監(jiān)測，并根據(jù)環(huán)境狀態(tài)自動調(diào)整無人機(jī)的工作狀態(tài)，提前預(yù)警潛在故障，從而有效提升無人機(jī)的自主感知能力、故障預(yù)警及安全飛行保障能力。

2、本發(fā)明為解決上述技術(shù)問題，提供如下技術(shù)方案：無人機(jī)環(huán)境感知中的智能故障警報(bào)系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括以下組成部分：環(huán)境感知模塊、環(huán)境參數(shù)分析與決策單元、故障預(yù)警與警報(bào)模塊和自適應(yīng)調(diào)節(jié)模塊；

3、所述環(huán)境感知模塊集成溫度傳感器、壓力傳感器和濕度傳感器，實(shí)時(shí)采集無人機(jī)所處環(huán)境的溫度、氣壓和濕度參數(shù)，對采集到的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理操作，將處理后的數(shù)據(jù)存儲于無人機(jī)的本地存儲或?qū)崟r(shí)傳輸至遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)中心；

4、所述環(huán)境參數(shù)分析與決策單元利用歷史數(shù)據(jù)和專家知識，通過算法建立環(huán)境參數(shù)與無人機(jī)性能之間的映射關(guān)系模型并進(jìn)行訓(xùn)練，將環(huán)境感知模塊采集到的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)輸入到已建立的模型中，進(jìn)行在線分析，模型將輸出當(dāng)前環(huán)境下無人機(jī)的預(yù)計(jì)性能表現(xiàn)，根據(jù)模型預(yù)測結(jié)果，環(huán)境參數(shù)分析與決策單元將自動生成相應(yīng)的飛行控制策略，將生成的飛行控制策略通過算法發(fā)送給無人機(jī)的飛行控制系統(tǒng)，由飛行控制系統(tǒng)執(zhí)行相應(yīng)的操作；

5、所述故障預(yù)警與警報(bào)模塊在系統(tǒng)初始化時(shí)，根據(jù)無人機(jī)的設(shè)計(jì)參數(shù)和性能要求，設(shè)定各項(xiàng)環(huán)境參數(shù)和性能指標(biāo)的預(yù)警閾值，在無人機(jī)飛行過程中，持續(xù)監(jiān)測環(huán)境參數(shù)和無人機(jī)的性能指標(biāo)，將實(shí)時(shí)監(jiān)測到的數(shù)據(jù)與預(yù)警閾值進(jìn)行比較，判斷是否存在異常情況，一旦檢測到異常情況，立即觸發(fā)相應(yīng)的警報(bào)機(jī)制，在警報(bào)觸發(fā)后，根據(jù)預(yù)設(shè)的應(yīng)急處理流程，采取措施以保障無人機(jī)的安全；

6、所述自適應(yīng)調(diào)節(jié)模塊基于環(huán)境感知模塊和環(huán)境參數(shù)分析與決策單元的輸出結(jié)果，對無人機(jī)當(dāng)前所處的環(huán)境進(jìn)行全面評估，根據(jù)環(huán)境評估結(jié)果，自動調(diào)整無人機(jī)的飛行參數(shù)和系統(tǒng)配置，以適應(yīng)當(dāng)前環(huán)境，在參數(shù)調(diào)整過程中，持續(xù)監(jiān)控?zé)o人機(jī)的性能指標(biāo)，將調(diào)整后的飛行參數(shù)和系統(tǒng)配置與無人機(jī)的實(shí)際表現(xiàn)進(jìn)行對比分析，不斷優(yōu)化環(huán)境參數(shù)分析與決策單元的模型和參數(shù)；

7、所述環(huán)境參數(shù)分析與決策單元利用歷史數(shù)據(jù)和專家知識，通過算法建立環(huán)境參數(shù)與無人機(jī)性能之間的映射關(guān)系模型，其算法公式為：其中，q是無人機(jī)性能指標(biāo)，t是環(huán)境溫度，p是環(huán)境氣壓，h是環(huán)境濕度，wi1是權(quán)重，ai，bi，ci是不同輸入變量的系數(shù)，θ1是偏置，m是輸入變量的數(shù)量，d是常數(shù)項(xiàng)；

8、所述環(huán)境參數(shù)分析與決策單元將生成的飛行控制策略通過算法發(fā)送給無人機(jī)的飛行控制系統(tǒng)，其用到的算法公式為：其中：u(t)是發(fā)送給無人機(jī)的控制指令，e(t)是無人機(jī)的當(dāng)前狀態(tài)與期望狀態(tài)之間的差值，kp、ki、kd分別是比例、積分、微分增益，用于調(diào)整控制器的響應(yīng)速度和穩(wěn)定性，是誤差信號的積分，用于消除穩(wěn)態(tài)誤差，是誤差信號的微分，用于預(yù)測未來的誤差變化，提高系統(tǒng)的響應(yīng)速度。

9、進(jìn)一步地，所述環(huán)境參數(shù)分析與決策單元對模型進(jìn)行訓(xùn)練的具體步驟為：

10、(1)使用預(yù)處理后的數(shù)據(jù)作為訓(xùn)練集，對模型進(jìn)行訓(xùn)練；

11、(2)在訓(xùn)練過程中，通過不斷調(diào)整模型的參數(shù)使模型能夠更好地?cái)M合訓(xùn)練數(shù)據(jù)；

12、(3)使用測試集對訓(xùn)練好的模型進(jìn)行評估，計(jì)算模型的準(zhǔn)確率、召回率和f1分?jǐn)?shù)指標(biāo)；

13、(4)將模型應(yīng)用于實(shí)際場景中，驗(yàn)證其在不同環(huán)境條件下的預(yù)測準(zhǔn)確性。

14、更進(jìn)一步地，所述環(huán)境參數(shù)分析與決策單元將環(huán)境感知模塊采集到的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)輸入到已建立的模型中，進(jìn)行在線分析，模型將輸出當(dāng)前環(huán)境下無人機(jī)的預(yù)計(jì)性能表現(xiàn)，其性能表現(xiàn)包括：飛行續(xù)航能力、飛行速度與穩(wěn)定性、傳感器與導(dǎo)航精度、載荷能力、抗風(fēng)能力及通信與數(shù)據(jù)傳輸能力。

15、更進(jìn)一步地，所述環(huán)境參數(shù)分析與決策單元根據(jù)模型預(yù)測結(jié)果，自動生成相應(yīng)的飛行控制策略，其具體策略包括：在高溫環(huán)境下自動調(diào)整散熱系統(tǒng)的工作模式，在低溫環(huán)境下啟動電池保溫機(jī)制，在高海拔環(huán)境下調(diào)整飛行姿態(tài)和動力分配。

16、更進(jìn)一步地，所述故障預(yù)警與警報(bào)模塊一旦檢測到異常情況，立即觸發(fā)相應(yīng)的警報(bào)機(jī)制，其報(bào)警機(jī)制包括：發(fā)出聲音警報(bào)、點(diǎn)亮故障指示燈和向遠(yuǎn)程操作員發(fā)送警報(bào)信息。

17、更進(jìn)一步地，所述故障預(yù)警與警報(bào)模塊在系統(tǒng)初始化時(shí)，根據(jù)無人機(jī)的設(shè)計(jì)參數(shù)和性能要求，設(shè)定各項(xiàng)環(huán)境參數(shù)和性能指標(biāo)的預(yù)警閾值，其環(huán)境閾值包括：根據(jù)無人機(jī)的散熱能力和電子元件的耐溫范圍，設(shè)定高溫和低溫預(yù)警閾值，對于高海拔飛行，根據(jù)無人機(jī)的升限和氣壓傳感器的精度，設(shè)定氣壓預(yù)警閾值，性能指標(biāo)閾值包括：根據(jù)電池的性能曲線和安全使用范圍，設(shè)定電池電壓和電流的預(yù)警閾值，根據(jù)機(jī)械部件的耐振能力和故障歷史數(shù)據(jù)，設(shè)定振動水平的預(yù)警閾值，根據(jù)無人機(jī)的姿態(tài)控制精度和穩(wěn)定性要求，設(shè)定姿態(tài)穩(wěn)定性的預(yù)警閾值。

18、更進(jìn)一步地，所述故障預(yù)警與警報(bào)模塊在警報(bào)觸發(fā)后，根據(jù)預(yù)設(shè)的應(yīng)急處理流程，采取措施以保障無人機(jī)的安全，其具體措施包括：

19、(1)根據(jù)故障類型和嚴(yán)重程度，自動調(diào)整無人機(jī)的飛行參數(shù)，包括降低飛行高度、減速飛行、改變飛行姿態(tài)；

20、(2)在故障發(fā)生前，系統(tǒng)會定期備份重要數(shù)據(jù)和參數(shù)設(shè)置；

21、(3)在緊急情況下，操作員根據(jù)系統(tǒng)發(fā)出的警報(bào)信息和應(yīng)急操作指導(dǎo)，手動干預(yù)無人機(jī)的飛行控制；

22、(4)將故障預(yù)警、應(yīng)急處理過程和結(jié)果記錄在無人機(jī)的日志系統(tǒng)中。

23、更進(jìn)一步地，所述自適應(yīng)調(diào)節(jié)模塊將調(diào)整后的飛行參數(shù)和系統(tǒng)配置與無人機(jī)的實(shí)際表現(xiàn)進(jìn)行對比分析，不斷優(yōu)化環(huán)境參數(shù)分析與決策單元的模型和參數(shù)，其進(jìn)行優(yōu)化的算法公式為：其中：θt+1是更新后的模型參數(shù)，θt是當(dāng)前的模型參數(shù)，η是學(xué)習(xí)率，是在當(dāng)前數(shù)據(jù)集dt上對模型參數(shù)θ的損失函數(shù)l的梯度，λ是權(quán)重因子，δθhist是根據(jù)反饋結(jié)果計(jì)算的模型參數(shù)調(diào)整量，該公式根據(jù)當(dāng)前數(shù)據(jù)計(jì)算損失函數(shù)的梯度，并結(jié)合反饋來調(diào)整模型參數(shù)。

24、與現(xiàn)有技術(shù)相比，該無人機(jī)環(huán)境感知中的智能故障警報(bào)系統(tǒng)具備如下有益效果：

25、一、本發(fā)明通過集成多傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測極端環(huán)境下的關(guān)鍵參數(shù)，結(jié)合智能算法進(jìn)行快速分析與決策，能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)并預(yù)警無人機(jī)可能面臨的潛在風(fēng)險(xiǎn)，在高溫環(huán)境下，自動啟動的加強(qiáng)散熱模式及高溫警報(bào)，有效防止了電子元件過熱損壞；在低溫環(huán)境下，對關(guān)鍵部件的保溫措施及低溫警報(bào)，保障了電池等關(guān)鍵組件的性能穩(wěn)定，避免了因電池失效導(dǎo)致的飛行事故。

26、二、本發(fā)明通過自適應(yīng)調(diào)節(jié)機(jī)制，無人機(jī)能夠根據(jù)實(shí)時(shí)環(huán)境參數(shù)自動調(diào)整飛行高度、速度、功率分配等參數(shù)，確保在不同極端環(huán)境下保持最佳工作狀態(tài)，這種智能調(diào)節(jié)不僅減少了能耗，還提升了飛行穩(wěn)定性，使得無人機(jī)能夠在更廣泛的環(huán)境條件下高效作業(yè)。

27、本發(fā)明的其他優(yōu)點(diǎn)、目標(biāo)和特征在某種程度上將在隨后的說明書中進(jìn)行闡述，并且在某種程度上，基于對下文的考察研究對本領(lǐng)域技術(shù)人員而言將是顯而易見的，或者可以從本發(fā)明的實(shí)踐中得到教導(dǎo)。