无人机电芯健康与不平衡预警

本项目针对多旋翼无人机多电芯动力电池，在线评估单体电压差、最低单体电压、温度、内阻和高负载压降。输出 HEALTHY / DEGRADED / LIMIT_LOAD / LAND_NOW 以及任务级建议。

与 UAV mission energy budget 的区别：

  • 能量预算模块估计可用能量、续航和返航裕度；
  • 本模块关注电池组内部健康与不平衡，不预测剩余航时；
  • 输出用于发现弱电芯、热异常和负载能力下降。

1. 判定模型

单体不平衡电压：

风险综合以下分量：

任一单体低于 3.10 V、温度达到 66°C 或不平衡达到 0.24 V 时，立即进入 LAND_NOW。其余状态使用连续帧确认，避免负载波动造成频繁切换。

2. ROS 2 接口

话题 类型 方向 说明
/uav_battery/health_sample std_msgs/String 输入 单体电压、电流、温度和估算内阻
/uav_battery/health_assessment std_msgs/String 输出 不平衡、风险、最低/平均电压和状态
/uav_battery/health_advice std_msgs/String 输出 继续、降低峰值负载、低功率返航或就近降落

3. 构建与运行

source /opt/ros/humble/setup.bash
colcon build --symlink-install --packages-select uav_battery_health_guard
source install/setup.bash
ros2 launch uav_battery_health_guard main.launch.py duration:=20

CSV 默认写入 /tmp/uav_battery_health_runtime.csv。

4. Humble 虚拟机实测

Ubuntu 22.04.5 / ROS 2 Humble 下 colcon build 成功，VM 内 9 项 unittest 全部通过。ros2 launch 实际启动两个节点，运行 20 秒并记录 100 条状态。

实际状态迁移：

HEALTHY → DEGRADED → LIMIT_LOAD → DEGRADED → HEALTHY

故障段单体不平衡达到约 0.159 V，温度超过 60°C，内阻明显上升；恢复后不平衡降至约 0.02 V。

VM 内实际终端截图同时记录了 Ubuntu/ROS 版本、colcon build、9 项单元测试、两个节点启动、电池状态迁移和 CSV 尾部：

ROS 2 Humble 虚拟机电池健康实测终端

根据同一轮 CSV 生成的电池健康曲线：

ROS 2 Humble 实际电池健康状态

5. 限制

  1. 电池数据由确定性仿真生成，未连接真实 BMS 或动力电池。
  2. 内阻是输入估计值，没有实现电流脉冲辨识。
  3. 未建模电芯老化、温度梯度、均衡电路和充电过程。
  4. 电压阈值与风险权重是示例参数，必须按具体电芯化学体系重新标定。
  5. 模块不切断动力电源，也不直接触发降落；飞控必须独立执行故障保护。

6. 大模型使用声明

使用 OpenAI Codex 辅助完成代码、测试、文档和运行图生成；作者已逐项复核代码、参数和结果，并对提交内容、数据真实性和后续维护负责。