[发明专利]一种基于运动学习的四旋翼无人机电塔巡检方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种基于运动学习的四旋翼无人机电塔巡检方法，属于无人机轨迹规划技术领域。

背景技术

近年来，四旋翼无人机以其简单的机械结构和独特的飞行方式而成为无人机研究领域中的热点。它是一种非共轴多旋翼式飞行器，由于其特殊的设计结构，使得其可以实现多种飞行姿态。通过调节对称分布的四个旋翼转速，实现对飞行姿态的控制。与常规直升机相比，四个旋翼提供升力比单旋翼更均匀，因而飞行更加平稳且机动性更强。四旋翼无人机体积小、隐蔽性好、飞行平稳，特别适合近侦查、监视等民用和军用领域。在民用领域，四旋翼无人机主要被应用于地面检测、抗灾救险、高空拍摄等；在军用领域，主要被用于军事侦查、战场监控、情报收集等。

在电力系统中，电塔是电网输电的重要基础设施，电塔的维护及质量检测是现代电力系统运行与发展的重要保障。过去通过人工攀爬检查电塔，登塔难度高危险性较大。与人工攀爬检查方式不同，四旋翼无人机可轻松到达距离地面80多米高的塔顶，实现全方位高清拍摄，从而大大降低了巡检难度和危险性。所以四旋翼无人机被广泛应用于电塔电网巡检。

但是，无人机技术密集及协同性强，使它的操纵越来越复杂；随着现代电塔巡检飞行任务的强度、难度的不断增加，飞行操作手在生理和心理上会受到影响，单纯依靠手控操作完成复杂的电塔巡检任务变得越来越困难；因此三维轨迹规划显得至关重要。然而现有的三维空间轨迹规划算法均在环境建模的基础上添加诸多的约束条件通过各种算法搜索飞行路径，搜索到路径的优越性依赖于环境模型的精确程度及算法的实时性和有效性，这样的规划方式不完全适合电塔巡检的无人机轨迹规划任务，搜索与规划路径的效率不高。

发明内容

针对上述现有技术问题，本发明要解决的技术问题是：提供一种基于运动学习的四旋翼无人机电塔巡检方法，使得四旋翼无人机具备自主巡检电塔的能力，将人从复杂和繁重遥控任务解脱出来，并提高四旋翼无人机电塔巡检的效率。

为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：

一种基于运动学习的四旋翼无人机电塔巡检方法，其特征在于具体包括如下步骤：

步骤S1：运动学习过程：通过遥控器示教四旋翼无人机完成一次具体的电塔巡检任务，收集该具体的电塔巡检任务三维轨迹序列作为运动学习样本，基于动力学方程和运动学习样本提取运动基元；所述三维轨迹序列即三个自由度的位移、速度、加速度信息；

步骤S2：泛化过程：为新的电塔巡检任务设定起点终点，根据动力学方程和提取的运动基元泛化出新巡检任务的三维轨迹序列，将新的三维轨迹序列作为导航路径给四旋翼无人机完成电塔巡检任务，若新的电塔巡检任务中没有障碍物则步骤S2后规划结束；若新的电塔巡检任务的规划路径上有障碍物，则进入步骤S3；

步骤S3：先确定障碍物大致的中心位置坐标，然后在已有学习基础上通过设计耦合因子重新规划出可行三维避障轨迹；最后将规划出的可行避障轨迹给四旋翼无人机完成自主电塔巡检任务。

上述技术方案中，步骤S1提取运动基元时，引入带有恒定系数线性微分方程，将四旋翼无人机的点到点运动描述为一种带有非线性强制项的动力学系统模型；通过遥控器示教四旋翼无人机完成一次具体的电塔巡检任务，基于四旋翼无人机内部的位置估计模块，分别获取四旋翼无人机上升阶段和下降阶段起点到终点三个自由度各自位移、速度和加速度的序列，基于获得的学习样本和动力学系统模型分别提取四旋翼无人机上升和下降阶段的运动基元序列，提取到的基元序列作为后续步骤中自主规划路径的基础。

上述技术方案中，步骤S2中，设定新的电塔巡检任务起点和终点，将学到的运动基元带入有非线性强制项的动力学系统模型，并使用同一正则系统，泛化出一条离散的运动轨迹点，即为所需的电塔巡检路径，若新的巡检任务无障碍物则步骤S2后规划结束，将规划的轨迹点给四旋翼无人机完成电塔巡检任务；

上述技术方案中，步骤S3通过在动力学方程中设计耦合因子，在原有的运动基元和动力学方程基础上重新泛化出可行三维轨迹序列，将三维轨迹序列作为电塔巡检的导航路径给四旋翼无人机完成自主电塔巡检任务。

上述技术方案中，步骤S3详细步骤如下：