[发明专利]一种狭小空间复杂紊流影响下无人机安全距离保持方法

说明书

本发明提供一种狭小空间复杂紊流影响下无人机安全距离保持方法，以解决无人机在狭小空间执行作业任务时气流干扰对其安全避障的影响，包括：首先进行狭小空间紊流效应的深耦合建模；然后构建包含气流扰动的无人机运动和动力学模型，并根据深耦合干扰模型设计紊流观测器；其次建立无人机安全飞行走廊，并基于控制障碍函数理论和带有扰动信息的无人机模型将欧式距离约束变换为与无人机升力有关的安全约束；最后针对无人机轨迹跟踪性能和安全避障需求设计非线性模型预测控制器，求解无人机在未来一段飞行时间中最优的期望升力和角速度。本发明能够显著改善无人机在复杂干扰下自主安全避障的性能，可用于地下综合管廊、电力隧道的特种作业任务。

技术领域

本发明属于飞行机器人特种作业领域，具体涉及一种狭小空间复杂紊流影响下无人机安全距离保持方法，适用于需要执行地下综合管廊、电力隧道等巡检任务的无人机控制系统。

背景技术

随着城市城镇化转型的速度不断加快，城市地上空间部分已不能完全满足城市的发展需要，因此城市地下空间的充分开发利用显得尤为关键。作为智慧化城市建设的重要基础，近年来，我国地下综合管廊建设正在高速发展。地下管廊一般都隐身在市民视线之外，如果发生险情如同城市发生了“血栓”，会给城市居民带来极大的不便和损失。

为了更好地管理和维护综合管廊，需要对其进行定期的巡检，及时发现并解决问题，保证管廊的正常运行。传统的巡检方式主要包括人工巡检、固定点位传感器监视和地面机器人巡检。其中人工巡检频次低，且地下环境特别恶劣、高温、高湿、缺氧的环境给工人生命健康带来巨大危害。固定监测设备受管廊空间布局、设施设备等因素的影响，存在检测盲区难以消除，误报、漏报现象过多等问题。地下巡检机器人机动灵活，但是无法对高处目标进行探测。地下基础设施环境幽暗、卫星信号天然拒止，导致地下巡检机器人感知定位难。且地下综合管廊存在诸多非规则狭小通道，地下机器人难以翻越，极大地限制了其应用范围。综上，人工巡检安全隐患高，固定监测设备漏报率高，地下机器人通过性差，均难以适应在地下综合管廊中进行自主、高效、安全巡检的需求。

针对上述综合管廊巡检中所面临的“人不能及、机不可达”等瓶颈问题，使用无人机进行地下综合管廊巡检已经成为现代城市基础设施管理的新业态，它在巡检效率、安全性和精度等方面都有着明显的优势。地下综合管廊往往空间都很狭小，无人机进行安全区域规划时，物理约束较强，并且无人机在其中飞行时，极易受到地面效应、天花板效应等气流扰动的影响，这对无人机的轨迹规划和控制提出了更高的要求。为了进一步增强无人机在作业任务中的安全性，使空中飞行机器人尤其是巡检无人机具有在受限物理空间约束，以及复杂紊流扰动影响下自主避障能力，完成自主巡检等任务。无人机的规划和控制算法在设计过程中必须解决上述提到的强物理约束和复合干扰对于无人机轨迹跟踪和安全距离保持的影响问题。

中国专利申请CN202110367278.2提出了一种基于无人机的地下管廊巡检方法，但是存在两个问题：(1) 未考虑在巡检过程中，无人机自主安全避障功能；（2）并未考虑无人机与地下管廊相互作用产生的气流扰动；中国专利申请CN201910242470.1提出了一种地下综合管廊巡检系统，但存在两个类似的问题：(1) 未根据建立的地图实时生成安全避障约束；(2) 并未对狭小空间的复合气流建模，并在无人机规划和控制中考虑该复合干扰的影响；中国专利申请CN202210346957.6提出了一种隧道环境下旋翼无人机自主导航方法及系统，但其需要提前在隧道中布设基站用于无人机定位，且不具备自主安全避障功能；中国专利申请CN201910185232.1提出了一种无人机电缆隧道巡检飞行方法，但是该方法中无人机只能进行巡线飞行，不具备自主建图和避障的功能。

因此，上述的方法都没有考虑存在复合紊流干扰情况下无人机安全距离保持的问题，以完成高难度的自主巡检作业任务。

发明内容