一种狭小空间复杂紊流影响下无人机安全距离保持方法技术

本发明专利技术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。本发明专利技术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。隧道的特种作业任务。隧道的特种作业任务。

【技术实现步骤摘要】
一种狭小空间复杂紊流影响下无人机安全距离保持方法


[0001]本专利技术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。

技术介绍

[0002]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。
[0003]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。
[0004]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。
[0005]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。
[0006]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。

技术实现思路

[0007]为克服现有技术中的缺陷，对于自主巡检作业无人机系统，本专利技术提供一种狭小空间复杂紊流影响下无人机自主安全距离保持方法，通过地下空间紊流干扰的深耦合建模、包含紊流效应的无人机动力学和运动学模型的建立与复合干扰的估计、与升力有关的安全约束的建立以及满足无人机轨迹跟踪性能和安全避障需求的非线性模型预测控制器设计实现。该方法能够保证无人机在受限空间中作业的安全性，提升无人机在扰动情况下的自主避障能力。
[0008]为达到上述目的，本专利技术采用的技术方案为：一种狭小空间复杂紊流影响下无人机安全距离保持方法，包括如下步骤：第一步，进行地下空间紊流干扰的深耦合建模，实现深耦合的紊流效应模型；第二步，建立包含紊流效应的无人机运动学和动力学模型，并设计紊流观测器对干扰进行估计；第三步，根据实时三维地图建立安全飞行走廊，并基于高保真无人机模型将其转化为与无人机升力有关的安全约束；第四步，设计非线性模型预测控制器，求解未来一段时间满足轨迹跟踪和安全避障需求的无人机最优控制量。
[0009]进一步地，所述第一步包括：对于四旋翼无人机的一个旋翼，该旋翼在不受气动效应影响的区域，在转速为时，产生的升力为,为升力系数，为旋翼的编号。当该单个旋翼处于紊流效应影响的区域时，升力随着旋翼距离地面的高度发生改变，具体为：，其中，为该旋翼距离地面的高度，为螺旋桨的半径；因此四旋翼无人机的总升力受到的紊流效应的干扰外力为：,假设无人机以俯仰角往前飞行，则此时受到的紊流效应的干扰外力：，
其中，为无人机距离飞行高度，为旋翼与无人机几何中心之间的长度。
[0010]进一步地，所述第二步包括：考虑紊流对于无人机产生干扰外力影响，建立的无人机模型形式如下：，其中，表示无人机的位置，表示导数，代表无人机的速度，表示导数，是巡检无人机的总重量，表示无人机机体坐标系下推力矢量，表示无人机电机的总推力，是无人机姿态旋转矩阵表示形式，表示导数，表示重力加速度，代表无人机的角速度，表示角速度的反对称矩阵，表示导数，表示无人机电机产生的总扭矩，表示单位向量，表示无人机受到的气流扰动干扰外力，，，分别表示扰动外力在惯性系下分量，，系数矩阵的定义为：，根据无人机的动力学和运动学模型，以及深耦合的紊流效应模型，设计紊流观测器，其形式如下：，其中，为观测器增益，为系数矩阵， 为中间辅助变量，为的估计值，为紊流外力估计值，为控制器输入。
[0011]进一步地，所述第三步包括：
根据机载视觉惯性里程计估计的位姿和深度相机感知的周围环境深度信息建立三维地形体素地图；在三维地形体素地图中，参考轨迹局部点膨胀方法得到以无人机飞行轨迹为参考的安全飞行走廊，该安全飞行走廊为凸多面体，其形式表示如下：,其中，和为凸多面体半空间线性约束条件，表示无人机的位置；基于控制障碍函数理论和步骤二中建立的包含紊流效应的无人机运动学和动力学模型，将无人机与障碍物之间的欧式距离描述的安全飞行走廊转换为以无人机升力表示的安全飞行走廊约束，其形式如下：，其中，表示无人机电机的总推力，表示无人机的位置，，表示系统系数， 为几何约束表示的安全走廊，是基于无人机平动运动学模型对求导数，是基于无人机平动动力学模型对求二阶导数，它们的具体形式分别表示如下：，，，其中， 表示矩阵的第行，第列元素；为姿态四元数的实部，，，为姿态四元数的虚部；，， 分别表示无人机在惯性系下的速度分量。
[0012]当不等式，求解出一个升力区间，该升力区间保证无人机在紊流扰动影响下的避障可靠性。
[0013]进一步地，所述第四步包括：所述非线性模型预测控制器在满足多种约束条件下调节无人机的控制量，在完成轨迹跟踪的同时保证无人机安全避障本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种狭小空间复杂紊流影响下无人机安全距离保持方法，其特征在于，包括如下步骤：第一步，进行地下空间紊流干扰的深耦合建模，实现深耦合的紊流效应模型；第二步，建立包含紊流效应的无人机运动学和动力学模型，并设计紊流观测器对干扰进行估计；第三步，根据实时三维地图建立安全飞行走廊，并基于高保真无人机模型将其转化为与无人机升力有关的安全约束；第四步，设计非线性模型预测控制器，求解未来一段时间满足轨迹跟踪和安全避障需求的无人机最优控制量。2.根据权利要求1所述的一种狭小空间复杂紊流影响下无人机安全距离保持方法，其特征在于，所述第一步包括：对于四旋翼无人机的一个旋翼，该旋翼在不受气动效应影响的区域，在转速为时，产生的升力为,为升力系数，为旋翼的编号，当该单个旋翼处于紊流效应影响的区域时，升力随着旋翼距离地面的高度发生改变，具体为：，其中，为该旋翼距离地面的高度，为螺旋桨的半径；因此四旋翼无人机的总升力受到的紊流效应的干扰外力为：，假设无人机以俯仰角往前飞行，则此时受到的紊流效应的干扰外力：，其中，为无人机距离飞行高度，为旋翼与无人机几何中心之间的长度。3.根据权利要求2所述的一种狭小空间复杂紊流影响下无人机安全距离保持方法，其特征在于，所述第二步包括：考虑紊流对于无人机产生干扰外力影响，建立的无人机模型形式如下：
，其中，表示无人机的位置，表示导数，代表无人机的速度，表示导数，是巡检无人机的总重量，表示无人机机体坐标系下推力矢量，表示无人机电机的总推力，是无人机姿态旋转矩阵表示形式，表示导数，表示重力加速度，代表无人机的角速度，表示角速度的反对称矩阵，表示导数，表示无人机电机产生的总扭矩，表示单位向量，表示无人机受到的气流扰动干扰外力，，，分别表示扰动外力在惯性系下分量，，系数矩阵的定义为：，根据无人机的动力学和运动学模型，以及深耦合的紊流效应模型，设计紊流观测器，其形式如下：，其中，为观测器增益，为系数矩阵，为中间辅助变量，为的估计值，为紊流外力估...

【专利技术属性】
技术研发人员：郭克信，范大东，余翔，郭雷，王建梁，张晓莉，
申请(专利权)人：咸亨国际杭州航空自动化有限公司，
类型：发明
国别省市：