CN106774417A - 一种新型的无人机巡检高耸结构时的飞行区域控制方法 - Google Patents

Abstract

一种新型的无人机巡检高耸结构时的飞行区域控制方法，利用布设于高耸结构周围的无线信号发射源阵列，发射源阵列发射位置限制信号，无人机接收该限制信号，自动约束无人机的飞行区域。步骤：①在高耸结构周围布设（N=1,2，……,+∞）的无线信号发射源Sq(q=1,2,……,N)形成无线信号发射阵列S_N；②每一个无线信号发射源S^q以广播的形式发射飞行区域限制信号SS^q，形成无线信号阵列SS^N；③无人机飞行时，不断地接收来自于SN发送的位置限制信号SS^q（q=1,2,……,N），自动计算出自身允许飞行的飞行区域，该飞行区域是在大地水平面上的竖直投影SCP_limt、也可以是三维空间区域SCP_3Dlimt；④当无人机在飞行时，判断出自己的位置超出了SCP_limt或SCP_3Dlimt，则自动调整回到允许的飞行区域内。

Description

一种新型的无人机巡检高耸结构时的飞行区域控制方法

技术领域

本发明涉及无人机应用领域，涉及新型的无人机巡检高耸结构时的飞行区域控制方法。

背景技术

高耸结构（high-rise structure），指的是高度较大、横断面相对较小的结构，以水平荷载（特别是风荷载）为结构设计的主要依据。根据其结构形式可分为自立式塔式结构和拉线式桅式结构。如广电部门的无线电塔和电视塔；电力、冶金、石油、化工等企业的电线路塔、石油钻井塔、炼油化工塔、风动机塔、排气塔、水塔、烟囱等；邮电、交通、运输等部门的电信塔、导航塔、航空指挥塔、雷达塔、灯塔等。此外，还有卫星发射塔、跳伞塔和环境气象塔等。

目前，高耸结构的外观巡检，大多数采用的是人工攀登巡检的方式，其作业难度大、作业危险系数高。因此，逐渐出现了采用无人机吊装摄像头，对高耸结构进行外观巡检。随着，工业化、城市化的发展，高耸结构空间周围可能同时存在高耸结构、高大建筑物或者高压线径路等，无人机巡检时一但失控，可能会发生无人机撞碰附近设备，造成严重后果。

为此，本发明提出了一种新型的无人机巡检高耸结构时的飞行区域控制方法。其特点是利用布设于高耸结构周围的一个无线信号发射源阵列，发射源阵列发射位置限制信号，无人机通过接收该限制信号，自动约束无人机的飞行区域，确保无人机在围绕高耸结构进行巡检飞行的时候，防止无人机失控，飞离安全飞行区域，造成无人机撞碰附近设备的问题发生。

发明内容

本发明提出了一种新型的无人机巡检高耸结构时的飞行区域控制方法。其特点是利用布设于高耸结构周围的一个无线信号发射源阵列，发射源阵列发射位置限制信号，无人机通过接收该限制信号，自动约束无人机的飞行区域。，确保无人机在围绕高耸结构进行巡检飞行的时候，防止无人机失控，飞离安全飞行区域，造成无人机撞碰附近设备的问题发生。具体如下：

①在高耸结构周围布设一定数量（N=1,2，……,+∞）的无线信号发射源S^q (q=1,2,……,N)，形成无线信号发射阵列S_N。

②每一个无线信号发射源S^q(x,y)以广播的形式发射飞行区域限制信号SS ^q，形成无线信号阵列SS_N。

③无人机在围绕高耸结构飞行时，不断地接收来自于S_N发送的位置限制信号SS ^q（q=1,2,……,N），自动计算出自身允许自由飞行的飞行区域，该飞行区域可以是飞行区域在大地水平面上的竖直投影SCP_limt、也可以是三维空间区域SCP_3Dlimt。

④当无人机在围绕高耸结构飞行时，判断出自己的位置超出了SCP_limt或SCP_3Dlimt，则自动调整飞行姿态、方向，回到允许的飞行区域内，继续完成巡检工作。

⑤该方法①至③中所提及的无线信号发射源，所发射的无线信号，可以是光信号，也可以是电磁波信号。

⑥该方法②至④中所提及的SCP_limt，是指无人机进行高耸结构巡检时，其安全飞行的空间范围在大地水平面上的垂直投影范围；该范围可以是封闭空间、任何形状，如三角形、四边形、多边形、圆形、椭圆形、五角星等，也可是半封闭、开阔形状。

本发明产生的有益效果：本发明提出了一种新型的无人机巡检高耸结构时的飞行区域控制方法，可以实现无人机在进行高耸结构巡检时飞行区域的有效控制，能够有效防止因无人机飞离安全飞行范围、碰撞高耸结构周围相关建筑、设备的问题发生。。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明。

图1为一种利用5处无线信号发射源对无人机巡检高耸结构时进行飞行区域控制的实施方案示意图

图2是利用3处无线信号发射源对无人机巡检高耸结构时进行飞行区域控制的实施方案示意图

图3是利用1处无线信号发射源对无人机巡检高耸结构时进行飞行区域控制的实施方案示意图

图4是一种利用激光阵列对无人机巡检高耸结构时进行飞行区域控制的实施方案示意图

图5是一种利用激光阵列对无人机巡检高耸结构时进行飞行区域控制的实施方案示意图

图6是一种利用激光阵列对无人机巡检高耸结构时进行飞行区域控制的实施方案示意图

具体实施方式

下面结合实施例对本发明进行进一步说明。

实施例1

本发明提出了一种新型的无人机巡检高耸结构时的飞行区域控制方法。其特点是利用布设于高耸结构周围的一个无线信号发射源阵列，发射源阵列发射位置限制信号，无人机通过接收该限制信号，自动约束无人机的飞行区域，防止无人机失控飞离安全飞行区域、碰撞高耸结构周围相关建筑、设备的问题发生。下面结合附图，介绍五种无线围栏限位的无人机高结构巡检***。

实施例1

实施方案一：一种利用5处无线信号发射源对无人机巡检高耸结构时进行飞行区域控制的实施方案（图1）

（1）在待巡检的通信铁塔周围一定范围内，布设5处无线信号发射源S¹、S²、S³、S⁴和S⁵，通过天线分别发射携带有自身位置信息SS¹、SS² 、SS³、 SS⁴ 和SS⁵的443MHz民用频段无线电信号。

（2）无人机放置于通信铁塔周围，起飞后，安装于无人机上的无线电信号接收装置RCVER通过接收无线电信号SS¹、SS² 、SS³、 SS⁴ 和SS⁵，自动计算出无人机允许飞行的大地水平面二维飞行范围SCP_limt，并反馈至无人机飞行控制***。

（3）当无人机飞行控制***发现，无人机已经偏离、或者将要分离允许飞行的大地水平面二维飞行范围SCP_limt，则自动调整飞行姿态、方向，回到允许的飞行范围SCP_limt内，继续完成巡检工作。

实施例2

一种利用3处无线信号发射源对无人机巡检高耸结构时进行飞行区域控制的实施方案（图2）

（1）在待巡检的通信铁塔周围一定范围内，布设3处无线信号发射源S¹、S²和S³，通过天线分别发射携带有自身位置信息SS¹、SS²和SS³的443MHz民用频段无线电信号。

（2）无人机放置于通信铁塔周围，起飞后，安装于无人机上的无线电信号接收装置RCVER通过接收无线电信号SS¹、SS² 和SS³，自动计算出无人机允许飞行的大地水平面二维飞行范围SCP_limt，并反馈至无人机飞行控制***。其中，SCP_limt是一个以S²的放置位置为原点、S¹S²和S¹S³为边的扇形区域。

（3）当无人机飞行控制***发现，无人机已经偏离、或者将要分离允许飞行的大地水平面二维飞行范围SCP_limt，则自动调整飞行姿态、方向，回到允许的飞行范围SCP_limt内，继续完成巡检工作。

实施例3

一种利用1处无线信号发射源对无人机巡检高耸结构时进行飞行区域控制的实施方案（图3）

（1）在待巡检的通信铁塔周围一定范围内，布设1处无线信号发射源S¹，通过天线分别发射携带有自身位置信息和飞行区域限制参量（R_min，R_max，H_max ，H_min）（国际单位：米）的443MHz民用频段无线电信号（SS¹，R_min，R_max，H_max ，H_min）。其中（R_min，R_max，H_max ，H_min）确定了无人机允许自主飞行的飞行区域SCP_3Dlimt。

（2）无人机放置于通信铁塔周围，起飞后，安装于无人机上的无线电信号接收装置RCVER通过接收无线电信号SS¹，无人机控制***自动计算自身位置在大地水平面竖直投影的坐标(xx,yy)与无线信号发射源S¹所在位置在打底水平面竖直投影的坐标(x,y)之间的距离L；同时计算出自身飞行的海拔高度h。

（3）无人机控制***实时计算ΔL_min=L-R_min、ΔL_max=L-R_max，Δh_min=h-H_min、Δh_max=h-H_max等四个绝对差值；当出现ΔL_min≤0、ΔL_max≥0、Δh_min≤0、Δh_max ≥0等情况之一时，说明无人机已经偏离、或者将要分离允许飞行的区域SCP_3Dlimt，则自动调整飞行姿态、方向，回到允许的飞行范围SCP_3Dlimt内，继续完成巡检工作。

实施例4

一种利用激光阵列对无人机巡检高耸结构时进行飞行区域控制的实施方案（图4）

利用3处无线信号发射源对无人机巡检高耸结构时进行飞行区域控制的实施方案

（1）在待巡检的通信铁塔周围一定范围内，布设一个由N个激光发射源组成的激光发射阵列S¹、S²、………..、S^N。设备布设好后，开启激光阵列，激光点阵垂直于地面、向天空连续发射一定波长λ的激光。

（2）激光阵列两个激光单元之间的最小距离为D_max；该激光阵列所围成的封闭区间构成了无人机允许飞行的大地水平面二维飞行范围SCP_limt。

（3）无人机下面吊装有一个激光信号接收装置，该激光信号接收装置可以接收波长为λ的激光信号。

（4）无人机起飞后，吊装于其下的激光信号接收装置的激光信号接收面在大地水平面上的投影几何形状最窄处的垂直距离Lmin，与D_max之间的关系为，Lmin不小于D_max。

（5）无人机起飞前，放置于铁塔附近、SCP_limt的范围内；起飞后，当激光信号接收装置接收到波长为λ的激光信号后，说明无人机已经偏离、或者将要分离允许飞行的大地水平面二维飞行范围SCP_limt，激光信号接收装置将该信息反馈至无人机飞行控制***，飞行控制***自动调整飞行姿态、方向，回到允许的飞行范围SCP_limt内，继续完成巡检工作。

实施例5

一种利用激光阵列对无人机巡检高耸结构时进行飞行区域控制的实施方案（图5）（图6）

（1）在待巡检的通信铁塔周围一定范围内，布设两个由N个激光发射源组成的激光发射阵列S¹、S²、………..、S^N。设备布设好后，开启激光阵列，激光点阵垂直于地面、向天空连续发射一定波长λ的激光。

（2）同一个激光阵列内、两个激光单元之间的最小距离为D_max；两个激光阵列发射的激光束分别形成了一个梯形圆柱形，两个梯形圆柱、与铁塔基座海拔高度上的水平面、铁塔高度加上一定容易量后的海拔高度的水平面，组成的一个封闭的梯形空心圆柱，构成了无人机允许飞行的三维空间SCP_3Dlimt（附图4），SCP_3Dlimt在大地水平面上的竖直投影为SCP_limt。

（3）无人机下面吊装有一个激光信号接收装置，该激光信号接收装置可以接收波长为λ的激光信号。

（4）无人机起飞后，吊装于其下的激光信号接收装置的激光信号接收面在大地水平面上的投影几何形状最窄处的垂直距离Lmin应能够满足，无人机接触到激光点阵发射的激光束形成的梯形圆柱形时，能够正常接收到该至少一个激光点阵发射出的激光。

（5）两个激光阵列发射出的激光束所形成的梯形圆柱形任意两点之间的最短间距R_min，应大于L_min；R_min应能满足无人机进行巡检时的姿态调整、飞行方向调整等要求。

（6）无人机起飞前，放置于SCP_3Dlimt的范围内；起飞后，当激光信号接收装置接收到波长为λ的激光信号后，说明无人机已经偏离、或者将要分离允许飞行的飞行范围SCP_3Dlimt，激光信号接收装置将该信息反馈至无人机飞行控制***，飞行控制***自动调整飞行姿态、方向，回到允许的飞行范围SCP_3Dlimt内，继续完成巡检工作。

（7）可以通过调整两个激光阵列的激光源的发射角度δ和β（单位：弧度或度），去控制SCP_3Dlimt的大小。

以上所述仅是本发明的五个具体实施方式。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明的原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应该视为本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种新型的无人机巡检高耸结构时的飞行区域控制方法，其特征在于，是利用布设于高耸结构周围的一个无线信号发射源阵列，发射源阵列发射位置限制信号，无人机通过接收该限制信号，自动约束无人机的飞行区域。

2.包括以下步骤：

①在高耸结构周围布设一定数量（N=1,2，……,+∞）的无线信号发射源Sq (q=1,2,……,N)，形成无线信号发射阵列S_N；

②每一个无线信号发射源S^q以广播的形式发射飞行区域限制信号SS^q，形成无线信号阵列SS^N；

③无人机在围绕高耸结构飞行时，不断地接收来自于SN发送的位置限制信号SS^q（q=1,2,……,N），自动计算出自身允许自由飞行的飞行区域，该飞行区域可以是飞行区域在大地水平面上的竖直投影SCP_limt、也可以是三维空间区域SCP_3Dlimt；

④当无人机在围绕高耸结构飞行时，判断出自己的位置超出了SCP_limt或SCP_3Dlimt，则自动调整飞行姿态、方向，回到允许的飞行区域内，继续完成巡检工作。

3.根据权利要求1所述的新型的无人机巡检高耸结构时的飞行区域控制方法，其特征在于，所述步骤①至③所提及的无线信号发射源，所发射的无线信号，可以是光信号，也可以是电磁波信号。

4.根据权利要求1所述的新型的无人机巡检高耸结构时的飞行区域控制方法，其特征在于，步骤②所提及的发射飞行区域限制信号，可以是连续发射、也可以是不连续发射，其信号的数据内容、格式和内容不受限制，满足对无人机进行飞行区域限制条件即可。

5.根据权利要求1所述的新型的无人机巡检高耸结构时的飞行区域控制方法，其特征在于，步骤②至④中所提及的SCP_limt，是指无人机进行高耸结构巡检时，其安全飞行的空间范围在大地水平面上的垂直投影范围；该范围可以是封闭空间、任何形状，如三角形、四边形、多边形、圆形、椭圆形、五角星，也可是半封闭、开阔形状。