一种基于移动式机巢的无人机巡检系统及方法与流程

本发明涉及无人机控制系统，具体涉及一种基于移动式机巢的无人机巡检系统及方法。

背景技术：

1、无人机机巢是实现无人机全自动作业的地面基础设施，是实现无人机自动存储、自动充/换电、远程通信、数据存储、智能分析等功能的重要组成。对于无人机的长距离巡检，通常采用沿途布设固定式机巢方式，构建无人机的供电平台和无线电通信网络，确保无人机在长途巡检过程中能够及时获得电量补充以及信号支持。

2、现有的无人机机巢一般采用固定式设置，而固定式机巢的部署需要一定的基础设施建设，来解决供网、供电、安保、维护等问题，并且为了提升无人机巡检的距离长度需要部署大量固定式机巢，从而实现对无人机巡检路线的覆盖，产生的一次性投入较大，且后期维护难以保障，不利于无人机巡检路线的拓展和开发，对无人机巡检技术的发展造成阻碍。

技术实现思路

1、针对现有技术所存在的上述缺点，本发明提供了一种基于移动式机巢的无人机巡检系统及方法，能够有效解决现有技术中无人机机巢采用固定式设置所导致的无人机巡检效率不佳、巡检路线难以拓展的问题。

2、为实现以上目的，本发明通过以下技术方案予以实现：

3、本发明提供一种基于移动式机巢的无人机巡检系统，包括远程管控平台、无人机和两个移动机巢，还包括：交替控制模块、起落布置模块；

4、两个移动机巢与远程管控平台之间进行数据传输，远程管控平台远程控制两个移动机巢交替移动，无人机与移动机巢之间建立局部通信网络，移动机巢在其周围一定范围内控制无人机移动并与无人机进行实时数据互传，将移动机巢能够与无人机保持信号稳定连通的最大圆形区域记作控制区域；

5、交替控制模块包括通断切换单元和连接检测单元，连接检测单元在无人机位于两个移动机巢控制区域的重叠范围内时，对无人机所接收到的信号进行扫描，判断比较两个移动机巢所发送的信号稳定性和强度，通断切换单元根据两个移动机巢的信号质量来控制无人机与两个移动机巢之间的通信连接，并在切断其中一个移动机巢通信连接后将该移动机巢状态标记为空闲；

6、起落布置模块包括航线分段单元和起落分配单元，航线分段单元用于计算无人机的预计航程，并根据预计航程及预计降落点周围环境条件数据计算续航最低值，起落分配单元预设有多个机巢停靠点，根据起飞点位置、续航最低值以及预设巡检规划路线来选择合适的机巢停靠点作为备选，并结合移动机巢转移所需的时间在备选的机巢停靠点中选择最佳的机巢停靠点，控制空闲的移动机巢前往，两个移动机巢交替前进且在移动机巢移动过程中保持至少一个机巢控制区域覆盖无人机路径范围。

7、进一步地，所述连接检测单元检测通信信号过程具体如下：

8、当无人机进入两个移动机巢的控制区域的重叠区域时，扫描可用的移动机巢无线通信信号，并实时计算所有可用信号的接收强度rss值，分析出通信信号rss值最高的通信节点，rss计算公式如下：

9、；

10、其中pt表示发射功率，gr是接收天线增益，gt是发射天线增益，lc是电缆和缆头的衰耗，lbf是路径损耗；

11、路径损耗是指电磁波在传输路径中的衰落，计算公式如下：

12、；

13、其中d是距离，f是频率，为预设的权重系数。

14、进一步地，所述通断切换单元控制两个移动机巢与无人机之间信号通断步骤如下：

15、将当前连接的移动机巢记作r1，另一个移动机巢记作r2，对应的接收强度值分别记作：

16、当时，生成保持信号，保持无人机与移动机巢r1的通信连接，维持移动机巢r1对无人机的控制权；

17、当小于等于时，生成待定信号，并开始记录待定信号持续的时间记作第一稳定时长，直至第一稳定时长大于等于预设的稳定时间阈值，生成切换信号，将无人机与移动机巢r2连接，由移动机巢r2接管无人机控制权，保持无人机与移动机巢r1的通信连接，在生成切换信号后开始记录小于等于所持续的时间并记作第二稳定时长，当第一稳定时长大于等于预设的稳定时间阈值，生成断开信号，切断无人机与移动机巢r1的通信连接，并将移动机巢r1状态记为空闲。

18、进一步地，所述无人机内部设有内置存储器，将无人机进入两个移动机巢的控制区域的重叠区域到生成断开信号这一时间段记作波动区间，定期记录波动区间内的比较结果，选择rss最大的移动机巢作为信号传输对象，并将巡检过程中记录的数据向信号传输对象发送，同时执行以下操作：

19、当中的较大值小于预设的稳定信号值时，开始采集无人机的巡检数据并将其记录在无人机的内置存储器中，在生成断开信号停止记录并将记录数据发送给移动机巢r2；

20、当中的较大值大于等于预设的稳定信号值时，设定一个比较值，根据比较值对比较值进行赋值，在时将比较值记为1，在小于等于时，将比较值记为0，将相邻时刻比较值差值的绝对值记作比较参数，当比较参数大于0时记作波动时刻，在波动时刻首次出现时开始将无人机巡检所采集的数据记录在无人机的内置存储器中，在生成断开信号时停止记录并将记录数据发送给移动机巢r2；

21、通过上传的记录数据对波动区间内记录的数据的核对。

22、进一步地，所述航线分段单元获取巡检规划路线，计算无人机的预计航程，计算公式如下：

23、；

24、其中为平均速度，t为估算续航时间，q为电池能量，c为电池容量，为电池平均放电电压，为巡航状态的电动机效率，为螺旋桨的效率，为电池循环影响系数，为温度影响系数，为无人机飞行平均功率，为电池平均放电电流。

25、进一步地，在无人机每次起飞进入巡检规划路线后，以预计航程在巡检规划路线上进行截取，得到预计降落点，获取预计降落点周围的气温、气压、风速，对气温、气压、风速进行归一化处理后代入公式中进行计算，得到续航最低值，其中均为预设的权重系数。

26、进一步地，所述起落分配单元确定无人机的降落点过程如下：

27、在地图上预设有多个机巢停靠点，机巢停靠点与最近的宽度大于等于5m道路之间的路径距离需小于等于50m，机巢停靠点需满足无人机起降的必要条件，提取距离巡检规划路线一定预设范围内的所有机巢停靠点作为待定停靠点，将巡检规划路线上距离待定停靠点最近的点记作中断点，并计算其与对应待定停靠点之间的距离记作停检距离，将互相对应的中断点、待定停靠点以及停检距离进行绑定；

28、获取无人机起飞点位置，当起飞点位于巡检规划路线上时，计算每个待定停靠点与起飞点之间的判断距离，其中分别表示巡检规划路线上起飞点与中断点之间的距离和对应待定停靠点绑定的停检距离，选取判断距离小于等于续航最低值的待定停靠点记作目标停靠点，将作为目标停靠点的距离判断值；

29、当起飞点位于待定停靠点时，将其他待定停靠点记作待定降落点，计算每个待定降落点与起飞点之间的判断距离，其中分别表示起飞点与巡检规划路线之间的最短距离、巡检规划路线上起飞点对应中断点与待定降落点对应中断点之间的距离、待定降落点绑定的停检距离，选取判断距离小于等于续航最低值的待定降落点记作目标停靠点，并将作为目标停靠点的距离判断值；

30、获取空闲的移动机巢距离到达所有目标停靠点的所需时间以及每个目标停靠点的距离判断值，代入公式中进行计算，得到每个目标停靠点的推荐值，其中为预设的权重系数，i为每个目标停靠点的标号，将空闲的移动机巢开往推荐值最大的目标停靠点等待无人机降落。

31、一种基于移动式机巢的无人机巡检方法，具体步骤如下：

32、步骤一：无人机从巡检规划路线出发点起飞并与静止的第一移动机巢保持连接，由起落布置模块进行分析选择最佳的机巢停靠点并控制空闲状态的第二机巢移动前往；

33、步骤二：无人机在进入两个移动机巢控制区域的重叠范围内时，由交替控制模块根据无人机所接收到的两个移动机巢发出的信号质量来切换两个移动机巢对无人机的控制权，根据接收的信号质量控制两个移动机巢与无人机之间的数据连通及传输；

34、步骤三：在将第一移动机巢与无人机之间的通信连接切断后将第一移动机巢状态标记为空闲；

35、步骤四：控制无人机降落在第二移动机巢上进行电量补充；

36、步骤五：在无人机电量补充完毕后，控制无人机再次起飞并与第二移动机巢保持连接；

37、步骤六：重复步骤一至五，直至无人机完成整个巡检规划路线的巡检任务。

38、本发明提供的技术方案，与已知的现有技术相比，具有如下有益效果：

39、1、本发明相较于固定式设置的机巢，采用移动式的机巢对无人机进行控制能够大幅降低机巢无法移动对无人机巡检范围造成的限制，从而将无人机巡检路线拓宽到移动机巢能够到达的范围，而两组交替移动的移动机巢相较于单个移动机巢能够交替对无人机进行控制，使得空闲的移动机巢能够方便补充能源，且相较于单个移动机巢交替移动的两个移动机巢能够更加灵活地对巡检路线进行覆盖，提升巡检效率。

40、2、本发明交替控制模块通过采用先通后断的方法，即自适应软切换方法，既满足了通信节点的择优决策，又能在切换过程中保持连接的稳定性，实现在长距离巡飞任务中的通信不中断，通过对波动开始时的数据进行临时存储并在信号稳定时上传，能够确保数据的完整上传；起落布置模块通过考虑航区内的气象条件并代入公式中计算可以得到较为贴近实际的无人机预估续航最短距离，确保在当前气象条件下至少能够飞行一定距离到达下一降落点进行电能补充，进而确保无人机能够安全地完成巡检，通过不断的转移移动机巢来为无人机的每次降落补充电量做准备，能够确保无人机在尽量完成巡检任务的前提下获得电量补充，进而整体上提高整个巡检过程无人机的飞行效率，缩短巡检任务完成的时间，提升巡检效率。