CN112937858A - 一种新型垂直起降固定翼无人机的巡检方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种新型垂直起降固定翼无人机的巡检方法，基于垂直起降固定翼、智能停机舱、远程数据传输、高精度降落及异地起降功能，实现操控人员远程对多个垂直起降固定翼实现最优化调配，并可以根据巡检需求制定对应的巡检方式进行实时调整。本发明所述的基于垂直起降的固定翼无人值守系统更适用于大面积、长距离普查。
Description
技术领域
本发明属于无人机技术领域，尤其是涉及一种新型垂直起降固定翼无人机的巡检方法。
背景技术
垂直起降固定翼无人机凭借其复合翼设计，解决了传统固定翼起降场地难选的问题，广泛应用于测绘、巡检等行业领域。但现有垂直起降固定翼无人机产品，需要现场人员进行设备的运输、展开、飞行、撤收等环节操作，对于大面积区域、长距离环境往往是通过增加设备和对应数量的操作人员来满足需求，这样往往会导致实际作业过程中人力、物力消耗大幅增加，同时作业实时性得不到很好的保障。
近年来，市面上也出现了一种基于多旋翼无人机的无人值守化系统，该系统可以通过前端停机舱代替现场操作人员作业，在一定程度上解决了大面积铺设的人员数量问题，但可以实现无人值守化的多旋翼无人机存在作业时间短、作业距离短、价格高的问题，该类设备更适用于小区域、短距离的精细化作业，而对于大区域、远距离的场合仍然不适用。
目前，市面上常见的垂直起降固定翼无人机系统以单系统为主，作业过程需要2～3人进行保障。截止目前，还未出现一个厂家可以实现垂直起降固定翼无人机全自主、规模化作业。远距离作业过程中存在的通信遮挡问题、作业现场人员数量问题、固定翼无人机作业现场能源补充、设备运输问题、多机协同控制问题是限制垂直起降固定翼无法大规模作业的关键。如何解决这些问题，并将垂直起降固定翼无人机规模化应用于边防、林业、高速、石油管道巡检等行业，成为无人机厂商亟待解决的问题。
1)目前多旋翼无人机无人值守系统，由于多旋翼无人机本身工作原理限制，其飞行时间较短，一般在30min～50min，飞行速度较慢，一般在36km/h～48km/h,同时相对每公里布设成本较高，而现有垂起固定翼由于降落过程受风力、风向影响复杂，无人值守化难度较大，目前市面还没有实物。
2)目前垂直起降固定翼无人机系统，仍需要现场人员通过遥控器及地面站进行操作，操控人员经过专业培训，需要同时掌握固定翼操控和多旋翼操控两种操控模式，整个培训过程长，准入门槛高，对于一般用户单位，很难找到很多可以操控的对象，这也是限制设备规模铺设的一个原因。
3)目前垂直起降固定翼无人机系统，应用模式以单系统作业为主，每套系统需要专门的团队进行操作和保障，如需要多架飞机同时作业，需要对应数量的团队进行保障，而且保障人员易受到环境、时间限制无法实现全天24小时待命，这种情况对于边防、高速、林业、石油管道等大区域行业来说，是无法接收的。现有垂直起降固定翼无人机应用模式也制约了其面向大区域、长距离批量应用的发展。
4)目前垂直起降固定翼无人机系统作业完成后需要飞行返回至起飞点并降落，飞行选择单一。多套系统作业，无法及时、有效调配无人机资源，会造成有些区域使用频次高、有些区域频次低的现象。
5)目前垂直起降固定翼无人机系统由于作业距离在30km～50km，通信方式采用微波形式，微波通信需要在完全通视情况下才可保障通信畅通，而实际环境很难保障全程通视；同时，由于通信机制的限制，无人机作业高度需要大幅增加，进而影响无人机作业质量。
发明内容
有鉴于此，本发明旨在提出一种新型垂直起降固定翼无人机的巡检方法，以解决垂直起降固定翼无人机全自主、规模化作业，远距离作业过程中存在的通信遮挡问题、作业现场人员数量问题、固定翼无人机作业现场能源补充、设备运输问题、多机协同控制问题。
为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：
一种新型垂直起降固定翼无人机的巡检方法，包括以下巡检方式：
a、多机补位巡检
配置智能停机舱比无人机数量多一台，无人机对应的停机舱起飞并最终降落至临近的停机舱，无人机进行自动作业，任务完成后再同时返回至原停机舱，实现多机补位巡检；
b、多机跳跃巡检
在复杂的带状巡检环境中，配置多台无人机和多个智能停机舱，停机舱数量多于无人机数量，多台无人机同时开始跳跃作业，实现多机跳跃巡检；
c、多机种交互巡检
配置无人机数量多于停机舱数量，通过不同机型的作业时间、距离和充电时间合理选择，进而保障多机在作业过程中交替使用停机舱，实现多机数、多机型的不间断巡检功能。
进一步的，所述巡检方式a中无人机自动作业设置过程如下：
S1、通过千寻位置分系统提供高精度定位信息，无人机基于该定位信息结合自身图像识别功能，实现垂直起降定义无人机的高精度降落；
S2、垂直起降固定翼无人机自动降落后，通过智能停机舱自动正位和调向机构，实现垂直起降固定翼的高精度收藏功能；
S3、通过接触式对接方式，实现垂直起降固定翼无人机自动充电功能，实现垂起起降固定翼无人机能源补充；
S4、基于公网4G/5G传输形式，实现无人机遥控遥测数据的传输；
S5、通过操控软件控制无人机定时返航、起飞、备降操作。
3、根据权利要求1所述的一种新型垂直起降固定翼无人机的巡检方法，其特征在于还包括以下巡检方式：
d、单机普通巡检
配置一架无人机和一个智能停机舱，无人机进行自动作业，任务完成后返回停机舱进行能量补充；
e、单点不间断巡检
在连续不间断的巡检环境，配置两架无人机A1、B1和一个智能停机舱，实现不间断的巡检；
f、单机跳跃式巡检
在带状通道且巡检频次低的环境，配置一架无人机和多个职能停机舱，实现单机跳跃式巡检；
g、多机普通巡检
在巡检频次高且对应急情况进行反应的环境，配置多台无人机，并且配置与多台无人机数量相对的智能停机舱，无人机进行巡检，实现舵机普通巡检。
进一步的，所述步骤e中单点不间断巡检过程如下：控制每套设备巡检时间小于充电时间，利用一个智能停机舱实现两架无人机不间断巡检固定区域，A1无人机作业任务完成准备返航时，另外一架无人机B1起飞至A1无人机位置附近，A1无人机返回停机舱充电，当B1无人机完成任务准备返航时A1无人机起飞至B1无人机附件接替任务，循环往复。
进一步的，所述步骤f中单机跳跃式巡检过程如下：多个智能停机舱分别用A2、B2、C2表示，其中多个智能停机舱可根据实际使用情况添加多个；
无人机从A2停机舱起飞完成任务后降落至B2停机舱，带能量补充完毕后，无人机继续从B停机舱起飞并降落至C停机舱内，依此类推，直到完成所有的停机舱的巡检。
进一步的，所述步骤g中多机普通巡检过程如下：多台无人机由对应的停机舱起飞，进行自动作业，任务完成后返回至对应的原停机舱进行降落并补充能量。
相对于现有技术，本发明所述的一种新型垂直起降固定翼无人机的巡检方法具有以下优势：
(1)本发明所述的巡检方法，基于垂直起降的固定翼无人值守系统更适用于大面积、长距离普查、巡检。
(2)本发明所述的巡检方法，垂直起降固定翼无人机无人值守系统通过采用前端气象、系统多重自检策略保障起飞前状态可靠，同时增加关键器件备份、飞行安全策略和主动备降机制三重飞行安全保障，进而实现了免遥控器作业功能，友好的人机交互界面和一键操作模式让无人机飞行更简单，降低了传统垂直起降固定翼无人机操控门槛，更便于巡检。
(3)本发明所述的巡检方法，通过研发垂直起降固定翼无人机智能停机舱，为无人机提供精准降落平台、并实现自动充电、断电、系统自动收藏，实现设备现场无人值守的应用模式，并通过远程有线/无线的通信手段将信号传递到指挥中心，通过该模式可以将该系统进行批量化应用，解决现有多机作业过程中的大量维保人员需求问题及并减少由于人员操作导致事故发生，并且可以通过后天软件预设作业任务，实现定时巡检功能，实现全天24小时任意时刻作业。
(4)本发明所述的巡检方法，通过引入智能停机舱后，无人机飞行方式选择增加，按起飞、降落点可分为A-A和A-B，其中A-A为原地起降模式，A-B为起飞、降落异地模式，引入异地模式配合智能停机舱可以实现单飞机跳跃式作业模式，有效提高无人机利用效率。通过合理调配垂直起降无人机和智能停机舱数量，结合不同行业巡检频次、巡检时效需求，可以制定出更优的解决方案，确保各个设备都可以被高效的利用。
(5)本发明所述的巡检方法，通过采用4G/5G通信技术，作为垂直起降固定翼无人机通信链路，并结合仿地飞行算法，确保无人机飞行在网络覆盖的高度下飞行，可以解决现有垂直起降固定翼无人机远距离作业通信遮挡问题，同时，由于垂起固定翼无人机飞行高度的降低，可以提高数据采集的视频质量，为后续智能数据处理分析提供更高质量的原始数据。
附图说明
构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1为本发明实施例所述的普通巡作业示意图；
图2为本发明实施例所述的不间断飞行两机一舱应用图；
图3为本发明实施例所述的不间断巡检示意图；
图4为本发明实施例所述的单机跳跃式巡检示意图；
图5为本发明实施例所述的多机普通巡检示意图；
图6为本发明实施例所述的多机补位巡检示意图；
图7为本发明实施例所述的多机跳跃巡检示意图；
图8为本发明实施例所述的多机交互巡检示意图；
图9为本发明实施例所述的垂直起降固定翼无人机无人值守系统示意图；
图10为本发明实施例所述的直起降固定翼无人机无人值守系统工作原理示意图。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”等的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以通过具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
一种新型垂直起降固定翼无人机的巡检方法，包括以下巡检方式：
1、单机普通巡检
配置一架无人机和一个智能停机舱，无人机进行自动作业，任务完成后返回停机舱进行能量补充；
2、单点不间断巡检
在连续不间断的巡检环境，配置两架无人机A1、B1和一个智能停机舱，无人机进行自动作业，实现不间断的巡检；
3、单机跳跃式巡检
在带状通道且巡检频次低的环境，配置一架无人机和多个职能停机舱，无人机进行自动作业，实现单机跳跃式巡检；
4、多机普通巡检
在巡检频次高且对应急情况进行反应的环境，配置多台无人机，并且配置与多台无人机数量相对的智能停机舱，无人机进行自动作业，实现舵机普通巡检；
5、多机补位巡检
配置智能停机舱比无人机数量多一台，无人机对应的停机舱起飞并最终降落至临近的停机舱，无人机进行自动作业，任务完成后再同时返回至原停机舱，实现多机补位巡检；
6、多机跳跃巡检
在复杂的带状巡检环境中，配置多台无人机和多个智能停机舱，停机舱数量多于无人机数量，多台无人机同时开始跳跃作业，实现舵机跳远巡检；
7、多机种交互巡检
配置无人机数量多于停机舱数量，通过不同机型的作业时间、距离和充电时间合理选择，进而保障多机在作业过程中交替使用停机舱，实现多机数、多机型的不间断巡检功能；
所述巡检方式1-7中无人机自动作业设置过程如下：
S1、通过千寻位置/RTK分系统提供高精度定位信息，无人机基于该定位信息结合自身图像识别功能，实现垂直起降定义无人机的高精度降落；
S2、垂直起降固定翼无人机自动降落后，通过智能停机舱自动正位和调向机构，实现垂直起降固定翼的高精度收藏功能；
S5、通过接触式对接方式，实现垂直起降固定翼无人机自动充电功能，实现垂起起降固定翼无人机能源补充；
S4、基于公网4G/5G传输形式，实现无人机遥控遥测数据的传输，且该种应用方式是将设备安装到无人机和停机舱前端，与现有地面转发有明显区别；在没有公网覆盖的区域，可以采用微波方式至数据交换机进行有线连接，有线连接可采用网线、光纤等形式；
S5、操控软件为一键式操控形式，可以实现设备一键作业，同时操控软件支持一键起飞、一键返航、一键备降，并可通过定时方式实现设备的定时作业功能；
S6、垂直起降固定翼无人机集群控制基于远程数据链路，通过后端软件与服务器的数据交互，实现1对1或1对多的多旋翼无人机集群控制。
所述巡检方式2中单点不间断巡检过程如下：控制每套设备巡检时间小于充电时间，利用一个智能停机舱实现两架无人机不间断巡检固定区域，A1无人机作业任务完成准备返航时，另外一架无人机B1起飞至A1无人机位置附近，A1无人机返回停机舱充电，当B1无人机完成任务准备返航时A1无人机起飞至B1无人机附件接替任务，循环往复。
所述巡讲方式3中单机跳跃式巡检过程如下：多个智能停机舱分别用A2、B2、C2表示，其中多个智能停机舱可根据实际使用情况添加多个；
无人机从A2停机舱起飞完成任务后降落至B2停机舱，带能量补充完毕后，无人机继续从B停机舱起飞并降落至C停机舱内，依此类推，直到完成所有的停机舱的巡检。
所述巡检方式4中舵机普通巡检过程如下：多台无人机由对应的停机舱起飞，进行自动作业，任务完成后返回至对应的原停机舱进行降落并补充能量。
无人值守系统包括：
垂直起降固定翼无人值守系统主要包括线垂直起降固定翼、高精度起降、公网远程控制、智能停机舱和后端控制软件组成，根据无人机和停机舱的数量配比可以实现不同模式的巡检作业，整体系统通过远程数据传输、智能停机舱的自主无人机收藏及充断电功能，打破了现有垂直起降固定翼无人机作业模式，实现了批量无人机远程集群作业。
垂直起降固定翼无人值守系统，通过在前端应用场景布设一定数量的垂直起降固定翼和智能停机舱，分别通过4G/5G数据链路与后端指挥中心建立通信通道，指挥中心可以实现对智能停机舱和无人机的单独控制，并通过指挥中心调度实现垂直起降固定翼无人机各种巡检方式，进而满足不同应用场景的需求。
无人值守系统采用现有的技术，此处不再详细介绍。
主要巡检方法如下：
1、单机普通巡检：配置1架无人机和1个智能停机舱，无人机进行自动作业，任务完成后返回停机舱进行能量补充，在进行下一次的飞行任务，无人机可以实现整个最大作业半径区域的应急监测，对于巡检频次要求高的环境，可以减小作业半径来保障。
2、单点不间断巡检：对于特定场合需要连续不间断的巡检，可配置2架无人机A1、B1和1个智能停机舱，实现不间断的巡检策略，控制每套设备巡检时间小于充电时间，就可以利用1个智能停机舱实现两架无人机不间断巡检固定区域，A1飞机作业任务完成准备返航时，另外一架飞机B1起飞至A1飞机位置附近，A1飞机返回停机舱充电，当B1飞机完成任务准备返航时A1飞机起飞至B1飞机附件接替任务，循环往复，实现固定点不间断区域巡检功能；对于成本要求不敏感且巡检频次周期变化的情况，也可以采用2机2舱进行，2机2舱可以更灵活的调配飞机任务。
3、单机跳跃式巡检：对于带状通道，且巡检频次较低的应用场合，可配置1架无人机和多个智能停机舱A2、B2、C2……，飞机可以从A停机舱起飞完成任务后降落至B2停机舱，待能量补充完毕后，飞机可以继续从B2停机舱起飞并降落至C2停机舱，依此类推，只要保证各停机舱间距小于飞机最大作业距离，即可实现长距离大区域的单机跳跃式巡检，但该种巡检方式的弊端在于无法对应急情况进行调配，属于固定式低频数据采集方案。
4、多机普通巡检：对于巡检频次较高且需要对应急情况进行反应，应布设一定数量的无人机和智能停机舱，飞机和停机舱数量一样多，无人机由对应停机舱起飞，任务完成后再返回至原停机舱降落并补充能量，通过调整无人机作业形式可以提高或降低巡检频次。
5、多机补位巡检：该种巡检方式是普通巡检的一种变异形式，具体为智能停机舱比无人机数量多一台，无人机从对应的停机舱起飞并最终降落至邻近的停机舱，任务完成后再同时返回至原停机舱，实现多机补位巡检模式，该种形式飞机单架次路径不会像普通巡检重复监测。
6、多机跳跃式巡检：多机跳跃形式是针对复杂的带状巡检情况而提出的，具体配置多台无人机和多个智能停机舱A3、B3、C3……，停机舱数量远多于无人机，多台无人机可以同时开始跳跃式作业，与单机跳跃相比，多机跳跃式巡检时多机补位巡检和跳跃巡检的结合；
7、多机种交互巡检：该种巡检方式飞机数量要远多于停机舱数量，通过不同机型的作业时间、距离和充电时间合理选择，进而保障多机在作业过程中交替使用停机舱，实现多机数、多机型的不间断巡检功能。
根据实际使用条件，依据垂直起降固定翼无人值守系统巡检策略，针对不同的应用场景结合基本上述巡检基本方式，可以组合出多飞机、多机种的混合巡检方式进行应用，结合不同无人机飞行时间、能量补充时间、以及具体场景对巡检频次和范围的要求，可以形成最优化的解决方案。目前根据应用场景形状可以分为带状巡检应用和面状巡检应用，也存在一些混合应用场景，下面分别以高速公路、输电线路、林业防火为例进行混合多飞机、多机种混合巡检方式介绍，并根据基本巡检方式组合出不同的形式来满足实际应用需求，具体如下所示：
公路巡检应用布设：针对公路主干道可以采用多机跳跃巡检，保障巡检频率，在交通重要路口可设置不间断巡检模式，对于分支道路依据巡检平次可以选择单机跳跃模式，进而实现整个道路的巡检布设。
针对输电线路应用布设：输电线路一般巡检频次较低，可以采用单机跳跃形式进行巡检，对于重点交叉、跨越区域可以适当补充单机普通巡检设备，进而实现整个架空输电线路通道巡检全覆盖。
林业防火应用布设：林业防火应用，属于周期性高频次的应用，同时对于时效性要求高，因此，需要采用多机普通巡检的思路，且每个无人机覆盖区域按要求数据更新时间进行选择，通过叠加各设备巡检区域，进而保障整个林区处于全部覆盖。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种新型垂直起降固定翼无人机的巡检方法，其特征在于包括以下巡检方式：
a、多机补位巡检
配置智能停机舱比无人机数量多一台，无人机对应的停机舱起飞并最终降落至临近的停机舱，无人机进行自动作业，任务完成后再同时返回至原停机舱，实现多机补位巡检；
b、多机跳跃巡检
在复杂的带状巡检环境中，配置多台无人机和多个智能停机舱，停机舱数量多于无人机数量，多台无人机同时开始跳跃作业，实现多机跳跃巡检；
c、多机种交互巡检
配置无人机数量多于停机舱数量，通过不同机型的作业时间、距离和充电时间合理选择，进而保障多机在作业过程中交替使用停机舱，实现多机数、多机型的不间断巡检功能。
2.根据权利要求1所述的一种新型垂直起降固定翼无人机的巡检方法，其特征在于：所述巡检方式a中无人机自动作业设置过程如下：
S1、通过千寻位置分系统提供高精度定位信息，无人机基于该定位信息结合自身图像识别功能，实现垂直起降定义无人机的高精度降落；
S2、垂直起降固定翼无人机自动降落后，通过智能停机舱自动正位和调向机构，实现垂直起降固定翼的高精度收藏功能；
S3、通过接触式对接方式，实现垂直起降固定翼无人机自动充电功能，实现垂起起降固定翼无人机能源补充；
S4、基于公网4G/5G传输形式，实现无人机遥控遥测数据的传输；
S5、通过操控软件控制无人机定时返航、起飞、备降操作。
3.根据权利要求1所述的一种新型垂直起降固定翼无人机的巡检方法，其特征在于还包括以下巡检方式：
d、单机普通巡检
配置一架无人机和一个智能停机舱，无人机进行自动作业，任务完成后返回停机舱进行能量补充；
e、单点不间断巡检
在连续不间断的巡检环境，配置两架无人机A1、B1和一个智能停机舱，实现不间断的巡检；
f、单机跳跃式巡检
在带状通道且巡检频次低的环境，配置一架无人机和多个职能停机舱，实现单机跳跃式巡检；
g、多机普通巡检
在巡检频次高且对应急情况进行反应的环境，配置多台无人机，并且配置与多台无人机数量相对的智能停机舱，无人机进行巡检，实现舵机普通巡检。
4.根据权利要求3所述的一种新型垂直起降固定翼无人机的巡检方法，其特征在于：所述巡检方式e中单点不间断巡检过程如下：控制每套设备巡检时间小于充电时间，利用一个智能停机舱实现两架无人机不间断巡检固定区域，A1无人机作业任务完成准备返航时，另外一架无人机B1起飞至A1无人机位置附近，A1无人机返回停机舱充电，当B1无人机完成任务准备返航时A1无人机起飞至B1无人机附件接替任务，循环往复。
5.根据权利要求3所述的一种新型垂直起降固定翼无人机的巡检方法，其特征在于：所述巡检方式f中单机跳跃式巡检过程如下：多个智能停机舱分别用A2、B2、C2表示，其中多个智能停机舱可根据实际使用情况添加多个；
无人机从A2停机舱起飞完成任务后降落至B2停机舱，带能量补充完毕后，无人机继续从B停机舱起飞并降落至C停机舱内，依此类推，直到完成所有的停机舱的巡检。
6.根据权利要求3所述的一种新型垂直起降固定翼无人机的巡检方法，其特征在于：所述巡检方式g中多机普通巡检过程如下：多台无人机由对应的停机舱起飞，进行自动作业，任务完成后返回至对应的原停机舱进行降落并补充能量。
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