本發明涉及無人機巡檢控制系統及設計方法，尤其涉及一種基于恒速動態編隊的無人機巡檢控制系統及設計方法。

背景技術：

1、輸電線路作為國家電網重要的基礎設施，其安全穩定運行對于國民經濟發展和社會生活起著至關重要的作用；隨著電網規模的不斷擴大和復雜性的增加，傳統的人工巡檢方式已逐漸無法滿足現代電網安全管理的需求。傳統的人工巡檢方式依賴于巡檢工作人員的經驗和視力，不僅效率低，而且存在安全隱患。另外，在復雜地形和惡劣天氣條件下，人工巡檢的難度和風險進一步增加，在此基礎上，無人機作為一種高效且靈活的巡線設備，已在國家電網的巡檢工作中得到了廣泛應用。

2、無人機通過搭載固定設備，例如高清攝像機、紅外攝像頭等，可對輸電線路及變壓器等相關設備進行更為細致的檢查，例如檢測線路是否存在損壞、設備是否過熱，從而及時發現并報告潛在的故障點，保障電力系統的安全穩定運行；然而無人機在執行巡檢任務時，無人機飛行速度的波動現象會導致拍攝到的圖像清晰度不一致，影響后續圖像處理和分析的準確性，并且速度波動還可能導致無人機在跟蹤目標時出現偏差，降低巡檢效果。

3、隨著應用場景的復雜化和巡檢任務的不斷增加，單無人機巡檢逐漸無法滿足工作的需求，此時無人機編隊控制技術成為科研人員關注的重點；編隊飛行是指多架無人機按照預定隊形、高度和速度進行集體飛行；編隊飛行不僅可以提高無人機群的協同作業能力、生存能力，而且可以大大提高作業效率，現有的無人機編隊飛行技術主要包括領航者與跟隨者編隊控制方法、虛擬結構編隊控制方法和分布式編隊控制方法，領航者與跟隨者編隊控制方法是通過領航者無人機與跟隨者無人機之間的相對位置和速度信息進行編隊控制，領航者無人機負責規劃飛行路徑和隊形，跟隨者則根據領航者的信息調整自身狀態，實現編隊飛行；虛擬結構編隊控制方法是將無人機群視為一個虛擬剛體，通過設計虛擬結構的運動規律來實現編隊飛行，無人機之間的相對位置關系保持不變，從而實現穩定的編隊飛行；分布式編隊控制方法是通過相鄰無人機之間的信息交互，實現整個無人機群的協同控制，分布式編隊控制方法具有較好的魯棒性和適應性，但算法復雜度較高。但現有方法的無人機編隊策略大多為提前預設固定隊形，難以根據實際任務需求進行動態調整，所以在復雜環境下，固定編隊可能導致在巡檢過程中部分作業區域無法覆蓋，拍攝圖像不全面的現象發生，嚴重影響巡檢質量。

技術實現思路

1、為了解決上述技術所存在的不足之處，本發明提供了一種基于恒速動態編隊的無人機巡檢控制系統及設計方法。

2、為了解決以上技術問題，本發明采用的技術方案是：一種基于恒速動態編隊的無人機巡檢控制系統，包括信息采集單元，用于采集并發送在理想條件下恒定速度飛行的無人機的實際信息；并提供系統需要的輸入信息；信號采集單元內部搭載有傳感器和通訊設備以分別用于采集目標物信息和進行各無人機之間的信息傳遞；

3、控制律設計單元，用于接受無人機的實際信息，并計算得到控制輸入角速度以用于使各無人機均能圍繞跟蹤目標；

4、模型建立單元，用于根據控制輸入角速度建立第i架無人機運動學模型和無人機跟蹤的目標物運動學模型。

5、進一步地，無人機的實際信息包括無人機的實際位置坐標[xi,yi]、無人機的航跡方位角ψi和無人機的飛行速度vi。

6、進一步地，控制律設計單元包括第一計算單元、第二計算單元、第三計算單元、第四計算單元、第五計算單元、第六計算單元和加法器單元。

7、一種基于恒速動態編隊的無人機巡檢設計方法，包括以下步驟：

8、步驟s1：若干個無人機以恒定的飛行速度進行巡檢，若干個無人機的相對位置和隊形始終保持一致；

9、步驟s2：信號采集單元采集無人機的實際信息；

10、步驟s3：信號采集單元將采集到的無人機的實際信息發送至控制律設計單元，經過計算得到控制輸入角速度ri；

11、步驟s4：模型建立單元根據控制輸入角速度ri，得到第i架無人機運動學模型和無人機跟蹤的目標物運動學模型；

12、建立第i架無人機運動學模型為：

13、

14、其中，pi＝[xi,yi]為無人機在慣性坐標系下x軸和y軸上的位置；vi為無人機的飛行速度；ψi為無人機的航跡方位角；ri為控制輸入角速度，為第i個無人機的角速度的最大邊界值；

15、建立無人機跟蹤的目標物運動學模型為：

16、

17、其中，qo＝[xo,yo]為跟蹤目標物的位置；v0為目標物的飛行速度；ψo為目標物的航跡方位角。

18、進一步地，步驟s3中計算得到控制輸入角速度ri，包括以下步驟：

19、步驟s31：經過第一計算單元計算得到第i架無人機的圓周運動中心在慣性坐標系下x軸、y軸上的位置

20、步驟s32：經過第三計算單元計算得到第一中間變量ξi，經過第四計算單元得到第二中間變量θi；

21、步驟s33：第一中間變量ξi和第二中間變量θi經過加法器單元，計算得到目標物飛行速度的估計值目標物飛行速度的估計值計算公式為：

22、

23、其中，ξi為第一中間變量；θi為第二中間變量；

24、步驟s34：經過第五計算單元計算得到第三中間變量s1；

25、步驟s35：經過第六計算單元計算得到無人機的控制輸入角速度；無人機的控制輸入角速度計算公式為：

26、

27、其中，s1為第三中間變量；ψi為無人機的航跡方位角；vi為無人機的飛行速度；ri為第i個無人機圍繞目標物做圓周運動的半徑。

28、進一步地，步驟s31中計算第i架無人機的圓周運動中心在慣性坐標系下x軸、y軸上的位置即第i架無人機的圓周運動中心坐標公式為：

29、

30、其中，xi為第i架無人機在慣性坐標系下x軸上的位置；yi為第i架無人機在慣性坐標系下y軸上的位置；ri為第i個無人機圍繞目標物做圓周運動的半徑；ψi為第i個無人機的航跡方位角。

31、進一步地，步驟s32中第一中間變量ξi的計算公式為：

32、

33、其中，ηj為相對于第j架無人機的目標位置的估計值；為增益矩陣。

34、第二中間變量θi的計算公式為：

35、

36、其中，ηi為相對于第i架無人機的目標位置的估計值；ηj為相對于第j架無人機的目標位置的估計值。

37、進一步地，步驟s34中第三中間變量的計算公式為：

38、

39、其中，qi為第i架無人機的圓周運動中心坐標；ηi為相對于第i架無人機的目標位置的估計值；為目標物飛行速度的估計值；

40、σi(·)函數為：

41、

42、其中，ψi為第i個無人機的航跡方位角；ri為第i個無人機圍繞目標物做圓周運動的半徑；vi為無人機的飛行速度；

43、κ(·)函數為：

44、κ(εi)＝diag{εi,εi}；

45、其中，εi＞0且為任意常數。

46、進一步地，經過第二計算單元，計算得到第i個無人機的圓周運動中心動態變化量計算公式為：

47、

48、其中，ψi為無人機的航跡方位角；vi為無人機的飛行速度；ri為第i個無人機圍繞目標物做圓周運動的半徑；ri為控制輸入角速度。、

49、進一步地，計算單元三中，設置有向圖以用于表示無人機之間的網絡關系，有向圖為：

50、g={0,e}；

51、其中，o＝{1,2,......n}為n架無人機的有限節點集；為節點0代表跟蹤的目標；若(j,i)∈e,i≠i，則代表第i架無人機能夠訪問第j架無人機的信息；若則代表第i架無人機能夠訪問目標物的信息；若則第i架無人機與第j架無人機相鄰，此時aij＝1，反之為0。

52、本發明公開了一種基于恒速動態編隊的無人機巡檢控制系統及設計方法，通過在信號采集單元內部搭載傳感器和通信設備，僅部分無人機內部搭載傳感器獲取目標物信息，通過與相鄰無人機之間進行通信設備的通訊網絡的連接，實現圍繞目標物進行動態監測；通過以恒定速度飛行，減少了因速度變化而導致的意外發生；且通過控制輸入角速度，使無人機以包圍目標的方式進行巡檢目標物，不僅能夠保持安全距離避免碰撞，還能夠對作業區域進行全方位覆蓋，解決了拍攝圖像不全面的問題，保證了巡檢的質量。