多旋翼無(wú)人機(jī)安全降落系統(tǒng)的制作方法
【專(zhuān)利摘要】本實(shí)用新型所提供的一種多旋翼無(wú)人機(jī)安全降落系統(tǒng)，包括：各旋翼電機(jī)狀態(tài)檢測(cè)部，用于檢測(cè)無(wú)人機(jī)的各旋翼電機(jī)是否正常工作；降落校正模塊，與所述各旋翼電機(jī)狀態(tài)檢測(cè)部連接，用于在旋翼電機(jī)工作異常時(shí)輸出調(diào)整各旋翼電機(jī)轉(zhuǎn)速的控制指令；旋翼電機(jī)控制部，與所述降落校正模塊連接，依據(jù)所述控制指令驅(qū)動(dòng)各旋翼電機(jī)的運(yùn)行。由上，當(dāng)無(wú)人機(jī)的某一旋翼出現(xiàn)故障時(shí)，無(wú)人機(jī)的旋轉(zhuǎn)角速度將會(huì)突然增大，且會(huì)突然出現(xiàn)多傾角方向的加速度值，通過(guò)這些突變的數(shù)據(jù)值可以快速判斷飛機(jī)的姿態(tài)及出現(xiàn)故障的旋翼。降落校正模塊依據(jù)上述信息，輸出控制指令，以平衡其余幾個(gè)電機(jī)的力矩，將多旋翼無(wú)人機(jī)以自身為中心旋轉(zhuǎn)，最終實(shí)現(xiàn)安全降落。
【專(zhuān)利說(shuō)明】
多旋翼無(wú)人機(jī)安全降落系統(tǒng)
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本實(shí)用新型涉及無(wú)人機(jī)安全技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種多旋翼無(wú)人機(jī)安全降落系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著無(wú)人機(jī)的逐漸普及，其應(yīng)用領(lǐng)域也越來(lái)越廣，但無(wú)論在哪個(gè)領(lǐng)域，無(wú)人機(jī)的安全問(wèn)題一直都是最受關(guān)注的。隨著無(wú)人機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展，無(wú)人機(jī)的安全保障有了很大的提高。但不可避免的是，總會(huì)有一些不可預(yù)期的情況導(dǎo)致無(wú)人機(jī)脫離控制。
[0003]多旋翼無(wú)人機(jī)常見(jiàn)的包括四旋翼、六旋翼和八旋翼等，各旋翼采用正多邊形分布。對(duì)于目前的多旋翼無(wú)人機(jī)來(lái)說(shuō)，其飛行特性不同于固定翼無(wú)人機(jī)和直升機(jī)無(wú)人機(jī)，一旦出現(xiàn)電機(jī)失去動(dòng)力或者各個(gè)電機(jī)輸出的力矩不平衡的情況時(shí)，極容易造成飛行事故。根據(jù)調(diào)查，當(dāng)多旋翼無(wú)人機(jī)的某一個(gè)電機(jī)失去動(dòng)力之后，單靠飛行控制使多旋翼無(wú)人機(jī)以最小損失降落幾乎是不可能的。因?yàn)槟壳笆袌?chǎng)上的多旋翼無(wú)人機(jī)飛行控制系統(tǒng)在一個(gè)電機(jī)失去動(dòng)力之后的調(diào)節(jié)，可能會(huì)加劇多旋翼無(wú)人機(jī)的失控程度。此時(shí)如何最大程度的減小人員財(cái)產(chǎn)的損失就成為一個(gè)需要迫切解決的問(wèn)題。
【實(shí)用新型內(nèi)容】
[0004]有鑒于此，本實(shí)用新型的主要目的在于，提供一種多旋翼無(wú)人機(jī)安全降落系統(tǒng)，包括:各旋翼電機(jī)狀態(tài)檢測(cè)部，用于檢測(cè)無(wú)人機(jī)的各旋翼電機(jī)是否正常工作；
[0005]降落校正模塊，與所述各旋翼電機(jī)狀態(tài)檢測(cè)部連接，用于在旋翼電機(jī)工作異常時(shí)輸出調(diào)整各旋翼電機(jī)轉(zhuǎn)速的控制指令；
[0006]旋翼電機(jī)控制部，與所述降落校正模塊連接，依據(jù)所述控制指令驅(qū)動(dòng)各旋翼電機(jī)的運(yùn)行
[0007]由上，當(dāng)無(wú)人機(jī)的某一旋翼出現(xiàn)故障時(shí)，無(wú)人機(jī)的旋轉(zhuǎn)角速度將會(huì)突然增大，且會(huì)突然出現(xiàn)多傾角方向的加速度值，通過(guò)這些突變的數(shù)據(jù)值可以快速判斷飛機(jī)的姿態(tài)及出現(xiàn)故障的旋翼。降落校正模塊依據(jù)上述信息，輸出控制指令，以平衡其余幾個(gè)電機(jī)的力矩，將多旋翼無(wú)人機(jī)以自身為中心旋轉(zhuǎn)，最終實(shí)現(xiàn)安全降落。
[0008]可選的，所述各旋翼電機(jī)狀態(tài)檢測(cè)部包括:
[0009]慣性測(cè)量模塊，用于檢測(cè)無(wú)人機(jī)的飛行狀態(tài)；
[0010]飛行故障判斷模塊，與所述慣性測(cè)量模塊連接，用于依據(jù)飛行狀態(tài)判斷飛行狀態(tài)是否發(fā)生異常；
[0011]電壓檢測(cè)模塊，用于在飛行狀態(tài)異常時(shí)，檢測(cè)旋翼電機(jī)控制部中的三相輸出的電壓。
[0012]由上，當(dāng)多旋翼無(wú)人機(jī)因?yàn)橐恍┓请姍C(jī)問(wèn)題(如多旋翼無(wú)人機(jī)的螺旋槳折斷等)而發(fā)生的力矩失衡時(shí)，無(wú)人機(jī)的旋轉(zhuǎn)角速度將會(huì)突然增大，且會(huì)突然出現(xiàn)多傾角方向的加速度值，通過(guò)三軸陀螺儀和加速度儀檢測(cè)到這些突變的數(shù)據(jù)值可以快速判斷飛機(jī)的姿態(tài)是否出現(xiàn)故障。進(jìn)而通過(guò)檢測(cè)旋翼電機(jī)控制部的三相輸出電壓，當(dāng)出現(xiàn)某一相連續(xù)異常(例如三相中的某一相數(shù)據(jù)低于另兩相持續(xù)2秒以上)，則表示該旋翼出現(xiàn)故障。
[0013]可選的，所述慣性測(cè)量模塊包括三軸陀螺儀和加速度儀。
[0014]可選的，所述各旋翼電機(jī)狀態(tài)檢測(cè)部包括:電流檢測(cè)模塊，與所述旋翼電機(jī)控制部連接；
[0015]所述降落校正模塊還與所述電流檢測(cè)模塊連接，用于依據(jù)異常電流輸出控制指令以調(diào)整各旋翼電機(jī)轉(zhuǎn)速。
[0016]可選的，所述電流檢測(cè)模塊包括依次連接的電流檢測(cè)電路，電流比較電路和串口，還包括與所述電流比較電路連接的存儲(chǔ)器；
[0017]所述存儲(chǔ)器中預(yù)存有旋翼電機(jī)的正常工作電流。
[0018]由上，通過(guò)預(yù)存正常工作時(shí)的輸出電流，并以此為基準(zhǔn)，與實(shí)時(shí)測(cè)量值進(jìn)行比較，當(dāng)誤差超過(guò)計(jì)算允許最大值時(shí)，即可認(rèn)為某一旋翼
[0019]由上，通過(guò)預(yù)存正常工作時(shí)的輸出電流，并以此為基準(zhǔn)，與實(shí)時(shí)測(cè)量值進(jìn)行比較，當(dāng)誤差超過(guò)計(jì)算允許最大值時(shí)，即可認(rèn)為某一旋翼電機(jī)未在正常工作狀態(tài)。以此作為調(diào)整依據(jù)，平衡其余幾個(gè)電機(jī)的力矩，將多旋翼無(wú)人機(jī)以自身為中心旋轉(zhuǎn)，最終實(shí)現(xiàn)安全降落。
[0020]可選的，所述旋翼電機(jī)控制部還包括電壓檢測(cè)模塊，與所述電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路連接，用于檢測(cè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路的三相輸出電壓。
[0021 ]可選的，所述降落校正模塊包括STM32系列的ARM單片機(jī)。
【附圖說(shuō)明】
[0022]圖1為本實(shí)用新型的原理不意圖；
[0023]圖2為六旋翼無(wú)人機(jī)的電機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖；
[0024]圖3為降落校正模塊的工作流程圖。
【具體實(shí)施方式】
[0025]為克服現(xiàn)有技術(shù)存在的缺陷，本實(shí)用新型提供一種多旋翼無(wú)人機(jī)安全降落系統(tǒng)，當(dāng)一個(gè)旋翼的電機(jī)失去動(dòng)力之后，能夠通過(guò)電調(diào)直接控制多旋翼無(wú)人機(jī)，通過(guò)平衡其余幾個(gè)旋翼電機(jī)的力矩，將多旋翼無(wú)人機(jī)以自身為中心旋轉(zhuǎn)，最終實(shí)現(xiàn)安全降落。
[0026]如圖1所示，多旋翼無(wú)人機(jī)安全降落系統(tǒng)包括:第一至第N旋翼電機(jī)控制部10，設(shè)于無(wú)人機(jī)上的慣性測(cè)量模塊30，以及分別與二者連接的降落校正模塊20。當(dāng)某一旋翼出現(xiàn)故障時(shí)，降落校正模塊20依據(jù)第一至第N旋翼電機(jī)控制部10所檢測(cè)的各個(gè)電機(jī)的運(yùn)行情況，以及慣性測(cè)量模塊30所檢測(cè)的無(wú)人機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)，輸出控制指令，以平衡各個(gè)旋翼的力矩。
[0027]各旋翼電機(jī)控制部10的內(nèi)部組成相同，以第一旋翼電機(jī)部為例進(jìn)行說(shuō)明。
[0028]旋翼電機(jī)控制部1包括依次連接的電機(jī)控制模塊11、電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路102和第一旋翼電機(jī)103，還包括分別與上述各模塊連接的電流檢測(cè)模塊104。
[0029]所述電機(jī)控制模塊101與所述降落校正模塊20連接，依據(jù)降落校正模塊20發(fā)出的控制指令，控制電機(jī)的運(yùn)行。
[0030]電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路102以及電機(jī)控制模塊101的控制指令，進(jìn)行放大、隔離等處理后，驅(qū)動(dòng)第一旋翼電機(jī)103運(yùn)轉(zhuǎn)。
[0031]所述電流檢測(cè)模塊104中包括有依次連接的電流檢測(cè)電路，電流比較電路和串口，還包括與所述電流比較電路連接的存儲(chǔ)器。存儲(chǔ)器中預(yù)存有電機(jī)控制模塊101、電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路102和第一旋翼電機(jī)103的正常工作電流。電流檢測(cè)電路實(shí)時(shí)檢測(cè)上述三者的工作電流，通過(guò)電流比較器進(jìn)行檢測(cè)，當(dāng)出現(xiàn)比較結(jié)果超過(guò)安全閾值時(shí)，即表示該旋翼未在正常工作狀態(tài)，遂通過(guò)串口將超出閾值的工作電流輸出至降落校正模塊20。
[0032]又或者，還可采用無(wú)人機(jī)飛行姿態(tài)以及電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路102的電壓相位輸出進(jìn)行旋翼故障判斷，具體的，采用以下部件實(shí)現(xiàn):
[0033]慣性測(cè)量模塊30，用于通過(guò)其包含的三軸陀螺儀及加速度儀測(cè)量無(wú)人機(jī)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。其中，三軸陀螺儀用于測(cè)量無(wú)人機(jī)當(dāng)前的旋轉(zhuǎn)角速度，加速度儀用于測(cè)量無(wú)人機(jī)的加速度。當(dāng)多旋翼無(wú)人機(jī)因?yàn)橐恍┓请姍C(jī)問(wèn)題(如多旋翼無(wú)人機(jī)的螺旋槳折斷等)而發(fā)生的力矩失衡時(shí)，無(wú)人機(jī)的旋轉(zhuǎn)角速度將會(huì)突然增大，且會(huì)突然出現(xiàn)多傾角方向的加速度值，通過(guò)這些突變的數(shù)據(jù)值可以快速判斷飛機(jī)的姿態(tài)及出現(xiàn)故障的旋翼，例如，當(dāng)傾角數(shù)值大于35°，且持續(xù)3秒以上時(shí)，S卩表示出現(xiàn)故障。
[0034]電壓檢測(cè)模塊(未圖示)，用于檢測(cè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路102的三相輸出電壓，當(dāng)出現(xiàn)某一相連續(xù)異常(例如三相中的某一相數(shù)據(jù)低于另兩相持續(xù)2秒以上)，則表示該旋翼電機(jī)出現(xiàn)故障。
[0035]降落校正模塊20依據(jù)旋翼電機(jī)控制部10或慣性測(cè)量模塊30(和電壓檢測(cè)模塊)所傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，對(duì)各個(gè)旋翼輸出控制指令，通過(guò)閉環(huán)控制的方式，使各個(gè)旋翼的電機(jī)協(xié)調(diào)工作，從而使無(wú)人機(jī)平穩(wěn)降落。
[0036]以六旋翼無(wú)人機(jī)為例進(jìn)行說(shuō)明，圖2所示為六旋翼無(wú)人機(jī)的電機(jī)示意圖。當(dāng)無(wú)人機(jī)的某一旋翼出現(xiàn)故障時(shí)，以圖2中I號(hào)旋翼電機(jī)故障為例，為保持水平方向平衡，降落校正模塊20的調(diào)整原理如下:優(yōu)先切斷出現(xiàn)故障的I號(hào)旋翼的電機(jī)以及其對(duì)角線(xiàn)上4號(hào)旋翼的電機(jī)的供電。其次，沿故障電機(jī)左右兩側(cè)開(kāi)始遞減轉(zhuǎn)速，即降低I號(hào)旋翼電機(jī)兩側(cè)的2號(hào)、6號(hào)旋翼電機(jī)的轉(zhuǎn)速，具體降低至當(dāng)前轉(zhuǎn)速的85%?90%。其次，降低2號(hào)、6號(hào)旋翼電機(jī)的轉(zhuǎn)速具體降低至當(dāng)前轉(zhuǎn)速的70%?85%。同理，上述調(diào)節(jié)方式適用于四旋翼、八旋翼等等。
[0037]通過(guò)上述以遞減轉(zhuǎn)速的調(diào)整方式，在接近故障旋翼的左右位置，轉(zhuǎn)速調(diào)整相對(duì)較小，以使該位置接近故障旋翼的原轉(zhuǎn)速，而遠(yuǎn)離故障旋翼的位置，轉(zhuǎn)速調(diào)整相對(duì)較大，起到平衡無(wú)人機(jī)的目的。通過(guò)上述調(diào)整方式，可以使無(wú)人機(jī)平穩(wěn)降速，讓其余旋翼的拉力逐漸降低，從而使無(wú)人機(jī)緩慢降落。其次，通過(guò)上述調(diào)整方式，可實(shí)現(xiàn)平衡故障旋翼所產(chǎn)生的力矩。最后，采用不同時(shí)降速的方式，防止由于突發(fā)故障而導(dǎo)致的推力或螺距失控，引發(fā)二次危險(xiǎn)。
[0038]由上，使無(wú)人機(jī)的加速度及旋轉(zhuǎn)角速度穩(wěn)定在一個(gè)平衡值附近，即可完成失去一側(cè)動(dòng)力情況下的迫降。
[0039]當(dāng)無(wú)人機(jī)接近地面時(shí)，控制無(wú)人機(jī)所有旋翼電機(jī)停止工作，從而實(shí)現(xiàn)安全迫降?；跓o(wú)人機(jī)相對(duì)于地面距離的檢測(cè)，可采用慣性測(cè)量模塊實(shí)現(xiàn)，不再贅述。
[0040]更進(jìn)一步的，本實(shí)施例在上述控制方式的基礎(chǔ)上，還包括增加無(wú)人機(jī)在下降過(guò)程中的自轉(zhuǎn)降落的控制方式。即，降落校正模塊20在無(wú)人機(jī)下降過(guò)程中，依據(jù)慣性測(cè)量模塊30中三軸陀螺儀所檢測(cè)的數(shù)據(jù)，閉環(huán)調(diào)整無(wú)人機(jī)機(jī)頭的朝向，以使其沿順(逆)時(shí)針360°圓周運(yùn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)無(wú)人機(jī)在下降過(guò)程中的自轉(zhuǎn)。通過(guò)在迫降過(guò)程中的以自身為中心旋轉(zhuǎn)降落，并且在此過(guò)程中輔以無(wú)人機(jī)自轉(zhuǎn)降落，可以進(jìn)一步增加無(wú)人機(jī)降落的穩(wěn)定性，從而提高安全系數(shù)，使無(wú)人機(jī)最終安全降落。
[0041 ]本實(shí)施例中，所述降落校正模塊20采用STM32系列的ARM單片機(jī)實(shí)現(xiàn)。對(duì)于本實(shí)用新型來(lái)說(shuō)，除了能穩(wěn)定地輸出脈沖波形之外，還要求對(duì)整個(gè)運(yùn)行過(guò)程進(jìn)行監(jiān)控，甚至在必要的時(shí)候要能自動(dòng)切斷設(shè)備的運(yùn)行。因此，一款精簡(jiǎn)而功能強(qiáng)大，高效而工作穩(wěn)定的單片機(jī)成為了一個(gè)關(guān)鍵的因素。STM32這個(gè)系列的ARM單片機(jī)，既可以在穩(wěn)定工作時(shí)監(jiān)控設(shè)備中各個(gè)模組的運(yùn)行，又能夠在特殊情況發(fā)生時(shí)，及時(shí)接受外部信號(hào)，強(qiáng)制脈沖控制模組按一定指令運(yùn)行，安全系數(shù)較高。
[0042]圖3所示為降落校正模塊20的工作流程圖，包括以下步驟:
[0043]S10:降落校正模塊20接收慣性測(cè)量模塊30所檢測(cè)的旋轉(zhuǎn)角速度，加速度，以及各旋翼電機(jī)部所檢測(cè)的電流或電壓數(shù)據(jù)。
[0044]S20:降落校正模塊20判斷各旋翼電機(jī)的工作是否正常，不正常時(shí)，進(jìn)入步驟S30，
否則重復(fù)本步驟。
[0045]S30:以無(wú)人機(jī)自身為旋轉(zhuǎn)中心，控制無(wú)人機(jī)旋轉(zhuǎn)降落。
[0046]具體控制過(guò)程與在先敘述的降落校正模塊20的工作流程相同，包括控制無(wú)人機(jī)以自身為中心旋轉(zhuǎn)降落，且伴隨著在旋轉(zhuǎn)過(guò)程的自轉(zhuǎn)，最終實(shí)現(xiàn)安全降落。具體過(guò)程不再贅述。
[0047]S40:當(dāng)無(wú)人機(jī)接近地面時(shí)控制無(wú)人機(jī)所有旋翼電機(jī)停止工作。
[0048]以上所述僅為本實(shí)用新型的較佳實(shí)施例而已，并不用以限制本實(shí)用新型。總之，凡在本實(shí)用新型的精神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本實(shí)用新型的保護(hù)范圍之內(nèi)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種多旋翼無(wú)人機(jī)安全降落系統(tǒng)，其特征在于，包括: 各旋翼電機(jī)狀態(tài)檢測(cè)部，用于檢測(cè)無(wú)人機(jī)的各旋翼電機(jī)是否正常工作； 降落校正模塊，與所述各旋翼電機(jī)狀態(tài)檢測(cè)部連接，用于在旋翼電機(jī)工作異常時(shí)輸出調(diào)整各旋翼電機(jī)轉(zhuǎn)速的控制指令； 旋翼電機(jī)控制部，與所述降落校正模塊連接，依據(jù)所述控制指令驅(qū)動(dòng)各旋翼電機(jī)的運(yùn)行。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述各旋翼電機(jī)狀態(tài)檢測(cè)部包括: 慣性測(cè)量模塊，用于檢測(cè)無(wú)人機(jī)的飛行狀態(tài)； 飛行故障判斷模塊，與所述慣性測(cè)量模塊連接，用于依據(jù)飛行狀態(tài)判斷飛行狀態(tài)是否發(fā)生異常； 電壓檢測(cè)模塊，用于在飛行狀態(tài)異常時(shí)，檢測(cè)旋翼電機(jī)控制部中的三相輸出的電壓。3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述慣性測(cè)量模塊包括三軸陀螺儀和加速度儀。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述各旋翼電機(jī)狀態(tài)檢測(cè)部包括:電流檢測(cè)模塊，與所述旋翼電機(jī)控制部連接； 所述降落校正模塊還與所述電流檢測(cè)模塊連接，用于依據(jù)異常電流輸出控制指令以調(diào)整各旋翼電機(jī)轉(zhuǎn)速。5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述電流檢測(cè)模塊包括依次連接的電流檢測(cè)電路，電流比較電路和串口，還包括與所述電流比較電路連接的存儲(chǔ)器； 所述存儲(chǔ)器中預(yù)存有旋翼電機(jī)的正常工作電流。6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述降落校正模塊包括STM32系列的ARM單片機(jī)。
【文檔編號(hào)】B64C39/02GK205633038SQ201620233661
【公開(kāi)日】2016年10月12日
【申請(qǐng)日】2016年3月24日
【發(fā)明人】張志強(qiáng), 楊伯陽(yáng), 王露, 王英男
【申請(qǐng)人】深圳市創(chuàng)翼睿翔天空科技有限公司, 北京信息科技大學(xué)