CN100577517C - 一种中小型无人机伞降回收控制装置及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种中小型无人机的伞降回收控制装置及其控制方法，所述装置包括两个离散输入三选二电路A、B、继电器驱动电路A、B、继电器A、B，各单元间经印刷板走线连接，对发动机和爆炸螺栓的供电分别进行控制；所述方法规定了“未开伞”、“安全预令”、“开伞”三个逻辑状态，对“安全预令有效时间”、“发动机停车时间”进行计时，逻辑状态的转换由当前测控指令、逻辑状态和两个计时值决定，并由此控制继电器A、B。本发明的装置可防止开伞控制信号受干扰引起意外开伞；所采用方法对发动机停车和开伞进行了综合控制，减小了操纵人员误操作而意外开伞和伞绳被螺旋桨缠绕、切割的可能性，从而保证了无人机伞降回收的安全可靠。

Description

一种中小型无人机伞降回收控制装置及其控制方法

技术领域

本发明属于无人机自动控制技术领域，具体地说，是指一种中小型无人机伞降回收控制装置及其控制方法。

背景技术

中小型无人机在军事和民用领域都有着广泛的应用，如军事侦察、输油管线巡查、城市规划、大气环境监控等。

中小型无人机多采用弹射或火箭助推等方式起飞升空，而采用伞降方式进行回收。伞降指令由地面操作人员通过地面测控站发出，机上控制系统接收到伞降指令后控制开伞装置，开伞装置进行开伞动作。

开伞装置通常由抛伞机构和相应的控制电路构成，抛伞机构多采用“爆炸螺栓+弹簧装置”或“舵机+机械结构”两种方式，其中“爆炸螺栓+弹簧装置”结构简单、工作可靠，应用范围较广。但爆炸螺栓是由继电器开关进行通电控制，而继电器的输入信号常为电压较低的TTL电平离散输出信号，在复杂的电磁情况下容易被干扰，从而使爆炸螺栓起爆引起意外开伞。

伞降指令由地面测控站台面的拨动开关、按键或是测控算法界面的按键进行控制。在操纵人员对无人机进行操作时可能会意外触动相应的开关或按键，错误地发出伞降指令，如果没有对伞降指令进行保护会引起意外开伞。

中小型无人机机身较小，机上各个设备的位置都很接近。如果没有对发动机和伞降装置进行综合的控制，降落伞抛出时发动机没有停车，则降落伞的伞绳很可能被螺旋桨缠绕、切割，使降落伞无法张开造成伞降失败。

发明内容

本发明提供了一种中小型无人机的伞降回收控制装置及其控制方法，通过两个离散输入三选二电路A、B、两个继电器驱动电路A、B、两个继电器A、B组成的回收控制装置及其相应的控制方法，实现了对无人机伞降回收的安全可靠控制。

所述两个离散输入三选二电路的输入分别为发动机停车控制信号和开伞控制信号，两个继电器驱动电路分别根据两个离散输入三选二电路的输出来驱动两个继电器A、B吸合或者断开，两个继电器A、B通过吸合和断开状态分别来控制发动机和爆炸螺栓的工作，从而保证无人机伞降回收的安全可靠。控制发动机停车的三路离散电平控制信号经离散输入三选二电路A后，输出一路控制信号由印刷板走线连接至继电器驱动电路A的输入端，继电器驱动电路A的输出由印刷板走线连接至继电器A，驱动继电器A吸合或者断开；控制开伞爆炸螺栓的三路离散电平控制信号经离散输入三选二电路B后，输出一路控制信号由印刷板走线连接至继电器驱动电路B的输入端，继电器驱动电路B的输出由印刷板走线连接至继电器B，驱动继电器B吸合或断开；继电器A和B的触点焊接电缆，分别与发动机点火供电电路以及爆炸螺栓点火供电电路连接：发动机点火供电电路经过继电器A的常闭触点构成回路；开伞爆炸螺栓的供电电路经过继电器A和继电器B的常开触点构成回路。

所述的发动机停车控制信号和开伞控制信号均为三路离散电平控制信号，当三路离散电平控制信号中至少有二路均为高电平时，离散输入三选二电路的输出信号才能控制继电器驱动电路使相应的继电器A、B吸合。其中的一个继电器A有两组触点，一组为常闭触点、一组为常开触点，而另一个继电器B只有一组常开触点。发动机点火供电由继电器A的常闭触点控制，通常情况下为闭合状态，保证发动机点火的正常供电；当继电器A吸合时，常闭触点断开，发动机点火停止供电。爆炸螺栓加电由继电器A和B的两组常开触点串联控制，正常情况下两组触点都为断开状态，爆炸螺栓不加电；当继电器A吸合时，爆炸螺栓进行预加电；在继电器A、B均吸合时，爆炸螺栓加电起爆。如果只有继电器A或B单独吸合时，爆炸螺栓均不能加电起爆。

上述控制装置由专用控制算法进行控制，算法每隔一个固定的周期(如80毫秒)运行一次。控制算法规定了“未开伞”、“安全预令”和“开伞”三种逻辑状态，并对“安全预令有效时间”、“发动机停车时间”进行计时，逻辑状态的相互转换由测控指令、当前逻辑状态和上述两个计时值决定。“安全预令有效时间”是逻辑状态由“未开伞”转换为“安全预令”之后的时间，“发动机停车时间”为向发动机停车控制信号输入高电平信号后的时间，这两个时间通过两个不同的计时器进行计时。算法初始时的逻辑状态为“未开伞”，此时向发动机停车控制信号和开伞控制信号均输入低电平信号，继电器A和B均不吸合。当收到地面测控站发来的“安全预令”后，逻辑状态转换为“安全预令”，同时开始“安全预令有效时间”计时；如果收到地面测控站发送的其它指令，则保持当前状态不变。在“安全预令有效时间”小于10秒钟时，如果收到地面测控站发来的“开伞”指令，则逻辑状态转换为“开伞”；如果收到其它指令，则保持当前状态不变；如果在“安全预令有效时间”小于10秒钟的时限以内没有收到“开伞”指令，则逻辑状态自动转换为“未开伞”。上述10秒钟时间是操作人员在正常操作情况下从发“安全预令”到发“开伞”的时限，依据经验选定。当逻辑状态转换为“开伞”后，开始“发动机停车时间”计时，向发动机停车控制信号输入高电平信号，继电器A吸合，切断发动机点火供电电路，同时对爆炸螺栓进行预加电；当“发动机停车时间”超过4秒时，发动机已基本停止转动，此时在保持向发动机停车控制信号输入高电平信号的同时也向开伞控制信号输入高电平信号，继电器B吸合，完全接通爆炸螺栓的供电电路，使其加电起爆，启动开伞机构进行抛伞动作。上述4秒钟时间是切断发动机点火供电到发动机螺旋桨停止转动的时间，根据发动机停车试验的结果选定。

本发明的优点在于：

1)伞降回收装置中采用离散输入三选二电路控制继电器驱动电路输入，防止开伞控制信号受到干扰引起开伞机构误动作；

2)通过两个继电器开关控制爆炸螺栓点火工作，可以防止操纵人员误操作引起意外开伞；

3)对发动机停车和伞降进行综合控制，防止伞绳被螺旋桨缠绕、切割。

4)伞降回收装置硬件电路结构简单、易于实现；

5)所采用的控制方法逻辑清晰、工作可靠。

附图说明

图1为本发明的伞降回收控制装置的硬件电路结构示意图；

图2为本发明的伞降回收控制方法流程图。

图中：1-离散输入三选二电路A，2-离散输入三选二电路B，3-继电器驱动电路A，4-继电器驱动电路B，5-继电器A，6-继电器B，501-常闭触点，502-常开触点，601-常开触点

具体实施方式

下面结合附图对本发明的一种中小型无人机伞降回收装置及其控制方法作进一步的详细说明：

本发明所述的伞降回收装置由离散输入三选二电路A1、离散输入三选二电路B2、继电器驱动电路A3、继电器驱动电路B4、发动机停车控制继电器A5和开伞爆炸螺栓控制继电器B6组成，其结构示意图如图1所示。离散输入三选二电路A1、B2和继电器驱动电路A3、B4参照现有技术实现，两者与继电器A5、B6一起焊接于印刷电路板，其中继电器A5为发动机停车控制继电器，继电器B6为开伞爆炸螺栓控制继电器，且继电器A5有两组触点，一组为常闭触点501、一组为常开触点502，而继电器B6只有一组常开触点601。控制发动机停车的三路离散电平控制信号经离散输入三选二电路A1后，输出一路控制信号由印刷板走线连接至继电器驱动电路A3的输入端，继电器驱动电路A3的输出由印刷板走线连接至继电器A5，驱动继电器A5吸合或者断开；控制开伞爆炸螺栓的三路离散电平控制信号经离散输入三选二电路B2后，输出一路控制信号由印刷板走线连接至继电器驱动电路B4的输入端，继电器驱动电路B4的输出由印刷板走线连接至继电器B6，驱动继电器B6吸合或者断开；继电器A5和B6的触点焊接电缆，分别与发动机点火供电电路以及爆炸螺栓点火供电电路连接：发动机点火供电电路经过继电器A5的常闭触点501构成回路；开伞爆炸螺栓的供电电路经过继电器A5和继电器B6的常开触点502、601构成回路。

应用实例中所述的离散输入三选二电路A1和离散输入三选二电路B2的输入为三路离散TTL电平控制信号，当三路控制信号中至少有二路均为高电平时，其输出才为高电平，此时离散输入三选二电路A1或离散输入三选二电路B2的输出信号才能分别控制继电器驱动电路A3或B4使相应的继电器A5或B6吸合。发动机点火供电由继电器A5的常闭触点501控制，通常情况下常闭触点501为闭合状态，保证发动机点火的正常供电；当继电器A5吸合时，常闭触点501断开，常开触点502闭合，发动机点火停止供电。爆炸螺栓加电由继电器A5、继电器B6的两组常开触点502、601串联控制，正常情况下两组常开触点502、601都为断开状态，爆炸螺栓不加电；当继电器5吸合时，常开触点502闭合，爆炸螺栓进行预加电；在继电器A5、B6均吸合时，常开触点502和常开触点601均闭合，爆炸螺栓加电起爆。如果只有继电器A5或B6单独吸合时，或者说常开触点502和常开触点601有任意一个不能闭合，则爆炸螺栓均不能加电起爆。

应用所述的伞降回收装置进行控制的流程图见图2，该控制算法每隔一个固定的周期运行一次，通常为80毫秒。在每个周期开始后，首先判断当前的逻辑状态，然后转入相应的逻辑状态分支，所述的逻辑状态分支为“未开伞”、“安全预令”、“开伞”。

当逻辑状态为“未开伞”时，首先向发动机停车控制信号和开伞控制信号均输入低电平信号，然后判断当前的遥控指令是否为“安全预令”，如果是则将逻辑状态改为“安全预令”，同时将“安全预令”有效计时器清零，准备对“安全预令”状态下经历的运行周期的个数进行计数，否则直接退出。

当逻辑状态为“安全预令”时，首先将安全预令有效计时器加一，表明在此状态下的时间又经过了80毫秒，然后利用安全预令有效计时器的计数值来判断“安全预令有效时间”是否大于10秒，如果是则将逻辑状态改为“未开伞”并退出，否则继续判断当前的遥控指令是否为“开伞”：如果是则将逻辑状态改为“开伞”，同时将发动机停车计时器清零，否则直接退出。所述的“安全预令有效时间”是根据控制算法在“安全预令”状态下经历的运行周期的个数进行计算的，例如控制算法的运行周期为80毫秒，当安全预令有效计时器的计数值大于125(10秒除以80毫秒的值)时，“安全预令有效时间”的计时即大于10秒。

当逻辑状态为“开伞”时，首先将发动机停车计时器加一，接着向发动机停车控制信号输入高电平，然后判断发动机停车计时是否大于4秒，如果是则向开伞控制信号输入高电平并退出，否则直接退出。发动机停车时间的计时方法和前述安全预令有效时间的计时方法相同。

通常状态下，控制算法的逻辑状态为“未开伞”，发动机停车控制信号和开伞控制信号的输入均为TTL低电平信号。此时图1中离散输入三选二电路A1和离散输入三选二电路B2的输入均为低电平，从而继电器驱动电路A3、继电器驱动电路B4的输出也使继电器A5和继电器B6均不能吸合。继电器A5的常闭触点501闭合、常开触点502断开，故发动机点火供电电路闭合，发动机可以正常点火工作，同时继电器B6的常开触点601也处于断开状态，爆炸螺栓的点火供电被切断，无法起爆。这种情况下，即使地面操作人员意外发出“开伞”指令，算法无法直接转换到“开伞”状态，不会引发开伞动作。

如果地面操作人员判断需要进行伞降回收，则首先应通过地面测控站发出“安全预令”。此时控制算法的逻辑状态为“未开伞”，接收到“安全预令”指令后，逻辑状态转换为“安全预令”，并同时启动安全预令有效计时器开始计时。地面操作人员应在“安全预令”发出后10秒以内，再发出“开伞”指令，否则10秒后，算法状态自动退回“未开伞”，此后再发出的“开伞”指令无效。当在“安全预令”发出后10秒以内接着发出“开伞”指令，算法逻辑状态转换为“开伞”，同时启动发动机停车计时器开始计时，进入开伞流程：首先向发动机停车控制信号输入三路TTL高电平信号，经过三选二判断后，继电器驱动电路A3使继电器A5吸合，常闭触点501断开，发动机点火供电电路被切断，发动机停车，螺旋桨在惯性作用下旋转一段时间后停止转动，时间大约为4秒；同时其常开触点502闭合，对爆炸螺栓进行预加电。发动机停车计时大于4秒时，螺旋桨基本停止转动，此时向发动机停车控制信号和开伞控制信号均输入三路TTL高电平信号，继电器驱动电路A3使继电器A5继续保持吸合状态，同时继电器驱动电路B4使继电器B6吸合，使爆炸螺栓点火供电电路完全闭合，爆炸螺栓起爆，开伞机构启动并进行抛伞动作。

在实际应用中，发动机停车控制信号和开伞控制信号由于TTL信号本身电压较低，有可能会受到干扰，但只要其输出的三路信号有任意二路未被拉到高电平，对应的继电器就不会产生误动作，因此可以防止操纵人员误操作引起意外开伞；由于对发动机停车和伞降进行综合控制，防止了伞绳被螺旋桨缠绕、切割，保证了无人机安全伞降回收。

Claims (4)

1、一种中小型无人机的伞降回收控制装置，包括继电器A、继电器B和对应的继电器驱动电路A、继电器驱动电路B，其特征在于：还包括两个离散输入三选二电路A、离散输入三选二电路B；控制发动机停车的三路离散电平控制信号经离散输入三选二电路A后，输出一路控制信号由印刷板走线连接至继电器驱动电路A的输入端，继电器驱动电路A的输出由印刷板走线连接至继电器A，驱动继电器A吸合或者断开；

控制开伞爆炸螺栓的三路离散电平控制信号经离散输入三选二电路B后，输出一路控制信号由印刷板走线连接至继电器驱动电路B的输入端，继电器驱动电路B的输出由印刷板走线连接至继电器B，驱动继电器B吸合或者断开；

继电器A的触点焊接电缆与发动机点火供电电路和爆炸螺栓点火供电电路连接，继电器B的触点焊接电缆与爆炸螺栓点火供电电路连接：发动机点火供电电路经过继电器A的常闭触点构成回路；开伞爆炸螺栓的供电电路顺次经过继电器A和继电器B的常开触点构成回路。

2、根据权利要求1所述一种中小型无人机的伞降回收控制装置，其特征在于：所述的继电器A、继电器B分别为发动机停车控制继电器和开伞控制继电器，继电器A具有一个常闭触点和一个常开触点，继电器B具有一个常开触点。

3、根据权利要求1所述一种中小型无人机的伞降回收控制装置，其特征在于：继电器A、B的吸合是通过离散输入三选二电路的输出进行控制，即单个继电器同时由三路离散输入信号进行控制，只有当三路离散输入信号中至少有两路为高电平时，对应的继电器才吸合。

4、根据权利要求1所述的一种中小型无人机的伞降回收控制装置的控制方法，其特征在于：所述的控制算法每隔一个固定的周期运行一次，在每个周期开始后，首先判断当前的逻辑状态，然后转入相应的逻辑状态分支，所述的逻辑状态分支为“未开伞”、“安全预令”、“开伞”；

分支一：当前逻辑状态为“未开伞”，

首先，向开伞控制信号和发动机停车控制信号输入分别输入三路低电平信号；然后，判断当前的遥控指令是否为“安全预令”；如果判断结果为“是”，则将逻辑状态转换为“安全预令”，并将安全预令有效计时器清零，然后退出；如果判断结果为“否”，则直接退出；

分支二：当前逻辑状态为“安全预令”，

首先，将安全预令有效计时器的计数值加一；然后，判断安全预令有效计时是否大于10秒；如果判断结果为“是”，则将逻辑状态转换为“未开伞”，然后退出；如果判断结果为“否”，则再判断遥控指令的类型；

最后，判断遥控指令是否为“开伞”；如果判断结果为“是”，则将逻辑状态转换为“开伞”，并将发动机停车计时器清零，然后退出；如果判断结果为“否”，则直接退出；

分支三：当前逻辑状态为“开伞”，

首先，将发动机停车计时器的计数值加一；然后，向发动机停车控制信号输入三路高电平信号；最后，判断发动机停车计时是否大于4秒；如果判断结果为“是”，则向开伞控制信号输入三路高电平信号，然后退出；如果判断结果为“否”，则直接退出。

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