CN103895870A - 一种用于多旋翼无人机的紧急伞降装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于多旋翼无人机的紧急伞降装置及方法，该装置包括安装在伞仓内的测控单元、解锁舵机、抛伞弹簧、锁栓、降落伞和磁保持继电器，所述测控单元包括一微控制器与一惯性运动测量单元，微控制器与解锁舵机、磁保持继电器电连接，解锁舵机通过摇臂与锁栓连接，磁保持继电器用于开闭旋翼电机的电源；伞仓固定在多旋翼无人机上，抛伞弹簧一端固定在伞仓底部，降落伞设置在该抛伞弹簧的另一端。该方法是：获取当前无人机的瞬时高度、加速度，解算出无人机的下降速率，判断无人机是否处于危险坠落状态，是则切断旋翼电机电源并抛出降落伞使无人机安全着陆。本发明具有结构简单、成本低廉、重量轻、反应快速等特点。

Description

一种用于多旋翼无人机的紧急伞降装置及方法

技术领域

本发明涉及农业无人机研究领域，特别涉及一种用于多旋翼无人机的紧急伞降装置及方法。

背景技术

多旋翼轻小型无人机具有体积小巧、姿态响应迅速的特点，便于在地形复杂的果园中快速部署使用。在实际农业应用领域，可由无人机搭载各种作业设备对农业地域进行快速农情采集与精准作业，能够极大降低人力成本与提高农药利用率。

目前，无人机伞降装置多用于固定翼飞行器中，第一种类型为人工触发式，需要操控人员自行判定需要降落时发出开伞指令；第二种类型为失控保护式，控制装置在检测到遥控信号丢失后，进入伞降程序。但对不具备滑翔能力的多旋翼无人机而言，存在两种特殊情况：1）多旋翼无人机在飞行过程中发生动力系统故障，失去升力，急速坠落。2）操作员在操纵多旋翼无人机过程中错误减小甚至关闭油门，导致无人机失去升力，急速坠落。这两类装置在以上情形中均难以及时发挥作用。即，用于固定翼无人机的伞降装置在多旋翼无人机特有的突发情况中难以有效、及时的进入伞降状态保护飞行器。因此需要寻找一种能够应用在多旋翼无人机的紧急伞降方法及装置。

基于惯性传感器、地磁传感器与高度计的惯性运动测量单元是检测和测量加速度、倾斜、冲击、振动、旋转和多自由度运动的传感器。惯性传感器是解决导航、定向和运动载体控制的重要部件，其在航天飞机、汽车、机器人等领域都有广阔的应用前景。微控制器读取惯性传感器测量出的瞬时加速度、角速度等参量，经过数字滤波与数据融合可获得载体当前的运动状态与姿态、相对位置等参数。

因此，如何在惯性运动测量单元的基础上，设计出一种成本较低，可靠性较高的用于多旋翼无人机的紧急伞降装置及方法具有极高的理论和实际意义。

发明内容

本发明的主要目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种用于多旋翼无人机的紧急伞降装置，该装置通过增加惯性运动测量单元与微控制器可以防止多旋翼无人机意外坠毁，具有结构简单、成本低廉、重量轻等特点。

本发明的另一个目的在于提供一种基于上述装置的用于多旋翼无人机的紧急伞降方法。

本发明的目的通过以下的技术方案实现：一种用于多旋翼无人机的紧急伞降装置，包括安装在伞仓内的测控单元、解锁舵机、抛伞弹簧、锁栓、降落伞和磁保持继电器，所述测控单元包括一微控制器与一惯性运动测量单元，微控制器与解锁舵机、磁保持继电器电连接，解锁舵机通过摇臂与锁栓连接，解锁舵机和锁栓共同作用将伞仓盖固定在伞仓上，磁保持继电器用于开闭旋翼电机的电源；伞仓固定在多旋翼无人机上，抛伞弹簧一端固定在伞仓底部，降落伞设置在该抛伞弹簧的另一端。

具体的，所述惯性运动测量单元为捷联惯性测量单元，包括三轴陀螺仪、三轴加速度计，均分别与微控制器相连。

更进一步的，所述惯性运动测量单元还包括微型高度计（气压式或超声波式）和三轴地磁传感器，均与微控制器相连。从而可以进一步提高测量准确度。

更进一步的，所述惯性测量模块中的三轴陀螺仪、三轴加速度计、三轴地磁传感器的敏感轴均与多旋翼无人机的横滚轴、俯仰轴、航向轴平行。

具体的，所述紧急伞降装置还包括电源管理模块，该模块包括CN3722、MOS管与3.3V DC-DC模块，DC-DC模块输出两路稳压电源分别是5V与3.3V，5V电源用于驱动解锁舵机；3.3V电源为微控制器与惯性运动测量单元供电。

优选的，所述测控单元内置锂电池作为该系统的备份电源。从而防止因机载电池发生故障导致系统失效。

更进一步的，所述机载动力电池通过电源管理模块直接为该内置锂电池充电。

具体的，所述磁保持继电器带复位开关。以便无人机回收后进行通电调试。

一种基于上述装置的用于多旋翼无人机的紧急伞降方法，该方法是：获取当前无人机的瞬时高度、加速度，解算出无人机的下降速率，判断无人机是否处于危险坠落状态，是则切断旋翼电机电源并抛出降落伞使无人机安全着陆。本发明可以实现根据多旋翼无人机下落状态自动释放降落伞，最大限度避免因人为操纵失误或机载动力系统故障导致无人机坠毁。

具体的，包括以下步骤：

（1）多旋翼无人机起飞前，校准惯性运动测量单元，消除初始零偏；

（2）多旋翼无人机起飞后，定时读取惯性运动测量单元输出的瞬时加速度、角速度与高度值；

（3）对瞬时加速度、角速度与高度值进行数字滤波与数据融合，计算出无人机当前的高度、下降速率与下降加速度；

（4）如果某时刻下降速率、飞行高度、下降加速度三者中任两者超过预警值，则判定无人机处于危险下坠状态；并等待一段时间后再次判断是否仍处于危险状态；如果是，则执行步骤（5），否则执行步骤（6）；

（5）微控制器通过磁保持继电器切断旋翼电机电源；并通过解锁舵机快速抽出锁栓，抛伞弹簧将降落伞从伞仓内抛出，无人机进入伞降状态；

（6）无人机正常飞行，重复步骤（2）—（4）。

优选的，所述步骤（1）中，多旋翼飞行器起飞前，微控制器测量装置内的电池电压，若电压过低则发出装置失效预警。

更进一步的，所述电压报警阈值设为7V。

优选的，所述步骤（3）中，数字滤波与数据融合的方法采用卡尔曼法或互补滤波法。

优选的，所述步骤（4）中，等待时间默认设定为500ms。

本发明与现有技术相比，具有如下优点和有益效果：

1、针对目前用于固定翼无人机的伞降装置在多旋翼无人机特有的突发情况中难以有效、及时的进入伞降状态保护飞行器的问题，本发明装置通过增加惯性运动测量单元与微控制器，从而可以根据多旋翼无人机下落状态自动释放降落伞，最大限度避免因人为操纵失误或机载动力系统故障导致飞行器坠毁。无需对现有多旋翼无人机结构进行大规模改动即可运用本装置，具有结构简单、成本低廉、重量轻的特点，适合作为多旋翼无人飞行器机载设备。

2、本发明方法通过从惯性运动测量单元读取瞬时加速度、角速度，经过滤波、姿态解算与数据融合判断无人机是否处于危险坠落状态，自动打开降落伞，最大限度避免因人为操纵失误或机载动力系统故障导致飞行器坠毁。本装置体积小巧、具有较高的响应灵敏度，适合在小型飞行器中运用。且可提高现有多旋翼无人机的安全性。

附图说明

图1是本发明装置的结构示意图；

图2是本发明装置中电路连接关系示意图。

具体实施方式

下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。

实施例1

现有技术中，无人机伞降装置多用于固定翼飞行器中，第一种类型为人工触发式，需要操控人员自行判定需要降落时发出开伞指令；第二种类型为失控保护式，控制装置在检测到遥控信号丢失后，进入伞降程序。但对不具备滑翔能力的多旋翼无人机而言，用于固定翼无人机的伞降装置在多旋翼无人机特有的突发情况中难以有效、及时的进入伞降状态保护飞行器。

本实施例所述用于多旋翼无人机的紧急伞降装置，如图1和2所示，包括锁栓1、降落伞2、伞仓盖3、伞仓4、抛伞弹簧5、测控单元（含内置锂电池）6、解锁舵机7。其中伞仓4固定在多旋翼无人机中心；抛伞弹簧5底端与伞仓4连接；测控单元（含内置锂电池）6固定在伞仓底部；解锁舵机7固定在伞仓侧壁。

如图1所示，所述用于多旋翼无人机的紧急伞降装置中，锁栓1在发生紧急坠落时，被解锁舵机7快速抽出，伞仓盖3被抛伞弹簧5的推力打开，抛伞弹簧5继续伸展直到将降落伞2推出伞仓。降落伞2在气流作用下自动张开。

测控单元中包括惯性运动测量单元与微控制器，其中惯性运动测量单元为捷联惯性测量模块，还包括微型高度计（气压式或超声波式）和三轴地磁传感器，可采用MPU9150（集成三轴加速度计、三轴陀螺仪、三轴地磁传感器）或MPU6050（集成三轴加速度计、三轴陀螺仪）、HMC5883（三轴地磁传感器）、BMP085（MEMS气压高度计）、US-100（超声波高度传感器）。

所述微控制器采用STM32F4xxx系列单片机。该微控制器还与磁保持继电器相连，磁保持继电器用于在降落伞抛出前切断旋翼电机的电源，使其停转，避免高速旋转的螺旋桨损坏降落伞。

如图2所示，所述紧急开伞装置还包括电源管理模块、内置锂电池和机载动力电池，电源管理模块包括CN3722、MOS管与3.3V DC-DC模块，DC-DC模块输出两路稳压电源5V与3.3V，5V电源用于驱动解锁舵机；3.3V电源为微控制器与惯性运动测量单元供电。正常情况下由机载动力电池通过电源管理模块向整个装置供电，同时机载动力电池还可通过电源管理模块直接为内置锂电池充电。在机载动力电池发生故障时，内置锂电池作为该系统的备份电源开始启动。

本实施例中基于上述装置的紧急伞降方法，步骤是：获取当前无人机的瞬时高度、加速度，解算出无人机的下降率，如果处于危险坠落状态，则切断旋翼电机电源并抛出降落伞使无人机安全着陆。

具体包括以下步骤：

（1）多旋翼无人机起飞前，微控制器测量内置锂电池电压，若电压过低（7V）则发出装置失效预警（声、光）；

（2）多旋翼无人机起飞前，校准惯性运动测量单元，消除初始零偏；

（3）多旋翼无人机起飞后，定时读取惯性运动测量单元输出的瞬时加速度、角速度与高度值；

（3）对瞬时加速度、角速度与高度值进行数字滤波与数据融合，计算出无人机当前的高度、下降速率与下降加速度；

（4）如果某时刻下降速率、飞行高度、下降加速度三者中任两者超过预警值，则判定飞行器处于危险下坠状态；并等待一段时间（用户可修改，默认设定为500ms）后再次判断是否仍处于危险状态。

（5）基于（4）如果仍处于危险状态，微控制器通过磁保持继电器切断旋翼电机电源。

（6）基于（5），旋翼电机电源切断后，微控制器通过解锁舵机快速抽出锁栓，抛伞弹簧将降落伞从伞仓内抛出，无人机进入伞降状态。

（7）基于（4）如果危险状态自动解除，则判定无人机恢复正常飞行状态，重复执行步骤（3）。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种用于多旋翼无人机的紧急伞降装置，其特征在于，包括安装在伞仓内的测控单元、解锁舵机、抛伞弹簧、锁栓、降落伞和磁保持继电器，所述测控单元包括一微控制器与一惯性运动测量单元，微控制器与解锁舵机、磁保持继电器电连接，解锁舵机通过摇臂与锁栓连接，解锁舵机和锁栓共同作用将伞仓盖固定在伞仓上，磁保持继电器用于开闭旋翼电机的电源；伞仓固定在多旋翼无人机上，抛伞弹簧一端固定在伞仓底部，降落伞设置在该抛伞弹簧的另一端。

2.根据权利要求1所述的用于多旋翼无人机的紧急伞降装置，其特征在于，所述惯性运动测量单元为捷联惯性测量单元，包括三轴陀螺仪、三轴加速度计，均分别与微控制器相连。

3.根据权利要求2所述的用于多旋翼无人机的紧急伞降装置，其特征在于，所述惯性运动测量单元还包括微型高度计和三轴地磁传感器，均与微控制器相连。

4.根据权利要求3所述的用于多旋翼无人机的紧急伞降装置，其特征在于，所述惯性测量模块中的三轴陀螺仪、三轴加速度计、三轴地磁传感器的敏感轴均与多旋翼无人机的横滚轴、俯仰轴、航向轴平行。

5.根据权利要求1所述的用于多旋翼无人机的紧急伞降装置，其特征在于，所述紧急伞降装置还包括电源管理模块，该模块包括CN3722、MOS管与3.3VDC-DC模块，DC-DC模块输出两路稳压电源分别是5V与3.3V，5V电源用于驱动解锁舵机；3.3V电源为微控制器与惯性运动测量单元供电；该电源管理模块与外部机载动力电池相连；

所述测控单元内置锂电池作为该系统的备份电源；

机载动力电池通过电源管理模块直接为该内置锂电池充电。

6.一种基于权利要求1-5任一项所述的紧急伞降装置的紧急伞降方法，其特征在于，获取当前无人机的瞬时高度、加速度，解算出无人机的下降速率，判断无人机是否处于危险坠落状态，是则切断旋翼电机电源并抛出降落伞使无人机安全着陆。

7.根据权利要求6所述的紧急伞降方法，其特征在于，包括以下步骤：

（1）多旋翼无人机起飞前，校准惯性运动测量单元，消除初始零偏；

（2）多旋翼无人机起飞后，定时读取惯性运动测量单元输出的瞬时加速度、角速度与高度值；

（3）对瞬时加速度、角速度与高度值进行数字滤波与数据融合，计算出无人机当前的高度、下降速率与下降加速度；

（4）如果某时刻下降速率、飞行高度、下降加速度三者中任两者超过预警值，则判定无人机处于危险下坠状态；并等待一段时间后再次判断是否仍处于危险状态；如果是，则执行步骤（5），否则执行步骤（6）；

（5）微控制器通过磁保持继电器切断旋翼电机电源；并通过解锁舵机快速抽出锁栓，抛伞弹簧将降落伞从伞仓内抛出，无人机进入伞降状态；

（6）无人机正常飞行，重复步骤（2）—（4）。

8.根据权利要求7所述的紧急伞降方法，其特征在于，所述步骤（1）中，多旋翼飞行器起飞前，微控制器测量装置内的电池电压，若电压过低则发出装置失效预警。

9.根据权利要求8所述的紧急伞降方法，其特征在于，所述电压报警阈值设为7V。

10.根据权利要求7所述的紧急伞降方法，其特征在于，所述步骤（3）中，数字滤波与数据融合的方法采用卡尔曼法或互补滤波法；

所述步骤（4）中，等待时间默认设定为500ms。

Images