CN104943872A - 一种无人驾驶飞行器及其保护方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种无人驾驶飞行器，包括机身以及气囊。上述气囊设置于上述机身上方，当上述无人驾驶飞行器开始坠落或即将坠落时，对上述气囊充入比空气质量轻的气体，使上述气囊膨胀。

Description

一种无人驾驶飞行器及其保护方法

技术领域

本发明涉及一种飞行器及其保护方法。更具体地说，本发明涉及一种无人驾驶飞行器及其保护方法。

背景技术

无人机是一种由无线电遥控设备或自身程序控制装置操纵的无人驾驶飞行器。

从技术角度定义，无人驾驶飞行器可以分为：无人驾驶直升机、无人驾驶固定翼机、无人驾驶多旋翼飞行器、无人驾驶飞艇、无人驾驶伞翼机等。

例如中国专利：《农用无人直升机》（专利申请号：201410572827.X）揭示了一种无人驾驶直升机。无人驾驶直升机构造简单，价格低廉，同时可以垂直起降，也可完成一些复杂的飞行动作。

又例如中国专利：《一种固定翼无人机的定高飞行控制系统》（专利申请号：CN201120406739.4）揭示了一种无人驾驶固定翼机。无人驾驶固定翼机具有飞行速度快、机动性高、飞行高度高的优点。

再例如中国专利：《有线电源多旋翼无人飞行器》（专利申请号：CN201420016027.5）揭示了一种无人驾驶多旋翼飞行器。无人驾驶多旋翼飞行器结构更为紧凑，能够产生更大升力，能够垂直起降，还具有操控方便、机动灵活、噪音小、隐蔽性好等特点，已经被广泛使用。

这些不同种类的无人驾驶飞行器有着各自的特点，在不同领域都有着不同的应用前景。

目前，随着自适应控制技术的发展，无人驾驶飞行器已经在世界各地展开了广泛的研究，并取得了一定的进展。现在无人驾驶飞行器已经广泛应用于军事、农业、视频拍摄、气象、地质、城市管理、抢险救灾等领域。

采用小微型无人驾驶飞行器来实施航拍，已经成为非常时髦的需求，并且通过小微型无人驾驶飞行器在活动、仪式等场合完成一些表演、传递之类的任务，也开始受到关注。

与传统地面可移动设备不同，无人驾驶飞行器是飞行设备，在空中飞行移动，因此无人驾驶飞行器让用户的操作方式从地面的二维空间转变为空中的三维空间。

随之产生的问题是，与在平面上进行移动的设备相比，不同的是，空中飞行的设备一旦动力或者平衡出现问题，将会从空中坠下。因此，如果是汽车模型的操纵失误，不会有严重的后果，但是无人驾驶飞行器的操控失误或者故障，则将极有可能导致无人驾驶飞行器从空中坠下，从而，极有可能导致整个无人驾驶飞行器的损坏。

现有技术非常关注这个问题，曾经试图通过多种方面来提高操控稳定性，试图来降低坠机的可能性。例如中国专利：《基于混合控制的四旋翼无人机增稳控制方法》（专利申请号：201210424807.9）。

该专利公开了自动控制技术领域中的一种基于混合控制的四旋翼无人机增稳控制器的设计方法。该方法包括：设定四旋翼无人机状态变量和状态切换参数；设定四旋翼无人机的高度切换值、滚转角切换值、俯仰角切换值、滚转角临界值和俯仰角临界值；设定离散状态集合和离散事件集合；设定四旋翼无人机离散状态迁移条件；判断四旋翼无人机的状态，并根据其状态分别设计起降控制器、平稳控制器、增稳控制器和失控保护装置。

该方法虽然可以改善无人驾驶飞行器的飞行稳定程度，但是诱发坠机的可能性实在太多，飞行环境的复杂，又或者是误操作都仍然有可能导致坠机的发生。

因此，坠机的风险是不可避免的，即使提高了无人驾驶飞行器的飞行稳定程度，仍然需要作好应对突发情况的发生，将坠机规避的希望寄托在不让坠机事件发生，是不现实的。

因此，一些针对无人驾驶飞行器坠机的设计方案被提出来。例如在无人驾驶飞行器上安装降落伞，从而避免坠机的方案。例如中国专利：《一种用于多旋翼无人机的紧急伞降装置及方法》（专利申请号：201410100519.7）

该专利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。

但是这种降落伞的方式，对于固定翼式无人驾驶飞行器或者大型的多旋翼式无人驾驶飞行器是有价值的。因为这些飞行器的动力性能较强，成本昂贵，安装价格不菲，且具有一定自重的降落伞，总体上来说，是划算的。

对于中小型、微型的无人驾驶飞行器来说，尤其多旋翼无人驾驶飞行器来说，安装降落伞的方式是不现实的。这里主要有三个原因。

第一个原因是，降落伞具有一定自重，对于本身重量轻，动力不够强、续航能力一般的中小微型无人驾驶飞行器而言，安装了降落伞将对无人驾驶飞行器的飞行性能产生根本性影响，从而影响无人驾驶飞行器的飞行速度以及执行飞行动作。

第二个原因是，降落伞的打开时间长、减速慢，对于中低空坠机来说，降落伞根本没有时间打开，来不及发生作用，或者虽然打开了，来不及降低飞行器的坠落速度，无法给无人驾驶飞行器提供飞行保护。因此对于中低空发生的坠机事故来说，是无法避免坠机的发生。

第三个原因是，降落伞成本较高、回收较难，对于消费级的无人驾驶飞行器来说，极大地增加了成本，且使用起来较麻烦，从而极大影响了使用体验，给使用者造成不好的印象。

针对降落伞的这些缺点，有人提出了在无人驾驶飞行器上安装弹射机构的方法，例如中国专利：《一种旋翼式无人机失控坠落保护装置以及保护方法》（专利申请号：201410073540.2）。

该专利公开了一种旋翼式无人机失控坠落保护装置，包括底盘和安装在底盘上的弹射机构，所述弹射机构包括：固定在底盘上的燃烧室，底部与燃烧室连通的弹射筒，安装在弹射筒内的降落伞以及点火装置，所述弹射筒设有至少两个，各弹射筒环向均匀分布且分别向外倾斜发散。还公开了一种旋翼式无人机和使用该专利的旋翼式无人机失控坠落保护装置的无人机失控坠落保护方法。该专利通过设置至少两个弹射筒，并且将弹射筒向均匀分布且分别向外倾斜发散设置，从而降低了火药量，从而减轻爆炸时对无人机的破坏，还抵消了一部分反作用力对无人机的冲击，进一步减轻火药弹射对无人机的破坏。

上述的坠落保护装置虽然克服了降落伞打开时间长、减速慢的缺点。但是该坠落保护装置必须安装在无人驾驶飞行器的底部，因此当无人驾驶飞行器不是底部着地时，无法起到保护作用。此外，该坠落保护装置无法循环利用，使用成本较高。因此，该坠落保护装置的缺点仍然很明显，并不能有效保护无人驾驶飞行器坠机的安全性。

此外，现有技术中，还有其他的一些技术方案，例如提升无人驾驶飞行器的材料强度以及结构的刚性，从而提升无人驾驶飞行器的抗摔能力。

但是，上述这些办法都无法从根本上解决无人驾驶飞行器因事故坠机时，避免发生损害的问题。

发明内容

为了提升无人驾驶飞行器的抗摔能力，本案提出了一种无人驾驶飞行器。

在一实施方式中，无人驾驶飞行器，包括机身以及第一气囊。

上述第一气囊设置于上述机身上方，当上述无人驾驶飞行器开始坠落或即将坠落时，对上述第一气囊充入气体，使上述第一气囊膨胀。

在一实施方式中，上述气体的密度比空气小。

在一实施方式中，无人驾驶飞行器还包括第二气囊，设置于上述机身下方。

在一实施方式中，上述第二气囊的所能产生的浮力小于上述第一气囊。

在一实施方式中，当上述无人驾驶飞行器开始坠落或即将坠落时，同时对上述第一气囊和上述第二气囊进行充气。

在一实施方式中，当上述无人驾驶飞行器开始坠落或即将坠落时，先对上述第一气囊进行充气，当上述无人驾驶飞行器满足预设条件时，对上述第二气囊进行充气。

在一实施方式中，上述预设条件为，上述无人驾驶飞行器坠落到预设高度和/或上述无人驾驶飞行器坠落时间达预设时间和/或对上述第一气囊的充气时间达到预设时间。

在一实施方式中，对上述气囊采用化学式充气法或机械式充气法或电子式充气法。

在一实施方式中，当上述无人驾驶飞行器与外部的飞行控制器失去联系时，则判定上述无人驾驶飞行器开始坠落或即将坠落。

在一实施方式中，上述飞行控制器会定期发送验证信息给上述无人驾驶飞行器传输单元，当上述无人驾驶飞行器传输单元在预设时间内未收到上述验证信息时，则判定上述无人驾驶飞行器传输单元与上述飞行控制器之间无法进行通信。

在一实施方式中，上述机身包括加速度传感器，用于侦测上述无人驾驶飞行器垂直下落的加速度，当上述加速度达预设值时，判定上述无人驾驶飞行器开始坠落或即将坠落。

在一实施方式中，上述飞行控制器上设置开始对上述气囊进行充气的快捷按钮，从而可通过上述飞行控制器对上述第一气囊充气。

本案还揭示了一种无人驾驶飞行器的保护方法，包括：侦测上述无人驾驶飞行器是否开始坠落或即将坠落；当上述无人驾驶飞行器开始坠落或即将坠落时，对设置于上述无人驾驶飞行器的机身上的第一气囊充入气体，使上述第一气囊膨胀。

在一实施方式中，上述气体的密度比空气小。

在一实施方式中，上述机身下方还设置有第二气囊。

在一实施方式中，上述第二气囊所能产生的浮力小于上述第一气囊。

在一实施方式中，当上述无人驾驶飞行器开始坠落或即将坠落时，同时对上述第一气囊和上述第二气囊进行充气。

在一实施方式中，当上述无人驾驶飞行器开始坠落或即将坠落时，先对上述第一气囊进行充气，当上述无人驾驶飞行器满足预设条件时，对上述第二气囊进行充气。

在一实施方式中，上述预设条件为，上述无人驾驶飞行器坠落到预设高度和/或上述无人驾驶飞行器坠落时间达到预设时间和/或对上述第一气囊的充气时间达到预设时间。

在一实施方式中，对上述气囊采用化学式充气法和/或机械式充气法和/或电子式充气法。

在一实施方式中，当上述无人驾驶飞行器与外部的飞行控制器失去联系时，则判定上诉无人驾驶飞行器开始坠落或即将坠落。

在一实施方式中，上述飞行控制器会定期发送验证信息给上述无人驾驶飞行器，当上述无人驾驶飞行器在预设时间内未收到上述验证信息时，则判定上述无人驾驶飞行器与上述飞行控制器之间无法进行通信。

在一实施方式中，上述机身包括加速度传感器，用于侦测上述无人驾驶飞行器垂直下落的加速度，当上述加速度达预设值时，判定上述无人驾驶飞行器开始坠落或即将坠落。

在一实施方式中，上述飞行控制器上设置开始对上述气囊进行充气的快捷按钮，从而可通过上述飞行控制器控制对上述第一气囊充气。

本案揭示的无人驾驶飞行器及其保护方法，通过在机身上设置气囊，当无人驾驶飞行器意外坠落时，其坠落动能最大的第一个撞击地面的时机，是以设计者所希望的，对飞行器损伤最小的方式触地，并吸收冲击。比如，是以起落架部位落地，对气囊进行充气，从而可以调整无人驾驶飞行器的姿势，使无人驾驶飞行器以起落架落地，从而保护无人驾驶飞行器。

附图说明

为让本发明的上述和其他目的、特征、优点与实施例能更明显易懂，所附图式的说明如下：

图1所示是本发明的无人驾驶飞行器的示意图。

图2所示是图1所示的机身的示意图。

图3所示为机身上安装的气囊膨胀时的示意图。

图4所示为机身上同时安装气囊及小气囊的示意图。

图5是机身上安装的气囊和小气囊膨胀时的示意图。

具体实施方式

下面将结合附图及实施例，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述。

图1所示是本发明一实施例中无人驾驶飞行器1的示意图。无人驾驶飞行器1包括机身100、多个旋翼200。

本案中的无人驾驶飞行器1以无人驾驶多旋翼飞行器为例，然而，本案对无人驾驶飞行器1的种类不加以限制，也可为无人驾驶直升机、无人驾驶固定翼机、无人驾驶飞艇、无人驾驶伞翼机等。根据应用场景以及应用领域，本案可灵活选择无人驾驶飞行器的种类。

机身100和旋翼200间通过支架300进行连接。在这些支架上可设置电缆，电性连接机身100与旋翼200。

本形态案中，无人驾驶飞行器1的旋翼200的数目以四个为例，然而，本案中，无人驾驶飞行器1的旋翼200的数目并不以为四个为限。根据设计需求，无人驾驶飞行器1的旋翼200的数目也可为六个、八个或者其他数目。本案并不对此加以限制。

无人驾驶飞行器1还包括多个起落架400，起落架400设置在无人驾驶飞行器1的底部。在本实施例中，起落架400设置在支架300上。当无人驾驶飞行器1落于地面上时，起落架400用于支撑无人驾驶飞行器1。

在该实施例中，无人驾驶飞行器1设置有4个起落架400，然而本案并不以此为限，起落架的数目可依设计需求而定。

此外，起落架400的形状也不以该实施例所示的形态为限，其具体形态可依设计需求而定。

继续参阅图1，机身100上方还设置有第一气囊500。在一般情况下，第一气囊500是收纳状态。

图2所示为本发明无人驾驶飞行器1的机身100的示意图。无人驾驶飞行器1可将主要元件都设置在机身100中。旋翼200与机身100电性连接，在机身的内部元件的控制下，完成飞行。

机身100可包括处理单元101、侦测单元102、传输单元103以及输出单元104。侦测单元102、传输单元103以及输出单元104分别与处理单元101相连接。

处理单元101为数据处理单元，可例如中央处理器，用于处理各种数据，且可控制无人驾驶飞行器1的其他元件。

侦测单元102在处理单元101的控制下进行侦测。侦测单元101可以为各种传感器，例如可为声音传感器，用于侦测声音；又例如可为图像传感器，用于侦测或者拍摄图像；又例如为超声波测距传感器，用于侦测到目标物的距离；又例如为角速率传感器，侦测飞行的姿势；又例如速度传感器，用于侦测飞行速度；又例如红外传感器，用于侦测在无光线时进行侦测；又例如加速度传感器，用于侦测加速度。

本案中对侦测单元102的传感器的类型不加以限制，可根据应用需求，设计一种或多种传感器，以实现不同的功能，从而既可以侦测无人驾驶飞行器的飞行参数，又可以侦测或者拍摄周围的环境。

传输单元103可与飞行控制器2进行通讯，飞行器控制器2可将传输指令远程传输给传输单元103，从而控制无人驾驶飞行器1的飞行。传输单元103还可与外部装置进行通讯，即传输单元103可以与例如笔记本、手机、耳机、智能手表、智能手环等外部电子装置建立连接。实现通讯。传输单元103与外部装置之间可通过例如红外线、蓝牙等无线方式进行传输。

输出单元104则可以例如为扬声器、显示器、闪光灯等输出装置，输出声信号和/或光信号和/或图像和/或振动等信息。

图3所示为机身100上安装的第一气囊500膨胀时的示意图。当无人驾驶飞行器1发生或者即将发生坠机事件时，处理单元控制无人驾驶飞行器1，对第一气囊500进行充气，从而使第一气囊500膨胀开，产生一定的浮力。

在这里，第一气囊500中充入的气体是比空气密度小的气体，例如氢气、氦气等，这些较轻的气体才能使气囊300膨胀，才能产生一定的浮力。

由于第一气囊500的比重较轻，当无人驾驶飞行器1下落时，第一气囊500会调整无人驾驶飞行器1的姿势，使下落过程中，第一气囊500位于无人驾驶飞行器1的正上方，从而使无人飞行器1的起落架400先着地，而最容易受损的机身100和旋翼200则避免了直接着地。

此外，由于第一气囊500产生的浮力，还可以减慢无人驾驶飞行器1的下降速度，从而减小无人驾驶飞行器1落地时的受力。

第一气囊500膨胀时，体积大于原来收纳时的体积，当第一气囊500膨胀时，可例如为该实施例中所示的半圆形，当然本案并不以此为限，第一气囊500膨胀时的形态可依设计需求而定。

图4所示为机身100上同时安装第一气囊500及第二气囊600的示意图。

第一气囊500及第二气囊600分别设置于机身100的上方和下方。设置于机身100上方的第一气囊500的体积比设置于机身100下方的第二气囊600大。

当无人驾驶飞行器1坠落或开始坠落时，对第一气囊500和第二气囊600进行充气，使第一气囊500和第二气囊600膨胀开。

参阅图5，图5是机身100上安装的第一气囊500和第二气囊600膨胀时的示意图。膨胀时的第一气囊500比第二气囊600体积大，第一气囊500比第二气囊600产生的浮力大。

因此，当无人驾驶飞行器1下落时，第一气囊500和第二气囊600会调整无人驾驶飞行器的姿势，在下落过程中，第一气囊500位于无人驾驶飞行器1的正上方，而第二气囊600则位于无人驾驶飞行器1的正下方，当无人驾驶飞行器1落地时，第二气囊600实现了缓冲作用。

第一气囊500和第二气囊600的充气时间可以相同也可以不同。当第一气囊500a和第二气囊600的充气时间不同时，可以先对第一气囊500a充气，而第二气囊600的充气则可当满足一定的预设条件时开始。例如，侦测单元102侦测无人驾驶飞行器1坠落到某一高度时，或者无人驾驶飞行器1垂直下降的时间达到某一预设时间，又或者对第一气囊500充气的时间达到某一预设时间，开始对第二气囊600充气，从而保证第一气囊500对无人驾驶飞行器1的最大的姿势调整效果。可例如是对第一气囊500充到一定时间后已经当第一气囊500可以是以可拆卸的方式安装于机身100上，如此，在使用过后，还可以实现更换。

对第一气囊500及第二气囊600的充气方法，可以采用化学式充气法，也可以采用机械式充气法，还可以采用电子式充气法，下面将以第一气囊500为例详细介绍。

所谓化学式充气法，是利用化学物质的反应，产生气体。例如，在第一气囊500里密封好用来产生气体的其中一种化学物质，而将其他用来产生气体的化学物质放置于第一气囊500中。当需要对第一气囊500充气时，将上述密封好的化学物质释放到第一气囊500中，与第一气囊500中的化学物质发生反应。

所谓机械式充气法，就是用机械力驱动一种充气装置的触发装置，使充气装置对第一气囊500进行充气。

所谓电子式充气法，就是用电信号驱动一种充气装置的触发机制，使得充气装置对第一气囊500开始充气。

上述实施例中，对第一气囊500及第二气囊600进行充气可以有多种机制，下面将以第一气囊500为例，介绍几种充气机制。

这些充气机制会选择合适的时机对第一气囊500进行充气，即判断无人驾驶飞行器是否开始坠落或即将坠落。

自动充气机制之失联判断机制：即判断无人驾驶飞行器1是否和控制器2失去联系，当无人驾驶飞行器1和控制器2失去联系时，判定无人驾驶飞行器开始坠落或即将坠落。具体如下，飞行控制器2会以固定周期发送验证信息给无人驾驶飞行器1的传输单元103，以验证飞行控制器2和无人驾驶飞行器1之间的通信是否正常。如果无人驾驶飞行器1的传输单元103在预设时间内未收到验证信息，则判断无人驾驶飞行器1无法接收到来自飞行控制器2的任何指令，此时判定无人驾驶飞行器1开始坠落或即将坠落，此时便开始对第一气囊500充气。

自动充气机制之加速度判断机制：即判断无人驾驶飞行器1垂直下落的加速度是否达到预设值。即侦测单元102侦测无人驾驶飞行器1之加速度，当无人驾驶飞行器垂直向下的加速度达到预设值时，则判定无人驾驶飞行器1开始坠落或即将坠落，对第一气囊500开始充气。

人工充气机制：考虑到无人驾驶飞行器1大多数时间都是在使用者视野范围内进行控制飞行，当飞行控制器2与无人驾驶飞行器1之间通信正常的情况下，如果一些突发状况导致无人驾驶飞行器1失控（如旋翼200故障），此时用户可以通过飞行控制器2控制无人驾驶飞行器1开始对第一气囊500充气，例如在飞行控制器2上设置开始对气囊充气的快捷键。

本案揭示的无人驾驶飞行器及其保护方法，在机身上设置气囊，当无人驾驶飞行器意外坠落时，对气囊进行充气，从而可以调整无人驾驶飞行器的姿势，使无人驾驶飞行器在其坠落动能最大的第一个撞击地面的时机，是以设计者所希望的，对飞行器损伤最小的方式触地，并吸收冲击。比如，是以起落架部位落地，从而有效保护无人驾驶飞行器。

虽然上文实施方式中揭露了本发明的具体实施例，然其并非用以限定本发明，本发明所属技术领域中具有通常知识者，在不悖离本发明的原理与精神的情形下，当可对其进行各种更动与修饰，因此本发明的保护范围当视权利要求书所界定者为准。

Claims (9)

1.一种无人驾驶飞行器，其特征在于包括：

机身； 以及

第一气囊，设置于上述机身上方，其中，当上述无人驾驶飞行器开始坠落或即将坠落时，对上述第一气囊充入气体，使上述第一气囊膨胀 。

2. 根据权利要求1所述的无人驾驶飞行器，其特征在于还包括：

第二气囊，设置于上述机身下方。

3. 一种无人驾驶飞行器的保护方法，其特征在于包括：

侦测上述无人驾驶飞行器是否开始坠落或即将坠落；

当上述无人驾驶飞行器开始坠落或即将坠落时，对设置于上述无人驾驶飞行器的机身上的第一气囊充入气体，使上述第一气囊膨胀。

4. 根据权利要求3所述的无人驾驶飞行器的保护方法，其特征在于上述气体的密度比空气小。

5. 根据权利要求3所述的无人驾驶飞行器的保护方法，其特征在于上述机身下方还设置有第二气囊。

6. 根据权利要求5所述的无人驾驶飞行器的保护方法，其特征在于上述第二气囊所能产生的浮力小于上述第一气囊。

7. 根据权利要求6所述的无人驾驶飞行器的保护方法，其特征在于当上述无人驾驶飞行器开始坠落或即将坠落时，同时对上述第一气囊和上述第二气囊进行充气。

8. 根据权利要求6所述的无人驾驶飞行器的保护方法，其特征在于当上述无人驾驶飞行器开始坠落或即将坠落时，先对上述第一气囊进行充气，当上述无人驾驶飞行器满足预设条件时，对上述第二气囊进行充气。

9. 根据权利要求3所述的无人驾驶飞行器的保护方法，其特征在于上述飞行控制器上设置开始对上述气囊进行充气的快捷按钮，从而可通过上述飞行控制器控制对上述第一气囊充气。