CN105947226A - 一种旋翼式无人机智能失控保护系统及其保护方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种旋翼式无人机智能失控保护系统，包括如下设备：电源用于为控制芯片、姿态传感器、高度传感器、第一舵机、第二舵机以及弹射器供电；姿态传感器和高度传感器用于获取旋翼式无人机的姿态数据和高度数据，并将姿态数据和高度数据发给控制芯片；控制芯片用于对姿态数据和高度数据进行分析，并发出控制信号给第一舵机和第二舵机；第一舵机控制弹射器的打开与关闭；第二舵机控制自动充气装置为减震自动充气气垫充气；减震自动充气气垫安装于所述旋翼式无人机底部；弹射器固定于所述旋翼式无人机顶部；自抛式降落伞安装于所述弹射器内部。

Description

一种旋翼式无人机智能失控保护系统及其保护方法

技术领域

本发明属于旋翼式无人机控制和保护领域，涉及一种旋翼式无人机智能失控保护系统及其方法。

背景技术

旋翼式无人机的失控状态保护一直是旋翼式无人机研究领域的热点问题，旋翼式无人机具有多变量、非线性、强耦合等特性，难以控制，而且无人机在飞行过程中容易遇到风力扰动、电机振动等多种不确定意外故障，其无人机的任何一个部分发生故障和失误，后果都难以想象。现有的失控返航保护方法只能在GPS信号存在的情况下保护无人机，无法满足对旋翼式无人机的保护要求。

自抛式降落伞和减震自动充气气垫保护方法是吸收现代航天器返航保护和落水保护充气气垫的精髓，通过无人机姿态检测判断和工作状态监测，实时监控器飞行状态，并通过设计自抛式降落伞装置和减震自动充气气垫装置，对其进行施救，实现飞行器危险状态的安全处理。其最突出的特点就是该系统是完全独立的系统，有独立的控制芯片、电源、传感器和执行机构，可以完全嫁接在任意的旋翼式无人机上。其通过姿态检测和判断，在失控状态下弹出自抛式降落伞和减震自动充气气垫，保护其平稳着陆，从而降低经济损失，进而实现无人机危险状态的安全处理，并在一定程度上提高了无人机的安全性和稳定性。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种旋翼式无人机智能失控保护系统及其方法，通过姿态检测和判断，在失控状态下弹出自抛式降落伞和减震自动充气气垫，保护其平稳着陆，从而降低经济损失，进而实现无人机危险状态的安全处理，并在一定程度上提高了无人机的安全性和稳定性。

为了达到上述目的，本发明的技术方案为：一种旋翼式无人机智能失控保护系统，包括电源、控制芯片、姿态传感器、高度传感器、第一舵机、第二舵机、弹射器、自抛式降落伞、减震自动充气气垫以及自动充气装置。

电源用于为控制芯片、姿态传感器、高度传感器、第一舵机、第二舵机以及弹射器供电。

姿态传感器和高度传感器用于获取旋翼式无人机的姿态数据和高度数据，并将姿态数据和高度数据发给控制芯片。

控制芯片用于对姿态数据和高度数据进行分析，并发出控制信号给第一舵机和第二舵机。

第一舵机控制弹射器的打开与关闭。

第二舵机控制自动充气装置为减震自动充气气垫充气。

减震自动充气气垫安装于旋翼式无人机底部。

弹射器固定于旋翼式无人机顶部。

自抛式降落伞安装于弹射器内部。

进一步地，自动充气装置包括气瓶、针以及针的推动机构；气瓶的瓶口覆盖有密封膜；密封膜在具有设定的冲击力的针的冲击下被冲破；第二舵机在控制芯片的控制下驱动推动机构给针设定的冲击力。

进一步地，推动机构包括水球、水管、顶盖、弹簧、推杆、药芯本体、药芯外壳、针和主体。

顶盖为一个一端开口的圆柱体空腔，空腔底部开设有水流通孔；顶盖8的侧面内壁上设置内螺纹。

推杆底部具有凸缘。

药芯本体为中心开有贯通孔的圆柱体，药芯本体3由遇水膨胀的药芯制成。

药芯外壳由圆环形底、侧壁以及内壁组成的一体化结构，其中侧壁和内壁均绕圆环形底的外、内圆周分布，内壁为绕圆环内圆周均匀分布的栅格，外壁为实体结构。

针包括针基座和针本体，针基座为底部带有凸缘的圆台，凸缘底部一体化连接针本体；主体上具有与气垫的进气孔相连的通气孔。

气瓶的瓶口设置有外螺纹。

主体为一个空腔结构，主体的一端外侧带有与顶盖8的侧面内壁上内螺纹相匹配的外螺纹；另一端带有与气瓶瓶口外螺纹相匹配的内螺纹；

其中弹簧、推杆、药芯本体、药芯外壳、针均位于主体的空腔内；顶盖与主体螺纹匹配；弹簧设置在顶盖内部，其一端固定在顶盖空腔底部，另一端与推杆底部凸缘抵触相连；推杆伸入到药芯本体的贯通中孔中；药芯本体置于侧壁和内壁以及圆环形底组成的空间内；针基座上圆台小端置于药芯外壳圆环形底的内环中；气瓶的瓶口与主体螺纹连接；主体上通气孔连接减震自动充气气垫的进气孔；气瓶瓶口的密封膜在具有设定冲击力的针本体的冲击下被冲破；水管一端套接在顶盖外部，另一端装有水球；第二舵机上带有顶针，第二舵机在控制芯片的控制下移动顶针扎破水球。

进一步地，顶盖的空腔底部的绕圆周均匀开设多个通孔。

进一步地，控制芯片用于对姿态数据和高度数据进行分析，具体为：

控制芯片每隔设定的时间从姿态传感器和高度传感器获取一次旋翼式无人机的姿态数据和高度数据，每十次数据为一组，对检测到的数据进行判断，若有一半以上的姿态数据超过旋翼式无人机正常飞行时的阈值，且与此同时飞行高度大于二十米，则控制芯片发出控制信号控制第一舵机打开弹射器，弹出自抛式降落伞；反之则不打开弹射器；

若飞行高度小于五米，则控制芯片发出控制信号控制第二舵机为减震自动充气气垫充气。

一种旋翼式无人机智能失控保护方法，包括如下步骤：

第一步：建立如权利要求1、2或者3的旋翼式无人机智能失控保护系统。

第二步：按照旋翼式无人机飞行运动规律，通过实际飞行试验，得出旋翼式无人机飞行时的姿态数据的阈值信息，包括角度、角速度以及加速度的阈值信息。

角度阈值为±40度；角速度阈值为±200度每秒；加速度阈值为0.5g—1.5g。

第三步：每隔10ms获取一次无人机姿态数据和高度数据，每100ms为一组，当获取到的姿态数据经过判断，若有一半以上的姿态数据超过无人机正常飞行时的角度、角速度、加速度的阈值信息，且与此同时飞行高度大于二十米，则弹射器打开，弹出降落伞；反之则不打开弹射器；若飞行高度小于五米，则打开减震自动充气气垫。

有益效果：

1、本发明利用无人机姿态检测与判断，实时估计无人机飞行状态，并在失控状态下弹出自抛式降落伞和减震自动充气气垫，进而减少无人机研究与实验成本、降低飞行危险、提高了飞行的稳定性和安全性。

2、该系统是完全独立的系统，有独立的控制芯片、电源、传感器和执行机构，可以完全嫁接在任意的旋翼式无人机上。

附图说明

图1、旋翼式无人机智能失控保护系统组成图；

图2、自动充气装置结构组成图；

图3、自动充气装置结构拆解图；

图4、弹簧1结构图；

图5、推杆2结构图；

图6、药芯本体3结构图；

图7、药芯外壳4结构图正视图；

图8、药芯外壳4结构图右视图；

图9、针5结构图；

图10、主体6结构图；

图11、气瓶7结构图；

图12、旋翼式无人机角度失控阈值的确定；

图13.旋翼式无人机角速度失控阈值的确定；

图14、旋翼式无人机加速度失控阈值的确定；

图15、旋翼式无人机智能失控保护方法系统程序框图。

具体实施方式

下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。

实施例1、一种旋翼式无人机智能失控保护系统，包括电源、控制芯片、姿态传感器、高度传感器、第一舵机、第二舵机、弹射器、自抛式降落伞、减震自动充气气垫以及自动充气装置。

电源用于为控制芯片、姿态传感器、高度传感器、第一舵机、第二舵机以及弹射器供电。如图1给出了一种具体的实现方式，采用6V电源由四节1.5V的可充电电池组成，负责给整个系统供电，实际中只要能给系统供电的电源均可使用，本实施例中，为保证该系统的使用，采用单独的电源。

姿态传感器和高度传感器用于获取旋翼式无人机的姿态数据和高度数据，并将姿态数据和高度数据发给控制芯片；如图1所示，分别为mpu6050姿态传感器和ms5611高度传感器，实际中只要能用于获取旋翼式无人机的姿态数据和高度数据的传感器均可使用。

控制芯片用于对姿态数据和高度数据进行分析，并发出控制信号给第一舵机和第二舵机；如图1，控制芯片是stm32f103单片机，实际中也可以采用其他可以实现数据分析和控制信号生成的芯片。

第一舵机控制弹射器的打开与关闭。

第二舵机控制自动充气装置为减震自动充气气垫充气。

弹射器固定于旋翼式无人机顶部。

自抛式降落伞安装于弹射器内部。

本实施例中，自动充气装置包括气瓶、针以及针的推动机构；气瓶7的瓶口覆盖有密封膜；密封膜在具有设定的冲击力的针的冲击下被冲破。

如图2所示，自动充气装置包括水球、水管、顶盖8、弹簧1、推杆2、药芯本体3、药芯外壳4、针5、主体6、气瓶7、

顶盖8为一个一端开口的圆柱体空腔，空腔底部开设有水流通孔；顶盖8的侧面内壁上设置内螺纹；优选地，顶盖8的空腔底部的绕圆周均匀开设多个通孔，中心也开设有通孔。

推杆2如图5所示，为底部具有凸缘的圆柱体结构，

药芯本体3如图6所示，为开有贯通中孔的圆柱体结构，药芯本体3由遇水膨胀的药芯支撑；

药芯外壳4如图7、8所示，由圆环形底、侧壁以及内壁组成的一体化结构，其中侧壁和内壁均绕圆环形底的外、内圆周分布，内壁为绕圆环内圆周均匀分布的栅格，外壁为实体结构；

针5如图9所示，包括针基座和针本体，针基座为底部带有凸缘的圆台，凸缘底部一体化连接针本体；主体6上具有与气垫的进气孔相连的通气孔；

气瓶7如图11所示，瓶口设置有外螺纹，且瓶口覆盖有密封膜；

主体6如图10所示，为一个空腔结构，空腔的一端外侧带有与顶盖8的侧面内壁上内螺纹相匹配的外螺纹；另一端带有与气瓶瓶口外螺纹相匹配的内螺纹；

其中弹簧1、推杆2、药芯本体3、药芯外壳4、针5均位于主体6的空腔内；顶盖1的侧面内壁上内螺纹与主体6上外螺纹匹配连接；弹簧1设置在顶盖内部，其一端固定在顶盖空腔底部，另一端与推杆2底部凸缘抵触相连；推杆2上圆柱伸入到药芯本体3的贯通中孔中；药芯本体置于侧壁和内壁以及圆环形底组成的空间内；针基座上圆台小端置于药芯外壳圆环形底的内环中；气瓶7的瓶口与主体6螺纹连接；主体6上通气孔连接减震自动充气气垫的进气孔；气瓶7瓶口的密封膜在具有设定冲击力的针本体的冲击下被冲破；水管一端套接在顶盖外部，另一端装有水球；第二舵机在控制芯片的控制下扎破水球。

当水管中的水球被舵机扎破时，一定量的水进入药芯中，而药芯遇到少量水时，药芯迅速膨胀，使封闭玻璃筒压强变大，推动针头，使气瓶中的二氧化碳压强变小，汽化成气体。

控制芯片用于对姿态数据和高度数据进行分析，具体为：

控制芯片每隔设定的时间从姿态传感器和高度传感器获取一次旋翼式无人机的姿态数据和高度数据，每十次数据为一组，对检测到的数据进行判断，若有一半以上的姿态数据超过旋翼式无人机正常飞行时的阈值，且与此同时飞行高度大于二十米，则控制芯片发出控制信号控制第一舵机打开弹射器，弹出自抛式降落伞；反之则不打开弹射器；

若飞行高度小于五米，则控制芯片发出控制信号控制第二舵机为减震自动充气气垫充气。

实施例2、一种旋翼式无人机智能失控保护方法，包括如下步骤：

第一步：建立如权利要求1、2或者3的旋翼式无人机智能失控保护系统；

第二步：按照旋翼式无人机飞行运动规律，通过实际飞行试验，得出旋翼式无人机飞行时的姿态数据的阈值信息，包括角度、角速度以及加速度的阈值信息；

如图12是旋翼式无人机角度失控阈值的确定，进而可以得到旋翼式飞行器正常飞行时，其俯仰角和横滚角都在-40度--+40度之间，所以把失控阈值角度确定为40度。

如图13是旋翼式无人机角度失控阈值的确定，进而可以得到旋翼式飞行器正常飞行时，其x轴角速度、y轴角速度和z轴角速度都在-200度每秒—+200度每秒之间，所以把其失控阈值角速度确定为200度每秒。

如图14是旋翼式无人机角度失控阈值的确定，进而可以得到旋翼式飞行器正常飞行时，其x轴加速度和y轴加速度都在-0.5g--0.5g之间，所以把加速度失控阈值确定为-0.5g。z轴加速度在0.5g—1.5g之间，所以把加速度失控阈值确定为0.5g—1.5g。

第三步：每隔10ms获取一次无人机姿态数据和高度数据，每100ms为一组，当获取到的姿态数据经过判断，若有一半以上的姿态数据超过无人机正常飞行时的角度、角速度、加速度的阈值信息，且与此同时飞行高度大于二十米，则弹射器打开，弹出降落伞；反之则不打开弹射器；若飞行高度小于五米，则打开减震自动充气气垫。

具体流程如图15所示。

综上，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种旋翼式无人机智能失控保护系统，其特征在于，包括电源、控制芯片、姿态传感器、高度传感器、第一舵机、第二舵机、弹射器、自抛式降落伞、减震自动充气气垫以及自动充气装置；

所述电源用于为控制芯片、姿态传感器、高度传感器、第一舵机、第二舵机以及弹射器供电；

所述姿态传感器和高度传感器用于获取旋翼式无人机的姿态数据和高度数据，并将姿态数据和高度数据发给控制芯片；

所述控制芯片用于对姿态数据和高度数据进行分析，并发出控制信号给第一舵机和第二舵机；

所述第一舵机控制弹射器的打开与关闭；

所述第二舵机控制自动充气装置为减震自动充气气垫充气；

所述减震自动充气气垫安装于所述旋翼式无人机底部；

所述弹射器固定于所述旋翼式无人机顶部；

所述自抛式降落伞安装于所述弹射器内部。

2.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述自动充气装置包括气瓶、针以及针的推动机构；所述气瓶(7)的瓶口覆盖有密封膜；密封膜在具有设定的冲击力的针的冲击下被冲破；

所述第二舵机在所述控制芯片的控制下驱动推动机构给所述针设定的冲击力。

3.如权利要求2所述的系统，其特征在于，所述推动机构包括水球、水管、顶盖(8)、弹簧(1)、推杆(2)、药芯本体(3)、药芯外壳(4)、针(5)和主体(6)；

所述顶盖(8)为一个一端开口的圆柱体空腔，空腔底部开设有水流通孔；顶盖(8)的侧面内壁上设置内螺纹；

所述推杆(2)底部具有凸缘；

所述药芯本体(3)为中心开有贯通孔的圆柱体，药芯本体(3)由遇水膨胀的药芯制成；

所述药芯外壳(4)由圆环形底、侧壁以及内壁组成的一体化结构，其中侧壁和内壁均绕所述圆环形底的外、内圆周分布，内壁为绕圆环内圆周均匀分布的栅格，外壁为实体结构；

所述针(5)包括针基座和针本体，针基座为底部带有凸缘的圆台，凸缘底部一体化连接针本体；主体(6)上具有与气垫的进气孔相连的通气孔；

所述气瓶(7)的瓶口设置有外螺纹；

所述主体(6)为一个空腔结构，主体(6)的一端外侧带有与顶盖(8)的侧面内壁上内螺纹相匹配的外螺纹；另一端带有与气瓶瓶口外螺纹相匹配的内螺纹；

其中弹簧(1)、推杆(2)、药芯本体(3)、药芯外壳(4)、针(5)均位于主体(6)的空腔内；所述顶盖(1)与主体(6)螺纹匹配；所述弹簧(1)设置在顶盖内部，其一端固定在顶盖空腔底部，另一端与所述推杆(2)底部凸缘抵触相连；所述推杆(2)伸入到所述药芯本体(3)的贯通中孔中；所述药芯本体置于侧壁和内壁以及圆环形底组成的空间内；所述针基座上圆台小端置于药芯外壳圆环形底的内环中；所述气瓶(7)的瓶口与所述主体(6)螺纹连接；主体(6)上通气孔连接减震自动充气气垫的进气孔；所述气瓶(7)瓶口的密封膜在具有设定冲击力的针本体的冲击下被冲破；所述水管一端套接在顶盖外部，另一端装有水球；所述第二舵机上带有顶针，第二舵机在所述控制芯片的控制下移动顶针扎破水球。

4.如权利要求3所述的系统，其特征在于，所述顶盖(8)的空腔底部的绕圆周均匀开设多个通孔。

5.如权利要求1、2或3所述的系统，其特征在于，所述控制芯片用于对姿态数据和高度数据进行分析，具体为：

控制芯片每隔设定的时间从姿态传感器和高度传感器获取一次旋翼式无人机的姿态数据和高度数据，每十次数据为一组，对检测到的数据进行判断，若有一半以上的姿态数据超过旋翼式无人机正常飞行时的阈值，且与此同时飞行高度大于二十米，则控制芯片发出控制信号控制第一舵机打开弹射器，弹出自抛式降落伞；反之则不打开弹射器；

若飞行高度小于五米，则控制芯片发出控制信号控制第二舵机为减震自动充气气垫充气。

6.一种旋翼式无人机智能失控保护方法，其特征在于，包括如下步骤：

第一步：建立如权利要求1、2或者3所述的旋翼式无人机智能失控保护系统；

第二步：按照旋翼式无人机飞行运动规律，通过实际飞行试验，得出旋翼式无人机飞行时的姿态数据的阈值信息，包括角度、角速度以及加速度的阈值信息；

角度阈值为±40度；角速度阈值为±200度每秒；加速度阈值为0.5g—1.5g；

第三步：每隔10ms获取一次无人机姿态数据和高度数据，每100ms为一组，当获取到的姿态数据经过判断，若有一半以上的姿态数据超过无人机正常飞行时的角度、角速度、加速度的阈值信息，且与此同时飞行高度大于二十米，则弹射器打开，弹出降落伞；反之则不打开弹射器；若飞行高度小于五米，则打开减震自动充气气垫。