CN106444800A - 多旋翼无人机飞行用外置式安全控制装置、方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种多旋翼无人机飞行用外置式安全控制装置、方法及系统。该外置式安全控制装置包括外置式异常飞行状况判断模块以及外置式报警模块。该外置式安全控制方法包括判断多旋翼无人机在当前飞行空域中是否处于异常飞行状况；若所述多旋翼无人机处于异常飞行状况，则发出报警信息，以使地面操控人员在收到所述报警信息后控制地面操作终端向所述多旋翼无人机的机载飞行控制子系统发出运动控制指令，所述运动控制指令用于指示所述多旋翼无人机降低飞行高度。该外置式安全控制系统包括安全控制装置、地面操作终端以及机载飞行控制子系统，安全控制装置为前述外置式安全控制装置。本发明使得外置式安全控制装置具有安装使用方便，通用性强的特点。
Description
技术领域
本发明属于无人机飞行控制领域，特别涉及一种多旋翼无人机飞行用外置式安全控制装置、方法及系统。
背景技术
近年来无人机系统在航空测绘、灾害救援信息收集，以及线路巡检方面得到越来越多的应用。旋翼无人机属于一类通过螺旋桨转动提供升力带动无人飞行器本体进行空中飞行的系统，与固定翼无人机相比，旋翼无人机可实现低速飞行和空中悬停，系统具有体积小、携带方便、制造成本低的特点。小型化多旋翼无人机固然携带和使用方便，然而小型化无人机在飞行过程中极易受近地风的影响导致飞行的异常，甚至发生坠机的状况。通常情况下，小型多旋翼无人机的飞行是通过地面操控人员手动操作的方式进行飞行控制的：有经验的操控人员通过目视观察的方式，根据无人机飞行的状态判断当前环境与无人机飞行姿态间的关系，并不断进行无人机姿态的调整，从而保证在有不确定近地风情况下控制无人机的安全飞行；没有经验的操控人员则不熟悉无人机的飞行状态，往往在无人机发生坠机事故的前几秒钟，无法根据无人机当前的异常姿态状况提前判断危险情况的发生并采取紧急的处理措施，因此有必要设计并开发一种多旋翼无人机飞行安全控制系统及方法进行无人机飞行异常的预警与控制。
国内在无人机技术研发方面曾提出过一些通过在无人机上加装信息处理模块实现无人机安全飞行与姿态调控的方案。中国专利“无人机飞行防撞方法”(国内专利公开号CN103592948A)中曾提出一种防止无人机与有人机发生碰撞的方法，通过在无人机上加装ADS-B模块，搜索设定范围内有人机的相关信息，从而控制无人机有效避开有人机；中国专利“一种无人机飞行防撞方法及装置(国内专利公开号CN101714300A)”中提出在无人机上安装机载应答识别系统，通过判断无人机与其它飞机的安全距离，通过机载应答识别系统来控制无人机的导航飞行控制系统，进而自动控制该无人机躲避其它的飞行器；中国专利“无人机姿态控制系统”(国内专利公开号CN201004180Y)通过无人机三维航姿传感器以及GPS差分定位系统，实时判断无人机的当前飞行姿态，并进行无人机姿态的控制。
由上述专利不难看出，通过在无人机上加装传感器的方式可以有效实现对无人机当前飞行状态的测量与估计，进一步的，如果将各传感器测量的数据作为一类输入与判据去直接影响无人机的飞行控制系统，则有可能提高无人机系统的飞行安全程度。然而，对于小型化的多旋翼无人机系统而言，通过上述方式除了要增加额外的外置传感器外，还需设计外置传感器与小型无人机飞行控制系统的通信与控制模块，这对于低成本的小型无人机系统而言，这种做法的性价比显然较低。
发明内容
为了解决上述问题，本发明实施例一方面提供了一种多旋翼无人机飞行用外置式安全控制装置，其不与所述多旋翼无人机已有的机载飞行控制子系统进行交互，包括：外置式异常飞行状况判断模块，用于判断所述多旋翼无人机在当前飞行空域中是否处于异常飞行状况；以及外置式报警模块，与所述外置式异常飞行状况判断模块连接，用于在所述外置式异常飞行状况判断模块判断所述多旋翼无人机处于异常飞行状况后，发出报警信息，以使地面操控人员在收到所述报警信息后控制地面操作终端向所述多旋翼无人机的机载飞行控制子系统发出运动控制指令，所述运动控制指令用于指示所述多旋翼无人机降低飞行高度。
在如上所述的多旋翼无人机飞行用外置式安全控制装置中，优选，所述外置式异常飞行状况判断模块包括：第一获取单元，用于获取所述多旋翼无人机在当前飞行空域中的飞行高度；第一异常飞行状况判断单元，与所述第一获取单元连接，用于如果所述多旋翼无人机在当前飞行空域中的飞行高度大于预设的所述多旋翼无人机的高度阈值，则判断所述多旋翼无人机处于异常飞行状况，否则，判断所述多旋翼无人机处于正常飞行状况。
在如上所述的多旋翼无人机飞行用外置式安全控制装置中，优选，所述外置式异常飞行状况判断模块包括：第二获取单元，用于获取所述多旋翼无人机在当前飞行空域中的风力；第二异常飞行状况判断单元，与所述第二获取单元连接，如果所述多旋翼无人机处于悬停飞行状态，且获取的所述多旋翼无人机的风力大于预设的所述多旋翼无人机的风力阈值，则判断所述多旋翼无人机处于异常飞行状况，否则，判断所述多旋翼无人机处于正常飞行状况。
在如上所述的多旋翼无人机飞行用外置式安全控制装置中，优选，所述外置式异常飞行状况判断模块包括：第三获取单元，用于获取所述多旋翼无人机在当前飞行空域中的姿态角；第三异常飞行状况判断单元，与所述第三获取单元连接，如果所述多旋翼无人机处于悬停飞行状态或匀速巡航飞行状态，且所述多旋翼无人机的姿态角的波动性指标大于预设的姿态角阈值，则判断所述多旋翼无人机处于异常飞行状况，否则，判断所述多旋翼无人机处于正常飞行状况。
在如上所述的多旋翼无人机飞行用外置式安全控制装置中，优选，所述外置式报警模块在所述多旋翼无人机处于异常飞行状况时，发出表征所述报警信息的闪烁光。
在如上所述的多旋翼无人机飞行用外置式安全控制装置中，优选，所述多旋翼无人机通过全相机图像导航的方式进行飞行控制；所述闪烁光出现在所述多旋翼无人机的图像拍摄装置的视场里。
本发明另一方面还提供了一种多旋翼无人机飞行用外置式安全控制方法，其包括：判断多旋翼无人机在当前飞行空域中是否处于异常飞行状况；若所述多旋翼无人机处于异常飞行状况，则发出报警信息，以使地面操控人员在收到所述报警信息后控制地面操作终端向所述多旋翼无人机的机载飞行控制子系统发出运动控制指令，所述运动控制指令用于指示所述多旋翼无人机降低飞行高度。
在如上所述的用于多旋翼无人机飞行的安全控制方法中，优选，若所述多旋翼无人机处于异常飞行状况，则发出表征所述报警信息的闪烁光。
本发明又一方面提供了一种多旋翼无人机飞行用外置式安全控制系统，其包括：安全控制装置、地面操作终端以及机载飞行控制子系统；所述安全控制装置挂载在所述多旋翼无人机上，所述安全控制装置为前述外置式安全控制装置；所述地面操作终端用于接收地面操控人员根据所述安全控制装置发出的报警信息做出的运动控制指令并将所述运动控制指令发送给所述机载飞行控制子系统，所述运动控制指令用于指示所述多旋翼无人机降低飞行高度；所述机载飞行控制子系统设置在所述多旋翼无人机内，与所述地面操作终端无线连接，用于在接收所述地面操作终端发送来的运动控制指令后，控制所述多旋翼无人机降低飞行高度。
本发明实施例提供的技术方案带来的有益效果是：
(1)本发明设计了一种多旋翼无人机飞行用外置式安全控制装置，其挂载在多旋翼无人机上，属于外置式装置，该外置式安全控制装置无需与多旋翼无人机已有的机载飞行控制子系统进行交互；当预警到多旋翼无人机处于异常飞行状况时，自行进行灯的闪烁报警，闪烁报警的灯，例如红光灯或白光灯，可以被地面操控人员观察到、或是被多旋翼无人机所挂载的相机拍摄到，因此不需要多旋翼无人机的机载飞行控制子系统提供专门的系统通信接口与专门的地面通信链路，因此具有安装使用方便，通用性强的特点。
(2)本发明所设计的多旋翼无人机飞行安全控制方法直接对多旋翼无人机当前的飞行姿态角信息、悬停飞行时的风力以及当前飞行高度的分析，来确定多旋翼无人机异常飞行状况是否发生，具有计算结果客观、可靠、有效的特点。
(3)本发明所设计的外置式安全控制装置采用灯闪报警的方式，尤其红光灯灯闪报警的方式，预警多旋翼无人机的异常飞行状况，这种方法属于一种无侵入式的报警方式，即不需要干预多旋翼无人机自身的机载飞行控制子系统的控制过程，这样的设计方法只提供预警信息(即报警信息)，而将最终的飞控决策权(即飞行控制决策权)交给多旋翼无人机的地面操控人员，这种控制方式具有可靠、安全的特点。
附图说明
图1为本发明实施例提供的一种多旋翼无人机姿态角定义方法的示意图；
图2为本发明提供的一种多旋翼无人机飞行用外置式安全控制装置的结构示意图；
图3为本发明提供的一种多旋翼无人机飞行用外置式安全控制方法的流程示意图；
图4为本发明提供的一种多旋翼无人机飞行用外置式安全控制系统和地面操控人员的连接示意图；
图5为本发明提供的另一种多旋翼无人机飞行用外置式安全控制装置的结构示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。
下面对多旋翼无人机的安全飞行控制方法的原理进行分析：
(1)以六旋翼无人机为例对多旋翼无人机进行飞行动力学分析
如图1中所示，为一种无人机姿态角定义方法的示意图，其中角度ψ、θ、分别偏航角、滚转角，以及俯仰角。图中，定义RE＝(OE,XE,YE,ZE)表示导航坐标系，该坐标系的原点OE在无人机运动载体的重心位置，OEXE轴指向东向，OEYE轴指向北向，OEZE轴根据右手定则指向与地表垂直向上的方向；定义Rb＝(Ob,Xb,Yb,Zb)为旋翼无人机机体坐标系，该坐标系原点Ob位于机体重心处，ObXb沿机体横轴指向右侧，ObYb沿机体纵轴指向前侧，ObZb沿机体竖直向上。针对六旋翼无人机的机体结构，根据动力学分析原理，则有下述关系式成立：
其中，为导航坐标系RE中无人机的位移加速度；为导航坐标系RE中无人机的速度；角度ψ、θ、分别偏航角、滚转角，以及俯仰角；为角速度向量，也称为无人机的欧拉角速度向量。b表示升力因子，Ωi(i＝1,2,...,6)表示六旋翼无人机单个旋翼的旋转速度；m表示六旋翼无人机的质量；ρ表示空气比重；S表示迎风面积；C表示空气阻力等级；表示无人机的转动惯量矩阵；(p,q,r)表示无人机在机体坐标中的旋转速度；表示无人机的旋转力矩；表示无人机的螺旋力矩。
由上述模型不难看出：无人机在正常飞行情况下能够承受一定的风力和空气阻力，且通过自适应闭环控制的方式维护自身姿态的稳定；然而，当外界风力过大，或者由于机械故障导致的无人机旋翼故障时，都将导致六旋翼无人机失去平衡，甚至导致摔落事故的发生。因此，在进行无人机的机载飞行控制子系统设计时，目前可以考虑以下几条原则：
首先，对于偏航角ψ、滚转角θ，以及俯仰角为了保证无人机的稳定飞行，一般需要设定如下限位，即姿态角阈值限位设计为：-45°≤θ≤45°与-45°≤φ≤45°，优选，-30°≤θ≤30°与-30°≤φ≤30°。当人工操作六旋翼无人机飞行时超过了上述姿态角阈值限位，则无人机拒不执行超出阈值限位的姿态控制指令而保持当前极限限位大小的飞行姿态。
其次，设定无人机垂向方向加速度测量阈值最大为0.7倍的重力加速度，以避免无人机出现自由落体运动；
再次，当无人机在悬停或匀速巡航飞行过程中，姿态发生较大的抖动时，则说明无人机可能遭遇到了空中复杂的气流侵扰，这时应该选择合适的判据进行判断，并进行无人机安全飞行的控制。
(2)风场模型及其对无人机飞行的影响
一般而言，风场可以分为平均风、大气紊流、风切边和突风四种形式，每种形式的风场都可以称为一种基本风场。而无人机飞行过程中经常会遭遇低空切变风、大气紊流等各类复杂的大气扰动现象的影响。大气紊流会造成飞行器的颠簸，长时间将造成飞机结构疲劳损坏；各类低空切变风现象则通常是指近地面一定距离以内对无人机飞行产生影响的复杂环境风现象。低空切变风是指600m以下空气层中风向和风速突然变化的现象。按照物理成因，风切边可以分为锋面风切边(冷锋、暖锋)、地形诱导风切边(地面附面层、过山气流等)、与对流风暴有关的风切边等，后者又可分为宏下击暴流和微下击暴流。在各类低空风切变中，最具代表性、对飞行安全威胁最为严重的是水平外流范围通常在4公里以内的微下击暴流。
一般而言，由于近地面地物的影响，各类大气风现象的强度和尺度会随飞行高度的提升而有所增强。以最为常见的平均风为例，平均风会随时间和空间的变化而变化，其强度会随高度的变化规律可以用对数率分布和指数率分布来描述。对数率分布形式如下：
式中，H为实际飞行高度；H0为粗糙度高度，表征地面粗糙度的影响，约为地面障碍物高度的1/30-1/10；k＝0.4，为Karman常数；uW0为摩擦速度，该指标取决于地面上剪应力和空气密度的大小；uW1为最终的风速。
指数率分布形式如下：
式中，uW2为平均风强度；uWR为参考高度HR上的平均风速，HR可以为10米；m为指数，该值受地面粗糙度和大气稳定性的影响；H为实际飞行高度。
由以上风场模型不难看出：近地面风场的强度与复杂度一般会随高程的升高而增强。上述结论适用于绝大多数的风场情形，因此在无人机飞行过程中，当判断出无人机的飞行状态发生异常时，可以采用迅速降低飞行高度的方式来规避飞行事故的发生。
(3)无人机异常飞行状态的判断与控制
通过上述的分析可以了解到：无人机在环境风强度和复杂度超出自身的控制能力时，有可能发生飞行事故；而风场的强度与复杂度会随高程的降低而减弱；因此，容易想到的是，当无人机在飞行过程中发生异常状况时，通过降低无人机飞行高度的方式，有可能避免无人机坠机事故的发生。那么，如何通过对无人机当前飞行过程中环境因素及自身姿态变化状态来分析出无人机异常飞行的状况，是当前无人机控制的一个难题。
此外，不难看出的是，无人机降低飞行高度的好处有两个：其一，根据近地风强度随高程升高而增加的情况，通过降低无人机飞行高度可以降低无人机周边环境风对无人机控制能力的影响；其二，降低飞行高度可以有效降低各类损失，减轻控制装置的负载和机械结构的疲劳与磨损程度，即便无人机真的发生了坠机事件，较低的飞行高度会减轻地面撞击对无人机的伤害程度。
为此，本发明提供了一种多旋翼无人机飞行用外置式安全控制装置，其为外置式的安全控制装置，应用时挂载在需对飞行进行安全控制的多旋翼无人机上，优选挂载在多旋翼无人机下方。该外置式安全控制装置优选适用于小型多旋翼无人机，例如小型六旋翼无人机。参见图2，本实施例提供的外置式安全控制装置包括：外置式异常飞行状况判断模块10和与外置式异常飞行状况判断模块10连接的外置式报警模块20。
外置式异常飞行状况判断模块10用于判断多旋翼无人机在当前飞行空域中是否处于异常飞行状况。
具体地，外置式异常飞行状况判断模块10一方面可以包括：第一获取单元100和与第一获取单元100连接的第一异常飞行状况判断单元101。
第一获取单元100用于获取多旋翼无人机在当前飞行空域中的飞行高度。第一获取单元100可以为高程传感器，其用于实时测量多旋翼无人机在当前飞行空域中的飞行高度，挂载在多旋翼无人机的下方。为了降低地物对飞行高度测量的影响及提高测量高度的范围，高程传感器优选为气压高度传感器，其通过气压的变化来测量传感器当前的高度信息。应用时，可以选用工作温度范围为-40℃～85℃、高度分辨率为0.01米的气压高度传感器。在其他的实施例中第一获取单元还可以为其他高度测量单元，如激光或红外测距仪，本实施例不对此进行限定。
第一异常飞行状况判断单元101用于如果多旋翼无人机在当前飞行空域中的飞行高度大于预设的高度阈值，则判断多旋翼无人机处于异常飞行状况，否则，判断多旋翼无人机处于正常飞行状况。预设的高度阈值可以根据任务的复杂程度进行预先设定，如对于晴天复杂山地的高度阈值可设定为海拔1000m，超过1000m则判断多旋翼无人机处于异常飞行状况；而对于阴天复杂山地的最大飞行高度可设定为海拔800m，超过800m则判断多旋翼无人机处于异常飞行状况。
外置式异常飞行状况判断模块10另一方面也可以包括：第二获取单元102和与第二获取单元102连接的第二异常飞行状况判断单元103。
第二获取单元102用于获取多旋翼无人机在当前飞行空域中的风力。第二获取单元102可以为风力风向传感器，其用于实时测量多旋翼无人机在悬停飞行状态的风力，挂载在多旋翼无人机的下方。为了实现对风力高灵敏度的测量，风力风向传感器优选包括低惯性风标以及风力传感单元，低惯性风标用于进行风向的测量。应用时，可以采用由测量范围为0～70米/秒，准确度在±(0.3+0.03V)米/秒(V表示当前风速)的风力传感单元，和测量范围为0°～360°、准确度在±3°、分辨率为1°的低惯性风标组成的风力风向传感器，该传感器的工作温度范围为-40℃～50℃。
第二异常飞行状况判断单元103用于如果多旋翼无人机处于悬停飞行状态，且获取的多旋翼无人机的风力大于预设的风力阈值，则判断多旋翼无人机处于异常飞行状况，否则，判断多旋翼无人机处于正常飞行状况。风力阈值的大小可以采用风洞吹风试验的方式来确定，实际中，多旋翼无人机的风力阈值的大小会因多旋翼无人机尺寸和重量的不同而不同。
例如，当多旋翼无人机在空中进行悬停飞行(即悬停飞行状态)时，若此时获取的多旋翼无人机的风力(或称风速)为3m/s，若预设的风力阈值为2.5m/s，由于3>2.5，即多旋翼无人机的风力大于预设的风力阈值，则判断多旋翼无人机处于异常飞行状况。
外置式异常飞行状况判断模块10又一方面也可以包括：第三获取单元104和与第三获取单元104连接的第三异常飞行状况判断单元105。
第三获取单元104用于获取多旋翼无人机在当前飞行空域中的姿态角，姿态角包括俯仰角、偏航角和滚转角。第三获取单元104可以为姿态传感器，其用于测量多旋翼无人机的姿态角，挂载在多旋翼无人机的下方。为了提高测量精度，姿态传感器优选采用航空级姿态传感器，其内封装了三轴陀螺仪、三轴加速度计、三轴磁强计。在对飞行过程中的多旋翼无人机进行姿态测量时，姿态传感器内的电路板能够将三轴陀螺仪、三轴加速度计，以及三轴磁强计采集到的信号采用四元数法进行姿态角的解算，直接输出多旋翼无人机的俯仰角、偏航角，以及滚转角的实时数据。对于近地飞行的多旋翼旋翼无人机应用，该姿态传感器能够实现多旋翼无人机的全姿态测量，测量值的精度为0.3°～0.5°，工作温度为-40℃～85℃。
第三异常飞行状况判断单元105用于如果多旋翼无人机处于悬停飞行状态或匀速巡航飞行状态，且多旋翼无人机的姿态角的波动性指标大于预设的姿态角阈值，即多旋翼无人机的俯仰角的波动性指标大于预设的俯仰角阈值和/或多旋翼无人机的偏航角的波动性指标大于预设的偏航角阈值和/或多旋翼无人机的滚转角的波动性指标大于预设的滚转角阈值，则判断多旋翼无人机处于异常飞行状况，否则，判断多旋翼无人机处于正常飞行状况。姿态角三个角中有一个发生波动异常即判断多旋翼无人机处于异常飞行状况。
实际中，通过多旋翼无人机姿态发生较大抖动进行多旋翼无人机异常飞行状况判断的方式，其实质是进行时间序列波动性异常的判定。在时间序列信号分析的研究领域，通俗的讲波动性可以定义为序列变化的频率和幅度。波动性描述的是某种现象所观测到的物理量随时间的起伏状况，可以是指时间序列随机成份的易变性，通常被精确定义为连续时间扩散模型中的随机维纳驱动成份的瞬时标准差。对多旋翼无人机的姿态角波动性的建模还可以采用自回归条件异方差模型和随机波动模型。然而上述两类建模方法建模较为复杂，不太适合小型单片机或DSP电路的实时高效运算。为了简化建模的复杂度，本发明提出采用统计学上标准差的计算方法来描述多旋翼无人机姿态的波动性，即多旋翼无人机的姿态角波动性指标，在其他的实施例中还可以采用方差的计算方法来描述多旋翼无人机姿态的波动性。
多旋翼无人机的姿态角波动性指标(即俯仰角波动性指标或偏航角波动性指标或滚转角指标)的计算公式具体如下：
其中，F表示多旋翼无人机姿态传感器输出的时间序列数据的标准差；N表示时间序列数据观测点的个数，N为正整数；xi(i＝1,2,...,N)表示当前观测的第i个值；表示xi(i＝1,2,...,N)的均值。实际中可以每秒N的采样值为100个值，则连续观察1.5秒，即采集150个值可进行计算。
例如，当多旋翼无人机在空中进行悬停飞行(即悬停飞行状态)或匀速巡航飞行(即匀速巡航飞行状态)时，若此时时间序列数据观测点的个数为100个，即N＝100，测量的俯仰角的均值为3.345，俯仰角的标准差为0.02205；若预设的标准差阈值为0.018，由于0.02205>0.018，即多旋翼无人机的俯仰角的波动性指标大于预设的标准差阈值，则判断多旋翼无人机处于异常飞行状况。
外置式报警模块20用于在外置式异常飞行状况判断模块10判断多旋翼无人机处于异常飞行状况后，发出报警信息。地面操控人员在收到报警信息后控制地面操作终端2向多旋翼无人机的机载飞行控制子系统3发出运动控制指令，该运动控制指令用于指示机载飞行控制子系统3控制多旋翼无人机降低飞行高度。优选地面操控人员通过观察多旋翼无人机或地面操作终端2的显示屏幕收到报警信息。其中，机载飞行控制子系统不对多旋翼无人机在当前飞行空域中是否处于异常飞行状况进行判断，也不在多旋翼无人机处于异常飞行状况后，直接控制多旋翼无人机降低飞行高度。机载飞行控制子系统用于对多旋翼无人机的飞行进行控制，例如采集姿态传感器信息并实时解算姿态角，控制电机转速，传输飞行数据，管理电源。而旋翼无人机的机载飞行控制子系统一般都采用嵌入式系统实现，为了降低成本，该控制系统的运算能力一般都较弱，存储空间小，不具备智能分析与运算功能，且为非侵入式系统。
具体地，若多旋翼无人机处于异常飞行状况，外置式报警模块则以灯闪的方式发出报警信息，如此利于地面操控人员目视观察，地面操控人员在收到表征报警信息的灯闪信号后，通过手动控制地面操作终端向多旋翼无人机的机载飞行控制子系统发出运动控制指令，从而降低多旋翼无人机的飞行高度。外置式报警模块可以是以单色灯灯闪的方式发出报警信息。例如基于红光具有透雾能力强，大气穿透能力强的优点，外置式报警模块以红光灯灯闪(或称闪烁红光)的方式发出报警信息。为了提高红光灯的抗振动冲击能力及方向性，红光灯为红光LED或OLED，外置式报警模块以红光LED或OLED灯连续闪烁的方式发出报警信息。为了利于地面操控人员控制，若多旋翼无人机处于异常飞行状况，则以灯闪的方式发出报警信息直至多旋翼无人机不处于异常飞行状况。外置式报警模块还可以以白光灯灯闪(或称闪烁白光)的方式发出报警信息，本实施例对此不进行限定。发出闪烁光的光源的数目可以是一个，还可以是多个，优选为多个，例如8个，8个红光灯或白光灯同时点亮或熄灭实现闪烁。在其他的实施例中，外置式报警模块还可以是以多色灯交替闪烁的方式发出报警信息，多色灯即多种颜色的灯，优选为两种颜色的灯，例如白光灯和红光灯，以两者数量之和为8个为例对灯闪方式进行说明：在图像拍摄装置周围交替环绕布置八个灯，红白相间各四个。报警时，四个红光和四个白光交替点亮与熄灭，从而实现发出报警信息。
地面操控人员收到灯闪信号的方式可以是直接观察飞行的多旋翼无人机，还可以是观察多旋翼无人机所拍摄回传的图像，在该种方式中，以红光LED等为例进行说明，需将发出报警信息的红灯LED安装在多旋翼无人机的图像拍摄装置的镜头前侧，可以是红光LED灯出现在多旋翼无人机的图像拍摄装置的视场中，为了不影响图像拍摄装置的视线，红光LED灯可以不需直接出现在多旋翼无人机的相机拍摄的图像视场中，但当红光LED灯进行闪烁报警时，其所发出的红光将能够被相机的镜头所采集到，响应的闪烁将反映到多旋翼无人机所拍摄回传的图像之中，因此地面操控人员在通过全相机图像导航的方式进行多旋翼无人机的飞行控制时，也能够通过红光LED灯的闪烁了解到多旋翼无人机当前已发生异常飞行状况。
为了使地面操控人员更直接的了解到多旋翼无人机异常飞行状况的危机程度，外置式报警模块以不同频率的灯闪方式发出报警信息，危机程度越高则频率越高，即灯闪的速度越快，例如预设的高度阈值为1000m，若多旋翼无人机在当前飞行空域中的飞行高度为1200m，由于1200-1000＝200，则表明危机程度较轻，以频率为10Hz的灯闪方式发出报警信息；若多旋翼无人机在当前飞行空域中的飞行高度为1400m，1400-1000＝400，则表明危机程度较重，以频率为20Hz的灯闪方式发出报警信息。
实际应用时，第一异常飞行状况判断单元101、第二异常飞行状况判断单元103和第三异常飞行状况判断单元105可以为数据分析电路，数据分析电路实现对各传感器信息的采集，以及进行多旋翼无人机异常飞行状况的判断，并适时发出报警信息。数据分析电路可以采用单片机或DSP专用电路板定制开发而成。
需要说明的是：上述实施例提供的多旋翼无人机飞行用外置式安全控制装置在用于多旋翼无人机飞行的安全控制时，仅以上述各功能模块的划分进行举例说明，实际应用中，可以根据需要而将上述功能分配由不同的功能模块完成，即将设备的内部结构划分成不同的功能模块，以完成以上描述的全部或者部分功能。
本发明提供的外置式安全控制装置通过独立于现有多旋翼无人机已有的机载控制子系统进行工作，对多旋翼无人机的当前飞行状态(飞行高度、风力、姿态角)进行测试、分析及预警；该外置式安全装置不需要对现有多旋翼无人机的机载控制子系统进行侵入式的更改，扩大了外置式安全控制装置的使用范围，通用性强，安装方便。
参见图3，本发明提供了一种多旋翼无人机飞行用外置式安全控制方法，其用于执行上述外置式安全控制装置，方法流程具体如下：
30、判断多旋翼无人机在当前飞行空域中是否处于异常飞行状况；
具体地，该步骤的实现方式包括：
300获取多旋翼无人机在当前飞行空域中的飞行高度；如果多旋翼无人机在当前飞行空域中的飞行高度大于预设的高度阈值，则判断多旋翼无人机处于异常飞行状况，否则，判断多旋翼无人机处于正常飞行状况。和/或
301获取多旋翼无人机在当前飞行空域中的风力；如果多旋翼无人机处于悬停飞行状态，且获取的多旋翼无人机的风力大于预设的风力阈值，则判断多旋翼无人机处于异常飞行状况，否则，判断多旋翼无人机处于正常飞行状况。和/或
302获取多旋翼无人机在当前飞行空域中的姿态角；如果多旋翼无人机处于悬停飞行状态或匀速巡航飞行状态，且多旋翼无人机的姿态角的波动性指标大于预设的姿态角阈值，则判断多旋翼无人机处于异常飞行状况，否则，判断多旋翼无人机处于正常飞行状况。
40、若多旋翼无人机处于异常飞行状况，则发出报警信息，以使地面操控人员在收到报警信息后控制地面操作终端向多旋翼无人机的机载飞行控制子系统发出运动控制指令，运动控制指令用于指示多旋翼无人机降低飞行高度。
其中，步骤30的实现方式具体可参见上述实施例中的外置式异常飞行状况模块10的相关描述；步骤40的实现方式具体可参见上述实施例中的外置式报警模块20的相关描述；此处不再一一赘述。
需要说明的是，步骤30可以包括步骤301、步骤302和步骤303，也可以仅包括步骤301、步骤302和步骤303三者中的任意一个，还可以包括步骤301、步骤302和步骤303三者中的任意两个，本实施例不对此进行限定。
参见图4，本发明提供了一种多旋翼无人机飞行用外置式安全控制系统，该外置式安全控制系统包括：安全控制装置、地面操作终端2和机载飞行控制子系统3，地面控制终端2和机载飞行控制子系统为多旋翼无人机原有的终端和子系统。
安全控制装置挂载在多旋翼无人机上，其为前述实施例中的外置式安全控制装置1。地面操作终端2用于接收运动控制指令，并将该运动控制指令发送给机载飞行控制子系统3，运动控制指令是由地面操控人员根据外置式安全控制装置1发出的报警信息做出，例如通过地面操纵终端2上的摇杆做出，其用于指示多旋翼无人机降低飞行高度。机载飞行控制子系统3设置在多旋翼无人机内，与地面操作终端2无线连接，用于在接收地面操作终端2发送来的运动控制指令后，控制多旋翼无人机降低飞行高度。机载飞行控制子系统3用于对旋翼无人机的飞行进行控制，例如采集姿态传感器信息并实时解算姿态角，控制电机转速，传输飞行数据，管理电源。由于机载飞行控制子系统都采用嵌入式系统实现，为了降低成本，该控制子系统的运算能力一般都较弱，存储空间小，不具备智能分析与运算功能，因此将安全控制装置设置成外置式安全控制装置。
下面以用于多旋翼无人机飞行的外置式安全控制系统为例对用于多旋翼无人机飞行的外置式安全控制方法进行详细说明。
外置式安全控制装置的各类传感器实时采集多旋翼无人机在当前飞行空域中的风力、以及姿态角(即飞行姿态信息)，并将上述采集数据实时送入到外置式安全控制装置的数据分析电路中进行存储与分析；数据分析电路进行多旋翼无人机是否处于异常飞行状况的判断。当采集的高度超过高度阈值时，数据分析电路进行异常报警信号的输出(即控制外置式报警模块发出报警信息)；采集的风力(或称为风力强度)超出风力阈值时，数据分析电路进行异常报警信号的输出(即控制外置式报警模块发出报警信息)；或当姿态角的波动性指标超出姿态角阈值时，数据分析电路同样进行异常报警信号的输出(即控制外置式报警模块发出报警信息)。外置式安全控制装置的外置式报警模块在接收到数据分析电路输出的异常报警信号后，进行灯闪报警，此时外置式报警模块称为灯闪报警模块。
地面操控人员在观察到灯闪外置式报警模块发出的以灯闪形式表征的报警信息后，则可以通过手动控制的方式控制地面操作终端，使地面操作终端向机载飞行控制子系统发出降低多旋翼无人机飞行高度的运动控制指令，机载飞行控制子系统接收到运动控制指令后，控制多旋翼无人机降低飞行高度，从而保证了多旋翼无人机的安全飞行。
参见图5，本发明提供了一种多旋翼无人机飞行用外置式安全控制装置，其挂载在多旋翼无人机上，包括：高程传感器41和/或风力风向传感器42和/或姿态传感器43、数据分析电路44和灯闪报警器45；高程传感器41用于获取多旋翼无人机在当前飞行空域中的飞行高度；风力风向传感器42用于获取多旋翼无人机在当前飞行空域中的风力；姿态传感器43用于获取多旋翼无人机在当前飞行空域中的姿态角；数据分析电路44对应的与高程传感器41、风力风向传感器42、姿态传感器43连接，向灯闪报警器45输出控制信号；灯闪报警器45的启动端与数据分析电路44连接。实际中，前述三个传感器可以任选一个或两个或三个的方式存在，对应的，当只有一个传感器时，数据分析电路44与该一个传感器连接，当只有两个传感器时，数据分析电路44与该两个传感器分别连接，当有三个传感器时，数据分析电路44与该三个传感器分别连接。优选三个传感器同时存在。
数据分析电路44优选为单片机或数字信号处理电路。灯闪报警器45安装在多旋翼无人机的相机前侧。
灯闪报警器45可以为单色灯灯闪报警器。灯闪报警器45优选为红光灯闪报警器或白光灯闪报警器。灯闪报警器45为红光LED灯闪报警器或红光OLED灯闪报警器；白光灯闪报警器为白光LED灯闪报警器或白光OLED灯闪报警器。灯闪报警器45还可以为多色灯灯闪报警器。灯闪报警器45为红光和白光交替灯闪报警器。关于高程传感器、风力风向传感器和姿态传感器的描述可参见上文中关于第一获取单元、第二获取单元和第三获取单元的描述，此处不再一一赘述；关于数据分析电路的描述可参见上文中关于第一异常飞行状况判断单元、第二异常飞行状况判断单元和第三异常飞行状况判断单元的描述，此处不再一一赘述；关于灯闪报警器的描述可参见上文中关于外置式报警模块的描述，此处不再一一赘述。
综上所述，本发明实施例的有益效果如下：
(1)本发明设计了一种多旋翼无人机飞行用外置式安全控制装置，该外置式安全控制装置无需与多旋翼无人机已有的机载飞行控制子系统进行交互；当预警到多旋翼无人机处于异常飞行状况时，自行进行红光灯的闪烁报警，闪烁报警的红光灯可以被地面操控人员观察到、或是被多旋翼无人机所挂载的相机拍摄到，因此不需要多旋翼无人机的机载飞行控制子系统提供专门的系统通信接口与专门的地面通信链路，为外置式安全控制装置，因此具有安装使用方便，通用性强的特点。
(2)本发明所设计的多旋翼无人机飞行外置式安全控制方法直接对多旋翼无人机当前的飞行姿态角信息、悬停飞行时的风力以及当前飞行高度的分析，来确定多旋翼无人机异常飞行状况是否发生，具有计算结果客观、可靠、有效的特点。
(3)本发明所设计的外置式安全控制装置采用灯闪报警的方式，尤其红光灯灯闪报警的方式，预警多旋翼无人机的异常飞行状况，这种方法属于一种无侵入式的报警方式，即不需要干预多旋翼无人机自身的机载飞行控制子系统的控制过程，这样的设计方法只提供预警信息(即报警信息)，而将最终的飞控决策权(即飞行控制决策权)交给多旋翼无人机的地面操控人员，这种控制方式具有可靠、安全的特点。
由技术常识可知，本发明可以通过其它的不脱离其精神实质或必要特征的实施方案来实现。因此，上述公开的实施方案，就各方面而言，都只是举例说明，并不是仅有的。所有在本发明范围内或在等同于本发明的范围内的改变均被本发明包含。
Claims (9)
1.一种多旋翼无人机飞行用外置式安全控制装置，其特征在于，所述外置式安全控制装置不与所述多旋翼无人机已有的机载飞行控制子系统进行交互，包括：
外置式异常飞行状况判断模块，用于判断所述多旋翼无人机在当前飞行空域中是否处于异常飞行状况；以及
外置式报警模块，与所述外置式异常飞行状况判断模块连接，用于在所述外置式异常飞行状况判断模块判断所述多旋翼无人机处于异常飞行状况后，发出报警信息，以使地面操控人员在收到所述报警信息后控制地面操作终端向所述多旋翼无人机的机载飞行控制子系统发出运动控制指令，所述运动控制指令用于指示所述多旋翼无人机降低飞行高度。
2.根据权利要求1所述的外置式安全控制装置，其特征在于，所述外置式异常飞行状况判断模块包括：
第一获取单元，用于获取所述多旋翼无人机在当前飞行空域中的飞行高度；
第一异常飞行状况判断单元，与所述第一获取单元连接，用于如果所述多旋翼无人机在当前飞行空域中的飞行高度大于预设的高度阈值，则判断所述多旋翼无人机处于异常飞行状况，否则，判断所述多旋翼无人机处于正常飞行状况。
3.根据权利要求1所述的外置式安全控制装置，其特征在于，所述外置式异常飞行状况判断模块包括：
第二获取单元，用于获取所述多旋翼无人机在当前飞行空域中的风力；
第二异常飞行状况判断单元，与所述第二获取单元连接，用于如果所述多旋翼无人机处于悬停飞行状态，且获取的所述多旋翼无人机的风力大于预设的风力阈值，则判断所述多旋翼无人机处于异常飞行状况，否则，判断所述多旋翼无人机处于正常飞行状况。
4.根据权利要求1所述的外置式安全控制装置，其特征在于，所述外置式异常飞行状况判断模块包括：
第三获取单元，用于获取所述多旋翼无人机在当前飞行空域中的姿态角；
第三异常飞行状况判断单元，与所述第三获取单元连接，用于如果所述多旋翼无人机处于悬停飞行状态或匀速巡航飞行状态，且所述多旋翼无人机的姿态角的波动性指标大于预设的姿态角阈值，则判断所述多旋翼无人机处于异常飞行状况，否则，判断所述多旋翼无人机处于正常飞行状况。
5.根据权利要求1所述的外置式安全控制装置，其特征在于，所述外置式报警模块在所述多旋翼无人机处于异常飞行状况时，发出表征所述报警信息的闪烁光。
6.根据权利要求5所述的外置式安全控制装置，其特征在于，所述多旋翼无人机通过全相机图像导航的方式进行飞行控制；
所述闪烁光出现在所述多旋翼无人机的图像拍摄装置的视场里。
7.一种多旋翼无人机飞行用外置式安全控制方法，其特征在于，所述外置式安全控制方法包括：
判断多旋翼无人机在当前飞行空域中是否处于异常飞行状况；
若所述多旋翼无人机处于异常飞行状况，则发出报警信息，以使地面操控人员在收到所述报警信息后控制地面操作终端向所述多旋翼无人机的机载飞行控制子系统发出运动控制指令，所述运动控制指令用于指示所述多旋翼无人机降低飞行高度。
8.根据权利要求7所述的外置式安全控制方法，其特征在于，若所述多旋翼无人机处于异常飞行状况，则发出表征所述报警信息的闪烁光。
9.一种多旋翼无人机飞行用外置式安全控制系统，其特征在于，所述安全控制系统包括：安全控制装置、地面操作终端以及机载飞行控制子系统；
所述安全控制装置挂载在所述多旋翼无人机上，所述安全控制装置为权利要求1～6中任一项所述的外置式安全控制装置；
所述地面操作终端用于接收地面操控人员根据所述外置式安全控制装置发出的报警信息做出的运动控制指令并将所述运动控制指令发送给所述机载飞行控制子系统，所述运动控制指令用于指示所述多旋翼无人机降低飞行高度；
所述机载飞行控制子系统设置在所述多旋翼无人机内，与所述地面操作终端无线连接，用于在接收所述地面操作终端发送来的运动控制指令后，控制所述多旋翼无人机降低飞行高度。
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