CN106547205A - 一种基于降落伞的无人机双备冗余安全控制系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于降落伞的无人机双备冗余安全控制系统及方法，包括主控单元、作为系统双备的第一检测单元和第二检测单元、机载降落伞和机载报警单元；所述主控单元分别与所述第一检测单元和第二检测单元、机载降落伞、机载报警单元建立连接；主控单元同时接收第一检测单元和第二检测单元的数据；以第一检测单元为主检测单元，第二检测单元作为第一检测单元发生数据紊乱时的热备份切换，当主控单元接收到第一检测单元或第二检测单元的数据异常时，通过报警，提示操作人员关闭无人机动力系统，并控制降落伞打开。本发明创新性地引入了双备冗余的设计方案，保证无人机安全。

Description

一种基于降落伞的无人机双备冗余安全控制系统及方法

技术领域

本发明涉及一种无人机安全控制技术，特别是涉及一种基于双备冗余降落伞的无人机安全领域的控制方法。

背景技术

近年来，无人机的发展特别迅猛。其使用范围已从军事拓展至民用及科研等诸多领域。军事上，无人机可用于侦查监视、中继通信、电子对抗、战果评估、对地(海)攻击、早期预警等；民用上，无人机还广泛应用在航拍、气象观测、农用植保、地质勘探、电力巡检、油气管路巡查、高速公路事故管理、森林防火巡查、环境污染勘察、反恐维稳、公安执法、应急救援与救护、抢险救灾、海岸线巡查等。随着高新技术设备广泛的使用于无人机，从经济角度出发，无人机的反复使用成了降低成本的最适合的途径。

然而，随着无人机的不断发展，由无人机引起的事故量也在不断增加。近日，澳大利亚皇家墨尔本理工大学和艾迪斯科文大学发布了一项研究报告，这项调查主要基于澳大利亚境内所发生的150起无人机事故，报告显示，64％的事故是由于无人机操作失灵导致。在国内，无人机伤人的事故已不再新鲜。目前，各大无人机厂商还没有拿出有效可行的解决方案。对于固定翼无人机，有迫降式、撞网式安全保护；对于多旋翼无人机和直升无人机，大部分厂商还是以无人机保持悬停一段时间后仍不能正常接收控制信号就自动返航为方案，殊不知在自动返航的过程中碰上障碍物的几率会更大。

如果无人机从高空中垂直着地，那么损失是巨大的，除了财产损失，很有可能造成人员伤亡。

发明内容

基于现有技术，本发明提出了一种基于降落伞的无人机双备冗余安全控制系统及方法，在无人机有安全隐患的情况下，以打开降落伞为保护原则，具有双备冗余、独立供电、可单独遥控、可声光报警等特点，结合降落伞实现了一种无人机安全控制方法。

本发明的一种基于降落伞的无人机双备冗余安全控制系统，该系统包括主控单元1、作为系统双备的第一检测单元2和第二检测单元3、机载降落伞4和机载报警单元5；其中：所述主控单元1分别与所述第一检测单元2和第二检测单元3、机载降落伞4、机载报警单元5建立连接；所述第一检测单元和所述第二检测单元，分别包括加速度计7和陀螺仪8；

主控单元1同时接收第一检测单元2和第二检测单元3的数据；以第一检测单元2为主检测单元，第二检测单元3作为第一检测单元2发生数据紊乱时的热备份切换，当主控单元接收到第一检测单元2或第二检测单元3的数据异常时，通过报警，提示操作人员关闭无人机动力系统，并控制降落伞打开。

该系统还包括与主控单元建立连接的遥控器信号接收器，实现所述机载降落伞的控制的单独控制。

本发明的一种基于降落伞的无人机双备冗余安全控制方法，该方法包括以下步骤：

步骤一、通过主控单元对检测单元一和检测单元二进行初始化；

步骤二、主控单元以第一检测单元为主检测单元，第二检测单元作为第一检测单元发生数据紊乱时的热备份切换；

步骤三、主控单元读取检测单元中陀螺仪、加速度计数据信息，即角速率值RateA和加速度值Gacc；

步骤四、通过RateA和Gacc这两个数值来计算经过修正后的加速度值GxEst(n)、GyEst(n)、GzEst(n)；

步骤五、判断GxEst(n)、GyEst(n)、GzEst(n)的值是否为Rollover States或者GxEst(n)、GyEst(n)、GzEst(n)值不少于一个大于等于Gmax；

步骤六、如果GxEst(n)、GyEst(n)、GzEst(n)值满足步骤五所述的条件之一，那么控制系统指示机载报警单元响应，包括报警声音和机载底部红色报警灯闪烁两部分；

步骤七、如果GxEst(n)、GyEst(n)、GzEst(n)值不满足步骤五所述的所有条件，那么系统继续检测无人机安全状态，并返回步骤二；

步骤八、当无人机机载报警单元响应后，主控单元输出控制信号，用以打开机载降落伞。

所述步骤二的具体控制流程包括以下步骤：

判断第一检测单元的数据是否正常，如不能正常接收一个轴的分量等；分为两种情况：

如果第一检测单元的数据正常，则将该数据传送给主控处理单元；

如果第一检测单元的数据异常，则将该数据直接丢弃；

判断第二检测单元是否处于热备份状态；分为两种情况：

当第一检测单元的数据异常时，第二检测单元解除热备状态，由热备状态转为工作状态，并将数据传送给主控处理单元；

当第一检测单元的数据正常时，第二检测单元处于热备份状态，主控处理单元不需要第二检测单元的数据，因此，第二检测单元的数据直接丢弃。

与现有技术相比，本发明创新性地引入了双备冗余的设计方案，保证无人机安全。

附图说明

图1为本发明的基于降落伞的无人机双备冗余安全控制系统结构示意图；

图2为本发明的基于降落伞的无人机双备冗余安全控制方法整体流程示意图；

图3为第一、第二检测单元的数据融合实现流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施例进行详细说明。

如图1所示，为本发明的基于降落伞的无人机双备冗余安全控制系统结构示意图。该系统包括主控单元1、作为双备的第一检测单元2和第二检测单元3、机载降落伞4和机载报警单元5、遥控器信号接收器6；第一检测单元和第二检测单元分别包括加速度计7和陀螺仪8，与主控单元连接；主控处理单元根据从检测单元一或者检测单元二处获得的数据处理无人机的安全检测问题；机载降落伞与主控单元的连接；报警单元包括报警器和红色警报灯与主控单元之间的连接；遥控器信号接收器与主控单元建立连接，以满足遥控器可单独控制降落伞的需求；该系统具体实施方式详细说明如下：

主控单元用Atmel公司的Mega328处理器芯片作为控制器系统的核心，依照I²C协议与第一检测单元和第二检测单元之间的通信、收发数据，并对数据进行处理；以第一检测单元数据为主，第二检测单元处于热备份状态。因为各个检测单元不会主动发送各自所测得的加速度、角速率数据，所以，控制器向各个单元发送开始信号激活各个传感器。同时，控制器需要通过地址选择引脚SA0来选择具体哪一个传感器向控制器发送数据。

以两个MMA8451加速度计传感器为加速度检测单元，与加速度计相对应的两个意法半导体陀螺仪芯片L3G4200D为角速率检测单元。在控制系统工作的过程中，两个检测单元同时工作，只是主控单元以其中一个检测单元为主。当正在使用的检测单元发生数据紊乱等事故时，主控单元可立即切换至热备份的另一个检测单元。当主控单元接收到检测单元的异常数据时，安全保护控制系统通过地面站报警，提示操作人员关闭无人机动力系统，并输出控伞信号至IO口打开降落伞，以防止无人机发生事故。

加速度计传感器检测单元主要检测无人机的加速度，尤其是当无人机发生意外时的加速度值，如突遇大风、遥控器失灵、空中电机故障等情况。一般情况下，无人机发生意外失控会在空中进行翻滚动作，在动力系统彻底失灵后，会做自由落体运动。此时，加速度计测得的加速度值也在迅速变化，当无人机停止翻滚呈自由落体状态时，加速度值会相对稳定，但大于无人机的最高加速度值，此时，可判断无人机已经处于失控状态，控制器可输出控制信号打开降落伞以实现安全保护的功能。

由于加速度计易受震动和噪声的干扰，所以，本设计添加了陀螺仪传感器，用于纠正加速度计的偏差。虽然，陀螺仪检测的是无人机俯仰、横滚和偏航的角速率，但是，将陀螺仪融合与加速度计通过算法，可以修正加速计的误差，从而使测量更准确，安全保护更到位。

当测得的加速计值多次正负反复变化时或者保持一个大于阈值的值不变时，控制器会输出控制信号打开无人机机载降落伞，以保护无人机的安全。需要指出的是，无人机机载降落伞和安全保护控制系统与无人机是分开供电，即降落伞和控制系统是一个独立的供电单元。这样，哪怕无人机供电中断出现意外落体，安全保护系统也可以正常工作。

第一检测单元2和第二检测单元3与主控单元通信，通过各自的SA0引脚高低电平确定与主控单元通信的有效性。当SA0为高电平时，芯片0x1d地址被选中有效；当SA0为低电平时，芯片0x1c地址被选中有效。本发明中，将第一检测单元置高电平，第一检测单元置低电平。在系统初始化时，0x1d、0x1c被循环赋值，这样，第一检测单元和第二检测单元被循环选中，主控单元轮流读取数据Gacc1和Gacc2，其中Gacc1表示加速度值，Gacc2表示热备份值，由于各检测单元采样速率高达400Hz，所以，循环读取各自的数据并不影响检测单元一对整个保护系统的安全性。设置加速度计的量程为其最小值2g、8位有效数据位；设置陀螺仪的量程为500⁰/s，其有效数据位为16bits。有陀螺仪修正的加速度计算过程如下：

Gacc＝(AdcAcc*V_ref/255-V_zero_G)/Sensitivity

其中，AdcAcc为读取的加速度计数据，V_ref、V_zeroG、Sensitivity分别为基准电压、零加速度电压、灵敏度，Gacc单位为g，即9.8m/s²。

RateA＝(AdcGyro*V_ref/65536-V_zeroRate)/Sensitivity

其中，AdcGyro为读取的陀螺仪数据，V_ref、V_zeroRate、Sensitivity分别为陀螺仪基准电压、零角速率电压、灵敏度，RateA单位为°/s。

RateAxaAvg＝(RateAxz(n)+RateAxz(n-1))/2

RateAyzAvg＝(RateAyz(n)+RateAyz(n-1))/2

Axz(n)＝Axz(n-1)+RateAxzAvg*T

Ayz(n)＝Ayz(n-1)+RateAyzAvg*T

其中，RateAyz(n)、RateAxz(n)分别为绕x轴、y轴旋转的角速率，由陀螺仪数据计算得来，RateAxzAvg为平均值，Axz(n)表示第n次采样时用迭代法计算的角度矢量与在xy平面内与z轴之间的夹角。

同理，可得

其中，GxEst(n)、GyEst(n)、GxEst(n)为经陀螺仪修正后的x轴、y轴、z轴的加速度分量。

当测得的GxEst(n)、GyEst(n)、GxEst(n)值中有不少于一个正负值在反复变化(这种状态记为失控翻滚状态Rollover States)或者有不少于一个的加速度值大于等于0.5g(4.9m/s²,此值记为Gmax)该控制系统就通过IO口输出控制信号，以打开降落伞。同时，发出声音报警，在无人机下方的机载指示灯红灯闪烁。

另外，本发明还支持遥控器端对无人机机载降落伞的控制，经过遥控器射频端发送出去的降落伞控制信号使得接收器端形成高电平，以打开降落伞。需要指出的是，无论以哪一种方式打开机载降落伞，无人机控制终端都需要将动力电源关掉。

无人机在空中飞行时，无人机安全检测控制系统在实时监测无人机的加速度，并与异常情况下的阈值进行比较，加速度值大于等于阈值时，起安全保护作用的降落伞将会被打开。

在实际使用时，检查安全检测系统结构的完整性，保证系统安全可靠。

如图2所示，为检测控制系统流程图，所述方法包括以下步骤：

步骤201：通过主控单元对第一检测单元和第二检测单元进行初始化；

步骤202：判断遥控信号是否打开无人机降落伞；分为两种情况：

如果遥控信号没有打开无人机降落伞，主控单元读取陀螺仪、加速度计数据信息，即角速率值RateA和加速度值Gacc，步骤203；

如果遥控信号有打开无人机降落伞，那么无人机机载报警单元响应，步骤206；

步骤204：陀螺仪与加速度计数据的融合，通过RateA和Gacc这两个数值来计算经过修正后的加速度值GxEst(n)、GyEst(n)、GzEst(n)；

步骤205：判断GxEst(n)、GyEst(n)、GzEst(n)的值是否为Rollover States或者GxEst(n)、GyEst(n)、GzEst(n)值不少于一个大于等于Gmax；分为两种情况：

如果GxEst(n)、GyEst(n)、GzEst(n)值满足步骤205所述的条件之一，那么控制系统指示机载报警单元响应，包括报警声音和机载底部红色报警灯闪烁两部分，步骤206；

步骤207：当无人机机载报警单元响应后，主控单元输出控制信号，用以打开机载降落伞；

步骤208：在主控单元控制信号下，机载降落伞被打开。

图3为第一、第二检测单元的数据融合实现流程图，包括以下步骤：

步骤301：整个系统进行初始化；

步骤302：判断当前主控单元给出对应的SA0是否为高电平；

步骤303：当SA0为高电平时读取第一检测单元的数据，当SA0为低电平时读取检测单元二的数据，需要指出的是，主控单元是轮流读取第一检测单元和第二检测单元的数据，在最后在判断各自数据的有效性；

步骤304：获取检测单元的Gacc、RateA；

步骤305：计算RateAccAvg在三个轴上的分量，即RateAxyAvg、RateAxzAvg、RateAyzAvg；

步骤306：计算Axz(n)、Ayz(n)、Axy(n)；

步骤307：计算GxGyro、GyGyro、GzGyro；

步骤308：得出由陀螺仪修正后的加速度值在三个轴上的分量AxEst(n)、AyEst(n)、AzEst(n)；

步骤309：判断第一检测单元的数据是否正常，如不能正常接收一个轴的分量等；分为两种情况：

如果第一检测单元的数据正常，则将该数据传送给主控处理单元，步骤310；

如果第一检测单元的数据异常，则将该数据直接丢弃，步骤311；

步骤312：判断第二检测单元是否处于热备份状态；分为两种情况：

当第一检测单元的数据异常时，第二检测单元解除热备状态，由热备状态转为工作状态，并将数据传送给主控处理单元，步骤312；

当第一检测单元的数据正常时，第二检测单元处于热备份状态，主控处理单元不需要第二检测单元的数据，因此，第二检测单元的数据直接丢弃，步骤311。

Claims (4)

1.一种基于降落伞的无人机双备冗余安全控制系统，其特征在于，该系统包括主控单元(1)、作为系统双备的第一检测单元(2)和第二检测单元(3)、机载降落伞(4)和机载报警单元(5)；其中：所述主控单元(1)分别与所述第一检测单元(2)和第二检测单元(3)、机载降落伞(4)、机载报警单元(5)建立连接；所述第一检测单元(2)和所述第二检测单元(3)，分别包括加速度计(7)和陀螺仪(8)；

主控单元(1)同时接收第一检测单元(2)和第二检测单元(3)的数据；以第一检测单元(2)为主检测单元，第二检测单元(3)作为第一检测单元(2)发生数据紊乱时的热备份切换，当主控单元接收到第一检测单元(2)或第二检测单元(3)的数据异常时，通过报警，提示操作人员关闭无人机动力系统，并控制降落伞打开。

2.如权利要求1所述的一种基于降落伞的无人机双备冗余安全控制系统，其特征在于，该系统还包括与主控单元建立连接的遥控器信号接收器(6)，实现所述机载降落伞的控制的单独控制。

3.一种基于降落伞的无人机双备冗余安全控制方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

步骤一、通过主控单元对第一检测单元和第二检测单元进行初始化；

步骤二、主控单元以第一检测单元为主检测单元，第二检测单元作为第一检测单元发生数据紊乱时的热备份切换；

步骤三、主控单元读取检测单元中陀螺仪、加速度计数据信息，即角速率值RateA和加速度值Gacc；

步骤四、通过RateA和Gacc这两个数值来计算经过修正后的加速度值GxEst(n)、GyEst(n)、GzEst(n)；

步骤五、判断GxEst(n)、GyEst(n)、GzEst(n)的值是否为Rollover States或者GxEst(n)、GyEst(n)、GzEst(n)值不少于一个大于等于Gmax；

步骤六、如果GxEst(n)、GyEst(n)、GzEst(n)值满足步骤五所述的条件之一，那么控制系统指示机载报警单元响应，包括报警声音和机载底部红色报警灯闪烁两部分；

步骤七、如果GxEst(n)、GyEst(n)、GzEst(n)值不满足步骤五所述的所有条件，那么系统继续检测无人机安全状态，并返回步骤二；

步骤八、当无人机机载报警单元响应后，主控单元输出控制信号，用以打开机载降落伞。

4.如权利要求3所述的一种基于降落伞的无人机双备冗余安全控制方法，其特征在于，所述步骤二的具体控制流程包括以下步骤：

判断第一检测单元的数据是否正常，如不能正常接收一个轴的分量等；分为两种情况：

如果第一检测单元的数据正常，则将该数据传送给主控处理单元；

如果第一检测单元的数据异常，则将该数据直接丢弃；

判断第二检测单元是否处于热备份状态；分为两种情况：

当第一检测单元的数据异常时，第二检测单元解除热备状态，由热备状态转为工作状态，并将数据传送给主控处理单元；

当第一检测单元的数据正常时，第二检测单元处于热备份状态，主控处理单元不需要第二检测单元的数据，因此，第二检测单元的数据直接丢弃。