CN108341045B - 无人机坠落保护装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种无人机坠落保护装置，用于安装在四旋翼无人机内部，括喷气机构、气阀控制机构以及与气阀控制机构连接的控制电路，通过超声波收发模块及检测模块来监测无人机的运行状态，一旦处于意外失控状态，通过触发单片机来控制气阀控制机构，控制相应的气阀通断，对无人机的姿态进行调节，从而降低无人机损毁几率。

Description

无人机坠落保护装置

技术领域

本发明属于无人机起降技术领域，尤其涉及一种无人机坠落保护装置。

背景技术

新一代的无人机通过在飞控方面增加自动避障技术、增加处理器数目、增加微型定位系统以及增加地面平行系统，使无人机自动实现跟踪、锁定、平行等功能，降低误操作概率，减少意外坠落的情况。目前无人机发生紧急坠落主要还是靠起落架来接受硬着陆，但是一旦出现故障，会影响起落架及时放下，导致无人机直接坠地损毁，经济受到严重损失。

发明内容

为解决上述问题，本发明提出了一种无人机坠落保护装置，在无人机发生意外坠落时可调节无人机姿态，降低损毁几率。

本发明的具体技术方案如下：一种无人机坠落保护装置，用于安装在四旋翼无人机内部，括喷气机构、气阀控制机构以及与气阀控制机构连接的控制电路；

所述喷气机构包括高压气罐、四个喷头以及分别连接高压气罐与四个喷头的管路，每个管路均由一段硬管与一段软管连接组成，硬管与高压气罐连通，软管与喷头连通，每个硬管中安装有用于控制高压气罐与喷头之间管路通断的气阀；

所述气阀包括阀盖、阀杆、阀体和阀座，阀盖安装在阀体顶端，阀座安装在阀体底部，阀杆依次穿过阀盖和阀体，与设置在阀座内的弹簧抵接；阀体内设有阀芯，阀芯将阀体内腔分隔为进气腔和出气腔，阀芯上开设有通道，阀杆上设有与通道匹配的活塞，阀座内的弹簧呈自然状态时，阀杆上的活塞位于阀芯的通道中，气阀为关闭状态，当阀杆受力时，阀杆压缩阀座内的弹簧向下移动使活塞离开通道，气阀为开启状态；

所述四个气阀均由所述气阀控制机构控制开闭，所述气阀控制机构安装在四个气阀的上方；气阀控制机构包括顶端封闭底端开放的圆柱形壳体，壳体内水平设置有隔板，隔板将壳体内腔从上到下分隔为第一腔室和第二腔室，第一腔室中设置有步进电机和转盘，步进电机通过电机座固定在壳体顶壁，转盘固定在步进电机的输出轴上且平行设置在隔板上方；隔板上开设有四个制动孔，该制动孔为台阶通孔，制动孔内穿设有锥形柱，锥形柱的大端位于第一腔室，小端位于第二腔室，四个锥形柱分别位于四个气阀阀杆的正上方；锥形柱上套设有弹簧且弹簧底端抵接制动孔内的台阶，锥形柱顶端受压时，台阶承接弹簧使弹簧变形，锥形柱向下移动推动气阀的阀杆；所述转盘的底面设有凸块，凸块的底端低于锥形柱的顶端，转盘转动一圈凸块可依次抵压四个锥形柱；

所述控制电路包括电源模块、单片机、电机驱动模块、用于检测无人机与地面距离的超声波收发模块和用于检测无人机倾斜方向的检测模块，电源模块连接单片机、超声波收发模块、检测模块和电机驱动模块，超声波收发模块和检测模块连接单片机的输入端，单片机的输出端连接电机驱动模块，电机驱动模块连接气阀控制机构的步进电机。

作为本发明的进一步改进，所述控制电路中的检测模块为四个水银开关，四个水银开关分别连接单片机的四个输入引脚，四个水银开关呈十字形分布。

作为本发明的进一步改进，所述气阀的阀盖与阀体之间连接有套筒，套筒内设有弹簧，阀杆包括上阀杆和下阀杆，上阀杆穿过阀盖与套筒内的弹簧顶端连接，下阀杆连接套筒内的弹簧底端并穿过阀体抵接阀座中的弹簧。

作为本发明的进一步改进，所述气阀控制机构的隔板上两两相邻制动孔之间还开设有联动孔，该联动孔为台阶通孔，联动孔内穿设有联动柱，联动柱的顶端位于第一腔室，底端位于第二腔室并连接有联动板，联动柱上套设有弹簧且弹簧底端抵接联动孔内的台阶，联动柱顶端受压时，台阶承接弹簧使弹簧变形，联动柱向下移动使联动板同时推动相邻的两个气阀的阀杆。

本发明的有益效果：本发明提出的无人机坠落保护装置，通过超声波收发模块及检测模块来监测无人机的运行状态，一旦处于意外失控状态，通过触发单片机来控制气阀控制机构，从而控制相应的气阀通断，使得处于相应的旋翼处的喷头喷气，对无人机的姿态进行调节，从而降低无人机损毁几率。

附图说明

图1为无人机保护装置中的喷气机构的结构示意图。

图2为安装有无人机保护装置的无人机的结构示意图。

图3为气阀的结构示意图。

图4为气阀控制机构的结构示意图。

图5为气阀控制机构的仰视图。

图6为电源模块的电路图。

图7为超声波收发模块的电路图。

图8为单片机连接超声波收发模块的电路图。

图9为单片机连接检测模块的电路图。

图10为单片机依次连接电机驱动芯片和步进电机接口的电路图。

图11为水银开关的安装俯视图。

图12为水银开关的安装前视图。

具体实施方式

以下将结合附图，对本发明的具体实施方式和实施例加以详细说明，所描述的具体实施例仅用于解释本发明，并非用于限定本发明的具体实施方式。

本发明实施例提供一种无人机坠落保护装置，用于安装在四旋翼无人机内，包括喷气机构、气阀控制机构以及与气阀控制机构连接的控制电路。

如图1所示，所述喷气机构包括高压气罐1、四个喷头2以及分别连接在高压气罐与四个喷头之间的管路，每个管路均由一段硬管3与一段软管4连接组成，硬管3与高压气罐1连通，软管4与喷头2连通。每个硬管中安装有气阀，气阀用于控制高压气罐与喷头之间管路的通断。如图2所示，高压气罐1安装在无人机的中央舱中，四个喷头2分别安装在四个旋翼的翼尖内，翼尖壳体上开有与喷头出口对应的喷气孔。

如图3所示，所述气阀包括阀盖51、阀杆52、阀体53和阀座54，阀盖51安装在阀体53顶端，阀座54安装在阀体53底部，阀杆52依次穿过阀盖51和阀体53与阀座54抵接，阀座54内设有弹簧541，阀杆52抵接弹簧541。阀体53内设有阀芯55，阀芯将阀体内腔分隔为进气腔531和出气腔532，进气腔与高压气罐连通，出气腔与喷头连通，进气腔位于出气腔的下方。阀芯55上开设有通道，阀杆52上设有与通道大小匹配的活塞521，阀座内的弹簧541呈自然状态时，阀杆上的活塞521位于阀芯的通道中，气阀为关闭状态，当阀杆受力时，阀杆压缩阀座内的弹簧向下移动使活塞离开通道，进气腔与出气腔相通，气阀为开启状态。阀杆在阀体中上下移动实现气阀的开闭，由于进气腔位于出气腔下方，气阀为关闭状态时，高压气罐内的气体挤压活塞向上，保证了气阀的气密性。

四个气阀均由气阀控制机构控制开闭，该气阀控制机构安装在四个气阀的上方。如图4所示，气阀控制机构包括顶端封闭、底端开放的圆柱形壳体61，壳体内水平设置有隔板62，隔板将壳体内腔从上到下分隔为第一腔室和第二腔室，第一腔室中设置有步进电机63和转盘 64，步进电机通过电机座65固定在壳体顶壁，转盘固定在步进电机的输出轴上且平行设置在隔板上方。隔板62上开设有四个制动孔，该制动孔为台阶孔，制动孔内穿设有锥形柱66，锥形柱的大端位于第一腔室，小端位于第二腔室，四个锥形柱分别位于四个气阀的阀杆的正上方。锥形柱上套设有弹簧且弹簧底端抵接制动孔内的台阶，锥形柱顶端受压时，台阶承接弹簧使弹簧变形，锥形柱向下移动推动气阀的阀杆。上述转盘的底面设有凸块641，且凸块的最底端低于锥形柱的顶端，转盘转动一圈凸块可依次抵压四个锥形柱。

以第一锥形柱为例，需要说明的是，为了描述方便，将位于第一锥形柱下方的气阀称为第一气阀，第一气阀所在的管路为第一管路，第一管路连通的喷头为第一喷头。当需要控制第一喷头喷气时，步进电机驱动转盘转动，使凸块转动到第一锥形柱上方，凸块抵压锥形柱，锥形柱压缩弹簧向下移动，从而抵压对应的第一气阀的阀杆，使得第一气阀开启，导通第一管道，第一旋翼处的第一喷头喷出气体；当需要控制第一喷头停止喷气时，步进电机驱动转盘转动，使凸块离开第一锥形柱，在弹簧的回复力作用下锥形柱向上移动，压力消失后阀杆自动回弹，气阀关闭，截断所在管道。

所述控制电路包括电源模块、单片机、电机驱动模块、用于检测无人机与地面距离的超声波收发模块和用于检测无人机倾斜方向的检测模块，电源模块连接单片机、超声波收发模块、检测模块和电机驱动模块，超声波收发模块和检测模块连接单片机的输入端，单片机的输出端连接电机驱动模块，电机驱动模块连接气阀控制机构的步进电机。

其中电源模块包括9V电源、稳压器和电源显示电路，如图5所示，9V电源经电容C3和电容C1滤波后输入电压稳压器，电压稳压器经电容C4和电容C2滤波后输出电压，为单片机、超声波收发模块和电机驱动模块供电，电阻R3和发光二极管D3组成电源显示电路。如图6所示，单片机选用STC12C5A08S2，单片机的外围电路有由电阻R12和电容C7组成的复位电路以及电容C11、电容C10和晶振芯片Y2组成的晶振电路，与单片机连接的超声波收发模块P2选用SH0038超声波收发模块，与单片机连接的步进电机驱动模块采用ULN2003驱动芯片，电机驱动模块与气阀控制机构的步进电机连接，如图7所示。检测模块采用四个水银开关，如图8所示，分别与单片机的四个输入引脚连接，四个水银开关两两相对呈十字形分布，四个水银开关分别对应四个倾斜方向。该控制电路的工作原理是：当无人机发生倾斜时会触发一个或多个水银开关闭合，从而单片机引脚接收到高电平，且单片机根据超声波收发模块发送的信号得到无人机与地面的距离在危险距离范围内，则控制电机驱动芯片驱动气阀控制装置中的步进电机转动相应步数。如图11和图12所示，四个水银开关呈十字形分布，每个水银开关的排列方向分别指向四个旋翼，且指向旋翼的一端均呈一定倾角朝上倾斜，使得无人机倾斜到一定的角度时才可触发相应方向的水银开关，避免干扰触发。

优选，如图3所示，上述气阀的阀盖与阀体之间连接有套筒56，套筒内设有弹簧561，阀杆包括上阀杆522和下阀杆523，上阀杆穿过阀盖与套筒内的弹簧561顶端连接，下阀杆连接套筒内的弹簧561底端并穿过阀体抵接阀座中的弹簧541。阀杆顶端受压时，上阀杆挤压弹簧，从而带动下阀杆向下移动，气阀开启，由于上阀杆和下阀杆之间的弹簧起到缓冲作用，当转盘没有完全稳定时，不会立即开启气阀，起到延时作用。

气阀控制机构的隔板上两两相邻制动孔之间还开设有联动孔，该联动孔为台阶通孔，联动孔内穿设有联动柱67，联动柱67的顶端位于第一腔室，底端连接联动板68位于第二腔室。联动柱上套设有弹簧且弹簧底端抵接联动孔内的台阶，联动柱顶端受压时，台阶承接弹簧使弹簧变形，联动柱向下移动使联动板同时推动相邻的两个气阀的阀杆。以第一联动柱为例，第一联动柱位于第一锥形柱和第二锥形柱之间，当需要控制第一喷头和第二喷头同时喷气时，步进电机驱动转盘转动，使凸块转动到第一联动柱上方，凸块抵压第一联动柱，第一联动柱压缩弹簧向下移动，从而联动板同时抵压第一气阀的阀杆和第二气阀的阀杆，使得第一气阀和第二气阀开启，导通第一管道和第二管道，第一旋翼处的第一喷头以及第二旋翼处的第二喷头喷出气体；当需要控制第一喷头和第二喷头停止喷气时，步进电机驱动转盘转动，使凸块离开第一联动柱，在弹簧的回复力作用下第一联动柱向上移动，压力消失后第一气阀的阀杆和第二气阀的阀杆自动回弹，气阀关闭，截断所在管道。

以下为本发明实施例提供的一种无人机坠落保护装置，当无人机发生意外时，若满足超声波收发模块检测到离地面的高度为危险范围时，单片机会根据四个水银开关的导通状况来使气阀控制机构的步进电机转动从而开启相应的气阀，使无人机获得矫正力矩，达到矫正飞行姿态的目的。

如图2所示，无人机意外失控一般会有以下集中情况，螺旋桨A、螺旋桨B、螺旋桨C或螺旋桨D单个失速，或者螺旋桨A与螺旋桨B、螺旋桨B与螺旋桨C、螺旋桨C与螺旋桨D或螺旋桨D与螺旋桨A两两相邻的螺旋桨失速等。需要说明的是，为方便描述和理解，螺旋桨 A所在的旋翼称为第一旋翼，安装在第一旋翼内的喷头称为第一喷头，连通第一喷头与高压气罐的管道称为第一管道，安装在第一管道上的气阀称为第一气阀，同理，与螺旋桨B对应的为第二旋翼、第二喷头、第二管道和第二气阀，与螺旋桨C对应的为第三旋翼、第三喷头、第三管道和第三气阀，与螺旋桨D对应的为第四旋翼、第四喷头、第四管道和第四气阀。下面针对上述单个螺旋桨失速和相邻两个螺旋桨同时失速这两种状况，对本发明实施例提供的坠落保护装置的工作过程加以详细说明。

第一种状况

当无人机的螺旋桨A转速不正常时，会导致无人机呈现螺旋桨A端向下倾斜、螺旋桨C 端向上翘起，对应螺旋桨A端的水银开关导通，螺旋桨C端的水银开关由于安装具有一定的内倾角而并未导通，此时如果超声波收发模块检测的无人机离地面的高度在危险范围内，单片机控制步进电机驱动转盘上的凸块转动到第一气阀的顶端，凸块挤压锥形柱使其下降，因此第一气阀的阀杆带动活塞下降，使得进气腔内的气体通过阀芯的通道从出气腔中释放，进而从第一喷头喷出，从而达到矫正飞行姿态的目的。

第二种状况

当无人机的螺旋桨A和螺旋桨B转速均不正常时，会导致无人机呈现螺旋桨A、B端同时向下倾斜、螺旋桨C、D端向上翘起时，对应螺旋桨A端和螺旋桨B端的水银开关都导通，螺旋桨C端和螺旋桨D端的水银开关由于安装具有一定的内倾角而并未导通，此时如果超声波收发模块检测的无人机离地面的高度在危险范围内，单片机控制步进电机驱动转盘上的凸块转动到第一气阀与第二气阀之间的联动柱的顶端，凸块挤压联动柱使其下降，联动板推动第一气阀和第二气阀的阀杆，因此第一气阀和第二气阀的阀杆均带动活塞下降，使得第一气阀和第二气阀同时开启，进而第一喷头和第二喷头喷出气体，从而达到矫正飞行姿态的目的。

本发明实施例提供的无人机坠落保护装置，通过超声波收发模块及四个水银开关来监测无人机的运行状态，一旦处于意外失控状态，通过触发单片机控制电机驱动芯片驱动气阀控制机构中的步进电机，步进电机驱动转盘使凸块转动到相应的气阀上的锥形柱或联动柱，通过锥形柱或联动柱开启对应的气阀，使得所在的喷头喷气，对无人机的姿态进行调节，从而降低无人机损毁几率。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本实用新型的精神和原则之内，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 (2)

1.一种无人机坠落保护装置，用于安装在四旋翼无人机内部，其特征在于，包括喷气机构、气阀控制机构以及与气阀控制机构连接的控制电路；

所述喷气机构包括高压气罐、四个喷头以及连接在高压气罐与四个喷头之间的管路，每个管路均由一段硬管与一段软管连接组成，硬管与高压气罐连通，软管与喷头连通，每个硬管中安装有用于控制高压气罐与喷头之间管路通断的气阀；

所述气阀包括阀盖、阀杆、阀体和阀座，阀盖安装在阀体顶端，阀座安装在阀体底部，阀杆依次穿过阀盖和阀体，与设置在阀座内的弹簧抵接；阀体内设有阀芯，阀芯将阀体内腔分隔为进气腔和出气腔，阀芯上开设有通道，阀杆上设有与通道匹配的活塞，阀座内的弹簧呈自然状态时，阀杆上的活塞位于阀芯的通道中，气阀为关闭状态，当阀杆受力时，阀杆压缩阀座内的弹簧向下移动使活塞离开通道，气阀为开启状态；

四个所述气阀均由所述气阀控制机构控制开闭，所述气阀控制机构安装在四个气阀的上方；气阀控制机构包括顶端封闭底端开放的圆柱形壳体，壳体内水平设置有隔板，隔板将壳体内腔从上到下分隔为第一腔室和第二腔室，第一腔室中设置有步进电机和转盘，步进电机通过电机座固定在壳体顶壁，转盘固定在步进电机的输出轴上且平行设置在隔板上方；隔板上开设有四个制动孔，该制动孔为台阶通孔，制动孔内穿设有锥形柱，锥形柱的大端位于第一腔室，小端位于第二腔室，四个锥形柱分别位于四个气阀阀杆的正上方；锥形柱上套设有弹簧且弹簧底端抵接制动孔内的台阶，锥形柱顶端受压时，台阶承接弹簧使弹簧变形，锥形柱向下移动推动气阀的阀杆；所述转盘的底面设有凸块，凸块的底端低于锥形柱的顶端，转盘转动一圈凸块可依次抵压四个锥形柱；

所述控制电路包括电源模块、单片机、电机驱动模块、用于检测无人机与地面距离的超声波收发模块和用于检测无人机倾斜方向的检测模块，电源模块连接单片机、超声波收发模块、检测模块和电机驱动模块，超声波收发模块和检测模块连接单片机的输入端，单片机的输出端连接电机驱动模块，电机驱动模块连接气阀控制机构的步进电机；

所述控制电路中的检测模块为四个水银开关，四个水银开关分别连接单片机的四个输入引脚，四个水银开关呈十字形分布；

所述气阀控制机构的隔板上两两相邻制动孔之间还开设有联动孔，该联动孔为台阶通孔，联动孔内穿设有联动柱，联动柱的顶端位于第一腔室，底端位于第二腔室并连接有联动板，联动柱上套设有弹簧且弹簧底端抵接联动孔内的台阶，联动柱顶端受压时，台阶承接弹簧使弹簧变形，联动柱向下移动使联动板同时推动相邻的两个气阀的阀杆。

2.根据权利要求1所述的无人机坠落保护装置，其特征在于，所述气阀的阀盖与阀体之间连接有套筒，套筒内设有弹簧，阀杆包括上阀杆和下阀杆，上阀杆穿过阀盖与套筒内的弹簧顶端连接，下阀杆连接套筒内的弹簧底端并穿过阀体抵接阀座中的弹簧。