CN111522354A - 无人飞行载具及其失效安全方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提出一种无人飞行载具及其失效安全方法。所述无人飞行载具包括至少一个致动器、失效处理电路以及飞行控制器。至少一个致动器用以驱动无人飞行载具的飞行行为。失效处理电路用以：定义多个失效状态与多个保护措施之间的对应关系，其中对各个保护措施分别设定一个优先级且各个保护措施用以对应改变无人飞行载具的飞行行为；在飞行行为发生时判断多个当前失效状态；以及根据对应关系，选择当前失效状态对应的这些保护措施中，具有最高优先级的选定保护措施。飞行控制器用以根据选定保护措施改变无人飞行载具的飞行行为。本发明的应用上述失效安全方法的无人飞行载具可以在失效发生时采取最适当的保护措施。

Description

无人飞行载具及其失效安全方法
技术领域
本发明是有关于一种无人飞行技术，且特别是有关于一种无人飞行载具及其失效安全方法。
背景技术
无人机包括了感测器、动力源以及导航等子系统，而每一个子系统都是由多个元件组成来共同运作，任何一个元件失效都可能造成安全上的疑虑。失效保护或失效安全的概念是当系统发生特定的失效时，可以避免或降低其所造成的伤害。
目前的无人机的失效保护例如是在侦测到失效时切换成备用的控制模块或直接关闭动力源。然而，这样的作法并不实际。举例来说，若是在侦测到失效时切换成备用的控制模块，则当失效的元件是动力源本身时便无法发挥失效保护的作用；若是在侦测到失效时就直接关闭动力源，则有极大的可能会造成损伤或扩大损失。
“背景技术”段落只是用来帮助了解本发明内容，因此在“背景技术”段落所揭露的内容可能包含一些没有构成本领域技术人员所知道的已知技术。在“背景技术”段落所揭露的内容，不代表该内容或者本发明一个或多个实施例所要解决的问题，在本发明申请前已被本领域技术人员所知晓或认知。
发明内容
本发明提供一种无人飞行载具及其失效安全方法，可以在失效发生时采取最适当的保护措施。
本发明的其他目的和优点可以从本发明所揭露的技术特征中得到进一步的了解。
为达上述之一或部分或全部目的或是其他目的，本发明的一实施例提出一种无人飞行载具，其包括至少一个致动器、失效处理电路以及飞行控制器。至少一个致动器用以驱动无人飞行载具的飞行行为。失效处理电路用以：定义多个失效状态与多个保护措施之间的对应关系，其中对各个保护措施分别设定一个优先级且各个保护措施用以对应改变无人飞行载具的飞行行为；在飞行行为发生时判断多个当前失效状态，其中所定义的多个失效状态包括所述多个当前失效状态；以及根据对应关系，选择当前失效状态对应的这些保护措施中，具有最高优先级的选定保护措施。飞行控制器耦接于致动器以及失效处理电路，并且用以根据选定保护措施改变无人飞行载具的飞行行为。
为达上述之一或部分或全部目的或是其他目的，本发明的一实施例提出一种用于无人飞行载具的失效安全方法，其包括以下步骤：定义多个失效状态与多个保护措施之间的对应关系，其中对各个保护措施分别设定一个优先级且各个保护措施用以对应改变无人飞行载具的飞行行为；在无人飞行载具的飞行行为发生时，判断多个当前失效状态，其中所定义的失效状态包括所述多个当前失效状态；根据对应关系，选择当前失效状态对应的这些保护措施中，具有最高优先级的选定保护措施；以及根据选定保护措施改变无人飞行载具的飞行行为。
在本发明的一实施例中，上述的失效安全方法还包括以下步骤：停止根据选定保护措施以外的优先级较低的保护措施改变飞行行为。
基于上述，本发明实施例的无人飞行载具及其失效安全方法定义多个失效状态与多个保护措施之间的对应关系，并且赋予每一个保护措施一个优先级。当有多个失效状态同时发生时，选择采取当下发生的多个失效状态所对应的多个保护措施中，具有最高优先级的保护措施。据此，无论多个失效状态是同时发生或是轮流发生，都能够根据所定义的优先级来采取当下最适当的保护措施，将伤害与损失降到最低。
为让本发明的上述特征和优点能更明显易懂，下文特举实施例，并配合附图作详细说明如下。
附图说明
图1绘示本发明一实施例的无人飞行载具的方块图。
图2绘示本发明一实施例的失效安全方法的流程图。
图3绘示本发明一实施例的失效安全方法的流程图。
附图标记说明
100：无人飞行载具
110：致动器
120：飞行控制器
130：失效处理电路
140：通讯模块
150：定位模块
160：姿态感测器
S201、S203、S205、S207、S209、S301、S302、S303、S304、S305、S306、S307、S308、S309、S310、S311、S312、S313：失效安全方法的步骤。
具体实施方式
有关本发明的前述及其他技术内容、特点与功效，在以下配合参考附图的一优选实施例的详细说明中，将可清楚的呈现。以下实施例中所提到的方向用语，例如：上、下、左、右、前或后等，仅是参考附图的方向。因此，使用的方向用语是用来说明并非用来限制本发明。此外，本发明使用的连接、耦接等用语，是说明两装置之间的讯号的传递，并非仅限于装置之间直接接触的关系。
图1绘示本发明一实施例的无人飞行载具的方块图。
请参照图1，无人飞行载具100包括致动器110、飞行控制器(Flight Controller，FC)120、失效处理电路130、通讯模块140、定位模块150以及姿态感测器160。
致动器110用以驱动无人飞行载具100的飞行行为。举例来说，致动器110包括动力源(例如，马达)、电子变速器以及旋翼等等，能够根据来自飞行控制器120的电子讯号驱动无人飞行载具100的飞行行为，例如起飞、转向、变速、降落等。在本文中，只要致动器110(例如，动力源)开始运转，无论无人飞行载具100是否离开地面，都称作飞行行为已经发生。此外，本发明并不在此限制致动器110的数量，视乎不同的设计，无人飞行载具100可以包括一或多组致动器110。
飞行控制器120耦接于致动器110，用以产生并发送电子讯号至致动器110，以控制致动器110的运作进而控制无人飞行载具100的飞行行为。举例来说，飞行控制器120根据来自无人飞行载具100上其他元件的讯息(例如，来自通讯模块140的遥控讯号、来自定位模块150的位置资讯或来自姿态感测器160的加速度资料等)，决定如何控制无人飞行载具100的航向或调整无人飞行载具100的姿态等等，但本发明并不限于此。
失效处理电路130耦接于无人飞行载具100的飞行控制器120以及其他多个元件，包括致动器110、通讯模块140、定位模块150以及姿态感测器160等等。失效处理电路130是用以侦测无人飞行载具100的失效状态，并且根据所侦测到的失效状态来决定保护措施，然后再将所决定的保护措施通知飞行控制器120以使其据以控制无人飞行载具100的飞行行为。失效处理电路130所能侦测的失效状态的类型包括元件故障、姿态异常或环境异常等，本发明并不在此设限。举例来说，失效处理电路130可以是中央处理单元(CentralProcessing Unit，CPU)，或是其他可编程的一般用途或特殊用途的微处理器(Microprocessor)、数字讯号处理器(Digital Signal Processor，DSP)、可编程控制器、特殊应用集成电路(Application Specific Integrated Circuits，ASIC)、可编程逻辑装置(Programmable Logic Device，PLD)、现场可编程逻辑门阵列(Field Programmable GateArray，FPGA)或其他类似装置或这些装置的组合等，本发明并不在此设限。
此外，值得一提的是，失效处理电路130可以是独立于飞行控制器120以外的电路或晶片，也可以是与飞行控制器120整合成单一个电路或晶片，本发明并不在此设限。
通讯模块140用以从外部设备接收遥控讯号。举例来说，通讯模块140，例如包括WiFi模块或无线电收发模块等无线传输模块，可用以接收来自智能手机、平板电脑、遥控器(Remote Controller，RC)或地面控制站(Ground Control Station，GCS)等外部设备的遥控讯号，但本发明并不限于此。
定位模块150用以取得无人飞行载具100的位置资讯。举例来说，定位模块150可以是基于卫星定位系统的全球定位系统(Global Positioning System，GPS)接收器，可以接收无人飞行载具100当前的经纬度，但本发明并不限于此。
姿态感测器160用以感测无人飞行载具100的当前姿态。举例来说，姿态感测器160包括三轴加速度感测器以及陀螺仪的其中之一或其组合，这些元件所取得的资料可以反映无人飞行载具100的当前姿态，例如包括偏摆角(yaw)、翻滚角(roll)以及俯仰角(pitch)等。
图2绘示本发明一实施例的失效安全方法的流程图。
请参照图1与图2，首先，失效处理电路130会定义多个失效状态与多个保护措施之间的对应关系(步骤S201)，其中保护措施是用以改变无人飞行载具100的飞行行为，并且失效处理电路130会赋予每一个保护措施一个优先级。
具体来说，发生不同的失效状态时无人飞行载具100的剩余能力不同，因此可能造成的损害或严重性也不相同。基于此，对于严重性较高的失效状态，失效处理电路130会赋予其所对应的保护措施较高的优先级。
举例来说，多个失效状态与多个保护措施的对应关系以及各个保护措施的优先级如下表一所示。
表一
Figure BDA0001966043930000051
详细来说，当失效处理电路130所侦测到的无人飞行载具100的失效状态为通讯模块130故障时，无人飞行载具100虽然无法由外部设备来进行遥控，但是仍然具有正常飞行与导航等能力。因此，通讯模块140故障对应的保护措施为返航，也就是将无人飞行载具100当前的飞行行为改变成飞行到返航点。返航点例如是预设在无人飞行载具100的存储器(未绘示)中，其可以是相同于起飞点或不同于起飞点，本发明并不在此设限。
当失效处理电路130所侦测到的无人飞行载具100的失效状态为定位模块150或致动器110故障时，无人飞行载具100此时失去方向而不再具有导航能力也无法飞行至返航点。因此，定位模块150或致动器110故障对应的保护措施为原地降落，且原地降落对应的优先级比返航的优先级高。
当失效处理电路130所侦测到的无人飞行载具100的失效状态为当前姿态异常时，致动器110已经无法平衡无人飞行载具100或发生其他严重的失效，无人飞行载具100此时可能出现旋转、翻滚等动作。在这样的状态下若继续提供动力给无人飞行载具100可能会对周遭环境造成极大的损害。因此，无人飞行载具100当前姿态异常对应的保护措施为关闭致动器110，且关闭致动器110的优先级比原地降落对应的优先级高。
值得一提的是，上述的对应关系以及优先级仅是为了说明而举的示范例，并非用以限制本发明。此外，本发明亦不在此限制上述对应关系以及优先级的定义方式，其可以是预先写入失效处理电路当中，也可以是让使用者自行定义。
在无人飞行载具100的飞行行为发生时，失效处理电路130会侦测无人飞行载具100的失效状态(步骤S203)，此时所侦测到的失效状态又称作当前失效状态。
举例来说，失效处理电路130可以根据通讯模块140与外部设备之间的讯号状态判断通讯模块140是否发生故障；失效处理电路130可以根据来自致动器110的讯号判断致动器110是否发生故障，例如转速异常等；失效处理电路130可以根据来自定位模块150的讯号判断定位模块150是否发生故障；以及失效处理电路130可以根据来自姿态感测器160的感测资料判断无人飞行载具100的当前姿态是否异常，例如当无人飞行载具100的翻滚角大于预设的翻滚角阀值或俯仰角大于预设的俯仰角阀值时，失效处理电路130就会判断无人飞行载具100的当前姿态异常。然而，本发明并不在此限制失效状态的具体判断方式，本领域技术人员当可依其需求来设定。
若存在一个当前失效状态，则失效处理电路130依据上述的对应关系选择当前失效状态所对应的保护措施为选定保护措施(步骤S205)，然后将选定保护措施通知飞行控制器120。
举例来说，若失效处理电路130侦测到通讯模块140故障是唯一的当前失效状态，则会从失效状态与保护措施的对应关系中选择对应的“返航”为选定保护措施。
若存在多个当前失效状态，失效处理电路310会根据先前定义好的对应关系，选择多个当前失效状态对应的多个保护措施中，具有最高优先级的选定保护措施(步骤S207)，然后将选定保护措施通知飞行控制器120。
举例来说，若失效处理电路130侦测到通讯模块140故障以及定位模块150故障两个当前失效状态，则由于定位模块150故障对应的保护措施“原地降落”的优先级高于通讯模块140故障对应的保护措施“返航”的优先级，失效处理电路130会选择“原地降落”为选定保护措施。
最后，飞行控制器120会根据选定保护措施来控制无人飞行载具100的飞行行为(步骤S209)。
举例来说，若在无人飞行载具100朝向目的地飞行的过程中飞行控制器120接收到来自失效处理电路130的选定保护措施“返航”，则飞行控制器120会根据选定保护措施“返航”改变无人飞行载具100的飞行行为，也就是根据来自定位模块150的位置资讯将无人飞行载具100飞行至返航点。此时，若又出现其他当前失效状态，导致飞行控制器120又接收到来自失效处理电路130的选定保护措施“原地降落”，则飞行控制器120会停止根据优先级较低的“返航”改变无人飞行载具100的飞行行为，改为根据优先级较高的“原地降落”改变无人飞行载具100的飞行行为，使无人飞行载具100在原地降落。
如此一来，无论多个当前失效状态同时发生或是轮流发生，失效处理电路130都能够根据优先级来采取当下最适当的保护措施，将伤害与损失降到最低。以下将举另一实施例来从失效处理电路130的处理逻辑的角度说明失效安全方法。
图3绘示本发明一实施例的失效安全方法的流程图。
请参照图1与图3，首先失效处理电路130会判断无人飞行载具100的飞行行为是否发生(步骤S301)。
举例来说，失效处理电路130会判断无人飞行载具100的致动器110(例如，动力源)是否已经开始运转。若致动器110尚未开始运转，则判断无人飞行载具100的飞行行为尚未发生；反之则判断无人飞行载具100的飞行行为已经发生。
若失效处理电路130判断无人飞行载具100的飞行行为尚未发生，则会侦测是否有当前失效状态存在，只要侦测到任何一个当前失效状态存在就禁止飞行行为发生。
举例来说，失效处理电路130会判断无人飞行载具100的当前姿态是否正常(步骤S302)，判断致动器110与定位模块150是否皆正常(步骤S303)，以及判断通讯模块140是否正常(步骤S304)。若失效处理电路130判断无人飞行载具100的当前姿态、致动器110、定位模块150以及通讯模块140皆正常，则允许飞行行为发生(步骤S305)，也就是不发出禁止飞行行为的通知给飞行控制器120。反之，若失效处理电路130判断无人飞行载具100的当前姿态、致动器110、定位模块150以及通讯模块140的其中之一是异常，就会禁止飞行行为发生(步骤S306)，例如发出禁止飞行行为的通知给飞行控制器120，以避免飞行控制器120指示致动器110开始运转。不管无人飞行载具100是否进行故障排除，失效处理电路130会回到步骤S301，即接续判断无人飞行载具100的飞行行为是否发生。
若失效处理电路130判断无人飞行载具100的飞行行为已经发生，则会在侦测到有当前失效状态存在时，采取当前失效状态所对应的最高优先级的保护措施。
举例来说，失效处理电路130会根据所对应的保护措施的优先级顺序，来依序侦测失效状态是否发生，并且在侦测到失效状态(即，当前失效状态)发生时就直接采取对应的保护措施。
请同时参照图3与表一，由于当前姿态异常所对应的保护措施的优先级最高，因此失效处理电路130会先判断无人飞行载具100的当前姿态是否正常(步骤S307)，并且依据失效状态与保护措施的对应关系判断当前失效状态为当前姿态异常时，通知飞行控制器120以关闭致动器110(步骤S311)。
由于致动器110故障以及定位模块150故障所对应的保护措施的优先级次高，因此失效处理电路130会在判断无人飞行载具100的当前姿态正常后，接着判断致动器110以及定位模块150是否皆正常(步骤S308)，并且依据失效状态与保护措施的对应关系判断当前失效状态为致动器110以及定位模块150的至少其中之一有故障时，通知飞行控制器120以控制无人飞行载具100在原地降落(步骤S312)。
由于通讯模块140故障所对应的保护措施的优先级最低，因此失效处理电路130会在判断无人飞行载具100的当前姿态、致动器110以及定位模块150都正常后，接着判断通讯模块140是否正常(步骤S309)，并且依据失效状态与保护措施的对应关系判断当前失效状态为通讯模块140故障时，通知飞行控制器120以控制无人飞行载具100返航，也就是飞行至返航点(步骤S313)。当无人飞行载具100在关闭致动器110(步骤S311)、原地降落(步骤S312)、或飞行至返航点(步骤S313)之后，不管无人飞行载具100是否进行故障排除，失效处理电路130会回到步骤S301，即接续判断无人飞行载具100的飞行行为是否发生。
若失效处理电路130在飞行行为发生时没有侦测到任何当前失效状态，则不会通知飞行控制器120，而飞行控制器120会控制致动器110以继续无人飞行载具100的飞行行为(步骤S310)。
特别是，失效处理电路130例如会以特定的频率(例如但不限于，3次/秒)来进行图3实施例中的流程。如此一来，类似于图2实施例，无论多个当前失效状态同时发生或是轮流发生，失效处理电路130都能够根据优先级来采取当下最适当的保护措施，将伤害与损失降到最低。
综上所述，本发明实施例的无人飞行载具及其失效安全方法定义多个失效状态与多个保护措施之间的对应关系，并且赋予每一个保护措施一个优先级。当有多个失效状态同时发生时，选择采取当下发生的多个失效状态所对应的多个保护措施中，具有最高优先级的保护措施。据此，无论多个失效状态是同时发生或是轮流发生，都能够根据所定义的优先级来采取当下最适当的保护措施，将伤害与损失降到最低。
以上所述，仅为本发明的优选实施例而已，当不能以此限定本发明实施的范围，即所有依本发明权利要求书及发明说明内容所作的简单的等效变化与修改，皆仍属本发明专利覆盖的范围内。另外本发明的任一实施例或权利要求不须达成本发明所揭露的全部目的或优点或特点。此外，摘要部分和发明名称仅是用来辅助专利文件检索之用，并非用来限制本发明的权利范围。此外，本说明书或权利要求书中提及的“第一”、“第二”等用语仅用于命名元件(element)的名称，而并非用来限制元件数量上的上限或下限。

Claims (20)

1.一种无人飞行载具，其特征在于，包括：至少一个致动器、失效处理电路以及飞行控制器；其中，
所述至少一个致动器用以驱动所述无人飞行载具的飞行行为；
所述失效处理电路用以：
定义多个失效状态与多个保护措施之间的对应关系，其中对所述多个保护措施分别设定优先级且各所述多个保护措施用以对应改变所述无人飞行载具的所述飞行行为；
在所述飞行行为发生时判断多个当前失效状态，其中所述多个失效状态包括所述多个当前失效状态；以及
根据所述对应关系，选择所述多个当前失效状态对应的所述多个保护措施中，具有最高的所述优先级的选定保护措施；以及
所述飞行控制器耦接于所述致动器以及所述失效处理电路，用以根据所述选定保护措施改变所述无人飞行载具的所述飞行行为。
2.根据权利要求1所述的无人飞行载具，其特征在于，所述飞行控制器还用以停止根据所述选定保护措施以外的所述优先级较低的所述多个保护措施改变所述飞行行为。
3.根据权利要求1所述的无人飞行载具，其特征在于，还包括：
通讯模块，耦接于所述失效处理电路，用以从外部设备接收遥控讯号，其中所述失效处理电路判断所述多个当前失效状态包括判断所述通讯模块是否发生故障。
4.根据权利要求3所述的无人飞行载具，其特征在于，还包括：
定位模块，耦接于所述失效处理电路，其中所述失效处理电路判断所述多个当前失效状态包括判断所述定位模块或所述致动器是否发生故障，
其中所述定位模块或所述致动器发生故障对应的所述保护措施的所述优先级高于所述通讯模块发生故障对应的所述保护措施的所述优先级。
5.根据权利要求4所述的无人飞行载具，其特征在于，还包括：
姿态感测器，耦接于所述失效处理电路，用以感测所述无人飞行载具的当前姿态，其中所述失效处理电路判断所述多个当前失效状态包括判断所述当前姿态是否异常，
其中所述当前姿态异常对应的所述保护措施的所述优先级高于所述定位模块或所述致动器发生故障对应的所述保护措施的所述优先级。
6.根据权利要求3所述的无人飞行载具，其特征在于，所述通讯模块发生故障对应的所述保护措施为返航。
7.根据权利要求6所述的无人飞行载具，其特征在于，还包括：
定位模块，耦接于所述飞行控制器，用以取得所述无人飞行载具的位置资讯，其中所述飞行控制器在所述选定保护措施为返航时，根据所述位置资讯控制所述致动器改变所述无人飞行载具的所述飞行行为，使所述无人飞行载具飞行至返航点。
8.根据权利要求4所述的无人飞行载具，其特征在于，所述定位模块或所述致动器发生故障对应的所述保护措施为原地降落。
9.根据权利要求5所述的无人飞行载具，其特征在于，所述当前姿态异常对应的所述保护措施为关闭所述致动器。
10.根据权利要求1所述的无人飞行载具，其特征在于，所述失效处理电路在所述飞行行为发生前，还用以：
判断所述无人飞行载具是否存在当前失效状态；以及
在判断所述无人飞行载具存在所述当前失效状态时，禁止所述飞行行为的发生。
11.一种失效安全方法，用于无人飞行载具，其特征在于，所述失效安全方法包括：
定义多个失效状态与多个保护措施之间的对应关系，其中对所述多个保护措施分别设定优先级且所述多个保护措施用以对应改变所述无人飞行载具的飞行行为；
在所述无人飞行载具的所述飞行行为发生时，判断多个当前失效状态，其中所述多个失效状态包括所述多个当前失效状态；
根据所述对应关系，选择所述多个当前失效状态对应的所述多个保护措施中，具有最高的所述优先级的选定保护措施；以及
根据所述选定保护措施改变所述无人飞行载具的所述飞行行为。
12.根据权利要求11所述的失效安全方法，其特征在于，还包括：
停止根据所述选定保护措施以外的所述优先级较低的所述多个保护措施改变所述飞行行为。
13.根据权利要求11所述的失效安全方法，其特征在于，判断所述多个当前失效状态的步骤包括：
判断所述无人飞行载具的通讯模块是否发生故障，其中所述通讯模块用以从外部设备接收遥控讯号。
14.根据权利要求13所述的失效安全方法，其特征在于，判断所述多个当前失效状态的步骤包括：
判断所述无人飞行载具的定位模块或致动器是否发生故障，其中所述定位模块用以取得所述无人飞行载具的位置资讯，并且所述致动器用以驱动所述飞行行为，
其中所述定位模块或所述致动器发生故障对应的所述保护措施的所述优先级高于所述通讯模块发生故障对应的所述保护措施的所述优先级。
15.根据权利要求14所述的失效安全方法，其特征在于，判断所述多个当前失效状态的步骤包括：
感测所述无人飞行载具的当前姿态；以及
判断所述当前姿态是否异常，
其中所述当前姿态异常对应的所述保护措施的所述优先级高于所述定位模块或所述致动器发生故障对应的所述保护措施的所述优先级。
16.根据权利要求13所述的失效安全方法，其特征在于，所述通讯模块发生故障对应的所述保护措施为返航。
17.根据权利要求16所述的失效安全方法，其特征在于，还包括：
透过定位模块取得所述无人飞行载具的位置资讯；以及
当所述选定保护措施为返航时，根据所述位置资讯改变所述无人飞行载具的所述飞行行为，使所述无人飞行载具飞行至返航点。
18.根据权利要求14所述的失效安全方法，其特征在于，所述定位模块或所述致动器发生故障对应的所述保护措施为原地降落。
19.根据权利要求15所述的失效安全方法，其特征在于，所述当前姿态异常对应的所述保护措施为关闭所述致动器。
20.根据权利要求11所述的失效安全方法，其特征在于，在所述飞行行为发生前，所述失效安全方法还包括：
判断所述无人飞行载具是否存在当前失效状态；以及
在判断所述无人飞行载具存在所述当前失效状态时，禁止所述飞行行为的发生。
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