CN115542715A - 一种基于运行时保证框架的安全无人机系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提出一种基于运行时保证框架的安全无人机系统，属于安全控制技术领域。所述系统包括位于所述无人机的机身中部的基于运行时保证(Runtime Assurance，RTA)框架的自动驾驶控制模块，并利用所述自动驾驶控制模块控制位于所述无人机头部的斜盘控制结构和位于所述无人机底部的舵面控制结构，从而实现对所述无人机的飞行状态进行容错控制。
Description
技术领域
本发明属于安全控制技术领域，尤其涉及一种基于运行时保证框架的安全无人机系统。
背景技术
在未知的战争环境中，无人飞行器的协调软件需要使飞行控制、安全监控、武器管理、任务规划、消息暗示和其他系统能够紧密配合，这就需要对系统安全防护以及无人机的硬件做出合理的设计，针对传统无人飞行器系统的安全技术问题而言，通常使用的方法是找出系统中可能存在的安全漏洞，或是在概率上保证安全技术在很大程度上不会出错，但是面面俱到的安全体系庞大臃肿，使得无人飞行系统难以承受其代价，且无法聚焦问题，因此需要设计一种智能系统安全解决方案，在被控对象运行非确定性系统(例如：智能算法)时，实时进行监视和控制的过程，以观察判断非确定性系统是否正常运行，对无人机飞控系统进行容错控制。
在现有的无人机运行方案中，当无人机存在硬件受损或者受到攻击时，为人机的飞行安全无法得到保障。尤其在复杂的天气环境中，飞行器的硬件和软件方面都需要容错方案，且还需在短时间内实现若错过渡的平缓切换。
发明内容
本发明利针对现有无人机存在的硬件受损或者受到攻击时飞行安全不无法得到保障的技术问题，提出了一种基于运行时保证框架的安全无人机系统(及对应的无人机)。
本发明第一方面公开了一种基于运行时保证框架的安全无人机系统。所述系统包括位于所述无人机的机身中部的基于运行时保证(Runtime Assurance，RTA)框架的自动驾驶控制模块(5)，并利用所述自动驾驶控制模块(5)控制位于所述无人机头部的斜盘控制结构(16)和位于所述无人机底部的舵面控制结构(13)，从而实现对所述无人机的飞行状态进行容错控制。
其中，所述斜盘控制结构(16)包括斜盘机械机构(1)、无人机桨叶(2)和传动结构，所述无人机桨叶(2)包括上桨叶和下桨叶，所述上桨叶逆时针转动，所述下桨叶顺时针转动，所述传动结构包括安装于第一层固定板(4)上的传动结构第一部件(3)和传动结构第二部件(8)；所述舵面控制结构(13)包括舵面结构第一部件(11)、舵面结构第二部件(12)、舵机安装部位(14)以及第三层固定板(15)，所述舵机安装部位(14)位于所述第三层固定板(15)上，所述舵面结构第一部件(11)和所述舵面结构第二部件(12)构成所述无人机底部的两对舵面。
其中，在所述运行时保证框架内：当所述无人机的飞行状态为正常运行状态时，所述自动驾驶控制模块(5)被配置为利用所述斜盘控制结构(16)和所述舵面控制结构(13)共同控制所述无人机的姿态调整和机动工作；当所述斜盘控制结构(16)出现故障时，所述上桨叶和所述下桨叶始终保持在同一垂直线上，所述自动驾驶控制模块(5)被配置为利用所述斜盘控制结构(16)为所述无人机提供动力支持，并通过调节所述舵面控制结构(13)的舵面偏转角度来控制所述无人机的姿态调整和悬停自稳；当所述舵面控制结构(13)出现故障时，所述自动驾驶控制模块(5)被配置为利用所述斜盘控制结构(16)为所述无人机提供所述动力支持，并通过调节所述斜盘机械结构(1)与水平面的偏移角度来控制所述无人机的姿态调整。
根据本发明第一方面的系统，所述无人机还包括位于所述无人机的机身中部的无人机外壳(9)，所述无人机外壳(9)呈圆筒状，其上部与位于所述无人机头部的斜盘控制结构(16)连接，其底部与位于所述无人机底部的舵面控制结构(13)连接；所述无人机外壳(9)形成无人机内部空间(10)，在所述无人机内部空间(10)中，从上至下依次安装有所述第一层固定板(4)、所述自动驾驶控制模块(5)、第二层固定板(6)以及无人机电池(7)，所述自动驾驶控制模块(5)安装于所述第二层固定板(6)上。
根据本发明第一方面的系统，所述运行时保证框架的安全边界判断条件包括：(i)斜盘故障；和/或(ii)舵面故障；其中：当所述斜盘故障或所述舵面故障发生时，所述无人机仍处于所述运行时保证框架内，所述自动驾驶控制模块(5)仍能保证所述无人机的安全运行，且当所述斜盘故障或所述舵面故障被安全解决时，所述无人机的飞行状态恢复为所述正常运行状态时；具体包括：所述自动驾驶控制模块(5)检测到所述斜盘故障或所述舵面故障发生，所述无人机从当前斜盘和舵面共同控制的状态切换至舵面单一控制或斜盘单一控制的状态，切换过程包括第一时段和第二时段，在所述第一时段，发生故障的斜盘或舵面逐渐停止工作，当其完全停止工作后进入所述第二时段，由未发生故障的舵面或斜盘逐渐控制所述无人机的姿态调整和悬停自稳，直到所述无人机的状态输出进入平稳阶段，所述切换过程的持续时间不超过所述无人机的切换驻留时间阈值。
其中：当所述斜盘故障和所述舵面故障同时发生时，所述无人机逾越所述运行时保证框架，所述自动驾驶控制模块(5)无法控制所述无人机的安全运行，且所述无人机无法回到所述运行时保证框架，也无法恢复至所述正常运行状态。
根据本发明第一方面的系统，所述无人机的状态输出进入所述平稳阶段的判断条件为：所述无人机的升力系数、阻力系数、侧向力系数、滚转力矩系数、偏航力矩系数以及转动惯量均在正常值范围内。
本发明第二方面公开了一种基于运行时保证框架的安全无人机。所述无人机包括位于机身中部的基于运行时保证(Runtime Assurance，RTA)框架的自动驾驶控制模块(5)，并利用所述自动驾驶控制模块(5)控制位于所述无人机头部的斜盘控制结构(16)和位于所述无人机底部的舵面控制结构(13)，从而实现对所述无人机的飞行状态进行容错控制。
其中。所述斜盘控制结构(16)包括斜盘机械机构(1)、无人机桨叶(2)和传动结构，所述无人机桨叶(2)包括上桨叶和下桨叶，所述上桨叶逆时针转动，所述下桨叶顺时针转动，所述传动结构包括安装于第一层固定板(4)上的传动结构第一部件(3)和传动结构第二部件(8)；所述舵面控制结构(13)包括舵面结构第一部件(11)、舵面结构第二部件(12)、舵机安装部位(14)以及第三层固定板(15)，所述舵机安装部位(14)位于所述第三层固定板(15)上，所述舵面结构第一部件(11)和所述舵面结构第二部件(12)构成所述无人机底部的两对舵面。
其中，在所述运行时保证框架内：当所述无人机的飞行状态为正常运行状态时，所述自动驾驶控制模块(5)被配置为利用所述斜盘控制结构(16)和所述舵面控制结构(13)共同控制所述无人机的姿态调整和机动工作；当所述斜盘控制结构(16)出现故障时，所述上桨叶和所述下桨叶始终保持在同一垂直线上，所述自动驾驶控制模块(5)被配置为利用所述斜盘控制结构(16)为所述无人机提供动力支持，并通过调节所述舵面控制结构(13)的舵面偏转角度来控制所述无人机的姿态调整和悬停自稳；当所述舵面控制结构(13)出现故障时，所述自动驾驶控制模块(5)被配置为利用所述斜盘控制结构(16)为所述无人机提供所述动力支持，并通过调节所述斜盘机械结构(1)与水平面的偏移角度来控制所述无人机的姿态调整。
根据本发明第二方面的无人机，所述无人机还包括位于机身中部的无人机外壳(9)，所述无人机外壳(9)呈圆筒状，其上部与位于所述斜盘控制结构(16)连接，其底部与位于所述舵面控制结构(13)连接；所述无人机外壳(9)形成无人机内部空间(10)，在所述无人机内部空间(10)中，从上至下依次安装有所述第一层固定板(4)、所述自动驾驶控制模块(5)、第二层固定板(6)以及无人机电池(7)，所述自动驾驶控制模块(5)安装于所述第二层固定板(6)上。
根据本发明第二方面的无人机，所述运行时保证框架的安全边界判断条件包括：(i)斜盘故障；和/或(ii)舵面故障；其中：当所述斜盘故障或所述舵面故障发生时，所述无人机仍处于所述运行时保证框架内，所述自动驾驶控制模块(5)仍能保证所述无人机的安全运行，且当所述斜盘故障或所述舵面故障被安全解决时，所述无人机的飞行状态恢复为所述正常运行状态时；具体包括：所述自动驾驶控制模块(5)检测到所述斜盘故障或所述舵面故障发生，所述无人机从当前斜盘和舵面共同控制的状态切换至舵面单一控制或斜盘单一控制的状态，切换过程包括第一时段和第二时段，在所述第一时段，发生故障的斜盘或舵面逐渐停止工作，当其完全停止工作后进入所述第二时段，由未发生故障的舵面或斜盘逐渐控制所述无人机的姿态调整和悬停自稳，直到所述无人机的状态输出进入平稳阶段，所述切换过程的持续时间不超过所述无人机的切换驻留时间阈值。
其中，当所述斜盘故障和所述舵面故障同时发生时，所述无人机逾越所述运行时保证框架，所述自动驾驶控制模块(5)无法控制所述无人机的安全运行，且所述无人机无法回到所述运行时保证框架，也无法恢复至所述正常运行状态。
根据本发明第二方面的无人机，所述无人机的状态输出进入所述平稳阶段的判断条件为：所述无人机的升力系数、阻力系数、侧向力系数、滚转力矩系数、偏航力矩系数以及转动惯量均在正常值范围内。
本发明第三方面公开了一种计算机可读存储介质。所述计算机可读存储介质上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时，实现本公开第一方面中任一项所述的一种基于运行时保证框架的安全无人机系统中所述自动驾驶控制模块(5)的功能。
本发明提供的技术方案通过容错飞控系统以及硬件冗余的方式，实现在复杂环境中硬件部分故障的情况下完成飞行任务，并通过软件上容错飞控系统设计，在出现运行时安全问题的情况下实现从原有基准系统至容错过渡系统的平缓切换，保证在硬件受损或者需要做出实时大机动避障动作是依然能够顺利完成飞行任务。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为根据本发明实施例的基于运行时保证框架的安全无人机的组成示意图；
图2为根据本发明实施例的自动驾驶控制模块实现的控制流程示意图；
图3为根据本发明实施例的基于运行时保证(Runtime Assurance，RTA)框架的控制流程示意图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例只是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明第一方面公开了一种基于运行时保证框架的安全无人机系统。所述系统包括位于所述无人机的机身中部的基于运行时保证(Runtime Assurance，RTA)框架的自动驾驶控制模块(5)，并利用所述自动驾驶控制模块(5)控制位于所述无人机头部的斜盘控制结构(16)和位于所述无人机底部的舵面控制结构(13)，从而实现对所述无人机的飞行状态进行容错控制。
图1为根据本发明实施例的基于运行时保证框架的安全无人机的组成示意图；如图1所示，所述斜盘控制结构(16)包括斜盘机械机构(1)、无人机桨叶(2)和传动结构，所述无人机桨叶(2)包括上桨叶和下桨叶，所述上桨叶逆时针转动，所述下桨叶顺时针转动，所述传动结构包括安装于第一层固定板(4)上的传动结构第一部件(3)和传动结构第二部件(8)；所述舵面控制结构(13)包括舵面结构第一部件(11)、舵面结构第二部件(12)、舵机安装部位(14)以及第三层固定板(15)，所述舵机安装部位(14)位于所述第三层固定板(15)上，所述舵面结构第一部件(11)和所述舵面结构第二部件(12)构成所述无人机底部的两对舵面；所述无人机还包括位于所述无人机的机身中部的无人机外壳(9)，所述无人机外壳(9)呈圆筒状，其上部与位于所述无人机头部的斜盘控制结构(16)连接，其底部与位于所述无人机底部的舵面控制结构(13)连接；所述无人机外壳(9)形成无人机内部空间(10)，在所述无人机内部空间(10)中，从上至下依次安装有所述第一层固定板(4)、所述自动驾驶控制模块(5)、第二层固定板(6)以及无人机电池(7)，所述自动驾驶控制模块(5)安装于所述第二层固定板(6)上。
在所述运行时保证框架内：当所述无人机的飞行状态为正常运行状态时，所述自动驾驶控制模块(5)被配置为利用所述斜盘控制结构(16)和所述舵面控制结构(13)共同控制所述无人机的姿态调整和机动工作；当所述斜盘控制结构(16)出现故障时，所述上桨叶和所述下桨叶始终保持在同一垂直线上，所述自动驾驶控制模块(5)被配置为利用所述斜盘控制结构(16)为所述无人机提供动力支持，并通过调节所述舵面控制结构(13)的舵面偏转角度来控制所述无人机的姿态调整和悬停自稳；当所述舵面控制结构(13)出现故障时，所述自动驾驶控制模块(5)被配置为利用所述斜盘控制结构(16)为所述无人机提供所述动力支持，并通过调节所述斜盘机械结构(1)与水平面的偏移角度来控制所述无人机的姿态调整。
具体地，上述无人机结构不仅能够加强其本身的控制效率以及抗风特性，而且其冗余控制结构能够使得无人机运行时更具有可靠性；容错飞控系统能够实现不同冗余结构下控制方案的平滑切换。
硬件上：当下无人机为单结构控制方式，单一的结构控制方法对无人机的控制效率较低，在大风环境下不能很好的发挥控制作用，并且对于大机动动作反应不灵敏，甚至不能够完成大机动动作，同时，单一的控制结构无法保证无人机飞行过程中可靠性，一旦控制结构出现问题，导致的结果往往是炸机，而为了克服这一缺点，本专利提出一种具有冗余结构的混控方式共轴双桨无机，让无人机同时具有斜盘和舵面两套控制结构，在正常工作时进行混合控制，能够具有更高的控制效率，其抗风性和机动性能也大大提高，而且当其中一套控制结构出现问题时，另外一套控制结构依旧可以单独工作，完成无人机的姿态控制等，使得无人机更加具有可靠性；
软件上：综合考虑无人机避障控制失衡、无人机在受到外部攻击硬件受损时，无人机原有的控制方案已经失去对于无人机的控制作用，需在原有飞控系统的基础上，为了保障高安全高可靠性进行第二套容错飞控系统设计，在出现运行时安全问题时在原有基准系统至容错过渡系统的平缓切换，在将无人机导至安全区域后再切换控制权至基准系统进行安全控制，保证系统切换的流畅和平稳。
具体地，上述无人机的结构包括：斜盘机械结构(1)，无人机桨叶(2)，且其特点为上下桨叶旋转方向相反，一般为上桨叶逆时针，下桨叶顺时针，传动结构(3)和(8)安装于第一层固定板(4)之上，斜盘机械结构(1)、无人机桨叶(2)以及传动结构组成无人机的上部斜盘控制结构(16)；自动驾驶系统(5)(也即自动驾驶控制模块(5))安装于第二层固定板(6)之上，无人机电池(7)安装于无人机内部空间(10)中，无人机外壳(9)呈圆筒状，上述的设备全部放置于外壳内部，底部的舵面结构(11)、(12)分别为无人机底部的两对舵面，舵机安装部位(14)固定于第三层固定板(15)之上，舵面(11)、(12)以及舵机组成无人机底部舵面控制结构(13)。
具体地，所述斜盘控制结构(16)可以单独实现无人机的姿态控制，双桨提供动力，斜盘结构即可实现无人机的姿态变换，其依托于自动驾驶系统(5)的斜盘控制系统。底部舵面控制结构(13)也可以单独实现无人机的姿态控制，此时无人机双桨相当于仅提供动力部分，姿态则由底部的舵面来完成控制功能：实现控制方法是通过PID调整，具体实现为：当无人机向右方向倾斜时，为保持无人机的自稳状态，舵面(12)将向右偏转，偏转角度的大小由无人机偏离中心线的角度决定，自动驾驶仪计算无人机偏离角从而决定输出，即舵面偏转的角度，向左倾斜时控制方案同理。自动驾驶系统(5)采用融合控制算法，在不同控制方案下采用不同的控制策略，主要分为：正常工作下的混合控制、斜盘单独控制、底部舵面单独控制。
具体地，①当无人机正常运行时，斜盘控制结构(16)、底部舵面控制结构(13)两套控制结构进行混合控制，同时进行无人机姿态的调整以及完成要求的大机动动作，这种控制方案下由于两种控制结构相互配合，使得无人机的控制效率最高，抗风性能最好；②当检测到斜盘控制结构(16)出现问题时，此时双桨将始终保持在一个垂直线，仅仅提供无人机自身的动力，姿态变换以及悬停自稳通过调整底部的舵面偏转角度进行过控制，这种控制方案下无人机机动性能较差；③当检测到底部舵面控制结构(13)出现问题时，此时舵面失去对无人机的控制作用，斜盘将完成对无人机的姿态控制作用，通过控制斜盘处与水平面的偏移角实现姿态控制，这种控制方案下无人机抗风性能较差。
具体地，综合考虑无人机避障控制失衡、无人机在受到外部攻击硬件受损时，无人机原有的控制方案已经失去对于无人机的控制作用，需在原有飞控系统的基础上，为了保障高安全高可靠性进行第二套容错飞控系统设计，在出现运行时安全问题时在原有基准系统至容错过渡系统的平缓切换，在将无人机导至安全区域后再切换控制权至基准系统进行安全控制，保证系统切换的流畅和平稳。
在一些实施例中，所述运行时保证框架的安全边界判断条件包括：(i)斜盘故障；和/或(ii)舵面故障；其中：当所述斜盘故障或所述舵面故障发生时，所述无人机仍处于所述运行时保证框架内，所述自动驾驶控制模块(5)仍能保证所述无人机的安全运行，且当所述斜盘故障或所述舵面故障被安全解决时，所述无人机的飞行状态恢复为所述正常运行状态时；具体包括：所述自动驾驶控制模块(5)检测到所述斜盘故障或所述舵面故障发生，所述无人机从当前斜盘和舵面共同控制的状态切换至舵面单一控制或斜盘单一控制的状态，切换过程包括第一时段和第二时段，在所述第一时段，发生故障的斜盘或舵面逐渐停止工作，当其完全停止工作后进入所述第二时段，由未发生故障的舵面或斜盘逐渐控制所述无人机的姿态调整和悬停自稳，直到所述无人机的状态输出进入平稳阶段，所述切换过程的持续时间不超过所述无人机的切换驻留时间阈值；
在一些实施例中，当所述斜盘故障和所述舵面故障同时发生时，所述无人机逾越所述运行时保证框架，所述自动驾驶控制模块(5)无法控制所述无人机的安全运行，且所述无人机无法回到所述运行时保证框架，也无法恢复至所述正常运行状态。
在一些实施例中，所述无人机的状态输出进入所述平稳阶段的判断条件为：所述无人机的升力系数、阻力系数、侧向力系数、滚转力矩系数、偏航力矩系数以及转动惯量均在正常值范围内。
具体地，如图2所示，在一般情况下，斜盘与舵面进行混合控制，这样的控制方案能够使得无人机具有最大的机动性以及系统响应速度，但是当无人机处于复杂环境中，舵面受到损坏时，此时即使是其他舵面依旧完整，也需要立即中断舵面控制方案，因为当其中一个舵面受损时，舵面间不平衡的受力会导致无人机的极不稳定状态，这种不稳定是不能够通过无人机系统参数的调整来克服的，必须通过切断舵面控制方案来实现，因此舵面的硬件损坏为RTA系统的其中一个安全边界划定。同理，当斜盘控制方案出现故障时，会出现像舵面损坏一样的问题，此时必须切断斜盘控制方案，共轴螺旋桨只提供无人机的动力，由舵面控制无人机姿态，因此斜盘控制机械结构故障也是RTA系统其中一个安全边界划定。
具体地，根据RTA基本设计结构思路，其技术思路是运用实时的检查手段，以安全检查为核心，判断安全情况，切换控制系统。其他检查的目的均是配合安全检查，实现智能无人系统运行时安全，具体的使用一种监测容错控制切换框架，其主要思想是对不同故障进行检测诊断获取故障信息，然后让不同故障情况下的容错控制器在切换机制的指导下按顺序进行切换，直到与当前故障情况相对应的控制器被切入系统，切换停止。
具体控制流程如图3所示，整个RTA系统外部传感器可以感知到无人机的安全边界是否被逾越，也就是判断无人机的整体硬件结构是否还处于完整状态，然后根据上层控制环以及下层控制环送来的信息，经过输入分配器之后，判断是否进行RTA控制器的切换，切换状态分为先进智能控制系统，也就是混控模式下的无人机控制系统，以及受信任安全控制系统，也就是控制方案舵面控制控制系统或斜盘控制系统，因为当舵面或者斜盘受到损坏时，控制系统需要及时做出相应的切换，其所处的状态为非完全信任输出；而切换后的单个控制方案为相应状况下的全信任输出，无论哪种输出方式，最后都要经过被控对象无人机，对其姿态以及飞行状态进行控制。
本发明第二方面公开了一种基于运行时保证框架的安全无人机。所述无人机包括位于机身中部的基于运行时保证(Runtime Assurance，RTA)框架的自动驾驶控制模块(5)，并利用所述自动驾驶控制模块(5)控制位于所述无人机头部的斜盘控制结构(16)和位于所述无人机底部的舵面控制结构(13)，从而实现对所述无人机的飞行状态进行容错控制。
其中。所述斜盘控制结构(16)包括斜盘机械机构(1)、无人机桨叶(2)和传动结构，所述无人机桨叶(2)包括上桨叶和下桨叶，所述上桨叶逆时针转动，所述下桨叶顺时针转动，所述传动结构包括安装于第一层固定板(4)上的传动结构第一部件(3)和传动结构第二部件(8)；所述舵面控制结构(13)包括舵面结构第一部件(11)、舵面结构第二部件(12)、舵机安装部位(14)以及第三层固定板(15)，所述舵机安装部位(14)位于所述第三层固定板(15)上，所述舵面结构第一部件(11)和所述舵面结构第二部件(12)构成所述无人机底部的两对舵面。
其中，在所述运行时保证框架内：当所述无人机的飞行状态为正常运行状态时，所述自动驾驶控制模块(5)被配置为利用所述斜盘控制结构(16)和所述舵面控制结构(13)共同控制所述无人机的姿态调整和机动工作；当所述斜盘控制结构(16)出现故障时，所述上桨叶和所述下桨叶始终保持在同一垂直线上，所述自动驾驶控制模块(5)被配置为利用所述斜盘控制结构(16)为所述无人机提供动力支持，并通过调节所述舵面控制结构(13)的舵面偏转角度来控制所述无人机的姿态调整和悬停自稳；当所述舵面控制结构(13)出现故障时，所述自动驾驶控制模块(5)被配置为利用所述斜盘控制结构(16)为所述无人机提供所述动力支持，并通过调节所述斜盘机械结构(1)与水平面的偏移角度来控制所述无人机的姿态调整。
根据本发明第二方面的无人机，所述无人机还包括位于机身中部的无人机外壳(9)，所述无人机外壳(9)呈圆筒状，其上部与位于所述斜盘控制结构(16)连接，其底部与位于所述舵面控制结构(13)连接；所述无人机外壳(9)形成无人机内部空间(10)，在所述无人机内部空间(10)中，从上至下依次安装有所述第一层固定板(4)、所述自动驾驶控制模块(5)、第二层固定板(6)以及无人机电池(7)，所述自动驾驶控制模块(5)安装于所述第二层固定板(6)上。
根据本发明第二方面的无人机，所述运行时保证框架的安全边界判断条件包括：(i)斜盘故障；和/或(ii)舵面故障；其中：当所述斜盘故障或所述舵面故障发生时，所述无人机仍处于所述运行时保证框架内，所述自动驾驶控制模块(5)仍能保证所述无人机的安全运行，且当所述斜盘故障或所述舵面故障被安全解决时，所述无人机的飞行状态恢复为所述正常运行状态时；具体包括：所述自动驾驶控制模块(5)检测到所述斜盘故障或所述舵面故障发生，所述无人机从当前斜盘和舵面共同控制的状态切换至舵面单一控制或斜盘单一控制的状态，切换过程包括第一时段和第二时段，在所述第一时段，发生故障的斜盘或舵面逐渐停止工作，当其完全停止工作后进入所述第二时段，由未发生故障的舵面或斜盘逐渐控制所述无人机的姿态调整和悬停自稳，直到所述无人机的状态输出进入平稳阶段，所述切换过程的持续时间不超过所述无人机的切换驻留时间阈值。
其中，当所述斜盘故障和所述舵面故障同时发生时，所述无人机逾越所述运行时保证框架，所述自动驾驶控制模块(5)无法控制所述无人机的安全运行，且所述无人机无法回到所述运行时保证框架，也无法恢复至所述正常运行状态。
根据本发明第二方面的无人机，所述无人机的状态输出进入所述平稳阶段的判断条件为：所述无人机的升力系数、阻力系数、侧向力系数、滚转力矩系数、偏航力矩系数以及转动惯量均在正常值范围内。
本发明第三方面公开了一种计算机可读存储介质。所述计算机可读存储介质上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时，实现本公开第一方面中任一项所述的一种基于运行时保证框架的安全无人机系统中所述自动驾驶控制模块(5)的功能。
综上，本发明提供的技术方案通过容错飞控系统以及硬件冗余的方式，实现在复杂环境中硬件部分故障的情况下完成飞行任务，并通过软件上容错飞控系统设计，在出现运行时安全问题的情况下实现从原有基准系统至容错过渡系统的平缓切换，保证在硬件受损或者需要做出实时大机动避障动作是依然能够顺利完成飞行任务。同时能够加强其本身的控制效率以及抗风特性，而且其冗余控制结构能够使得无人机运行时更具有可靠性；容错飞控系统能够实现不同冗余结构下控制方案的平滑切换。
请注意，以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。以上所述实施例仅表达了本申请的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请专利的保护范围应以所附权利要求为准。
Claims (9)
1.一种基于运行时保证框架的安全无人机系统，其特征在于，所述系统包括位于所述无人机的机身中部的基于运行时保证(Runtime Assurance，RTA)框架的自动驾驶控制模块(5)，并利用所述自动驾驶控制模块(5)控制位于所述无人机头部的斜盘控制结构(16)和位于所述无人机底部的舵面控制结构(13)，从而实现对所述无人机的飞行状态进行容错控制；其中：
所述斜盘控制结构(16)包括斜盘机械机构(1)、无人机桨叶(2)和传动结构，所述无人机桨叶(2)包括上桨叶和下桨叶，所述上桨叶逆时针转动，所述下桨叶顺时针转动，所述传动结构包括安装于第一层固定板(4)上的传动结构第一部件(3)和传动结构第二部件(8)；
所述舵面控制结构(13)包括舵面结构第一部件(11)、舵面结构第二部件(12)、舵机安装部位(14)以及第三层固定板(15)，所述舵机安装部位(14)位于所述第三层固定板(15)上，所述舵面结构第一部件(11)和所述舵面结构第二部件(12)构成所述无人机底部的两对舵面；
在所述运行时保证框架内：
当所述无人机的飞行状态为正常运行状态时，所述自动驾驶控制模块(5)被配置为利用所述斜盘控制结构(16)和所述舵面控制结构(13)共同控制所述无人机的姿态调整和机动工作；
当所述斜盘控制结构(16)出现故障时，所述上桨叶和所述下桨叶始终保持在同一垂直线上，所述自动驾驶控制模块(5)被配置为利用所述斜盘控制结构(16)为所述无人机提供动力支持，并通过调节所述舵面控制结构(13)的舵面偏转角度来控制所述无人机的姿态调整和悬停自稳；
当所述舵面控制结构(13)出现故障时，所述自动驾驶控制模块(5)被配置为利用所述斜盘控制结构(16)为所述无人机提供所述动力支持，并通过调节所述斜盘机械结构(1)与水平面的偏移角度来控制所述无人机的姿态调整。
2.根据权利要求1所述的一种基于运行时保证框架的安全无人机系统，其特征在于：
所述无人机还包括位于所述无人机的机身中部的无人机外壳(9)，所述无人机外壳(9)呈圆筒状，其上部与位于所述无人机头部的斜盘控制结构(16)连接，其底部与位于所述无人机底部的舵面控制结构(13)连接；
所述无人机外壳(9)形成无人机内部空间(10)，在所述无人机内部空间(10)中，从上至下依次安装有所述第一层固定板(4)、所述自动驾驶控制模块(5)、第二层固定板(6)以及无人机电池(7)，所述自动驾驶控制模块(5)安装于所述第二层固定板(6)上。
3.根据权利要求2所述的一种基于运行时保证框架的安全无人机系统，其特征在于，所述运行时保证框架的安全边界判断条件包括：(i)斜盘故障；和/或(ii)舵面故障；其中：
当所述斜盘故障或所述舵面故障发生时，所述无人机仍处于所述运行时保证框架内，所述自动驾驶控制模块(5)仍能保证所述无人机的安全运行，且当所述斜盘故障或所述舵面故障被安全解决时，所述无人机的飞行状态恢复为所述正常运行状态时；具体包括：
所述自动驾驶控制模块(5)检测到所述斜盘故障或所述舵面故障发生，所述无人机从当前斜盘和舵面共同控制的状态切换至舵面单一控制或斜盘单一控制的状态，切换过程包括第一时段和第二时段，在所述第一时段，发生故障的斜盘或舵面逐渐停止工作，当其完全停止工作后进入所述第二时段，由未发生故障的舵面或斜盘逐渐控制所述无人机的姿态调整和悬停自稳，直到所述无人机的状态输出进入平稳阶段，所述切换过程的持续时间不超过所述无人机的切换驻留时间阈值；
当所述斜盘故障和所述舵面故障同时发生时，所述无人机逾越所述运行时保证框架，所述自动驾驶控制模块(5)无法控制所述无人机的安全运行，且所述无人机无法回到所述运行时保证框架，也无法恢复至所述正常运行状态。
4.根据权利要求3所述的一种基于运行时保证框架的安全无人机系统，其特征在于，所述无人机的状态输出进入所述平稳阶段的判断条件为：所述无人机的升力系数、阻力系数、侧向力系数、滚转力矩系数、偏航力矩系数以及转动惯量均在正常值范围内。
5.一种基于运行时保证框架的安全无人机，其特征在于，所述无人机包括位于机身中部的基于运行时保证(Runtime Assurance，RTA)框架的自动驾驶控制模块(5)，并利用所述自动驾驶控制模块(5)控制位于所述无人机头部的斜盘控制结构(16)和位于所述无人机底部的舵面控制结构(13)，从而实现对所述无人机的飞行状态进行容错控制；其中：
所述斜盘控制结构(16)包括斜盘机械机构(1)、无人机桨叶(2)和传动结构，所述无人机桨叶(2)包括上桨叶和下桨叶，所述上桨叶逆时针转动，所述下桨叶顺时针转动，所述传动结构包括安装于第一层固定板(4)上的传动结构第一部件(3)和传动结构第二部件(8)；
所述舵面控制结构(13)包括舵面结构第一部件(11)、舵面结构第二部件(12)、舵机安装部位(14)以及第三层固定板(15)，所述舵机安装部位(14)位于所述第三层固定板(15)上，所述舵面结构第一部件(11)和所述舵面结构第二部件(12)构成所述无人机底部的两对舵面；
在所述运行时保证框架内：
当所述无人机的飞行状态为正常运行状态时，所述自动驾驶控制模块(5)被配置为利用所述斜盘控制结构(16)和所述舵面控制结构(13)共同控制所述无人机的姿态调整和机动工作；
当所述斜盘控制结构(16)出现故障时，所述上桨叶和所述下桨叶始终保持在同一垂直线上，所述自动驾驶控制模块(5)被配置为利用所述斜盘控制结构(16)为所述无人机提供动力支持，并通过调节所述舵面控制结构(13)的舵面偏转角度来控制所述无人机的姿态调整和悬停自稳；
当所述舵面控制结构(13)出现故障时，所述自动驾驶控制模块(5)被配置为利用所述斜盘控制结构(16)为所述无人机提供所述动力支持，并通过调节所述斜盘机械结构(1)与水平面的偏移角度来控制所述无人机的姿态调整。
6.根据权利要求5所述的一种基于运行时保证框架的安全无人机，其特征在于：
所述无人机还包括位于机身中部的无人机外壳(9)，所述无人机外壳(9)呈圆筒状，其上部与位于所述斜盘控制结构(16)连接，其底部与位于所述舵面控制结构(13)连接；
所述无人机外壳(9)形成无人机内部空间(10)，在所述无人机内部空间(10)中，从上至下依次安装有所述第一层固定板(4)、所述自动驾驶控制模块(5)、第二层固定板(6)以及无人机电池(7)，所述自动驾驶控制模块(5)安装于所述第二层固定板(6)上。
7.根据权利要求6所述的一种基于运行时保证框架的安全无人机，其特征在于，所述运行时保证框架的安全边界判断条件包括：(i)斜盘故障；和/或(ii)舵面故障；其中：
当所述斜盘故障或所述舵面故障发生时，所述无人机仍处于所述运行时保证框架内，所述自动驾驶控制模块(5)仍能保证所述无人机的安全运行，且当所述斜盘故障或所述舵面故障被安全解决时，所述无人机的飞行状态恢复为所述正常运行状态时；具体包括：
所述自动驾驶控制模块(5)检测到所述斜盘故障或所述舵面故障发生，所述无人机从当前斜盘和舵面共同控制的状态切换至舵面单一控制或斜盘单一控制的状态，切换过程包括第一时段和第二时段，在所述第一时段，发生故障的斜盘或舵面逐渐停止工作，当其完全停止工作后进入所述第二时段，由未发生故障的舵面或斜盘逐渐控制所述无人机的姿态调整和悬停自稳，直到所述无人机的状态输出进入平稳阶段，所述切换过程的持续时间不超过所述无人机的切换驻留时间阈值；
当所述斜盘故障和所述舵面故障同时发生时，所述无人机逾越所述运行时保证框架，所述自动驾驶控制模块(5)无法控制所述无人机的安全运行，且所述无人机无法回到所述运行时保证框架，也无法恢复至所述正常运行状态。
8.根据权利要求7所述的一种基于运行时保证框架的安全无人机，其特征在于，所述无人机的状态输出进入所述平稳阶段的判断条件为：所述无人机的升力系数、阻力系数、侧向力系数、滚转力矩系数、偏航力矩系数以及转动惯量均在正常值范围内。
9.一种计算机可读存储介质，其特征在于，所述计算机可读存储介质上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时，实现权利要求1-4任一项所述的一种基于运行时保证框架的安全无人机系统中所述自动驾驶控制模块(5)的功能。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202211212600.5A CN115542715A (zh) | 2022-09-30 | 2022-09-30 | 一种基于运行时保证框架的安全无人机系统 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202211212600.5A CN115542715A (zh) | 2022-09-30 | 2022-09-30 | 一种基于运行时保证框架的安全无人机系统 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN115542715A true CN115542715A (zh) | 2022-12-30 |
Family
ID=84732037
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202211212600.5A Pending CN115542715A (zh) | 2022-09-30 | 2022-09-30 | 一种基于运行时保证框架的安全无人机系统 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN115542715A (zh) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN117215294A (zh) * | 2023-11-07 | 2023-12-12 | 中国民航大学 | 一种基于运行时保证技术的飞机智能驾驶系统及控制方法 |
-
2022
- 2022-09-30 CN CN202211212600.5A patent/CN115542715A/zh active Pending
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN117215294A (zh) * | 2023-11-07 | 2023-12-12 | 中国民航大学 | 一种基于运行时保证技术的飞机智能驾驶系统及控制方法 |
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Legal Events
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