CN117002739A - 一种无人机失控保护及定位装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种无人机失控保护及定位装置，它包括壳体，所述的壳体采用模块化设计，由于伞舱盒模块和控制盒模块组成；救机作业后仅需将所述的伞舱盒模块替换，即可重复使用；本发明省去了安装过程中的繁琐步骤，提高作业效率、增加装置安全性能；本发明具有结构合理、使用方便、安装速度快、安全性高的优点。
Description
技术领域
本发明属于无人机电力巡检技术领域，具体涉及一种无人机失控保护及定位装置。
背景技术
目前国家电网公司已经将无人机配发到一线班组，一个省电网公司的无人机保有量已近千架，还在以每年百分之三十的速度递增，全国每天都有数以千架计的无人机在输电线路上空飞行穿梭；无人机作业过程中，由于机械或电子设备故障、电磁干扰、操作失误、电量耗尽、恶劣天气等因素都可能导致事故坠机，无人机坠毁后无法精确标定坠机位置，尤其是坠落在森林和草堆中，往往难以查找，即使侥幸找到，飞机也都出现解体式毁伤，无法修复，飞机一旦在密集人群的城市上空坠机，更是可能引起重大的地面人员财产损失，后果不堪设想，因此无人机安全飞行和高损问题逐步显现；因此，提供一种结构合理、使用方便、安装速度快、安全性高的一种无人机失控保护及定位装置是非常有必要的。
发明内容
本发明的目的是为了克服现有技术的不足，而提供一种结构合理、使用方便、安装速度快、安全性高的一种无人机失控保护及定位装置。
本发明的目的是这样实现的：一种无人机失控保护及定位装置，它包括壳体，所述的壳体采用模块化设计，由于伞舱盒模块和控制盒模块组成；救机作业后仅需将所述的伞舱盒模块替换，即可重复使用；所述的壳体内部还设置有内置传感器模块和内置定位模块；所述的内置传感器模块用于实时监测无人机加速度和姿态数据信息，通过优化开伞控制算法控制伞舱盒模块开伞保护失控无人机安全迫降；所述的内置定位模块用于飞机失控坠落后，快速定位无人机坠落方位，并迅速找到坠落的无人机。
所述的伞舱盒模块包括动力救机套件，所述的动力救机套件由第一外壳、降落伞、炸药动力盒组成；所述的炸药动力盒包括发射炸药。
所述的降落伞由伞具和伞布组成；所述的伞具由特殊7D尼龙材料制作；所述的伞布采用特殊涂料涂覆，确保伞布的具备良好的气密性。
所述的控制盒模块由第二外壳、控制板、电源组成。
所述的控制板包括触发控制板、定位控制板和单片机。
所述的定位控制板采用高精度追踪智能追踪芯片，所述的单片机采用STM32单片机。
所述的内置传感器模块包括加速度传感器、姿态传感器和气压传感器。
所述的加速度传感器采用MPU6050陀螺六轴加速度传感器；所述的姿态传感器采用具备六向姿态感知的LPMS-B2型全向姿态传感器。
所述的内置定位模块包括GPS/BD追踪模块和高分贝蜂鸣器告警模块。
本发明的有益效果：本发明为一种无人机失控保护及定位装置，在使用中，本发明的伞舱盒模块采用模块化结构设计，使用过程可以快速替换伞舱盒模块，起到无人机应急迫降功能，而且具备无人机追踪定位和快速寻踪模块；本发明不但能在飞行器异常时或无人机意外坠落时会弹射出降落伞进行安全迫降，从而保证无人机的安全；还能对飞行器进行实时定位追踪，飞机迫降后通过app快速搜寻无人机方位，同时蜂鸣器发出高分贝音响告警，实现通过卫星定位和高分贝音响告警器迅速追踪找回功能，确保寻机人员快速找到无人机；本发明作为无人机的最后一道安全保障，能够确保无人机在城市或电力线路上空安全飞行，最大限度地保障无人机安全作业和地面人员财产安全；本发明具有结构合理、使用方便、安装速度快、安全性高的优点。
附图说明
图1为本发明一种无人机失控保护及定位装置的正视图。
图2为本发明一种无人机失控保护及定位装置的伞舱盒模块结构示意图。
图3为本发明一种无人机失控保护及定位装置的控制盒模块结构示意图。
图4为本发明一种无人机失控保护及定位装置的触发控制板电路原理图。
图5为本发明一种无人机失控保护及定位装置的电路原理框图。
图6为本发明一种无人机失控保护及定位装置的控制流程图。
图7为本发明一种无人机失控保护及定位装置的使用状态示意图图一。
图8为本发明一种无人机失控保护及定位装置的使用状态示意图图二。
图9为本发明一种无人机失控保护及定位装置的曲线图。
图中：1、伞舱盒模块 101、第一外壳 102、降落伞 103、炸药动力盒 2、控制盒模块201、第二外壳 202、控制板 203、电源。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步的说明。
实施例1
如图1-9所示，一种无人机失控保护及定位装置，它包括壳体，所述的壳体采用模块化设计，由于伞舱盒模块1和控制盒模块2组成；救机作业后仅需将所述的伞舱盒模块1替换，即可重复使用；所述的壳体内部还设置有内置传感器模块和内置定位模块；所述的内置传感器模块用于实时监测无人机加速度和姿态数据信息，通过优化开伞控制算法控制伞舱盒模块1开伞保护失控无人机安全迫降；所述的内置定位模块用于飞机失控坠落后，快速定位无人机坠落方位，并迅速找到坠落的无人机。
所述的伞舱盒模块1包括动力救机套件，所述的动力救机套件由第一外壳101、降落伞102、炸药动力盒103组成；所述的炸药动力盒包括发射炸药；本发明的动力救机套件含发射炸药与降落伞，救机后可直接将整组模块替换，可实现无工具替换。
所述的降落伞102由伞具和伞布组成；所述的伞具由特殊7D尼龙材料制作；所述的伞布采用特殊涂料涂覆，确保伞布的具备良好的气密性，在减轻设备重量同时确保顺滑开伞，减小飞行器故障带来的损失。
所述的控制盒模块2由第二外壳201、控制板202、电源203组成。
所述的控制板202包括触发控制板、定位控制板和单片机。
在本实施例中，触发控制板原理图如图4所示，其中U1为主控单片机；U2触摸芯片控制系统开关机；U4电源芯片为单片机、陀螺加速度传感器、气压传感器、ROM存储器供电；SP1为蜂鸣器；其工作原理为：U1单片机运行时实时采集MPU6050和U3气压传感器数据；当MPU6050角度和加速度超过正常时，以及U3气压传感器采集到的气压持续增大时，U1单片机通过第3脚（PF1）和第10脚（PA4），触发一组mosfet导通，从而驱动降落伞弹出，同时，U1单片机还通过第7脚（PA1）触发SP1（蜂鸣器）发出报警声；
在本发明实际应用中，设备控制板含高精度气压计、全向姿态传感器，具备六向姿态感知，全向姿态与气压计数据实时收集处理，运用APS评分算法，可以在200毫秒时间内分辨无人机飞行状态，IMU与气压计汇总评分，一但感知无人机处于危险情况时，能够瞬间反应，并发出开伞指令，保证作业无人机安全迫降，落地时控制系统同步触发蜂鸣器发出警报声，以便在野外环境中快速找回无人机。
在本实施例中，控制盒模块的控制板主要包含电源供电、触摸启动、主控MCU、6轴加速度计、高度计、点火控制电路、显示报警等部分，原理框图如图5所示；其中①电源部分采用锂电池供电，提供充电电路进行充电；②触摸启动采用触摸芯片进行启动控制；启动时，首先将电池电压转换为3.3v给各个芯片供电，同时触发系统开始工作；③主控MCU采用STM32高性能芯片，主要完成6轴加速度传感器、高度计传感器的数据获取，实现伞舱姿态的解算、点火和显示报警电路的控制；④6轴加速度传感器采用MPU6050提供三轴加速度计和三轴陀螺仪数据，供MCU进行姿态解算；⑤气压传感器采用高灵敏度气压传感器， 可以获取300~1100hPa的气压值，转换为海拔高度供伞舱点火控制参考；
如图6所示，为控制流程图，实现传感器数据获取并进行解算出姿态角，供伞舱坠机判断使用，满足条件时控制点火，打开伞舱保护，同时提供一些必要的显示报警控制；①姿态解算：通过IIC通信接口获取6轴加速度传感器的数据后，要进行了滤波和姿态解算，得出伞舱的姿态角，与重力加速度一起作为无人机失控坠落的判断条件；其原理是：在相对静止状态下根据获取的重力加速度数据，计算出飞机的横滚roll和俯仰pitch角，并且角度计算只与当前姿态有关；而陀螺仪是对时间间隔内的角速度积分，得到每一次的角度变换量，累加到上一次的姿态角上，得到新的姿态角，因此可以计算roll、pitch、yaw三个角；由于加速度仅在静止时刻可以得到较准确的姿态，而陀螺仪仅对转动时的姿态变化敏感，且陀螺仪若本身存在误差，则经过连续的时间积分，误差会不断增大；因此，需要结合两者计算的姿态，进行互补融合，才能获取准确的姿态角；因旋翼无人机失控坠落时，表现为倾斜状态，不必考虑偏航yaw角，因此只需对roll和pitch角度进行融合，获取准确的姿态角数据进行判断。
所述的定位控制板采用高精度追踪智能追踪芯片，所述的单片机采用STM32单片机；本发明定位控制板采用高精度追踪智能追踪芯片，在飞机平稳降落后能够通过APP精准的寻找到飞机。
在本实施例中，本发明解决现有的装置开伞响应不及时，开伞保护最低高度无法满足电力巡检无人机作业高度的难题：本发明采用优化的开伞控制算法，以垂向分量的加速度值作为主要开伞判断依据，确保无人机失控后，当加速度传感器测得垂向加速度分量接近0，同时姿态传感器测得无人机俯仰和横滚姿态角接近±25°时，即发出开伞指令；通过算法的简化和优化，本发明能够确保无人机在失控坠落瞬间，伞舱内的MPU6050陀螺加速度传感器能在200毫秒内将无人机姿态发送给STM32单片机，将无人机从失控到完全开伞响的应时间控制在1.5秒以内，无人安全保护高度控制在20米以内。
本发明的伞舱盒模块1采用模块化结构设计，伞舱盒模块含炸药动力盒与伞具，每次救机后可直接将整组模块无工具替换，起到无人机应急迫降功能，在每次救机作业后仅需将伞舱盒模块更换即可继续飞行作业，省去了伞舱繁琐的重新装填炸药、接电和重复装填伞具步骤，提高了作业效率；而且具备无人机追踪定位和快速寻踪模块；本发明不但能在飞行器异常时或无人机意外坠落时会弹射出降落伞进行安全迫降，从而保证无人机的安全；还能对飞行器进行实时定位追踪，飞机迫降后通过app快速搜寻无人机方位，同时蜂鸣器发出高分贝音响告警，实现通过卫星定位和高分贝音响告警器迅速追踪找回功能，确保寻机人员快速找到无人机；本发明作为无人机的最后一道安全保障，能够确保无人机在城市或电力线路上空安全飞行，最大限度地保障无人机安全作业和地面人员财产安全；本发明具有结构合理、使用方便、安装速度快、安全性高的优点。
实施例2
如图1-9所示，一种无人机失控保护及定位装置，它包括壳体，所述的壳体采用模块化设计，由于伞舱盒模块1和控制盒模块2组成；救机作业后仅需将所述的伞舱盒模块1替换，即可重复使用；所述的壳体内部还设置有内置传感器模块和内置定位模块；所述的内置传感器模块用于实时监测无人机加速度和姿态数据信息，通过优化开伞控制算法控制伞舱盒模块1开伞保护失控无人机安全迫降；所述的内置定位模块用于飞机失控坠落后，快速定位无人机坠落方位，并迅速找到坠落的无人机。
所述的内置传感器模块包括加速度传感器、姿态传感器和气压传感器。
所述的加速度传感器采用MPU6050陀螺六轴加速度传感器；所述的姿态传感器采用具备六向姿态感知的LPMS-B2型全向姿态传感器。
所述的内置定位模块包括GPS/BD追踪模块和高分贝蜂鸣器告警模块。
在本实施例中，本发明能够解决现有的装置无法实现快速定位寻踪无人机的难题：本发明除了具备开伞保护失控无人机安全迫降之外，还内置了GPS/BD追踪模块和高分贝蜂鸣器告警模块，飞机失控坠落后，可以通过手机app的卫星追踪模块快速定位无人机坠落方位，并借助高分贝蜂鸣器迅速找到坠落的无人机；
本发明的伞舱盒模块1采用模块化结构设计，使用过程可以快速替换伞舱盒模块1，起到无人机应急迫降功能，而且具备无人机追踪定位和快速寻踪模块；本发明不但能在飞行器异常时或无人机意外坠落时会弹射出降落伞进行安全迫降，从而保证无人机的安全；还能对飞行器进行实时定位追踪，飞机迫降后通过app快速搜寻无人机方位，同时蜂鸣器发出高分贝音响告警，实现通过卫星定位和高分贝音响告警器迅速追踪找回功能，确保寻机人员快速找到无人机；本发明作为无人机的最后一道安全保障，能够确保无人机在城市或电力线路上空安全飞行，最大限度地保障无人机安全作业和地面人员财产安全；本发明具有结构合理、使用方便、安装速度快、安全性高的优点。
Claims (9)
1.一种无人机失控保护及定位装置，它包括壳体，其特征在于：所述的壳体采用模块化设计，由于伞舱盒模块和控制盒模块组成；救机作业后仅需将所述的伞舱盒模块替换，即可重复使用；所述的壳体内部还设置有内置传感器模块和内置定位模块；所述的内置传感器模块用于实时监测无人机加速度和姿态数据信息，通过优化开伞控制算法控制伞舱盒模块开伞保护失控无人机安全迫降；所述的内置定位模块用于飞机失控坠落后，快速定位无人机坠落方位，并迅速找到坠落的无人机。
2.如权利要求1所述的一种无人机失控保护及定位装置，其特征在于：所述的伞舱盒模块包括动力救机套件，所述的动力救机套件由第一外壳、降落伞、炸药动力盒组成；所述的炸药动力盒包括发射炸药。
3.如权利要求2所述的一种无人机失控保护及定位装置，其特征在于：所述的降落伞由伞具和伞布组成；所述的伞具由7D尼龙材料制作；所述的伞布采用涂料涂覆，确保伞布的具备良好的气密性。
4.如权利要求1所述的一种无人机失控保护及定位装置，其特征在于：所述的控制盒模块由第二外壳、控制板、电源组成。
5.如权利要求4所述的一种无人机失控保护及定位装置，其特征在于：所述的控制板包括触发控制板、定位控制板和单片机。
6.如权利要求5所述的一种无人机失控保护及定位装置，其特征在于：所述的定位控制板采用高精度追踪智能追踪芯片，所述的单片机采用STM32单片机。
7.如权利要求1所述的一种无人机失控保护及定位装置，其特征在于：所述的内置传感器模块包括加速度传感器、姿态传感器和气压传感器。
8.如权利要求7所述的一种无人机失控保护及定位装置，其特征在于：所述的加速度传感器采用MPU6050陀螺六轴加速度传感器；所述的姿态传感器采用具备六向姿态感知的LPMS-B2型全向姿态传感器。
9.如权利要求1所述的一种无人机失控保护及定位装置，其特征在于：所述的内置定位模块包括GPS/BD追踪模块和高分贝蜂鸣器告警模块。
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