TWI590987B - 無人飛行載具的控制系統之失效保護裝置及其方法 - Google Patents

Description

無人飛行載具的控制系統之失效保護裝置及其方法

本發明係關於一種無人飛行載具的控制系統之失效保護裝置及其方法，係運用於切換無人飛行載具的飛行控制模組與備用控制模組之控制訊號傳輸模式，以確保無人飛行載具之控制訊號穩定性，進而提升飛安效能。

近年來，無人飛行載具的相關技術(導航技術、航太科技、無線通訊、飛行力學及控制理論等科技)已蓬勃發展，從早期的軍事用途到現今的高空攝影及國土監測等民生或公務用途，將各種的工作及任務委由無人飛行載具執行已成一股趨勢。

飛行控制電腦負責執行航向計算、飛行姿態控制、航行資料收集與分析並將航跡資料回傳到地面監控端。無人飛行載具係透過擷取GPS資訊及感測飛行狀況，並藉由飛行控制電腦以隨時修正航向及姿態，以達到自主巡航之目的。

然而當飛行控制電腦因故失效或通訊中斷時，飛行載具將無法正常操控而容易有設備損壞或危害到人員的情況產生，因此需要有備用控制系統，以於危急情況下能切換控制訊號讓飛行載具能安全地飛行與降落。

綜觀前所述，是故，本發明之發明人經多年苦心潛心研究、思索並設計一種無人飛行載具的控制系統之失效保護裝置及其方法，以針對現有技術之缺失加以改善，進而增進產業上之實施利用。

有鑑於上述習知之問題，本發明之目的係提出一種無人飛行載具的控制系統之失效保護裝置，藉由備用控制模組增加輔助飛行模式與飛行控制模式排程，以全面提升飛安效能。

有鑑於上述習知之問題，本發明之目的係提出一種無人飛行載具的控制系統之失效保護裝置，係利用PWM測試訊號搭配高速運算的邏輯電路來自我偵測飛行控制模組的控制訊號穩定性，以避免無人飛行載具的操控失效問題產生。

有鑑於上述習知之問題，本發明之目的係提出一種無人飛行載具的控制系統之失效保護裝置，係藉由控制切換模組以即時轉換無人飛行載具的操控權，以確保無人飛行載具能安全返航及降落。

基於上述目的，本發明係提供一種無人飛行載具的控制系統之失效保護裝置，其運用於切換一無人飛行載具的一飛行控制模組與一備用控制模組之控制訊號傳輸模式，失效保護裝置可電性連接於飛行控制模組及備用控制模組，失效保護裝置包含測試訊號模組、傳輸處理模組以及控制切換模組。

測試訊號模組係提供PWM測試訊號。傳輸處理模組可接收PWM測試訊號且進行處理程序，處理程序之處理結果與設定電壓閾值進行邏輯運算，當邏輯運算判斷為真時即傳送第一切換訊號，當邏輯運算判斷為假時則為失效狀態以傳送第二切換訊號。控制切換模組可接收第一切換訊號以傳送飛行 控制模組之第一控制訊號或接收第二切換訊號以傳送備用控制模組之第二控制訊號，其中無人飛行載具係可根據第一控制訊號或第二控制訊號以控制無人飛行載具之作動。

較佳地，本發明之無人飛行載具的控制系統之失效保護裝置更可包含隔離模組以阻隔各模組間的電性干擾。

較佳地，本發明之無人飛行載具的控制系統之失效保護裝置更可包含訊號隔離模組以避免電源衝突並進行訊號隔離。

較佳地，無人飛行載具可為定翼載具，定翼載具之第二控制訊號更包含自動返航模式、降落模式、滑翔模式或其組合。

較佳地，無人飛行載具可為旋翼載具，旋翼載具之第二控制訊號更包含自動返航模式、降落模式、滯空模式或其組合。

較佳地，處理程序可包含訊號濾波、訊號轉換、訊號放大或其組合。

較佳地，設定電壓閾值係可根據PWM測試訊號適應調整。

基於上述目的，本發明再提供一種無人飛行載具的控制系統之失效保護模式切換方法，其運用於切換一無人飛行載具的一飛行控制模組與一備用控制模組之控制訊號傳輸模式，以確保無人飛行載具之控制訊號穩定性，失效保護模式切換方法包含下列步驟：利用測試訊號模組提供PWM測試訊號。

傳輸PWM測試訊號至傳輸處理模組。

利用傳輸處理模組之處理程序以進行訊號處理。

利用處理程序之處理結果與設定電壓閾值進行邏輯運算。

當邏輯運算判斷為真時即傳送第一切換訊號，當邏輯運算判斷為假時則為失效狀態以傳送第二切換訊號。

利用控制切換模組以接收第一切換訊號以傳送第一控制訊號至飛行控制模組或接收第二切換訊號以傳送第二控制訊號至備用控制模組。

根據第一控制訊號或第二控制訊號以控制無人飛行載具之作動。

較佳地，無人飛行載具可為定翼載具，定翼載具之第二控制訊號更包含自動返航模式、降落模式、滑翔模式或其組合。

較佳地，無人飛行載具可為旋翼載具，旋翼載具之第二控制訊號更包含自動返航模式、降落模式、滯空模式或其組合。

較佳地，處理程序可包含訊號濾波、訊號轉換、訊號放大或其組合。

較佳地，設定電壓閾值係可根據PWM測試訊號適應調整。

本發明之主要目的係在於提供一種無人飛行載具的控制系統之失效保護裝置及其方法，其可具有下述一或多個優點：

1.提升飛安效能：藉由備用控制模組以增加輔助飛行模式，當飛行控制模組因故失效時能即時接管操控權，以降低無人飛行載具失控情況的產生，且更可以於備用控制模組中預定自動返航、降落等模式排程，可確保無人飛行載具能安全航行到地面監控站附近，以便於地面人員於視距範圍內進行操控接管，進而提升飛安效能。

2.自我診斷偵測：係利用PWM測試訊號的強健性並配合高速運算的邏輯電路，以進飛行控制模組的自我診斷偵測，進而確保無人飛行載具之控制訊號穩定性，避免無人飛行載具的操控失效問題產生。

3.降低相關成本：係利用PWM訊號在相關的軟、硬體支援上已相關成熟的優點，將其運用於失效保護裝置的測試訊號，可大幅簡化硬體電路的設計複雜度且可提升程序的運算速度，進而達到降低成本之目的。

為了讓上述目的、技術特徵以及實際實施後之增益性更為明顯易懂，於下文中將係以較佳之實施範例輔佐對應相關之圖式來進行更詳細之說明。

1‧‧‧無人飛行載具

2‧‧‧飛行控制模組

3‧‧‧備用控制模組

5‧‧‧致動器

100‧‧‧失效保護裝置

10‧‧‧測試訊號模組

15‧‧‧PWM測試訊號

20‧‧‧傳輸處理模組

21‧‧‧處理程序

22‧‧‧設定電壓閾值

25‧‧‧邏輯運算

26‧‧‧第一切換訊號

28‧‧‧第二切換訊號

30‧‧‧控制切換模組

36‧‧‧第一控制訊號

38‧‧‧第二控制訊號

S1~S7‧‧‧流程步驟

第1圖係為本發明之無人飛行載具的控制系統之失效保護裝置之方塊圖。

第2圖係為本發明之無人飛行載具的控制系統之失效保護裝置之傳輸處理模組之流程示意圖。

第3圖係為本發明之無人飛行載具的控制系統之失效保護模式切換方法之步驟流程圖。

為利 貴審查員瞭解本發明之特徵、內容與優點及其所能達成之功效，茲將本發明配合附圖，並以實施例之表達形式詳細說明如下，而其中所使用之圖式，其主旨僅為示意及輔助說明書之用，未必為本發明實施後之真實比例與精準配置，故不應就所附之圖式的比例與配置關係解讀、侷限本發明於實際實施上的權利範圍。

本發明之優點、特徵以及達到之技術方法將參照例示性實施例及所附圖式進行更詳細地描述而更容易理解，且本發明或可以不同形式來實現，故不應被理解僅限於此處所陳述的實施例，相反地，對所屬技術領域具有通常 知識者而言，所提供的實施例將使本揭露更加透徹與全面且完整地傳達本發明的範疇，且本發明將僅為所附加的申請專利範圍所定義。

請同時參閱第1圖及第2圖，由圖中可知悉，本發明的無人飛行載具的控制系統之失效保護裝置100，其運用於切換無人飛行載具1的飛行控制模組2與備用控制模組3之控制訊號傳輸模式，失效保護裝置100係電性連接於飛行控制模組2及備用控制模組3，其中失效保護裝置100包含測試訊號模組10、傳輸處理模組20以及控制切換模組30。

進一步說明，測試訊號模組10係提供一個PWM測試訊號15並傳送到傳輸處理模組20中，實施上，本發明提出利用將測試訊號以脈衝寬度調變(Pulse Width Modulation，PWM)形態呈現，主要係考量PWM的相關技術成熟且具有電路設計簡單(硬體容易實現)、運算快速(操控性佳)及功耗小等多項優點。實施上，PWM測試訊號15亦可將無人飛行載具1之致動器5的控制訊號直接回授以進行判斷。

傳輸處理模組20則可接收PWM測試訊號15且進行處理程序21，其中處理程序21可包含訊號濾波、訊號轉換、訊號放大或其組合。實施上，PWM測試訊號15先藉由低通濾波可以濾除高頻雜訊，然而PWM測試訊號15的訊號特性於低通濾波後會轉換成類比電壓，再藉由訊號放大電路經類比電壓進行適當的增益處理。處理程序21之處理結果與設定電壓閾值22進行邏輯運算25，並根據運算結果以傳送第一切換訊號26或第二切換訊號28，進一步說明，當邏輯運算25判斷為真時即傳送第一切換訊號26，當邏輯運算25判斷為假時則為失效狀態以傳送第二切換訊號28。實施上，設定電壓閾值22可依照PWM訊號的佔空比進行適應性調整。

控制切換模組30可接收第一切換訊號26以傳送飛行控制模組2之第一控制訊號36或接收第二切換訊號28以傳送備用控制模組3之第二控制訊號38以及無人飛行載具1係根據第一控制訊號36或第二控制訊號38來控制無人飛行載具1之致動器5的作動，以達到無人飛行載具1自主巡航之目的。

進一步說明，目前的無人飛行載具1以定翼載具及旋翼載具為主流機型，而定翼載具之第二控制訊號38可以實際的任務情況選擇自動返航模式、降落模式或滑翔模式等輔助飛行模式；同理，旋翼載具之第二控制訊號38亦可選擇自動返航模式、降落模式或滯空模式等模式。

當控制切換模組30發送第二控制訊號38時，即表示飛行控制模組2因故產生失效而交出無人飛行載具1的操控權，其中備用控制模組3可預定自動返航、降落等模式排程，以確保無人飛行載具1能安全航行到地面監控站，以便於地面人員於視距範圍內進行操控接管以提升飛安效能。

實施上，第一控制訊號36及第二控制訊號38可以為PWM訊號態樣呈現，主要是利用數位訊號對於雜訊的抗干擾能力，且可藉由調整脈波寬度、佔空比或頻率，根據不同的工作週期以適應調整不同的輸出電壓。再者，利用PWM訊號進行調速控制具有功耗小、動態響應佳及穩速精度高等優點。

由於無人飛行載具1須搭載各類偵查或通訊設備，所以訊號間的電磁干擾、高頻干擾等問題，會直接影響到訊號傳輸的穩定性。實施上，失效保護裝置100更可增設隔離模組以阻隔各模組間的電性干擾。

進一步說明，本發明之失效保護裝置100更包含訊號隔離模組以避免控制模組(飛行控制模組2、備用控制模組3)與致動器5間的電源衝突，並可 對訊號進行隔離，可以提升訊號的可靠性及強健性。實施上，訊號隔離模組可包含訊號隔離器、訊號隔離電路或其組合。

請參閱第3圖，其係為本發明之無人飛行載具的控制系統之失效保護模式切換方法之步驟流程圖。由於無人飛行載具於實際工作運行過程中，控制訊號故障的出現是隨機產生且具有不確定性，是故採用飛行控制模組及備用控制模組進行雙通道控制為無人飛行載具的主流配置，但目前的飛控故障檢測因訊號易受干擾且穩定性不佳，需藉由複雜的演算法加以處理分析，徒增處理時間且因訊號複雜不易分離，容易會有誤判的情況產生。

為了有效改善上述之問題，本發明則揭露一種無人飛行載具的控制系統之失效保護模式切換方法，其運用於切換一無人飛行載具的一飛行控制模組與一備用控制模組之控制訊號傳輸模式，以確保無人飛行載具之控制訊號穩定性。

失效保護模式切換方法包含下列步驟：步驟S1，利用測試訊號模組提供PWM測試訊號，係藉由PWM型態的數位訊號特性以提升訊號的強健性並利用PWM型態的測試訊號，以大幅簡化相關硬體電路的設計複雜度並提升程序的運算速度，進而達到降低成本之目的。步驟S2，傳輸PWM測試訊號至傳輸處理模組。步驟S3，利用傳輸處理模組之處理程序以進行訊號處理，藉由濾波、轉換及放大等訊號處理程序，以增加訊號的精準度。

步驟S4，利用處理程序之處理結果與設定電壓閾值進行邏輯運算。步驟S5，根據邏輯運算結果輸出第一切換訊號或第二切換訊號，藉由高速的邏輯運算以縮短運算時間，其中當邏輯運算判斷為真時即傳送第一切換訊號，當邏輯運算判斷為假時則為失效狀態以傳送第二切換訊號。

步驟S6，利用控制切換模組以接收第一切換訊號以傳送第一控制訊號至飛行控制模組或接收第二切換訊號以傳送第二控制訊號至備用控制模組。實施上，在正常工作狀況下時，以飛行控制模組為主要訊號輸出通道，備用控制模組則為備份通道僅處理相關數據但不作輸出操作。而當飛行控制模組因故失效時，則利用備用控制模組為訊號輸出通道以接管無人飛行載具的操控權。

步驟S7，根據第一控制訊號或第二控制訊號以控制無人飛行載具之作動。當無人飛行載具根據第一控制訊號而作動時，即表示目前的無人飛行載具的操控權在飛行控制模組上，進而依據任務排程規劃以完成相關的巡航飛行。然而當無人飛行載具根據第二控制訊號而作動時，表示飛行控制模組因故失效，則由備用控制模組進行切換並操控該無人飛行載具。

進一步說明，當執行一般的巡航任務時，第二控制訊號則依據自動返航、安全降落等輔助飛行模式，將無人飛行載具返回到地面監控站附近，以便於地面人員於視距範圍內進行接管該無人飛行載具的操控權，進而提升飛安效能。若是執行特定任務而無法返航時，則依據實際的飛航狀況以適應調整控制模式的執行順序，以完成特定任務。

以上所述之實施例僅係為說明本發明之技術思想及特點，其目的在使熟習此項技藝之人士能夠瞭解本發明之內容並據以實施，當不能以之限定本發明之專利範圍，即大凡依本發明所揭示之精神所作之均等變化或修飾，仍應涵蓋在本發明之專利範圍內。

1‧‧‧無人飛行載具

2‧‧‧飛行控制模組

3‧‧‧備用控制模組

5‧‧‧致動器

100‧‧‧失效保護裝置

10‧‧‧測試訊號模組

15‧‧‧PWM測試訊號

20‧‧‧傳輸處理模組

21‧‧‧處理程序

22‧‧‧設定電壓閾值

25‧‧‧邏輯運算

26‧‧‧第一切換訊號

28‧‧‧第二切換訊號

30‧‧‧控制切換模組

36‧‧‧第一控制訊號

38‧‧‧第二控制訊號

Claims (10)

1. 一種無人飛行載具的控制系統之失效保護裝置，係運用於一無人飛行載具的一飛行控制模組與一備用控制模組間的控制訊號傳輸之切換，該失效保護裝置係電性連接於該飛行控制模組及該備用控制模組，該失效保護裝置包含：一測試訊號模組，係提供一PWM測試訊號；一傳輸處理模組，係接收該PWM測試訊號且進行一處理程序，該處理程序之處理結果與一設定電壓閾值進行一邏輯運算，其中當該邏輯運算判斷為真時即傳送一第一切換訊號，當該邏輯運算判斷為假時則為失效狀態以傳送一第二切換訊號；以及一控制切換模組，係接收該第一切換訊號以傳送該飛行控制模組之一第一控制訊號或接收該第二切換訊號以傳送該備用控制模組之一第二控制訊號；其中，該飛行控制模組係將該第一控制訊號回授至該測試訊號模組，該測試訊號模組係對應該第一控制訊號產生該PWM測試訊號，該無人飛行載具係根據該第一控制訊號或該第二控制訊號以控制該無人飛行載具之作動。
2. 如申請專利範圍第1項所述之無人飛行載具的控制系統之失效保護裝置，更包含一隔離模組以阻隔各模組間的電性干擾。
3. 如申請專利範圍第1項所述之無人飛行載具的控制系統之失效保護裝置，更包含一訊號隔離模組以避免電源衝突並進行訊號隔離。
4. 如申請專利範圍第1項所述之無人飛行載具的控制系統之失效保護裝置，其中該無人飛行載具係為一定翼載具，該定翼載具之該第二控制訊號更包含自動返航模式、降落模式、滑翔模式或其組合。
5. 如申請專利範圍第1項所述之無人飛行載具的控制系統之失效保護裝置，其中該無人飛行載具係為一旋翼載具，該旋翼載具之該第二控制訊號更包含自動返航模式、降落模式、滯空模式或其組合。
6. 如申請專利範圍第1項所述之無人飛行載具的控制系統之失效保護裝置，其中該設定電壓閾值係根據該PWM測試訊號適應調整。
7. 一種無人飛行載具的控制系統之失效保護模式切換方法，係運用於切換一無人飛行載具的一飛行控制模組與一備用控制模組之控制訊號傳輸模式，以確保該無人飛行載具之控制訊號穩定性，該失效保護模式切換方法其步驟：利用一測試訊號模組提供一PWM測試訊號；傳輸該PWM測試訊號至一傳輸處理模組；利用該傳輸處理模組之一處理程序以進行訊號處理；利用該處理程序之處理結果與一設定電壓閾值進行一邏輯運算；當該邏輯運算判斷為真時即傳送一第一切換訊號，當該邏輯運算判斷為假時則為失效狀態以傳送一第二切換訊號； 利用一控制切換模組以接收該第一切換訊號以傳送一第一控制訊號至該飛行控制模組或接收該第二切換訊號以傳送一第二控制訊號至該備用控制模組；根據該第一控制訊號或該第二控制訊號以控制該無人飛行載具之作動；其中，該飛行控制模組係將該第一控制訊號回授至該測試訊號模組，該測試訊號模組係對應該第一控制訊號產生該PWM測試訊號。
8. 如申請專利範圍第7項所述之無人飛行載具的控制系統之失效保護模式切換方法，其中該無人飛行載具係為一定翼載具，該定翼載具之該第二控制訊號更包含自動返航模式、降落模式、滑翔模式或其組合。
9. 如申請專利範圍第7項所述之無人飛行載具的控制系統之失效保護模式切換方法，其中該無人飛行載具係為一旋翼載具，該旋翼載具之該第二控制訊號更包含自動返航模式、降落模式、滯空模式或其組合。
10. 如申請專利範圍第7項所述之無人飛行載具的控制系統之失效保護模式切換方法，其中該設定電壓閾值係根據該PWM測試訊號適應調整。