多旋翼無人機安全降落系統的制作方法
【專利摘要】本實用新型所提供的一種多旋翼無人機安全降落系統，包括：各旋翼電機狀態檢測部，用于檢測無人機的各旋翼電機是否正常工作；降落校正模塊，與所述各旋翼電機狀態檢測部連接，用于在旋翼電機工作異常時輸出調整各旋翼電機轉速的控制指令；旋翼電機控制部，與所述降落校正模塊連接，依據所述控制指令驅動各旋翼電機的運行。由上，當無人機的某一旋翼出現故障時，無人機的旋轉角速度將會突然增大，且會突然出現多傾角方向的加速度值，通過這些突變的數據值可以快速判斷飛機的姿態及出現故障的旋翼。降落校正模塊依據上述信息，輸出控制指令，以平衡其余幾個電機的力矩，將多旋翼無人機以自身為中心旋轉，最終實現安全降落。
【專利說明】
多旋翼無人機安全降落系統
技術領域
[0001]本實用新型涉及無人機安全技術領域，特別涉及一種多旋翼無人機安全降落系統。
【背景技術】
[0002]隨著無人機的逐漸普及，其應用領域也越來越廣，但無論在哪個領域，無人機的安全問題一直都是最受關注的。隨著無人機技術的不斷發展，無人機的安全保障有了很大的提高。但不可避免的是，總會有一些不可預期的情況導致無人機脫離控制。
[0003]多旋翼無人機常見的包括四旋翼、六旋翼和八旋翼等，各旋翼采用正多邊形分布。對于目前的多旋翼無人機來說，其飛行特性不同于固定翼無人機和直升機無人機，一旦出現電機失去動力或者各個電機輸出的力矩不平衡的情況時，極容易造成飛行事故。根據調查，當多旋翼無人機的某一個電機失去動力之后，單靠飛行控制使多旋翼無人機以最小損失降落幾乎是不可能的。因為目前市場上的多旋翼無人機飛行控制系統在一個電機失去動力之后的調節，可能會加劇多旋翼無人機的失控程度。此時如何最大程度的減小人員財產的損失就成為一個需要迫切解決的問題。
【實用新型內容】
[0004]有鑒于此，本實用新型的主要目的在于，提供一種多旋翼無人機安全降落系統，包括:各旋翼電機狀態檢測部，用于檢測無人機的各旋翼電機是否正常工作；
[0005]降落校正模塊，與所述各旋翼電機狀態檢測部連接，用于在旋翼電機工作異常時輸出調整各旋翼電機轉速的控制指令；
[0006]旋翼電機控制部，與所述降落校正模塊連接，依據所述控制指令驅動各旋翼電機的運行
[0007]由上，當無人機的某一旋翼出現故障時，無人機的旋轉角速度將會突然增大，且會突然出現多傾角方向的加速度值，通過這些突變的數據值可以快速判斷飛機的姿態及出現故障的旋翼。降落校正模塊依據上述信息，輸出控制指令，以平衡其余幾個電機的力矩，將多旋翼無人機以自身為中心旋轉，最終實現安全降落。
[0008]可選的，所述各旋翼電機狀態檢測部包括:
[0009]慣性測量模塊，用于檢測無人機的飛行狀態；
[0010]飛行故障判斷模塊，與所述慣性測量模塊連接，用于依據飛行狀態判斷飛行狀態是否發生異常；
[0011]電壓檢測模塊，用于在飛行狀態異常時，檢測旋翼電機控制部中的三相輸出的電壓。
[0012]由上，當多旋翼無人機因為一些非電機問題(如多旋翼無人機的螺旋槳折斷等)而發生的力矩失衡時，無人機的旋轉角速度將會突然增大，且會突然出現多傾角方向的加速度值，通過三軸陀螺儀和加速度儀檢測到這些突變的數據值可以快速判斷飛機的姿態是否出現故障。進而通過檢測旋翼電機控制部的三相輸出電壓，當出現某一相連續異常(例如三相中的某一相數據低于另兩相持續2秒以上)，則表示該旋翼出現故障。
[0013]可選的，所述慣性測量模塊包括三軸陀螺儀和加速度儀。
[0014]可選的，所述各旋翼電機狀態檢測部包括:電流檢測模塊，與所述旋翼電機控制部連接；
[0015]所述降落校正模塊還與所述電流檢測模塊連接，用于依據異常電流輸出控制指令以調整各旋翼電機轉速。
[0016]可選的，所述電流檢測模塊包括依次連接的電流檢測電路，電流比較電路和串口，還包括與所述電流比較電路連接的存儲器；
[0017]所述存儲器中預存有旋翼電機的正常工作電流。
[0018]由上，通過預存正常工作時的輸出電流，并以此為基準，與實時測量值進行比較，當誤差超過計算允許最大值時，即可認為某一旋翼
[0019]由上，通過預存正常工作時的輸出電流，并以此為基準，與實時測量值進行比較，當誤差超過計算允許最大值時，即可認為某一旋翼電機未在正常工作狀態。以此作為調整依據，平衡其余幾個電機的力矩，將多旋翼無人機以自身為中心旋轉，最終實現安全降落。
[0020]可選的，所述旋翼電機控制部還包括電壓檢測模塊，與所述電機驅動電路連接，用于檢測電機驅動電路的三相輸出電壓。
[0021 ]可選的，所述降落校正模塊包括STM32系列的ARM單片機。
【附圖說明】
[0022]圖1為本實用新型的原理不意圖；
[0023]圖2為六旋翼無人機的電機結構示意圖；
[0024]圖3為降落校正模塊的工作流程圖。
【具體實施方式】
[0025]為克服現有技術存在的缺陷，本實用新型提供一種多旋翼無人機安全降落系統，當一個旋翼的電機失去動力之后，能夠通過電調直接控制多旋翼無人機，通過平衡其余幾個旋翼電機的力矩，將多旋翼無人機以自身為中心旋轉，最終實現安全降落。
[0026]如圖1所示，多旋翼無人機安全降落系統包括:第一至第N旋翼電機控制部10，設于無人機上的慣性測量模塊30，以及分別與二者連接的降落校正模塊20。當某一旋翼出現故障時，降落校正模塊20依據第一至第N旋翼電機控制部10所檢測的各個電機的運行情況，以及慣性測量模塊30所檢測的無人機的運行狀態，輸出控制指令，以平衡各個旋翼的力矩。
[0027]各旋翼電機控制部10的內部組成相同，以第一旋翼電機部為例進行說明。
[0028]旋翼電機控制部1包括依次連接的電機控制模塊11、電機驅動電路102和第一旋翼電機103，還包括分別與上述各模塊連接的電流檢測模塊104。
[0029]所述電機控制模塊101與所述降落校正模塊20連接，依據降落校正模塊20發出的控制指令，控制電機的運行。
[0030]電機驅動電路102以及電機控制模塊101的控制指令，進行放大、隔離等處理后，驅動第一旋翼電機103運轉。
[0031]所述電流檢測模塊104中包括有依次連接的電流檢測電路，電流比較電路和串口，還包括與所述電流比較電路連接的存儲器。存儲器中預存有電機控制模塊101、電機驅動電路102和第一旋翼電機103的正常工作電流。電流檢測電路實時檢測上述三者的工作電流，通過電流比較器進行檢測，當出現比較結果超過安全閾值時，即表示該旋翼未在正常工作狀態，遂通過串口將超出閾值的工作電流輸出至降落校正模塊20。
[0032]又或者，還可采用無人機飛行姿態以及電機驅動電路102的電壓相位輸出進行旋翼故障判斷，具體的，采用以下部件實現:
[0033]慣性測量模塊30，用于通過其包含的三軸陀螺儀及加速度儀測量無人機的運動狀態。其中，三軸陀螺儀用于測量無人機當前的旋轉角速度，加速度儀用于測量無人機的加速度。當多旋翼無人機因為一些非電機問題(如多旋翼無人機的螺旋槳折斷等)而發生的力矩失衡時，無人機的旋轉角速度將會突然增大，且會突然出現多傾角方向的加速度值，通過這些突變的數據值可以快速判斷飛機的姿態及出現故障的旋翼，例如，當傾角數值大于35°，且持續3秒以上時，S卩表示出現故障。
[0034]電壓檢測模塊(未圖示)，用于檢測電機驅動電路102的三相輸出電壓，當出現某一相連續異常(例如三相中的某一相數據低于另兩相持續2秒以上)，則表示該旋翼電機出現故障。
[0035]降落校正模塊20依據旋翼電機控制部10或慣性測量模塊30(和電壓檢測模塊)所傳輸的數據，對各個旋翼輸出控制指令，通過閉環控制的方式，使各個旋翼的電機協調工作，從而使無人機平穩降落。
[0036]以六旋翼無人機為例進行說明，圖2所示為六旋翼無人機的電機示意圖。當無人機的某一旋翼出現故障時，以圖2中I號旋翼電機故障為例，為保持水平方向平衡，降落校正模塊20的調整原理如下:優先切斷出現故障的I號旋翼的電機以及其對角線上4號旋翼的電機的供電。其次，沿故障電機左右兩側開始遞減轉速，即降低I號旋翼電機兩側的2號、6號旋翼電機的轉速，具體降低至當前轉速的85%?90%。其次，降低2號、6號旋翼電機的轉速具體降低至當前轉速的70%?85%。同理，上述調節方式適用于四旋翼、八旋翼等等。
[0037]通過上述以遞減轉速的調整方式，在接近故障旋翼的左右位置，轉速調整相對較小，以使該位置接近故障旋翼的原轉速，而遠離故障旋翼的位置，轉速調整相對較大，起到平衡無人機的目的。通過上述調整方式，可以使無人機平穩降速，讓其余旋翼的拉力逐漸降低，從而使無人機緩慢降落。其次，通過上述調整方式，可實現平衡故障旋翼所產生的力矩。最后，采用不同時降速的方式，防止由于突發故障而導致的推力或螺距失控，引發二次危險。
[0038]由上，使無人機的加速度及旋轉角速度穩定在一個平衡值附近，即可完成失去一側動力情況下的迫降。
[0039]當無人機接近地面時，控制無人機所有旋翼電機停止工作，從而實現安全迫降。基于無人機相對于地面距離的檢測，可采用慣性測量模塊實現，不再贅述。
[0040]更進一步的，本實施例在上述控制方式的基礎上，還包括增加無人機在下降過程中的自轉降落的控制方式。即，降落校正模塊20在無人機下降過程中，依據慣性測量模塊30中三軸陀螺儀所檢測的數據，閉環調整無人機機頭的朝向，以使其沿順(逆)時針360°圓周運動，從而實現無人機在下降過程中的自轉。通過在迫降過程中的以自身為中心旋轉降落，并且在此過程中輔以無人機自轉降落，可以進一步增加無人機降落的穩定性，從而提高安全系數，使無人機最終安全降落。
[0041 ]本實施例中，所述降落校正模塊20采用STM32系列的ARM單片機實現。對于本實用新型來說，除了能穩定地輸出脈沖波形之外，還要求對整個運行過程進行監控，甚至在必要的時候要能自動切斷設備的運行。因此，一款精簡而功能強大，高效而工作穩定的單片機成為了一個關鍵的因素。STM32這個系列的ARM單片機，既可以在穩定工作時監控設備中各個模組的運行，又能夠在特殊情況發生時，及時接受外部信號，強制脈沖控制模組按一定指令運行，安全系數較高。
[0042]圖3所示為降落校正模塊20的工作流程圖，包括以下步驟:
[0043]S10:降落校正模塊20接收慣性測量模塊30所檢測的旋轉角速度，加速度，以及各旋翼電機部所檢測的電流或電壓數據。
[0044]S20:降落校正模塊20判斷各旋翼電機的工作是否正常，不正常時，進入步驟S30，
否則重復本步驟。
[0045]S30:以無人機自身為旋轉中心，控制無人機旋轉降落。
[0046]具體控制過程與在先敘述的降落校正模塊20的工作流程相同，包括控制無人機以自身為中心旋轉降落，且伴隨著在旋轉過程的自轉，最終實現安全降落。具體過程不再贅述。
[0047]S40:當無人機接近地面時控制無人機所有旋翼電機停止工作。
[0048]以上所述僅為本實用新型的較佳實施例而已，并不用以限制本實用新型。總之，凡在本實用新型的精神和原則之內，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本實用新型的保護范圍之內。
【主權項】
1.一種多旋翼無人機安全降落系統，其特征在于，包括: 各旋翼電機狀態檢測部，用于檢測無人機的各旋翼電機是否正常工作； 降落校正模塊，與所述各旋翼電機狀態檢測部連接，用于在旋翼電機工作異常時輸出調整各旋翼電機轉速的控制指令； 旋翼電機控制部，與所述降落校正模塊連接，依據所述控制指令驅動各旋翼電機的運行。2.根據權利要求1所述的系統，其特征在于，所述各旋翼電機狀態檢測部包括: 慣性測量模塊，用于檢測無人機的飛行狀態； 飛行故障判斷模塊，與所述慣性測量模塊連接，用于依據飛行狀態判斷飛行狀態是否發生異常； 電壓檢測模塊，用于在飛行狀態異常時，檢測旋翼電機控制部中的三相輸出的電壓。3.根據權利要求2所述的系統，其特征在于，所述慣性測量模塊包括三軸陀螺儀和加速度儀。4.根據權利要求1所述的系統，其特征在于，所述各旋翼電機狀態檢測部包括:電流檢測模塊，與所述旋翼電機控制部連接； 所述降落校正模塊還與所述電流檢測模塊連接，用于依據異常電流輸出控制指令以調整各旋翼電機轉速。5.根據權利要求4所述的系統，其特征在于，所述電流檢測模塊包括依次連接的電流檢測電路，電流比較電路和串口，還包括與所述電流比較電路連接的存儲器； 所述存儲器中預存有旋翼電機的正常工作電流。6.根據權利要求1所述的系統，其特征在于，所述降落校正模塊包括STM32系列的ARM單片機。
【文檔編號】B64C39/02GK205633038SQ201620233661
【公開日】2016年10月12日
【申請日】2016年3月24日
【發明人】張志強, 楊伯陽, 王露, 王英男
【申請人】深圳市創翼睿翔天空科技有限公司, 北京信息科技大學