本發(fā)明涉及無人機(jī)安全技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種多旋翼無人機(jī)安全降落系統(tǒng)及方法。

背景技術(shù)：

隨著無人機(jī)的逐漸普及，其應(yīng)用領(lǐng)域也越來越廣，但無論在哪個(gè)領(lǐng)域，無人機(jī)的安全問題一直都是最受關(guān)注的。隨著無人機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展，無人機(jī)的安全保障有了很大的提高。但不可避免的是，總會(huì)有一些不可預(yù)期的情況導(dǎo)致無人機(jī)脫離控制。

多旋翼無人機(jī)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(jī)來說，其飛行特性不同于固定翼無人機(jī)和直升機(jī)無人機(jī)，一旦出現(xiàn)電機(jī)失去動(dòng)力或者各個(gè)電機(jī)輸出的力矩不平衡的情況時(shí)，極容易造成飛行事故。根據(jù)調(diào)查，當(dāng)多旋翼無人機(jī)的某一個(gè)電機(jī)失去動(dòng)力之后，單靠飛行控制使多旋翼無人機(jī)以最小損失降落幾乎是不可能的。因?yàn)槟壳笆袌錾系亩嘈頍o人機(jī)飛行控制系統(tǒng)在一個(gè)電機(jī)失去動(dòng)力之后的調(diào)節(jié)，可能會(huì)加劇多旋翼無人機(jī)的失控程度。此時(shí)如何最大程度的減小人員財(cái)產(chǎn)的損失就成為一個(gè)需要迫切解決的問題。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

有鑒于此，本發(fā)明的主要目的在于，提供一種多旋翼無人機(jī)安全降落系統(tǒng)，包括：

各旋翼電機(jī)狀態(tài)檢測部，用于檢測無人機(jī)的各旋翼電機(jī)是否正常工作；

降落校正模塊，與所述各旋翼電機(jī)狀態(tài)檢測部連接，用于在旋翼 電機(jī)工作異常時(shí)輸出調(diào)整各旋翼電機(jī)轉(zhuǎn)速的控制指令；

旋翼電機(jī)控制部，與所述降落校正模塊連接，依據(jù)所述控制指令驅(qū)動(dòng)各旋翼電機(jī)的運(yùn)行

由上，當(dāng)無人機(jī)的某一旋翼出現(xiàn)故障時(shí)，無人機(jī)的旋轉(zhuǎn)角速度將會(huì)突然增大，且會(huì)突然出現(xiàn)多傾角方向的加速度值，通過這些突變的數(shù)據(jù)值可以快速判斷飛機(jī)的姿態(tài)及出現(xiàn)故障的旋翼。降落校正模塊依據(jù)上述信息，輸出控制指令，以平衡其余幾個(gè)電機(jī)的力矩，將多旋翼無人機(jī)以自身為中心旋轉(zhuǎn)，最終實(shí)現(xiàn)安全降落。

可選的，所述各旋翼電機(jī)狀態(tài)檢測部包括：

慣性測量模塊，用于檢測無人機(jī)的飛行狀態(tài)；

飛行故障判斷模塊，與所述慣性測量模塊連接，用于依據(jù)飛行狀態(tài)判斷飛行狀態(tài)是否發(fā)生異常；

電壓檢測模塊，用于在飛行狀態(tài)異常是，檢測旋翼電機(jī)控制部中的三相輸出的電壓。

由上，當(dāng)多旋翼無人機(jī)因?yàn)橐恍┓请姍C(jī)問題(如多旋翼無人機(jī)的螺旋槳折斷等)而發(fā)生的力矩失衡時(shí)，無人機(jī)的旋轉(zhuǎn)角速度將會(huì)突然增大，且會(huì)突然出現(xiàn)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(shù)據(jù)值可以快速判斷飛機(jī)的姿態(tài)是否出現(xiàn)故障。進(jìn)而通過檢測旋翼電機(jī)控制部的三相輸出電壓，當(dāng)出現(xiàn)某一相連續(xù)異常(例如三相中的某一相數(shù)據(jù)低于另兩相持續(xù)2秒以上)，則表示該旋翼出現(xiàn)故障。

可選的，所述慣性測量模塊包括三軸陀螺儀和加速度儀。

可選的，所述各旋翼電機(jī)狀態(tài)檢測部包括：電流判斷模塊，與所述旋翼電機(jī)控制部連接所述降落校正模塊還與所述電流檢測電路連接，用于依據(jù)所述異常電流輸出控制指令以調(diào)整各旋翼電機(jī)轉(zhuǎn)速。

可選的，所述電流判斷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(chǔ)器；

所述存儲(chǔ)器中預(yù)存有旋翼電機(jī)的正常工作電流。

由上，通過預(yù)存正常工作時(shí)的輸出電流，并以此為基準(zhǔn)，與實(shí)時(shí) 測量值進(jìn)行比較，當(dāng)誤差超過計(jì)算允許最大值時(shí)，即可認(rèn)為某一旋翼電機(jī)未在正常工作狀態(tài)。以此作為調(diào)整依據(jù)，平衡其余幾個(gè)電機(jī)的力矩，將多旋翼無人機(jī)以自身為中心旋轉(zhuǎn)，最終實(shí)現(xiàn)安全降落。

可選的，所述旋翼電機(jī)控制部還包括電壓檢測模塊，與所述電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路連接，用于檢測電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路的三相輸出電壓。

對應(yīng)的，本發(fā)明還提供一種多旋翼無人機(jī)安全降落方法，包括步驟：

a、降落校正模塊接收各旋翼電機(jī)的工作數(shù)據(jù)；

b、降落校正模塊依據(jù)所述工作數(shù)據(jù)判斷各旋翼電機(jī)的工作是否正常，不正常時(shí)進(jìn)入步驟c，否則重復(fù)本步驟；

c：調(diào)節(jié)各旋翼電機(jī)的轉(zhuǎn)速，控制無人機(jī)降落；

d：當(dāng)無人機(jī)接近地面時(shí)控制無人機(jī)所有旋翼電機(jī)停止工作。

由上，當(dāng)無人機(jī)的某一旋翼出現(xiàn)故障時(shí)，降落校正模塊依據(jù)故障信息，輸出控制指令，以平衡其余幾個(gè)電機(jī)的力矩，將多旋翼無人機(jī)以自身為中心旋轉(zhuǎn)，最終實(shí)現(xiàn)安全降落。

可選的，步驟c中所述調(diào)節(jié)個(gè)旋翼電機(jī)的轉(zhuǎn)速包括：

關(guān)閉故障旋翼電機(jī)以及其對角線的旋翼電機(jī)；

降低工作正常旋翼電機(jī)的轉(zhuǎn)速。

可選的，降低剩余旋翼電機(jī)的轉(zhuǎn)速包括：

以故障旋翼電機(jī)和其對角線上的旋翼電機(jī)連線為軸，將工作正常旋翼電機(jī)對應(yīng)在軸向上與故障旋翼電機(jī)的距離進(jìn)行排序；

按距離由近及遠(yuǎn)，依次遞減工作正常旋翼電機(jī)的轉(zhuǎn)速；

所述遞減量為當(dāng)前轉(zhuǎn)速的10％～15％。

由上，通過上述以遞減轉(zhuǎn)速的調(diào)整方式，在接近故障旋翼的左右位置，轉(zhuǎn)速調(diào)整相對較小，以使該位置接近故障旋翼的原轉(zhuǎn)速，而遠(yuǎn)離故障旋翼的位置，轉(zhuǎn)速調(diào)整相對較大，起到平衡無人機(jī)的目的。通過上述調(diào)整方式，可以使無人機(jī)平穩(wěn)降速，讓其余旋翼的拉力逐漸降低，從而使無人機(jī)緩慢降落。其次，通過上述調(diào)整方式，可實(shí)現(xiàn)平衡故障旋翼所產(chǎn)生的力矩。最后，采用不同時(shí)降速的方式，防止由于突 發(fā)故障而導(dǎo)致的推力或螺距失控，引發(fā)二次危險(xiǎn)。

可選的，步驟c還包括：以無人機(jī)機(jī)身任意一處為參照中心點(diǎn)，閉環(huán)調(diào)整無人機(jī)圍繞所述參照中心點(diǎn)進(jìn)行順時(shí)針或逆時(shí)針自轉(zhuǎn)。

由上，通過在迫降過程中的以自身為中心旋轉(zhuǎn)降落，并且在此過程中輔以無人機(jī)自轉(zhuǎn)降落，可以進(jìn)一步增加無人機(jī)降落的穩(wěn)定性，從而提高安全系數(shù)，使無人機(jī)最終安全降落。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的原理示意圖；

圖2為六旋翼無人機(jī)的電機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3為降落校正模塊的工作流程圖。

具體實(shí)施方式

為克服現(xiàn)有技術(shù)存在的缺陷，本發(fā)明提供一種多旋翼無人機(jī)安全降落系統(tǒng)及方法，當(dāng)一個(gè)旋翼的電機(jī)失去動(dòng)力之后，能夠通過電調(diào)直接控制多旋翼無人機(jī)，通過平衡其余幾個(gè)旋翼電機(jī)的力矩，將多旋翼無人機(jī)以自身為中心旋轉(zhuǎn)，最終實(shí)現(xiàn)安全降落。

如圖1所示，多旋翼無人機(jī)安全降落系統(tǒng)包括：第一至第n旋翼電機(jī)控制部10，設(shè)于無人機(jī)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(dāng)某一旋翼出現(xiàn)故障時(shí)，降落校正模塊20依據(jù)第一至第n旋翼電機(jī)控制部10所檢測的各個(gè)電機(jī)的運(yùn)行情況，以及慣性測量模塊30所檢測的無人機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)，計(jì)算出控制指令，以平衡各個(gè)旋翼的力矩。

各旋翼電機(jī)控制部10的內(nèi)部組成相同，以第一旋翼電機(jī)部為例進(jìn)行說明。

旋翼電機(jī)控制部10包括依次連接的電機(jī)控制模塊101和第一旋翼電機(jī)102，還包括分別與上述各模塊連接的電流判斷模塊103。

所述電機(jī)控制模塊101與所述降落校正模塊20連接，依據(jù)降落校正模塊20發(fā)出的控制指令，進(jìn)行放大、隔離等處理后，驅(qū)動(dòng)第一 旋翼電機(jī)102運(yùn)轉(zhuǎn)。

所述電流判斷模塊103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(chǔ)器。存儲(chǔ)器中預(yù)存有電機(jī)控制模塊101和第一旋翼電機(jī)102的正常工作電流。電流檢測電路實(shí)時(shí)檢測上述三者的工作電流，通過電流比較器進(jìn)行檢測，當(dāng)出現(xiàn)比較結(jié)果超過安全閾值時(shí)，即表示該旋翼未在正常工作狀態(tài)，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。

又或者，還可采用無人機(jī)飛行姿態(tài)以及電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路102的電壓相位輸出進(jìn)行旋翼故障判斷，具體的，采用以下部件實(shí)現(xiàn)：

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(jī)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。其中，三軸陀螺儀用于測量無人機(jī)當(dāng)前的旋轉(zhuǎn)角速度，加速度儀用于測量無人機(jī)的加速度。當(dāng)多旋翼無人機(jī)因?yàn)橐恍┓请姍C(jī)問題(如多旋翼無人機(jī)的螺旋槳折斷等)而發(fā)生的力矩失衡時(shí)，無人機(jī)的旋轉(zhuǎn)角速度將會(huì)突然增大，且會(huì)突然出現(xiàn)多傾角方向的加速度值。通過一與慣性測量模塊30連接的飛行故障判斷模塊，通過這些突變的數(shù)據(jù)值可以快速判斷飛機(jī)的姿態(tài)及出現(xiàn)故障的旋翼電機(jī)，例如，當(dāng)傾角數(shù)值大于35°，且持續(xù)3秒以上時(shí)，即表示出現(xiàn)故障。

電壓檢測模塊(未圖示)，用于檢測電機(jī)控制模塊101的三相輸出電壓，當(dāng)出現(xiàn)某一相連續(xù)異常(例如三相中的某一相數(shù)據(jù)低于另兩相持續(xù)2秒以上)，則表示該旋翼電機(jī)出現(xiàn)故障。

降落校正模塊20依據(jù)旋翼電機(jī)控制部10或慣性測量模塊30(和電壓檢測模塊)所傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，對各個(gè)旋翼輸出控制指令，通過閉環(huán)控制的方式，使各個(gè)旋翼的電機(jī)協(xié)調(diào)工作，從而使無人機(jī)平穩(wěn)降落。

以六旋翼無人機(jī)為例進(jìn)行說明，圖2所示為六旋翼無人機(jī)的電機(jī)示意圖。當(dāng)無人機(jī)的某一旋翼出現(xiàn)故障時(shí)，以圖2中1號(hào)旋翼電機(jī)故障為例，為保持水平方向平衡，降落校正模塊20的調(diào)整原理如下：優(yōu)先切斷出現(xiàn)故障的1號(hào)旋翼的電機(jī)以及其對角線上4號(hào)旋翼的電機(jī)的供電。其次，沿故障電機(jī)左右兩側(cè)開始遞減轉(zhuǎn)速，即降低1號(hào)旋翼電機(jī)兩側(cè)的2號(hào)、6號(hào)旋翼電機(jī)的轉(zhuǎn)速，具體降低至當(dāng)前轉(zhuǎn)速的 85％～90％。其次，降低2號(hào)、6號(hào)旋翼電機(jī)的轉(zhuǎn)速具體降低至當(dāng)前轉(zhuǎn)速的70％～85％。同理，上述調(diào)節(jié)方式適用于四旋翼、八旋翼等等。

通過上述以遞減轉(zhuǎn)速的調(diào)整方式，在接近故障旋翼的左右位置，轉(zhuǎn)速調(diào)整相對較小，以使該位置接近故障旋翼的原轉(zhuǎn)速，而遠(yuǎn)離故障旋翼的位置，轉(zhuǎn)速調(diào)整相對較大，起到平衡無人機(jī)的目的。通過上述調(diào)整方式，可以使無人機(jī)平穩(wěn)降速，讓其余旋翼的拉力逐漸降低，從而使無人機(jī)緩慢降落。其次，通過上述調(diào)整方式，可實(shí)現(xiàn)平衡故障旋翼所產(chǎn)生的力矩。最后，采用不同時(shí)降速的方式，防止由于突發(fā)故障而導(dǎo)致的推力或螺距失控，引發(fā)二次危險(xiǎn)。

由上，使無人機(jī)的加速度及旋轉(zhuǎn)角速度穩(wěn)定在一個(gè)平衡值附近，即可完成失去一側(cè)動(dòng)力情況下的迫降。

當(dāng)無人機(jī)接近地面時(shí)，控制無人機(jī)所有旋翼電機(jī)停止工作，從而實(shí)現(xiàn)安全迫降?；跓o人機(jī)相對于地面距離的檢測，可采用慣性測量模塊實(shí)現(xiàn)，不再贅述。

更進(jìn)一步的，本實(shí)施例在上述控制方式的基礎(chǔ)上，還包括增加無人機(jī)在下降過程中的自轉(zhuǎn)降落的控制方式。即，降落校正模塊20在無人機(jī)下降過程中，依據(jù)慣性測量模塊30中三軸陀螺儀所檢測的數(shù)據(jù)，以無人機(jī)機(jī)身任意一處為參照中心點(diǎn)，閉環(huán)調(diào)整無人機(jī)圍繞所述參照中心點(diǎn)進(jìn)行順(逆)時(shí)針自轉(zhuǎn)。通過在迫降過程中的以自身為中心旋轉(zhuǎn)降落，并且在此過程中輔以無人機(jī)自轉(zhuǎn)降落，可以進(jìn)一步增加無人機(jī)降落的穩(wěn)定性，從而提高安全系數(shù)，使無人機(jī)最終安全降落。

本實(shí)施例中，所述降落校正模塊20采用stm32系列的arm單片機(jī)實(shí)現(xiàn)。對于本發(fā)明來說，除了能穩(wěn)定地輸出脈沖波形之外，還要求對整個(gè)運(yùn)行過程進(jìn)行監(jiān)控，甚至在必要的時(shí)候要能自動(dòng)切斷設(shè)備的運(yùn)行。因此，一款精簡而功能強(qiáng)大，高效而工作穩(wěn)定的單片機(jī)成為了一個(gè)關(guān)鍵的因素。stm32這個(gè)系列的arm單片機(jī)，既可以在穩(wěn)定工作時(shí)監(jiān)控設(shè)備中各個(gè)模組的運(yùn)行，又能夠在特殊情況發(fā)生時(shí)，及時(shí)接受外部信號(hào)，強(qiáng)制脈沖控制模組按一定指令運(yùn)行，安全系數(shù)較高。

圖3所示為降落校正模塊20的工作流程圖，包括以下步驟：

s10：降落校正模塊20接收慣性測量模塊30所檢測的旋轉(zhuǎn)角速度，加速度，以及各旋翼電機(jī)部所檢測的電流或電壓數(shù)據(jù)。

s20：降落校正模塊20判斷各旋翼電機(jī)的工作是否正常，不正常時(shí)，進(jìn)入步驟s30，否則重復(fù)本步驟。

s30：以無人機(jī)自身為旋轉(zhuǎn)中心，控制無人機(jī)旋轉(zhuǎn)降落。

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(jī)以自身為中心旋轉(zhuǎn)降落，最終實(shí)現(xiàn)安全降落。具體過程不再贅述。

s40：當(dāng)無人機(jī)接近地面時(shí)控制無人機(jī)所有旋翼電機(jī)停止工作。

以上所述僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例而已，并不用以限制本發(fā)明?？傊?，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。