CN108052038A - 小型无人机失控后自动抛伞保护装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种小型无人机失控后自动抛伞保护装置，包括依次连接的供电设备、用于计算飞机姿态的开伞控制器、开伞伺服舵机以及伞仓盖开关；所述开伞控制器包括惯性检测单元和用于实时采集惯性检测单元的数据并计算为机体坐标下的姿态角的单片机；所述惯性检测单元与所述单片机连接；所述单片机与所述开伞伺服舵机连接。该开伞控制器实时计算飞机姿态，在飞机出现失控、姿态异常时发出开伞指令，打开降落伞实现保护。本发明在无人机出现意外并失控、失速情况下，实现抛伞，降低无人机下坠速度，从而保护无人机，减少事故损失。
Description
本发明涉及航空领域，涉及一种小型无人机空中飞行作业发生意外并失控情况下的自动抛伞保护装置，尤其是能识别小型无人机正常飞行状态和失控、失速状态的装置，并与小型无人机其它装置保持独立的保护装置。
现有的惯性检测单元由几种惯性传感器组成，一般为三轴角速度计传感器和三轴加速度计传感器组成。通过角速度计传感器可检测出被检物体绕某个轴旋转的角速度值，加速度计传感器可检测出物体沿某个轴的线性加速度值。安装在无人机机体上的惯性检测单元所提供的实时三轴角速度值和三轴加速度值，可被用于计算出表示无人机姿态的欧拉俯仰角、欧拉滚转角。而通过无人机的欧拉俯仰角和欧拉滚转角可判定无人机是否处于失速下坠状态。
现有的无人机降落伞一般由伞仓、伞仓盖、开伞伺服舵机、引导伞、主伞体几个部分构成。抛伞过程为：开伞伺服舵机齿轮转动一定角度，舵机臂带动伞仓盖的开关打开伞仓盖，再由安装在伞仓盖上的闭合弹簧带动伞仓盖拉出引导伞，再由引导伞带出主伞体实现整个抛伞过程。
目前，国内外小型无人机已广泛应用于民用和军事领域，如灾区灾情监测、电视台航拍、电力巡线、气象探测、目标侦查等。然而，随着小型无人机数目和应用的增长，小型无人机的坠机事故也随之增长。小型无人机在飞行过程中，任何一个部件或环节的失常都可能造成飞机失控并坠毁，如：1、机体上的舵面控制机构、动力系统损坏，无法控制飞机姿态；2、无人机的飞行控制器软件程序有漏洞或硬件电路损坏造成飞行控制器不工作；3、飞机遭遇强突风，造成飞机失速；4，电源或燃料耗尽，无人机无法飞行等。降低事故损失可通过降低飞机下坠的速度，其有效方法是检测出飞机失控、失速状态，并在空中自动抛伞进行保护。
现有技术中公开了一种“无人机自动伞降回收控制方法”，见公开号为：CN101893892A，公开日为：2010.11.24的中国专利；该发明充分利用空速、地速、俯仰角、航向角等信息，估算空中水平风速及风向，并在此基础上，根据回收场中心解算出一个开伞点，并通过副翼控制侧偏矩和升降舵控制飞行高度，引导并控制飞机达到该点开伞，完成伞降回收控制，利用该发明提供自动伞降回收控制方法，可以提高在有风的情况下飞机开伞后的回收精度，更适应复杂环境的回收要求，从而提高了飞机回收的安全性。但该发明并未实现无人机失控后自动抛伞的方案。该专利与本专利申请相似之处在于，其飞行控制器在一定条件下能自动发出开伞指令，无需人工发出开伞指令。该专利与本专利申请不同之处在于：1、本专利申请实现的失控自动抛伞保护装置是一独立的子系统，不与无人机上飞行控制器使用相同的电源、传感器、开伞伺服舵机；独立子系统装备一套仅供失控自动抛伞保护装置使用的电源、开伞控制器和开伞伺服舵机；而该专利文献中实现的开伞功能，是在无人机飞行控制器中实现，一旦无人机飞行控制器失效，则无法开伞。2、本专利申请实现的失控自动抛伞保护装置，开伞的条件判断较该专利的方法简单，无须考虑将飞机精确的引导到指定地点，因此本专利实现的装置只须较少的传感器、较低的能耗、算法简单，软硬件更精简，重量小、工作更可靠。3、该专利开伞系统目的是引导着陆，而本专利申请实现的装置目的在于对无人机在失控、失速时进行保护。
现有技术中还公开了一种“小型无人机自动保护气囊击发装置”，见公开号为：CN202429354U，公开日为：2012.09.12的中国专利，该装置包括以低能耗不断向外部发射超声波的超声波产生电路、接收反射回来的超声波的超声波接收放大电路、加热负载和关闭动力系统，关闭动力系统与超声波接收放大电路连接，加热负载由关闭动力系统控制开关。它既具有传统的无线电控制的气囊保护作用，还可以在其失控情况下自动开启保护气囊，能够设置距离地面一定距离时(在无人机坠地前)自动击发打开气囊。此外将研发的保护设备还可以在无人机掉入深水时使其处于漂浮状态，达到保护的目的。该专利与本专利申请相似之处在于，该装置能在危险情况下自动打开保护系统，减少损失。该专利与本专利申请不同之处在于：1、本专利申请实现保护装置是使用的传感器为惯性传感器，通过判断飞机的姿态来判断飞机是否出现异常，从而判定是否开伞保护；该专利通过超声波来判断飞机的高度，进而判定是否打开气囊保护。2、本专利申请实现的保护装置，在高空就可开伞保护，降低下坠速度；而该专利的装置无法降低飞机下坠速度。
本发明要解决的技术问题，在于提供一种小型无人机失控后自动抛伞保护装置，克服现有的小型无人机系统不能有效使无人机在失控、失速情况下低速下坠，减少事故损失的不足。
本发明是这样实现的：一种小型无人机失控后自动抛伞保护装置，包括依次连接的供电设备、用于计算飞机姿态的开伞控制器、开伞伺服舵机以及伞仓盖开关；所述开伞控制器包括惯性检测单元和用于实时采集惯性检测单元的数据并计算为机体坐标下的姿态角的单片机；所述惯性检测单元与所述单片机连接；所述单片机与所述开伞伺服舵机连接。
进一步地，所述惯性检测单元包括至少三个角速度芯片、至少一个三轴加速度计芯片以及一模数转换芯片；所述各角速度芯片均与所述模数转换芯片连接；所述模数转换芯片与所述单片机的SPI接口连接；所述三轴加速度计芯片与所述单片机的IIC接口连接。
进一步地，所述角速度芯片的型号为ADXRS300，所述三轴加速度计芯片的型号为ADXL350；所述模数转换芯片的型号为AD7888；单片机是型号为Atmega168或Atmega128的AVR单片机。
本发明的优点在于：本发明开伞控制器中的单片机实时采集惯性检测单元的数据并计算为机体坐标下的姿态角，单片机根据姿态角的情况，控制开伞伺服舵机，开伞伺服舵机与降落伞的伞仓盖开关相连。若无人机失控并失速下坠，则开伞控制器依据计算的姿态角发出开伞指令，控制开伞伺服舵机转动，由开伞伺服舵机打开伞仓盖开关，实施抛伞。本发明在无人机出现意外并失控、失速情况下，实现抛伞，降低无人机下坠速度，从而保护无人机，减少事故损失。
图1是本发明的结构示意图。
图2是本发明的开伞控制器的详细结构示意图。
请参阅图1和图2所示，本发明的一种小型无人机失控后自动抛伞保护装置，该装置是与小型无人机其它系统独立的，且依靠飞机姿态判决开伞条件的自动抛伞保护装置，该装置的供电设备1提供的电源与无人机上其它电源保持独立；自动开伞指令不是由无人机飞行控制器(未图示)发出，而是该装置中的开伞控制器2发出；该装置的开伞伺服舵机3与其它开伞伺服舵机保持独立；该装置包括依次连接的供电设备1(该供电设备为开伞控制器提供电源，其可以为：干电池组、锂聚合物电池等)、用于计算飞机姿态的开伞控制器2、开伞伺服舵机3以及伞仓盖开关4；该开伞控制器2计算飞机姿态，依据飞机姿态来判决是否开伞；在本实施例中，所述开伞控制器2包括惯性检测单元21和用于实时采集惯性检测单元的数据并计算为机体坐标下的姿态角的单片机22；所述惯性检测单元21与所述单片机22连接；所述单片机22与所述开伞伺服舵机3连接。其中，如图2所示，所述惯性检测单元21包括至少三个角速度芯片211(在本实施中较佳的为三个角速度芯片，也可以是三个以上)、至少一个三轴加速度计芯片212(该三轴加速度计芯片是一个能检测3轴功能的加速度计的芯片)以及一模数转换芯片213；所述各角速度芯片211均与所述模数转换芯片213连接；所述模数转换芯片213与所述单片机22的SPI接口连接；所述三轴加速度计芯片212与所述单片机22的IIC接口连接。
其中，所述角速度芯片211的型号为ADXRS300，所述三轴加速度计芯片212的型号为ADXL350；所述模数转换芯片213的型号为AD7888；单片机22是型号为Atmega168或Atmega128的AVR单片机。该模数转换芯片213采集3个轴方向的角速度芯片的数据，单片机22根据角速度芯片211得到的角速度值，三轴加速度计芯片212得到的加速度值计算无人机的滚转角和俯仰角。单片机22一个I/O口与开伞伺服舵机3相连，并发送PWM(Pulse WidthModulation，脉冲宽度调制)控制信号来控制开伞伺服舵机3。
总之，本发明开伞控制器中的单片机实时采集惯性检测单元的数据并计算为机体坐标下的姿态角，单片机根据姿态角的情况，控制开伞伺服舵机，开伞伺服舵机与降落伞的伞仓盖开关相连。若无人机失控并失速下坠，则开伞控制器依据计算的姿态角发出开伞指令，控制开伞伺服舵机转动，由开伞伺服舵机打开伞仓盖开关，实施抛伞。本发明在无人机出现意外并失控、失速情况下，实现抛伞，降低无人机下坠速度，从而保护无人机，减少事故损失。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明申请专利范围所做的均等变化与修饰，皆应属本发明的涵盖范围。
Claims (3)
1.一种小型无人机失控后自动抛伞保护装置，其特征在于：包括依次连接的供电设备、用于计算飞机姿态的开伞控制器、开伞伺服舵机以及伞仓盖开关；所述开伞控制器包括惯性检测单元和用于实时采集惯性检测单元的数据并计算为机体坐标下的姿态角的单片机；所述惯性检测单元与所述单片机连接；所述单片机与所述开伞伺服舵机连接。
2.根据权利要求1所述的小型无人机失控后自动抛伞保护装置，其特征在于：所述惯性检测单元包括至少三个角速度芯片、至少一个三轴加速度计芯片以及一模数转换芯片；所述各角速度芯片均与所述模数转换芯片连接；所述模数转换芯片与所述单片机的SPI接口连接；所述三轴加速度计芯片与所述单片机的IIC接口连接。
3.根据权利要求2所述的小型无人机失控后自动抛伞保护装置，其特征在于：所述角速度芯片的型号为ADXRS300，所述三轴加速度计芯片的型号为ADXL350；所述模数转换芯片的型号为AD7888；单片机是型号为Atmega168或Atmega128的AVR单片机。
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