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自适应调节弹射角度的多旋翼无人机紧急伞降装置及方法

阅读：1053发布：2020-05-29

专利汇可以提供自适应调节弹射角度的多旋翼无人机紧急伞降装置及方法专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本发明公开了一种自适应调节弹射角度的多旋翼无人机紧急伞降装置及方法，所述装置包括伞仓、伞仓盖、降落伞、抛伞弹簧、锁栓、解锁舵机、微控制器、惯性运动测量单元和弹簧支架旋转装置；所述伞仓盖在解锁舵机和锁栓的共同作用下固定在伞仓上，所述伞仓固定在多旋翼无人机上；所述降落伞、抛伞弹簧、微控制器、惯性运动测量单元和弹簧支架旋转装置设置在伞仓和伞仓盖组成的结构内；所述微控制器分别与解锁舵机、惯性运动测量单元和弹簧支架旋转装置连接，所述抛伞弹簧的一端固定在弹簧支架旋转装置上，另一端固定在降落伞上。本发明通过自适应调整弹簧弹射角度，使得多旋翼无人机姿态出现较大偏转倾斜情况下，均可保证降落伞垂直向上弹出。，下面是自适应调节弹射角度的多旋翼无人机紧急伞降装置及方法专利的具体信息内容。

权利要求

1.自适应调节弹射角度的多旋翼无人机紧急伞降装置，其特征在于：包括伞仓、伞仓盖、降落伞、抛伞弹簧、锁栓、解锁舵机、微控制器、惯性运动测量单元和弹簧支架旋转装置；
所述锁栓和解锁舵机各有两个，两个解锁舵机分别固定在伞仓两边侧壁，两个锁栓分别位于两个解锁舵机的上方，并分别与两个解锁舵机连接，所述伞仓盖在锁栓和解锁舵机的共同作用下固定在伞仓上，所述伞仓固定在多旋翼无人机上；
所述降落伞、抛伞弹簧、微控制器、惯性运动测量单元和弹簧支架旋转装置设置在伞仓和伞仓盖组成的结构内；所述微控制器分别与解锁舵机、惯性运动测量单元和弹簧支架旋转装置连接，所述抛伞弹簧的一端固定在弹簧支架旋转装置上，另一端固定在降落伞上。
2.根据权利要求1所述的自适应调节弹射角度的多旋翼无人机紧急伞降装置，其特征在于：所述弹簧支架旋转装置包括弹簧底部结构支架、横滚轴舵机和俯仰轴舵机，所述抛伞弹簧的一端固定在弹簧底部结构支架上，另一端固定在降落伞上，所述横滚轴舵机前端的圆形转轴与弹簧底部结构支架连接，横滚轴舵机旋转时带动弹簧底部结构支架发生绕横轴方向的旋转；所述俯仰轴舵机前端的圆形转轴与弹簧底部结构支架连接，俯仰轴舵机旋转时带动弹簧底部结构支架发生绕纵轴方向的旋转。
3.根据权利要求2所述的自适应调节弹射角度的多旋翼无人机紧急伞降装置，其特征在于：所述多旋翼无人机紧急伞降装置还包括电源管理模块、内置充电电池和动力电池，所述电源管理模块采用DC-DC模块，该DC-DC模块输出3.3V和5V电源，5V电源用于驱动解锁舵机、横滚轴舵机和俯仰轴舵机，3.3V电源用于为微控制器和惯性运动测量单元供电；所述动力电池通过电源管理模块向整个多旋翼无人机紧急伞降装置供电，同时动力电池还通过电源管理模块为内置充电电池充电。
4.根据权利要求1所述的自适应调节弹射角度的多旋翼无人机紧急伞降装置，其特征在于：所述惯性运动测量单元包括三轴陀螺仪、三轴加速度计和三轴地磁传感器，所述三轴陀螺仪、三轴加速度计和三轴地磁传感器分别与微控制器连接。
5.根据权利要求4所述的自适应调节弹射角度的多旋翼无人机紧急伞降装置，其特征在于：所述惯性运动测量单元还包括空速计、高度计、光流摄像头和GPS模块，所述空速计、高度计、光流摄像头和GPS模块分别与微控制器连接。
6.基于权利要求1-5任一项所述多旋翼无人机紧急伞降装置的多旋翼无人机紧急伞降方法，其特征在于：所述方法包括：微控制器获取当前无人机的动力电压，瞬时高度、加速度，解算出无人机的下降率，如果处于危险坠落状态，则发送停止指令给无人机的飞行控制系统，停止螺旋桨旋转，并同时调整弹簧支架旋转装置，控制降落伞的弹射角度，通过抛伞弹簧将降落伞向上垂直抛出，使无人机安全着陆。
7.根据权利要求6所述的多旋翼无人机紧急伞降方法，其特征在于：所述方法包括以下步骤：
S1、多旋翼无人机上电，微控制器定时获取无人机动力电池电压以及惯性运动测量单元输出的瞬时加速度、角速度和高度值；
S2、微控制器对获取的数据进行计算和分析，获得无人机动力电池电压值及当前的高度、下降速度和下降加速度信息；
S3、如果某时刻无人机动力电池电压值超过预警值，则执行步骤S4，否则，执行步骤S8；
S4、如果某时刻飞行高度、下降速度、下降加速度三项中任两项均超过预警值，则判定无人机处于危险状态；并等待一段时间后再次判断是否仍处于危险状态；如果是，则执行步骤S5，否则执行步骤S8；
S5、微控制器发送停止指令给无人机的飞行控制系统，停止螺旋桨旋转；
S6、微控制器通过惯性运动测量单元获取当前无人机的俯仰角和横滚角，通过控制横滚轴舵机和俯仰轴舵机偏转，使弹簧底部结构支架保持水平姿态；
S7、微控制器通过解锁舵机快速抽出锁栓，抛伞弹簧将降落伞从伞仓内向上垂直抛出，无人机进入伞降状态；
S8、无人机正常飞行，重复步骤S2～S4。
8.根据权利要求7所述的多旋翼无人机紧急伞降方法，其特征在于：步骤S3中，无人机动力电池电压的预警值采用下式计算：
其中，Va为无人机动力电池电压的预警值，Vs为无人机动力电池的正常标准电压，根据动力电池层叠数不同，正常标准电压为7.4V、11.1V、14.8V或22.2V。
9.根据权利要求7所述的多旋翼无人机紧急伞降方法，其特征在于：步骤S4中，等待时间采用下式计算：
其中，t为等待时间，v为某时刻的下降速度，a为某时刻的下降加速度，s为某时刻的下降高度。
10.根据权利要求7所述的多旋翼无人机紧急伞降方法，其特征在于：步骤S6中，所述微控制器通过惯性运动测量单元获取当前无人机的俯仰角和横滚角，通过控制横滚轴舵机和俯仰轴舵机偏转，使弹簧底部结构支架保持水平姿态，具体如下：
微控制器通过惯性运动测量单元获取当前无人机的俯仰角和横滚角，设获取的无人机俯仰角为α度，横滚角为β度，微控制器控制横滚轴舵机偏转-α度以及俯仰轴舵机偏转-β度，使弹簧底部结构支架保持水平姿态。

说明书全文

自适应调节弹射角度的多旋翼无人机紧急伞降装置及方法

技术领域

[0001] 本发明涉及一种无人机伞降装置及方法，尤其是自适应调节弹射角度的多旋翼无人机紧急伞降装置及方法，属于农业无人机研究领域。

背景技术

[0002] 多旋翼无人机是一种具有三个及以上旋翼轴的特殊的无人驾驶直升机，是当前航空领域研究的热点，在实际应用中存在大量的需求，例如：侦察与营救任务，科学数据收集，地质、林业勘探，农业病虫害防治，以及视频监控，影视制作等。通过无人飞行器来完成上述任务可以大大降低成本和提高人员安全保障。因此，近些年来无人飞行器在军事、民用尤其是农业领域发展迅速。但是，目前，无人机作业时由于地形，地貌，障碍，操作等问题容易出现各种突发风险，严重的甚至导致坠机和炸机，使得用户和农户出现较大的经济损失。

[0003] 目前，无人机伞降装置多采用直接向外弹射降落伞的方式来实施自救，在无人机姿态没有出现较大改变时，伞降装置可以正常工作，但是在无人机出现较大偏转倾斜情况下，由于弹射角度斜移，伞降装置不易及时有效打开，从而降低了无人机的自救成功率。

[0004] 因此，设计出一种成本较低，可靠性较高的多旋翼无人机伞降装置具有极高的理论和实际意义。

发明内容

[0005] 本发明的目的是为了解决上述现有技术的缺陷，提供了一种自适应调节弹射角度的多旋翼无人机紧急伞降装置，该装置通过自适应调整弹簧弹射角度，使得多旋翼无人机姿态出现较大偏转倾斜情况下，均可保证降落伞垂直向上弹出，具有结构简单、重量轻、鲁棒性强等特点。

[0006] 本发明的另一目的在于提供一种基于上述装置的多旋翼无人机紧急伞降方法。

[0007] 本发明的目的可以通过采取如下技术方案达到：

[0008] 自适应调节弹射角度的多旋翼无人机紧急伞降装置，包括伞仓、伞仓盖、降落伞、抛伞弹簧、锁栓、解锁舵机、微控制器、惯性运动测量单元和弹簧支架旋转装置；

[0009] 所述锁栓和解锁舵机各有两个，两个解锁舵机分别固定在伞仓两边侧壁，两个锁栓分别位于两个解锁舵机的上方，并分别与两个解锁舵机连接，所述伞仓盖在锁栓和解锁舵机的共同作用下固定在伞仓上，所述伞仓固定在多旋翼无人机上；

[0010] 所述降落伞、抛伞弹簧、微控制器、惯性运动测量单元和弹簧支架旋转装置设置在伞仓和伞仓盖组成的结构内；所述微控制器分别与解锁舵机、惯性运动测量单元和弹簧支架旋转装置连接，所述抛伞弹簧的一端固定在弹簧支架旋转装置上，另一端固定在降落伞上。

[0011] 优选的，所述弹簧支架旋转装置包括弹簧底部结构支架、横滚轴舵机和俯仰轴舵机，所述抛伞弹簧的一端固定在弹簧底部结构支架上，另一端固定在降落伞上，所述横滚轴舵机前端的圆形转轴与弹簧底部结构支架连接，横滚轴舵机旋转时带动弹簧底部结构支架发生绕横轴方向的旋转；所述俯仰轴舵机前端的圆形转轴与弹簧底部结构支架连接，俯仰轴舵机旋转时带动弹簧底部结构支架发生绕纵轴方向的旋转。

[0012] 优选的，所述多旋翼无人机紧急伞降装置还包括电源管理模块、内置充电电池和动力电池，所述电源管理模块采用DC-DC模块，该DC-DC模块输出3.3V和5V电源，5V电源用于驱动解锁舵机、横滚轴舵机和俯仰轴舵机，3.3V电源用于为微控制器和惯性运动测量单元供电；所述动力电池通过电源管理模块向整个多旋翼无人机紧急伞降装置供电，同时动力电池还通过电源管理模块为内置充电电池充电。

[0013] 优选的，所述惯性运动测量单元包括三轴陀螺仪、三轴加速度计和三轴地磁传感器，所述三轴陀螺仪、三轴加速度计和三轴地磁传感器分别与微控制器连接。

[0014] 进一步的，所述惯性运动测量单元还包括空速计、高度计、光流摄像头和GPS模块，所述空速计、高度计、光流摄像头和GPS模块分别与微控制器连接。

[0015] 本发明的另一目的可以通过采取如下技术方案达到：

[0016] 基于上述多旋翼无人机紧急伞降装置的多旋翼无人机紧急伞降方法，所述方法包括：微控制器获取当前无人机的动力电压，瞬时高度、加速度，解算出无人机的下降率，如果处于危险坠落状态，则发送停止指令给无人机的飞行控制系统，停止螺旋桨旋转，并同时调整弹簧支架旋转装置，控制降落伞的弹射角度，通过抛伞弹簧将降落伞向上垂直抛出，使无人机安全着陆。

[0017] 具体的，所述方法包括以下步骤：

[0018] S1、多旋翼无人机上电，微控制器定时获取无人机动力电池电压以及惯性运动测量单元输出的瞬时加速度、角速度和高度值；

[0019] S2、微控制器对获取的数据进行计算和分析，获得无人机动力电池电压值及当前的高度、下降速度和下降加速度信息；

[0020] S3、如果某时刻无人机动力电池电压值超过预警值，则执行步骤S4，否则，执行步骤S8；

[0021] S4、如果某时刻飞行高度、下降速度、下降加速度三项中任两项均超过预警值，则判定无人机处于危险状态；并等待一段时间后再次判断是否仍处于危险状态；如果是，则执行步骤S5，否则执行步骤S8；

[0022] S5、微控制器发送停止指令给无人机的飞行控制系统，停止螺旋桨旋转；

[0023] S6、微控制器通过惯性运动测量单元获取当前无人机的俯仰角和横滚角，通过控制横滚轴舵机和俯仰轴舵机偏转，使弹簧底部结构支架保持水平姿态；

[0024] S7、微控制器通过解锁舵机快速抽出锁栓，抛伞弹簧将降落伞从伞仓内向上垂直抛出，无人机进入伞降状态；

[0025] S8、无人机正常飞行，重复步骤S2～S4。

[0026] 优选的，步骤S3中，无人机动力电池电压的预警值采用下式计算：

[0027]

[0028] 其中，Va为无人机动力电池电压的预警值，Vs为无人机动力电池的正常标准电压，根据动力电池层叠数不同，正常标准电压为7.4V、11.1V、14.8V或22.2V。

[0029] 优选的，步骤S4中，等待时间采用下式计算：

[0030]

[0031] 其中，t为等待时间，v为某时刻的下降速度，a为某时刻的下降加速度，s为某时刻的下降高度。

[0032] 优选的，步骤S6中，所述微控制器通过惯性运动测量单元获取当前无人机的俯仰角和横滚角，通过控制横滚轴舵机和俯仰轴舵机偏转，使弹簧底部结构支架保持水平姿态，具体如下：

[0033] 微控制器通过惯性运动测量单元获取当前无人机的俯仰角和横滚角，设获取的无人机俯仰角为α度，横滚角为β度，微控制器控制横滚轴舵机偏转-α度以及俯仰轴舵机偏转-β度，使弹簧底部结构支架保持水平姿态。

[0034] 本发明相对于现有技术具有如下的有益效果：

[0035] 1、本发明针对目前的伞降装置在多旋翼无人机姿态出现较大偏转倾斜的情况，无人机伞降装置不考虑当前无人机姿态直接向外弹射降落伞，由于弹射角度斜移，伞降装置不易及时有效打开，从而降低了无人机的自救成功率的问题，在微控制器发送停止指令给无人机的飞行控制系统使螺旋桨停止旋转的同时，会自动调整弹簧支架旋转装置，控制降落伞的弹射角度，然后通过抛伞弹簧将降落伞向上垂直抛出，使无人机安全着陆；同时，锁栓和解锁舵机各有两个，两个解锁舵机分别固定在伞仓两边侧壁，两个锁栓分别位于两个解锁舵机的上方，并分别与两个解锁舵机连接，这样即便其中一边的锁栓和解锁舵机出现故障导致锁栓无法抽出，只要另一边的锁栓和解锁舵机正常，仍可以顺利将降落伞弹出。

[0036] 2、本发明的弹簧支架旋转装置包括弹簧底部结构支架、横滚轴舵机和俯仰轴舵机，微控制器通过惯性运动测量单元获取当前无人机的姿态，如果无人机姿态发生偏转，则控制横滚轴舵机、俯仰轴舵机迅速调整弹簧底部结构支架的姿态，在无人机姿态偏转的情况下，使得抛伞弹簧的弹射角度保持垂直向上，使降落伞能够及时有效打开。附图说明

[0037] 图1为本发明的多旋翼无人机紧急伞降装置结构示意图。

[0038] 图2为本发明的多旋翼无人机紧急伞降装置中电路连接关系示意图。

[0039] 其中，1-伞仓，2-伞仓盖，3-降落伞，4-抛伞弹簧，5-锁栓，6-解锁舵机，7-微控制器，8-惯性运动测量单元，9-弹簧底部结构支架，10-横滚轴舵机，11-俯仰轴舵机。

具体实施方式

[0040] 下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。

[0041] 实施例1：

[0042] 如图1所示，本实施例提供了一种多旋翼无人机紧急伞降装置，该装置包括伞仓1、伞仓盖2、降落伞3、抛伞弹簧4、锁栓5、解锁舵机6、微控制器7、惯性运动测量单元8和弹簧支架旋转装置。

[0043] 所述锁栓5和解锁舵机6各有两个，两个解锁舵机6分别固定在伞仓1两边侧壁，两个锁栓5分别位于两个解锁舵机6的上方，并分别与两个解锁舵机6连接，所述伞仓盖2在锁栓5和解锁舵机6的共同作用下固定在伞仓1上，所述伞仓1固定在多旋翼无人机上。

[0044] 所述降落伞3、抛伞弹簧4、微控制器7、惯性运动测量单元8和弹簧支架旋转装置设置在伞仓1和伞仓盖2组成的结构内，本实施例中的微控制器7、惯性运动测量单元8位于伞仓1内的底部；所述微控制器7分别与解锁舵机6、惯性运动测量单元8和弹簧支架旋转装置连接。

[0045] 所述弹簧支架旋转装置包括弹簧底部结构支架9、横滚轴舵机10和俯仰轴舵机11，所述抛伞弹簧4的一端固定在弹簧底部结构支架9上，另一端固定在降落伞3上，所述横滚轴舵机10前端的圆形转轴与弹簧底部结构支架9连接，横滚轴舵机10旋转时带动弹簧底部结构支架9发生绕横轴方向的旋转；所述俯仰轴舵机11前端的圆形转轴与弹簧底部结构支架9连接，俯仰轴舵机11旋转时带动弹簧底部结构支架9发生绕纵轴方向的旋转。

[0046] 微控制器7获取惯性测量单元8的无人机姿态数据，解算出无人机当前姿态，控制横滚轴舵机10、俯仰轴舵机11迅速调整弹簧底部结构支架9的姿态，在无人机姿态偏转的情况下，使得抛伞弹簧4的弹射角度保持垂直向上，接着锁栓5被解锁舵机6快速抽出，伞仓盖2和降落伞3同时被抛伞弹簧5的垂直向上弹出，降落伞3在气流作用下自动张开。

[0047] 如图1和图2所示，本实施例的多旋翼无人机紧急伞降装置还包括电源管理模块、内置充电电池和动力电池，所述电源管理模块采用DC-DC模块，该DC-DC模块输出3.3V和5V电源，5V电源用于驱动解锁舵机6、横滚轴舵机10和俯仰轴舵机11，3.3V电源用于为微控制器7和惯性运动测量单元8供电；所述动力电池通过电源管理模块向整个多旋翼无人机紧急伞降装置供电，同时动力电池还通过电源管理模块为内置充电电池充电。

[0048] 所述微控制器7采用STM32系列单片机；所述惯性运动测量单元8为捷联惯性测量单元，其包括三轴陀螺仪、三轴加速度计、三轴地磁传感器、空速计、高度计(气压式或超声波式)、光流摄像头和GPS模块；其中三轴陀螺仪、三轴加速度计和三轴地磁传感器可以采用MPU9150(集成三轴陀螺仪、三轴加速度计、三轴地磁传感器)，或三轴陀螺仪、三轴加速度计和三轴地磁传感器可以采用MPU6550(集成三轴陀螺仪、三轴加速度计)和HMC5883(三轴地磁传感器)；高度计可以采用BMP085(MEMS气压高度计)，或采用MaxSonar EZ4(超声波高度传感器)，光流摄像头可以采用ADNS3080，GPS模块可以采用Ublox NEO系列模块。

[0049] 本实施例还提供了一种基于上述多旋翼无人机紧急伞降装置的多旋翼无人机紧急伞降方法，该方法包括：微控制器7获取当前无人机的动力电压，瞬时高度、加速度，解算出无人机的下降率，如果处于危险坠落状态，则发送停止指令给无人机的飞行控制系统，停止螺旋桨旋转，并同时调整弹簧支架旋转装置，控制降落伞3的弹射角度，通过抛伞弹簧4将降落伞3向上垂直抛出，使无人机安全着陆；具体包括以下步骤：

[0050] S1、多旋翼无人机上电，微控制器7定时获取无人机动力电池电压以及惯性运动测量单元输出的瞬时加速度、角速度和高度值；

[0051] S2、微控制器7对获取的数据进行计算和分析，获得无人机动力电池电压值及当前的高度、下降速度和下降加速度信息；

[0052] S3、如果某时刻无人机动力电池电压值超过预警值，则执行步骤S4，否则，执行步骤S8；

[0053] 无人机动力电池电压的预警值采用下式计算：

[0054]

[0055] 其中，Va为无人机动力电池电压的预警值，Vs为无人机动力电池的正常标准电压，根据动力电池层叠数不同，正常标准电压可为7.4V、11.1V、14.8V或22.2V；

[0056] S4、如果某时刻飞行高度h、下降速度v、下降加速度a三项中任两项均超过预警值，则判定无人机处于危险状态；并等待一段时间后再次判断是否仍处于危险状态；如果是，则执行步骤S5，否则执行步骤S8；

[0057] 等待时间t采用下式计算：

[0058]

[0059] 其中，t为等待时间，v为某时刻的下降速度，a为某时刻的下降加速度，s为某时刻的下降高度。

[0060] S5、微控制器7发送停止指令给无人机的飞行控制系统，停止螺旋桨旋转；

[0061] S6、微控制器7通过惯性运动测量单元8获取当前无人机的俯仰角和横滚角，设获取的无人机俯仰角为α度，横滚角为β度，微控制器控制横滚轴舵机10偏转-α度以及俯仰轴舵机11偏转-β度，使弹簧底部结构支架保持水平姿态；

[0062] S7、微控制器通过解锁舵机快速抽出锁栓，抛伞弹簧将降落伞从伞仓内向上垂直抛出，无人机进入伞降状态；

[0063] S8、无人机正常飞行，重复步骤S2～S4。

[0064] 综上所述，本发明针对目前的伞降装置在多旋翼无人机姿态出现较大偏转倾斜的情况，无人机伞降装置不考虑当前无人机姿态直接向外弹射降落伞，由于弹射角度斜移，伞降装置不易及时有效打开，从而降低了无人机的自救成功率的问题，在微控制器发送停止指令给无人机的飞行控制系统使螺旋桨停止旋转的同时，会自动调整弹簧支架旋转装置，控制降落伞的弹射角度，然后通过抛伞弹簧将降落伞向上垂直抛出，使无人机安全着陆；同时，锁栓和解锁舵机各有两个，两个解锁舵机分别固定在伞仓两边侧壁，两个锁栓分别位于两个解锁舵机的上方，并分别与两个解锁舵机连接，这样即便其中一边的锁栓和解锁舵机出现故障导致锁栓无法抽出，只要另一边的锁栓和解锁舵机正常，仍可以顺利将降落伞弹出。

[0065] 以上所述，仅为本发明专利较佳的实施例，但本发明专利的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明专利所公开的范围内，根据本发明专利的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都属于本发明专利的保护范围。

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