多旋翼无人机安全降落系统及方法与流程

本发明涉及无人机安全技术领域，特别涉及一种多旋翼无人机安全降落系统及方法。

背景技术：

随着无人机的逐渐普及，其应用领域也越来越广，但无论在哪个领域，无人机的安全问题一直都是最受关注的。随着无人机技术的不断发展，无人机的安全保障有了很大的提高。但不可避免的是，总会有一些不可预期的情况导致无人机脱离控制。

多旋翼无人机常见的包括四旋翼、六旋翼和八旋翼等，各旋翼采用正多边形分布。对于目前的多旋翼无人机来说，其飞行特性不同于固定翼无人机和直升机无人机，一旦出现电机失去动力或者各个电机输出的力矩不平衡的情况时，极容易造成飞行事故。根据调查，当多旋翼无人机的某一个电机失去动力之后，单靠飞行控制使多旋翼无人机以最小损失降落几乎是不可能的。因为目前市场上的多旋翼无人机飞行控制系统在一个电机失去动力之后的调节，可能会加剧多旋翼无人机的失控程度。此时如何最大程度的减小人员财产的损失就成为一个需要迫切解决的问题。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明的主要目的在于，提供一种多旋翼无人机安全降落系统，包括：

各旋翼电机状态检测部，用于检测无人机的各旋翼电机是否正常工作；

降落校正模块，与所述各旋翼电机状态检测部连接，用于在旋翼 电机工作异常时输出调整各旋翼电机转速的控制指令；

旋翼电机控制部，与所述降落校正模块连接，依据所述控制指令驱动各旋翼电机的运行

由上，当无人机的某一旋翼出现故障时，无人机的旋转角速度将会突然增大，且会突然出现多倾角方向的加速度值，通过这些突变的数据值可以快速判断飞机的姿态及出现故障的旋翼。降落校正模块依据上述信息，输出控制指令，以平衡其余几个电机的力矩，将多旋翼无人机以自身为中心旋转，最终实现安全降落。

可选的，所述各旋翼电机状态检测部包括：

惯性测量模块，用于检测无人机的飞行状态；

飞行故障判断模块，与所述惯性测量模块连接，用于依据飞行状态判断飞行状态是否发生异常；

电压检测模块，用于在飞行状态异常是，检测旋翼电机控制部中的三相输出的电压。

由上，当多旋翼无人机因为一些非电机问题(如多旋翼无人机的螺旋桨折断等)而发生的力矩失衡时，无人机的旋转角速度将会突然增大，且会突然出现多倾角方向的加速度值，通过三轴陀螺仪和加速度仪检测到这些突变的数据值可以快速判断飞机的姿态是否出现故障。进而通过检测旋翼电机控制部的三相输出电压，当出现某一相连续异常(例如三相中的某一相数据低于另两相持续2秒以上)，则表示该旋翼出现故障。

可选的，所述惯性测量模块包括三轴陀螺仪和加速度仪。

可选的，所述各旋翼电机状态检测部包括：电流判断模块，与所述旋翼电机控制部连接所述降落校正模块还与所述电流检测电路连接，用于依据所述异常电流输出控制指令以调整各旋翼电机转速。

可选的，所述电流判断模块包括依次连接的电流检测电路，电流比较电路和串口，还包括与所述电流比较电路连接的存储器；

所述存储器中预存有旋翼电机的正常工作电流。

由上，通过预存正常工作时的输出电流，并以此为基准，与实时 测量值进行比较，当误差超过计算允许最大值时，即可认为某一旋翼电机未在正常工作状态。以此作为调整依据，平衡其余几个电机的力矩，将多旋翼无人机以自身为中心旋转，最终实现安全降落。

可选的，所述旋翼电机控制部还包括电压检测模块，与所述电机驱动电路连接，用于检测电机驱动电路的三相输出电压。

对应的，本发明还提供一种多旋翼无人机安全降落方法，包括步骤：

a、降落校正模块接收各旋翼电机的工作数据；

b、降落校正模块依据所述工作数据判断各旋翼电机的工作是否正常，不正常时进入步骤c，否则重复本步骤；

c：调节各旋翼电机的转速，控制无人机降落；

d：当无人机接近地面时控制无人机所有旋翼电机停止工作。

由上，当无人机的某一旋翼出现故障时，降落校正模块依据故障信息，输出控制指令，以平衡其余几个电机的力矩，将多旋翼无人机以自身为中心旋转，最终实现安全降落。

可选的，步骤c中所述调节个旋翼电机的转速包括：

关闭故障旋翼电机以及其对角线的旋翼电机；

降低工作正常旋翼电机的转速。

可选的，降低剩余旋翼电机的转速包括：

以故障旋翼电机和其对角线上的旋翼电机连线为轴，将工作正常旋翼电机对应在轴向上与故障旋翼电机的距离进行排序；

按距离由近及远，依次递减工作正常旋翼电机的转速；

所述递减量为当前转速的10％～15％。

由上，通过上述以递减转速的调整方式，在接近故障旋翼的左右位置，转速调整相对较小，以使该位置接近故障旋翼的原转速，而远离故障旋翼的位置，转速调整相对较大，起到平衡无人机的目的。通过上述调整方式，可以使无人机平稳降速，让其余旋翼的拉力逐渐降低，从而使无人机缓慢降落。其次，通过上述调整方式，可实现平衡故障旋翼所产生的力矩。最后，采用不同时降速的方式，防止由于突 发故障而导致的推力或螺距失控，引发二次危险。

可选的，步骤c还包括：以无人机机身任意一处为参照中心点，闭环调整无人机围绕所述参照中心点进行顺时针或逆时针自转。

由上，通过在迫降过程中的以自身为中心旋转降落，并且在此过程中辅以无人机自转降落，可以进一步增加无人机降落的稳定性，从而提高安全系数，使无人机最终安全降落。

附图说明

图1为本发明的原理示意图；

图2为六旋翼无人机的电机结构示意图；

图3为降落校正模块的工作流程图。

具体实施方式

为克服现有技术存在的缺陷，本发明提供一种多旋翼无人机安全降落系统及方法，当一个旋翼的电机失去动力之后，能够通过电调直接控制多旋翼无人机，通过平衡其余几个旋翼电机的力矩，将多旋翼无人机以自身为中心旋转，最终实现安全降落。

如图1所示，多旋翼无人机安全降落系统包括：第一至第n旋翼电机控制部10，设于无人机上的惯性测量模块30，以及分别与二者连接的降落校正模块20。当某一旋翼出现故障时，降落校正模块20依据第一至第n旋翼电机控制部10所检测的各个电机的运行情况，以及惯性测量模块30所检测的无人机的运行状态，计算出控制指令，以平衡各个旋翼的力矩。

各旋翼电机控制部10的内部组成相同，以第一旋翼电机部为例进行说明。

旋翼电机控制部10包括依次连接的电机控制模块101和第一旋翼电机102，还包括分别与上述各模块连接的电流判断模块103。

所述电机控制模块101与所述降落校正模块20连接，依据降落校正模块20发出的控制指令，进行放大、隔离等处理后，驱动第一 旋翼电机102运转。

所述电流判断模块103中包括有依次连接的电流检测电路，电流比较电路和串口，还包括与所述电流比较电路连接的存储器。存储器中预存有电机控制模块101和第一旋翼电机102的正常工作电流。电流检测电路实时检测上述三者的工作电流，通过电流比较器进行检测，当出现比较结果超过安全阈值时，即表示该旋翼未在正常工作状态，遂通过串口将超出阈值的工作电流输出至降落校正模块20。

又或者，还可采用无人机飞行姿态以及电机驱动电路102的电压相位输出进行旋翼故障判断，具体的，采用以下部件实现：

惯性测量模块30，用于通过其包含的三轴陀螺仪及加速度仪测量无人机的运动状态。其中，三轴陀螺仪用于测量无人机当前的旋转角速度，加速度仪用于测量无人机的加速度。当多旋翼无人机因为一些非电机问题(如多旋翼无人机的螺旋桨折断等)而发生的力矩失衡时，无人机的旋转角速度将会突然增大，且会突然出现多倾角方向的加速度值。通过一与惯性测量模块30连接的飞行故障判断模块，通过这些突变的数据值可以快速判断飞机的姿态及出现故障的旋翼电机，例如，当倾角数值大于35°，且持续3秒以上时，即表示出现故障。

电压检测模块(未图示)，用于检测电机控制模块101的三相输出电压，当出现某一相连续异常(例如三相中的某一相数据低于另两相持续2秒以上)，则表示该旋翼电机出现故障。

降落校正模块20依据旋翼电机控制部10或惯性测量模块30(和电压检测模块)所传输的数据，对各个旋翼输出控制指令，通过闭环控制的方式，使各个旋翼的电机协调工作，从而使无人机平稳降落。

以六旋翼无人机为例进行说明，图2所示为六旋翼无人机的电机示意图。当无人机的某一旋翼出现故障时，以图2中1号旋翼电机故障为例，为保持水平方向平衡，降落校正模块20的调整原理如下：优先切断出现故障的1号旋翼的电机以及其对角线上4号旋翼的电机的供电。其次，沿故障电机左右两侧开始递减转速，即降低1号旋翼电机两侧的2号、6号旋翼电机的转速，具体降低至当前转速的 85％～90％。其次，降低2号、6号旋翼电机的转速具体降低至当前转速的70％～85％。同理，上述调节方式适用于四旋翼、八旋翼等等。

通过上述以递减转速的调整方式，在接近故障旋翼的左右位置，转速调整相对较小，以使该位置接近故障旋翼的原转速，而远离故障旋翼的位置，转速调整相对较大，起到平衡无人机的目的。通过上述调整方式，可以使无人机平稳降速，让其余旋翼的拉力逐渐降低，从而使无人机缓慢降落。其次，通过上述调整方式，可实现平衡故障旋翼所产生的力矩。最后，采用不同时降速的方式，防止由于突发故障而导致的推力或螺距失控，引发二次危险。

由上，使无人机的加速度及旋转角速度稳定在一个平衡值附近，即可完成失去一侧动力情况下的迫降。

当无人机接近地面时，控制无人机所有旋翼电机停止工作，从而实现安全迫降。基于无人机相对于地面距离的检测，可采用惯性测量模块实现，不再赘述。

更进一步的，本实施例在上述控制方式的基础上，还包括增加无人机在下降过程中的自转降落的控制方式。即，降落校正模块20在无人机下降过程中，依据惯性测量模块30中三轴陀螺仪所检测的数据，以无人机机身任意一处为参照中心点，闭环调整无人机围绕所述参照中心点进行顺(逆)时针自转。通过在迫降过程中的以自身为中心旋转降落，并且在此过程中辅以无人机自转降落，可以进一步增加无人机降落的稳定性，从而提高安全系数，使无人机最终安全降落。

本实施例中，所述降落校正模块20采用stm32系列的arm单片机实现。对于本发明来说，除了能稳定地输出脉冲波形之外，还要求对整个运行过程进行监控，甚至在必要的时候要能自动切断设备的运行。因此，一款精简而功能强大，高效而工作稳定的单片机成为了一个关键的因素。stm32这个系列的arm单片机，既可以在稳定工作时监控设备中各个模组的运行，又能够在特殊情况发生时，及时接受外部信号，强制脉冲控制模组按一定指令运行，安全系数较高。

图3所示为降落校正模块20的工作流程图，包括以下步骤：

s10：降落校正模块20接收惯性测量模块30所检测的旋转角速度，加速度，以及各旋翼电机部所检测的电流或电压数据。

s20：降落校正模块20判断各旋翼电机的工作是否正常，不正常时，进入步骤s30，否则重复本步骤。

s30：以无人机自身为旋转中心，控制无人机旋转降落。

具体控制过程与在先叙述的降落校正模块20的工作流程相同，包括控制无人机以自身为中心旋转降落，最终实现安全降落。具体过程不再赘述。

s40：当无人机接近地面时控制无人机所有旋翼电机停止工作。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明。总之，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。