一种基于模块化设计的无人机保护系统的制作方法

本发明属于无人机技术领域，具体涉及一种基于模块化设计的无人机保护系统。

背景技术：

近年来，随着微机电控制技术的发展，稳定的多旋翼飞行器得到了广泛的关注，应用前景十分可观。现有的多旋翼无人机系统包含控制飞行的飞控系统、由旋翼、电机及电池等组成的动力系统以及根据不同应用搭载的诸如图像传感器、gps或各种测量用传感器等外部设备。

但是在无人机突发意外或故障时,机体将无法保持平衡，甚至进行翻滚或失去动力而坠落，造成飞控等无人机上重要部件以及无人机上搭载的昂贵设备的损毁，经济损失较大。

为了防止无人机突发意外失控坠毁引起的无人机部件及搭载设备损毁的问题，现有技术中有以下代表性的解决方案：

(1)论文名称：无人机发射与回收技术

这篇论文研究的对象是某小型无人机的发射和回收系统。首先根据该型无人机的特点，选择弹力弹射和伞降气囊回收的组合方案以确保发射和回收的安全可靠。对于伞降气囊回收系统，根据设计要求，对降落伞进行了详细设计和强度校核，并对伞降稳定阶段的流场，采用cfd技术进行数值分析以确保下落速度满足设计要求。并根据一些经验公式计算出气囊的高度、初始压力、卸压压力以及泄气口面积等主要参数，以确保无人机的安全回收。

如图1所示的降落伞设计图，其技术手段在于通过计算无人机重量和体积定制伞降保护系统，但只能用于某个(或某单一型号)无人机、成本高、兼容性差。在无人机失控翻滚时机体或螺旋桨将伞绳缠住造成开伞不完全或未能顺利开伞导致无人机坠毁；电路系统与无人机电池相连，当无人机电池故障时无法弹出。

(2)专利名称无人机关键受力框的力学分析和优化设计

伞降过程中降落伞和无人机组合体运动状态复杂，无人机伞降回收过程比较容易出现故障。无论采用哪种方法，在无人机落地之前垂直速度不可能完全消失。因此，必须辅以落地缓冲装置去吸收剩余能量，而缓冲气囊是一种非常有效的缓冲方式。当伞降回收时，在适当的时机，减震气囊被放出展开，当无人机着陆时，在冲击载荷作用下囊内气体被压缩产生变形，吸收无人机冲击能量，随后及时排除囊内气体以释放所吸收的能量，从而达到减小无人机冲击过载、保护无人机回收安全的目的。

如图2所示为无人机伞降-气囊回收方案示意图，其采用的技术手段在于将无人机整机伞降回收，当无人机过重时缓冲效果不明显；且系统过于复杂，成本高且不利于维护更换；当无人机失控时，如果降落伞已弹出而螺旋桨仍在转动，可能绞住伞绳致使降落伞无法展开导致回收失败；电路系统与无人机电池相连，当无人机电池故障时无法弹出。

上述代表性现有方案存在以下缺点：

(1)、现有技术多为整机伞降，拆装维护不方便；

(2)、电路系统和控制与无人机电池相连，当无人机电池故障时降落伞无法弹出；

(3)、当无人机失控时，如果降落伞已弹出而螺旋桨仍在转动，可能绞住伞绳致使降落伞无法展开；

(4)、无人机失控翻滚时机体或螺旋桨将伞绳缠住造成开伞不完全或未能顺利开伞导致无人机坠毁；

(5)、某些机型设计原因无法安装降落伞包或无安装孔。

技术实现要素：

本发明的目的在于，在不改变自组无人机机架和整体结构的情况下，通过加装伞降无人机保护系统，降低设计制造成本，提高兼容性；使无人机在失控的情况下保护飞控系统以及无人机所搭载的昂贵设备。

本发明采用的技术方案为一种基于模块化设计的无人机保护系统，该系统包括弹射保护模块和接口线路模块、盖板40和下方附件；弹射保护模块和接口线路模块都固定安装在盖板40上，弹射保护模块和接口线路模块连接；下方附件通过螺丝安装在多旋翼无人机10的底部；多旋翼无人机10与盖板40通过弹射保护模块上的卡榫结构连接。

所述弹射保护模块由万向水银开关2010、电池2020、电机绞轮2030、降落伞模块2040、弹片2050、下方卡榫2060以及中央定位结构2070组成。万向水银开关2010与电机绞轮2030连接，电机绞轮2030通过螺丝固定安装在盖板40的下方卡榫2060上；降落伞模块2040设置在盖板40内；盖板40下方与多旋翼无人机10通过下方卡榫2060连接。弹片2050装于盖板40与多旋翼无人机10之间。中央定位结构2070设置在盖板40的中间。电池2020分别与电机绞轮2030、降落伞模块2040连接并提供电力。万向水银开关2010根据水银倾斜角度进行开闭，进而控制电机绞轮2030和卡榫2060之间的配合关系。

下方卡榫2060由卡榫片206010、中空管206020、弹簧206030、铁丝206040和绞盘206050组成。铁丝206040与电机绞轮2030相连，铁丝206040穿过中空管206020连接在卡榫片206010上，弹簧206030套在中空管206020的外侧，起到张开卡榫片206010的作用。

中央定位结构2070由装于多旋翼无人机10机身上的定位柱207010、滚珠207020和装于盖板40上的外环207030组成。定位柱207010固定在多旋翼无人机10上，滚珠207020设置在定位柱207010的表面，外环207030套在滚珠207020上。弹射时，中央定位结构2070作为导轨定位，使弹出方向平行于多旋翼无人机10正上方。

所述接口线路模块由四个角部快拆接口3010、两个边部快拆接口3020、接口引线3030和触点3040组成；四个角部快拆接口3010分布在多旋翼无人机10的机臂一侧，用来连接飞控与电调；两个边部快拆接口3020对称布置于盖板40的两侧，两个边部快拆接口3020分别是电池接口和gps接口。接口线路模块的连接采用上下滑块以及内置卡扣连接，保证了连接强度，同时在不影响发生故障时，盖板40及其保护模块能够自由的弹出。四个角部快拆接口3010和两个边部快拆接口3020的接口处采用触点3040连接再由接口引线3030连接至飞控。

所述盖板40为刚性板，安装在无人机10上，其上方搭载有原先安装在无人机10上的飞控及其他重要部件，将无人机10原本一体的结构分成了上下两个可拆卸部分；盖板40尺寸根据搭载此设备的多旋翼无人机10的机架大小改变，如f450(某型无人机机架)搭载时，尺寸及接口位置如图4所示。

所述下方附件包括伞架、下方降落伞5010和活动关节5020；下方降落伞5010通过活动关节5020安装在伞架上；盖板40通过引导线与下方降落伞5010连接。如图11所示。

所述弹射保护模块中的下方卡榫2060与多旋翼无人机10连接。盖板40上方安装有多旋翼无人机10的飞控，gps等精密仪器。

弹片2050为一个弹性簧片或弹簧，在卡榫2060闭合时处于压缩状态，在卡榫2060松开时将盖板40弹出。

至此整个无人机分成了两个部分，设计这套系统的目的是分别保护上方飞控与下方云台。下方附件则起到了盖板弹出后保护云台等附件的作用。盖板与引导线相连，弹出时拉动绳索，将下方降落伞弹出，再依靠惯性与机架呈竖直位置。这样就避免了降落伞伞绳绞到旋翼上的情况了。机架翻转，以机臂与电机作为缓冲，保护云台等附件。盖板做为一个多旋翼无人机的外附件，用于在紧急情况下提供保护，牺牲电调电机等不重要的部件来最大限度的保护飞控，gps等精密部件。使执行户外任务的无人机安全有了保障，能够执行更多更复杂的任务。

附图说明

图1为一种降落伞设计图。

图2为一种无人机伞降-气囊回收方案示意图。

图3为市面上最常用的f450机架。

图4为盖板俯视图。

图5为接口及其俯视图以及连接方式。

图6为盖板下层固定结构图。

图7为卡榫固定方式。

图8为微型电机实物。

图9为系统运行流程图。

图10.1为中央定位结构的侧面示意图。

图10.2为中央定位结构的正面示意图。

图11为下方附件的结构图。

具体实施方式

以下结合附图和实施例对本发明进行进一步详细说明。

如图3-11所示，一种基于多旋翼无人机的模块保护系统，该系统包括弹射保护模块和接口线路模块、盖板40和下方附件；弹射保护模块和接口线路模块都固定安装在盖板40上，弹射保护模块和接口线路模块连接；下方附件通过螺丝安装在多旋翼无人机10的底部；多旋翼无人机10与盖板40通过弹射保护模块上的卡榫结构连接。

所述弹射保护模块由万向水银开关2010、电池2020、电机绞轮2030、降落伞模块2040、弹片2050、下方卡榫2060以及中央定位结构2070组成。万向水银开关2010与电机绞轮2030连接，电机绞轮2030通过螺丝固定安装在盖板40的下方卡榫2060上；降落伞模块2040设置在盖板40内；盖板40下方与多旋翼无人机10通过下方卡榫2060连接。弹片2050装于盖板40与多旋翼无人机10之间。中央定位结构2070设置在盖板40的中间。电池2020分别与电机绞轮2030、降落伞模块2040连接并提供电力。万向水银开关2010根据水银倾斜角度进行开闭，进而控制电机绞轮2030和卡榫2060之间的配合关系。

下方卡榫2060由卡榫片206010、中空管206020、弹簧206030、铁丝206040和绞盘206050组成。铁丝206040与电机绞轮2030相连，铁丝206040穿过中空管206020连接在卡榫片206010上，弹簧206030套在中空管206020的外侧，起到张开卡榫片206010的作用。

中央定位结构2070由装于多旋翼无人机10机身上的定位柱207010、滚珠207020和装于盖板40上的外环207030组成。定位柱207010固定在多旋翼无人机10上，滚珠207020设置在定位柱207010的表面，外环207030套在滚珠207020上。弹射时，中央定位结构2070作为导轨定位，使弹出方向平行于多旋翼无人机10正上方。

所述接口线路模块由四个角部快拆接口3010、两个边部快拆接口3020、接口引线3030和触点3040组成；四个角部快拆接口3010分布在多旋翼无人机10的机臂一侧，用来连接飞控与电调；两个边部快拆接口3020对称布置于盖板40的两侧，两个边部快拆接口3020分别是电池接口和gps接口。接口线路模块的连接采用上下滑块以及内置卡扣连接，保证了连接强度，同时在不影响发生故障时，盖板40及其保护模块能够自由的弹出。四个角部快拆接口3010和两个边部快拆接口3020的接口处采用触点3040连接再由接口引线3030连接至飞控。

所述盖板40为刚性板，安装在无人机10上，其上方搭载有原先安装在无人机10上的飞控及其他重要部件，将无人机10原本一体的结构分成了上下两个可拆卸部分；盖板40尺寸根据搭载此设备的多旋翼无人机10的机架大小改变，如f450(某型无人机机架)搭载时，尺寸及接口位置如图4所示。

所述下方附件包括伞架、下方降落伞5010和活动关节5020；下方降落伞5010通过活动关节5020安装在伞架上；盖板40通过引导线与下方降落伞5010连接。如图11所示。

所述弹射保护模块中的下方卡榫2060与多旋翼无人机10连接。盖板40上方安装有多旋翼无人机10的飞控，gps等精密仪器。

弹片2050为一个弹性簧片或弹簧，在卡榫2060闭合时处于压缩状态，在卡榫2060松开时将盖板40弹出。

实施例的控制说明如下：

无意外发生时，盖板40由卡榫2060固定在机架上，弹片2050处于压缩状态。当多旋翼无人机10故障，机身倾角过大甚至进入翻滚状态时，水银开关2010受重力影响闭合，电机绞轮2030转动铰住铁丝，使盖板40与机架连接处卡榫2060松开，弹片2050将盖板40弹出，同时降落伞模块2040弹开，引导降落伞飞出，进而将主降落伞拉出；

通过快拆接口3020分别是电池接口和gps接口，通过快拆接口3020实现线路的快速切断，迅速使机臂上的电调、马达与多旋翼无人机1010中央的盖板40上的飞控、gps等贵重仪器分离，保护贵重仪器，降低损失。

盖板40弹出时拉动引导线，使得下方降落伞5010展开，再由重力与空气阻力作用使得活动关节5020转动至与机身呈垂直状态，至此完成全部保护操作。落地时弹片2050还可以起到一定的缓冲作用。

当意外发生，水银开关2010受重力影响闭合时，电机绞轮2030与降落伞模块2040接通，降落伞模块2040启动，待弹射展开时卡榫2060松开，降落伞模块2040起到了辅助盖板40弹射的作用；而当盖板40下降时，降落伞模块2040减缓其下降速度，配合弹片2050的落地缓冲共同保护盖板40以及其上的重要部件的安全。

当盖板40弹出时，连接盖板40与下方降落伞5010的引导线被拉动，使得盖板40弹射时下方降落伞5010被打开，同时借由空气阻力以及无人机10本身的惯性影响，无人机10机身翻转180°，变成下方云台在上，原本的机架正面在下的情况，这时下方降落伞5010完全展开，减缓无人机10的下降速度，并配合无人机10的机臂及其上的电机、螺旋桨进行落地缓冲，牺牲电机、螺旋桨来保证云台上摄像机或其他仪器的安全。

如图9所示，当无人机故障时，弹射保护模块20启动，切断接口线路模块30并将盖板40与其上的重要组件弹出。此种情况下流程步骤如下：

步骤1、无人机10出现故障，机身倾斜。

步骤2、水银开关2010闭合，电路接通。

步骤3a-1、电机绞轮2030转动绞盘，卡榫2060收回。

步骤3a-2、盖板40在下方弹片2050弹力下弹出，同时切断接口线路30。

步骤3b-1、降落伞模块2040启动，引导伞弹出。

步骤3b-2、引导伞将主降落伞拽出，降落伞展开。

步骤3b-3、盖板40经步骤3a-2脱离后，拉动绳索使位于机架下方的倾斜45°放置的另一降落伞打开，并依靠惯性与机架呈垂直角度。

步骤4、盖板40及设备减速。

步骤5、设备安全着陆。

本发明基于市面上常用的自组无人机机架，可以与大多数无人机结合，相比与重新设计一款无人机节省了成本，并且可以通过3d打印改变盖板形状，适应不同的无人机，有一定的改装潜力。

所述多旋翼无人机10是市面上一般无人机的结构，由动力系统、飞控系统、云台接口和无人机遥控器构成。

本发明无需改动现有的无人机整体结构，只需卡榫连接就能使用，连接方便。控制系统和电源系统均与原有飞行器相互独立，提高了安全性，是完全独立于飞行器的保护系统。

本发明使用了卡榫和中央定位柱两种固定方案，满足了无人机稳定性和刚性结构的同时不影响弹射保护模块的正常弹出。模块化弹出则保证了螺旋桨等尖锐部件不会损坏降落伞。

本发明为了最大限度的保护核心组件，在降落伞模块中安置了引导伞，首先引导伞可以使主伞顺利打开并减少主伞展开时间，其次当无人机高度过低时，引导伞也可作为降落伞配合下部垫片保护盖板。使无人机安全性大大提高。