本发明涉及无人机保护领域，特别涉及一种无人机坠落保护装置。
背景技术：
目前，国内外小型无人机己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。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，从而造成对机体本身和机载设备的损害，由于现阶段无人机和机载遥感设备都价值不菲，坠毁事故一旦发生会造成巨大的财产损失。
为了降低无人机发生事故时的损失，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。现有的无人机抛伞保护装置，一般都是利用弹射装置向上弹射降落伞，以降低无人机下坠速度，从而保护无人机，减少事故损失。
现有的无人机抛伞保护装置虽然解决了无人机直接坠落损失较大的问题，但是仍然存在着以下问题：
1、在无人机坠落至地面上时，由于电池未与无人机脱离，无人机带电与地面发生剧烈撞击时，电路容易发生短路导致无人机被烧坏，相对于无人机不带电掉落至地面，会加重无人机的损坏。
2、由于弹射装置向上弹射降落伞，在降落伞向上的瞬间，降落伞会给无人机一个向下的反作用力，从而加速了无人机的下降速度。
3、在无人机坠落的过程中，由于无人机处于不平衡的状态，抛出的伞也会不平衡，特别是在出现大风等恶劣天气时，伞会发生倾斜甚至翻转，导致伞不能很好地保护无人机。
技术实现要素：
本发明意在提供一种能够减轻无人机坠地损坏的无人机坠落保护装置。
为解决上述技术问题，本发明提供的基础方案如下：
无人机坠落保护装置，
包括设置在无人机底部的伞仓和用于遮盖伞仓的伞仓盖；伞仓内设有折叠伞和用于放置电池的储物仓，所述折叠伞包括中心轴、与中心轴连接的多根骨架和覆盖在骨架上的伞布，所述骨架包括多根首尾铰接的支撑条，所述支撑条铰接处设有限制支撑条向折叠伞内转动的限位块，所述多根骨架的底端与电池之间均通过牵引绳连接；储物仓内设有惯性运动测量单元、控制器和弹射机构，惯性运动测量单元和弹射机构均与控制器信号连接；所述伞仓盖的两端设有电磁铁，所述无人机伞仓内与电磁铁位置对应处设有与电磁铁相吸的磁铁；
所述惯性运动测量单元，用于检测无人机的姿态信号并传递给控制器；
控制器，用于获取无人机的姿态信号并判断无人机是否坠落，以及判断无人机在坠落过程中是否有正常飞行时的瞬间水平状态，当控制器判断无人机坠落且有正常飞行时的瞬间水平状态时，控制器控制电磁铁断电，以及控制弹射机构向外弹射电池。
基础方案的工作原理：惯性运动测量单元检测无人机的姿态信号并传递给控制器，也就是惯性运动测量单元检测无人机的瞬时加速度、角速度和方向角，并将无人机的瞬时加速度、角速度和方位角数据信息传递给控制器，控制器获取数据信息并进行计算和分析，并判断无人机是否坠落，具体地，可预设无人机的瞬时加速度阈值，控制器根据接收到的瞬时加速度信息并判断无人机的瞬时加速度是否大于预设阈值，如果大于，则判断无人机处于坠落状态；
当控制器已经判断无人机处于坠落状态时，控制器根据接收到的姿态信号判断无人机在坠落过程中是否有正常飞行时的瞬间水平状态，当控制器判断无人机坠落且有正常飞行时的瞬间水平状态时，控制器控制电磁铁断电，由于伞仓盖的两端设有电磁铁，无人机伞仓内与电磁铁位置对应处设有磁铁，电磁铁断电后失去了磁性，让原先盖合在无人机伞仓上的伞仓盖被打开；同时，控制器控制弹射机构并向外弹射电池，控制器判断无人机坠落且有正常飞行时的瞬间水平状态时才向弹射机构发送弹射信号，是为了将电池竖直向下抛出；
由于折叠伞包括中心轴、与中心轴连接的多根骨架和覆盖在骨架上的伞布，骨架由多根支撑条首尾铰接构成，电池与多根骨架的底端之间通过牵引绳连接；所以在电池被向外弹射的过程中，电池通过牵引绳向下拽动折叠伞的多根骨架，支撑条在电池的重力作用下依次向下展开；又因为支撑条铰接处设有限制支撑条向内折叠的限位块，所以在限位块的限制作用下，支撑条只能向折叠伞外转动，不能向折叠伞内转动，并且在无人机向下坠落过程气流的作用力下，整个折叠伞会呈伞状，也就是每根骨架会呈弓形；从而撑开的折叠伞降低了无人机的下降速度，起到保护无人机的作用；当无人机落地时，电池与无人机已经分离，减少了对无人机落地的损坏程度，呈弓形的骨架具有一定的弹性，对无人机起到缓冲作用，进一步起到对无人机的保护。
基础方案的有益效果为：
1、与现有的无人机抛伞保护装置相比，本发明中的控制器只有在判断无人机坠落且有正常飞行时的瞬间水平状态时才向弹射机构发送弹射信号，从而弹射机构将电池竖直向下抛出，在抛出电池的同时，无人机受到竖直向上的反作用力，降低了无人机下降的速度；
2、抛出的电池通过牵引绳拽动收折的折叠伞展开，折叠伞在电池和气流的作用下撑开呈伞状，竖直向下的电池提供给折叠伞竖直向下的拖拽力，避免折叠伞容易翻转和缠绕在无人机上的问题，而撑开的折叠伞也进一步降低了无人机的下降速度，起到保护无人机的作用；
3、当无人机落地时，呈伞状的折叠伞的骨架为弓形，撑开的折叠伞位于无人机的下方，所以折叠伞比无人机先接触地面，而弓形的骨架具有一定的弹性，骨架落地后会提供给无人机一定的缓冲，更进一步起到对无人机的保护作用；
4、在无人机坠落过程中电池与无人机脱离，从而无人机掉落至地面时不带电，相对于无人机带电撞击地面，本方案降低了无人机的损坏，减轻了维修和维护成本。
进一步，所述骨架远离中心轴的端部设有膨胀气囊，所述膨胀气囊为膨大的端部。
采用上述结构，当无人机落地时，膨胀气囊能够提供给无人机下降的缓冲，膨胀气囊采用膨大的端部则是为了增加骨架与地面的接触面积，使无人机落地时，折叠伞不易翻转。
进一步，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控制器电连接。
三轴加速度计测量无人机在三维空间三个轴向的加速度信号，而三轴陀螺仪检测无人机三个轴向的角速度信号，三轴地磁传感器利用地磁作为参考测量出无人机与地磁线之间的夹角就可以得到方位角的数据，通过惯性运动测量单元测量物体在三维空间中的角速度、加速度和方位角，并以此解算出物体的姿态信号传递给控制器。
进一步，所述弹射机构包括解锁舵机、锁栓和弹簧，所述弹射机构的解锁舵机与控制器电连接；所述解锁舵机固定在储物仓的侧壁，锁栓位于电池上，并可与解锁舵机连接，所述弹簧的一端与储物仓的底壁连接，另一端连接在电池上。
采用上述设计，当控制器判断无人机坠落且有正常飞行时的瞬间水平状态时，控制器向解锁舵机发送解锁信号，与解锁舵机连接的锁栓快速抽出，失去锁止作用的弹簧在弹性力的作用下竖直向下弹射电池。
进一步，所述弹射机构包括弹射臂和可控开关，所述可控开关连接所述弹射臂和所述控制器，所述可控开关由所述控制器控制。
采用上述设计，当控制器判断无人机坠落且有正常飞行时的瞬间水平状态时，控制器控制可控开关打开，可控开关打开弹射臂，弹射臂竖直向下弹射电池。
进一步，所述多根骨架均与中心轴铰接，中心轴与骨架之间设有限制骨架向中心轴靠近的挡块。
采用上述结构，可减小折叠伞的体积，将折叠伞收折后放进伞仓内，从而减小无人机的体积；中心轴与骨架之间设有限制骨架向中心轴靠近的挡块则是为了避免骨架向中心轴靠近或者贴合中心轴，导致折叠伞无法完全撑开。
附图说明
图1为本发明无人机坠落保护装置实施例的抛伞结构示意图。
具体实施方式
下面通过具体实施方式进一步详细的说明：
说明书附图中的附图标记包括：无人机1、伞仓2、伞仓盖3、折叠伞4、储物仓5、电池6、中心轴7、骨架8、支撑条9、限位块10、牵引绳11、电磁铁12、磁铁13、膨胀气囊14、解锁舵机15、锁栓16、弹簧17、挡块18。
如图1所示，本发明无人机1坠落保护装置，包括设置在无人机1底部的伞仓2和用于遮盖伞仓2的伞仓盖3；
伞仓2内设有折叠伞4和用于放置电池6的储物仓5，折叠伞4包括中心轴7、与中心轴7铰接的多根骨架8和覆盖在骨架8上的伞布，例如：骨架8的数量可为8根，也可根据实际情况选择合适的数量，骨架8与中心轴7之间采用铰接连接的方式，可减小折叠伞4的体积，将折叠伞4收折后放进伞仓2内，从而减小无人机1的体积；骨架8由多根支撑条9首尾铰接构成，本实施例中采用9根支撑条9铰接形成一根骨架8，骨架8远离中心轴7的端部设有膨胀气囊14；所有支撑条9的铰接处均设有限制支撑条9向折叠伞4内转动的限位块10，多根骨架8的底端与电池6之间均通过牵引绳11连接；本实施例中，中心轴7与骨架8之间设有限制骨架8向中心轴7靠近的挡块18；
储物仓5内设有惯性运动测量单元、控制器和弹射机构，惯性运动测量单元和控制器信号连接；本实施例中，控制器采用stm32系列单片机；
伞仓盖3的两端均设有电磁铁12，无人机1伞仓2内与电磁铁12位置对应处设有与电磁铁相吸的磁铁13，本实施例中伞仓盖3与电池6固接；
惯性运动测量单元，用于检测无人机1的姿态信号并传递给控制器；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控制器电连接；具体地，三轴陀螺仪、三轴加速度计和三轴地磁传感器可采用型号为mpu9150的集成三轴陀螺仪、三轴加速度计、三轴地磁传感器；其中，三轴加速度计测量无人机1在三维空间三个轴向的加速度信号，而三轴陀螺仪检测无人机1三个轴向的角速度信号，三轴地磁传感器利用地磁作为参考测量出无人机1与地磁线之间的夹角就可以得到方位角的数据；通过惯性运动测量单元测量物体在三维空间中的角速度、加速度和方位角，并以此解算出物体的姿态信号传递给控制器；
控制器，用于获取无人机1的姿态信号并判断无人机1是否坠落，以及判断无人机1在坠落过程中是否有正常飞行时的瞬间水平状态，当控制器判断无人机1坠落且有正常飞行时的瞬间水平状态时，控制器控制电磁铁12断电，以及控制弹射机构向外弹射电池6；
如图1所示，本实施例中的弹射机构优选为包括解锁舵机15、锁栓16和弹簧17，弹射机构的解锁舵机15与控制器电连接；解锁舵机15固定在储物仓5的侧壁，锁栓16位于电池6上，并可与解锁舵机15连接，弹簧17的一端与储物仓5的底壁连接，另一端连接在电池6上；
本实施例中的弹射机构另一种优选方式中，弹射机构包括弹射臂和可控开关，可控开关连接所述弹射臂和所述控制器，可控开关由所述控制器控制；弹射机构只要能实现在控制器的控制下向外弹射电池6即可，在此不再一一赘述。
该无人机1坠落保护装置具体实现过程为：
惯性运动测量单元检测无人机1的姿态信号并传递给控制器，也就是惯性运动测量单元检测无人机1的瞬时加速度、角速度和方向角，并将无人机1的瞬时加速度、角速度和方位角数据信息传递给控制器，控制器获取数据信息并进行计算和分析，并判断无人机1是否坠落，具体地，可预设无人机1的瞬时加速度阈值，控制器根据接收到的瞬时加速度信息并判断无人机1的瞬时加速度是否大于预设阈值，如果大于，则判断无人机1处于坠落状态；
当控制器已经判断无人机1处于坠落状态时，控制器根据接收到的姿态信号判断无人机1在坠落过程中是否有正常飞行时的瞬间水平状态，具体地，通过三轴地磁传感器测量得到的方位角可判断无人机1是否有正常飞行时的瞬间水平状态，当控制器判断无人机1坠落且有正常飞行时的瞬间水平状态时，控制器控制电磁铁12断电，由于伞仓盖3的两端设有电磁铁12，无人机1伞仓2内与电磁铁12位置对应处设有磁铁13，电磁铁12断电后失去了磁性，让原先盖合在无人机1伞仓2上的伞仓盖3被打开；同时，控制器控制弹射机构并向外弹射电池6，与此同时，固接在电池6上的伞仓盖3与电池6一同向外抛出，一是为了便于伞仓盖3的回收，二是为了避免伞仓盖3影响折叠伞4的展开，控制器判断无人机1坠落且有正常飞行时的瞬间水平状态时才向弹射机构发送弹射信号，是为了将电池6竖直向下抛出；
在电池6被向外弹射的过程中，电池6通过牵引绳11向下拽动折叠伞4的多根骨架8，支撑条9在电池6的重力作用下依次向下展开；因为支撑条9铰接处设有限制支撑条9向内折叠的限位块10，所以在限位块10的限制作用下，支撑条9只能向折叠伞4外转动，不能向折叠伞4内转动，并且在无人机1向下坠落过程气流的作用力下，整个折叠伞4会呈伞状，也就是每根骨架8会呈弓形；中心轴7与骨架8之间设有限制骨架8向中心轴7靠近的挡块18，则是为了避免骨架8向中心轴7靠近或者贴合中心轴7，导致折叠伞4无法完全撑开的情况；从而撑开的折叠伞4降低了无人机1的下降速度，起到保护无人机1的作用；当无人机1落地时，电池6与无人机1已经分离，减少了对无人机1落地的损坏程度，呈弓形的骨架8具有一定的弹性，起到对无人机1的缓冲作用，进一步起到对无人机1的保护。
综上所述，本发明中的控制器只有在判断无人机1坠落且有正常飞行时的瞬间水平状态时才向弹射机构发送弹射信号，从而弹射机构将电池6竖直向下抛出，在抛出电池6的同时，无人机1受到竖直向上的反作用力，降低了无人机1下降的速度；
抛出的电池6通过牵引绳11拽动收折的折叠伞4展开，折叠伞4在电池6和气流的作用下撑开呈伞状，竖直向下的电池6提供给折叠伞4竖直向下的拖拽力，避免折叠伞4容易翻转和缠绕在无人机1上的问题，而撑开的折叠伞4也进一步降低了无人机1的下降速度，起到保护无人机1的作用；
当无人机1落地时，呈伞状的折叠伞4的骨架8为弓形，撑开的折叠伞4位于无人机1的下方，所以折叠伞4比无人机1先接触地面，而弓形的骨架8具有一定的弹性，骨架8落地后会提供给无人机1一定的缓冲，并且骨架8远离中心轴7端部的膨胀气囊14也能够提供给无人机1下降的缓冲，膨胀气囊14采用膨大的端部则是为了增加骨架8与地面的接触面积，使无人机1落地时，折叠伞4不易翻转，更进一步起到对无人机1的保护作用；
更重要的是，在无人机1坠落过程中电池6与无人机1脱离，从而无人机1掉落至地面时不带电，相对于无人机1带电撞击地面，本方案减轻了无人机1的损坏程度，提高无人机1的回收率。
以上所述的仅是本发明的实施例，方案中公知的具体结构及特性等常识在此未作过多描述。应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明结构的前提下，还可以作出若干变形和改进，这些也应该视为本发明的保护范围，这些都不会影响本发明实施的效果和专利的实用性。本申请要求的保护范围应当以其权利要求的内容为准，说明书中的具体实施方式等记载可以用于解释权利要求的内容。