无人机故障后应急控制装置与方法.pdf

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1、(19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请号 201911311827.3 (22)申请日 2019.12.18 (71)申请人 新疆联海创智信息科技有限公司 地址 830000 新疆维吾尔自治区乌鲁木齐 市高新技术产业开发区 （新市区） 高新 街258号数码港大厦9层写字间908-5 室 (72)发明人 敖乃翔梁寅博甄泽安陈东旭 王德勇方俭师文喜赵学义 李慕宸刘鹤 (74)专利代理机构 北京市领专知识产权代理有 限公司 11590 代理人 林辉轮张玲 (51)Int.Cl. B64C 27/00(2006.01) B64C。

2、 27/32(2006.01) B64D 45/00(2006.01) B64D 45/04(2006.01) B64D 43/00(2006.01) B64D 27/24(2006.01) (54)发明名称 一种无人机故障后应急控制装置与方法 (57)摘要 本发明涉及一种无人机故障后应急控制装 置， 包括： 飞控故障检测模块， 用于检测飞控电机 的转速状态； 外置故障监测模块， 用于检测无人 机飞行时的姿态变化； 安全气囊， 当飞控故障检 测模块检测到飞控电机的转速状态不在转速阈 值范围内， 或/和外置故障监测模块检测到无人 机飞行时的姿态变化不在变化阈值范围内时， 安 全气囊开启， 并包裹。

3、住无人机的螺旋桨。 本发明 使用飞控故障检测模块和外置故障监测模块分 别对无人机的飞行状态进行检测， 当检测到无人 机的飞行状态出现异常时， 则开启安全气囊， 安 全气囊包裹住无人机的螺旋桨， 能有效防范无人 机在坠落或下降时螺旋桨划伤地面人员。 权利要求书1页 说明书5页 附图2页 CN 110979645 A 2020.04.10 CN 110979645 A 1.一种无人机故障后应急控制装置， 其特征在于： 包括： 飞控故障检测模块， 用于检测飞控电机的转速状态； 外置故障监测模块， 用于检测无人机飞行时的姿态变化； 安全气囊， 当飞控故障检测模块检测到飞控电机的转速状态不在转速阈值范围。

4、内， 或/ 和外置故障监测模块检测到无人机飞行时的姿态变化不在变化阈值范围内时， 安全气囊开 启， 并包裹住无人机的螺旋桨。 2.根据权利要求1所述的一种无人机故障后应急控制装置， 其特征在于： 还包括降落 伞， 当飞控故障检测模块检测到飞控电机的转速状态不在转速阈值范围内， 或/和外置故障 监测模块检测到无人机飞行时的姿态变化不在变化阈值范围内时， 降落伞开启。 3.根据权利要求2所述的一种无人机故障后应急控制装置， 其特征在于： 所述外置故障 监测模块采用双轴振动陀螺。 4.根据权利要求3所述的一种无人机故障后应急控制装置， 其特征在于： 所述安全气囊 连接有应急触发单元， 用于接收飞控故。

5、障检测模块发送的飞控电机的转速状态， 和外置故 障监测模块发送的无人机飞行时的姿态变化； 当飞控故障检测模块检测到飞控电机的转速状态不在转速阈值范围内， 或/和外置故 障监测模块检测到无人机飞行时的姿态变化不在变化阈值范围内时， 应急触发单元开启安 全气囊和降落伞。 5.根据权利要求4所述的一种无人机故障后应急控制装置， 其特征在于： 所述安全气囊 内设置有气体发生器、 点火器、 与应急触发单元电连接的电子控制单元， 当电子控制单元接 收到应急触发单元发送的飞控电机的转速状态不在转速阈值范围内， 或/和接收到应急触 发单元发送的无人机飞行时的姿态变化不在变化阈值范围内时， 电子控制单元启动点火。

6、 器， 点火器触发气体发生器释放气体， 使得安全气囊开启， 并包裹住无人机的螺旋桨。 6.根据权利要求1所述的一种无人机故障后应急控制方法， 其特征在于： 具体包括以下 步骤： 步骤S1： 飞控故障检测模块对飞控电机的转速状态进行检测， 同时外置故障监测模块 对无人机飞行时的姿态变化进行检测； 步骤S2： 若飞控故障检测模块检测到飞控电机的转速状态不在转速阈值范围内， 或/和 外置故障监测模块检测到无人机飞行时的姿态变化不在变化阈值范围内， 则飞控故障检测 模块或/和外置故障监测模块向应急触发单元发送触发信号； 步骤S3： 应急触发单元接收到飞控故障检测模块或/和外置故障监测模块发送的触发 信。

7、号后， 开启安全气囊、 降落伞。 7.根据权利要求6所述的一种无人机故障后应急控制方法， 其特征在于： 所述步骤S3具 体包括以下步骤： 步骤S310： 飞控故障检测模块或/和外置故障监测模块通过程序编辑的安全控制逻辑 向应急触发单元发送触发信号； 步骤S320： 应急触发单元控制电子控制单元启动点火器； 步骤S330： 点火器引爆火药剂， 气体发生器利用热效应原理在火药剂产生大量热量时 分解叠氮化钠， 并产生大量的气体， 在30ms的时间内从充气孔向安全气囊充气， 使安全气囊 膨胀展开， 包裹住螺旋桨。 权利要求书 1/1 页 2 CN 110979645 A 2 一种无人机故障后应急控制装。

8、置与方法 技术领域 0001 本发明涉及无人机故障控制技术领域， 特别涉及一种无人机故障后应急控制装置 与方法。 背景技术 0002 对于带有螺旋桨的无人机， 电机转速高且螺旋桨的尖端锋利， 在飞行中电机转速 会达到上千转， 电机出现故障后， 若无人机内部飞控PWM信号输出没有得到有效切断， 降落 地面期间很有可能对地面人员造成严重的伤害， 甚至造成生命威胁。 0003 目前， 无人机故障后的应急控制主要依靠切断螺旋桨电机输出加降落伞的方式， 在无人机发生故障后， 打开降落伞降低无人机下坠的速度， 同时切断对电机PWM信号的输 出。 但在飞控切断PWM信号输出时很有可能会出现电机依旧没有停转的。

9、情况， 如电机线路短 接导致电机处于常转状态， 在这种情况下仅靠降落伞方式仍存在安全隐患问题， 高速旋转 的螺旋桨很容易将降落伞打断， 或螺旋桨产生的升力占主导， 那么降落伞就没有起到安全 降落的作用。 0004 相关术语解释 0005 PWM信号： 脉冲宽度调制， 本发明指无人机的飞控输出给电机的控制信号； 0006 旋翼无人机： 主要靠螺旋桨的高速旋转产生升力， 动力来源于电机的无人机， 电机 带动螺旋桨旋转； 0007 固定翼无人机： 依靠机翼翼面上下压力差产生升力的无人机。 发明内容 0008 本发明的目的在于改善现有技术中所存在的不足， 提供一种无人机故障后应急控 制装置。 0009。

10、 为了实现上述发明目的， 本发明实施例提供了以下技术方案： 0010 一种无人机故障后应急控制装置， 包括： 0011 飞控故障检测模块， 用于检测飞控电机的转速状态； 0012 外置故障监测模块， 用于检测无人机飞行时的姿态变化； 0013 安全气囊， 当飞控故障检测模块检测到飞控电机的转速状态不在转速阈值范围 内， 或/和外置故障监测模块检测到无人机飞行时的姿态变化不在变化阈值范围内时， 安全 气囊开启， 并包裹住无人机的螺旋桨。 0014 本发明使用飞控故障检测模块和外置故障监测模块分别对无人机的飞行状态进 行检测， 当检测到无人机的飞行状态出现异常时， 则开启安全气囊， 安全气囊包裹住。

11、无人机 的螺旋桨， 能有效防范无人机在坠落或下降时螺旋桨划伤地面人员。 0015 更进一步地， 为了更好的实现本发明， 还包括降落伞， 当飞控故障检测模块检测到 飞控电机的转速状态不在转速阈值范围内， 或/和外置故障监测模块检测到无人机飞行时 的姿态变化不在变化阈值范围内时， 降落伞开启。 说明书 1/5 页 3 CN 110979645 A 3 0016 当检测到无人机的飞行状态出现异常时， 不仅启动安全气囊， 同时还要启动降落 伞， 以减缓无人机在坠落或下降的过程中的速度， 一方面能消减对地面人员的误伤， 另一方 面， 能使无人机缓慢到达地面， 避免冲击对内部飞控等核心器件的进一步损坏。 。

12、0017 更进一步地， 为了更好的实现本发明， 所述外置故障监测模块采用双轴振动陀螺。 0018 更进一步地， 为了更好的实现本发明， 所述安全气囊连接有应急触发单元， 用于接 收飞控故障检测模块发送的飞控电机的转速状态， 和外置故障监测模块发送的无人机飞行 时的姿态变化； 当飞控故障检测模块检测到飞控电机的转速状态不在转速阈值范围内， 或/ 和外置故障监测模块检测到无人机飞行时的姿态变化不在变化阈值范围内时， 应急触发单 元开启安全气囊和降落伞。 0019 更进一步地， 为了更好的实现本发明， 所述安全气囊内设置有气体发生器、 点火 器、 与应急触发单元电连接的电子控制单元， 当电子控制单元。

13、接收到应急触发单元发送的 飞控电机的转速状态不在转速阈值范围内， 或/和接收到应急触发单元发送的无人机飞行 时的姿态变化不在变化阈值范围内时， 电子控制单元启动点火器， 点火器触发气体发生器 释放气体， 使得安全气囊开启， 并包裹住无人机的螺旋桨。 0020 一种无人机故障后应急控制方法， 具体包括以下步骤： 0021 步骤S1： 飞控故障检测模块对飞控电机的转速状态进行检测， 同时外置故障监测 模块对无人机飞行时的姿态变化进行检测； 0022 步骤S2： 若飞控故障检测模块检测到飞控电机的转速状态不在转速阈值范围内， 或/和外置故障监测模块检测到无人机飞行时的姿态变化不在变化阈值范围内， 则。

14、飞控故 障检测模块或/和外置故障监测模块向应急触发单元发送触发信号； 0023 步骤S3： 应急触发单元接收到飞控故障检测模块或/和外置故障监测模块发送的 触发信号后， 开启安全气囊、 降落伞。 0024 更进一步地， 为了更好的实现本发明， 所述步骤S3具体包括以下步骤： 0025 步骤S310： 飞控故障检测模块或/和外置故障监测模块通过程序编辑的安全控制 逻辑向应急触发单元发送触发信号； 0026 步骤S320： 应急触发单元控制电子控制单元启动点火器； 0027 步骤S330： 点火器引爆火药剂， 气体发生器利用热效应原理在火药剂产生大量热 量时分解叠氮化钠， 并产生大量的气体， 在3。

15、0ms的时间内从充气孔向安全气囊充气， 使安全 气囊膨胀展开， 包裹住螺旋桨。 0028 与现有技术相比， 本发明的有益效果： 0029 本发明使用双余度的检测模式， 同时对飞控电机的转速状态和无人机飞行的姿态 变化进行检测， 若转速状态异常或姿态变化异常时， 都会启动安全气囊和降落伞， 避免当飞 控故障检测模块未能检测出飞控电机的转速状态时， 不能启动安全防范措施， 加入外置故 障监测模块实时对无人机飞行的姿态变化进行检测， 使得无人机飞行过程中的故障检测更 加有保障， 提高了无人机故障应急控制的可靠性， 启动安全气囊和降落伞后， 消减了无人机 降落过程中螺旋桨对地面人员的伤害。 0030 。

16、本发明主要针对带有螺旋桨的无人机故障后的应急控制， 应用面广泛， 既可应用 于旋翼无人机， 又可应用于带有螺旋桨动力的固定翼无人机， 双余度的故障检测机制增加 了应急故障检测的可靠性。 安全气囊反应迅速能够在无人机离地面还较远的高度时即膨胀 说明书 2/5 页 4 CN 110979645 A 4 展开， 无论螺旋桨处于高速旋转的状态或停转的状态， 在无人机落地的过程中， 都能够有效 地起到对地面人员和无人机内部器件的保护。 附图说明 0031 为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案， 下面将对实施例中所需要使用的附 图作简单地介绍， 应当理解， 以下附图仅示出了本发明的某些实施例， 因此不应。

17、被看作是对 范围的限定， 对于本领域普通技术人员来讲， 在不付出创造性劳动的前提下， 还可以根据这 些附图获得其他相关的附图。 0032 图1为本发明应急控制装置模块框图； 0033 图2为本发明应急控制方法流程图； 0034 图3为本发明安全气囊设置示意图。 具体实施方式 0035 下面将结合本发明实施例中附图， 对本发明实施例中的技术方案进行清楚、 完整 地描述， 显然， 所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例， 而不是全部的实施例。 通常在 此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。 因 此， 以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保。

18、护的本发明的 范围， 而是仅仅表示本发明的选定实施例。 基于本发明的实施例， 本领域技术人员在没有做 出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例， 都属于本发明保护的范围。 0036 应注意到： 相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项， 因此， 一旦某一项在一 个附图中被定义， 则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。 0037 实施例1： 0038 本发明通过下述技术方案实现， 如图1所示， 一种无人机故障后应急控制装置， 包 括飞控故障检测模块、 外置故障监测模块、 应急触发单元、 安全气囊、 降落伞， 所述飞控故障 检测模块用于检测飞控电机的转速状态， 所述外置故障监测模块用于。

19、检测无人机飞行时的 姿态变化， 当飞控故障检测模块检测到飞控电机的转速状态不在转速阈值范围内， 或/和外 置故障监测模块检测到无人机飞行时的姿态变化不在变化阈值范围内时， 应急触发单元开 启安全气囊和降落伞， 安全气囊包裹住无人机的螺旋桨。 0039 本发明使用飞控故障检测模块和外置故障检测模块对无人机的电机转速以及飞 行姿态进行检测， 首先使用飞控故障检测模块对飞控电机的转速状态进行检测， 若转速状 态不在转速阈值范围内， 那么飞控故障检测模块发送触发信号给应急触发单元， 应急触发 单元直接启动安全气囊和降落伞， 安全气囊包裹住无人机的螺旋桨； 但当飞控故障检测模 块未能检测出飞控电机的转速。

20、状态异常时， 若外置故障监测模块检测到无人机飞行时的姿 态变化不在变化阈值范围内， 那么外置故障监测模块发送触发信号给应急触发单元， 应急 触发单元启动安全气囊和降落伞。 因此外置故障监测模块需要实时对无人机飞行时的姿态 变化进行监测， 当飞控故障检测模块检测到无人机飞行异常， 或外置故障监测模块检测到 无人机飞行异常， 或飞控故障检测模块、 外置故障监测模块同时检测到无人机飞行异常时， 应急触发单元均启动安全气囊和降落伞。 0040 本发明使用双余度的检测模式， 同时对飞控电机的转速状态和无人机飞行的姿态 说明书 3/5 页 5 CN 110979645 A 5 变化进行检测， 若转速状态异。

21、常或姿态变化异常时， 都会启动安全气囊和降落伞， 避免当飞 控故障检测模块未能检测出飞控电机的转速状态时， 不能启动安全防范措施， 加入外置故 障监测模块实时对无人机飞行的姿态变化进行检测， 使得无人机飞行过程中的故障检测更 加有保障， 提高了无人机故障应急控制的可靠性， 启动安全气囊和降落伞后， 消减了无人机 降落过程中螺旋桨对地面人员的伤害。 0041 详细来说， 所述飞控故障检测模块对飞控电机的转速状态进行检测时， 电机电调 采用可反馈转速状态的电调， 若反馈的信息不在飞控给定的转速阈值范围内， 那么则向应 急触发单元发送触发信号。 比如飞控给定的转速为k1， 那么转速阈值范围为k11.。

22、5k1， 但使 用时， 可根据实际情况调整转速阈值范围。 应急触发单元接收到飞控故障检测模块发送的 触发信号后， 应急触发单元启动安全气囊和降落伞， 降落伞减缓无人机坠落或下降的速度， 安全气囊包裹住无人机的螺旋桨， 避免无人机的螺旋桨在下降时对地面人员造成伤害。 0042 所述外置故障监测模块采用双轴振动陀螺实时监测无人机飞行时的姿态变化， 若 无人机当前姿态或者姿态变化率与给定量的差值超过给定量的50， 则判定无人机失控， 向应急触发单元发送触发信号。 比如给定的无人机的姿态或者姿态变化量为k2， 当前的姿 态或者姿态变化量的变化阈值范围为0.5k21.5K2， 但使用时， 可根据实际情况。

23、调整姿态变 化阈值范围。 应急触发单元接收到触发信号后， 应急单元启动安全气囊和降落伞。 0043 由于无人机飞行时发生故障后， 可能会导致电机线路出现短路， 飞控给出PWM信号 指令后， 电机无法产生转速， 此时飞控故障检测模块不能检测电机的转速状态， 因此需要外 置故障监测模块实时检测无人机飞行时的姿态变化。 0044 更进一步地， 本实施例中安全气囊装于无人机机臂上靠近螺旋桨的位置， 安全气 囊内设置有气体发生器、 点火器、 与应急触发单元电连接的电子控制单元， 飞控故障检测模 块和外置故障监测模块通过程序编辑的安全控制逻辑向应急触发单元发送触发信号， 应急 触发单元控制电子控制单元启动。

24、点火器， 点火器引爆火药剂， 气体发生器利用热效应原理 在火药剂产生大量热量时分解叠氮化钠， 并产生大量的气体， 在30ms的时间内从充气孔向 安全气囊充气， 使安全气囊膨胀展开， 包裹住螺旋桨， 同时开启降落伞， 以减缓无人机坠落 或下降的速度。 0045 为使安全气囊充分包裹螺旋桨桨叶， 比如安全气囊充气体积约在0.08m3-0.15m3范 围内， 所需叠氮化钠量约为143.6g-269g， 为保证点爆时刻的安全， 点爆采用分级点爆装置， 即气体发生器分两级点爆， 第一级产生约40的气体容积， 远低于最大压力， 第二级点爆产 生剩余气体， 并且达到最大压力。 总的来说， 两级点爆的最大压力。

25、小于单级点爆。 这种形式， 压力逐步增加， 可保地面人员的安全。 0046 安全气囊能够保证内部气体密封， 并能起到阻燃的作用， 如图3所示的截面示意 图， 本实施例中的安全气囊在充气后的外形能够360 包裹住螺旋桨， 且不会被高速螺旋桨 划破， 安全气囊的内部将气体封闭。 电子控制单元的作用主要是接收应急触发单元发送的 控制信号， 并发出指令启动点火器， 从而开启安全气囊。 0047 本发明中的降落伞位于无人机顶部位置， 在应急触发单元启动降落伞后， 降落伞 展开以减缓无人机坠落或下降时的速度， 消除冲击造成的伤害， 并保护无人机使其在降落 后飞控等核心器件仍能工作， 以帮助人员排查故障。 。

26、0048 本发明主要针对带有螺旋桨的无人机故障后的应急控制， 应用面广泛， 既可应用 说明书 4/5 页 6 CN 110979645 A 6 于旋翼无人机， 又可应用于带有螺旋桨动力的固定翼无人机， 双余度的故障检测机制增加 了应急故障检测的可靠性。 安全气囊反应迅速能够在无人机离地面还较远的高度时即膨胀 展开， 无论螺旋桨处于高速旋转的状态或停转的状态， 在无人机落地的过程中， 都能够有效 地起到对地面人员和无人机内部器件的保护。 0049 基于上述装置， 如图2所示， 本发明提出一种无人机故障后应急控制方法， 具体包 括以下步骤： 0050 步骤S100： 飞控故障检测模块对飞控电机的转。

27、速状态进行检测， 同时外置故障监 测模块对无人机飞行时的姿态变化进行检测； 0051 步骤S200： 若飞控故障检测模块检测到飞控电机的转速状态不在转速阈值范围 内， 或/和外置故障监测模块检测到无人机飞行时的姿态变化不在变化阈值范围内， 则飞控 故障检测模块或/和外置故障监测模块向应急触发单元发送触发信号； 0052 步骤S300： 应急触发单元接收到飞控故障检测模块或/和外置故障监测模块发送 的触发信号后， 开启安全气囊、 降落伞。 0053 步骤S310： 飞控故障检测模块或/和外置故障监测模块通过程序编辑的安全控制 逻辑向应急触发单元发送触发信号； 0054 步骤S320： 应急触发单。

28、元控制电子控制单元启动点火器； 0055 步骤S330： 点火器引爆火药剂， 气体发生器利用热效应原理在火药剂产生大量热 量时分解叠氮化钠， 并产生大量的气体， 在30ms的时间内从充气孔向安全气囊充气， 使安全 气囊膨胀展开， 包裹住螺旋桨。 0056 以上所述， 仅为本发明的具体实施方式， 但本发明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揭露的技术范围内， 可轻易想到变化或替换， 都应涵 盖在本发明的保护范围之内。 因此， 本发明的保护范围应所述以权利要求的保护范围为准。 说明书 5/5 页 7 CN 110979645 A 7 图1 图2 说明书附图 1/2 页 8 CN 110979645 A 8 图3 说明书附图 2/2 页 9 CN 110979645 A 9 。