[发明专利]一种用于多旋翼无人机的紧急伞降装置及方法

说明书

技术领域

本发明涉及农业无人机研究领域，特别涉及一种用于多旋翼无人机的紧急伞降装置及方法。

背景技术

多旋翼轻小型无人机具有体积小巧、姿态响应迅速的特点，便于在地形复杂的果园中快速部署使用。在实际农业应用领域，可由无人机搭载各种作业设备对农业地域进行快速农情采集与精准作业，能够极大降低人力成本与提高农药利用率。

目前，无人机伞降装置多用于固定翼飞行器中，第一种类型为人工触发式，需要操控人员自行判定需要降落时发出开伞指令；第二种类型为失控保护式，控制装置在检测到遥控信号丢失后，进入伞降程序。但对不具备滑翔能力的多旋翼无人机而言，存在两种特殊情况：1）多旋翼无人机在飞行过程中发生动力系统故障，失去升力，急速坠落。2）操作员在操纵多旋翼无人机过程中错误减小甚至关闭油门，导致无人机失去升力，急速坠落。这两类装置在以上情形中均难以及时发挥作用。即，用于固定翼无人机的伞降装置在多旋翼无人机特有的突发情况中难以有效、及时的进入伞降状态保护飞行器。因此需要寻找一种能够应用在多旋翼无人机的紧急伞降方法及装置。

基于惯性传感器、地磁传感器与高度计的惯性运动测量单元是检测和测量加速度、倾斜、冲击、振动、旋转和多自由度运动的传感器。惯性传感器是解决导航、定向和运动载体控制的重要部件，其在航天飞机、汽车、机器人等领域都有广阔的应用前景。微控制器读取惯性传感器测量出的瞬时加速度、角速度等参量，经过数字滤波与数据融合可获得载体当前的运动状态与姿态、相对位置等参数。

因此，如何在惯性运动测量单元的基础上，设计出一种成本较低，可靠性较高的用于多旋翼无人机的紧急伞降装置及方法具有极高的理论和实际意义。

发明内容

本发明的主要目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种用于多旋翼无人机的紧急伞降装置，该装置通过增加惯性运动测量单元与微控制器可以防止多旋翼无人机意外坠毁，具有结构简单、成本低廉、重量轻等特点。

本发明的另一个目的在于提供一种基于上述装置的用于多旋翼无人机的紧急伞降方法。

本发明的目的通过以下的技术方案实现：一种用于多旋翼无人机的紧急伞降装置，包括安装在伞仓内的测控单元、解锁舵机、抛伞弹簧、锁栓、降落伞和磁保持继电器，所述测控单元包括一微控制器与一惯性运动测量单元，微控制器与解锁舵机、磁保持继电器电连接，解锁舵机通过摇臂与锁栓连接，解锁舵机和锁栓共同作用将伞仓盖固定在伞仓上，磁保持继电器用于开闭旋翼电机的电源；伞仓固定在多旋翼无人机上，抛伞弹簧一端固定在伞仓底部，降落伞设置在该抛伞弹簧的另一端。

具体的，所述惯性运动测量单元为捷联惯性测量单元，包括三轴陀螺仪、三轴加速度计，均分别与微控制器相连。

更进一步的，所述惯性运动测量单元还包括微型高度计（气压式或超声波式）和三轴地磁传感器，均与微控制器相连。从而可以进一步提高测量准确度。

更进一步的，所述惯性测量模块中的三轴陀螺仪、三轴加速度计、三轴地磁传感器的敏感轴均与多旋翼无人机的横滚轴、俯仰轴、航向轴平行。

具体的，所述紧急伞降装置还包括电源管理模块，该模块包括CN3722、MOS管与3.3V DC-DC模块，DC-DC模块输出两路稳压电源分别是5V与3.3V，5V电源用于驱动解锁舵机；3.3V电源为微控制器与惯性运动测量单元供电。

优选的，所述测控单元内置锂电池作为该系统的备份电源。从而防止因机载电池发生故障导致系统失效。

更进一步的，所述机载动力电池通过电源管理模块直接为该内置锂电池充电。

具体的，所述磁保持继电器带复位开关。以便无人机回收后进行通电调试。

一种基于上述装置的用于多旋翼无人机的紧急伞降方法，该方法是：获取当前无人机的瞬时高度、加速度，解算出无人机的下降速率，判断无人机是否处于危险坠落状态，是则切断旋翼电机电源并抛出降落伞使无人机安全着陆。本发明可以实现根据多旋翼无人机下落状态自动释放降落伞，最大限度避免因人为操纵失误或机载动力系统故障导致无人机坠毁。

具体的，包括以下步骤：

（1）多旋翼无人机起飞前，校准惯性运动测量单元，消除初始零偏；

（2）多旋翼无人机起飞后，定时读取惯性运动测量单元输出的瞬时加速度、角速度与高度值；

（3）对瞬时加速度、角速度与高度值进行数字滤波与数据融合，计算出无人机当前的高度、下降速率与下降加速度；