[发明专利]一种基于运行时保证框架的安全无人机系统

权利要求书

1.一种基于运行时保证框架的安全无人机系统，其特征在于，所述系统包括位于所述无人机的机身中部的基于运行时保证(Runtime Assurance，RTA)框架的自动驾驶控制模块(5)，并利用所述自动驾驶控制模块(5)控制位于所述无人机头部的斜盘控制结构(16)和位于所述无人机底部的舵面控制结构(13)，从而实现对所述无人机的飞行状态进行容错控制；其中：

所述斜盘控制结构(16)包括斜盘机械机构(1)、无人机桨叶(2)和传动结构，所述无人机桨叶(2)包括上桨叶和下桨叶，所述上桨叶逆时针转动，所述下桨叶顺时针转动，所述传动结构包括安装于第一层固定板(4)上的传动结构第一部件(3)和传动结构第二部件(8)；

所述舵面控制结构(13)包括舵面结构第一部件(11)、舵面结构第二部件(12)、舵机安装部位(14)以及第三层固定板(15)，所述舵机安装部位(14)位于所述第三层固定板(15)上，所述舵面结构第一部件(11)和所述舵面结构第二部件(12)构成所述无人机底部的两对舵面；

在所述运行时保证框架内：

当所述无人机的飞行状态为正常运行状态时，所述自动驾驶控制模块(5)被配置为利用所述斜盘控制结构(16)和所述舵面控制结构(13)共同控制所述无人机的姿态调整和机动工作；

当所述斜盘控制结构(16)出现故障时，所述上桨叶和所述下桨叶始终保持在同一垂直线上，所述自动驾驶控制模块(5)被配置为利用所述斜盘控制结构(16)为所述无人机提供动力支持，并通过调节所述舵面控制结构(13)的舵面偏转角度来控制所述无人机的姿态调整和悬停自稳；

当所述舵面控制结构(13)出现故障时，所述自动驾驶控制模块(5)被配置为利用所述斜盘控制结构(16)为所述无人机提供所述动力支持，并通过调节所述斜盘机械结构(1)与水平面的偏移角度来控制所述无人机的姿态调整。

2.根据权利要求1所述的一种基于运行时保证框架的安全无人机系统，其特征在于：

所述无人机还包括位于所述无人机的机身中部的无人机外壳(9)，所述无人机外壳(9)呈圆筒状，其上部与位于所述无人机头部的斜盘控制结构(16)连接，其底部与位于所述无人机底部的舵面控制结构(13)连接；

所述无人机外壳(9)形成无人机内部空间(10)，在所述无人机内部空间(10)中，从上至下依次安装有所述第一层固定板(4)、所述自动驾驶控制模块(5)、第二层固定板(6)以及无人机电池(7)，所述自动驾驶控制模块(5)安装于所述第二层固定板(6)上。

3.根据权利要求2所述的一种基于运行时保证框架的安全无人机系统，其特征在于，所述运行时保证框架的安全边界判断条件包括：(i)斜盘故障；和/或(ii)舵面故障；其中：

当所述斜盘故障或所述舵面故障发生时，所述无人机仍处于所述运行时保证框架内，所述自动驾驶控制模块(5)仍能保证所述无人机的安全运行，且当所述斜盘故障或所述舵面故障被安全解决时，所述无人机的飞行状态恢复为所述正常运行状态时；具体包括：

所述自动驾驶控制模块(5)检测到所述斜盘故障或所述舵面故障发生，所述无人机从当前斜盘和舵面共同控制的状态切换至舵面单一控制或斜盘单一控制的状态，切换过程包括第一时段和第二时段，在所述第一时段，发生故障的斜盘或舵面逐渐停止工作，当其完全停止工作后进入所述第二时段，由未发生故障的舵面或斜盘逐渐控制所述无人机的姿态调整和悬停自稳，直到所述无人机的状态输出进入平稳阶段，所述切换过程的持续时间不超过所述无人机的切换驻留时间阈值；

当所述斜盘故障和所述舵面故障同时发生时，所述无人机逾越所述运行时保证框架，所述自动驾驶控制模块(5)无法控制所述无人机的安全运行，且所述无人机无法回到所述运行时保证框架，也无法恢复至所述正常运行状态。

4.根据权利要求3所述的一种基于运行时保证框架的安全无人机系统，其特征在于，所述无人机的状态输出进入所述平稳阶段的判断条件为：所述无人机的升力系数、阻力系数、侧向力系数、滚转力矩系数、偏航力矩系数以及转动惯量均在正常值范围内。