多旋翼無人機(jī)故障檢測及自救系統(tǒng)設(shè)計(jì)

南京航空航天大學(xué)金城學(xué)院機(jī)電工程與自動化學(xué)院 袁 鋼 陳 薇 張芮嘉 賈 寧

0 引言

近年來，隨著無人機(jī)的市場需求量不斷增大，其也越來越頻繁地出現(xiàn)在人們的日常生活中。但由于無人機(jī)對可能發(fā)生的故障往往難以控制，一旦發(fā)生墜機(jī)，對地面人和物造成的傷害是不可估量的。無人機(jī)發(fā)生故障時(shí)，其飛行姿態(tài)數(shù)據(jù)相較與穩(wěn)態(tài)，將有較大的突變，本系統(tǒng)能夠根據(jù)飛行數(shù)據(jù)準(zhǔn)確地計(jì)算出飛行姿態(tài)，同時(shí)預(yù)估電池的剩余電量，在發(fā)生故障時(shí)進(jìn)行報(bào)警并自救。

1 總體結(jié)構(gòu)

本系統(tǒng)的硬件組成如圖1所示，主要包括主控模塊、高度檢測模塊（GY-63-03）、慣性模塊（MPU6050）、供電電池管理模塊等。

主控模塊采用意法半導(dǎo)體公司的STM32F103ZET6 型微處理器，傳感器和主控模塊之間的數(shù)據(jù)傳輸通過模擬成降落傘無法打開的情況，本產(chǎn)品自帶獨(dú)立電源供電。I2C總線進(jìn)行；高度檢測模塊采用GY-63氣壓傳感器實(shí)時(shí)檢測無人機(jī)飛行對地高度；慣性單元采用MPU6050作為傳感器，測得無人機(jī)的三個(gè)姿態(tài)角，通過主控模塊對姿態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行解算，用于確認(rèn)無人機(jī)是否偏離穩(wěn)定飛行姿態(tài)。

圖1 系統(tǒng)硬件組成原理圖

系統(tǒng)獨(dú)有的電池管理模塊可實(shí)時(shí)測量無人機(jī)供電電池的電壓、電流數(shù)據(jù)，并推算出未來電池狀態(tài)，在低電量狀態(tài)及時(shí)報(bào)警，避免了因電量低而導(dǎo)致的墜機(jī)事件。該模塊主要由霍爾傳感器及采樣電阻組成，并借助STM32的ADC模塊，獲取供電電池的電壓及電流值。

該系統(tǒng)能夠在無人機(jī)達(dá)到墜機(jī)極限狀態(tài)，或達(dá)到供電電池電量警戒值時(shí)，產(chǎn)生報(bào)警信號并切斷無人機(jī)電源，彈射傘降裝置。此外，本系統(tǒng)為了避免無人機(jī)由于電池電量低而無法啟動降落傘的情況，本產(chǎn)品自帶獨(dú)立電源供電。

2 系統(tǒng)故障診斷方法設(shè)計(jì)

無人機(jī)墜機(jī)的發(fā)生具有一定規(guī)律性，若發(fā)生碰撞或動力損毀，其姿態(tài)角將發(fā)生改變，即會導(dǎo)致當(dāng)前角速度、加速度發(fā)生驟變；若是電池故障，姿態(tài)角改變不大，但是其高度一定下降的很快。

2.1 穩(wěn)態(tài)判別

多旋翼無人機(jī)靠改變自身的姿態(tài)角和螺旋槳差速來實(shí)現(xiàn)方向可控運(yùn)動，靠發(fā)動機(jī)持續(xù)對空氣做功來維持高度。飛行器飛行過程中的某些物理量的變化是有一定的規(guī)律的。

若檢測系統(tǒng)測得角速度β，加速度a，高度h，并設(shè)無人機(jī)角度為α，高度的變化率為h’時(shí)間為t，有式(1)、式(2)：

一旦α>70°，β>200°/s，a>5g，H’>0.8g即可判斷無人機(jī)偏離穩(wěn)態(tài)。

2.2 電池能量推算

無人機(jī)鋰電池在放電過程中電壓會逐漸降低，并且電量不同的時(shí)刻電壓變化率不同，而電壓相同且容量相同的電池有相同的放電曲線。

圖2 電池放電V-T曲線

多旋翼無人機(jī)使用的鋰電池種類有限，一般來說，鋰電池單片電壓為2.5-4.2V之間。電壓2.5v對應(yīng)電池完全放電結(jié)束，且電池過度放電損毀；電壓4.2V則為100%電量。

對電池進(jìn)行放電測量得到V-t曲線，如圖2所示，擬合得到式(3)：

其中k是比例系數(shù)，不同種類的電池k不同。

根據(jù)k值與相應(yīng)曲線相對應(yīng)即可判斷所使用的電池種類及參數(shù)，包括電池電壓范圍以及電池總能量，將電壓V與電流I的乘積對時(shí)間積分，得到當(dāng)前時(shí)刻電池已消耗的能量E，如式(4)所示：

針對上述問題，算法流程圖如圖3所示。

圖3 算法流程圖

3 總結(jié)

本產(chǎn)品重量輕，體積小，價(jià)格低，解決了兼容性問題，實(shí)現(xiàn)了低空開傘，非常適合各類無人機(jī)攜帶。本系統(tǒng)對無人機(jī)的飛行狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)測，在無人機(jī)出現(xiàn)問題前報(bào)警，在出現(xiàn)不可挽回問題后彈射自救，以降低無人機(jī)飛行風(fēng)險(xiǎn)，是對無人機(jī)風(fēng)險(xiǎn)的把控和降低，對人民生命財(cái)產(chǎn)安全的尊重與保障。

[1]程煦,郭珊珊,陳華賓．基于STM32單片機(jī)的四旋翼飛行器設(shè)計(jì)[J]．電子世界,2017(03)∶121-124．

[2]劉恒山．基于STM32單片機(jī)的四旋翼飛行器控制系統(tǒng)研究與設(shè)計(jì)[D]．內(nèi)蒙古科技大學(xué),2017．

[3]羅浩．無人機(jī)飛行姿態(tài)檢測及控制研究[J]．電子世界,2018(01)∶175-176．

[4]何松,陳興武．基于MPU9250的無人機(jī)姿態(tài)信息采集及處理[J]．福建工程學(xué)院學(xué)報(bào),2016,14(06)∶587-592．