無人機及其控制系統與控制方法、電調及其控制方法與流程
2023-05-28 22:08:34 2
本發明涉及一種無人機，尤其涉及一種無人機控制系統及控制方法、電調及其控制方法。
背景技術：
無人機由於其不需人駕駛，可深入各種人難以深入的環境，因此被廣泛應用於執行監測、偵察及探索等軍事或民事應用。無人機包括用於為無人機提供升力的動力系統，所述動力系統通常包括一個或多個電機及被電機驅動旋轉的螺旋槳，其中所述電機通常通過電調來進行控制。電調能夠接收接收機或飛控系統的油門控制信號，並根據該油門控制信號產生用來驅動所述電機旋轉的脈寬調製(pwm)信號。
現有的多旋翼無人機，包括多個動力機構，每一個動力機構均包括電調、電機及旋翼。每一個電調均從所述無人機的飛控系統接收油門控制信號來控制對應的電機旋轉，各電調之間無相互通信機制，多個電調無法知道相互的狀態，比如某個電調出現硬體故障，堵轉，射槳等問題時，其餘動力環節並不知道，會引起飛行器的不穩定，增加損壞機率。
技術實現要素：
有鑑於此，有必要提供一種能夠解決上述問題的無人機、無人機控制系統與無人機控制方法、電調及其控制方法。
一種無人機控制系統，用於驅動無人機的動力機構以移動所述無人機，所述無人機控制系統包括：控制裝置，所述控制裝置根據收發器接收的控制指令產生控制信號；多個電調，每一所述電調根據所述控制信號產生驅動信號；及多個電機，每一所述電機與其中一所述電調相連接，所述電機在所述驅動信號驅動下旋轉而帶動所述動力機構旋轉以移動所述無人機，其中每一所述電調之間相互通信，共享每一所述電調的信息。
一種無人機，包括動力機構、收發器，所述無人機還包括無人機控制系統，所述無人機控制系統包括：控制裝置，所述控制裝置根據所述收發器接收的控制指令產生控制信號；多個電調，每一所述電調根據所述控制信號產生驅動信號；及多個電機，每一所述電機與其中一所述電調相連接，所述電機在所述驅動信號驅動下旋轉而帶動所述動力機構旋轉以移動所述無人機，其中每一所述電調之間相互通信，共享每一所述電調的信息。
一種無人機控制方法，所述無人機包括收發器及控制裝置，所述方法包括：控制裝置根據收發器接收的控制指令生成控制信號；控制裝置傳輸所述控制信號至多個電調中的一個或多個；控制裝置獲取所述多個電調中的每一電調的信息；控制裝置根據所述電調的信息判斷所述電調是否工作異常；當所述電調出現異常時控制所有電調停止工作。
一種無人機控制系統，用於驅動無人機的動力機構以移動所述無人機，所述無人機控制系統包括：控制裝置，所述控制裝置根據收發器接收的控制指令產生控制信號；多個電調，每一所述電調根據所述控制信號產生驅動信號；及多個電機，每一所述電機與其中一所述電調相連接，所述電機在所述驅動信號驅動下旋轉而帶動所述動力機構旋轉以移動所述無人機，其中每一所述電調均與所述控制裝置連接，用於輸出所述電調的信息至所述控制裝置。
一種電調的控制方法包括：獲取其他電調的狀態信息；及根據所述其他電調的狀態信息，確定自身是否立即停止工作。
一種電調包括：第一通信埠，用於與其他電調通信連接；以及電調控制器，與所述通信埠電連接，其中，所述電調控制器通過所述通信埠獲取其他電調的狀態信息，並根據所述其他電調的狀態信息，確定自身是否立即停止工作。
所述無人機、無人機控制系統及無人機控制方法、電調及其控制方法，所述電調的狀態信息可在電調之間共享，並根據所述狀態信息監控所述電調是否出現異常，當出現異常時積極採取異常應對措施，從而避免損壞無人機。
附圖說明
圖1是本發明一實施例的的無人機結構示意圖。
圖2是本發明一實施例的無人機控制系統的模塊框圖。
圖3是本發明一實施例的電調的模塊框圖。
圖4是本發明第一實施例的電調之間共享狀態信息的連接示意圖。
圖5是本發明第二實施例的電調之間共享狀態信息的連接示意圖。
圖6是本發明第三實施例的電調之間共享狀態信息的連接示意圖。
圖7是本發明一實施例的無人機控制方法的流程圖。
圖8是本發明另一實施例的無人機控制方法的流程圖。
圖9是本發明又一實施例無人機控制方法的流程圖。
主要元件符號說明
無人機1
機身10
動力機構12
感測系統14
收發器16
載體17
負載18
終端110
無人機控制系統2
控制裝置20
電調22
電機24
第一電調220
第二電調222
第三電調224
第四電調226
電調控制器2200
電源埠2202
電機埠2204
控制信號埠2206
狀態埠2208
如下具體實施方式將結合上述附圖進一步說明本發明。
具體實施方式
下面將結合本發明實施例中的附圖，對本發明實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本發明一部分實施例，而不是全部的實施例。基於本發明中的實施例，本領域普通技術人員在沒有做出創造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬於本發明保護的範圍。
需要說明的是，當組件被稱為「固定於」另一個組件，它可以直接在另一個組件上或者也可以存在居中的組件。當一個組件被認為是「連接」另一個組件，它可以是直接連接到另一個組件或者可能同時存在居中組件。當一個組件被認為是「設置於」另一個組件，它可以是直接設置在另一個組件上或者可能同時存在居中組件。本文所使用的術語「垂直的」、「水平的」、「左」、「右」以及類似的表述只是為了說明的目的。
除非另有定義，本文所使用的所有的技術和科學術語與屬於本發明的技術領域的技術人員通常理解的含義相同。本文中在本發明的說明書中所使用的術語只是為了描述具體的實施例的目的，不是旨在於限制本發明。本文所使用的術語「及/或」包括一個或多個相關的所列項目的任意的和所有的組合。
請參閱圖1所示，本發明實施方式提供一種無人機1，所述無人機1可用於任何適宜的環境，例如在空中(例如旋翼飛行器、固定翼飛行器或固定翼與旋翼混合的飛行器)，在水中(例，船或潛艇)，在地面上(例，摩託車，汽車，卡車，公交車，火車等)，在太空中(例，太空梭、衛星或探測器)，或在地下(例如地鐵)，或上述環境的任意組合。在本實施例中，所述無人機為旋翼飛行器，其中所述旋翼可為單旋翼、雙旋翼、三旋翼、四旋翼、六旋翼及八旋翼等。為便於描述，以無人飛行器為例進行說明。
如圖1所示，所述無人機1可包括動力機構12，一感測系統14，及一收發器16。在其他實施例中，所述無人機1還可包括一載體17及一負載18。可替代地，所述載體17可省略，所述負載18可不需要載體17而直接裝配在所述無人機1上。所述動力機構12可包括，但不限於旋翼、螺旋槳、葉片、引擎、電機、輪組、軸、磁鐵或噴嘴中的一個或多個。所述無人機1可包括一個或多個、兩個或多個、三個或多個、四個或多個動力機構12。所述動力機構12可為相同的類型。可替代地，所述一個或多個動力機構12可為不同類型的動力機構。在一些實施例中，所述動力機構12可使得所述無人機1垂直地從一表面起飛或垂直地著陸於一表面，而不需要所述飛行器做任何的水平移動(例，不需要在跑道上滑行)。可選地，所述動力機構12可用於操作以使得所述無人機1在指定的位置和方位上空懸停。
例如，所述無人機1可包括為飛行器提供提升力及推力的多個水平導向的旋翼。所述多個水平導向的旋翼可被作動以提供垂直起飛、垂直著陸、懸停能力至所述無人機1。在一些實施例中，一個或多個水平導向的旋翼可順時針旋轉，同時一個或多個水平旋翼可逆時針旋轉。例如，順時針旋轉的旋翼的數量可等於逆時針旋轉的旋翼。每一水平導向旋翼的轉速可獨立地變化以控制所述旋翼產生的提升力及/或推力，從而調整所述無人機1的空間方位、速率，及/或加速度(例，相對於三維平移自由度和三維旋轉自由度)。
所述感測系統14可包括一個或多個傳感器，所述一個或多個傳感器可感測所述無人機1的空間方位、速率及/或加速度(例，相對三維平移自由度和三維旋轉自由度)。所述一個或多個傳感器可包括全球定位系統(gps)傳感器、移動傳感器、慣性傳感器、近距離傳感器或影像傳感器。所述感測系統14所感測的數據可用於控制所述飛行器的空間方位、速度，及/或方向(例，用如下所述的一適宜的處理單元及/或控制模塊)。可替代地，所述感測系統14可用於提供關於所述飛行器的周邊環境的信息，例如天氣狀況、與潛在障礙的接近距離、地理特徵的位置、人工結構的位置及其類似物。
所述收發器16可與終端110通過無線信號進行通信。在一些實施例中，所述通信包括雙向通信，所述終端110提供控制指令至所述無人機1、載體17、及負載18中的一個或多個，從所述無人機1、載體17、及負載18中的一個或多個接收信息(例，所述無人機1、載體17或負載18的位置及/或移動信息；所述負載18感測的數據，例如負載相機感測的影像數據)。在一些情況下，來自所述終端110的控制指令可包括所述無人機1、載體17及/或負載18的相對位置、移動或控制。例如，所述控制指令可改變所述無人機1的位置及/或方向(例，通過控制所述動力機構12)，或使得所述負載18相對所述無人機1移動(例，通過控制所述載體17)。來自所述終端110的控制指令可控制所述負載18，例如控制相機或其他影像獲取裝置的操作(例，獲取靜態或動態圖像，推近或推遠鏡頭，開啟或關閉，切換影像模式，改變影像解析度，調焦，改變景深，改變曝光時間，改變視角或視野)。在一些情況下，來自所述無人機1、載體17及/或負載18的通信信息可包括來自一個或多個傳感器的信息(例，來自感測系統14或負載18)。所述通信可包括一個或多個不同類型的傳感器所感測的信息(例，gps傳感器、移動傳感器、慣性傳感器、近距離傳感器或影像傳感器)。所述信息可為關於所述無人機1、載體17及/或負載18的方位(例，位置，方向)、移動或加速度的信息。所述來源於負載18的信息可包括所述負載18感測的數據或所感測的所述負載18的狀態。所述終端110提供並傳輸的所述控制指令可用於控制所述無人機1、載體17或負載18中的一個或多個的狀態。可選擇地或組合地，所述載體17和負載18也可分別各包括與所述終端110通信的一收發器，從而使得所述終端可分別獨立地與所述無人機1、載體17及負載18進行通信及控制。
所述無人機1還包括無人機控制系統，所述無人機控制系統能夠根據所述收發器16所發送的控制指令及所述感測系統所感測的感測數據來控制所述動力機構12，以為所述無人機1提供升力和推力。
請參閱圖2所示，為本發明一實施方式的無人機控制系統2的內部結構模塊圖。所述無人機控制系統2包括控制裝置20、電調22及電機24。
所述控制裝置20用於接收所述收發器16接收到的控制指令及所述感測系統14所感測的感測數據來生成控制指令，所述控制指令控制所述無人機的所述動力機構12以調整所述無人機六維自由度的方位、速率及/或加速度。可選擇地或其組合，所述控制指令還可控制載體、負載或感測系統中的一個或多個。在一實施例中，所述無人機1為無人飛行器，所述控制裝置20為所述無人飛行器的飛行控制系統。
所述電調22用於接收所述控制裝置20的控制指令，並根據所述控制指令生成用於驅動所述電機24的脈寬調製(pwm)信號。所述電機24在所述脈寬調製信號的驅動下旋轉以帶動所述動力機構12旋轉，從而為所述無人機提供升力及推力。
請參閱圖3所示，為本發明一實施例的電調22的模塊框圖。在一實施例中，所述電調22可包括電調控制器2200，用於連接電源的電源埠2202，用於輸出所述脈寬調製信號的電機埠2204，用於接收所述控制裝置20的控制指令的控制信號埠2206，及用於共享狀態信息的狀態埠2208。所述電調控制器2200用於接收所述控制信號埠2206的控制信號，並根據所述控制信號生成所述脈寬調製信號經所述電機埠2204輸出。所述電調控制器2200可為單片機或數字處理器或其他具有數據處理功能的處理器。所述電調22通過所述電源埠2202接收電源供電。所述電調22的輸入電源通常是直流，例如鋰電池提供的電源。所述電機埠2204輸出的為三相脈衝直流，與電機的三相輸入端相連。在一實施例中，所述狀態埠2208為單i/o口，通過該埠輸出所述電調22的狀態信息。例如高電平代表所述電調22狀態為正常，低電平代表所述電調22狀態為異常。在一實施例中，所述狀態信息可在所述多個電調22之間共享。進一步地或可替換地，所述狀態信息可以輸出至所述控制裝置20。所述電調的狀態信息包括，但不限於，電調工作是否異常、電調的物理屬性參數(例如：溫度、電流、電壓、功率等)等。
在一實施例中，所述無人機1包括多個動力機構12，每一動力機構12對應一電調22和一電機24。如下以四旋翼無人機為例進行說明。請參閱圖4至圖6所示，為本發明四個電調之間共享狀態信息的幾種連接示意圖。所述電調22包括第一電調220，第二電調222，第三電調224及第四電調226。在圖4所示的實施例中，所述狀態信息僅在所述電調之間共享，即所述狀態信息可通過各電調22之間的相互通信連接輸出至其他電調，其他電調在所述電調22出現故障時停止運行，進而使對應的電機停止運行，此時所述電調22的狀態埠2208僅在各電調22之間連接，不與所述控制裝置20連接。所述電調22的電調控制器2200可通過所述狀態埠2208獲取自身及其他電調的狀態信息，並根據所述狀態信息控制所述電調22的工作。例如，當所述電調22或任意一個其他電調22的狀態信息表徵所述電調出現異常時，所述電調控制器2200可控制所述電機埠停止輸出pwm信號或斷開所述電調22與電源的連接，從而使得與所述電調22連接的電機24停止工作。
在其他實施例中，所述電調22的狀態埠2208輸出的狀態信息可用來控制所述控制裝置20與所述電調22之間的連接狀態，例如，當所述電調22的狀態埠2208輸出的狀態信息表徵所述電調22出現異常時，斷開所述控制裝置20與所述電調22的連接，從而所述電調22停止工作。
可以理解的是，在其他實施例中，所述電調22的狀態埠2208輸出的狀態信息可用來控制所述電調22與所述電機24之間的連接狀態，例如，當所述電調22的狀態埠2208輸出的狀態信息表徵所述電調22出現異常時，斷開所述電調22與所述電機24的連接，從而所述電機24接收不到所述電調22的pwm信號，停止工作。
在圖5所示的實施例中，所述狀態信息還可輸出至所述控制裝置20，所述狀態埠可包括第一通信埠22061和第二通信埠22062。所述電調22通過所述第一通信埠22061與其他電調通信連接以在各電調22之間共享器狀態信息，通過所述第二通信埠22062輸出所述狀態信息至所述控制裝置20。所述第一通信埠22061與所述第二通信埠22062分別獨立設置，可為通用非同步收發傳輸器(universalasynchronousreceiver/transmitter,uart)總線、集成電路間(inter-integratedcircuit，i2c)總線、串行外設接口(serialperipheralinterface,spi)、控制器區域網(controllerareanetwork，can)等。所述控制裝置20根據該狀態信息調整控制所述電調22的控制指令。例如，在一實施例中，當電調22的狀態信息顯示所述電調22為異常狀態，所述控制裝置20控制所述電調22停止工作，以免造成電調22或電機24的損壞。
可以理解的是，所述控制信號埠2206和所述第二通信埠22062可以整合為一個通信埠，通過該通信埠，所述控制裝置20輸出控制信號至所述電調22，並從所述電調22獲取所述電調22的狀態信息。所述電調22與所述控制裝置20的通信方式可採用任意適宜的串行或並行等有線連接方式。有線方式包括各種埠連接，例如通用串行總線(universalserialbus,usb)、uart、can、i2c、串行及/或其他標準網絡連接等。例如，i2c串行通信方式，每一電調22作為從設備，控制裝置20作為主設備。在其他實施方式中，所述電調22與所述控制裝置20也可以採用無線連接方式，所述電調22的狀態信息通過無線通信方式傳輸至所述控制裝置20。所述無線通信方式包括，但不限於，藍牙、紅外線、無線保真(wirelessfidelity,wifi)等。
在圖6所示的實施例中，所述狀態信息通過所述控制裝置20實現狀態信息共享。每一電調22的狀態埠2208均與所述控制裝置20通信連接。所述控制裝置20通過該狀態埠2208獲取所述電調22的狀態信息，並根據所述電調的狀態信息控制其他電調22的工作。例如，當其中一電調的狀態信息表徵該電調工作異常時，所述控制裝置20控制所有電調22均停止工作。可以理解的是，如上所述，所述控制信號埠2206與所述狀態埠2208也可以整合為一個通信埠。通過該通信埠，所述控制裝置20輸出控制信號至所述電調22，並從所述電調22獲取所述電調22的狀態信息。
在進一步的實施例中，所述控制裝置20還可以通過所述狀態埠2208獲取與所述電調22連接的電機24的工作信息。所述電機的工作信息可包括，但不限於，電機的物理屬性參數(例如：溫度、電流、電壓、功率等)，電機內的電子元器件(例如：電機電阻、電機電感等)的物理屬性參數信息，及電機上的傳感器的檢測信息等。
請參閱圖7所示，為本發明一實施方式的電調的控制方法300流程圖。根據不同需求，該流程圖中步驟的順序可以改變，某些步驟可以省略或合併。
步驟302，所述電調22接收來自所述控制裝置20的控制信號。
步驟304，所述電調22根據所述控制信號生成pwm信號，並將所述pwm信號通過所述電機埠2204輸出至所述電機24。
步驟306，所述電調22通過所述狀態埠2208獲取自身及其他電調的狀態信息。
步驟308，所述電調22根據自身及其他電調的狀態信息判斷是否有一個或多個電調出現異常。若是，進入步驟310，若否，返回步驟302。
步驟310，所述電調停止工作。具體地，可切斷所述電調與電源的連接，或切斷所述電調22與所述電機24的連接，從而所述電調22停止輸出pwm信號至所述電機24，所述電機24停止工作。
請參閱圖8所示，為本發明第一實施方式的無人機控制方法400流程圖。根據不同需求，該流程圖中步驟的順序可以改變，某些步驟可以省略或合併。
步驟402，所述控制裝置20產生控制信號。所述控制裝置20根據收發器16接收到的控制指令及所述感測系統14所感測的所述無人機1所處的當前狀態數據產生控制信號。所述控制信號傳輸至所述電調22。
步驟404，所述控制裝置20將所述控制信號傳輸至所述電調22。所述電調22根據所述控制信號生成pwm信號，所述pwm信號傳輸至與所述電調22相連的電機24，以控制所述電機24的轉子轉動，從而帶動所述動力機構12旋轉。
步驟406，所述控制裝置20獲取所述電調22的狀態信息，所述狀態信息包括指示所述電調22工作是否正常的信號。在其他實施例中，所述狀態信息還可包括所述電調的溫度、電壓、電流及輸出功率等。
步驟408，所述控制裝置20根據所述電調22的狀態信息判斷所述電調22是否處於異常狀態。若處於異常狀態，則進入步驟410，若否，則返回步驟402。
步驟410，所述控制裝置20根據該異常狀態產生異常應對控制指令。例如，當所述電調出現硬體故障，電機異常，堵轉，空載(射槳)等影響工作的異常時，所述控制裝置20可產生控制指令控制其他電調停止工作，以免造成二次損害。
在其他實施例中，在步驟408和410中，也可以是所述電調22根據其他電調22的狀態信息確定是否有電調出現異常，當其中一個電調出現異常時，其他電調均停止工作，以免造成二次傷害。
請參閱圖9所示，為本發明第二實施方式的無人機控制方法500流程圖。根據不同需求，該流程圖中步驟的順序可以改變，某些步驟可以省略或合併。
步驟502，所述控制裝置20產生飛行控制指令。所述控制裝置20根據收發器16接收到的控制指令及所述感測系統14所感測的所述無人機1所處的當前狀態數據產生控制信號。所述控制信號傳輸至所述電調22。
步驟503，所述控制裝置20將所述控制信號傳輸至所述電調22。所述電調22根據所述控制信號生成pwm信號，所述pwm信號傳輸至與所述電調22相連的電機24，以控制所述電機24旋轉，從而帶動所述動力機構12旋轉。
步驟504，所述控制裝置20獲取電調信息和電機信息。其中電調信息包括但不限於，電調的物理屬性，例如溫度、電壓、電流、功率等。所述電機信息可包括，但不限於，電機的物理屬性，如溫度、電流、電壓、功率等，及電機內的電子元器件(例如電阻、電感等)的物理屬性等。
步驟506，所述控制裝置20根據所述電調信息判斷所述電調是否異常，如果異常，進入步驟508，如果否，進入步驟510。
步驟508，所述控制裝置20根據產生異常應對控制指令。例如，當所述電調出現硬體故障，電機異常，堵轉，空載(射槳)等影響工作的異常時，所述控制裝置20可產生控制指令控制其他電調停止工作，以免造成二次損害。
步驟510，所述控制裝置20根據所述電調信息和所述電機信息判斷是否存在安全隱患。例如，電調、電機的溫度是否接近指定最高溫度，電調、電機的電壓、電流是否接近極限值等。
另外，對於本領域的普通技術人員來說，可以根據本發明的技術構思做出其它各種相應的改變與變形，而所有這些改變與變形都應屬於本發明權利要求的保護範圍。