多旋翼无人机故障检测及自救系统设计

南京航空航天大学金城学院机电工程与自动化学院 袁 钢 陈 薇 张芮嘉 贾 宁

0 引言

近年来，随着无人机的市场需求量不断增大，其也越来越频繁地出现在人们的日常生活中。但由于无人机对可能发生的故障往往难以控制，一旦发生坠机，对地面人和物造成的伤害是不可估量的。无人机发生故障时，其飞行姿态数据相较与稳态，将有较大的突变，本系统能够根据飞行数据准确地计算出飞行姿态，同时预估电池的剩余电量，在发生故障时进行报警并自救。

1 总体结构

本系统的硬件组成如图1所示，主要包括主控模块、高度检测模块（GY-63-03）、惯性模块（MPU6050）、供电电池管理模块等。

主控模块采用意法半导体公司的STM32F103ZET6 型微处理器，传感器和主控模块之间的数据传输通过模拟成降落伞无法打开的情况，本产品自带独立电源供电。I2C总线进行；高度检测模块采用GY-63气压传感器实时检测无人机飞行对地高度；惯性单元采用MPU6050作为传感器，测得无人机的三个姿态角，通过主控模块对姿态数据进行解算，用于确认无人机是否偏离稳定飞行姿态。

图1 系统硬件组成原理图

系统独有的电池管理模块可实时测量无人机供电电池的电压、电流数据，并推算出未来电池状态，在低电量状态及时报警，避免了因电量低而导致的坠机事件。该模块主要由霍尔传感器及采样电阻组成，并借助STM32的ADC模块，获取供电电池的电压及电流值。

该系统能够在无人机达到坠机极限状态，或达到供电电池电量警戒值时，产生报警信号并切断无人机电源，弹射伞降装置。此外，本系统为了避免无人机由于电池电量低而无法启动降落伞的情况，本产品自带独立电源供电。

2 系统故障诊断方法设计

无人机坠机的发生具有一定规律性，若发生碰撞或动力损毁，其姿态角将发生改变，即会导致当前角速度、加速度发生骤变；若是电池故障，姿态角改变不大，但是其高度一定下降的很快。

2.1 稳态判别

多旋翼无人机靠改变自身的姿态角和螺旋桨差速来实现方向可控运动，靠发动机持续对空气做功来维持高度。飞行器飞行过程中的某些物理量的变化是有一定的规律的。

若检测系统测得角速度β，加速度a，高度h，并设无人机角度为α，高度的变化率为h’时间为t，有式(1)、式(2)：

一旦α>70°，β>200°/s，a>5g，H’>0.8g即可判断无人机偏离稳态。

2.2 电池能量推算

无人机锂电池在放电过程中电压会逐渐降低，并且电量不同的时刻电压变化率不同，而电压相同且容量相同的电池有相同的放电曲线。

图2 电池放电V-T曲线

多旋翼无人机使用的锂电池种类有限，一般来说，锂电池单片电压为2.5-4.2V之间。电压2.5v对应电池完全放电结束，且电池过度放电损毁；电压4.2V则为100%电量。

对电池进行放电测量得到V-t曲线，如图2所示，拟合得到式(3)：

其中k是比例系数，不同种类的电池k不同。

根据k值与相应曲线相对应即可判断所使用的电池种类及参数，包括电池电压范围以及电池总能量，将电压V与电流I的乘积对时间积分，得到当前时刻电池已消耗的能量E，如式(4)所示：

针对上述问题，算法流程图如图3所示。

图3 算法流程图

3 总结

本产品重量轻，体积小，价格低，解决了兼容性问题，实现了低空开伞，非常适合各类无人机携带。本系统对无人机的飞行状态实时监测，在无人机出现问题前报警，在出现不可挽回问题后弹射自救，以降低无人机飞行风险，是对无人机风险的把控和降低，对人民生命财产安全的尊重与保障。

[1]程煦,郭珊珊,陈华宾．基于STM32单片机的四旋翼飞行器设计[J]．电子世界,2017(03)∶121-124．

[2]刘恒山．基于STM32单片机的四旋翼飞行器控制系统研究与设计[D]．内蒙古科技大学,2017．

[3]罗浩．无人机飞行姿态检测及控制研究[J]．电子世界,2018(01)∶175-176．

[4]何松,陈兴武．基于MPU9250的无人机姿态信息采集及处理[J]．福建工程学院学报,2016,14(06)∶587-592．