CN110316364A - 用于积水水域防治蚊虫的固体药物抛投无人机及其抛投方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了用于积水水域防治蚊虫的固体药物抛投无人机及其抛投方法，该无人机包括控制装置、主机体、药箱、云台和至少一套投放模块；投放模块连接在云台下方并由云台控制旋转运动，通过输药管与药箱底部连接；投放模块包括气缸、驱动线圈、抛投管和控制阀，驱动线圈内部的中空部分设有活塞，活塞前端为橡胶、后端为导磁金属；驱动线圈设在气缸后部，气缸与活塞连接；控制装置通过控制阀使固体药物颗粒进入抛投管内，随后驱动线圈通电吸引活塞后端的导磁金属部分，推动整个活塞在气缸内向前运动，推动固体药物颗粒抛投至目标水域，随后驱动线圈断电，活塞回归原位。本发明投放效率高，作业时对空气影响小，安全性高。
Description
技术领域
本发明涉及无人机技术，具体涉及用于积水水域防治蚊虫的固体药物抛投无人机及其抛投方法。
背景技术
以蚊虫类为代表的携带各种人、畜传染病的害虫需要在静止水域进行繁殖，因此水域防治蚊虫是目前城市、农村地区防治传染病的一种重要手段。目前的消灭蚊虫的方式主要是人工喷药，需要人工携带药液喷洒装备对目标区域进行喷洒，其劳动强度大，成本高；而且效果不明显，对人类居住区环境有影响。虽然存在针对蚊虫繁殖水域的人工投药方式，但由于人工能力限制，仅能够喷洒地表的水域，对普遍存在的平顶房屋屋顶积水、沟渠、水塘等水域则很难顾及。
利用航空器喷洒能够克服人工效率低、范围小的问题，然而成本并不能得到很好的控制，也具有较大的危险性。而且由于地形的制约，仅限于大面积的农田地区使用，并不是一种最高效的方法。
随着近年来国内外各领域对多轴多旋翼飞行器结构与控制方法的不断改进和应用，多旋翼飞行器也凭借其自身特点进入到各种领域进行作业。相比人工作业，多旋翼飞行器成本低廉、灵活快速，适用于地形复杂的情形。而相比固定翼飞机的航空喷洒，则具有更高的安全性、更低的成本和更好的作业精确性。然而现有用于喷药作业的多旋翼飞行器，采用喷洒药液的方式作业，因此容易受到药液浓度、喷洒方式等的限制，续航能力受到所携带的大量水基溶剂的限制，并且只能在超低空进行正下方的喷洒，容易受到障碍物干扰，缺乏安全性和灵活性。
发明内容
为解决现有水域防治蚊虫技术成本高、效率低、受地形影响大等问题，本发明提供了用于积水水域防治蚊虫的固体药物抛投无人机及其抛投方法，以完成针对积水水域的药物投放，投放效率高，作业时对空气影响小，安全性高。
根据本发明的一种用于积水水域防治蚊虫的固体药物抛投无人机，包括控制装置、主机体、药箱、云台和至少一套投放模块；主机体为一电动多旋翼飞行器，云台设置在主机体的下方；投放模块连接在云台下方并由云台控制旋转运动，投放模块通过输药管与药箱底部连接；控制装置设在主机体内，与云台电连接，用于获取无人机的飞行姿态、位置信息与云台的角度信息，控制无人机的飞行、云台转动及投放模块的投放动作；
投放模块包括气缸、驱动线圈、抛投管和控制阀，驱动线圈内部的中空部分设有活塞，活塞前端为橡胶、后端为导磁金属；驱动线圈设在气缸后部，气缸与活塞连接；控制阀与抛投管连通，且通过输药管与药箱连接；
控制装置通过控制阀使固体药物颗粒进入抛投管内，随后驱动线圈通电吸引活塞后端的导磁金属部分，推动整个活塞在气缸内向前运动，产生压缩气体，推动抛投管内的固体药物颗粒，最后将固体药物颗粒抛投至目标水域；固体药物颗粒推出后驱动线圈断电，活塞回归原位。
所述控制阀打开时可供至少一个固体药物颗粒通过。
在优选的实施例中，所述控制阀打开时可供一个固体药物颗粒通过，控制阀包括阀体、阀瓣及舵机；阀体内部有两个楔形开槽的空心管，两个楔形开槽分别位于阀体相对的两面上，两个楔形开槽沿阀体轴向方向上的距离为一个固体药物颗粒的直径；阀瓣为两片楔形橡胶片，两片楔形橡胶片沿阀体轴向方向上的距离为所投放固体药物颗粒的直径，且沿输药管截面方向上的投影连接而不重合，两片楔形橡胶片分别嵌入阀体的两个楔形开槽内；两片楔形橡胶片在阀体外部由连杆刚性联动，并由舵机提供移动所需的动力，其往复运动一次使固体药物颗粒进入抛投管。
根据本发明的抛投方法基于上述固体药物抛投无人机，抛投方法包括如下步骤：
S1、在固体药物抛投无人机作业前测定出投放目标坐标；为药箱装载固体药物颗粒后，主机体起飞；
S2、主机体飞行至待投放区域，在射程能够覆盖的目标水域的空中减速向水域正上方飞行，在此过程中根据工作区域情况选择垂直投放或抛投的工作方式，随后悬停；
S3、控制装置采集信息，计算目标水域；控制装置控制云台偏航轴、横滚轴及俯仰轴，使投放模块对准目标水域位置；
S4、控制阀的舵机驱动控制阀的阀瓣进行一次往复运动，使固体药物颗粒通过控制阀的阀体进入抛投管；
S5、驱动线圈通电，使活塞沿气缸向前运动，压缩气缸内的空气，压缩空气进入抛投管，将固体药物颗粒推出，随后驱动线圈断电，活塞复位；作业完毕后，主机体返航。
本发明与现有技术相比，具有如下优点和有益效果：
1、与人工喷药相比，本发明的无人机效率高，受地形影响小，作业范围大，能够在楼群、沟渠、坡地等人工不便的积水环境下高效作业。
2、与药液喷洒无人机相比，由于作用目标是各类水体，本身携带大量溶剂的药液喷洒无人机需要消耗大量的载重用于溶剂，本发明的无人机由于装载固体药物颗粒，在相同载重量下携带的药物比浓度更高，对水域作业效果更好。并且由于固体药物颗粒不会随气流飘散，作业时对空气影响更小，更适合在人类居住区作业。
3、与现有的固体药物投放无人机相比，本发明的无人机具备抛投能力，不需要直接飞行至目标水域正上方，能够对各种有遮挡、阻拦的水域进行作业，并且具有更高的安全性和灵活性。
附图说明
图1是固体药物抛投无人机的外观结构示意图；
图2是云台与投放模块的示意图；
图3是投放模块内部结构处于复位状态下的示意图；
图4是投放模块内部结构处于复位状态下的剖面图。
图中：1—主机体、2—药箱、3—云台、4—投放模块、31—偏航轴、32—横滚轴、33—俯仰轴、41—投放模块外壳、42—气缸、43—驱动线圈、44—抛投管、45—控制阀阀体、46—控制阀阀瓣、47—控制阀舵机、48—活塞、49—摄像头。
具体实施方式
下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不局限于此。
实施例
本实例具体描述了一种用于积水水域防治蚊虫的固体药物抛投无人机，结构如图1所示，包括控制装置、主机体1、药箱2、云台3、投放模块4。主机体为一电动多旋翼飞行器，主机体上设有与主机体同一水平面上分布的多个支撑臂，每一支撑臂的末端设有一个旋翼。云台设置在主机体的下方，云台的连接轴向依次为偏航、横滚、俯仰，即包括偏航轴、横滚轴和俯仰轴；控制装置与云台电连接，用于控制偏航轴、横滚轴和俯仰轴的偏转角度。云台下方连接投放模块，投放模块可设有一套或多套，并由云台控制，进行三轴方向上的旋转运动。
投放模块位置应始终低于药箱最低处，并使用输药管与药箱连接。药箱设置在主机体内部，药箱与主机体通过导轨连接，并用螺栓固定。药箱底部为一倒置锥体形状，投放模块通过输药管与锥体尖端连接，以保证固体药物颗粒能够落进输药管中。
投放模块外壳41呈圆柱型或多棱柱型，外壳内部设有由耐压材质构成的气缸42；投放模块还包括摄像头49、位于气缸42后部的驱动线圈43、与气缸42前部气密连接的抛投管44、与抛投管气密连接的控制阀。抛投管44在靠近气缸42一端的上部开有小孔，抛投管44的小孔上部气密连接控制阀，抛投管的小孔直径略小于抛投管的直径，控制阀包括控制阀阀体45、控制阀阀瓣46、控制阀舵机47，气缸42与位于驱动线圈43内部中空部分的活塞48连接。摄像头49位于抛投管44旁，摄像头能够通过图像传输模块将图像信息回传至操作人员处。控制阀阀体45上部还设有小孔，控制阀阀体45上部的小孔可与抛投管44连通，且通过输药管与药箱2连接。
控制阀采用气密控制阀，控制阀打开时可供至少一个固体药物颗粒通过；本实施例控制阀打开时刚好可供一个固体药物颗粒通过，其结构为：阀体为内部有两个楔形开槽的空心mik9方管，两个楔形开槽分别位于阀体相对的两面上，两个楔形开槽沿阀体轴向方向上的距离为一个固体药物颗粒的直径；阀瓣为两片楔形橡胶片，两片楔形橡胶片沿阀体轴向方向上的距离为所投放固体药物颗粒的直径，且沿输药管截面方向上的投影恰好连接而不重合，两片橡胶片能够恰好分别嵌入阀体的两个楔形开槽内；两片橡胶片在阀体外部由连杆刚性联动，并由控制阀舵机提供移动所需的动力，其往复运动一次使一颗固体药物颗粒进入抛投管。
主机体为一高载重的电动多旋翼无人机，无人机的飞行由安装在主机体内部的飞行控制系统控制。主机体内部还安装有一控制装置，该控制装置用于获取无人机的飞行姿态、位置信息与云台的角度信息，并据此向飞行控制系统发出移动指令、向云台发出角度修正指令、向电容器发出充电指令、向投放模块发出投放指令，控制无人机的飞行、云台转动及投放模块的投放动作。云台上方通过螺丝与主机体前下方连接；云台下方与投放模块连接；云台能够发送自身角度信息给控制装置，并接受控制装置的指令进行角度改变或保持。
投放模块还包括设置在主机体内部的电容器；驱动线圈43为一空心驱动线圈，并通过线缆与主机体内的电容器连接。活塞48为压气活塞，前端为橡胶、后端为导磁金属制成；压气活塞能在气缸与驱动线圈的中空部分前后活动。
本实施例投放模块的工作原理为：控制装置先通过控制阀使固体药物颗粒进入抛投管内，随后通过电容器储存能量，为驱动线圈供电，驱动线圈将电能转化为磁能，吸引活塞后端的导磁金属部分，推动整个活塞在气缸内向前运动，产生压缩气体，推动抛投管内的固体药物颗粒，最后将固体药物颗粒抛投至目标水域。固体药物颗粒推出后线圈断电，活塞在复位弹簧的作用下回归原位，准备下一次工作。
在本实施例中，所述固体药物抛投无人机进行药物抛投，包括以下步骤：
S1、在固体药物抛投无人机作业前使用GPS定位装置，测定出投放目标坐标；为药箱装载固体药物颗粒后，主机体起飞；
S2、主机体飞行至待投放区域，在射程能够覆盖的目标水域的空中减速向水域正上方飞行，在此过程中根据工作区域情况选择垂直投放或抛投的工作方式，随后悬停；
S3、控制装置采集信息，运行最小耗能投放算法，计算目标水域；控制装置控制云台偏航轴、横滚轴及俯仰轴，使投放模块对准目标水域位置；
S4、控制阀舵机驱动控制阀阀瓣进行一次往复运动，使一颗固体药物颗粒通过控制阀阀体进入抛投管；
S5、驱动线圈通电，使活塞沿气缸向前运动，压缩气缸内的空气，压缩空气进入抛投管，将固体药物颗粒推出，随后驱动线圈断电，活塞复位；作业完毕后，主机体返航。
所述步骤S3中设计了一种最小耗能投放算法，其具体为：
S31、根据驱动线圈与活塞的物理参数测试出投放药物运动轨迹与控制装置输出指令的具体关系(下称公式一)为：
h＝ltanθ+gl2/2{√(2WCQ/M)cosθ}2
式中h为无人机与目标水域的相对高度差；l为无人机与目标水域的水平距离；W为投放模块工作能量；C、Q分别为驱动线圈与气缸的能量转化率；M为单颗药物质量；θ为云台俯仰轴角度。
S32、根据无人机GPS坐标计算出投放输出端坐标；
S33、调取投放目标坐标，计算投放输出端与投放目标两点之间的直线距离L；
S34、如果直线距离L大于投放模块的投放距离最大值Lmax，反馈该直线距离给飞行控制系统，飞行控制系统调整无人机悬停位置，在保证安全前提下使得L<0.8Lmax；
S35、同时调整云台俯仰轴角度θ，使得投放模块工作能量W为最小。
在无人机投药系统中，其控制装置能够获取飞行控制系统传来的主机体角度、速度和加速度信息；获取云台的角度信息；获取驱动线圈对应的电容器的电压信息；获取GPS位置数据信息；获取摄像头回传的图像信息并进行识别；获取地面人员发送的指令信息。在获取以上信息后，根据摄像头识别的障碍物的有无选择投放模式，若水域正上方无障碍物则使用垂直投放模式；若有则使用抛投模式，移动无人机至不被遮挡的位置，运行最小耗能算法，进行下一步工作。若选择抛投模式，则根据以上信息整合并计算，由电压信息与所搭载的电容具体型号可得公式一所需W；由GPS位置数据信息可得公式一所需h与l；主机体的速度将作为矢量补正，与公式一中(2WCQ/M)部分相加。根据所选择的模式以及工作模式需要，向飞行控制系统发送位置变更指令、向云台发送角度变更指令、向投放模块发送投放指令。
根据固体药物抛投无人机的工作方式，在减速飞行判断作业区域情况时，当无人机能够飞行至目标水域正上方时，无人机将选择采用垂直投放的工作方式。使用该方式时，云台将投放模块转动至朝向正下方，投放模块本身不工作，仅通过输药管末端的控制阀控制投放数量，并使药物通过抛投管自由落下。
当水域上方有遮挡无人机飞行或投放的障碍物时，无人机采用抛投工作方式。使用该方式时，无人机飞行于目标水域斜上方，运行最小耗能算法进行抛投作业。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.用于积水水域防治蚊虫的固体药物抛投无人机，其特征在于，包括控制装置、主机体、药箱、云台和至少一套投放模块；主机体为一电动多旋翼飞行器，云台设置在主机体的下方；投放模块连接在云台下方并由云台控制旋转运动，投放模块通过输药管与药箱底部连接；控制装置设在主机体内，与云台电连接，用于获取无人机的飞行姿态、位置信息与云台的角度信息，控制无人机的飞行、云台转动及投放模块的投放动作；
投放模块包括气缸、驱动线圈、抛投管和控制阀，驱动线圈内部的中空部分设有活塞，活塞前端为橡胶、后端为导磁金属；驱动线圈设在气缸后部，气缸与活塞连接；控制阀与抛投管连通，且通过输药管与药箱连接；
控制装置通过控制阀使固体药物颗粒进入抛投管内，随后驱动线圈通电吸引活塞后端的导磁金属部分，推动整个活塞在气缸内向前运动，产生压缩气体，推动抛投管内的固体药物颗粒，最后将固体药物颗粒抛投至目标水域；固体药物颗粒推出后驱动线圈断电，活塞回归原位。
2.根据权利要求1所述的固体药物抛投无人机，其特征在于，所述控制阀打开时可供至少一个固体药物颗粒通过。
3.根据权利要求2所述的固体药物抛投无人机，其特征在于，所述控制阀打开时可供一个固体药物颗粒通过，控制阀包括阀体、阀瓣及舵机；阀体内部有两个楔形开槽的空心管，两个楔形开槽分别位于阀体相对的两面上，两个楔形开槽沿阀体轴向方向上的距离为一个固体药物颗粒的直径；阀瓣为两片楔形橡胶片，两片楔形橡胶片沿阀体轴向方向上的距离为所投放固体药物颗粒的直径，且沿输药管截面方向上的投影连接而不重合，两片楔形橡胶片分别嵌入阀体的两个楔形开槽内；两片楔形橡胶片在阀体外部由连杆刚性联动，并由舵机提供移动所需的动力，其往复运动一次使固体药物颗粒进入抛投管。
4.根据权利要求3所述的固体药物抛投无人机，其特征在于，控制阀的阀体上部还设有小孔，所述小孔与抛投管连通，且通过输药管与药箱连接。
5.根据权利要求1所述的固体药物抛投无人机，其特征在于，控制阀采用气密控制阀。
6.根据权利要求1所述的固体药物抛投无人机，其特征在于，云台的连接轴包括偏航轴、横滚轴和俯仰轴，控制装置控制偏航轴、横滚轴和俯仰轴的偏转角度；云台控制投放模块进行偏航轴、横滚轴和俯仰轴三轴方向上的旋转运动。
7.基于权利要求1所述固体药物抛投无人机的抛投方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1、在固体药物抛投无人机作业前测定出投放目标坐标；为药箱装载固体药物颗粒后，主机体起飞；
S2、主机体飞行至待投放区域，在射程能够覆盖的目标水域的空中减速向水域正上方飞行，在此过程中根据工作区域情况选择垂直投放或抛投的工作方式，随后悬停；
S3、控制装置采集信息，计算目标水域；控制装置控制云台偏航轴、横滚轴及俯仰轴，使投放模块对准目标水域位置；
S4、控制阀的舵机驱动控制阀的阀瓣进行一次往复运动，使固体药物颗粒通过控制阀的阀体进入抛投管；
S5、驱动线圈通电，使活塞沿气缸向前运动，压缩气缸内的空气，压缩空气进入抛投管，将固体药物颗粒推出，随后驱动线圈断电，活塞复位；作业完毕后，主机体返航。
8.根据权利要求7所述的抛投方法，其特征在于，所述步骤S3中控制装置采用最小耗能投放算法计算目标水域。
9.根据权利要求8所述的抛投方法，其特征在于，所述最小耗能投放算法具体为：
S31、根据驱动线圈与活塞的物理参数测试出投放药物运动轨迹与控制装置输出指令的具体关系为：
h＝ltanθ+gl2/2{√(2WCQ/M)cosθ}2
式中h为无人机与目标水域的相对高度差；l为无人机与目标水域的水平距离；W为投放模块工作能量；C、Q分别为驱动线圈与气缸的能量转化率；M为单颗药物质量；θ为云台俯仰轴角度；
S32、根据无人机GPS坐标计算出投放输出端坐标；
S33、调取投放目标坐标，计算投放输出端与投放目标两点之间的直线距离L；
S34、如果直线距离L大于投放模块的投放距离最大值Lmax，反馈该直线距离给无人机的飞行控制系统，飞行控制系统调整无人机悬停位置，在保证安全前提下使得L<0.8Lmax；
S35、同时调整云台俯仰轴角度θ，满足投放模块的工作能量W最小。
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|---|---|---|---|---|
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