CN104354864B - 一种用于喷洒农药的旋翼式无人机 - Google Patents
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Abstract
一种用于喷洒农药的旋翼式无人机，包括带有旋翼组件的机身，所述机身上还安装有药箱以及与药箱连接的喷药装置，所述药箱设有多个，所有药箱平铺设置且整体的水平重心与机身的水平重心重合。本发明的用于喷洒农药的旋翼式无人机，将大药箱分解为等容积的多个小药箱，可以减小了单个药箱内药液的惯量，使得飞机在急停情况下，每个药箱内的液体产生的水平重心偏移较小，总体的水平重心偏移要大大小于单个药箱来盛装药液的情况，从而避免因为水平重心偏移变化过大、机身倾角过高而使得飞控无法矫正失控坠地的问题发生。
Description
技术领域
本发明涉及旋翼式无人机的应用，特别涉及一种用于喷洒农药的旋翼式无人机。
背景技术
农业生产中，病虫草害防治一直是重要课题，长期以来水稻的病虫草害防治主要依靠人力使用手动喷雾器和背负式机动喷雾机进行，不仅劳动强度大，作业质量差，而且作业效率低，难以适应迅速有效控制暴发性重大病虫草害的要求，也己成为制约实现水稻全程机械化目标的主要技术瓶颈。
使用无人机喷洒农药是解决水稻田特殊的田间作业条件的有效手段，但是常规的固定翼飞机喷洒技术，作业高度高，雾滴漂移距离大，而且使用地点和时间受到很大的限制，不适合水田病虫害防治要求。旋翼式飞机特别是无人驾驶的小型旋翼式无人机的发展成熟，为解决水稻田施药作业提供了新的施药装备载体。旋翼式无人机具有作业高度低，飘移少，可空中悬停，无需专用起降机场，旋翼产生的向下气流有助于增加雾流对作物的穿透性，防治效果高，远距离遥控操作，喷洒作业人员避免了暴露于农药的危险，提高了喷洒作业安全性等诸多优点，以其作为施药装备载体的超低空低量航空喷施技术己成为农药喷洒技术的研究热点之一。
用于喷洒农药的旋翼式无人机中不可忽缺的重要部件是机载药箱，药箱中注入供喷洒用的农药药液，现有技术的欠缺之处是，由于飞机的飞行喷洒行业时有增速、减速，有上升、下降，会遇到突然的气流变化等情况，势必引起药箱的波动，由于惯性，药箱中的药液会产生晃动，有时当药液的振动与飞机本身固有的振动频率相近时晃动和振动的幅度会非常大，使无人机重心偏离，影响飞机驾驶的稳定性，影响喷洒质量，严重时会影响飞机飞行的安全性，发生破坏性事故。
为了减缓上述药液目前一般采用的办法是在药箱的药液面上放置浮 板，减少些溅起的药液，减小些药液的振荡波动，但是实践证明效果并不理想，药面上飘浮的浮板没有支撑和牵攀仍旧会随着药液的晃动而一起晃动，减振效果很不明显，安全隐患仍然存在。
为了解决上述问题，公布号CN 103039420 A的专利文献公开了一种防颠簸的航空喷洒药箱结构：在药箱的底部，垂直刚性固定一根或两根滑竿；在药箱内配置一块压波浮板，在压波浮板上开设位置与滑竿对应的一个或两个滑孔；在滑孔的上方或下方，或上下方设置管状滑套，滑套的内径与滑孔的孔径相同，等于滑竿的直径加上相互滑动的间隙。或者，在药箱的底部，垂直刚性固定三根不在同一直线位置上的滑竿；在药箱内配置压波浮板，在压波浮板上开设位置与滑竿对应的三个滑孔，压波浮板上的滑孔套置于相应的滑竿上；滑孔的孔径等于滑竿的直径加上相互滑动的间隙。
上述装置虽然可以一定程度上降低药液晃动的程度，但是结构复杂，装配精度要求高，制造成本较高，并且压波浮板和滑竿等部件长时间配合容易损坏，不易检修和维护。
发明内容
本发明提供了一种用于喷洒农药的旋翼式无人机，有效减轻药液晃动，且结构简单，便于使用和维护。
一种用于喷洒农药的旋翼式无人机，包括带有旋翼组件的机身，所述机身上还安装有药箱以及与药箱连接的喷药装置，所述药箱设有多个，所有药箱平铺设置且整体的水平重心与机身的水平重心重合。
本发明在保证加载相同重量药液的前提下，将药液分布在多个平铺的药箱内，可以减小了单个药箱内药液的惯量，使得飞机在急停情况下，每个药箱内的液体产生的水平重心偏移较小，总体的水平重心偏移要大大小于单个药箱来盛装药液的情况，从而避免因为水平重心偏移变化过大、机身倾角过高而使得飞控无法矫正失控坠地的问题发生；使所有药箱的水平重心与机身的水平重心重合为了保证无人机稳定飞行。
本发明中，水平重心是指物体的重心在水平面上的位置，垂直重心是指物体的重心在垂直方向的位置。
为了便于制造和安装，同时便于添加药液和控制药液添加量，优选的， 所有药箱沿周向均匀分布，所有药箱整体的水平重心落在其几何中心上。上述布置可以通过控制药箱几何中心的位置来调节所有药箱相对与机身的位置关系，便于制造和安装；同时，在添加药液时，只要在每个药箱内装入等量的药液，就可以保证所有药箱的水平重心位置不变。
为了便于安装和制造，优选的，所述药箱包括箱体以及与箱体螺纹配合的盖体，所述箱体的底部设有出液口。将药箱设置成多个以后，体积较小，设置螺纹配合的盖体，便于盖体和箱体的连接。
所述多个药箱可以是分体结构，相互之间独立，也可以是整体制造，优选的，所述机身的下方设有环形的腔室，该腔室通过若干隔板等分成多个所述的药箱。所有药箱组合成一个环形的腔室，便于整体一次安装，且环形结构可以方便地将水平重心设置在几何中心上。
为了方便使用，简化设备，优选的，所有药箱整体的垂直重心位于旋翼组件飞行平面的上方，两者的垂直距离与所有药箱的整体高度之比为1/5～1/4。旋翼组件飞行平面为无人机平稳飞行时，旋翼组件的旋翼所在的平面。这样的设计可以满足药箱满载的时候，无人机垂直重心基本位于机身的垂直重心上或附近，空载的时候，垂直重心也不会产生较大偏离，从而在减少飞控系统计算的复杂度的同时保证飞行稳定性。
由于每个药箱都需要和喷药装置连接，为了简化连接线路，优选的，所述喷药装置设有至少两套，所述药箱分组，每组对应连接一套喷药装置。设置多套喷药装置可以使药箱分组连接对应的喷药装置，从而避免连接线路过长，简化设备结构。
进一步优选的，每套喷药装置包括：输液泵，用于将对应组药箱连接至输液泵的多通接头以及与输液泵的出液口连接的喷杆。
所有喷杆分为两组，沿无人机飞行方向对称布置，各喷杆水平布置，长度沿着机身的中心向外发散方向延伸。
为了提高无人机飞行稳定性，优选的，所述旋翼组件设有多组，沿机身周向均匀布置，每组旋翼组件包括：一端与机身连接且沿径向延伸的安装杆，固定在安装杆自由端的电机以及与电机输出轴连接的旋翼。
所有喷杆位于旋翼的正下方或者位于两旋翼的中间，可以使无人机在喷药过程中，旋翼产生的风力可以进一步将打散喷杆喷出的药液，使药液雾化更彻底，提高施药的均匀度，提高药液的利用率。喷杆位于药箱的下 方，以提高管道水压。
为了无人机可以快速调节自身到稳定，优选的，所述药箱沿周向分组，每组对应了一套旋翼组件，相对应的一组药箱和一套旋翼组件中，药箱的水平重心至机身的水平重心的距离和电机的输出轴至机身的水平重心的距离之比为3/10～1/2。上述比例的确认是在理论与大量实验的基础上提出的，其中，各药箱以及其内的药液的水平重心越靠近机身的重心，则药箱施加在机身上的扭矩越小，无人机的旋翼组件越容易驱动和加速无人机；由于本发明可以采用的是多旋翼式无人机，旋翼组件分散在机身周向，对应每套机翼组件的药箱的水平重心越靠近机翼组件的电机输出轴，则在急停或者加速度很大的情况下，药箱内药液晃动对机身稳定的影响越小，机翼组件可以快速调节机身至稳定，将药箱的水平重心至机身的水平重心的距离和电机的输出轴至机身的水平重心的距离之比控制在3/10～1/2范围内，稳定性和动力性都在适合的范围内。
本发明的有益效果：
本发明的用于喷洒农药的旋翼式无人机，将大药箱分解为等容积的多个小药箱，可以减小了单个药箱内药液的惯量，使得飞机在急停情况下，每个药箱内的液体产生的水平重心偏移较小，总体的水平重心偏移要大大小于单个药箱来盛装药液的情况，从而避免因为水平重心偏移变化过大、机身倾角过高而使得飞控无法矫正失控坠地的问题发生。
附图说明
图1为本发明仰视的结构示意图。
图2为本发明的剖视结构示意图。
具体实施方式
如图1和2所示，本实施例的用于喷洒农药的旋翼式无人机包括：带有旋翼组件1的机身2以及安装在机身上的药箱4，机身2包括用于安装药箱4的支架3以及与药箱4连接的喷药装置5，支架3中心镂空，以减小机身中心位置的质量。
药箱4设有多个，所有药箱4平铺设置且整体的水平重心与机身2的水平重心重合。多个药箱的布置可以不均匀，但是为了方便安装，本实施 例中，所有药箱4沿周向均匀分布，所有药箱4整体的水平重心落在其几何中心上。多个药箱可以是分体的多个，也可以是一体制造，为了方便安装和制造，本实施例中，机身2的下方设有环形的腔室6，腔室6通过四块隔板61等分成四个药箱4，所有药箱4即为腔室6。而分体式结构，可以将每个药箱设置的较小，可以将药箱设置成包括箱体以及与箱体螺纹配合的盖体，箱体的底部设有出液口，安装时只要将盖体固定在机身上，并通过螺纹连接箱体以完成安装，拆卸方便。
药箱4顶盖上有通气孔，避免药液泵入的时候药箱内气压过大，无法泵入和药液泵出时，药箱内气压过低，无法泵出。
保持所有药箱整体的垂直重心落在机身的重心上，可以提高无人机飞行的稳定性，但是由于药液的喷洒，药箱的垂直重心不断变化，如果药箱空载时，就把其整体的垂直重心设置在机身的垂直重心处，则加满药液后会使其垂直重心偏低，影响飞行的稳定性，为了克服这个问题，设置感应式的调整机构会使无人机结构变得很复杂，不仅制造成本较高，也不便于维护和修理，因此，为了方便使用，简化设备，本实施例中，腔室6的垂直重心位于旋翼组件飞行平面的上方，两者的垂直距离与腔室6的高度之比为3/10。这样的设计可以满足药箱满载的时候，无人机垂直重心基本位于飞行平面上或附近，空载的时候，垂直重心的位置也不会产生较大偏离，从而在减少飞控系统计算的复杂度的同时保证飞行的稳定性。
喷药装置的数量可以根据需要进行选择，当设置多个药箱时，可以设置较多的喷药装置，可以简化管路，本实施例中，喷药装置5设有两套，四个药箱4分成两组，每组两个药箱对应连接一套喷药装置5，每套喷药装置5包括：输液泵51，用于将对应两个药箱4连接至输液泵51的三通接头52以及与输液泵51的出液口连接的喷杆53，喷杆53上设有喷嘴54。输液泵采用齿轮泵使药液增压，同时配有一个控制电路板控制齿轮泵正转反转，正转将药箱药液泵出，反转将药筒药液泵入，方便快捷，可以使用遥控器传送信号至控制电路板控制齿轮泵工作。
目前多旋翼结构的无人机类型很多，主要有四旋翼、六旋翼或者八旋翼这三种，本实施例中，旋翼组件1设有四组，沿机身2周向均匀布置，每组旋翼组件1包括：一端与机身2连接且沿径向延伸的安装杆11，固定在安装杆11自由端的电机12以及与电机12输出轴连接的旋翼13。
为了使喷杆喷药时药液有良好的雾化效果，本实施例中，喷杆53位于旋翼13的下方，垂直距离在30cm，该垂直距离可以根据旋翼组件1的动力进行调节，范围在10cm～50cm。从而使无人机在喷药过程中，旋翼13产生的风力可以进一步将打散喷杆53喷出的药液，使药液雾化更彻底，提高施药的均匀度，提高药液的利用率。
本实施例中，四个药箱4沿周向分组，每个药箱4对应了一套旋翼组件1，相对应的一个药箱4和一套旋翼组件1中，各安装杆11分别穿过对应的药箱4。每个药箱的水平重心至机身的水平重心的距离和电机的输出轴至机身的水平重心的距离之比为2/5。该比例的选择是在理论与大量实验的基础上提出的，其中，各药箱4以及其内的药液的水平重心越靠近机身的重心，则药箱施加在机身2上的扭矩越小，无人机的旋翼组件1越容易驱动和加速无人机；由于本发明可以采用的是四旋翼式无人机，旋翼组件1分散在机身周向，对应每套机翼组件的药箱4的水平重心越靠近机翼组件1的电机12输出轴，则在急停或者加速度很大的情况下，药箱内药液晃动对机身稳定的影响越小，机翼组件可以快速调节机身至稳定，将药箱4的水平重心至机身2的水平重心的距离和电机12的输出轴至机身2的水平重心的距离之比为2/5，稳定性和动力性较好。
综上所述，本实施例通过将等容积的多个小药箱替换大药箱，可以减小了单个药箱内药液的惯量，使得飞机在急停情况下，每个药箱内的液体产生的水平重心偏移较小，总体的水平重心偏移要大大小于单个药箱来盛装药液的情况，从而避免因为水平重心偏移变化过大、机身倾角过高而使得飞控无法矫正失控坠地的问题发生。
Claims (5)
1.一种用于喷洒农药的旋翼式无人机，包括带有旋翼组件的机身，所述机身上还安装有药箱以及与药箱连接的喷药装置，其特征在于，所述药箱设有多个，所有药箱平铺设置且整体的水平重心与机身的水平重心重合；所述机身的下方设有环形的腔室，该腔室通过若干隔板等分成多个所述的药箱；所有药箱整体的垂直重心位于旋翼组件飞行平面的上方，两者的垂直距离与所有药箱的整体高度之比为1/5～1/4；
所述旋翼组件设有多组，沿机身周向均匀布置，每组旋翼组件包括：一端与机身连接且沿径向延伸的安装杆，固定在安装杆自由端的电机以及与电机输出轴连接的旋翼；
所述药箱沿周向分组，每组对应了一套旋翼组件，相对应的一组药箱和一套旋翼组件中，药箱的水平重心至机身的水平重心的距离和电机的输出轴至机身的水平重心的距离之比为3/10～1/2。
2.如权利要求1所述的用于喷洒农药的旋翼式无人机，其特征在于，所有药箱沿周向均匀分布，所有药箱整体的水平重心落在其几何中心上。
3.如权利要求1所述的用于喷洒农药的旋翼式无人机，其特征在于，所述药箱包括箱体以及与箱体螺纹配合的盖体，所述箱体的底部设有出液口。
4.如权利要求1所述的用于喷洒农药的旋翼式无人机，其特征在于，所述喷药装置设有至少两套，所述药箱分组，每组对应连接一套喷药装置。
5.如权利要求4所述的用于喷洒农药的旋翼式无人机，其特征在于，每套喷药装置包括：输液泵，用于将对应组药箱连接至输液泵的多通接头以及与输液泵的出液口连接的喷杆。
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