CN105270626A - 一种智能播撒无人机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种智能播撒无人机，该无人机包括升力部、无人机机体，升力部为通过操纵绳牵引无人机的翼伞；无人机机体的尾部设置有动力装置，无人机机体上还设置有智能播撒飞控系统，智能播撒飞控系统分别包括方向舵机及设置于无人机机体头部的机载飞控系统，无人机机体的中部还设置有喷洒装置，喷洒装置包括设置于无人机机体中部的液箱，喷杆和增压泵固定于无人机机体下部，增压泵通过液管将待喷洒液从液箱底部泵出，输送到所述固定有喷头的喷杆；无人机体上还设置有电源设备，其为无人机工作提供电源。按照本发明实现的智能播撒无人机，具有负载能力高，作业时间长、工作效率高，使用和维护成本低等优点。

Description

一种智能播撒无人机

技术领域

本发明属于农用航空植保领域，更具体地，涉及一种智能播撒无人机。

背景技术

据统计，中国目前使用的植保机械以手动和小型机电动喷雾机为主，其中手动施药药械、背负式机动药械分别占国内植保机械保有量的93.07％和5.53％，拖拉机悬挂式植保机械约占0.57％，植保作业投入的劳力多、劳动强度大，施药人员中毒事件时有发生。目前国内农药用量越来越大，作业成本高，且浪费严重，资源有效利用率低下，作物产量和质量难以得到保障，同时带来严重的水土资源污染、生态系统失衡、农产品品质下降等问题。

而为解决上述的问题，目前出现的较多的是常用的农业航空播撒无人机，其中无人机的主要形式有无人直升机和多旋翼无人机，但大多存在载药量小、无法实现智能播撒，且其操作、使用及维护复杂，试验风险较大的问题。其中无人直升机结构复杂，在作业过程中需要随着作物布局和高度不断地对飞行姿态进行调整，而直升机的升降、飞行、旋转等过程中都有升力和推力的耦合问题需要解决，一方面加大了直升机机械结构和控制算法的复杂性，另一方面也提高其遥操作的复杂性，因此需要对无人机遥控者进行专业培训。而另一方面多旋翼无人机作为植保作业平台，其载重相对直升机小的多，主要原因是采用了多个小尺寸旋翼，而且由于电源不能过大，其持续作业时间较短。因此在多旋翼无人机作业过程中需要多次的返回加药和更换电池，工作效率低，也造成了能源的浪费。另外其还具有其它的问题诸如：1载药量较小，约为10～20kg、起飞重量在35kg以内，作业效率相对较低；2无法精确控制播撒高度、播撒线路及播撒药量等关键参数，也无法判断是否重播或者漏播等问题；3操作复杂、维护困难，容易损坏，使用风险较大。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种智能播撒无人机，由此完成智能化及自动化的播撒功能。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种智能播撒无人机，其特征在于，该无人机包括升力部、无人机机体，所述升力部为通过操纵绳牵引无人机的翼伞；所述无人机机体的尾部设置有动力装置，所述动力装置为发动机及与所述发动机输出轴传动的螺旋桨；所述无人机机体上还设置有智能播撒飞控系统，所述智能播撒飞控系统分别包括方向舵机及设置于所述无人机机体头部的机载飞控系统，所述方向舵机分别安装于所述无人机机体的对称两侧用于与所述升力部配合控制所述无人机的飞行方向，所述机载飞控系统用于与地面控制装置通信并且计算所述无人机的飞行轨迹及飞行高度；所述无人机机体的中部还设置有喷洒装置，所述喷洒装置包括设置于所述无人机机体中部的液箱，喷杆和增压泵固定于所述无人机机体下部，所述增压泵通过液管将待喷洒液从所述液箱底部泵出，输送到所述固定有喷头的喷杆；所述无人机体上还设置有电源设备，其为所述无人机工作提供电源。

进一步地，所述地面站系统为面板设备，其上包括电源开关、电池电量指示屏、发动机控制按钮、模式切换开关、飞行控制手柄、播撒开关、航迹设置显示屏，所述电源开关用于开启地面站的总电源，所述电池电量用来指示所述电源设备的电量，所述发动机控制按钮用于启动和关闭发动机，所述自控切换开关用于切换遥控飞行和自主导航飞行，所述飞行控制手柄用于遥控无人机的飞行方向和降落，所述播撒开关用于无人机飞行至播撒区域后开启播撒功能，所述航迹设置显示屏用于设置所述播撒区域并自动生成飞行航线。

进一步地，所述液箱由九宫格隔板分成九个相互连通的矩形区域。

本发明还公开了一种智能播撒无人机的播撒方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：

(1)在所述智能播撒无人机运输至作业区后，在所述地面站系统的航迹设置显示屏中设置播撒植被区域，并且根据所述播撒植被区域计算喷撒飞行航线，并将所述飞行航线上传至所述机载飞控系统；

(2)所述智能播撒无人机盘旋于所述播撒植被区域上空合适的高度；所述机载飞控系统判断所述智能播撒无人机坐标位置是否进入所述飞行航线，若进入，则所述机载飞控系统发送指令给所述增压泵的开关舵机，开关舵机开启即可实施喷药作业，所述智能播撒无人机沿着预先规划的所述飞行航线飞行，直到无人机完成整个所述播撒植被区域的喷药作业。

进一步地，所述飞行航线的计算方式为：按照所述无人机的播撒的喷头的宽度画出相互平行的飞行航线，直至将所述播撒植被区域完全覆盖。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：

(1)按照本发明实现的智能播撒无人机，其采用柔翼无人机作为无人机的平台，翼伞作为机翼提供升力，发动机提供无人机的前进、上升、飞翔等的动力，借助于大面积的翼伞提高无人机的负载能力，使其搭载药量达到100kg以上；

(2)采用左右方向舵机控制柔翼无人机翼伞两侧后翼，无人机机体两侧对称布置方向舵机提供无人机左右转弯所需的操纵力，而方向舵机通过操作，同时翼伞的低速特性保证了智能播撒无人机在农田中的低速运动；

(3)本发明柔翼无人机在飞行时仅需控制左右方向舵机和油门大小，飞行性能稳定不易失速，且具备自主飞控能力，其结构和控制原理简单，降低了投入和维护成本，维修方便，操作简单易学；

(4)本发明优化配置了智能播撒无人机内的各种设备的放置位置，并且该位置的实施能够携带大容积的药液箱，从而进行长时间的持续作业，节省了由于药液不足需要返回加药的时间，提高了总体作业效率；

(5)另外，按照本发明实现的智能播撒无人机，由于动力设备和翼伞的配合使用，因此对起飞场地要求低，智能播撒无人机带载起飞距离仅需50～80米，这也就在很大程度上降低了起飞难度且放宽了限制条件，大大缩短了起飞点到作业区的距离，减少作业等待时间，提高作业效率；

(6)按照本发明实现的智能播撒无人机单机喷洒约150亩～400亩/架次，作业时间仅需15～25分钟，每一架智能播撒无人机每天可作业3000～4000亩，而人工施药的效率为每天8～10亩，智能播撒无人机施药技术既降低了作业人员的劳动强度，同时大幅提高了作业效率。

附图说明

图1是按照本发明实现的智能播撒无人机空中飞行状态的整体示意图；

图2是按照本发明实现的智能播撒无人机机体结构示意图；

图3是按照本发明实现的智能播撒无人机地面站控制界面示意图；

图4是按照本发明实现的智能播撒无人机的播撒路径规划示意图；

图5是按照本发明实现的九宫格药液格板的大溶剂药箱箱体的结构示意图。

在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：

1-翼伞2-操纵绳3-吊挂带4-螺旋桨5-机体、6-喷杆7-起落架8-发动机9-油箱10-增压泵11-药箱12-方向舵机13-机载飞控系统14-蓄电池15-电源开关16-电量显示17-发动机控制按钮18-模式切换按钮19-飞行控制手柄20-播撒开关21-航迹设置显示屏22-播撒植被区域23-飞行航线

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

本发明涉及一种智能播撒无人机，该无人机主要包括翼伞部分和无人机机体部分，其中翼伞的主要作用是给无人机机体部分提供升力而作为飞行平台，而无人机飞行机体部分用于提供起飞、降落、调整无人机播撒农药的高度以及提供动力输出。

其中翼伞主要包括翼伞的伞状本体和用于牵引翼伞和无人机的操纵绳和吊挂带，翼伞作为机翼通过吊挂带与机体连接，为无人机提供升力，其中操纵绳通过与无人机上的方向调整机构来配置设置，从而调整无人机的航向和飞行姿态。

另外，其中无人机包括机体本体，机体本体主要由如下部分组成：

动力装置：发动机的输出轴直接与螺旋桨连接，其中螺旋桨设置于无人机的尾部，提供上升的飞行动力，利用油箱提供的燃料转换为发动机的动力输出，推进柔翼无人机前进，还可通过动力大小控制柔翼无人机的飞行高度；

起落架：设置于机体本体底部的起落架，该起落架可设置为滑撬式起落架，为柔翼无人机起飞和降落提供着陆支撑；

机载飞控系统：机载飞控系统安装于机体本体内实现与地面的控制装置进行通信，实现遥控控制，其中机载飞控系统依据其内设置的GPS、磁罗盘和空速计等机载传感器计算无人机的飞行航迹及飞行高度，确保柔翼无人机在预定的作业路线上，并且除了可以受地面控制装置的遥控，还可根据预先设定的程序进行按照规划的路径来进行智能的播撒；其主要的位置设置在机体本体的头部；

与机载飞控系统进行通信的地面控制系统：地面控制系统为一手持设备，该设备根据设备面盘上设置的部分分别包括电源开关、电池电量指示框、发动机控制按钮、自控切换开关、飞行控制手柄、播撒开关、航迹设置显示屏。电源开关用于开启地面站的总电源。电池电量指示用来确保电池是否有足够的电量。发动机控制按钮用于启动和关闭发动机，并调节油门大小。自控切换开关用于切换遥控飞行和自主导航飞行。飞行控制手柄用于遥控无人机的飞行方向和降落。播撒开关用于无人机飞行至播撒区域后开启播撒功能。航迹设置显示屏用于设置需要播撒的植保区域并自动生成飞行航线；

喷洒装置：专用农药喷洒系统包括大容积的药箱、喷杆、增压泵。大容积药箱包括体积为100L的药箱箱体和九宫格药液隔板。九宫格药液隔板与大容积药箱箱底垂直固定在大容积药箱内壁，将大容积药箱分为九个相互连通的矩形区域，以防止药液波动过大引起无人机的失衡。大容积药箱箱体用来盛放喷药作业所用药液，药箱、喷杆和增压泵固定在机体本体下部，增压泵通过药液管将药液从大容积药箱底部泵出，以一定的压力通过药液管输送到喷杆，喷杆上固定有喷头，喷头将药液雾化喷出。当其到达播撒的区域之后，对相关的播撒区域进行播撒；

电源设备：其中为上述动力装置、机载飞控系统、喷洒装置提供电源输出。

实施例一

无人机包括翼伞1、操纵绳2、吊挂带3、螺旋桨4、发动机8、机体5、喷杆6和起落架7。所述的翼伞1作为机翼通过吊挂带3与机体5连接，为柔翼无人机提供升力。螺旋桨4安装在发动机8上，发动机8固定在柔翼无人机机体5后部，利用油箱9提供的燃料转换为发动机8的动力输出，推进柔翼无人机前进，并通过动力大小控制柔翼无人机的飞行高度。起落架7为滑撬式起落架，为柔翼无人机起飞和降落提供着陆支撑。

智能播撒飞控系统包括方向舵机12、和地面站系统通信的机载飞控系统13。方向舵机12有两套，方别安装于机体5对称两侧，通过操纵绳2控制翼伞1的飞行方向。机载飞控系统13可通过无人机上的GPS、磁罗盘和空速计等机载传感器计算无人机的飞行航迹及飞行高度。电源设备具体形式为蓄电池14，固定在机体5头部，为机载飞控系统13和方向舵机12提供电源。地面站系统包括电源开关15、电池电量指示16、发动机控制按钮17、模式切换开关18、飞行控制手柄19、播撒开关20、航迹设置显示屏21。电源开关15用于开启地面站的总电源。电池电量16指示用来确保电池是否有足够的电量。发动机控制按钮17用于启动和关闭发动机，并调节油门大小。自控切换开关18用于切换遥控飞行和自主导航飞行。飞行控制手柄19用于遥控无人机的飞行方向和降落。播撒开关20用于无人机飞行至播撒区域后开启播撒功能。航迹设置显示屏21用于设置播撒植被区域22并自动生成飞行航线23。

专用农药喷洒系统包括大容积药箱11、喷杆6、增压泵10。大容积药箱11包括体积为100L的药箱箱体和九宫格药液隔板。九宫格药液隔板与大容积药箱箱底垂直固定在大容积药箱内壁，将大容积药箱分为九个相互连通的矩形区域，以防止药液波动过大引起无人机的失衡。大容积药箱箱体11用来盛放喷药作业所用药液。药箱11、喷杆6和增压泵10固定在机体下部，增压泵10通过药液管将药液从大容积药箱11底部泵出后，以一定的压力通过药液管输送到喷杆6。喷杆6上固定有喷头，喷头可将药液雾化喷出。

本发明智能播撒无人机的作业方法，包括如下步骤：

(1)将智能播撒无人机运输至作业区后，在地面站系统的航迹设置显示屏21中设置播撒植被区域22，即将要播撒的植被区域22全屏显示到航迹设置显示屏21，地面站系统根据播撒植被区域22计算喷撒飞行航线23，计算方法为按照喷头宽度12米的宽度画出互相平行的飞行航线23，将播撒植被区域22完全覆盖，并将飞行航线23上传至机载飞控系统13；

(2)运输车加速牵引，用发动机控制按钮17启动发动机8，控制油门加大螺旋桨4转速，无人机平稳飞离运输车。保持油门大小，使无人机稳定在播撒植被区域22附近上空的合适高度；

(3)扳动地面站系统上的模式切换开关18，将飞行由遥控飞行切换至自主飞行；

(4)智能播撒无人机飞入待播撒植被区域22后，机载飞控系统13判断无人机坐标位置是否进入飞行航线23，若进入飞行航线23，则机载飞控系统13发送指令给增压泵10的开关舵机，开关舵机开启即可实施喷药作业，无人机沿着预先规划的飞行航线23飞行，直到无人机完成整个播撒植被区域22的喷药作业；

(5)待播撒植被区域22施药作业完成后，自动关闭增压泵10，停止喷药，无人机自动飞向降落区域实施自主降落或遥控降落，降落后用运输车运出作业区。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种智能播撒无人机，其特征在于，该无人机包括升力部、无人机机体(5)，所述升力部为通过操纵绳牵引无人机的翼伞；所述无人机机体(5)的尾部设置有动力装置，所述动力装置为发动机及与所述发动机输出轴传动的螺旋桨；所述无人机机体(5)上还设置有智能播撒飞控系统，所述智能播撒飞控系统分别包括方向舵机(12)及设置于所述无人机机体(5)头部的机载飞控系统(13)，所述方向舵机(12)分别安装于所述无人机机体(5)的对称两侧用于与所述升力部配合控制所述无人机的飞行方向，所述机载飞控系统(13)用于与地面控制装置通信并且计算所述无人机的飞行轨迹及飞行高度；所述无人机机体(5)的中部还设置有喷洒装置，所述喷洒装置包括设置于所述无人机机体(5)中部的液箱，喷杆和增压泵固定于所述无人机机体(5)下部，所述增压泵通过液管将待喷洒液从所述液箱底部泵出，输送到所述固定有喷头的喷杆；所述无人机体(5)上还设置有电源设备，其为所述无人机工作提供电源。

2.如权利要求1所述的智能播撒无人机，其特征在于，所述地面站系统为面板设备，其上包括电源开关(15)、电池电量指示屏(16)、发动机控制按钮(17)、模式切换开关(18)、飞行控制手柄(19)、播撒开关(20)、航迹设置显示屏(21)，所述电源开关(15)用于开启地面站的总电源，所述电池电量(16)用来指示所述电源设备的电量，所述发动机控制按钮(17)用于启动和关闭发动机，所述自控切换开关(18)用于切换遥控飞行和自主导航飞行，所述飞行控制手柄(19)用于遥控无人机的飞行方向和降落，所述播撒开关(20)用于无人机飞行至播撒区域(22)后开启播撒功能，所述航迹设置显示屏(21)用于设置所述播撒区域(22)并自动生成飞行航线(23)。

3.如权利要求1或2所述的智能播撒无人机，其特征在于，所述液箱由九宫格隔板分成九个相互连通的矩形区域。

4.一种如权利要求1-3中任意一项所述的智能播撒无人机的播撒方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：

(1)在所述智能播撒无人机运输至作业区后，在所述地面站系统的航迹设置显示屏(21)中设置播撒植被区域(22)，并且根据所述播撒植被区域(22)计算喷撒飞行航线(23)，并将所述飞行航线(23)上传至所述机载飞控系统(13)；

(2)所述智能播撒无人机盘旋于所述播撒植被区域(22)上空合适的高度；所述机载飞控系统(13)判断所述智能播撒无人机坐标位置是否进入所述飞行航线(23)，若进入，则所述机载飞控系统(13)发送指令给所述增压泵(10)的开关舵机，开关舵机开启即可实施喷药作业，所述智能播撒无人机沿着预先规划的所述飞行航线(23)飞行，直到无人机完成整个所述播撒植被区域(22)的喷药作业。

5.如权利要求4所述智能播撒无人机，其特征在于，所述飞行航线(23)的计算方式为：按照所述无人机的播撒的喷头的宽度画出相互平行的飞行航线，直至将所述播撒植被区域(22)完全覆盖。