CN106927023B - 一种农业植保用舵面控制涵道式无人机 - Google Patents

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Abstract

一种农业植保用舵面控制涵道式无人机，包括承力构架稳撑结构、增益涵道、动力系统、飞行控制系统、推倾舵面控制系统、喷雾系统，承力构架稳撑结构通过金属管道支架为整个无人机提供支撑所用，增益涵道为内部各系统提供保护作用并对飞行所需上升气流产生增益作用，动力系统通过发动机输出动力到螺旋桨，产生飞行所需的气流，推倾舵面控制系统通过舵机调节舵面角度，改变气流方向进而控制无人机飞行的方向和姿态，喷雾系统通过水泵抽取挂载药箱中的农药，经喷杆和压力喷头喷洒到农作物上，最终实现高效率的农业植保。本发明采用环形机翼式增益涵道结构和推倾式舵面结构，整机结构紧凑，操控稳定，同时采用涵道结构内部适宜的面积比，提高增益涵道推力。

Description

一种农业植保用舵面控制涵道式无人机
技术领域
本发明属于无人机领域，具体涉及一种农业植保用舵面控制涵道式无人机。
背景技术
我国属于一个农业大国，至今大面积的农田植保依然普遍使用人工方式，其效率低、成本高。无人机的使用可以解决上述问题，目前无人机主要分为固定翼式、螺旋翼式和涵道式三大类。而市面上现有的农业植保无人机大多为固定翼式和螺旋翼式。其中，固定翼式无人机虽然航行速度快，但需要的起飞和降落条件苛刻，无法垂直起降和在空中悬停，且作业高度高，雾滴漂移量大，不易控制喷洒范围，使用要求严格；螺旋翼式无人机由于其自身特点，载重量较小，续航时间短并且航行速度偏慢。因此，其各自特点导致均难以满足农田植保的需求。
涵道式无人机具有垂直起降和悬停的飞行特性，能够像螺旋翼式无人机一样垂直起飞和降落，也能像固定翼式无人机一样水平航行，其同时具有结构紧凑、载重量大、可高速平飞、姿态控制自由、对操控人员要求不高等特点，被逐渐认可并应用于农业植保领域，但如何增强植保过程中涵道式无人机体运动稳定性，精确控制器飞行航向、姿态，使其迅速适应阵风影响，并保证其续航能力，有效保证农药喷洒的均衡性、减少喷洒过程中的漂移，是无人机植保领域中亟待解决的技术问题。
发明内容
本发明的目的在于提出一种农业植保用舵面控制涵道式无人机，其通过灵活控制推倾舵面角度并将喷雾系统与承力构架稳撑结构耦合，实现大面积、均衡、高效植保过程，具有结构紧凑、载重量大、航行速度快、推进效率高、保证植保质量等特点，能够有效针对农业领域植保问题。
为实现上述目的，本发明以下列技术方案来实现：该农业植保用舵面控制涵道式无人机，包括承力构架稳撑结构、增益涵道、动力系统、飞行控制系统、推倾舵面控制系统、喷雾系统；所述增益涵道为一种环形机翼；动力系统带动螺旋桨高速转动，在增益涵道内产生上升、推进气流；所述推倾舵面控制系统具有可推倾其角度的舵面，用于实现无人机滚转、俯仰、偏航姿态和方向的变化；所述喷雾系统的压力喷头均布在增益涵道下方的起落架内侧，所述喷雾系统通过泵抽方式，将农药经压力喷头均匀喷洒至作物上。
较佳的，所述承力构架稳撑结构为包括承力架、安装板、起落架、底架、上层环架、下层环架、第一管夹、第二管夹、第三管夹的机架；所述承力架和上层环架、下层环架之间分别通过第一管夹和第二管夹连接，起落架和下层环架之间通过第二管夹连接，起落架和底架之间通过第三管夹连接，承力架对整个机身起到支撑作用，起落架和底架在无人机起飞和降落时为整个机身提供稳定支撑。
较佳的，所述推倾舵面控制系统还包括固定面、防护罩、舵机、连杆、舵机摇臂、舵面固定架，舵机通过螺钉固定在防护罩内，舵面固定架使用螺钉夹紧固定在发动机支架上，固定面的端面与舵面固定架粘接，从而保持固定，舵机输出轴与舵机摇臂相连，连杆一端通过球铰连接舵机摇臂，一端通过螺钉与舵面相连，从而舵机通过舵机摇臂和连杆带动舵面能够在一定的角度范围内进行转动。
较佳的，动力系统包括发动机、油箱、螺旋桨、发动机安装板、发动机支架，其中，油箱固定在安装板上，汽油从油箱进入发动机，发动机使用螺钉连接到发动机安装板，发动机安装板再与发动机支架通过螺钉连接，发动机的输出轴通过螺钉与螺旋桨相连。
较佳的，所述的飞行控制系统包括飞控减震板、飞控盒，飞控减震板固定在安装板上，飞控盒通过螺钉固定在飞控减震板上。
较佳的，所述喷雾系统还包括药箱、水泵、喷杆，药箱通过螺钉固定在安装板上，水泵通过螺钉固定在药箱外侧，水泵抽取药箱中的液态农药，再经过喷杆和压力喷头喷洒而出。
较佳的，所述增益涵道内产生上升所需的气流，气流经过固定面，从紊流变为层流，舵机控制舵面摆动，推倾后形成所需角度，改变气流方向，使无人机按照操作者所需的方向、姿态飞行。
较佳的，所述增益涵道由上涵道、中涵道、下涵道组成，且上涵道、中涵道、下涵道，均套在承力架上，并各自通过胶粘方式互相连接，所述增益涵道外壳的高度与涵道的内径之比为30％。
较佳的，所述增益涵道的螺旋桨桨盘面积与增益涵道的出口面积比为1.0～1.25之间任一值。
本发明与现有技术相比，具有以下优点：
一、采用环形机翼式增益涵道结构，与承力构架稳撑结构均与耦合，机体整体结构紧凑，载重量大，航行平稳、高速，搭载大容量油箱，续航时间长，并能够携带大量农药，对压力喷头进行合理的空间设置，减少农药漂移，均匀出药，实现高效率地完成对农作物的喷洒，有效解决传统农业植保人工喷洒方法的耗时、耗人力，农药布撒不均、易漂移的问题；
二、采用推倾式舵面结构，灵活改变舵面角度，使用舵面机构控制涵道内气流的流向，从而快速改变飞行的方向和姿态，并保证了无人机倾转时飞行模态转换的稳定性。
三、采用涵道结构内部适宜的面积比，提高增益涵道推力；对涵道高度与内径进行优化设计，确保无人机的升力性能和阻力性能，保护了螺旋桨旋翼，延长其使用寿命。
附图说明
图1是本发明的正面视图。
图2是本发明的俯视图(移除顶盖)。
图3是本发明的正面剖视图。
图4是本发明的等轴视图。
图5是推倾舵面控制系统的等轴视图。
图6是推倾舵面控制系统的俯视图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做详细描述。
一种农业植保用舵面控制涵道式无人机，包括承力构架稳撑结构、增益涵道、动力系统、飞行控制系统、推倾舵面控制系统、喷雾系统，承力构架稳撑结构通过金属管道支架为整个无人机提供支撑所用，增益涵道为内部各系统提供保护作用并对飞行所需上升气流产生增益作用，动力系统通过发动机输出动力到螺旋桨，产生飞行所需的气流，推倾舵面控制系统通过舵机调节舵面角度，改变气流方向进而控制无人机飞行的方向和姿态，喷雾系统通过水泵抽取挂载药箱中的农药，经喷杆和压力喷头喷洒到农作物上，最终实现高效率的农业植保。
如图1-3所示，所述的机架包括承力架4、起落架9、底架10、安装板12、上层环架21、下层环架19、第一管夹20、第二管夹18、第三管夹29，承力架4和上层环架21、下层环架19之间分别通过第一管夹20和第二管夹18连接，起落架9和下层环架19之间通过第二管夹18连接，起落架9和底架10之间通过第三管夹29连接，承力架4对整个机身起到支撑作用，起落架9和底架10在无人机起飞和降落时为整个机身提供支撑作用，采用上述承力构架稳撑结构，在无人机载重飞行中，可稳定机身平衡，减少机身抖动。
如图1所示，所述的涵道包括上涵道3、中涵道2、下涵道1，三者均套在承力架4上，并各自通过胶粘方式互相连接，增益涵道外壳的高度与涵道的内径之比为30％，处于该值时，增益涵道气动结构产生的附加升力最大，且将增益涵道的螺旋桨桨盘面积与增益涵道的出口面积比采用1.0～1.25之间任一值，增加涵道口的附加升力，两附加升力与旋翼产生的拉力相结合，共同提高了涵道的升力系统的效率，同时为机身内部结构提供保护，确保无人机的升力性能和阻力性能，对上升气流产生增益作用，加大无人机承载量。
如图2和图3所示，所述的动力系统包括发动机24、油箱15、螺旋桨22、发动机安装板28、发动机支架27，油箱15固定在安装板12上，汽油从油箱15进入发动机24，发动机24使用螺钉连接到发动机安装板28，发动机安装板28再与发动机支架27通过螺钉连接，发动机24的输出轴通过螺钉与螺旋桨22相连，带动螺旋桨22高速转动，在涵道内产生上升气流。
如图1和图3所示，所述的喷雾系统包括药箱6、水泵7、喷杆、压力喷头16，药箱6通过螺钉固定在安装板12上，水泵7通过螺钉固定在药箱6外侧，水泵7抽取药箱6中的液态农药，再经过喷杆、压力喷头16喷洒而出。
如图2所示，所述的飞行控制系统包括飞控减震板13、飞控盒14，飞控减震板13固定在安装板12上，飞控盒14再通过螺钉固定在飞控减震板13上，可以在飞行过程中起到减震保护的作用。
如图4和图5所示，所述的舵面控制系统包括固定面30、舵面31、防护罩32、舵机33、连杆34、舵机摇臂35、舵面固定架36，固定舵面30一共4片，成“十”字形中心对称分布；舵机33通过螺钉固定在防护罩32内，舵面固定架36使用螺钉夹紧固定在发动机支架27上，固定面30的端面与舵面固定架36粘接，从而保持固定，舵机33输出轴与舵机摇臂35相连，连杆34一端通过球铰连接舵机摇臂35，一端通过螺钉与舵面31相连，从而舵机33通过舵机摇臂35和连杆34带动舵面31能够相对固定面30在一定的角度范围内进行转动。
本发明的工作原理为：
采用环形机翼式增益涵道结构，与承力构架稳撑结构均匀耦合，机体整体结构紧凑，载重量大，航行平稳、高速，搭载大容量油箱，续航时间长，并能够携带大量农药，对压力喷头进行合理的空间设置，减少农药漂移，均匀出药，实现高效率地完成对农作物的喷洒，有效解决传统农业植保人工喷洒方法的耗时、耗人力，农药布撒不均、易漂移的问题；采用推倾式舵面结构，灵活改变舵面角度，使用舵面机构控制涵道内气流的流向，从而快速改变飞行的方向和姿态，并保证了无人机倾转时飞行模态转换的稳定性；采用涵道结构内部适宜的面积比，提高增益涵道推力；对涵道高度与内径进行优化设计，确保无人机的升力性能和阻力性能，保护了螺旋桨旋翼，延长其使用寿命。植保过程中，发动机带动螺旋桨高速旋转，在涵道内产生上升所需的气流，气流经过固定面，从紊流变为层流，舵机控制舵面摆动一定的角度，进而改变了气流的方向，使得无人机按照操作者所需的方向飞行；同时，水泵抽取药箱中的农药，经过喷管和均布在增益涵道下、起落架内侧的压力喷头均匀喷洒而出到农作物上，操作简便、可靠，涵道式无人机的灵活稳定的航行，确保了高质量的植保过程。
当然，本发明还可有其他多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员当可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。

Claims (10)

1.一种农业植保用舵面控制涵道式无人机，其特征在于，包括承力构架稳撑结构、增益涵道、动力系统、飞行控制系统、推倾舵面控制系统、喷雾系统；所述增益涵道为一种环形机翼；动力系统带动螺旋桨(22)高速转动，在增益涵道内产生上升、推进气流；所述推倾舵面控制系统具有可推倾其角度的舵面(31)，用于实现无人机滚转、俯仰、偏航姿态和方向的变化；所述喷雾系统的压力喷头(16)均布在增益涵道下方的起落架(9)内侧，所述喷雾系统通过泵抽方式，将农药经压力喷头(16)均匀喷洒至作物上，所述承力构架稳撑结构为包括承力架(4)、安装板(12)、起落架(9)、底架(10)、上层环架(21)、下层环架(19)、第一管夹(20)、第二管夹(18)、第三管夹(29)的机架；所述承力架(4)和上层环架(21)、下层环架(19)之间分别通过第一管夹(20)和第二管夹(18)连接，起落架(9)和下层环架(19)之间通过第二管夹(18)连接，起落架(9)和底架(10)之间通过第三管夹(29)连接，承力架(4)对整个机身起到支撑作用，起落架(9)和底架(10)在无人机起飞和降落时为整个机身提供稳定支撑。
2.根据权利要求1所述的农业植保用舵面控制涵道式无人机，其特征在于，所述推倾舵面控制系统还包括固定面(30)、防护罩(32)、舵机(33)、连杆(34)、舵机摇臂(35)、舵面固定架(36)，舵机(33)通过螺钉固定在防护罩(32)内，舵面固定架(36)使用螺钉夹紧固定在发动机支架(27)上，固定面(30)一共4片，成“十”字形中心对称分布，固定面(30)的端面与舵面固定架(36)粘接，从而保持固定，舵机(33)输出轴与舵机摇臂(35)相连，连杆(34)一端通过球铰连接舵机摇臂(35)，一端通过螺钉与舵面(31)相连，从而舵机(33)通过舵机摇臂(35)和连杆(34)带动舵面(31)能够在一定的角度范围内进行转动。
3.根据权利要求1所述的农业植保用舵面控制涵道式无人机，所述动力系统包括发动机(24)、油箱(15)、螺旋桨(22)、发动机安装板(28)、发动机支架(27)，油箱(15)固定在安装板(12)上，汽油从油箱(15)进入发动机(24)，发动机(24)使用螺钉连接到发动机安装板(28)，发动机安装板(28)再与发动机支架(27)通过螺钉连接，发动机(24)的输出轴通过螺钉与螺旋桨(22)相连。
4.根据权利要求1所述的农业植保用舵面控制涵道式无人机，其特征在于，所述的飞行控制系统包括飞控减震板(13)、飞控盒(14)，飞控减震板(13)固定在安装板(12)上，飞控盒(14)通过螺钉固定在飞控减震板(13)上。
5.根据权利要求1所述的农业植保用舵面控制涵道式无人机，其特征在于，所述喷雾系统还包括药箱(6)、水泵(7)、喷杆，药箱(6)通过螺钉固定在安装板(12)上，水泵(7)通过螺钉固定在药箱(6)外侧，水泵(7)抽取药箱(6)中的液态农药，再经过喷杆和压力喷头(16)喷洒而出。
6.根据权利要求3所述的农业植保用舵面控制涵道式无人机，其特征在于，所述增益涵道由上涵道(3)、中涵道(2)、下涵道(1)组成；增益涵道内产生上升所需的气流，气流经过固定面(30)，从紊流变为层流，舵机(33)控制舵面(31)摆动，推倾后形成所需角度，改变气流方向，使无人机按照操作者所需的方向、姿态飞行。
7.根据权利要求6所述的农业植保用舵面控制涵道式无人机，其特征在于，所述增益涵道的上涵道(3)、中涵道(2)、下涵道(1)，均套在承力架(4)上，并各自通过胶粘方式互相连接，所述增益涵道外壳的高度与涵道的内径之比为30％。
8.根据权利要求7所述的农业植保用舵面控制涵道式无人机，其特征在于，增益涵道的螺旋桨桨盘面积与增益涵道的出口面积比为1.0～1.25之间任一值。
9.根据权利要求1所述的农业植保用舵面控制涵道式无人机，其特征在于，采用环形机翼与管式承力架结合方式，并将药箱(6)和油箱(15)置于发动机(24)上方，一方面提高整机重心位置，便于操作控制，另一方面整机空间利用率高，结构耦合性好。
10.根据权利要求5所述的农业植保用舵面控制涵道式无人机，其特征在于，在不需要进行植保作业时，可以将药箱(6)更换为急救药具或水箱，从而该无人机也可作为一个多用途移动载物平台。
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