CN107161346B - 一种基于遍历航点的无人机喷药系统及喷药方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于遍历航点的无人机喷药系统及喷药方法，属于无人机喷药技术领域。其中，无人机喷药系统包括无人机及搭载在无人机上的电源、控制单元、导航单元与喷药单元，喷药单元包括药箱、与药箱连通的喷头及设于药箱出药口与喷头进药口间的流量调节阀；电源与控制单元、导航单元及喷药单元电连接而为它们的正常工作供电，导航单元向控制单元输出导航信号，控制单元向喷药单元输出控制信号以控制器喷药状态；控制单元包括处理器，该处理器用于在无人机飞至预设悬停位置时控制喷药单元进行预设时长的喷药。该无人机喷药系统能很好地解决现有连续喷药存在的技术问题，即喷药过程中飞行速度、姿态不定导致喷药不均衡的问题。

Description

一种基于遍历航点的无人机喷药系统及喷药方法

技术领域

本发明涉及与无人机配合工作的喷药设备及其喷药方法，具体地说，涉及一种基于遍历航点的无人机喷药系统及喷药方法。

背景技术

由于无人机植保作业方式具有高效、不损伤作物的特性，并随着无人机技术发展，尤其是其飞行稳定性、自主性及电源续航能力增加，使其替代了传统的人工植保作为方式，成为植保作业方式的主要方式。

公开号为CN106448105A的专利文献中公开了一种定点喷药无人机，包括旋翼无人机及通过云台搭载在该旋翼无人机上电源、药剂容器、药剂泵及药剂喷嘴。在工作过程中，药剂泵将存储在药剂容器内的药剂通过药剂喷嘴喷射至作物上，但是，其为沿航线对待喷药区域进行连续喷药，不同位置的喷药量容易随航速及姿态的调整而变化，即不易对药量喷洒量进行控制，喷多的地方容易导致作物吸收不充分而对环境造成污染，而喷少的地方容易导致喷药效果无法达到期望目标。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于遍历航点的无人机喷药系统，以均衡待喷药区域内不同位置处的喷药量，提高喷药效果；

本发明的另一目的是提供一种基于遍历航点的无人机喷药方法，以均衡待喷药区域内不同位置处的喷药量，提高喷药效果。

为了实现上述目的，本发明提供基于遍历航点的无人机喷药系统包括无人机及搭载在无人机上的电源、控制单元、导航单元与喷药单元，喷药单元包括药箱、与药箱连通的喷头及设于药箱出药口与喷头进药口间的流量调节阀；电源与控制单元、导航单元及喷药单元电连接而为它们的正常工作供电，导航单元向控制单元输出导航信号，控制单元向喷药单元输出控制信号以控制器喷药状态；控制单元包括处理器，该处理器用于在无人机飞至预设悬停位置时控制喷药单元进行预设时长的喷药。

通过增设流量调节阀，便于对喷药单元在单位时长内的喷药量进行调控，即可根据作物对喷药量需求变化改变喷药速率；在喷药过程中，处理器控制喷药单元在无人机为悬停状态时进行预设时长喷药，以解决现有技术中无人机在飞行过程中速度不定及姿态不定对不同区域接收到实际药量影响的问题，以均衡待喷药区域内不同位置处的喷药量，提高喷药效果。此外，通过调节流量调节阀以对其喷药速率进行控制，从而可对无人机悬停时间进行更精确地调控，进一步提高喷药质量。

具体的方案为喷头包括圆形中心喷头及均布于圆形中心喷头外围的四个圆形补缺喷头。与现有技术中采用圆形喷头进行喷洒的技术相比，能有效地减少未喷洒区域面积。

更具体的方案为圆形中心喷头的喷孔面为外凸锥形面，圆形补缺喷头的喷孔面为平面，二者尺寸满足以下三式：

其中，h为外凸锥形面的高度，D1为圆形中心喷头的直径，H为喷头与待喷植物间的垂向间距，D2为圆形补缺喷头的直径，L为圆形中心喷头与圆形补缺喷头的中心间距，d为圆形中心喷头的喷药区域直径。

另一个具体的方案为流量调节阀包括进药管、调节套环、出药管及用于对三者间的相对位置进行定位的紧定机构；进药管的一轴向端口为封闭端口，管体壁上设有与出药口连通的导药孔；出药管的一轴向端口与进药口连通；调节套环的两轴向端面各设有与调节套环共轴布置的环形套槽，一环形套槽可沿轴向滑动且水密地套接于进药管的另一轴向端口上，另一环形套槽可沿轴向滑动且水密地套接于出药管的另一轴向端口上，调节套环上设有用于调节导药孔的有效孔径的阀片。流量调节阀可采用各种形式的电子阀与人工阀，本方案为采用手工调节的机械阀，便于在每次飞行喷药前，根据实际喷药量进行人工调节，增强其调节可控性。

更具体的方案为流量调节阀上设有表征导药孔有效孔径的刻度。在具体调节过程中可采用尺子两侧调节环与进药管或出药管间的相对位置而计算导药孔的有效孔径，本方案为采用预设刻度进行表征，能有效地简化人工调节过程。

另一个更具体的方案为一环形套槽与进药管另一轴向端口间及另一环形套槽与出药管的另一轴向端口间组成的两组套接结构中，至少一组套接结构为螺纹连接结构；阀片为自一环形套槽的内槽壁的端面沿轴向延伸形成的筒形结构。

再一个更具体的方案为一环形套槽与进药管另一轴向端口间及另一环形套槽与出药管的另一轴向端口间组成的两组套接结构中，至少一组套接结构间设有沿轴向布置的导向机构；阀片为自一环形套槽的内槽壁的端面沿轴向延伸形成的弧形片。

再具体的方案为紧定机构包括设于环形套槽的外槽壁上的螺孔及与螺孔配合的紧定螺钉，导向机构包括紧定螺钉及设于进药管或出药管的外侧壁上的轴向导槽，轴向导槽与紧定螺钉的前端相配合。充分利用紧定螺钉既构成紧定机构的一部分，又构成导向机构的部分，以有效地减少零部件数量及装配工序。

为了实现上述另一目的，本发明提供基于遍历航点的喷药方法使用无人机喷药系统对待喷药区域进行喷药，其包括喷药步骤；该喷药步骤包括无人机沿预设航线飞行，并在预设悬停位置处悬停及对位于其下方区域进行预设时长的喷药。

在喷药过程中，处理器控制喷药单元在无人机为悬停状态时进行预设时长喷药，与现有技术中的连续喷药相比，能有效控制无人机在飞行过程中速度不定及姿态不定对不同区域接收到实际药量的影响，以均衡待喷药区域内不同位置处的喷药量，提高喷药效果。

具体的方案为在喷药步骤前，还包括路径规划步骤：依据待喷药区域的分布情况，将其划分成若干块正方形区域，正方形区域的边界外接于单次喷药范围的区域边界，并按照对正方形区域进行喷药的先后顺序设置无人机在待喷药区域上方飞行的航线及悬停位置，悬停位置与正方形区域的中心相对应。

附图说明

图1是本发明实施例中无人机喷药系统的立体图；

图2是本发明实施例中药箱的立体图；

图3是本发明实施例中流量调节阀与喷头的立体图；

图4是本发明实施例中流量调节阀的结构分解图；

图5是本发明实施例中喷药方法的工作流程图；

图6是本发明实施例中路径规划的示意图；

图7是本发明实施例中喷头的尺寸说明示意图；

图8是本发明实施例中在悬停位置处的喷药区域示意图。

具体实施方式

以下结合实施例及其附图对本发明作进一步说明。

实施例

参见图1，本发明无人机喷药系统包括无人机1及搭载在无人机1上的电源、控制单元、导航单元与喷药单元。在本实施例中，无人机1为旋翼无人机；导航单元包括GPS接收器2，其向控制单元输出导航信号，即无人机1在喷药过程中的位置信息数据；电源与控制单元、导航单元及喷药单元电连接，为它们的正常工作提供电能。

参见图1至图4，喷药单元包括药箱3、与药箱3连通的喷头4及设于二者间的流量调节阀5。

如图2所示，药箱3包括箱体30及设于箱体30上表面上的装药管31、设于箱体30的下表面的输药管33及用于将箱体30安装在无人机1上的固定件32。

如图3所示，喷头4包括喷头包括圆形中心喷头41及均布于圆形中心喷头41外围的四个圆形补缺喷头43，即相邻两个圆形补缺喷头43的中心与圆形中心喷头41的中心连线相夹90度。圆形补缺喷头43通过连接支管42与喷头4的进药口连通，圆形中心喷头41的入口也与进药口连通。圆形中心喷头41的喷孔面44为外凸锥形面，其上布置有多个喷孔440，为了各个角度都能喷到药剂，外凸锥形面的顶尖处也设有喷孔，圆形补缺喷头43的喷孔面为平面，其上均匀地布置有若干个喷孔。

如图3及图4所示，流量调节阀5包括进药管6、调节套环7、出药管8及用于对三者间的相对位置进行定位的紧定机构。

进药管6的上轴向端口61为封闭端口，管体壁60上设有与如图2所示输药管的出药口连通的导药孔600。出药管8的下轴向端口81与喷头4的进药口连通，从而可通过流量调节阀5对药箱向喷头4的输药速率进行调节，即喷头4在单位时间内的喷药量。

调节套环7的两轴向端面各设有与调节套环本体70共轴布置的上环形套槽71与下环形套槽72，上环形套槽71可沿轴向滑动地套接于进药管6的下轴向端口62上，且二者间为水密连接，具体为在二者周面间压有弹性密封圈，为了防止弹性密封圈在二者相对滑动过程中出现脱落，可在一者表面上设置弹性密封圈的容纳槽，比如在进药管6的外周面上设有与其共轴的环形凹槽作为容纳槽；下环形套槽72可沿轴向滑动地套接于出药管8的上轴向端口82上，且二者间为水密连接，自上环形套槽71的内槽壁710的端面沿轴向上下延伸形成有弧形片75。

紧定机构包括设于上环形套槽71的外槽壁711上的螺孔73、设于下环形套槽72的外槽壁721上的螺孔74、与螺孔73配合的紧定螺钉81及与螺孔74配合的紧定螺钉82。

为了使调节套环7在调节过程中能够沿轴向滑动，在上环形套槽71与下轴向端口62间组成一组套接结构，下环形套槽72与上轴向端口82间组成另一组组套接结构中，在这两组套接结构中，至少一组套接结构间设有沿轴向布置的导向机构(图中未示出)，该导向结构可为由设于环形套槽的槽壁上滑槽与设于药管壁上的凸条构成，也可为由设于环形套槽的槽壁上凸条与设于药管壁上的滑槽构成，还可为设于药管外壁上且与紧定螺钉前端相配合的滑槽构成，即紧定螺钉沿滑槽滑动而构成导向机构。

在工作过程中，通过松开紧定螺钉，使调节套环7在导向机构的限制引导下而沿轴向往复滑动，从而使弧形片75对导药孔600的孔口进行部分遮挡，即弧形片75构成对导药孔600有效孔径进行调节的阀片。

为了便于用户对流量调节阀5的操作，在流量调节阀5上设有表征有效孔径的刻度，该刻度可以为换算成有效孔径的孔径值、有效面积的面积值、未被遮挡部分弦长的弦高或已被遮挡部分弦长的弦稿。此时，刻度可以刻在进药管6的外壁上或出药管8的外壁上，从而通过读取调节套环7的上下端面与对应位置处刻度的值。

当然了，可在上环形套槽71与下轴向端口62间及下环形套槽72与上轴向端口82间组成的两组套接结构中，将至少一组套接结构为螺纹连接结构，并使用由内槽壁710端面沿轴向向上延伸形成的筒形结构替代弧形片75构成阀片，从而可略去导向结构，在工作过程中为：松开紧定螺钉，旋转调节套环7，从而调节筒形结构对导药孔600的遮挡面积。

此时，刻度还可以设置成沿进药管6或出药管8的外壁分布的螺旋线组，通过读取设于调节套环7上指针所在位置处刻度的值，获得相应的读数。

参见图5，本发明基于遍历航点的喷药方法包括路径规划步骤S1、初始化步骤S2及喷药步骤S3，参见图6，待喷药区域01为一长方形田块，其长宽之比为5:3，其上均匀地种植有作物。

路径规划步骤S1，依据待喷药区域01的作物分布、形状等情况，将其划分成5行3列共15块正方形区域02，按照对15个正方形区域02进行喷药的先后顺序设置无人机在待喷药区域上方飞行的航线03及悬停位置021，15个悬停位置021与15块正方形区域02的中心一一对应。

参见图3、图5、图7及图8，喷头4中圆形中心喷头41与圆形补缺喷头43的尺寸满足以下三式：

其中，h为外凸锥形面44的高度，D1为所述圆形中心喷头41的直径，H为喷头与待喷作物间的垂向间距，D2为圆形补缺喷头43的直径，L为圆形中心喷头41与圆形补缺喷头43的中心间距，d为圆形中心喷头41的喷药区域04直径。

在满足上三式的条件下，圆心中心喷头041的喷药区域04与四个圆形补缺喷头043的喷药区域05均为圆形且边界相外切，喷药区域05的直径等于圆形补缺喷头43的直径D2，喷药区域05与喷药区域04构成单次喷药区域，正方形区域02的边界外接于单次喷药范围的区域边界，即喷药区域05构成对喷药区域04未填充部分的补缺。当然了，具体划分时，其每块区域的形状并不局限于本实施例中的正方形，为根据喷头的喷洒区域形状进行划分。

对于航线的规划需根据药箱3的容量、可喷正方形区域02的数量及电源的供电时长设置返航路线。

两个悬停位置021之间的间距等于正方形区域02的边长。

初始化步骤S2，根据待喷药区域01内作物当前时期对药剂的需求量，计算正方形区域02内单次喷药所需药量，并根据预设喷药时长，计算喷药速率，并对流量调节阀5进行调节至对应刻度值处。

喷药步骤S3，无人机沿预设航线03飞行，根据GPS接收的位置信息，在每个预设悬停位置021处悬停及对位于其下方正方形区域02进行预设时长的喷药。

在喷洒过程中，无人机一般距离农作物的高度H的通常取值为1米至1.5米，以保证最佳作业效率，此外，当风力大于4级时，不适合进行喷药。

在本实施例中，悬停位置021也称为航点，即整个喷药过程为基于遍历航点的喷药方法。

上述无人机喷药系统的控制单元包括处理器及与处理器通讯连接的存储器，存储器存储有喷药的路径规划，处理器用于从存储器中获取该路径规划，并在飞行过程中从导航单元处接收位置信息数据，从而在无人机飞至各悬停位置悬停时，控制喷药单元对位于其下方的区域进行预设时长的喷药。

以上所述的实施例对本发明的技术方案和有益效果进行了详细说明，应理解的是以上所述仅为本发明的具体实施例，并不用于限制本发明，凡在本发明的原则范围内所做的任何修改、补充和等同替换等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种基于遍历航点的无人机喷药系统，用于对长方形田块进行喷药作业，包括无人机及搭载在所述无人机上的电源、控制单元、导航单元与喷药单元，所述喷药单元包括药箱及与所述药箱连通的喷头；

所述电源与所述控制单元、所述导航单元及所述喷药单元电连接，所述导航单元向所述控制单元输出位置信息数据，所述控制单元向所述喷药单元输出控制信号，所述控制单元包括处理器；

其特征在于：

所述药箱的出药口与所述喷头的进药口间设有流量调节阀，所述处理器用于在所述无人机飞至预设悬停位置处时控制所述喷药单元进行预设时长的喷药；沿预设航线进行喷药的过程中，依据所述位置信息数据，所述无人机遍历所述预设航线上的所有预设悬停位置，进行喷药；在所述预设悬停位置处，所述无人机对位于其正下方的正方形区域进行喷药，所述正方形区域的边界外接于单次喷药范围的区域边界；

在路径规划过程中，将所述长方形田块划分成由所述正方形区域拼接成，并按照对所述正方形区域进行喷药的先后顺序设置无人机在待喷药区域上方飞行的航线及悬停位置，所述悬停位置与所述正方形区域的中心相对应；

所述流量调节阀包括进药管、调节套环、出药管及用于对三者间的相对位置进行定位的紧定机构；所述进药管的一轴向端口为封闭端口，管体壁上设有与所述出药口连通的导药孔；所述出药管的一轴向端口与所述进药口连通；所述调节套环的两轴向端面各设有与所述调节套环共轴布置的环形套槽，一环形套槽可沿轴向滑动且水密地套接于所述进药管的另一轴向端口上，另一环形套槽可沿轴向滑动且水密地套接于所述出药管的另一轴向端口上，所述调节套环上设有用于调节所述导药孔的有效孔径的阀片；所述流量调节阀上设有表征所述有效孔径或有效面积的刻度；所述一环形套槽与所述进药管的另一轴向端口间及所述另一环形套槽与所述出药管的另一轴向端口间组成的两组套接结构中，至少一组套接结构间设有沿轴向布置的导向机构；所述阀片为自所述一环形套槽的内槽壁的端面沿轴向延伸形成的弧形片；所述紧定机构包括设于环形套槽的外槽壁上的螺孔及与所述螺孔配合的紧定螺钉；所述导向机构包括所述紧定螺钉及设于所述进药管或所述出药管的外侧壁上的轴向导槽，所述轴向导槽与所述紧定螺钉的前端相配合；所述调节套环的轴向沿竖向布置，在调节过程中，通过松开所述紧定螺钉，调节所述调节套环在其轴向上的位置。

2.根据权利要求1所述的无人机喷药系统，其特征在于：

所述喷头包括圆形中心喷头及均布于所述圆形中心喷头外围的四个圆形补缺喷头。

3.根据权利要求2所述的无人机喷药系统，其特征在于，所述圆形中心喷头的喷孔面为外凸锥形面，所述圆形补缺喷头的喷孔面为平面，二者尺寸满足以下三式：

，

，

；

其中，h为所述外凸锥形面的高度，D1为所述圆形中心喷头的直径，H为喷头与待喷植物间的垂向间距，D2为所述圆形补缺喷头的直径，L为所述圆形中心喷头与所述圆形补缺喷头的中心间距，d为所述圆形中心喷头的喷药区域直径。

4.一种基于遍历航点的喷药方法，使用无人机喷药系统对长方形田块进行喷药，其特征在于，所述无人机喷药系统包括无人机及搭载在所述无人机上的电源、控制单元、导航单元与喷药单元，所述喷药单元包括药箱及与所述药箱连通的喷头；所述药箱的出药口与所述喷头的进药口间设有流量调节阀；

所述流量调节阀包括进药管、调节套环、出药管及用于对三者间的相对位置进行定位的紧定机构；所述进药管的一轴向端口为封闭端口，管体壁上设有与所述出药口连通的导药孔；所述出药管的一轴向端口与所述进药口连通；所述调节套环的两轴向端面各设有与所述调节套环共轴布置的环形套槽，一环形套槽可沿轴向滑动且水密地套接于所述进药管的另一轴向端口上，另一环形套槽可沿轴向滑动且水密地套接于所述出药管的另一轴向端口上，所述调节套环上设有用于调节所述导药孔的有效孔径的阀片；所述流量调节阀上设有表征所述有效孔径或有效面积的刻度；所述一环形套槽与所述进药管的另一轴向端口间及所述另一环形套槽与所述出药管的另一轴向端口间组成的两组套接结构中，至少一组套接结构间设有沿轴向布置的导向机构；所述阀片为自所述一环形套槽的内槽壁的端面沿轴向延伸形成的弧形片；所述紧定机构包括设于环形套槽的外槽壁上的螺孔及与所述螺孔配合的紧定螺钉；所述导向机构包括所述紧定螺钉及设于所述进药管或所述出药管的外侧壁上的轴向导槽，所述轴向导槽与所述紧定螺钉的前端相配合；所述调节套环的轴向沿竖向布置，在调节过程中，通过松开所述紧定螺钉，调节所述调节套环在其轴向上的位置；

所述喷药方法包括：

路径规划步骤，将所述长方形田块划分成若干块正方形区域，所述正方形区域的边界外接于单次喷药范围的区域边界，并按照对所述正方形区域进行喷药的先后顺序设置无人机在待喷药区域上方飞行的航线及悬停位置，所述悬停位置与所述正方形区域的中心相对应；

喷药步骤，无人机沿预设航线飞行，并在预设悬停位置处悬停及对位于其下方区域进行预设时长的喷药。

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