CN107725310A - 一种植保无人机施药泵及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种植保无人机施药泵及其控制方法，包括驱动部件、控制模块和容积泵；驱动部件包括外转子、永磁磁极、内定子、励磁绕组、端盖、右轴承、机座、支撑架、左轴承、轴和转速感应器，机座与支撑架固定连接，右轴承固定在机座上，左轴承固定在支撑架的左端，内定子固定在支撑架的外表面，内定子上固定有励磁绕组，外转子的内壁上均匀分布有多个永磁磁极，轴的左端与外转子固定连接，轴的右端依次穿过左轴承、支撑架、机座和右轴承从而与容积泵连接，机座的外表面均与控制模块和端盖固定连接，转速感应器固定在内定子上；本发明结构设计新颖，转速高，重量轻，控制方法巧妙，控制电路简单，大大简化了系统，节省了成本，提高了控制精度。

Description

一种植保无人机施药泵及其控制方法

技术领域

本发明涉及农业植保无人机技术领域，尤其涉及一种植保无人机施药泵及其控制方法。

背景技术

农业植保无人机具有作业效率高、劳动强度低、劳动力投入少、智能化程度高、适应性广等显著特征，近年来得到了迅猛发展。2016年，我国载荷5Kg以上的农用无人机保有量已达4869台，超过日本位居世界第一；植保作业面积从2013年的不足10万亩增长至2015年的1016万亩；农用无人机生产企业从2010年的不足10家增至2016年的260家，无人机农业领域应用产值达到5亿元。农用无人机产品覆盖单旋翼、多旋翼，油动、电动等品种，已形成具有中国特色的新兴高新技术产业，具备了一定的国际影响力。

由于最大起飞重量的限制，农业植保无人机的负载能力一般在5～20kg之间，负载过多，超过起飞重量，无人机将无法运转，另一方面，无人机上挂载的药液越多，其施药作业的续航时间就越长，施药效率也越高，因此，施药装备的重量，在一定程度上影响载药量的多少，也影响施药效率的高低。施药装备中的施药泵目前大部分使用无刷电机驱动的隔膜泵，转速1000～2000转/分，重量600～1500g，转速小，重量大，功耗多，没有速度反馈，需外加复杂的PWM控制电路和转速、流量、压力检测装置，同时小流量的流量传感器精度差、价格高，使得植保无人机载药量小、能量消耗高、控制精度低、响应慢，因而需要新型轻量化、控制简单的施药泵及控制技术，减轻施药装备重量，增加载药量，提高施药效率。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足提供一种植保无人机施药泵及其控制方法，本植保无人机施药泵及其控制方法解决了现有技术中的植保无人机施药泵转速小、重量大、控制电路复杂和需外加转速、流量、压力检测装置等问题。

为实现上述技术目的，本发明采取的技术方案为：

一种植保无人机施药泵，包括驱动部件、控制模块和容积泵；

所述驱动部件包括外转子、永磁磁极、内定子、励磁绕组、端盖、右轴承、机座、支撑架、左轴承、轴和转速感应器，所述机座与支撑架的右端固定连接，所述右轴承固定在所述机座上，所述左轴承固定在所述支撑架的左端，所述内定子固定在所述支撑架的外表面，所述内定子上固定有励磁绕组，所述外转子的内壁上均匀分布有多个永磁磁极且外转子位于内定子的外部，所述轴的左端与所述外转子的左端固定连接，所述轴依次穿过左轴承、支撑架、机座和右轴承从而与容积泵连接，所述机座的外表面与控制模块和端盖固定连接，所述控制模块固定在所述端盖的内侧，所述转速感应器固定在所述内定子上，所述转速感应器与所述控制模块电连接，所述控制模块与所述励磁绕组电连接。

作为本发明进一步改进的技术方案，所述支撑架为包括外圆环、内圆环和多根支撑板，所述外圆环套设在所述内圆环的外部且外圆环的内壁通过多根支撑板与所述内圆环的外壁连接，所述机座通过螺钉固定在所述内圆环的右端，所述左轴承固定在所述内圆环的左端，所述轴穿插在所述内圆环的内部。

作为本发明进一步改进的技术方案，所述支撑板为4根，所述4根支撑板呈十字型，所述支撑板的长度从内圆环的左端延伸到内圆环的右端。

作为本发明进一步改进的技术方案，所述机座为C型机座，所述机座的中部设有用于轴穿过的通孔，所述右轴承固定在所述机座的右端。

作为本发明进一步改进的技术方案，所述内定子为圆环状，所述内定子套设在所述支撑架的外圆环的外表面，所述内定子的外表面沿圆周方向均匀分布有多个凸台，所述凸台上缠绕有励磁绕组。

作为本发明进一步改进的技术方案，所述凸台为T型，所述凸台为12个，所述转速感应器为3个，分别沿内定子的圆周方向均匀分布于凸台上。

作为本发明进一步改进的技术方案，所述外转子为圆桶状，所述外转子的左端为闭合状态且右端为开口状态，所述外转子的左端中心位置设有用于轴穿过的通孔，所述轴的左端通过固定螺母与所述外转子的左端中心位置固定连接，所述外转子的内壁均匀分布有8个永磁磁极。

作为本发明进一步改进的技术方案，所述控制模块包括由集成电路组成的控制芯片、输入电缆和控制外壳，所述控制芯片位于控制外壳内，所述控制外壳为圆盘状，所述控制外壳的中心位置和端盖的中心位置均设有孔洞，所述机座固定在所述控制外壳和端盖的孔洞内，所述端盖与所述控制外壳的左侧壁固定连接，所述输入电缆的一端与控制芯片连接，另一端依次从控制外壳和端盖穿出从而连接有无人机的电源和飞控系统，所述输入电缆为3根。

作为本发明进一步改进的技术方案，所述容积泵包括泵体、进水管、出水管和压力调节螺钉，所述进水管、出水管和压力调节螺钉均与泵体连接，所述泵体内设有多个容积腔，所述容积腔与轴连接。

为实现上述技术目的，本发明采取的另一个技术方案为：

一种植保无人机施药泵的控制方法，包括以下步骤：

步骤1：无人机的电源为施药泵提供电源，同时无人机的飞控系统发出控制信号到施药泵的控制模块；

步骤2：控制模块输出PWM控制信号的电压值到励磁绕组，通电的励磁绕组产生磁场，励磁绕组产生的磁场与永磁磁极产生作用力，作用力使外转子转动，外转子带动轴转动，轴带动容积泵工作从而实现吸入和排出药液；

步骤3：控制模块根据无人机的飞控系统发出的控制信号分析并计算出容积泵实际需要的流量，控制模块根据容积泵的流量和轴的转速的对应关系计算出轴实际需要的转速；

步骤4：转速感应器实时采集轴的转速并反馈转速值到控制模块，控制模块根据轴反馈的转速值调节自身输出的PWM控制信号的电压值从而调节轴的转速，直到达到轴实际需要的转速。从而达到需要的流量。在工作过程中，飞控系统输入的控制信号不断变化，控制芯片也随之不断调节。

本发明提供了一种高转速轻量化植保无人机施药泵，结构设计新颖，控制方法巧妙，通过以上叙述的植保无人机施药泵的结构，施药泵的转速达到4000-6000转/分，重量200-300g，与传统的施药泵相比转速提高1倍以上，重量减少50%以上，通过试验标定确定了流量～转速～PWM信号之间关系，同时集成了转速感应器和控制芯片，省去了传统施药系统中的压力、流量传感器和外加的控制器，大大简化了系统，节省了成本，提高了控制精度。本发明能适应各种不同的植保无人机，只需提供电源和控制信号，就可使用，适应性广，操作简单、方便，降低了能耗，同时减轻的设备重量，增加了有效载药量，随着植保无人机的大规模应用，本发明具有较好的经济价值和社会价值。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

图2为本发明的驱动部件的结构图。

图3为本发明的控制原理示意图。

具体实施方式

下面根据图1至图3对本发明的具体实施方式作出进一步说明：

参见图1和图2，一种植保无人机施药泵，包括驱动部件、控制模块12和容积泵8；所述驱动部件包括外转子1、永磁磁极2、内定子3、励磁绕组4、端盖6、右轴承11、机座13、支撑架14、左轴承15、轴16和转速感应器18，所述机座13和支撑架14用来安装固定驱动部件的其它部件，所述机座13与支撑架14的右端固定连接，所述右轴承11固定在所述机座13上，所述左轴承15固定在所述支撑架14的左端，所述内定子3固定在所述支撑架14的外表面，所述内定子3上固定有励磁绕组4，所述外转子1的内壁上均匀分布有多个永磁磁极2且外转子1位于内定子3的外部，所述轴16的左端与所述外转子1的左端固定连接，所述轴16依次穿过左轴承15、支撑架14、机座13和右轴承11从而与容积泵8连接，所述机座13的外表面与控制模块12和端盖6固定连接，所述控制模块12固定在所述端盖6的内侧，所述转速感应器18固定在所述内定子3上，所述转速感应器18与所述控制模块12电连接，所述控制模块12与所述励磁绕组4电连接。

参见图2，为了减少重量，支撑架为一中空的圆环，即所述支撑架14为包括外圆环19、内圆环20和多根支撑板21，所述外圆环19套设在所述内圆环20的外部且外圆环19的内壁通过多根支撑板21与所述内圆环20的外壁连接，所述机座13通过螺钉固定在所述内圆环20的右端，所述左轴承15固定在所述内圆环20的左端，所述轴16穿插在所述内圆环20的内部。所述支撑板21为4根，所述4根支撑板21呈十字型，所述支撑板21的长度从内圆环20的左端延伸到内圆环20的右端。

参见图1，所述机座13为C型机座，所述机座13的中部设有用于轴16穿过的通孔，所述右轴承11固定在所述机座13的右端。

参见图2，所述内定子3为圆环状，所述内定子3套设在所述支撑架14的外圆环19的外表面，所述内定子3的外表面沿圆周方向均匀分布有多个凸台22，所述凸台22上缠绕有励磁绕组4。所述凸台22为T型，所述凸台22为12个，所述转速感应器18为3个，分别沿内定子3的圆周方向均匀分布于凸台22上。

参见图1，所述外转子1为圆桶状，所述外转子1的左端为闭合状态且右端为开口状态，所述外转子1的左端中心位置设有用于轴16穿过的通孔，所述轴16的左端通过固定螺母17与所述外转子1的左端中心位置固定连接，所述外转子1的内壁均匀分布有8个永磁磁极2。

参见图1，所述控制模块12包括由集成电路组成的控制芯片、输入电缆5和控制外壳，控制芯片内有控制软件，所述控制芯片位于控制外壳内，所述控制外壳为圆盘状，所述控制外壳的中心位置和端盖6的中心位置均设有孔洞，所述机座13固定在所述控制外壳和端盖6的孔洞内，所述端盖6与所述控制外壳的左侧壁固定连接，所述输入电缆5的一端与控制芯片连接，另一端依次从控制外壳和端盖6穿出从而连接有无人机的电源和飞控系统，所述输入电缆5为3根。

所述容积泵8包括泵体、进水管10、出水管7和压力调节螺钉9，所述进水管10、出水管7和压力调节螺钉9均与泵体连接，所述泵体内设有多个容积腔，所述容积腔与轴16连接。当轴16转动时，各个容积腔的大小发生改变，从而吸入药物和排出药物，实现输送液体的目的。压力调节螺钉可调节泵体和管路中最大压力，当压力超过设定压力时，部分液体回流到进水管。本发明中的容积泵8的内部容积腔的结构和压力调节螺母的内部安装结构均采用现有技术。

由上述驱动部件组成的植保无人机施药泵通过多次试验测试容积泵8的流量与轴16转速关系，可得出Q=f(n)，式中Q为容积泵8的流量，n为轴16的转速，流量和转速有很好的对应关系，进一步，可通过PWM方式调节转速精确调节流量，即Q=f(n)=f(V_PWM)，式中V_PWM为PWM信号电压。

本实施例还提出一种植保无人机施药泵的控制方法，包括以下步骤，参见图3：

步骤1：施药泵安装在植保无人机的喷洒系统中，无人机的电源为施药泵提供电源，同时根据无人机飞行速度、高度、田间气象等条件判断施药泵实际需要喷洒的流量，飞控系统给施药泵提供控制信号，无人机的飞控系统发出控制信号到施药泵的控制模块12；

步骤2：施药泵通电后，控制模块12输出PWM控制信号的电压值到励磁绕组4，控制各组励磁绕组4电源的通断，通电的励磁绕组4产生磁场，与永磁磁极2产生作用力，作用力使外转子1转动，外转子1带动轴16转动，轴16带动容积泵8工作从而实现吸入和排出药液；

步骤3：同时控制模块12根据无人机的飞控系统发出的控制信号分析并计算出容积泵8实际需要的流量，控制模块12根据容积泵8的流量和轴16的转速的对应关系Q=f(n)计算出轴16实际需要的转速；

步骤4：转速感应器18实时采集轴16的转速并反馈转速值到控制模块12，控制模块12根据轴16反馈的转速值不断调节自身输出的PWM控制信号的电压值从而调节轴16的转速，直到达到轴16实际需要的转速。在工作过程中，飞控系统输入的控制信号不断变化，控制模块12也随之不断调节，完成对施药泵的控制。

本发明提供了一种高转速轻量化植保无人机施药泵及其控制方法，植保无人机施药泵结构设计新颖，控制方法巧妙，通过以上技术方案，施药泵的转速达到4000-6000转/分，重量200-300g，与传统的施药泵相比转速提高1倍以上，重量减少50%以上，通过试验标定确定了流量～转速～PWM信号之间关系，同时集成了转速感应器18和控制芯片，省去了传统施药系统中的压力、流量传感器和外加的控制器，大大简化了系统，节省了成本，提高了控制精度。本发明的施药泵能适应各种不同的植保无人机，无人机只需提供电源和控制信号，就可使用，适应性广，操作简单、方便，降低了能耗，同时减轻的设备重量，增加了有效载药量，随着植保无人机的大规模应用，本发明具有较好的经济价值和社会价值。

本发明的保护范围包括但不限于以上实施方式，本发明的保护范围以权利要求书为准，任何对本技术做出的本领域的技术人员容易想到的替换、变形、改进均落入本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种植保无人机施药泵，其特征在于：包括驱动部件、控制模块（12）和容积泵（8）；

所述驱动部件包括外转子（1）、永磁磁极（2）、内定子（3）、励磁绕组（4）、端盖（6）、右轴承（11）、机座（13）、支撑架（14）、左轴承（15）、轴（16）和转速感应器（18），所述机座（13）与支撑架（14）的右端固定连接，所述右轴承（11）固定在所述机座（13）上，所述左轴承（15）固定在所述支撑架（14）的左端，所述内定子（3）固定在所述支撑架（14）的外表面，所述内定子（3）上固定有励磁绕组（4），所述外转子（1）的内壁上均匀分布有多个永磁磁极（2）且外转子（1）位于内定子（3）的外部，所述轴（16）的左端与所述外转子（1）的左端固定连接，所述轴（16）依次穿过左轴承（15）、支撑架（14）、机座（13）和右轴承（11）从而与容积泵（8）连接，所述机座（13）的外表面均与控制模块（12）和端盖（6）固定连接，所述控制模块（12）固定在所述端盖（6）的内侧，所述转速感应器（18）固定在所述内定子（3）上，所述转速感应器（18）与所述控制模块（12）电连接，所述控制模块（12）与所述励磁绕组（4）电连接。

2.根据权利要求1所述的植保无人机施药泵，其特征在于：所述支撑架（14）为包括外圆环（19）、内圆环（20）和多根支撑板（21），所述外圆环（19）套设在所述内圆环（20）的外部且外圆环（19）的内壁通过多根支撑板（21）与所述内圆环（20）的外壁连接，所述机座（13）通过螺钉固定在所述内圆环（20）的右端，所述左轴承（15）固定在所述内圆环（20）的左端，所述轴（16）穿插在所述内圆环（20）的内部。

3.根据权利要求2所述的植保无人机施药泵，其特征在于：所述支撑板（21）为4根，所述4根支撑板（21）呈十字型，所述支撑板（21）的长度从内圆环（20）的左端延伸到内圆环（20）的右端。

4.根据权利要求3所述的植保无人机施药泵，其特征在于：所述机座（13）为C型机座，所述机座（13）的中部设有用于轴（16）穿过的通孔，所述右轴承（11）固定在所述机座（13）的右端。

5.根据权利要求2所述的植保无人机施药泵，其特征在于：所述内定子（3）为圆环状，所述内定子（3）套设在所述支撑架（14）的外圆环（19）的外表面，所述内定子（3）的外表面沿圆周方向均匀分布有多个凸台（22），所述凸台（22）上缠绕有励磁绕组（4）。

6.根据权利要求5所述的植保无人机施药泵，其特征在于：所述凸台（22）为T型，所述凸台（22）为12个，所述转速感应器（18）为3个，分别沿内定子（3）的圆周方向均匀分布于凸台（22）上。

7.根据权利要求1所述的植保无人机施药泵，其特征在于：所述外转子（1）为圆桶状，所述外转子（1）的左端为闭合状态且右端为开口状态，所述外转子（1）的左端中心位置设有用于轴（16）穿过的通孔，所述轴（16）的左端通过固定螺母（17）与所述外转子（1）的左端中心位置固定连接，所述外转子（1）的内壁均匀分布有8个永磁磁极（2）。

8.根据权利要求1所述的植保无人机施药泵，其特征在于：所述控制模块（12）包括由集成电路组成的控制芯片、输入电缆（5）和控制外壳，所述控制芯片位于控制外壳内，所述控制外壳为圆盘状，所述控制外壳的中心位置和端盖（6）的中心位置均设有孔洞，所述机座（13）固定在所述控制外壳和端盖（6）的孔洞内，所述端盖（6）与所述控制外壳的左侧壁固定连接，所述输入电缆（5）的一端与控制芯片连接，另一端依次从控制外壳和端盖（6）穿出从而连接无人机的电源和飞控系统，所述输入电缆（5）为3根。

9.根据权利要求1所述的植保无人机施药泵，其特征在于：所述容积泵（8）包括泵体、进水管（10）、出水管（7）和压力调节螺钉（9），所述进水管（10）、出水管（7）和压力调节螺钉（9）均与泵体连接，所述泵体内设有多个容积腔，所述容积腔与轴（16）连接。

10.一种如权利要求1所述的植保无人机施药泵的控制方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤1：无人机的电源为施药泵提供电源，同时无人机的飞控系统发出控制信号到施药泵的控制模块（12）；

步骤2：控制模块（12）输出PWM控制信号的电压值到励磁绕组（4），通电的励磁绕组（4）产生磁场，励磁绕组（4）产生的磁场与永磁磁极（2）产生作用力，作用力使外转子（1）转动，外转子（1）带动轴（16）转动，轴（16）带动容积泵（8）工作从而实现吸入和排出药液；

步骤3：控制模块（12）根据无人机的飞控系统发出的控制信号分析并计算出容积泵（8）实际需要的流量，控制模块（12）根据容积泵（8）的流量和轴（16）的转速的对应关系计算出轴（16）实际需要的转速；

步骤4：转速感应器（18）实时采集轴（16）的转速并反馈转速值到控制模块（12），控制模块（12）根据轴（16）反馈的转速值调节自身输出的PWM控制信号的电压值从而调节轴（16）的转速，直到达到轴（16）实际需要的转速。