CN108522472A - 一种植保多旋翼无人机 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种植保多旋翼无人机，其喷洒机构包括喷药机构，无人机本体的螺旋桨包括主螺旋桨和副螺旋桨，且均用于形成下压风场，主螺旋桨的直径大于副螺旋桨的直径，喷药机构的喷嘴位于主螺旋桨的中部的下方，并位于副螺旋桨的下压风场内，本发明还公开了其作业方法。本发明通过副螺旋桨的设置，促使药雾借助副螺旋桨的下压风场迅速进入到主螺旋桨的强大的下压风场，并被风场包裹几乎不会飘到风场外，使药雾运动更可控且迅速地到达目标位置，最大程度地降低药雾的飘逸和蒸发损耗。本发明的作业方法更更科学合理高效，可满足实际施药的多种个性化需求，适用范围更广，利于植保多旋翼无人机的推广应用。
Description
技术领域
本发明涉及植保无人机领域，具体涉及一种植保多旋翼无人机。
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植保无人机，植保无人机，顾名思义是用于农林植物保护作业的无人驾驶飞机，包括飞行平台和喷洒机构，通过地面遥控或导航飞控，来实现喷洒作业，可以喷洒药剂、种子、粉剂等，植保无人机不受地型限制，前往人力难到达或移动困难的山区等地施药，减少人力负担及降低危险性，其主要形式有无人直升机和多旋翼无人机。
然而目前的植保多旋翼无人机，普遍为简单地直接将多旋翼无人机与喷洒机构结合在一起，并存在以下不足：
1.使用时，一方面，螺旋桨旋转时，其下压风场的中部近螺旋桨处风力很小，料液不能被迅速加速而到达目标位置，在空中四面八方随意方向漂移，飘逸和蒸发损耗现象严重，当料液含有农药成分时，还会对周边环境安全形成威胁。例如，不管压力喷头和离心喷头，喷出直径在几十微米的药雾从4-6米空中自由降落要1分多钟，这个空中过程，有被风吹跑(又称飘逸量)，有因太阳、高温、干燥(湿度小)直接蒸发，导致吸附到目标叶子上的药雾与喷头出水量的比值不到一半。
2.以往的无人机是根据当前GPS位置来定位定点飞行的。在田间撒料和喷洒过程，如同以前CRT老电视机一个阴极射线点在荧光屏扫描一行再隔一列再扫描一行的原理类同，也是用点画一个面。其自身定位精度低，GPS精度比较差在2-10米，不管是人工操控或自动操控，均存在漏作业和重作业的缺陷，还会引起无人机对自身定位位置判断误差太大，以致撞树摔机，或返回降落点停偏移出事故。
3.喷药时的药雾长度太短，尤其对于高杆作物、树或具有大厚密的叶子的作物，不仅药雾只能覆盖其上部叶子表面，不能覆盖其中下部叶子，而且更难让药液覆盖叶子的下表面，打药不均匀。
4.不能适应对于坡地散植的高杆树木的仿地定高作业，使用时，存在频繁上下飞行，飞行不平稳现象，耗能并存在摔机风险。
5.喷洒机构功能单一、集成度低、结构复杂以及控制不方便，例如，有的只有撒料功能或喷药功能，有的喷洒机构不能通过遥控端控制，其结构不够简洁，降低了无人机的载料量。
由于上述不足，不能很好地满足植保实际需求，限制了其广泛推广应用。
发明内容
为克服现有技术存在的上述不足，本发明提供一种植保多旋翼无人机，其能够使药雾运动更可控且迅速地到达目标位置，最大程度地降低药雾的飘逸和蒸发损耗。本发明通过以下技术方案实现：一种植保多旋翼无人机，包括遥控装置、无人机本体和喷洒机构，所述喷洒机构包括喷药机构，所述无人机本体的螺旋桨包括主螺旋桨和副螺旋桨，且均用于形成下压风场，所述主螺旋桨的直径大于所述副螺旋桨的直径，所述喷药机构的喷嘴位于所述主螺旋桨的中部的下方，并位于所述副螺旋桨的下压风场内。
优选的，所述无人机本体包括定位装置，所述定位装置与所述无人机本体的中央处理器连接，多个所述定位装置用于分别采集同一平面的不同位置的信息，以供所述中央处理器差分和修正位置信息。
优选的，所述无人机本体上设有高压静电发生装置，所述高压静电发生装置包括高压静电释放电路，所述高压静电释放电路的正极端设于所述螺旋桨，其负极端与所述喷洒机构的药液连接，以使所述喷洒机构的药液形成负离子。
优选的，所述无人机本体上设有与其中央处理器连接的向下测距雷达，在仿地定高飞行时，所述中央处理器通过以下阻尼函数控制所述无人机本体向下飞行：
x＝exp(-at)×A×cos(bt+phi)
其中，exp是以自然对数为底的指数函数，a，b，A，phi由系统的阻尼，劲度系数，滑块质量以及初状态决定。
优选的，所述无人机本体的中央处理器通过地理三维坐标叠加周期函数控制其飞行航线，和/或通过机体坐标系叠加周期函数控制其飞行姿态。
优选的，所述周期函数的形式包括周期性的三角波、方波或正弦波。
优选的，所述喷洒机构还包括撒料机构，所述撒料机构包括撒料电机和撒料离心盘，所述撒料离心盘安装于所述撒料电机，所述喷药机构包括水泵和喷头装置，所述喷头装置包括防水电机和所述喷嘴，所述喷嘴为离心式喷嘴，并安装于所述防水电机，所述撒料电机、所述水泵和所述防水电机均通过电子调速器与所述无人机本体的中央处理器连接，并可被所述遥控装置控制。
优选的，多个所述离心式喷嘴安装于一所述防水电机。
本发明还提供一种上述任意一种植保多旋翼无人机的作业方法，其作业方法更科学合理高效，包括以下步骤：
a.对作业区用无人机地理测绘或采点器测绘，获得包括经度、维度及海拔高度信息的目标数据库；
b.将上述目标数据库中的海拔高度加上飞行离作物定高，得到飞行坐标数据库；
c.基于上述飞行坐标数据库，设定作业动作、作业路径和作业类型；
d.基于上述飞行坐标数据库，计算飞行最短路径；以及
e.根据上述最短路径进行作业。
优选的，所述作业动作包括旋转和/或翻滚，所述作业路径的形状包括圆形、多边形、多角形和螺旋形中的至少一种，所述作业种类包括喷洒、撒料、修剪、喷涂、采摘和播种中的至少一种。
本发明通过副螺旋桨的设置，可最大程度上缩小平静区，促使药雾借助副螺旋桨的下压风场迅速进入到主螺旋桨的强大的下压风场，并被风场包裹几乎不会飘到风场外，使药雾运动更可控且迅速地到达目标位置，最大程度地降低药雾的飘逸和蒸发损耗，提高喷雾的长度和力度以适用于高杆作物或大厚密的叶子。通过同个电机装多个离心式喷嘴，提高出雾量。通过多个定位装置的设置，提高了定位精度，作业更精准可靠。通过高压静电发生装置的设置使施药更均匀，更环保节约。喷洒机构还具备撒料机构，多功能完成植保作业。本发明的作业方法更科学合理高效。通过作业动作、作业路径和作业类型的设定可使无人机满足实际施药的多种个性化需求，适用范围更广，利于植保多旋翼无人机的推广应用。
附图说明
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。
图1为本发明实施例植保多旋翼无人机的部分结构示意图；
图2为本发明实施例植保多旋翼无人机的原理示意图；
图3为本发明实施例地理三维坐标叠加正弦波的示意图；
图4为本发明实施例的作业示意图；
图5为本发明实施例的平地飞行作业示意图；
图6为本发明实施例的坡地飞行作业示意图。
图1和图3-6中各标号对应如下，主螺旋桨1，副螺旋桨2，旋翼臂3，喷嘴4，正弦波5，作业路径6，树7，地面8，植株9，第一飞行路径10，第二飞行路径11，第三飞行路径12。
具体实施方式
下面结合附图以及实施方式对本发明进行进一步的描述：
作为一种示例，本实施例的植保多旋翼无人机，包括遥控装置、无人机本体和喷洒机构，喷洒机构包括喷药机构，如图1所示，无人机本体的螺旋桨包括主螺旋桨1和副螺旋桨2，驱动电机固定于旋翼臂3上，主螺旋桨1的直径大于副螺旋桨2的直径，喷药机构的喷嘴4位于主螺旋桨1的中部的下方，并位于副螺旋桨2的下压风场内。使用时，主螺旋桨1和副螺旋桨2均形成下压风场。
由于主螺旋桨1的中心点到其桨叶的中部螺距呈逐渐增大的曲线，所以此空间下方风力不大(我们称平静区)，副螺旋桨2的设置可最大程度上缩小平静区，并促使喷嘴4喷出的药雾借助副螺旋桨2的下压风场迅速进入到主螺旋桨1的强大的下压风场，所以在喷嘴4重力轴的上面加上副螺旋桨2，能够使药雾运动更可控且迅速地到达目标位置，最大程度地降低药雾的飘逸和蒸发损耗。
经实践验证，该结构的下压风场更强劲，喷嘴4喷出的药雾立即被副螺旋桨2吹下，并被风场包裹几乎不会飘到风场外，并形成像龙卷风一样强大的雾柱，药雾运动路径呈直线状，药雾的长度也更长，提高了抵抗自然风袭扰的能力，可使药雾到达目标叶子的时间缩短到秒内，尤其是在对高杆作物、树以及大厚密的叶子的作物进行作业时，强劲的风场能吹开作物顶部叶子，使药雾弥透整个目标物并直至根部，使位于中下部的目标叶子也可以被打透，因此提高了植保效果，节约了水、药的用量。
在一些实施例中，在上述实施例的基础上，一并参考图2所示，无人机本体包括定位装置，定位装置与无人机本体的中央处理器连接，多个定位装置用于分别采集同一平面的不同位置的信息，以供中央处理器差分和修正位置信息。具体实施时，定位装置可选为同一种类的多个，也可选不同种类的多个。该结构可提高定位精度，避免漏作业和重作业，避免撞树摔机，以及避免停偏移出。
因药雾和撒料颗粒边界本身有1米以内的扩散，所以要求无人机的GPS系统精度在1米以内。本实施例用分布在同一平面的多个GPS接收机的天线振子分别给中央处理器计算出各自观测值坐标，再用中央处理器做差分处理和修正，计算出更高精度的坐标值。举例如图2所示，定位系统1和定位系统2，及其对应天线1和天线2。通过以上技术经测试证明：定位精度从以前的2-10米偏差提高到亚米级，可为飞行提供可靠的目标坐标。
在一些实施例中，在上述实施例的基础上，为了使药液能够吸附到目标物叶子的背面，如图2所示，无人机本体上设有高压静电发生装置，高压静电发生装置包括高压静电释放电路，高压静电释放电路的正极端设于螺旋桨，其负极端与喷洒机构的药液连接，以使喷洒机构的药液形成负离子。具体实施时，作为高压静电发生装置的一种示例，升压变压器的输入端通过振荡电路把电池的直流变交流后输入，被升压变压器升压后在输出端输出高压电，并通过整流二极管整流成直流高压电通过高压导线，末端接负极放电针插入到液体导管，让药雾带有负电荷。因为无人机上没有接大地端，为了这个电路中保证有电荷释放出，必须在高速旋转螺旋桨的末端安装正极放电针，放电针通过预埋在螺旋桨内部的导线和升压变压器的输出端相接，也就是通过和高速空气摩擦把电荷释放到空气中，模拟接地。
该结构通过高压静电场，使药雾带负电荷，使下压风场内的空气带正电荷进而使目标叶子带正电荷，进而使药雾与叶子之间产生吸附力，加速叶子正反面每寸都均匀地吸附上药雾，施药更均匀，从而达到防治效果；另因树叶比地面高，故从无人机上喷洒的药雾首先被目标叶子吸附，掉在地上浪费的很少，经实践验证，所以可以省水50％以上，省药30％以上，进一步提高了对于高杆作物、树以及大厚密的叶子的作物的打药效果，并且还能够适用于叶子特别大厚密的作物，如香蕉树，其3米大的芭蕉叶无人机的下压风场很难将其吹翻而使药雾润湿其背风面，但通过静电吸附，即可将药雾吸附在其背风面，打药效果更好。
在一些实施例中，在上述实施例的基础上，为了避免无人机在作业时，高度位置变化的幅度过大，如图2所示，无人机本体上设有与其中央处理器连接的向下测距雷达，在仿地定高飞行时，中央处理器通过以下阻尼函数控制无人机本体向下飞行：
x＝exp(-at)×A×cos(bt+phi)
其中，exp是以自然对数为底的指数函数，a，b，A，phi由系统的阻尼，劲度系数，滑块质量以及初状态决定。
具体实施时，本实施例将上述公式简化成单位脉冲响应函数：
即无人机下降限度n米/秒。(n＝0.01-5)
具体地，由于施药时与作物面保持等高施药效果最好，为了使无人机实现该效果，如图6所示，若仅简单通过定高飞行，并不能适用于坡形地面8作业；若简单通过向下测距雷达进行仿地定高飞行(原理：向下测距雷达发射微波，经反射体返回微波，利用时间差×微波速度÷2就是无人机与反射体的高度，然后通知飞控经过PID算法，调节无人机高度保持在用户设定的相对高度不变的飞行模式，定高精度可达2厘米以内)，在坡形地面8上，若无植株9，无人机的飞行路径为第一飞行路径10，非常完美，但若对在地面8散植有高杆植株9如树苗或玉米作业时，无人机上下位置频繁巨变，其飞行路径为第二飞行路径11，存在耗电快问题，尤其是在向下运动时，还存在摔机风险，因此，通过阻尼函数控制无人机向下飞行，其飞行路径为第三飞行路径12，无人机在向下飞行时更平缓，向下时的路径更短，相应地也使向上时路径也更短，更加节能，避免了无人机的频繁巨幅上下运动，进而规避了摔机风险，保证了无人机平稳飞行又良好完成撒料和喷洒作业的效果。
在一些实施例中，在上述实施例的基础上，为了使无人机的作业效果更均匀，优选无人机本体的中央处理器通过地理三维坐标叠加周期函数控制其飞行航线，和/或通过机体坐标系叠加周期函数控制其飞行姿态。周期函数的形式包括周期性的三角波、方波或正弦波等。
具体地，无人机飞行时，飞行的地理三维坐标系可参考空间三维坐标轴：水平X轴、Y轴及垂直Z轴，无人机的机体坐标系包括：俯仰角、偏航角和翻滚角，如图3所示，通过叠加正弦波5控制其飞行航线。例如以往对高杆作物和树，或大厚密的叶子的作物的喷洒，由于无人机的下压风场作用，让叶子一边倒伏，但这些叶子的背风面，药雾就很难吸附到，叠加周期函数控制后，叶子被来回翻动几次，让药雾均匀吸附叶子2面，进而达到更好的防治效果。
在一些实施例中，在上述实施例的基础上，为了使无人机的功能更多，集成度更高，控制更方便，喷洒机构优选还包括撒料机构，一并参考如图2所示，撒料机构包括撒料电机和撒料离心盘，撒料离心盘安装于撒料电机，喷药机构包括水泵和喷头装置，喷头装置包括防水电机和喷嘴4，喷嘴4为离心式喷嘴，并安装于防水电机，撒料电机、水泵和防水电机均通过电子调速器与无人机本体的中央处理器连接，并可被遥控装置控制。作为优选，多个离心式喷嘴4安装于一防水电机，该结构喷雾量更大，喷雾作业效果更好，并利于缩短作业时间。
为了使无人机的作业方法更科学合理高效，本实施例还提供一种采用上述任意一种植保多旋翼无人机的作业方法，包括以下步骤：
a.对作业区用无人机地理测绘或采点器测绘，获得包括经度、维度及海拔高度信息的目标数据库；
b.将上述目标数据库中的海拔高度加上飞行离作物定高，得到飞行坐标数据库；
c.基于上述飞行坐标数据库，设定作业动作、作业路径和作业类型；
d.基于上述飞行坐标数据库，计算飞行最短路径；以及
e.根据上述最短路径进行作业。
具体地，由于有些高杆作物和树，没有像水稻一样密集生长，以往如用匀速持续喷洒或撒料，在作物和作物空隙3-10米间，即做无用功，效率低，又浪费巨大的材料，因此本实施例优选为定点作业(无人机可以根据计算机算出的三维曲线按点来描绘飞行)：由于GPS定位精度的提升，使我们对无人机的定位越来越精准，甚至到了厘米级，因此我们可以对处理对象进行测绘，如可通过采用无人机3D测绘，也可以通过采集GPS当前位置的装置(简称采点器)，获得处理对象的精准经度、维度、海拔高度的信息，组成个数据库(XA,YA,ZA)，(XB,YB,ZB)，(XC,YC,ZC)，(XD,YD,ZD)…再加上飞机设定的高度H0，就是飞机飞抵的三维坐标(XA,YA,ZA+H0)，(XB,YB,ZB+H0)，(XC,YC,ZC+H0)，(XD,YD,ZD+H0)…在该点做几何飞行及作业动作。如图5所示，在每个高杆植株9中轴的最高处采集A，B，C，D..数据，在这个数据+飞机设定的高度H0，就是飞机飞抵的三维坐标。通过数学算法做最短路经规划。
作为优选，作业动作包括旋转和/或翻滚，作业路径的形状包括圆形、多边形、多角形和螺旋形中的至少一种，作业种类包括喷洒、撒料、修剪、喷涂、采摘和播种中的至少一种，通过作业动作、作业路径和作业类型的设定可使无人机满足实际施药的多种个性化需求，适用范围更广，利于植保多旋翼无人机的推广应用。例如图4所示，无人机对树7进行定点作业时，作业路径6优选为塔性螺旋线形时，其作业效果更加完美。
应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。
上面对本发明专利进行了示例性的描述，显然本发明专利的实现并不受上述方式的限制，只要采用了本发明专利的方法构思和技术方案进行的各种改进，或未经改进将本发明专利的构思和技术方案直接应用于其它场合的，均在本发明的保护范围内。
Claims (10)
1.一种植保多旋翼无人机，包括遥控装置、无人机本体和喷洒机构，所述喷洒机构包括喷药机构，其特征在于，所述无人机本体的螺旋桨包括主螺旋桨和副螺旋桨，且均用于形成下压风场，所述主螺旋桨的直径大于所述副螺旋桨的直径，所述喷药机构的喷嘴位于所述主螺旋桨的中部的下方，并位于所述副螺旋桨的下压风场内。
2.根据权利要求1所述的一种植保多旋翼无人机，其特征在于，所述无人机本体包括定位装置，所述定位装置与所述无人机本体的中央处理器连接，多个所述定位装置用于分别采集同一平面的不同位置的信息，以供所述中央处理器差分和修正位置信息。
3.根据权利要求1所述的一种植保多旋翼无人机，其特征在于，所述无人机本体上设有高压静电发生装置，所述高压静电发生装置包括高压静电释放电路，所述高压静电释放电路的正极端设于所述螺旋桨，其负极端与所述喷洒机构的药液连接，以使所述喷洒机构的药液形成负离子。
4.根据权利要求1所述的一种植保多旋翼无人机，其特征在于，所述无人机本体上设有与其中央处理器连接的向下测距雷达，在仿地定高飞行时，所述中央处理器通过以下阻尼函数控制所述无人机本体向下飞行：
x＝exp(-at)×A×cos(bt+phi)
其中，exp是以自然对数为底的指数函数，a，b，A，phi由系统的阻尼，劲度系数，滑块质量以及初状态决定。
5.根据权利要求1所述的一种植保多旋翼无人机，其特征在于，所述无人机本体的中央处理器通过地理三维坐标叠加周期函数控制其飞行航线，和/或通过机体坐标系叠加周期函数控制其飞行姿态。
6.根据权利要求5所述的一种植保多旋翼无人机，其特征在于，所述周期函数的形式包括周期性的三角波、方波或正弦波。
7.根据权利要求1所述的一种植保多旋翼无人机，其特征在于，所述喷洒机构还包括撒料机构，所述撒料机构包括撒料电机和撒料离心盘，所述撒料离心盘安装于所述撒料电机，所述喷药机构包括水泵和喷头装置，所述喷头装置包括防水电机和所述喷嘴，所述喷嘴为离心式喷嘴，并安装于所述防水电机，所述撒料电机、所述水泵和所述防水电机均通过电子调速器与所述无人机本体的中央处理器连接，并可被所述遥控装置控制。
8.根据权利要求7所述的一种植保多旋翼无人机，其特征在于，多个所述离心式喷嘴安装于一所述防水电机。
9.一种上述权利要求1至8所述的任意一种植保多旋翼无人机的作业方法，其特征在于，包括以下步骤：
a.对作业区用无人机地理测绘或采点器测绘，获得包括经度、维度及海拔高度信息的目标数据库；
b.将上述目标数据库中的海拔高度加上飞行离作物定高，得到飞行坐标数据库；
c.基于上述飞行坐标数据库，设定作业动作、作业路径和作业类型；
d.基于上述飞行坐标数据库，计算飞行最短路径；以及
e.根据上述最短路径进行作业。
10.根据权利要求9所述的作业方法，其特征在于，所述作业动作包括旋转和/或翻滚，所述作业路径的形状包括圆形、多边形、多角形和螺旋形中的至少一种，所述作业种类包括喷洒、撒料、修剪、喷涂、采摘和播种中的至少一种。
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