CN108739722A - 一种适用于高冠疏枝的环握式施药无人机及其施药方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种适用于高冠疏枝的环握式施药无人机，包括机架、通过旋翼提供飞行动力的动力与控制机构、喷雾作业执行机构，喷雾作业执行机构安装在机架上；还包括用于在旋翼停止转动时将无人机紧固在树枝上的吊钩紧固装置，吊钩紧固装置安装在机架上；动力与控制机构包括用于控制的飞控模块。还涉及一种适用于高冠疏枝的环握式施药无人机的施药方法。本发明将无人机悬挂在作业树枝上作业，在到达指定高度后，吊钩紧固装置将无人机紧固在作业树枝上，具有节能的优点，属于林业机械装备技术领域。

Description

一种适用于高冠疏枝的环握式施药无人机及其施药方法

技术领域

本发明涉及林业机械装备研究领域，具体涉及一种适用于高冠疏枝的环握式施药无人机及其施药方法。

背景技术

具有高冠疏枝的林木在我国普遍存在，以热带地区常见的凤凰木为例，其树高可达20米，树枝呈广伞形张开，为著名热带品种，通常用作行道树或群植用作绿地风景树。由于树叶冠层过高且树枝纵横交错，防治病虫害时无法采用地面机械或者人工喷药方式进行作业，如果采用小型无人机空中喷施作业会存在林木密度大进而限制飞行器飞行作业空间的问题，同时由于不宜采用大型飞行器，因此载药容量小。另外飞机一般是在树冠上部飞行，因此会导致叶面下部无法得到有效喷施。

目前农业领域，各种作业采用的无人机普遍具有不限制运动空间的特点，但其悬停在空中作业时旋翼必须转动，才能提供克服重力的升力，进而保证无人机在空中的悬停或飞行姿态，产生了大量能耗，必然会降低有效载重量。另外作业时也必须使用昂贵的姿态控制系统保证机体平衡，同时要满足变量作业的控制方式，控制方法复杂且效果不佳。

为克服上述缺点，并同时利用高冠疏枝的特点，寻找一种能飞行至树枝冠层下部，且以不耗能方式停滞在树枝高处并进行相关作业的无人机是对目前农业航空应用技术的一种有益补充。

发明内容

针对现有技术中存在的技术问题，本发明的目的是：提供一种能在旋翼停止转动时紧固在树枝上从而降低能耗的适用于高冠疏枝的环握式施药无人机及其施药方法。

为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种适用于高冠疏枝的环握式施药无人机，包括机架、通过旋翼提供飞行动力的动力与控制机构、喷雾作业执行机构，喷雾作业执行机构安装在机架上；还包括用于在旋翼停止转动时将无人机紧固在树枝上的吊钩紧固装置，吊钩紧固装置安装在机架上；动力与控制机构包括用于控制的飞控模块。

作为一种优选，吊钩紧固装置包括连接杆、可动机械爪、固定机械爪、连接件、舵机；可动机械爪、连接件、固定机械爪、连接杆、机架依次相接，其中可动机械爪与连接件转动式连接，驱动可动机械爪转动的舵机安装在连接件内；可动机械爪和固定机械爪围成一可开合的环形握持部位；舵机与飞控模块相接。

作为一种优选，可动机械爪和固定机械爪的内侧均设有用于保护树枝的柔性结构；吊钩紧固装置还包括检测握持部位压力的压力传感器，当握持部位压力大于设定值时，停止可动机械爪的进一步收紧；吊钩紧固装置还包括控制固定机械爪靠近或远离机架的伸缩机构、测量无人机和树枝距离的超声波测距模块，根据超声波测距模块的检测结果，飞控模块控制伸缩机构伸缩。

作为一种优选，连接杆和机架之间设有旋转装置，旋转装置内设有检测无人机作业姿态的传感器，旋转装置根据传感器的检测结果，将无人机的作业姿态调整为水平姿态。

作为一种优选，喷雾作业执行机构的数量为至少一个；每个喷雾作业执行机构均包括喷管、喷头、水泵、连接软管、喷雾作业控制器和药箱，喷管顶部安装有喷头，喷管底部与机架上部的通孔连接，喷管通过该通孔与水泵连接；连接软管一端连接水泵，另一端连接药箱；飞控模块通过喷雾作业控制器控制水泵运行。

作为一种优选，一种适用于高冠疏枝的环握式施药无人机，还包括与喷雾作业执行机构一一对应设置的喷雾驱动装置；每个喷雾驱动装置均包括气泵及喷气作业控制器，气泵设置在喷头的正下方；气泵由喷气作业控制器控制，启动产生向上的风力；喷管为直线型，并与机架保持一定倾角使得喷头处于气泵的正上方。

作为一种优选，一种适用于高冠疏枝的环握式施药无人机，还包括机械手作业执行机构和/或拍摄作业执行机构；机械手作业执行机构包括若干个机械手和机械手控制装置，机械手分布于机架的上部或者下部，分别与机械手控制装置连接，机械手控制装置与飞控模块连接；拍摄作业执行机构包括相机和相机控制器，相机设置于机架上方，相机控制器与飞控模块相连。

作为一种优选，机架包括一固定盘和至少两个机臂；固定盘为不可拆卸的夹层结构，每个机臂起始端固定在固定盘上，各个机臂对称分布；动力与控制机构包括旋翼、电机、电子调速器和飞控模块；旋翼设置在机臂的末端，旋翼由电机驱动，转动产生向下的风力，飞控模块通过电子调速器控制电机的转动；吊钩紧固装置从固定盘延伸出。

一种适用于高冠疏枝的环握式施药无人机的施药方法，采用适用于高冠疏枝的环握式施药无人机，无人机上升并保持悬停，通过吊钩紧固装置抓紧目标树枝悬挂，旋翼即可停止转动；悬挂状态下喷雾作业执行机构实施施药操作，或/和机械手作业执行机构实施采摘操作，或/和拍摄作业执行机构实施拍摄操作。

作为一种优选，喷雾作业执行机构工作时，喷雾驱动装置启动，气泵正对喷嘴产生向上的气流；气流大小可调。

一种适用于高冠疏枝的环握式施药无人机的作业方法，包括如下步骤：

(1)找到作业对象中有施药需求的目标树枝；

(2)启动旋翼，无人机上升至目标树枝下的高度保持悬停，并将已张开成一定角度的机械爪靠近目标树枝；

(3)通过相关计算吊挂方向及角度后，飞控模块控制无人机实施悬挂；

(4)悬挂成功后，飞控模块通过控制舵机齿轮的转动，进而控制可动机械爪向固定机械爪的收紧，两者之间形成一个较树枝直径稍小的环形握持部位，机械爪与树枝之间形成足够压力及支持力，使无人机紧固在作业树枝上；

(5)旋翼停止转动；无人机失去旋翼升力，依靠吊钩紧固装置悬挂紧握树枝上产生的支持力稳定保持在作业高度，不消耗动力电池能量；

(6)安装在无人机上的喷雾作业执行机构、和/或机械手作业执行机构、和/或拍摄作业执行机构执行相应作业；

(7)作业完毕，再次启动旋翼，然后吊钩紧固装置松开作业树枝；

(8)无人机移动至另一处工作位置重复上述操作直至作业对象施药作业完毕。

优选的，步骤(2)中，吊钩紧固装置中的舵机齿轮通过紧固螺丝与可动机械爪相连，控制舵机齿轮转动，同时带动可动机械爪的转动，当可动机械爪移动后与固定机械爪形成一个近圆环抓握结构，挤压作业树枝产生足够摩擦力和支持力时，机械爪与树枝接触处放置的压力传感器，与机械爪控制模块连接，当机械爪与树枝之间压力达到指定大小，即通过控制模块停止机械爪的进一步收紧，保护树枝不受伤害的同时，可以在步骤(3)旋翼停止转动后仍能保证无人机停滞在树枝高处。

优选的，步骤(4)中，作业执行机构为执行喷药作业的喷雾作业执行机构、执行摘取作业的机械手作业执行机构、执行拍摄作业的拍摄作业执行机构三者中至少一个。喷雾作业执行机构执行喷药作业时，喷雾从喷头喷出，同时启动小型气泵，提供雾滴向上扩散的风力，在作业完毕后，喷雾作业执行机构停止作业，同时关闭气泵，然后再次启动旋翼。

总的说来，本发明具有如下优点：

1.通过机械爪的张合适应不同树枝直径，收合时挤压树枝所产生摩擦力与向上的支持力可达到稳定无人机在树木高处的目的，免去持续提供给动力旋翼的动力消耗，能够大大减小无人机所携带的动力电池重量，同时这种机械式紧固结构远远比旋翼转动悬停稳定，能够有效提高作业效果。

2.机械爪内侧设有柔性结构，对树枝的挤压不会对树木产生直接伤害。

3.喷雾作业执行机构中，药箱可以为放置在地面上的药箱也可以是普通无人机机载药箱，可根据实际应用时所需喷药量以及便携程度进行自由选择。由于无人机是悬挂在树枝上，因此药液是由下到上进行喷射，因此可以对叶面下部进行有效喷施，克服了原来的喷药设备只能从上到下进行喷射的问题。

4.通过旋翼转动产生升力飞行，通过气泵转动产生向上的使雾滴扩散的风力，提高雾滴的穿透性和扩散能力，提高树叶背面喷施作业。

5.可以对树冠底部进行拍摄作业或机械手作业，应用场合广泛；可以利用无人机进行摘取作业，从下方摘取树木果实，更方便操作；拍摄作业，便于观察树木的生长情况、判断是否病变等。

6.超声波测距模块测出无人机与树枝距离后，飞控模块控制伸缩机构，使无人机进行纵向移动至作业适宜位置，再启动作业。

7.结构简单，操作方便，成本低，节能，尤其适用于高冠疏枝的作业。

附图说明

图1是本发明的立体图。

图2是本发明的另一视角的立体图。

图3是本发明夹持在树枝上的立体图。

图4是本发明夹持在树枝上的另一视角的立体图。

图中：11—固定盘、12—机臂、21—电机座、22—电机、23—旋翼、31—连接杆、32—可动机械爪、33固定机械爪、34—铝柱、35—柔性结构、36—连接件、37—舵机、38—旋转装置、41—喷管、42—喷头、43—水泵、44—机载药箱、45—气泵。

具体实施方式

下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。

实施例一

一种适用于高冠疏枝的环握式施药无人机包括机架、动力与控制机构、喷雾作业执行机构、吊钩紧固装置。

机架包括固定盘11、机臂12。固定盘11为不可拆卸的夹层结构，内置电池、电子调速器、飞控模块、电池、水泵主体及喷雾作业控制器、气泵及其控制模块等。每个机臂12起始端固定在固定盘11上，对称分布，且机臂12与固定盘11上表面基本保持水平。放置在固定盘11内部的物体沿中心均匀重量分布，整个无人机重心处于吊钩紧固装置与固定盘连接处。

动力与控制机构包括电机座21、电机22、旋翼23和飞控模块(未标出)等。旋翼23设置在机臂12的末端，旋翼23由电机22驱动，转动产生向下的风力，飞控模块通过电子调速器(未标出)控制电机22的转动。上述动力与控制机构均由动力电池(未标出)供电。电子调速器放置在固定盘11的夹层中，动力电池和飞控模块分布在固定盘11内部。

本发明无人机是应用于喷雾作业，所以在无人机上设有若干个喷雾作业执行机构，每个喷雾作业执行机构包括喷管41、喷头42、水泵43、药箱44和喷雾作业控制器(未标出)，喷管41顶部安装有喷头42，底部与固定盘11设有通孔的上部连接，喷管41通过上部通孔与水泵43连接。水泵43连接喷管41底部，水泵43放置在固定盘11上方。本实施例中，为了在复杂的树枝环境中方便施药，药箱44固定于无人机底部上，在无人机固定在树枝的相应位置后，水泵43将药箱44中的药液通过喷管41经由喷头42泵出。本实施例药液是由下到上进行喷射，因此可以对叶面下部进行有效喷施。机载药箱可减小连接软管长度和水泵压力。

为了提高雾滴的穿透性和扩散能力，提高树叶背面喷施作业的效果，本实施例提出设置若干个喷雾驱动装置，每个喷雾驱动装置包括气泵45和喷气作业控制器。气泵45的输出口正对着喷头42，其主体及喷气作业控制器放置在固定盘11的夹层中。喷管41管体为直线型，并与固定盘11保持一定倾角使得喷头32处于气泵45的正上方。药液从喷头喷出后，启动位于喷头下方的气泵45，产生向上的使雾滴扩散的风力，从而可以提高雾滴的穿透性和扩散能力。

机臂12的数量为四根，机臂12也可做成伸缩式或折叠式架构，方便携带。在实际应用中，旋翼23可以是固定螺距桨叶，也可以是变螺距螺旋桨机构。

吊钩紧固装置设置在固定盘11上部中央位置，包括连接杆31、可动机械爪32、固定机械爪33、铝柱34、柔性结构35、连接件36、舵机37、旋转装置38。连接杆31将可动机械爪32及固定机械爪33与固定盘11的上部连接。柔性结构35分别放置在可动机械爪32及固定机械爪33与作业树枝接触面上。通过铝柱34固定的可动机械爪32与固定机械爪33通过连接件36连接。控制可动机械爪开合的舵机37放置于连接件36内部。旋转装置38将吊钩紧固装置与固定盘11上部相连，内含无人机姿态传感器。舵机37与接收机、飞控模块(未标出)依次相连。在无人机到达指定高度后，飞控模块通过舵机37控制可动机械爪32的开合，紧握作业树枝后，旋转装置38中的姿态传感器收集无人机姿态传送至飞控模块，飞控模块通过变动旋转装置38，使无人机处于水平姿态，方便后述执行各种作业。

一种适用于高冠疏枝的环握式施药无人机的作业方法，包括以下步骤：

a、将无人机放置在树底；

b、飞控模块(未标出)通过电机22启动旋翼23，提供无人机上升所需升力，无人机上升至需要作业的高度保持悬停；

c、舵机37控制可动机械爪32的收紧，紧握作业树枝，使其挤压树枝产生足够摩擦力和支持力；

d、飞控模块停止旋翼23，无人机失去旋翼升力，依靠可动机械爪32及固定机械爪33形成的近圆环握持部位与树枝产生的支持力稳定保持在作业高度，不消耗动力电池能量。旋转装置38中的姿态传感器收集无人机姿态传送至飞控模块，飞控模块通过变动旋转装置38，使无人机处于水平姿态作业；

e、喷雾作业控制器控制喷雾作业执行机构开始进行喷雾，同时飞控模块通过喷气作业控制器启动气泵45，提供雾滴向上扩散的风力；

f、作业完毕，喷雾作业执行机构停止作业，飞控模块停止气泵45工作；

g、飞控模块再次启动旋翼23，提供无人机悬停所需升力；

h、舵机37控制可动机械爪32的放松，使可动机械爪32及固定机械爪33形成较大角度，让其挤压树枝产生的支持力消失；

i、无人机移动至另一处工作位置重复上述操作直至作业对象施药作业完毕；

j、飞控模块控制无人机下降至地面。

实施例二

本实施例中，药箱放置在地面，药箱和水泵通过连接软管连接。

本实施例未提及部分同实施例一。

实施例三

在实施例一的基础上，本实施例在固定盘上加装机械手作业执行机构，其包括两个机械手、机械手控制装置。机械手分布于固定盘上部，分别与机械手控制装置连接，机械手控制装置与飞控模块连接。飞控模块接收外部的操作指令，控制机械手完成摘取等动作。

本实施例未提及部分同实施例一。

实施例四

在实施例一的基础上，本实施例在固定盘上加装拍摄作业执行机构，包括相机和相机控制器，相机设置于固定盘上方，相机控制器与飞控模块相连。通过此方式，可以利用无人机进行拍摄作业，便于观察树木的生长情况、判断是否病变等。

本实施例未提及部分同实施例一。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种适用于高冠疏枝的环握式施药无人机，包括机架、通过旋翼提供飞行动力的动力与控制机构、喷雾作业执行机构，喷雾作业执行机构安装在机架上；其特征在于：还包括用于在旋翼停止转动时将无人机紧固在树枝上的吊钩紧固装置，吊钩紧固装置安装在机架上；动力与控制机构包括用于控制的飞控模块。

2.按照权利要求1所述的一种适用于高冠疏枝的环握式施药无人机，其特征在于：吊钩紧固装置包括连接杆、可动机械爪、固定机械爪、连接件、舵机；可动机械爪、连接件、固定机械爪、连接杆、机架依次相接，其中可动机械爪与连接件转动式连接，驱动可动机械爪转动的舵机安装在连接件内；可动机械爪和固定机械爪围成一可开合的环形握持部位；舵机与飞控模块相接。

3.按照权利要求2所述的一种适用于高冠疏枝的环握式施药无人机，其特征在于：可动机械爪和固定机械爪的内侧均设有用于保护树枝的柔性结构；吊钩紧固装置还包括检测握持部位压力的压力传感器，当握持部位压力大于设定值时，停止可动机械爪的进一步收紧；吊钩紧固装置还包括控制固定机械爪靠近或远离机架的伸缩机构、测量无人机和树枝距离的超声波测距模块，根据超声波测距模块的检测结果，飞控模块控制伸缩机构伸缩。

4.按照权利要求2所述的一种适用于高冠疏枝的环握式施药无人机，其特征在于：连接杆和机架之间设有旋转装置，旋转装置内设有检测无人机作业姿态的传感器，旋转装置根据传感器的检测结果，将无人机的作业姿态调整为水平姿态。

5.按照权利要求1所述的一种适用于高冠疏枝的环握式施药无人机，其特征在于：喷雾作业执行机构的数量为至少一个；每个喷雾作业执行机构均包括喷管、喷头、水泵、连接软管、喷雾作业控制器和药箱，喷管顶部安装有喷头，喷管底部与机架上部的通孔连接，喷管通过该通孔与水泵连接；连接软管一端连接水泵，另一端连接药箱；飞控模块通过喷雾作业控制器控制水泵运行。

6.按照权利要求5所述的一种适用于高冠疏枝的环握式施药无人机，其特征在于：还包括与喷雾作业执行机构一一对应设置的喷雾驱动装置；每个喷雾驱动装置均包括气泵及喷气作业控制器，气泵设置在喷头的正下方；气泵由喷气作业控制器控制，启动产生向上的风力；喷管为直线型，并与机架保持一定倾角使得喷头处于气泵的正上方。

7.按照权利要求1所述的一种适用于高冠疏枝的环握式施药无人机，其特征在于：还包括机械手作业执行机构和/或拍摄作业执行机构；机械手作业执行机构包括若干个机械手和机械手控制装置，机械手分布于机架的上部或者下部，分别与机械手控制装置连接，机械手控制装置与飞控模块连接；拍摄作业执行机构包括相机和相机控制器，相机设置于机架上方，相机控制器与飞控模块相连。

8.按照权利要求1至7中任一项所述的一种适用于高冠疏枝的环握式施药无人机，其特征在于：机架包括一固定盘和至少两个机臂；固定盘为不可拆卸的夹层结构，每个机臂起始端固定在固定盘上，各个机臂对称分布；

动力与控制机构包括旋翼、电机、电子调速器和飞控模块；旋翼设置在机臂的末端，旋翼由电机驱动，转动产生向下的风力，飞控模块通过电子调速器控制电机的转动；

吊钩紧固装置从固定盘延伸出。

9.一种适用于高冠疏枝的环握式施药无人机的施药方法，采用权利要求1-8中任一项所述的适用于高冠疏枝的环握式施药无人机，其特征在于：无人机上升并保持悬停，通过吊钩紧固装置抓紧目标树枝悬挂，旋翼即可停止转动；悬挂状态下喷雾作业执行机构实施施药操作，或/和机械手作业执行机构实施采摘操作，或/和拍摄作业执行机构实施拍摄操作。

10.按照权利要求9所述的一种适用于高冠疏枝的环握式施药无人机的施药方法，其特征在于：喷雾作业执行机构工作时，喷雾驱动装置启动，气泵正对喷嘴产生向上的气流；气流大小可调。