CN108750120B - 一种植保无人飞机喷头主动平衡装置及调节方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种植保无人飞机喷头主动平衡装置及其调节方法，所述喷头主动平衡装置设有平衡控制器和平衡执行机构，所述平衡控制器设有控制单元和姿态传感器，所述控制单元与姿态传感器连接，安装在控制盒内，并与植保无人飞机喷杆固连，用于检测喷头姿态信息以及输出控制信号。所述平衡执行机构包括喷头俯仰角度调节机构和喷头横滚角度调节机构。本发明可以根据植保无人飞机的飞行姿态实时的调节喷头的横滚或俯仰角度，使喷头维持在预设的对地初始状态，和作物冠层面尽量保持齐平，促使药剂喷洒均匀，以避免重喷或漏喷的现象发生，且本发明喷头主动平衡装置及其调节方法易于实施，适合推广使用。

Description

一种植保无人飞机喷头主动平衡装置及调节方法

技术领域

本发明属于农林业航空机械技术领域，具体涉及一种喷头主动平衡装置及调节方法。

背景技术

在航空喷洒作业中，喷头作为植保无人飞机喷洒系统的重要组成部分，喷头的安装位置、角度、水平度等，对喷洒有效幅宽甚至药液雾滴的沉积分布效果等有着直接影响。一般情况下，植保无人飞机的喷头与喷杆之间是固定连接，在进行喷洒作业之前，喷头的安装位置、角度、水平度已经通过测试得到了确定，同时在实际作业中，希望喷头保持预先设定好的状态(水平状态)，以保证最佳的喷雾效果。

由于航空植保装备的载荷限制，目前航空施药多采用低量或超低量、高浓度喷洒方式，药液的重喷、漏喷现象会导致比地面机具更严重的后果。现有的航空喷洒装备上的喷杆大都是固定在起落架上或药箱上，在安装设计中(地面)，喷杆与机身保持水平状态，但是在实际作业中以下主要几个因素会导致机身不能与地面保持水平，从而导致固定在喷杆上的喷头姿态要素发生变化，影响作业效果：1)航空施药装备作业前进或后退飞行中，机身随着旋翼面会有向前(后)一定角度的倾(仰)角，导致喷杆前倾(后仰)，预先设定好的喷头角度发生改变，影响喷洒均匀性；2)飞行作业中受到持续侧风或者阵风作用影响，会导致机身倾斜，固定在喷杆上的喷头也会随之倾斜，引起喷洒不均匀；3)由于航空施药装备自身的飞行中的振动引起的喷杆倾斜，或在地面装配时重心配置、操控等因素引起的喷杆不水平等。以图1、2所示，图1中喷头的安装位置预先设置好，设置中在一定喷洒高度h和旋翼下洗气流的作用下，喷杆水平情况下能够实现药液预定幅宽的均匀喷洒，当有因素引起喷杆的姿态不能保持水平状态时，会出现漏喷和重喷的现象,引起达不到防效和药害的严重后果，图2中由于飞机加速、减速引起喷头俯仰角度发生变化，会造成喷雾不均匀，影响施药效果。

《CN201611141033.3一种农用遥控飞行植保机喷杆主动平衡装置及调节方法》设计了一种喷杆主动平衡装置，但目前植保无人飞机大多采用分体式喷杆或者喷头直接安装于旋翼下方，此结构难以应用于这类植保无人飞机。

发明内容

为了避免植保无人飞机飞行过程中各因素造成喷头振(晃)动，而引起的漏喷和重喷现象，同时能够应用于各种类型的植保无人飞机，本发明设计了一种喷头主动平衡装置及调节方法，可解决传统航空植保作业中喷洒装备上固定喷头的平衡姿态不能主动调节问题。

为了实现上述技术目的，本发明公开的技术方案为：

一种植保无人飞机喷头主动平衡装置，包括平衡控制器和平衡执行机构：

所述平衡控制器设有控制单元和姿态传感器，所述控制单元与姿态传感器连接，用于检测喷头姿态信息以及输出控制信号，并直接反馈给控制电机；

所述平衡控制器安装于控制盒内，所述控制盒与植保无人飞机喷杆通过管道固定夹连接，位置与角度可调；

所述平衡执行机构包括喷头俯仰角度调节机构和喷头横滚角度调节机构，所述喷头俯仰角度调节机构包括第一电机、第一电机传动座电机连接块，所述喷头横滚角度调节机构包括第二电机、电机连接块第二电机传动座；所述第一、第二电机安装于电机连接块上，并分别与所述平衡控制器连接；所述第一电机的传动端通过螺钉固定在第一电机传动座上，第一电机传动座通过螺钉与控制盒固定连接，第一电机的动力输出端与电机连接块通过螺钉固定连接，控制电机连接块发生俯仰转动，所述第二电机通过螺钉安装固定在电机连接块上，第二电机动力输出端通过螺钉与第二电机传动座固定连接，第二电机传动座通过螺钉与喷头固定连接，控制喷头的横滚转动；

进一步的，所述平衡控制器的控制单元包括主控制器、电机驱动器、控制电路和无线信号接收器。

进一步的，所述第一、第二电机均为无刷伺服电机。

本发明还公布一种植保无人飞机喷头主动平衡装置的调节方法，包括以下步骤：

一)预先设定控制盒在植保无人飞机喷杆上的安装位置以及安装角度；

二)将植保无人飞机静置于水平地面上，启动所述平衡控制器，初始化姿态传感器；

三)通过平衡控制器的控制单元读取并记录姿态传感器在初始化状态时获得的喷头俯仰、横滚姿态角信息，以喷头此时的对地状态为初始状态，并以所述初始状态作为喷洒作业中对喷杆进行平衡调节的目标状态，操作植保无人飞机起飞和喷洒作业；

四)在喷洒作业中，通过平衡控制器的控制单元读取姿态传感器发送的信号，判断喷头姿态，计算出喷头当下对地状态与初始对地状态的偏差角度，并确定纠正方向，由主控制器对电机控制器发出信号，进而调整控制电机，纠正喷头的姿态偏差，将喷头调节至所述目标状态，完成平衡调节；

五)喷洒过程中，重复步骤四)的过程，直至一次航空施药作业结束。

所述步骤五)中，通过控制单元检测到姿态传感器发送信号发生变化时，即重复一次步骤四)的过程。

有益效果：

本发明可以根据植保无人飞机的飞行姿态实时的调节喷头的横滚或俯仰角度，使喷头维持在预设的对地初始状态，和作物冠层面尽量保持齐平，促使药剂喷洒均匀，以避免重喷或漏喷的现象发生，且本发明喷头主动平衡装置及其调节方法易于实施，可以应用于任意型号的植保无人飞机上，适合推广使用。

附图说明

图1为现有技术状态一的示意图。

图2为现有技术状态二的示意图。

图3-4为本发明喷头主动平衡装置的结构示意图。

图5为本发明喷头主动平衡装置的控制电路示意图。

具体实施方式

如图3-5所示的一种植保无人飞机喷头主动平衡装置，由平衡控制器和平衡执行机构等部件组成。

所述平衡控制器设有控制单元和姿态传感器，所述姿态传感器安装在喷头平衡控制器上，用于检测喷头的姿态信息，并直接反馈给所述平衡控制器，所述姿态传感器包括陀螺仪与加速度计；

所述平衡控制器安装于控制盒内，控制盒与植保无人飞机喷杆通过管道固定夹连接，位置与角度可调。

所述平衡控制器由主控制器、电机驱动器、控制电路、无线信号接收器组成，控制电路包括必要的电压转化、电压输入输出、数据采集与信号输出等电路模块。在植保无人飞机作业飞行过程中，主控制器不断采集由姿态传感器获取的喷头俯仰角、横滚角等飞行姿态信息，作为姿态调解依据，通过控制电路传输给电机驱动器，控制电机的响应，以完成喷头的自平衡调节。

所述平衡执行机构包括喷杆俯仰角度调节机构和喷杆横滚角度调节机构，所述喷头俯仰角度调节机构包括第一电机2、第一电机传动座1、，所述喷头横滚角度调节机构包括、第二电机4和第二电机传动座5，所述第一、第二电机安装于电机连接块3上，并分别与所述控制单元连接。

所述第一电机2的动力输出端固定在第一电机传动座1上，第一电机安装座1与控制盒6固定连接，所述平衡控制器安装于控制盒6内部，控制盒上盖7通过下管道夹8、上管道夹9与植保无人飞机喷杆10连接，可以通过调整管道夹位置来调整控制盒的位置与相对角度。第一电机安装在电机连接块3上，电机控制线路通过电机连接块3上的导槽与控制盒内的平衡控制器连接；第二电机安装在电机连接块3上，动力输出端固定安装在第二电机传动座座5上，喷头11固定连接在第二电机安装座5上。

第一电机2完成安装后，第一电机动力输出端相对于植保无人飞机喷杆10固定，第一电机2安装端发生相对转动，带动电机连接块3进行俯仰转动，从而带动第二电机4进行俯仰转动；第二电机动力输出端通过第二电机传动座11与喷头12固定连接，控制喷头进行横滚转动；第一电机2与第二电机4共同转动，控制喷头14的俯仰转动与横滚转动，达到调解喷头姿态的目的。

本实施例中，所述第一电机、第二电机均为无刷伺服电机，姿态传感器采用电子陀螺仪。

用于如上所述植保无人飞机喷头主动平衡装置的调节方法，如图5所示，包括以下步骤：

一)在实际航空施药作业之前，根据所需的喷洒飞行高度、飞行速度、亩施药量、有效喷幅等信息及气压、风速等环境因素，预先设定好喷头在植保无人飞机喷杆上的安装位置和安装角度；

二)将植保无人飞机静置于水平地面上，启动所述主动平衡装置，初始化电子陀螺仪，设此时电子陀螺仪的初始化俯仰角α、横滚角β为0°，“俯态”α角为正值，“仰态”α角为负值，“左向横滚态”β角为正值，“右向横滚态”β角为负值；

三)通过控制单元读取并记录电子陀螺仪在初始化状态时获得的喷头俯仰、横滚姿态角信息，同时设定第一、第二电机的角位移为0°，以喷头此时的对地状态(相对地面的俯仰角、横滚角)为初始状态，并以所述初始状态作为喷洒作业中对喷头进行平衡调节的目标状态，操作植保无人飞机起飞、喷洒作业；

四)在喷洒作业中，通过控制单元实时采集电子陀螺仪发送的信号，判断喷头姿态，当机身由于振动或其他因素引起陀螺仪的姿态角度发生变化时，电子陀螺仪俯仰角α、横滚角β发生变化，在姿态控制中，通过采集陀螺仪和加速度传感器的测量值,采用互补滤波进行数据融合可得到喷头的姿态信息，当有扰动力矩作用在平衡执行机构上，使得喷头偏离预设位置同时产生角度误差信号，相应的该角度误差信号通过平衡控制器运算输出信号控制电机，在相应的电机轴输出反力矩，以补偿外界扰动力矩，实现喷头的平稳，纠正姿态偏差，将喷头调节至所述目标状态，完成平衡调节；

五)喷洒过程中，设置当控制单元检测到电子陀螺仪发送信号发生变化时(变化响应量可调)，即重复一次步骤四)的过程，直至一次航空施药作业结束。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，本发明要求保护范围由所附的权利要求书、说明书及其等效物界定。

Claims (3)

1.一种植保无人飞机喷头主动平衡调节方法，其特征在于：根据植保无人飞机的飞行姿态实时的调节喷头的横滚或俯仰角度，使喷头维持在预设的对地初始状态，和作物冠层面尽量保持齐平，促使药剂喷洒均匀；植保无人飞机喷头主动平衡装置包括平衡控制器和平衡执行机构：

所述平衡控制器设有控制单元和姿态传感器，所述控制单元与姿态传感器连接，用于检测喷头姿态信息以及输出控制信号，并直接反馈给控制电机；

所述平衡控制器安装于控制盒内，所述控制盒与植保无人飞机喷杆通过管道固定夹连接，位置与角度可调；所述平衡控制器的控制单元包括主控制器、电机驱动器、控制电路和无线信号接收器；姿态传感器采用电子陀螺仪；

所述平衡执行机构包括喷头俯仰角度调节机构和喷头横滚角度调节机构，所述喷头俯仰角度调节机构包括第一电机、第一电机传动座电机连接块，所述喷头横滚角度调节机构包括第二电机、电机连接块第二电机传动座；所述第一、第二电机安装于电机连接块上，并分别与所述平衡控制器连接；所述第一电机的传动端通过螺钉固定在第一电机传动座上，第一电机传动座通过螺钉与控制盒固定连接，第一电机的动力输出端与电机连接块通过螺钉固定连接，控制电机连接块发生俯仰转动；所述第二电机通过螺钉安装固定在电机连接块上，第二电机动力输出端通过螺钉与第二电机传动座固定连接，第二电机传动座通过螺钉与喷头固定连接，控制喷头的横滚转动；

所述第一电机的动力输出端固定在第一电机传动座上，第一电机传动座与控制盒固定连接，所述平衡控制器安装于控制盒内部，控制盒上盖通过下管道夹、上管道夹与植保无人飞机喷杆连接，通过调整管道夹位置来调整控制盒的位置与相对角度；第一电机安装在电机连接块上，电机控制线路通过电机连接块上的导槽与控制盒内的平衡控制器连接；第二电机安装在电机连接块上，动力输出端固定安装在第二电机传动座上，喷头固定连接在第二电机安装座上；

第一电机完成安装后，第一电机动力输出端相对于植保无人飞机喷杆固定，第一电机安装端发生相对转动，带动电机连接块进行俯仰转动，从而带动第二电机进行俯仰转动；第二电机动力输出端通过第二电机传动座与喷头固定连接，控制喷头进行横滚转动；第一电机与第二电机共同转动，控制喷头的俯仰转动与横滚转动，达到调节喷头姿态的目的；

调节方法包括以下步骤：

一）预先设定控制盒在植保无人飞机喷杆上的安装位置以及安装角度；

二）将植保无人飞机静置于水平地面上，启动所述平衡控制器，初始化姿态传感器；

三）通过平衡控制器的控制单元读取并记录姿态传感器在初始化状态时获得的喷头俯仰、横滚姿态角信息，以喷头此时的对地状态为初始状态，并以所述初始状态作为喷洒作业中对喷杆进行平衡调节的目标状态，操作植保无人飞机起飞和喷洒作业；

四）在喷洒作业中，通过平衡控制器的控制单元读取姿态传感器发送的信号，判断喷头姿态，计算出喷头当下对地状态与初始对地状态的偏差角度，并确定纠正方向，由主控制器对电机控制器发出信号，进而调整控制电机，纠正喷头的姿态偏差，将喷头调节至所述目标状态，完成平衡调节；

五）喷洒过程中，重复步骤四）的过程，直至一次航空施药作业结束。

2.根据权利要求1所述的一种植保无人飞机喷头主动平衡调节方法，其特征在于，所述第一、第二电机均为无刷伺服电机。

3.根据权利要求1所述的一种植保无人飞机喷头主动平衡调节方法，其特征在于，所述步骤五）中，通过控制单元检测到姿态传感器发送信号发生变化时，即重复一次步骤四）的过程。