CN109760846B - 一种植保无人机田间自动补给装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种植保无人机田间自动补给装置与方法。植保无人机田间自动补给装置包括无人机起降平台、药箱电池组更换系统、太阳能供电系统、药液补充系统、行走底盘、无线通讯系统及自主导航控制系统。植保无人机田间自动补给装置携带一定数量的药箱电池组在作业地块旁的田间道路上自主行走，通过与植保无人机通信预测补给点位置并自主行驶到达，为植保无人机提供实时、就地、快速的补给。补给通过整体更换药箱电池完成，更换下来的药箱电池组在充电和加注药液后循环投入使用。与现有技术相比，本发明具有可连续大面积植保作业，作业效率高、植保无人机非作业飞行时间短、自动化程度高、对人身安全保护更好的优点。

Description

一种植保无人机田间自动补给装置及方法

技术领域

本发明涉及一种植保无人机田间补给技术，尤其涉及一种采用移动补给装置对农业植保无人机进行电池及药液补给的装置及方法。

背景技术

植保无人机因其具有作业效率高、作业高度低、飘移少、对环境污染小、防治病虫害效果好、运行成本低等优点，在农业生产中具有重大的应用需求和前景。

尽管近几年来我国植保无人机发展迅速，但大多数植保无人机生产企业是基于航模发展而来的，许多技术问题还有待攻克，其中续航能力与负载能力是目前制约植保无人机推广与应用的两个重要因素。以目前市场上主流的电动多旋翼植保无人机为例，续航时间一般在10-15分钟左右,有效载药量一般在10-15kg左右。当电池或药剂耗尽，植保无人机需要返航到操作人员位置进行补充。无论是更换电池还是补充药剂，都将占用大量作业时间，增加非作业航程、降低无人机的作业效率，增加操作人员劳动强度，同时有毒药剂对操作人员的健康与安全也构成了威胁。一方面受到现有电池与充电技术的制约，另一方面载重量的增加会导致无人机的尺寸和成本急剧增加，植保无人机续航能力与负载能力这两个技术瓶颈在较长的一段时间内难以突破。

目前国内一些科研单位及企业已经提出了植保无人机载荷和续航能力的改善方法，部分通过设计电池的结构或者增加电池能量密度改善续航问题，但这种方法投入成本过高且短时间内没有显著的效果。一部分研究在现有机型基础上进行优化，但优化参数只能小幅度提升无人机的续航能力。还有一部分研究提出植保无人机充电站，无人机可降落在该充电站上自动完成电池更换与药液加注操作，但无人机仍然需要返回补给点，并未从根本上解决植保无人机作业的连续性问题。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明的目的在于避免现有技术的不足，提供一种可跟随植保无人机作业路径自主移动的田间自动补给装置和补给方法，为植保无人机提供实时、快速的自动补给，以实现植保无人机连续大面积作业。

为实现本发明的目的，本发明采取以下技术方案：植保无人机田间自动补给装置由无人机起降平台、药箱电池组更换系统、太阳能供电系统、药液补充系统、行走底盘、无线通讯系统及自主导航控制系统组成；植保无人机田间自动补给装置通过无线通讯系统与植保无人机保持数据通讯，通过自主导航控制系统自主在田间道路上行驶并提前到达预测补给点；无人机降落在无人机起降平台上并通过更换药箱电池组完成补给，补给后再次起飞作业；植保无人机田间自动补给装置对更换下来的药箱电池组进行充电和药液加注，并继续前往下一补给点。

所述无人机起降平台安装在植保无人机田间自动补给装置的顶端，用于植保无人机的起降，包括无人机承载面板和无人机二次精定位装置。承载面板用于无人机降落着陆，无人机承载面板一侧开设有补给口，无人机机二次精定位装置用于将着陆在无人机承载面板上的无人机推送至补给口位置。

所述药箱电池组更换系统安装在无人机起降平台的下方，包括若干组药箱电池组、药箱电池组循环供料系统及药箱电池组取放推杆。药箱电池组为药箱与电池的一体化结构，并设置有快拆部件用于与植保无人机快速连接与脱离，植保无人机通过整体更换药箱电池组实现快速补给。药箱电池组循环供料系统用于多组药箱电池组的循环供料，从植保无人机上更换下来的药箱电池组在循环过程进行药液加注和电池充电，通过循环后重新用于植保无人机补给；循环供料系统中的药箱电池组容量为6到10组，保证足够长的循环周期以完成对任一药箱电池组的药液补给与电池充电；药箱电池组取放推杆垂直安装在无人机承载板补给口的正下方，并位于药箱电池组循环供料系统上料工位的下方，推杆缩回时将无人机的药箱电池组取下放到药箱电池组循环供料系统的空位上，推杆伸出时将补充好的药箱电池组从药箱电池组循环供料系统中推出并推送到植保无人机上。

所述太阳能供电系统由太阳能电池、车载电池和电源控制器组成，在电源控制器的控制下，太阳能电池与车载电池共同为系统提供电力并为从植保无人机更换下来的药箱电池组充电，太阳能电池也可以对车载电池充电。太阳能电池安装在无人机承载面板上，与无人机承载面板集成在一起，采用一体化设计。

所述药液补充系统由车载药箱、药液输送泵和输送管道组成，用于对更换下来的无人机药箱进行药液补充。

所述自主导航控制系统由GPS定位装置、车载摄像头及车载电脑组成，GPS定位装置用于获得实时位置，车载摄像头用于获取前方道路信息，车载电脑对所有信息进行综合处理并进行相应的运动控制。

所述无线通讯系统与植保无人机保持联系，与植保无人机进行点对点双向通讯，接收植保无人机位置数据和状态数据，并发送自身实时位置与控制指令，以确保对于植保无人机的就近补给与准确对接。

所述行走底盘搭载全部组成部件，在自主导航控制系统的控制下实现田间自主行走。优选的，所述行走底盘有用履带式底盘。

一种植保无人机田间自动补给方法，包括以下步骤：植保无人机田间自动补给装置携带若干药箱电池组到达作业起点位置，植保无人机停放在植保无人机田间自动补给装置的无人机起降平台上；植保无人机起飞进行植保作业，采用往复飞行作业路径并向田块前方推进，每一次往复飞行推进约两倍作业幅宽的距离；植保无人机田间自动补给装置在自主导航控制系统的控制下在田间道路上沿作业推进方向前进，并通过无线通讯系统与植保无人机交换数据；植保无人机田间自动补给装置通过综合分析数据预测下一个补给点位置并提前到达该位置准备提供补给，植保无人机完成一轮作业后到达补给点并着陆在植保无人机田间自动补给装置的无人机起降平台上；无人机起降平台上的二次精定位装置将植保无人机推送到补给口位置，药箱电池组更换系统将植保无人机上的药箱电池组取下并更换新的药箱电池组完成快速补给，取下的药箱电池组送入到药箱电池组循环供料系统中；植保无人机重新起飞开始新一轮的作业飞行并继续向前推进，植保无人机田间自动补给装置继续沿作业推进方向朝下一预测补给点前进；植保无人机田间自动补给装置行进过程中，药液补给系统和太阳能供电系统为换下的药箱电池组进行药液补充和充电以实现循环使用。

与现有技术相比，本发明的有益效果是，采用植保无人机田间自动补给装置对植保无人机进行就地、实时、快速补给的方式，植保无人机不需要返回起飞点进行补给，从而大大延长了无人机的续航能力和作业时间，为植保无人机续大面积作业提供了有力的保障。与现有的人工补给和定点加药充电方式相比，具有作业效率高、植保无人机非作业飞行时间短、自动化程度高、对人身安全保护更好的优点。

附图说明

图1所示为植保无人机田间自动补给装置主视图。

图2所示为植保无人机田间自动补给装置轴测图。

图3所示为植保无人机田间自动补给装置作业原理示意图。

图中：1、药箱电池组取放推杆，2、药箱电池组，3、药箱电池组循环供料系统，4、行走底盘，5、车载摄像头，6、车载药箱，7、药液输送泵，8、药液输送管道，9、药液加注口，10、无人机起降平台，11、无人机承载面板，12、太阳能电池，13、二次精定位装置，14、补给口，15、植保无人机田间自动补给装置，16、植保无人机。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进一步说明。

本发明中植保无人机田间自动补给方法如图3所示。植保作业开始前，植保无人机田间自动补给装置15搭载植保无人机16位于作业田块一侧的起点位置。植保无人机16从起飞后开始沿田块进行往复植保作业，采用往复飞行作业路径并向田块前方推进，每一次往复飞行推进约两倍作业幅宽的距离。植保无人机田间自动补给装置15则在自主导航控制系统控制下在田块一侧的田间道路上沿植保作业推进方向自主前进。植保无人机田间自动补给装置15通过无线通信系统与植保无人机16保持数据通信，获得植保无人机16的位置、剩余电量及药量等数据，计算出下一预测补给位置，自主行驶并提前到达。植保无人机16在电量与药量即将耗近时降落到植保无人机田间自动补给装置15上进行补给，在补给完成后起飞继续作业。植保无人机田间自动补给装置15则沿植保作业推进方向向下一预测补给点前进。植保无人机田间自动补给装置15通过车载GPS系统获取自身位置，通过车载摄像头5获取田间道路状态信息，通过自主导航控制系统实现自主行驶。

本发明中植保无人机田间自动补给装置主视图如图1所示。无人机起降平台10位于装置的最顶端，上面设置有大面积的无人机承载面板11，在无人机承载面板的一端开设有补给口14。自主导航控制系统的精度无法保证无人机精确地降落在补给口14位置，但是可以引导无人机降落在面积较大的无人机承载面板11上，再通过二次精定位装置13将无人机拖放至补给口14并自动固定。当无人机到达补给口14后，无人机上搭载的药箱电池组快拆机构夹具也随之打开，药箱电池组取放推杆1上升，将无人机上搭载的药箱电池组取下，然后药箱电池组取放推杆1下降，将取下的药箱电池组放到药箱电池组循环供料系统3的相应空闲工位上。药箱电池组循环供料系统3的供料盘旋转一个角度至下一供料位置，然后药箱电池组取放推杆1上升，将供料盘该位置上新的药箱电池组推出并举升到无人机上，药箱电池组上的快拆机构自动锁紧完成安装。至此植保无人机一次补组给完成，再次起飞作业，药箱电池组取放推杆1下降至起始位置准备下一次补给。

本发明中的药箱电池组循环供料系统3采用循环供料方式，更换下来的药箱电池组在循环过程中进行充电和药液补充。循环供料系统携带的药箱电池组数量为6-10组，能满足经过一个供料循环后，药箱电池组完成充电和药液补充，可投入下一轮补给使用。充电由太阳能供电系统完成，在无人机承载面板11上铺设的太阳能电池12与车载电池一起为药箱电池组充电，同时为行走底盘及装置其它部分提供电源。药液补充由药液补充系统完成，补充方式采用固定工位补充。当待补充的药箱电池组运行到补充工位时，药液输送泵7开启，将药液从车载药箱6中抽出，通过药液输送管道8，最终通过药液加注口9加注到药箱中。

虽然结合附图描述了本发明的实施方式，但是本领域技术人员可以在不脱离本发明的精神和范围的情况下做出各种修改和变型，这样的修改和变型均落入由所附权利要求所限定的范围内。

Claims (5)

1.一种植保无人机田间自动补给装置，包括无人机起降平台、药箱电池组更换系统、太阳能供电系统、药液补充系统、行走底盘、无线通讯系统及自主导航控制系统，其特征在于：所述无人机起降平台安装在所述植保无人机田间自动补给装置的顶端，用于植保无人机的起降；

植保无人机通过整体更换药箱电池组实现快速补给；

所述药箱电池组更换系统安装在所述无人机起降平台的下方，通过设置在所述无人机起降平台上的补给口对植保无人机携带的药箱电池组进行更换，多组药箱电池组采用循环使用的方式进行补充与更换；

所述太阳能供电系统为全部工作部件提供电力并对更换下来的无人机电池充电；

所述药液补充系统对更换下来的无人机药箱进行药液补充；所述底盘搭载全部组成部件，在所述自主导航控制系统的控制下实现田间自主行走；

通过所述无线通讯系统与植保无人机保持联系，实现对于植保无人机的就近补给与准确对接；

所述无人机起降平台包括无人机承载面板和无人机二次精定位装置，无人机承载面板一侧开设有补给口，无人机机二次精定位装置用于将着陆在无人机承载面板上的无人机推送至补给口位置；

所述药箱电池组为药箱与电池的一体化结构并设置有快拆部件用于与植保无人机快速连接与脱离；

所述药箱电池组更换系统包括若干组药箱电池组、药箱电池组循环供料系统、药箱电池组取放推杆；

所述药箱电池组更换系统采用循环供料，从植保无人机上更换下来的药箱电池组在循环过程进行药液加注和电池充电，通过循环后重新用于植保无人机补给；循环供料系统中的药箱电池组容量为6到10组，保证足够长的循环周期以完成对任一药箱电池组的药液补给与电池充电；

所述太阳能供电系统是由太阳能电池、车载电池和电源控制器组成，太阳能电池与车载电池共同为系统提供电力并为从植保无人机更换下来的药箱电池组充电，太阳能电池也可以对车载电池充电；

所述太阳能电池与所述无人机承载面板集成在一起，采用一体化设计。

2.如权利要求1所述一种植保无人机田间自动补给装置，其特征在于，所述药液补充系统由车载药箱、药液输送泵和输送管道组成。

3.如权利要求1所述一种植保无人机田间自动补给装置，其特征在于，所述无线通讯系统与植保无人机进行点对点双向通讯，接收植保无人机位置数据和状态数据，并发送自身实时位置与控制指令，以确保对于植保无人机的就近补给与准确对接。

4.如权利要求1所述一种植保无人机田间自动补给装置，其特征在于，所述自主导航控制系统由GPS定位装置、车载摄像头及车载电脑组成，GPS定位装置用于获得实时位置，车载摄像头用于获取前方道路信息，车载电脑对所有信息进行综合处理并进行相应的运动控制。

5.一种植保无人机田间自动补给方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1.权利要求1所述植保无人机田间自动补给装置携带若干药箱电池组到达作业起点位置，植保无人机停放在植保无人机田间自动补给装置的无人机起降平台上；

S2.植保无人机起飞进行植保作业，采用往复飞行作业路径并向田块前方推进，每一次往复飞行推进约两倍作业幅宽的距离；

S3.植保无人机田间自动补给装置在自主导航控制系统的控制下在田间道路上沿作业推进方向前进，并通过无线通讯系统与植保无人机交换数据；

S4.植保无人机田间自动补给装置通过综合分析数据预测下一个补给点位置并提前到达该位置准备提供补给，植保无人机完成一轮作业后到达补给点并着陆在植保无人机田间自动补给装置的无人机起降平台上；

S5.无人机起降平台上的二次精定位装置将植保无人机推送到补给口位置，药箱电池组更换系统将植保无人机上的药箱电池组取下并更换新的药箱电池组完成快速补给，取下的药箱电池组送入到药箱电池组循环供料系统中；

S6.植保无人机重新起飞开始新一轮的作业飞行并继续向前推进，植保无人机田间自动补给装置继续沿作业推进方向朝下一预测补给点前进；

S7.植保无人机田间自动补给装置行进过程中，药液补给系统和太阳能供电系统为换下的药箱电池组进行药液补充和充电以实现循环使用。