CN110122319A - 一种温室用自主导航授粉无人机及其控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种温室用自主导航授粉无人机及其控制方法，该无人机包括机体、旋翼组件、旋翼转向机构以及控制系统定位系统，旋翼组件包括旋翼、电机、电机支架以及旋翼防护圈，旋翼转向机构包括丝杆步进电机、丝杆螺母、滑块、转轴以及连杆，控制系统包括飞行控制器、惯性测量单元、超声波模块、无线通信模块、电调；无人机运行时的定位系统包括UWB定位标签、UWB基站以及上位机，无人机通过控制多组旋翼组件的方向，使旋翼组件倾斜产生水平风场分量，促使花粉扩散到周围花朵上，而不是垂直下落，有效地提高了温室环境下的风力授粉效果，此外通过惯导技术与UWB定位融合，实现温室环境下的定位与自主导航，大大降低了劳动成本与使用难度。
Description
技术领域
本发明涉及农业机械装备领域，具体涉及一种温室用自主导航授粉无人机及其控制方法。
背景技术
近年来，我国设施农业发展迅速，但由于温室大棚内，种植环境封闭、缺乏自然授粉所需的昆虫、风力等因素，不能很好的完成授粉工作。
现有的辅助授粉主要有人力式与机械式，人力辅助授粉劳动强度大，授粉效率低，无法在有限时间周期内完成大面积的授粉工作；机械式辅助授粉主要分为手持式、行走式和无人机授粉，手持式授粉效率提高有限，而行走式占地面积较大，灵活性较低。
现有的无人机授粉方式，一般是利用无人机旋翼产生的下洗气流在垂直方向上将植株的花粉吹散，从而完成授粉，但由于授粉作业中花粉从父本扩散至母本的方向主要为水平方向，所以授粉效果不佳，此外由于无人机操作复杂，无人机飞手紧缺，难以大范围推广。
发明内容
为了解决以上技术问题，本发明提出了一种温室用自主导航授粉无人机及其控制方法，授粉效果好，操作简单，可以大范围推广。
本发明是采用以下技术方案实现上述技术目的的。
一种温室用自主导航授粉无人机，包括机体、旋翼组件、旋翼转向机构，旋翼转向机构通过丝杆步进电机控制旋翼组件的方向，使无人机产生水平气流分量。
上述方案中，所述旋翼转向机构包括丝杆步进电机、丝杆螺母、滑块以及连杆，丝杆步进电机固定于机臂一端，丝杆螺母内部与丝杆步进电机连接，外部与滑块螺钉连接，连杆两端分别通过转轴与滑块、电机支架相连，机臂内部开设T型槽，T型槽侧面开有空心槽，滑块端的转轴卡入空心槽。
上述方案中，所述机体内部设有控制系统，所述控制系统包括飞行控制器及惯性测量单元，控制系统与上位机通过无线通信，惯性测量单元测量无人机姿态并传输给飞行控制器，飞行控制器对电机速度进行调节，实现无人机姿态调整。
一种温室用自主导航授粉无人机的控制方法，飞行控制器对无人机飞行姿态数据、UWB定位信息和超声波测距信息进行处理，实现温室环境下的无人机定位与自主导航。
进一步，所述无人机飞行姿态数据与UWB定位信息进行扩展卡尔曼滤波。
进一步，所述UWB定位信息是由无人机上的UWB定位标签与布置在温室内的UWB基站以及上位机组成UWB定位系统获取的。
进一步，所述UWB基站数目及布置由温室环境或作业情况确定。
本发明的有益效果为：
(1)该无人机通过对旋翼组件方向的控制，使旋翼组件倾斜产生水平风场分量，促使花粉扩散到周围花朵上，而不是垂直下落，有效地提高了温室环境下的风力授粉效果。
(2)当需要加大风速，同时保持飞行高度不变时，在增加电机转速的同时使旋翼组件倾斜角度增大，从而增加水平风场而使竖直风场保持不变，最终实现不同旋翼转速下的定高飞行。
(3)该无人机能够实现温室环境下的定位与自主导航，大大减小了无人机的使用难度，同时降低了劳动成本。
附图说明
图1为本发明所述的温室用自主导航授粉无人机的整体示意图。
图2为本发明所述的温室用自主导航授粉无人机的部分结构示意图。
图3为本发明所述机臂的结构示意图。
图4为本发明所述的温室用自主导航授粉无人机的控制系统框图。
图5为温室高度较低或无人机竖直方向作业跨度较小时，本发明所述的UWB基站布置位置示意图。
图6为温室高度较高或无人机竖直方向作业跨度较大时，本发明所述的UWB基站布置位置示意图。
图中：1.旋翼，2.电机支架，3.电机，4.旋翼防护圈，5.上机盖，6.机臂，7.连杆，8.分隔板，9.下机盖，10.超声波传感器，11.脚架，12.丝杆步进电机，13.转轴，14.滑块，15.丝杆螺母。
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。
参见图1，本发明温室用自主导航授粉无人机的整体图如其所示，包括机体、旋翼组件以及旋翼转向机构，旋翼转向机构通过丝杆步进电机12，控制旋翼组件的方向，使无人机产生水平气流分量，提高温室环境下的风力授粉效果；同时，通过预设飞行路径，将飞行姿态数据与UWB定位信息进行扩展卡尔曼滤波，并结合超声波测距信息进行避障，实现温室环境下的无人机定位与自主导航。
所述机体包括上机盖5、分隔板8、下机盖9、机臂6、脚架11以及电池，上机盖5、分隔板8、下机盖9从上至下依次通过螺钉连接形成空心腔体，下机盖9底部通过螺钉对称固定四个脚架11，分隔板8周向对称固定四个机臂6，空心腔体密封性较好，用于安装电池，电池与飞行控制器连接，用于给飞行控制器供电；四个超声波传感器10分别通过螺钉安装于下机盖9预留孔中。
所述旋翼组件包括旋翼1、电机3、电机支架2以及旋翼防护圈4，电机支架2与机臂6一端铰接，电机3固定于电机支架2，旋翼1安装在电机3输出轴上，旋翼防护圈4与电机支架2固定连接，防止旋翼与作物接触。
参见图2，所述旋翼转向机构包括丝杆步进电机12、丝杆螺母15、滑块14、转轴13以及连杆7，丝杆步进电机12通过螺钉固定于机臂6一端，丝杆螺母15内部与丝杆步进电机12配合组成丝杆滑块机构，丝杆螺母15外部与滑块14通过螺钉连接，滑块14置于机臂6的T型槽内，连杆7一端通过转轴13与滑块14连接、另一端与电机支架2铰接，电机支架2还与机臂6一端铰接，构成曲柄滑块机构；丝杆步进电机12旋转带动滑块14直线运动，滑块14通过曲柄滑块机构带动电机支架2旋转，最终实现对旋翼组件的角度控制。
所述机臂6的数目与旋翼组件数目相等，机臂6内部开设T型槽用于约束滑块14(图3)，该T型槽侧面开有空心槽，滑块14端的转轴13卡入空心槽，限制转轴13的移动范围，从而进一步限制滑块14。
空心腔体内部设有控制系统，控制系统包括飞行控制器、惯性测量单元、无线通信模块以及电调，参见图4，本发明的控制系统框图如其所示，首先通过上位机预设飞行路径，通过无线通信模块向飞行控制器发送指令，飞行控制器通过电调调节电机速度，使无人机升高；超声波传感器开始高度检测，到达作业高度后，通过改变各电机3转速和旋翼组件角度，使无人机按照预设路径前进；预设路径的导航由惯性测量单元、超声波传感器10以及UWB系统共同实现，惯性测量单元测量无人机运动参数及姿态传输给飞行控制器，飞行控制器由姿态变化的反馈对电机速度进行调节；超声波传感器10测量周围距离，防止撞到作物或其他障碍；无人机上的UWB定位标签(置于空心腔体内部)与布置在温室内的UWB基站以及上位机组成UWB定位系统，实现对无人机的温室内定位，同时上位机将定位信息与运动参数及姿态进行扩展卡尔曼滤波，对惯性导航的累计误差进行消除，最终实现预设路径的飞行。飞行控制器控制丝杆步进电机12实现对旋翼组件的角度控制，可使旋翼组件倾斜产生水平风场分量，促使花粉扩散到周围花朵上；同时通过分别对各个旋翼组件角度进行控制，可实现对无人机运动方向和姿态的灵活控制，例如：使前部两组旋翼方向水平不变，后部两组旋翼倾斜的同时电机转速增大，可使无人机保持水平姿态下向前飞行；使四组旋翼组件倾斜角度增大，并增大电机转速，从而增大风场水平分力而使风场竖直分力保持不变，可实现不同旋翼转速下的定高飞行。
参见图5，UWB基站数目及布置由温室环境或作业情况确定，当温室高度较低或无人机竖直方向作业跨度较小时，应布置至少三个，各个基站布置高度相同，且与无人机作业高度相近，通过UWB定位信息与无人机超声波传感器测量的高度信息，以较低的成本实现无人机的三维定位。
参见图6，UWB基站数目及布置由温室环境或作业情况确定，当温室高度较高或无人机竖直方向作业跨度较大时，应至少布置四个，其中三个基站布置高度相同，另一个与其他三个高度相差1m及以上，实现无人机的三维定位。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示意性实施例”、“示例”、“具体示例”或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。
Claims (7)
1.一种温室用自主导航授粉无人机，其特征在于，包括机体、旋翼组件、旋翼转向机构，旋翼转向机构通过丝杆步进电机(12)控制旋翼组件的方向，使无人机产生水平气流分量。
2.如权利要求1所述的一种温室用自主导航授粉无人机，其特征在于，所述旋翼转向机构包括丝杆步进电机(12)、丝杆螺母(15)、滑块(14)以及连杆(7)，丝杆步进电机(12)固定于机臂(6)一端，丝杆螺母(15)内部与丝杆步进电机(12)连接，外部与滑块(14)螺钉连接，连杆(7)两端分别通过转轴(13)与滑块(14)、电机支架(2)相连，机臂(6)内部开设T型槽，T型槽侧面开有空心槽，滑块(14)端的转轴(13)卡入该空心槽。
3.如权利要求1所述的一种温室用自主导航授粉无人机，其特征在于，所述机体内部设有控制系统，所述控制系统包括飞行控制器及惯性测量单元，控制系统与上位机通过无线通信，惯性测量单元测量无人机姿态并传输给飞行控制器，飞行控制器对电机速度进行调节，实现无人机姿态调整。
4.一种温室用自主导航授粉无人机的控制方法，其特征在于，飞行控制器对无人机飞行姿态数据、UWB定位信息和超声波测距信息进行处理，实现温室环境下的无人机定位与自主导航。
5.根据权利要求4所述的一种温室用自主导航授粉无人机的控制方法，其特征在于，所述无人机飞行姿态数据与UWB定位信息进行扩展卡尔曼滤波。
6.根据权利要求4所述的一种温室用自主导航授粉无人机的控制方法，其特征在于，所述UWB定位信息是由无人机上的UWB定位标签与布置在温室内的UWB基站以及上位机组成UWB定位系统获取的。
7.根据权利要求6所述的一种温室用自主导航授粉无人机的控制方法，其特征在于，所述UWB基站数目及布置由温室环境或作业情况确定。
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Legal Events
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|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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