CN110316378A - 一种基于无人机的赤眼蜂球投放装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于无人机的赤眼蜂球投放装置，包括无人机和投放装置，拨球装置包括圆柱形的拨球壳，拨球壳上部开口，且开口与出料口连通，拨球壳的底板中心和偏心处分别开有轴孔和入球孔，拨球壳内设置有拨杆；投球壳的顶板的中心和偏心处分别设置有圆孔和出球孔，投球壳内设置有动排球盘，动排球盘的外周边上开有半圆弧形拨口，投球壳的底部的偏心处设置有投球口；入球孔和出球孔之间通过缓存管连通；U型联轴器分别固定在拨杆转轴和动排球盘转轴上，使其同步转动；舵机与控制机构连接构成无人机及舵机的控制系统，减少了作业人员的工作量，缩短了作业时间，投放精准和投放速度快。
Description
技术领域：
本发明赤眼蜂投放装置属于技术领域，具体涉及一种基于无人机的赤眼蜂投放装置。
背景技术：
赤眼蜂是目前世界上最广泛地被应用于生产和释放的卵寄生蜂。雌性赤眼蜂在田间羽化后会主动寻找害虫虫卵，用产卵管刺破害虫卵壳，将自己的卵产在其中并吸取害虫卵的营养物质发育成长。被寄生的害虫卵不能正常发育，以此方式达到防治害虫的目的。这种方法能有效控制虫害，取得了一定的经济、生态和社会效应。
赤眼蜂以“淹没式”释放为主，现有的投放方式都是依靠人工在田间行走悬挂蜂卡来释放。这种方式效率低，均匀性较差；对于玉米、甘蔗等密植高秆作物和林场的释放难度较大，工作效率低。
民用无人机技术逐渐成熟普及，国内外开始探索机械化释放赤眼蜂的可能，现有的投放装置也有以无人机为载体的赤眼蜂投放装置，但是由于其结构上存在缺陷，在投放过程中容易发生漏投和堵塞的现象，且结构复杂，体积和重量大，飞行作业时的阻力和负载过大，能够飞行作业的时间短，工作效率低，且容易发生故障，不实用。因此研究一种工作效率高，经济实用的基于无人机的赤眼蜂投放装置显然是必要的。
发明内容：
针对现有设备存在的缺陷和问题，本发明提供一种基于无人机的赤眼蜂投放装置，经济实用，工作效率高，投放精准，有效的解决了现有设备存在的易漏投、负载大、投放工作效率低和易发生故障的问题。
本发明解决其技术问题所采用的方案是：一种基于无人机的赤眼蜂球投放装置，包括无人机和投放装置，无人机的机架安装有蜂球储球箱，蜂球储球箱上开有进料口和出料口，所述的投放装置，包括上部的拨球装置、中部的输料区和下部的投球装置，拨球装置包括圆柱形的拨球壳，拨球壳上部开口，且开口与出料口连通，拨球壳的底板中心和偏心处分别开有轴孔和入球孔，拨球壳内设置有拨杆，所述拨杆的根部设置有拨杆转轴，所述拨杆转轴套装在轴孔内；所述投球装置包括密封的圆柱形投球壳，投球壳的顶板的中心和偏心处分别设置有圆孔和出球孔，投球壳内设置有动排球盘，所述的动排球盘的外周边上开有半圆弧形拨口，投球壳的底部的偏心处设置有投球口，半圆形弧形拨口能够转动到投球口上部和缓存管底部；所述入球孔和出球孔之间通过缓存管连通，所述的动排球盘上部中心设置有动排球盘转轴，所述动排球盘转轴套装在圆孔内；所述投球壳顶板和拨球壳底板之间沿竖向设置有舵机架和多根支撑杆，舵机架内安装有舵机，舵机输出轴相对侧的舵机壳上设置有定位轴，定位轴与输出轴同轴心设置，所述输出轴与拨杆转轴传动连接，所述定位轴套装在动排球盘转轴内，U型联轴器分别固定在拨杆转轴和动排球盘转轴上，使其同步转动；所述的舵机与控制机构连接构成无人机及舵机的控制系统。
进一步的，所述的控制机构，包括飞行控制器、无线收发模块、无人机电机组、BEC模块和电池组，飞行控制器分别与舵机、BEC模块、电池组和无人机电机组连接，飞行控制器的信号端与无线收发模块的信号端，无线收发模块与地面基站无线连接。
进一步的，所述的入球孔、出球孔和投球口为直径相同的圆形，且在入球孔和投球口的入口边缘设置有倒角。
进一步的，所述的缓存管呈圆柱形的管状结构，蜂球直径为d，缓存管的直径为D，缓存管直径与入球孔直径相等，且d<D<2d。
进一步的，所述的半圆弧形拨口从投球口上部转动到出球孔底部的转动角度为90度。
进一步的，所述的投球壳内设置有光学感应器，所述光学感应器设置在拨球壳底板上部的d/2处。
进一步的，所述的拨杆的形状为根部和端部大，中间小的凹弧形，根部外侧面与拨球壳的内壁间距为d1，蜂球直径为d，d<d1<2d。
进一步的，所述的投球壳的高度为H，蜂球的直径为d，满足d<H<2d。
本发明的有益效果：本发明以无人机作为载体来运载并投放蜂球，无人机飞行作业便于在田间作业，减少了作业人员的工作量，缩短了作业时间，且在投放装置内包括了投球装置、输料区和投球装置，工作区间明确，结构合理，便于维护，舵机上同时设置了输出轴和定位轴，并通过U型联轴器同时驱动拨杆和动排球盘，设计合理，体积小、重量轻，减轻了对无人机产生的负荷，在入球孔和投球口的入口边缘设置有倒角，向缓存管内充入蜂球和从投球口向外界投球都更加容易，不会出现堵塞的情况，缓存管沿竖向设置，能够沿重力方向将蜂球排队，为动排球盘连续供球，在投放蜂球的过程中不会出现漏投情况，舵机驱动拨杆和动排球盘，具有扭矩大、投放精准和投放速度快的特点，有效的解决了现有设备存在的易漏投、负载大、投放工作效率低和易发生故障的问题。
附图说明：
图1为本发明的立体结构示意图。
图2为图1的主视图。
图3为图1的俯视图。
图4为图1的侧视图。
图5本发明所述的投放装置立体结构示意图。
图6为图5的另一个角度示意图。
图7为图5的俯视图。
图8为图5的侧视图。
图9为本发明所述的拨杆的结构示意图。
图10为本发明所述的动排球盘的结构示意图。
图11为图10的俯视图。
图12为本发明所述的舵机的结构示意图。
图13为本发明所述的舵机架的结构示意图。
图14为本发明所述的缓存管的结构示意图。
图15为无倒角的入球孔或投球口。
图16为有倒角的入球孔或投球口。
图中的标号为：1为机架，2为蜂球储球箱，3为拨球壳，4为底板，5为拨杆；6为拨杆转轴，7为入球孔，8为舵机，9为舵机架，10为缓存管；11为U型联轴器，12为动排球盘，13为动排球盘转轴，14为半圆形弧形拨口，15为出球孔；16为投球口，17为输出轴，18为定位轴，19为投球壳，20为支撑杆。
具体实施方式：
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
实施例1：本实施例旨在提供一种能够在田间投放赤眼蜂球的无人机投放装置，如图1-4所示，一种基于无人机的赤眼蜂球投放装置，包括无人机和投放装置，所述的无人机为四旋翼无人机；无人机的机架1，包括机身、机臂和起落架，在机身的底部通过连接杆安装有蜂球储球箱2，蜂球储球箱2置于起落架之间；蜂球储球箱2为上大下小的漏斗状，蜂球储球箱2的上部和下部分别开有进料口和出料口，所述的出料口呈圆柱形与投放装置的上端固定连接且连通，蜂球储球箱2底板的倾斜角大于蜂球的自然休止角，以保证蜂球顺利流到出料口处，结构合理。
所述的投放装置，包括上部的拨球装置、中部的输料区和下部的投球装置，拨球装置包括拨球壳3，所述拨球壳3为上部开口、底部密封的圆柱状，投球壳3上部的开口与出料口连通，投球壳内设置有拨杆5，如图7和图9所示，所述的拨杆5的形状为根部和端部大，中间凹的凹弧形，同时根部呈圆弧形，根部外侧面与拨球壳的内壁间距为d1，蜂球直径为d，d<d1<2d，这样沿半径方向的宽度只允许一个蜂球充入，有利于蜂球顺利充入缓存管10，向缓存管内10充球时不会发生堵塞。所述拨球壳底板4的中心和偏心处分别开有轴孔和入球孔7，所述拨杆5的根部垂直拨杆5设置有拨杆转轴6，如图6所示，所述拨杆转轴6套装在轴孔内并向输料区内延伸。
所述投球装置包括密封的圆柱形投球壳19，投球壳顶板的中心和偏心处分别设置有圆孔和出球孔15，在投球壳19内设置有动排球盘12，动排球盘12的上部中心沿竖向设置有动排球盘转轴13，动排球盘转轴13匹配套装在圆孔内并向输料区延伸。
所述投球壳和拨球壳之间设置有多根支撑杆20和舵机架9，每根支撑杆20的上部和下部分别经支座固定在拨球壳3的底板下底面和投球壳19的顶板上顶面上，用于支撑和加固投放装置。所述舵机架9为U形件，舵机8经螺栓固定在舵机架9的竖向板内侧，舵机架9在上端和下端的横向板分别用螺栓固定在拨球壳底板的底部和投球壳顶板的上部；如图12所示，舵机8的上部设置有输出轴17，输出轴17为舵机动力输出轴，舵机壳的下部设置有定位轴，定位轴不提供动力，但是具有定心功能，且定位轴与输出轴同轴心设置，确保设备的稳定运行。
所述输出轴17上部与拨杆转轴6的下部固定套装并传动连接，定位轴18的下部与动排球盘转轴13的上部套装，动盘球盘转轴能够相对于定位轴18转动，同时拨杆转轴6和动排球盘转轴13同时与U型联轴器11固定连接，这样上部的输出轴17能够同时驱动拨杆5和动排球盘12同步转动，舵机的输出轴17提供转动的动力，定位轴18确保了U型联轴器的稳定，且拨杆转轴6、定位轴18、输出轴17和动排球盘转轴12，四轴同轴线设置，转动过程平稳，一个舵机8能够同时驱动拨杆5和动排球盘12两个负载，结构合理，简化了设备的构造，减轻了无人机的负荷。同时舵机8为数字舵机，相对于传统的模拟舵机在控制电路上增加了晶振和微处理器，具有扭矩大、精确度高、响应迅速等优点，有效消除了舵机无力、抖动等问题，且蜂球投放精准。
如图6和图8所示，所述的缓存管10沿竖向设置在输料区内，缓存管10上部与入球孔7连通，其下部与出球孔连通并置于动排球盘12的上方。所述的缓存管10呈圆柱形的管状结构，所述的动排球盘12的外周边上开有半圆弧形拨口14，投球壳19的底部的偏心处设置与有投球口16，所述的半圆弧形拨口14、缓存管10和投球口16的直径与蜂球直径相适配且三者的圆心投影在同一圆周上，这样半圆弧形拨口14初始时位于投球口16处，转动一定角度后处于缓存管10的正下方，缓存管10内的蜂球由于自身重力会落到半圆形弧形拨口14内，再将回转至投球口处，将蜂球投出，同时所述的投球壳19的高度为H，动排球盘置于H/2处，蜂球的直径为d，满足d<H<2d，这样每次只允许一个蜂球从缓存管内掉落到投球装置，结构合理，在投放过程中不会发生堵塞。
为了驱动舵机8，所述的控制机构，包括飞行控制器、无线收发模块、无人机电机组、BEC模块和电池组，飞行控制器分别与舵机、BEC模块、电池组和无人机电机组连接，飞行控制器的信号端与无线收发模块的信号端，无线收发模块与地面基站无线连接。
所述的飞行控制器为Pixhawk，所述Pixhawk具有6个可输出伺服(Servo)或继电器(Relay)信号的辅助通道，即AUX1-AUX6，在Mission Planner中分别对应为RC9-RC14。本实施将舵机的信号线接在AUX2/RC10上，同时将舵机8的正极和地线与飞行控制器相连。由于飞行控制器输出的电流有限，不足以驱动舵机运行，所以需要独立的BEC模块(免电池电路)给舵机供电，电压为5V。
为了实现定距触发投放装置，所述的半圆弧形拨口14从投球口上16部转动到缓存管10底部的转动角度为90度。起始位置时，半圆形弧形拨口位于投球口上部并与投球口相对应，当转动90度后半圆形弧形拨口位于出球孔处，并与出球孔相对应，将缓存管内的蜂球落入到半圆形弧形拨口内，然后再反转90度，使半圆形弧形拨口处于投球口上部，蜂球从投球口落下，依次循环。
具体为将快门触发信号调为伺服信号，并设置起始位置和最大转角时的PWM信号脉冲宽度分别为1000微秒和2000微秒，蜂球投放装置每投放一粒蜂球需要舵机转动90°，所以本设计将相机快门未被按下时的PWM信号的脉宽值设置为1000μs，舵机输出轴角度对应为-45°，按下时脉宽值设置为2000μs，舵机输出轴对应角度为45°。为保证舵机有足够的时间转到目标位置，将相机快门按下时间设置为2s，从而实现定距投放，投放精准。
实施例2：本实施例与实施例1基本相同，其不同在于：本实施例进一步说明了蜂球储球箱、缓存管高度和缓存管的直径。
蜂球储球箱2的容量由蜂球大小、蜂球投放间距、无人机飞行速度和无人机续航时间而定。工作时不宜将蜂球全部投完，否则会造成飞行任务末尾漏投，至少要留5％的余量。蜂球储球箱2的容量的计算公式为V＝1.05*60D3tv/a，式中d为蜂球直径，单位为cm；t为无人机续航时间，单位为min；v为无人机飞行速度，单位为m/s；a为蜂球投放间距，单位为cm。缓存管10的直径为d1，缓存管直径与入球孔直径相等，且d<d1<2d，这样蜂球只能逐个进入缓存管，结构合理不会发生堵塞；同时缓存管10中可缓存3粒蜂球。考虑到动排球盘12与缓存管10底部的间隙为5mm和投球壳底板厚3mm，所以缓存管高度为h＝3d-8。
以常规的蜂球直径为26mm为例，无人机续航时间取15min，无人机飞行速度为5m/s，蜂球投放间距为15m，计算可得储球箱的容积至少为5536mL，缓存管的高度h＝68mm。
实施例3：本实施例与实施例1基本相同，其不同在于：所述的入球孔和投球口的入口边缘设置有倒角。
充球的过程中蜂球相对于型孔的速度v r至关重要，若v r过小，蜂球可以顺利充入型孔，但会导致投放效率低下；若v r过大，则蜂球来不及充入型孔，而造成漏投。因此，要保证投放装置具有良好的投放性能，就要研究蜂球能够充入入球孔或者投球口的极限速度。在投放蜂球的过程中，无论是蜂球储球箱2内的蜂球被拨杆拨动充入入球孔，落进缓存管10，还是缓存管10中的蜂球由于动排球盘转动搬运充入投球口16，在运动学分析时都可以看做蜂球相对于入球孔或投球口做抛物线运动，蜂球质心移动到坐标原点的正上方时，蜂球开始在重力作用下自由下落,质心低于入球孔或投球口上表面就认为蜂球已落入入球孔或投球口，则蜂球质心的运动方程为：
式中L为入球孔或者投球口的宽度，r为蜂球半径，x为蜂球质心在水平方向运动的距离，z为蜂球质心在竖直方向运动的距离，距离单位为mm；vr为蜂球相对于入球孔或投球口在水平方向上的速度，速度单位m/s；t为蜂球质心运动的时间，时间单位为mm；g为重力加速度，单位为m/s。可得蜂球充入入球孔或投球口所需时间t为：
顺利充入入球孔或投球口的条件是蜂球对入球孔或投球口的相对速度小于极限值：
若在入球孔或投球口上沿加工一定角度的倒角则蜂球质心的运动方程为：
式中L1为为倒角的长度，从而得出
由此可知在入球孔或投球口入口处设置倒角，提高蜂球相对于入球孔或投球口的极限速度，使蜂球更稳定的充入入球孔或投球口；本实施例使用的蜂球半径r＝13mm，取重力加速度g＝9.8m/s2，入球孔或投球口直径L为32mm，倒角长度L1＝3mm，利用式计算求得：vrmax＝0.43m/s。
实施例4：本实施例与实施例1基本相同，其不同在于：本实施例能够蜂球是否即将用完。
所述的拨球装置内设置有光学感应器，所述光学感应器设置在拨球装置的内侧壁上，且光学感应器位于拨球壳底板上部的d/2处，这样光学感应区检测不到蜂球时，这时只剩下缓存管内的蜂球，会发出信号，提醒操作员添加蜂球。
Claims (8)
1.一种基于无人机的赤眼蜂球投放装置，包括无人机和投放装置，无人机的机架安装有蜂球储球箱，蜂球储球箱上开有进料口和出料口，其特征在于：所述的投放装置，包括上部的拨球装置、中部的输料区和下部的投球装置，拨球装置包括圆柱形的拨球壳，拨球壳上部开口，且开口与出料口连通，拨球壳的底板中心和偏心处分别开有轴孔和入球孔，拨球壳内设置有拨杆，所述拨杆的根部设置有拨杆转轴，所述拨杆转轴套装在轴孔内；所述投球装置包括密封的圆柱形投球壳，投球壳的顶板的中心和偏心处分别设置有圆孔和出球孔，投球壳内设置有动排球盘，所述的动排球盘的外周边上开有半圆弧形拨口，投球壳的底部的偏心处设置有投球口，半圆形弧形拨口能够转动到投球口上部和缓存管底部；所述入球孔和出球孔之间通过缓存管连通，所述的动排球盘上部中心设置有动排球盘转轴，所述动排球盘转轴套装在圆孔内；所述投球壳顶板和拨球壳底板之间沿竖向设置有舵机架和多根支撑杆，舵机架内安装有舵机，舵机输出轴相对侧的舵机壳上设置有定位轴，定位轴与输出轴同轴心设置，所述输出轴与拨杆转轴传动连接，所述定位轴套装在动排球盘转轴内，U型联轴器分别固定在拨杆转轴和动排球盘转轴上，使其同步转动；所述的舵机与控制机构连接构成无人机及舵机的控制系统。
2.根据权利要求1所述的基于无人机的赤眼蜂球投放装置，其特征在于：所述的控制机构，包括飞行控制器、无线收发模块、无人机电机组、BEC模块和电池组，飞行控制器分别与舵机、BEC模块、电池组和无人机电机组连接，飞行控制器的信号端与无线收发模块的信号端，无线收发模块与地面基站无线连接。
3.根据权利要求1所述的基于无人机的赤眼蜂球投放装置，其特征在于：所述的入球孔、出球孔和投球口为直径相同的圆形，且在入球孔和投球口的入口边缘设置有倒角。
4.根据权利要求1所述的基于无人机的赤眼蜂球投放装置，其特征在于：所述的缓存管呈圆柱形的管状结构，蜂球直径为d，缓存管的直径为D，缓存管直径与入球孔直径相等，且d<D<2d。
5.根据权利要求1所述的基于无人机的赤眼蜂球投放装置，其特征在于：所述的半圆弧形拨口从投球口上部转动到出球孔底部的转动角度为90度。
6.根据权利要求4所述的基于无人机的赤眼蜂球投放装置，其特征在于：所述的投球壳内设置有光学感应器，所述光学感应器设置在拨球壳底板上部的d/2处。
7.根据权利要求1所述的基于无人机的赤眼蜂球投放装置，其特征在于：所述的拨杆的形状为根部和端部大，中间小的凹弧形，根部外侧面与拨球壳的内壁间距为d1，蜂球直径为d，d< d1<2d。
8.根据权利要求1所述的基于无人机的赤眼蜂球投放装置，其特征在于：所述的投球壳的高度为H，蜂球的直径为d，满足d<H<2d。
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