CN111287411A - 基于无人机飞行平台的空中喷涂系统 - Google Patents
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Abstract
本发明基于无人机飞行平台的空中喷涂系统，属于无人机控制领域。目的是降低无人机控制难度。包括机械构架体、喷涂装置、任务管理器、飞行驱动控制单元和补偿推进系统；飞行控制单元采集无人机飞行姿态，经任务管理器处理后生成控制指令，并分配至各个驱动控制器驱动电机旋转；喷涂装置包括喷嘴、喷嘴位置调整机构、驱动喷嘴位置调整机构俯仰运动垂直调整电机和驱动喷嘴位置调整机构水平转动的水平调整电机。本发明以无人机作为机载提升平台，搭乘喷涂装置，通过喷嘴位置调整机构调节喷嘴的位置，补偿了无人机移动而引起的喷涂位置变化，使得喷嘴不会随无人机空间位置的波动而随之波动，从而提高喷嘴定位精度和喷涂效果，降低了无人机控制难度。
Description
技术领域
本发明属于无人机控制领域，具体的是基于无人机飞行平台的空中喷涂系统。
背景技术
当前无人机飞行控制技术日益成熟，无人机在民用消费市场也取得了极大的成功。无人机作为一个平台手段，也开始拓展到一些工业和公共服务领域，如农药喷洒，消防灭火，电力巡检，交通巡查，物流快递，警务服务等应用领域。而且，在工业应用领域，越来越凸显出其优越特性，成为一个快速增长和新的发展趋势。同时，一些新技术也开始和无人机应用平台交叉融化，形成一些赋有独特征的新应用。
随着无人机在各个领域的应用日益加深融入，无人机作为一个飞行器好飞行平台被更加广泛受到重视，而且也越来越体现出良好的可塑性和发展前景。但同时也带来一个问题，就是在当前整个应用融合过程中，很多应用都是在较为简单的层面上进行系统集成，即简单地把无人机作为一个搭载平台，将所需要搭载的东西进行简单集成，无人机平台和被搭载系统，并没有更深度的融合，从而使得整个系统在技术水平、功能应用方面整体水平不高。
在无人机用于喷涂作业中，目前主流的方式就是将喷涂装置安装于无人机平台上，同时根据所需要的喷涂能力和负载能力，在体积及功能上增大尺寸和能力。但在本质上，无人机系统和所搭载的喷涂系统各自独立。在应用中，由于涉及到无人机飞行控制和喷涂工作的综合运用，这就使得各自独立的系统在运行时，存在一定的协同问题，从而导致基于无人机飞行平台的空中喷涂系统的功能和性能都受到一些限制。具体而言，表现在如下几个方面：1：无人机的飞行定位要求和喷涂要求难以协调统一，这就导致无人机不能根据所喷涂需要的要求作出位置姿态调整，从而影响喷涂效果；2：喷涂作业不同工况对无人机的姿态稳定性有很大的影响，如，当无人机在喷涂开始启动时，其巨大的反作用力将直接影响无人机姿态和位置，破坏无人机定位的准确性和喷涂角度等；3：无人机靠近墙面，其空气气流紊乱和作用于无人机平台上的空气动力情况复杂，这也增加了对一般无人机稳定控制和安全使用的难度；
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种基于无人机飞行平台的空中喷涂系统，提升无人机靠近垂直面的良好的稳定性、安全性和较高的定位精度要求，降低无人机控制难度。
本发明采用的技术方案是：基于无人机飞行平台的空中喷涂系统，包括构成无人机的机械构架体、喷涂装置、任务管理器、用于控制无人机飞行姿态的飞行控制单元和用于驱动无人机飞行的飞行驱动控制单元和一套基于喷涂反推力的补偿推进系统；
所述飞行驱动控制单元包括与无人机螺旋浆一一对应的驱动电机和与驱动电机一一对应的驱动控制器；
所述飞行控制单元采集无人机飞行姿态，经所述任务管理器处理后生成控制指令，飞行控制单元分配控制指令至各个驱动控制器，各个驱动控制器根据接收到的控制指令控制对应的驱动电机旋转；
所述喷涂装置包括喷嘴、喷嘴位置调整机构、垂直调整电机和水平调整电机；所述喷嘴安装于所述喷嘴位置调整机构；所述喷嘴位置调整机构与机械构架体活动连接，且所述垂直调整电机与喷嘴位置调整机构传动连接，并驱动喷嘴位置调整机构沿机械构架体轴向俯仰运动；所述水平调整电机与喷嘴位置调整机构传动连接，并驱动喷嘴位置调整机构绕机械构架体轴线转动。
进一步的，所述喷嘴位置调整机构包括PTZ云台、喷涂管道和喷涂容器；所述垂直调整电机安装于PTZ云台的旁侧；所述水平调整电机安装于PTZ云台的顶部；所述喷涂容器安装于PTZ云台的底部，所述喷涂管道安装于PTZ云台，且其内端与喷涂容器相连通，外端沿PTZ云台径向向外延伸，所述喷嘴于喷涂管道的外端与喷涂管道相连通；所述PTZ云台与机械构架体活动连接。
进一步的，所述PTZ云台包括底板、平台和连接块；所述底板与无人机机械构架体底部固定连接，所述水平调整电机固定于底板，且其转轴穿过底板与平台相连接，驱动平台绕机械构架体轴线转动；在所述平台底部固定连接有固定架，所述垂直调整电机垂直于平台轴向方向安装于所述固定架，所述连接块与垂直调整电机的转轴相连接，所述喷涂管道安装于所述连接块。
进一步的，还包括一套基于喷涂反推力的补偿推进系统，所述补偿推进系统包括两套旋翼推进装置和设置于任务管理器内的反推力检测装置，两套旋翼推进装置分居喷嘴的左右两侧；各套旋翼推进装置均包括一个反推螺旋桨、一个反推驱动电机和一个反推控制器；所述反推力检测装置检测到反推力时，并将反推力信息传递至反推控制器，所述反推控制器指令反推驱动电机按转速转动。
进一步的，两套旋翼推进装置关于喷嘴轴线对称设置。
进一步的，还包括一套环境感知系统，所述环境感知系统包括两个超声波传感器；两个所述超声波传感器分别安装于机械构架体的左右两侧；所述超声波传感器测量无人机与垂直喷涂面之间的距离，并将测量的距离传递给任务管理器转化成控制指令，飞行控制单元分配来自任务管理器的控制指令，并将控制指令对应输送至各个驱动控制器，各个驱动控制器根据接收到的控制指令控制对应的驱动电机旋转，调整无人机方向。
进一步的，其特征在于：还包括无线通信系统，所述无线通信系统包括4G模块、蓝牙模块和WIFI模块。
进一步的，还包括地面提升基站，所述地面提升基站包括地面提送介质容器、地面提升泵、连接喷涂装置与地面基站之间的提升柔性管、连接无人机和地面电源之间的柔性电源线和控制通信单元。
本发明的有益效果是：该基于无人机飞行平台的空中喷涂系统，以无人机作为机载提升平台，搭乘喷涂装置，通过喷嘴位置调整机构调节喷嘴的位置，补偿因无人机在一定范围内不可避免的移动而引起喷嘴喷涂位置的变化，使得喷嘴不会随无人机空间位置的波动而随之波动，从而提高喷嘴定位精度和喷涂效果。还极大地降低了无人机控制实现难度，提高了实现的精准度和可靠性。实现无人机在侧向靠近垂直面状态下的工作高效率和自动化程度，降低使用难度。
附图说明
图1为本发明主视图；
图2为本发明俯视图；
图3为PTZ云台主视图；
图4为图3的左视图。
图中，机械构架体1、飞行控制单元2、飞行驱动控制单元3、驱动电机31、驱动控制器32、喷涂装置4、喷嘴41、喷嘴位置调整机构42、PTZ云台421、底板4211、平台4212、连接块4213、固定架4214、喷涂管道422、垂直调整电机43、水平调整电机44、喷涂容器45、补偿推进系统5、旋翼推进装置51、反推螺旋桨511、反推驱动电机512、反推控制器513、反推力检测装置52、环境感知系统6、超声波传感器61、视觉传感器62、任务管理器7、无线通信系统8、4G模块81、蓝牙模块82、WIFI模块83、地面提升基站9、地面提送介质容器91、地面提升泵92、提升柔性管93、柔性电源线94、控制通信单元95。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明做进一步的说明如下：
基于无人机飞行平台的空中喷涂系统，如图1和图2所示，包括构成无人机的机械构架体1、喷涂装置4、用于控制无人机飞行姿态的飞行控制单元2和用于驱动无人机飞行的飞行驱动控制单元3和一套基于喷涂反推力的补偿推进系统5；
所述飞行驱动控制单元3包括与无人机螺旋浆一一对应的驱动电机31和与驱动电机31一一对应的驱动控制器32；
所述飞行控制单元2采集无人机飞行姿态，并根据无人机飞行姿态数据分配控制指令，并将控制指令对应输送至各个驱动控制器32，各个驱动控制器32根据接收到的控制指令控制对应的驱动电机31旋转；
所述喷涂装置4包括喷嘴41、喷嘴位置调整机构42、垂直调整电机43和水平调整电机44；所述喷嘴位置调整机构42与机械构架体1活动连接，且所述垂直调整电机43与喷嘴位置调整机构42传动连接，所述飞行控制单元2采集无人机高度位置数据，并指令垂直调整电机43驱动喷嘴位置调整机构42沿机械构架体1轴向往返运动；所述水平调整电机44与喷嘴位置调整机构42传动连接，并驱动喷嘴位置调整机构42绕机械构架体1轴线转动；所述喷嘴41安装于所述喷嘴位置调整机构42。
其中，机械构架体1是无人机的主要骨架，用于支撑整个系统的部件。飞行控制单元2主要用于控制无人机的飞行姿态，飞行控制单元2内设置有一个多自由度加速度传感器，飞行控制单元2通过该加速度传感器就能够采集到无人机姿态数据；飞行控制单元2上设置有一个GPS信号接口，GPS天线直接通过该信号接口连接到飞行控制单元2，从而使得飞行控制单元2能够采集GPS数据。飞行控制单元2通过采集无人机姿态数据，GPS数据等，对无人机飞行提供有效的控制，是无人机空中定位飞行的核心单元，并提供遥控输入硬件及相关指令等，实现人员对无人机系统的操作和控制。喷涂装置4中，通过垂直调整电机43在高度方向上调整喷嘴41位置，通过水平调整电机44在水平面上调整喷嘴41的偏斜位置，从而在一定程度上调节喷嘴41的方位，从而补偿因无人机在一定范围内不可避免的移动而引起喷嘴喷涂位置的变化，使得喷嘴41不会随无人机空间位置的波动而随之波动，从而提高喷嘴41定位精度和喷涂效果。当然，也可以在优先确保无人机稳定悬空的情况下，通过控制垂直调整电机43和水平调整电机44，实现对喷涂位置的调整，而不用任何状况下，都需要通过控制无人机移动方式，改变无人机自身位置来进行喷涂位置调整，这极大地降低了无人机控制实现难度，提高了实现的精准度和可靠性。
当然，具体工作时，飞行控制单元2内有一个测量高度的传感器，比如气压计等，正常情况下，无人机上下漂移时，可以通过气压计检测到高度上的漂移，根据无人机漂移量和喷嘴41距离中心的长度位置，通过垂直调整电机43控制喷涂装置4的俯仰角度，当无人机左右偏移时，可以通过安装在无人机头部的摄像头实时监测出偏差数据来，当偏差出并超过一定位置时，根据算法计算结果，水平调整电机44驱动喷涂装置4左右转动，从而改变其喷嘴41的位置，从而实现对喷涂位置调整。
优选的，所述喷嘴位置调整机构42包括PTZ云台421、喷涂管道422和喷涂容器45；所述垂直调整电机43安装于PTZ云台421的旁侧；所述水平调整电机44安装于PTZ云台421的顶部；所述喷涂容器45安装于PTZ云台421的底部，所述喷涂管道422安装于PTZ云台421，且与喷涂容器45相连通，外端沿PTZ云台421径向向外延伸，所述喷嘴41于喷涂管道422的外端与喷涂管道422相连通；所述PTZ云台421与机械构架体1活动连接。
如图3和图4所示，PTZ云台421包括底板4211、平台4212和连接块4213；所述底板4211与无人机机械构架体1底部固定连接，所述水平调整电机44固定于底板4211，且其转轴穿过底板4211与平台4212相连接，驱动平台4212绕机械构架体1轴线转动；在所述平台4212底部固定连接有固定架4214，所述垂直调整电机43垂直于平台4212轴向方向安装于所述固定架4214，所述连接块4213与垂直调整电机43的转轴相连接，所述喷涂管道422安装于所述连接块4213。
该结构，水平调整电机44旋转时，整个PTZ云台421就会带动喷涂管道422在水平方向旋转，当垂直调整电机43旋转时，该喷涂管道422又可以在垂直方向旋转。如此，通过水平调整电机44和垂直调整电机43都运动时，就可调整喷涂管道422的位置指向。
基于一定的压力进行喷涂作业的，因此，在喷涂作业的压力作用下，会产生一个反作用力并通过喷涂装置作用于无人机，从而使得无人机瞬间承受一定的向后推力，引起无人机的定位位置和姿态变化，也使得喷涂点位置发生大的变化，无人机需要进行再次调整到合适位置和姿态来进行后续工作，这一方面增加了时间和作业风险，另一方面也降低了喷涂效果和质量。为了规避上述问题，优选的，还包括一套基于喷涂反推力的补偿推进系统5，所述补偿推进系统5包括反推力检测装置52和两套旋翼推进装置51，两套旋翼推进装置51分居喷嘴41的左右两侧；各套旋翼推进装置51均包括一个反推螺旋桨511、一个反推驱动电机512和一个反推控制器513；所述反推力检测装置52检测到反推力时，并将反推力信息传递至反推控制器513，所述反推控制器513指令反推驱动电机512按转速转动。
其中两套旋翼推进装置51的反推螺旋桨511的桨叶安装旋转方向相反，工作时，控制两套旋翼推进装置51的推进力始终保持大小相等，方向沿喷涂杆指向喷嘴41处。当因喷涂压力作用产生一定的反向推力时，补偿推进系统5产生一定的反向推力来补偿该作用力，从而使得该无人机在控制的位置保持一定的稳定，不会出现因喷涂作业的影响而发生大的变化。
反推力检测装置52为6自由度的加速度传感器，该加速度传感器与任务管理器7相连接，当喷涂开关打开时，无人机在喷涂产生的反推力作用下，会发生大的姿态变化，这主要反应到加速度传感器所检测到的X、Y和Z轴的加速度发生较大突变。通过检测加速度变化这一信息，结合控制算法，给飞行控制单元2发出指令，飞行控制单元2再指令反推控制器513控制反推驱动电机512调节转速，在一定程度上消除反作用力的影响，从而确保无人机正对墙面，若在手动工作模式下，任务管理器7将把偏差值发送给基站，告知搞作人员，操着人员通过手动遥控器控制无人机调整方位朝向，以确保无人机尽量正对喷涂正面。
为了便于控制，优选的，两套旋翼推进装置51关于喷嘴41轴线对称设置。
优选的，还包括一套环境感知系统6，所述环境感知系统6包括两个超声波传感器61；所述超声波传感器61分别安装于机械构架体1的左右两侧；所述超声波传感器61测量无人机与垂直喷涂面之间的距离，并将测量的距离传递给任务管理器7转化成控制指令，飞行控制单元2分配来自任务管理器7的控制指令，并将控制指令对应输送至各个驱动控制器32，各个驱动控制器32根据接收到的控制指令控制对应的驱动电机31旋转，调整无人机方向。
两个超声波传感器61分别安装于无人机对称的两边，其连接线和喷嘴41的轴线方向垂直；当无人机正对喷涂面时，若两个超声波传感器61检测的距离相同或相近，则说明喷嘴41基本上正对喷涂面；若超声波传感器61检测得到的信息是无人机没有正对墙面，也就是说，这两个超声波传感器61检测的距离差距超过一定的范围时，此时，无人机任务管理器7若在自动工作模式下，可以将该信息经过运算后，转换成控制指令，发送给飞行控制单元2，飞行控制单元2再控制无人机调整方向，从而确保无人机正对墙面，若在手动工作模式下，任务管理器7将把偏差值发送给基站，告知搞作人员，再又操着人员通过手动遥控器控制无人机调整方位朝向，以确保无人机尽量正对喷涂正面。
任务管理器7根据喷涂作业要求，处理无人机相关信息，如位置、姿态信息，并内嵌反推力补偿控制等，根据喷涂作业要求和各种信息输入，最后分解无人机运动要求，并把这种运动要求指令下发给飞行控制单元2。是无人机飞行控制实现自动化和满足喷涂作业要求的信息处理生成单元。
为了实现远程无线无人机工作状态监控，数据获取，参数设置，视频图像获取等，还包括无线通信系统8，所述无线通信系统8包括4G模块81、蓝牙模块82和WIFI模块83。
其中，蓝牙模块82用于通过移动终端来设置配置系统参数，WIFI模块83用于传输工作过程中的相关参数数据，包括双目采集的视频信息，以实现对喷涂效果的掌握，4G模块81用于向云端传输和接收相关的数据，以实现远程控制和全面的远程管理。
为了向无人机供电以及为喷涂装置提供所需的涂料或空气压力，优选的，还包括地面提升基站9，所述地面提升基站9包括地面提送介质容器91、地面提升泵92、连接喷涂装置4与地面基站之间的提升柔性管93、连接无人机和地面电源之间的柔性电源线94和控制通信单元95。
所述提升柔性管93的顶端与喷涂管道422与喷嘴41相对的一端相连接，喷涂管道422通过一段联通管道与喷涂容器45相连接，提升柔性管93从地面输送压缩空气进入喷涂管道422，在喷涂管道422内部有高速气流流过，喷涂容器45里面的涂料会在压差的作用下进入到喷涂管道422中，最后和喷涂管道422中的气体相混合一并喷出。
最优的方式为关闭连接喷涂容器45和喷涂管道422的联通管道，所需要喷涂的涂料和空气放置于地面提升基站9，通过提升柔性管93将压缩空气和所需涂料一并提升到无人机平台上，最后由喷嘴喷出，可以实现连续喷涂。
本发明中，喷涂容器45里盛放作业需求的溶液，如对墙面喷涂涂料时，喷涂容器45盛放涂料；若对墙面等进行清洗时，喷涂容器45则盛放清洗液。
Claims (8)
1.基于无人机飞行平台的空中喷涂系统，其特征在于：包括构成无人机的机械构架体(1)、喷涂装置(4)、任务管理器(7)、用于控制无人机飞行姿态的飞行控制单元(2)和用于驱动无人机飞行的飞行驱动控制单元(3)和一套基于喷涂反推力的补偿推进系统(5)；
所述飞行驱动控制单元(3)包括与无人机螺旋浆一一对应的驱动电机(31)和与驱动电机(31)一一对应的驱动控制器(32)；
所述飞行控制单元(2)采集无人机飞行姿态，经所述任务管理器(7)处理后生成控制指令，飞行控制单元(2)分配控制指令至各个驱动控制器(32)，各个驱动控制器(32)根据接收到的控制指令控制对应的驱动电机(31)旋转；
所述喷涂装置(4)包括喷嘴(41)、喷嘴位置调整机构(42)、垂直调整电机(43)和水平调整电机(44)；所述喷嘴(41)安装于所述喷嘴位置调整机构(42)；所述喷嘴位置调整机构(42)与机械构架体(1)活动连接，且所述垂直调整电机(43)与喷嘴位置调整机构(42)传动连接，并驱动喷嘴位置调整机构(42)沿机械构架体(1)轴向俯仰运动；所述水平调整电机(44)与喷嘴位置调整机构(42)传动连接，并驱动喷嘴位置调整机构(42)绕机械构架体(1)轴线转动。
2.如权利要求1所述的基于无人机飞行平台的空中喷涂系统，其特征在于：所述喷嘴位置调整机构(42)包括PTZ云台(421)、喷涂管道(422)和喷涂容器(45)；所述垂直调整电机(43)安装于PTZ云台(421)的旁侧；所述水平调整电机(44)安装于PTZ云台(421)的顶部；所述喷涂容器(45)安装于PTZ云台(421)的底部，所述喷涂管道(422)安装于PTZ云台(421)，且其内端与喷涂容器(45)相连通，外端沿PTZ云台(421)径向向外延伸，所述喷嘴(41)于喷涂管道(422)的外端与喷涂管道(422)相连通；所述PTZ云台(421)与机械构架体(1)活动连接。
3.如权利要求2所述的基于无人机飞行平台的空中喷涂系统，其特征在于：所述PTZ云台(421)包括底板(4211)、平台(4212)和连接块(4213)；所述底板(4211)与无人机机械构架体(1)底部固定连接，所述水平调整电机(44)固定于底板(4211)，且其转轴穿过底板(4211)与平台(4212)相连接，驱动平台(4212)绕机械构架体(1)轴线转动；在所述平台(4212)底部固定连接有固定架(4214)，所述垂直调整电机(43)垂直于平台(4212)轴向方向安装于所述固定架(4214)，所述连接块(4213)与垂直调整电机(43)的转轴相连接，所述喷涂管道(422)安装于所述连接块(4213)。
4.如权利要求1-3任意一项权利要求所述的基于无人机飞行平台的空中喷涂系统，其特征在于：还包括一套基于喷涂反推力的补偿推进系统(5)，所述补偿推进系统(5)包括两套旋翼推进装置(51)和设置于任务管理器(7)内的反推力检测装置(52)，两套旋翼推进装置(51)分居喷嘴(41)的左右两侧；各套旋翼推进装置(51)均包括一个反推螺旋桨(511)、一个反推驱动电机(512)和一个反推控制器(513)；所述反推力检测装置(52)检测到反推力时，并将反推力信息传递至反推控制器(513)，所述反推控制器(513)指令反推驱动电机(512)按转速转动。
5.如权利要求4所述的基于无人机飞行平台的空中喷涂系统，其特征在于：两套旋翼推进装置(51)关于喷嘴(41)轴线对称设置。
6.如权利要求1-3任意一项权利要求所述的基于无人机飞行平台的空中喷涂系统，其特征在于：还包括一套环境感知系统(6)，所述环境感知系统(6)包括两个超声波传感器(61)；两个所述超声波传感器(61)分别安装于机械构架体(1)的左右两侧；所述超声波传感器(61)测量无人机与垂直喷涂面之间的距离，并将测量的距离传递给任务管理器(7)转化成控制指令，飞行控制单元(2)分配来自任务管理器(7)的控制指令，并将控制指令对应输送至各个驱动控制器(32)，各个驱动控制器(32)根据接收到的控制指令控制对应的驱动电机(31)旋转，调整无人机方向。
7.如权利要求1-3任意一项权利要求所述的基于无人机飞行平台的空中喷涂系统，其特征在于：还包括无线通信系统(8)，所述无线通信系统(8)包括4G模块(81)、蓝牙模块(82)和WIFI模块(83)。
8.如权利要求1-3任意一项权利要求所述的基于无人机飞行平台的空中喷涂系统，其特征在于：还包括地面提升基站(9)，所述地面提升基站(9)包括地面提送介质容器(91)、地面提升泵(92)、连接喷涂装置(4)与地面基站之间的提升柔性管(93)、连接无人机和地面电源之间的柔性电源线(94)和控制通信单元(95)。
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