CN114229004B - 一种牵引式大负载喷药无人机及喷药方法 - Google Patents

一种牵引式大负载喷药无人机及喷药方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种牵引式大负载喷药无人机及喷药方法，牵引式大负载喷药无人机包括无人机机身、飞行控制系统、GPS定位器、碳纤维杆、旋翼，旋翼、支撑杆、喷嘴、细孔喷头、导线、充电桩、绞车、药箱、螺旋桨、转轴、电动泵，引流导管、传输导管、分流箱、分流导管组成；牵引式大负载喷药无人机喷药方法采用分块喷药，规则圆面区域采用扫描式喷药可以提高喷药的效率，不规则区域利用区域边缘的坐标指定区域范围逐一分块喷药，提高喷药精度，本发明专利有效的提高了传统喷药无人机的负载能力，采用了新型的喷药方法提高了喷药的效率和精度。

Description

一种牵引式大负载喷药无人机及喷药方法
技术领域
本发明属于无人机相关技术领域，尤其涉及一种牵引式大负载喷药无人机及喷药方法。
背景技术
农业可持续发展已经成为当今世界农业发展的主流，而影响农业可持续发展的因素之一就是病虫害。然而,防治病虫害的主要手段仍然是化学药剂防治。相比于传统人工地面进行喷洒作业,无人机喷洒方式正在为人们所接受。
无人驾驶飞机简称无人机是一种有动力、可控制、能携带多种任务设备、执行多种任务,并能重复使用的无人驾驶航空飞行器。无人机的应用十分广泛，在航空、农业、物流等领域都有涉及，目前，无人机在田间地头起飞对农作物实施作业，无人机采用远距离遥控操作和飞控导航自主作业功能，只需在喷洒作业前，采集农田的GPS信息，并把航线规划好，输入到地面站的内部控制系统中，地面站对飞机下达指令，无人机就可以载着喷洒装置进行作业。
专利205239928U公布了一种喷药无人机包括药箱、控制器、转盘、转盘电机、左泵电源、右泵电源、喷嘴、无人机和转动连接器组成，该无人机结构简单，设计科学，能够在无人机的飞行时均匀的喷洒农药，喷洒覆盖率高。专利105109687A公布了一种新型农用喷药无人机，该无人机设计合理、操作方便、结构简单、易操作、利用气压原理使药液喷出，更换方便、便于储藏、实用性较强。
上述喷药无人机虽然可以应用于田野中自动化喷药，但这些无人机都是采用了重量较重的或多个电瓶电源，电源的负载重量在5-10kg，从而使这些无人机药液负载能力较低，由于增加了多处的电源，从而减少了药液的可负载量。
无人机可以根据待喷洒区域(需要喷洒农药的农田)的位置以及大小为该无人机规划导航路线，然后由安装喷洒装置的无人机根据规划的导航路线在待喷洒区域上方飞行，由安装在无人机上的喷洒装置为待喷洒区域中的农作物喷洒农药。
现有技术中的无人机喷药方案，都是采用循坏扫描式喷药的，这种喷药方法需要负载重量的较大的供电电源，从而减少了负载药液的量，为了配套牵引式大负载喷药无人机的应用，本发明提供了一种规则圆面区域扫描式喷药和不规则区域指定喷药方案。
发明内容
本发明是为了克服现有技术中存在上述的不足，提供了一种牵引式大负载喷药无人机及喷药方法。
为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种牵引式大负载喷药无人机，包括无人机机身，所述无人机机身中安装有飞行控制系统，所述无人机机身上端设有GPS定位器，所述无人机机身侧边安装有拍摄相机，所述无人机机身周边安装有碳纤维杆，所述碳纤维杆的一端安装有旋翼，所述旋翼与碳纤维杆通过支撑杆连接，所述碳纤维杆安装有旋翼的一端设有喷嘴，所述喷嘴上设有向下的细孔喷头，所述无人机机身上设有电源接线口，所述电源接线口与导线一端相连，所述导线的另一端与充电桩上的插口相连，所述充电桩固定在地面上，所述充电桩上安装有绞车，所述导线缠绕在绞车上由绞车控制导线收放，所述无人机机身的下端安装有药箱，所述药箱内安装有螺旋桨，所述螺旋桨与转轴相连，所述药箱设有小型的电动泵，所述引流导管与电动泵相接，所述传输导管连接电动泵与分流箱，所述分流箱的一端设有多根分流导管。
根据一种牵引式大负载喷药无人机设计方案中，所述喷嘴的数量至少为 4个。
根据一种牵引式大负载喷药无人机设计方案中，所述无人机机身内安装有电动机与转轴相接。
根据一种牵引式大负载喷药无人机设计方案中，所述飞行控制系统中设有控制器，控制电动机转轴的转动频率和时间。
根据一种牵引式大负载喷药无人机设计方案中，所述无人机绕充电桩旋转喷药，旋转半径小于导线的长度，所述充电桩提供无人机飞行时所需的电能。
一种牵引式大负载喷药无人机喷药方法，包括以下步骤：
(1)根据GPS定位器和拍摄相机获取作业区域图像全貌以及作业区域内各边缘点的坐标；
(2)根据作业区域内各边缘点的坐标构建喷药区域作业轮廓图，所述喷药作业轮廓图包括若干不规则的作业对象以及规则圆形作业对象；
(3)根据喷药区域作业轮廓图确定无人机飞行预设路径，从而确定作业区域规则圆形作业对象的圆心，以边缘点到圆心的距离为最大半径向圆心逐次减小半径生成所述飞行预设路径，将各规则圆形作业对象的边缘点围合为圆面获得该作业对象的待喷药范围，所述规则圆形作业对象至少由一个圆面组成，所述无人机飞行预设路径是随着充电桩上导线的收放形成的规则圆面；所述充电桩上导线的长度与规则圆形作业对象的半径相等；
(4)在确定规则圆形作业对象后，将剩余作业区域划分为若干不规则的区域面，根据GPS定位的坐标点进行局部喷药。
根据一种牵引式大负载喷药无人机喷药方法的技术方案中，步骤(3)所述飞行航线为待喷洒区域的作业对象喷洒农药路线。
根据一种牵引式大负载喷药无人机喷药方法的技术方案中，所述“获取作业区域内各作业对象的坐标”的步骤包括：
S1、通过无人机的GPS定位器和拍摄相机获取完整的作业区域的图像；
S2、确定图像内各作业对象在图像中的边缘点坐标，由三点确定一个圆，确定作业区域三条不共线的曲线上的点的坐标，以及由三条不共线的曲线上的点确定圆的圆心坐标；
S3、根据各作业对象在图像中的边缘点坐标及圆心坐标确定各作业对象在现实中的边缘点坐标及圆心坐标。
根据获取作业区域内各作业对象的坐标的方法中，所述步骤S3，采用成像的投影变换原理对各作业对象在图像中的边缘点坐标及圆心坐标进行坐标变换，从而确定各作业对象在现实中的边缘点坐标及圆心坐标。
根据获取作业区域内各作业对象的坐标的方法中，步骤S2所述由三条不共线的曲线上的点确定圆的圆心坐标的位置为牵引式大负载喷药无人机的充电桩安装位置。
本发明的有益之处：本发明提供的一种牵引式大负载喷药无人机为了提供可负载药液的重量将无人机与供电电源分开，将供电电源安装在作用目标上通过外围加粗的导线与无人机相连，为了配套牵引式大负载喷药无人机，本发明提供了一种牵引式大负载喷药无人机的喷药方法，采用规则圆面区域扫描式喷药可以提高喷药的效率，不规则区域利用坐标指定逐一分块喷药，提高喷药精度。
附图说明
图1是牵引式大负载喷药无人机的三维结构图；
图2是牵引式大负载喷药无人机药箱的三维结构图；
图中：1-无人机机身，2-旋翼，3-飞行控制系统，4-GPS定位器，5-碳纤维杆，6-喷嘴，7-细孔喷头，8-电源接线口，9-支撑杆，10-导线，11-插口，12-充电桩，13-药箱，14-螺旋桨，15-电动泵，16-引流导管，17-传输导管，18-分流箱，19-分流导管，20-转轴。
图3为本发明实施例提供的分割目标作业区域的图像得到待喷洒区域的图像的实例示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明附图和具体技术方案，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明专利中的实施例，本领域普通技术人员在没有付出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本专利保护的范围。
实施例1
如图1牵引式大负载喷药无人机的三维结构图和图2牵引式大负载喷药无人机药箱的三维结构图所示，一种牵引式大负载喷药无人机包括无人机机身1，所述无人机机身1中安装有飞行控制系统3，所述无人机机身1上端设有GPS定位器4，所述无人机机身1侧边安装有拍摄相机14，所述无人机机身1周边安装有碳纤维杆5，所述碳纤维杆5的一端安装有旋翼2，所述旋翼 2与碳纤维杆5通过支撑杆9连接，所述碳纤维杆5安装有旋翼2的一端设有喷嘴6，所述喷嘴6上设有向下的细孔喷头7，所述无人机机身1上设有电源接线口8，所述电源接线口8与导线10一端相连，所述导线10的另一端与充电桩12上的插口11相连，所述充电桩12固定在地面上，所述充电桩 12上安装有绞车15，所述导线10缠绕在绞车15上由绞车控制导线收放，所述无人机机身1的下端安装有药箱13，所述药箱13内安装有螺旋桨16，所述螺旋桨16与转轴22相连，所述药箱13设有小型的电动泵17，所述引流导管18与电动泵17相接，所述传输导管19连接电动泵17与分流箱20，所述分流箱20的一端设有多根分流导管21。
所述喷嘴6的数量至少为4个。
所述无人机机身1内安装有电动机与转轴22相接。
所述飞行控制系统3中设有控制器，控制电动机转轴22的转动频率和时间。
所述无人机绕充电桩12旋转喷药，旋转半径小于导线10的长度，所述充电桩12提供无人机飞行时所需的电能。
一种牵引式大负载喷药无人机在实施时，在无人机的药箱13中装载满药液，启动无人机的飞行控制系统3，无人机的旋翼2开始旋转运行，GPS定位器控制无人机的运行方位使其绕充电桩12运行，而充电桩12通过导线10 对无人机进行供电，充电桩12上的绞车15对导线10进行收放控制无人机的路径，无人机药箱13中电动泵17开启，电动泵17将药液泵入分流箱20中，分流箱20中的分流导管21将药液输送到各喷嘴6中然后从细孔喷头7中喷出，药箱13内的螺旋桨16随转轴22按设置的时间间歇式旋转搅拌，防止药液中药剂沉淀。
一种牵引式大负载喷药无人机喷药方法，包括：
根据GPS定位器和拍摄相机获取作业区域图像全貌以及作业区域内各边缘点的坐标；
根据作业区域内各边缘点的坐标构建喷药区域作业轮廓图，所述喷药作业轮廓图包括若干不规则的作业对象以及规则圆形作业对象；
根据喷药区域作业轮廓图确定无人机飞行预设路径，从而确定作业区域规则圆形作业对象的圆心，以边缘点到圆心的距离为最大半径向圆心逐次减小半径生成所述飞行预设路径，将各规则圆形作业对象的边缘点围合为圆面获得该作业对象的待喷药范围，所述规则圆形作业对象至少由一个圆面组成，所述无人机飞行预设路径是随着充电桩上导线的收放形成的规则圆面；所述充电桩上导线的长度与规则圆形作业对象的半径相等；
在确定规则圆形作业对象后，将剩余作业区域划分为若干不规则的区域面，根据GPS定位的坐标点进行局部喷药。
示例性的，如图3本发明实施例提供的分割目标作业区域的图像得到待喷洒区域的图像的实例示意图所示，目标作业区域中包括2个规则圆形及4 个相互不连续、且形状不规则的待喷洒区域(农田)，在喷药时，对于规则圆形作业对象(农田)只需将充电桩置于规则圆形面的圆心P(x0，y0)或P(x1， y1)处，充电桩与无人机相连接的导线在小于等于圆半径的长度范围内向圆心收缩，无人机则绕充电桩旋转喷药，对于相互不连续、且形状不规则的待喷洒区域(农田)随机确定一个规则圆形作业对象(农田)的圆心为坐标原点，根据GPS定位的作业目标的图像像素点获得以坐标原点为标准的每个形状不规则的待喷洒区域(农田)所对应的图像的边缘像素点坐标，然后按像素点坐标分块喷药。
需要说明的是，待喷洒区域所对应的图像的边缘像素点可以为无人机从待喷洒区域所对应的图像的所有边缘像素点中采样得到的足以围成该待喷洒区域所对应的图像，体现出该待喷洒区域所对应的图像的形状的边缘像素采样点。
本发明实施例提供的无人机的喷药方法，可以从目标作业区域的图像中分割出规则圆形待喷洒区域和不规则的待喷洒区域，并获取到该农田的所对应的图像的边缘像素的坐标；然后采用无人机采集图像时相对于地面的实际飞行高度和无人机采集图像时的拍摄焦距，根据照相机的成像原理，则可以获得该边缘像素的坐标所对应的实际导航坐标；根据实际导航坐标规划导航路线，对于规则圆形作业区域，将充电桩安装于圆心处，充电桩与无人机相连接的导线在小于等于圆半径的长度范围内向圆心收缩，无人机则绕充电桩旋转扫面圆面喷药，而不规则待喷洒区域则按照边缘像素围合区域依次喷药。
各位技术人员须知：虽然本发明已按照上述具体实施方式做了描述，但是本发明的发明思想并不仅限于此发明，任何运用本发明思想的改装，都将纳入本专利专利权保护范围内。

Claims (9)

1.一种牵引式大负载喷药无人机喷药方法，包括以下步骤：
（1）根据GPS定位器和拍摄相机获取作业区域图像全貌以及作业区域内各边缘点的坐标；
（2）根据作业区域内各边缘点的坐标构建喷药区域作业轮廓图，所述喷药作业轮廓图包括若干不规则的作业对象以及规则圆形作业对象；
（3）根据喷药区域作业轮廓图确定无人机飞行预设路径，从而确定作业区域规则圆形作业对象的圆心，以边缘点到圆心的距离为最大半径向圆心逐次减小半径生成所述飞行预设路径，将各规则圆形作业对象的边缘点围合为圆面获得该作业对象的待喷药范围，所述规则圆形作业对象至少由一个圆面组成，所述无人机飞行预设路径是随着充电桩上导线的收放形成的规则圆面；所述充电桩上导线的长度与规则圆形作业对象的半径相等；
（4）在确定规则圆形作业对象后，将剩余作业区域划分为若干不规则的区域面，根据GPS定位的坐标点进行局部喷药；
所述牵引式大负载喷药无人机，包括无人机机身（1），所述无人机机身（1）中安装有飞行控制系统（3），所述无人机机身（1）上端设有GPS定位器（4），所述无人机机身（1）侧边安装有拍摄相机（14），所述无人机机身（1）周边安装有碳纤维杆（5），所述碳纤维杆（5）的一端安装有旋翼（2），所述旋翼（2）与碳纤维杆（5）通过支撑杆（9）连接，所述碳纤维杆（5）安装有旋翼（2）的一端设有喷嘴（6），所述喷嘴（6）上设有向下的细孔喷头（7），所述无人机机身（1）上设有电源接线口（8），所述电源接线口（8）与导线（10）一端相连，所述导线（10）的另一端与充电桩（12）上的插口（11）相连，所述充电桩（12）固定在地面上，所述充电桩（12）上安装有绞车（15），所述导线（10）缠绕在绞车（15）上由绞车控制导线收放，所述无人机机身（1）的下端安装有药箱（13），所述药箱（13）内安装有螺旋桨（16），所述螺旋桨（16）与转轴（22）相连，所述药箱（13）设有小型的电动泵（17），引流导管（18）与电动泵（17）相接，传输导管（19）连接电动泵（17）与分流箱（20），所述分流箱（20）的一端设有多根分流导管（21）。
2.根据权利要求1所述的一种牵引式大负载喷药无人机喷药方法，其特征是，所述喷嘴（6）的数量至少为4个。
3.根据权利要求1所述的一种牵引式大负载喷药无人机喷药方法，其特征是，所述无人机机身（1）内安装有电动机与转轴（22）相接。
4.根据权利要求1所述的一种牵引式大负载喷药无人机喷药方法，其特征是，所述飞行控制系统（3）中设有控制器，控制电动机转轴（22）的转动频率和时间。
5.根据权利要求1所述的一种牵引式大负载喷药无人机喷药方法，其特征是，所述无人机绕充电桩（12）旋转喷药，旋转半径小于导线（10）的长度，所述充电桩（12）提供无人机飞行时所需的电能。
6.根据权利要求1所述的一种牵引式大负载喷药无人机喷药方法，其特征是，步骤（3）所述飞行预设路径为待喷洒区域的作业对象喷洒农药路线。
7.根据权利要求1所述的一种牵引式大负载喷药无人机喷药方法，其特征在于，所述步骤（1）具体包括：
S1、通过无人机的GPS定位器和拍摄相机获取完整的作业区域的图像；
S2、确定图像内各作业对象在图像中的边缘点坐标，由三点确定一个圆，确定作业区域三条不共线的曲线上的点的坐标，以及由三条不共线的曲线上的点确定圆的圆心坐标；
S3、根据各作业对象在图像中的边缘点坐标及圆心坐标确定各作业对象在现实中的边缘点坐标及圆心坐标。
8.根据权利要求7所述的一种牵引式大负载喷药无人机喷药方法，其特征是，所述步骤S3，采用成像的投影变换原理对各作业对象在图像中的边缘点坐标及圆心坐标进行坐标变换，从而确定各作业对象在现实中的边缘点坐标及圆心坐标。
9.根据权利要求7所述的一种牵引式大负载喷药无人机喷药方法，其特征是，步骤S2所述由三条不共线的曲线上的点确定圆的圆心坐标的位置为牵引式大负载喷药无人机的充电桩安装位置。
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