CN114348253B - 一种多功能微型仿生授粉无人机 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种多功能微型仿生授粉无人机，包括机体、旋翼、图像采集机构、电机、授粉装置、检测机构、控制系统、电池和水平推进装置；机体设有若干涵道，旋翼和电机连接且均安装在机体涵道内，图像采集机构安装在机体上，用于采集植株图像，并传递给控制系统；授粉装置围绕机体包围一圈；检测机构安装在机体的前部，用于检测机体前方植株压力，并传递给控制系统；水平推进装置安装在机体的后部。本发明无人机飞行时靠蜂毛仿生结构与植物花朵的接触完成传粉工作，涵道能够防止碰撞损伤浆叶，为风力授粉提供特定方向的下洗流场，使无人机产生的风场全部作用于目标花朵，有效地提高了温室环境下的授粉效果。
Description
技术领域
本发明属于多旋翼无人机技术领域，特别是涉及一种多功能微型仿生授粉无人机。
背景技术
现阶段，随着设施农业的发展，越来越多的农户选择在温室内种植瓜果，但由于温室内缺少自然授粉的媒介，因此如何保证授粉率，提高产量和品质，成为农民所面临的一大难题。
目前温室内授粉主要有昆虫授粉和人工辅助授粉两种方式，这两种方式都存在着不足，昆虫授粉需要复杂的蜂群管理技术，并且对于作业时间有一定的要求，这给昆虫授粉造成了很大的局限性。同样，人工授粉劳动强度大、作业效率低，并且授粉不均现象较明显，还容易对植物在造成损伤，成本较高。
现有的无人机授粉方法一般是对无人机增加辅助授粉机构，如喷粉装置，作业时靠外加机构完成授粉工作，而无人机产生的流场得不到充分利用；同时，这些机载装置也增加了无人机的载重量和能耗，减少了持续作业的时间；其次类似授粉方式还要求无人机的体型较大，不适合在狭小空间和植株内部飞行。
发明内容
针对上述技术问题，本发明提供了一种多功能微型仿生授粉无人机，无人机飞行时靠蜂毛仿生结构与植物花朵的接触完成传粉工作，所述机体设有若干涵道，旋翼安装于涵道内，能够防止碰撞损伤桨叶，为风力授粉提供特定方向的下洗流场，使无人机产生的风场全部作用于目标花朵，有效地提高了温室环境下的授粉效果。
本发明的技术方案是：一种多功能微型仿生授粉无人机，包括机体、旋翼、图像采集机构、电机、仿生授粉装置、检测机构、控制系统、电池和水平推进装置；
所述机体设有若干涵道，旋翼和电机连接且均安装在机体涵道内，图像采集机构安装在机体上，用于采集植株图像，并传递给控制系统；所述授粉仿生装置围绕机体包围一圈；所述检测机构安装在机体的前部，用于检测机体前方植株压力，并传递给控制系统；所述水平推进装置安装在机体的后部，用于为梭形无人机在植株内部穿梭飞行时提供水平推力；所述控制系统和电池连接并安装在机体内；所述图像采集机构、电机、检测机构和水平推进装置分别与控制系统连接。
上述方案中，所述仿生授粉装置为蜂毛仿生微结构，包括碳纳米纤维和授粉带；所述授粉带围绕机体包围一圈，授粉带上表面设有众多纳米纤维，纳米纤维按照蜜蜂体绒毛结构均匀密布排列。
上述方案中，所述机体设有四个涵道，涵道内的旋翼产生的下洗风场。
上述方案中，所述水平推进机构位于无人机中心轴线上，包括微型电机、机翼和导风管，导风管位于机体上，微型电机安装在导风管内，微型电机与机翼连接，导风管的出风口与飞行器的前进方向相反。
上述方案中，所述图像采集机构为包括多个摄像头；多个摄像头沿机体的四周均匀分布，机体上、下部的中间位置也布置有摄像头。
上述方案中，所述检测机构为应变片式压力传感器。
上述方案中，所述应变片式压力传感器为柔性结构，包裹在机体前部，用于检测机体前方与植株接触压力，并传递给控制系统。
上述方案中，所述电机为空心杯电机；空心杯电机通过电机机架安装在涵道内；所述电机机架包括电机座支架、卡台、电机座和导线槽，所述电机座支架安装在电机座四周，空心杯电机安装在电机座内，卡台位于电机座上方，用于卡住空心杯电机，导线槽位于电机座支架上。
上述方案中，所述机体外形呈梭形，机身外表面光滑过度，这样能够保证无人机在植株内部自由穿梭飞行。
上述方案中，所述控制系统和电池为上下双层结构分布，可以充分利用无人机的内部空间，同时也便于电池的安装。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明无人机所携带的仿生微结构授粉装置主要由碳纳米纤维构成，众多纳米纤维均匀密布构成授粉带，表面结构呈柔软状态，与花粉接触后会发生变形，花粉粒粘附在其表面，其与花蕊接触之后还能够实现与花粉粒的分离；无人机飞行时靠蜂毛仿生结构与植物花朵的接触完成取粉与撒粉工作，机体设有若干涵道，旋翼安装于涵道内，能够防止碰撞损伤桨叶，增加桨盘下洗流场的汇聚，为风力授粉提供特定方向的下洗流场，使无人机产生的风场全部作用于目标花朵，有效地提高了温室环境下的授粉效果。
附图说明
图1是本发明一实施方式的结构示意图；
图2是本发明一实施方式的下机盖俯视图；
图3是本发明一实施方式的下机盖剖视图；
图4是本发明一实施方式的电机机架机构示意图；
图5是本发明一实施方式的水平推进装置局部视图；
图6是本发明一实施方式的摄像头空间位置分布图；
图7是本发明一实施方式的仿生微结构主视图。
图中，1、下机盖，2、上机盖，3、旋翼，4、摄像头，5、空心杯电机，6、电机机架，6-1、电机座支架，6-2、卡台，6-3、电机座，6-4、导线槽，7、授粉装置，8、应变片式压力传感器，9、控制系统，10、电池，11、水平推进装置，11-1、微型电机，11-2、机翼，11-3、导风管，12、底盖，13、碳纳米纤维，14、授粉带，15、花粉粒，16、涵道。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“轴向”、“径向”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
图1所示为所述多功能微型仿生授粉无人机的一种较佳实施方式，包括机体、旋翼3、图像采集机构、电机、授粉装置7、检测机构、控制系统9、电池10和水平推进装置11；所述机体设有若干涵道16，旋翼3和电机连接且均安装在机体涵道16内，图像采集机构安装在机体上，用于采集植株图像，并传递给控制系统9；所述授粉装置7围绕机体包围一圈；所述检测机构安装在机体的前部，用于检测机体前方植株压力，并传递给控制系统9；所述水平推进装置11安装在机体的后部；所述控制系统9和电池10连接并安装在机体内；所述图像采集机构、电机、检测机构和水平推进装置11分别与控制系统9连接。
根据本实施例优选的，所述授粉装置7为蜂毛仿生微结构，包括碳纳米纤维13和授粉带14；所述授粉带14围绕机体包围一圈，授粉带14上表面设有多条纳米纤维13，按照蜜蜂体绒毛结构均匀密布排列。所述纳米纤维13的规格优选为0.001dtex，众多纳米纤维13均匀密布构成授粉带14，表面结构呈柔软状态，与花粉接触后会发生变形，花粉粒粘附在其表面，其与花蕊接触之后还能够实现与花粉粒的分离；无人机飞行时靠蜂毛仿生结构与植物花朵的接触完成取粉与撒粉工作。根据本实施例优选的，所述机体设有四个涵道16，涵道16内的旋翼3产生的下洗风场。
根据本实施例优选的，所述水平推进机构11位于无人机中心轴线上，包括微型电机11-1、机翼11-2和导风管11-3，导风管11-3位于机体上，微型电机11-1安装在导风管11-3内，微型电机11-1与机翼11-2连接，导风管的出风口与飞行器的前进方向相反。
根据本实施例优选的，所述图像采集机构为包括多个摄像头4；多个摄像头4沿机体的四周均匀分布，机体上、下部的中间位置也布置有摄像头4。
根据本实施例优选的，所述检测机构为应变片式压力传感器8。
根据本实施例优选的，所述应变片式压力传感器8为柔性结构，包裹在机体前部。
根据本实施例优选的，所述电机为空心杯电机5；空心杯电机5通过电机机架6安装在涵道16内；所述电机机架6包括电机座支架6-1、卡台6-2、电机座6-3和导线槽6-4，所述电机座支架6-1安装在电机座6-3四周，空心杯电机5安装在电机座6-3内，卡台6-2位于电机座6-3上方，用于卡住空心杯电机5，导线槽6-4位于电机座支架6-1上。
根据本实施例优选的，所述机体外形呈梭形。
根据本实施例优选的，所述控制系统9和电池10为上下双层结构分布。
根据本实施例优选的，所述机体包括下机盖1和上机盖2；
根据本实施例优选的，所述下机盖1与上机盖2可拆卸连接，所述旋翼3、空心杯电机5和电机机架6均安装在机体涵道16内，优选的，所述电机机架6与下机盖1为一体结构，所述控制系统9安装于下机盖1内，连接线通过导线槽6-4将控制系统9和空心杯电机5连接，所述电池10安装于下机盖1的电池座内，通过底盖12合封，用以固定电池，防止在飞行过程中电池掉落。
所述无人机为涵道机，外形结构为椭圆形，所述电机机架6固定于下机盖1的涵道16内。优选的，所述摄像头4的数量为6个，其中4个沿无人机的四周均匀分布，其余两个位于上、下部的中间位置。
工作原理：1、图像获取。无人机在飞行过程中，可通过自身携带的6个摄像头采集植物的图像，并传递给控制系统9，通过崔明的《基于图像处理的草莓花朵识别算法研究》中所述技术，对采集到的信息做进一步处理，分析植物的生长信息、营养信息、病虫害信息以及花朵信息，将生长状态良好的植株和适合授粉的花朵进行匹配，对于遮挡情况下的植株，控制系统9控制水平推进机构提供水平推力，增加无人机的穿梭性能，无人机则可依靠自身微小的特点在植株内部飞行，采集内部信息。
2、自主飞行。对无人机的飞行路径进行设定，使其工作时能够按特定路线飞行。无人机在飞行过程中，由应变片式压力传感器8获取压力信息，通过态势感知提前做出判断从而实现智能避障的功能，采用马哲文的《作业环境下基于子地图的视觉SLAM与导航》中所述的方法，配合slam导航系统，通过电子地图对识别的花朵位置进行校准验证、自动修正，实现对目标花朵的精确定位。
3、授粉作业。无人机的作业方式主要分为两种，对于自花授粉的植物采用旋翼3产生的下洗风场直接作用于花朵的方式，借助风媒来吹散花粉完成授粉工作。
而异花授粉植物，则通过授粉装置较强的吸附力，根据静电吸附原理，花蕊中的花粉与纳米纤维接触后附着在授粉带14上，同时，悬浮在授粉带14上的其他花朵的花粉粒15通过摩擦接触作用也会落到花蕊上，从而完成授粉作业。由于无人机体积较小，工作时可采用蜂群作业的方式，如同蜜蜂授粉一样通过大量无人机一同作业的方式来提高工作效率。
根据本实施例，优选的，所述机体整体呈椭圆形，由上机盖2和下机盖1两部分组成；旋翼组件包含四个旋翼3、空心杯电机5、电机机架6和导线槽6-4；授粉装置7为包裹在机身外部的蜂毛仿生微结构，控制系统9包括飞控软件、slam导航系统、陀螺仪等，控制系统9与应变片式压力传感器8和摄像头4连接。无人机飞行时靠蜂毛仿生结构与植物花朵的接触完成取粉与撒粉工作，有效地提高了温室环境下的授粉效果。
本发明飞行通过能力强，本发明所提供的无人机不仅具有狭小空间飞行能力，甚至可以进入植株内部进行飞行作业，这是由于本发明所独有的结构特点决定的，包括：梭形机身设计，机身外表面光滑过度，所有部件均包裹于机身蒙皮内，无棱角和不连续结构，这样能够保证无人机在植株内部飞行时不会钩挂到植物；由于植株内枝叶茂盛，非接触式避障触感器无法提供稳定信号，因此在无人机前部设计安装有柔性压力传感部件，当无人机与障碍物接触时，应变片式压力传感器8可以探测感知飞行前方障碍，从而指导无人机进行避障；常规多旋翼无人机升力垂直向下，前飞机身略微前倾，产生水平推进力，但是升力主要作用于垂直方向对抗机身重力，水平推力较小，当无人机在植物内部飞行时，难免会与植株发生接触阻碍往前飞行，因此需要水平方向具有足够的推进力才能在植株内部越障飞行，故在无人机尾部增加水平推进装置11，当应变片式压力传感器8反馈的压力信息大于自身产生的水平推进力时，该装置便会自主缓慢开启，辅助无人机实现穿越飞行，如果压力信息超过该装置所能提供的最大推力时，无人机便会返回重新寻找新的飞行路线。
本发明多元信息探测，常规四旋翼无人机只能在植株上部飞行，在信息采集时常用于大田作业，工作时所拍摄的图像多为大面积俯视图，不能有效采集植物冠层和被植株遮盖的内部信息，本发明所述微型无人机能够在植株内部飞行，可以具有针对性的对小范围内植物根部的土壤信息、农作物花朵生长信息、叶片病害信息等数据进行信息采集和图像获取。此外，由于该无人机体型较小，自身所独有的穿梭特性使其还可在有信号的山洞、隧道、森林内飞行，探测内部信息，实现地貌勘探、救援等功能。
本发明多功能高效授粉，温室内常见的授粉方式如激素点花、振荡授粉存在工作劳动量大，容易造成农药残留等问题，而本发明所述微型无人机的授粉方式为自主作业，可有效解决上述问题，作业算法与申请号为CN201710527096.0的《大棚内西瓜授粉无人机》类似，作业方式分为：
风媒授粉，本发明所述微型无人机将四个旋翼3全部设计于涵道16内，能够降低螺旋桨桨尖的能量损失，增加桨盘下洗流场的汇聚，使无人机产生的风场全部作用于目标花朵；
接触授粉，通过仿生昆虫授粉的方式，即依靠自身毛发粘附具有粘性的花粉实现传播花粉。
本发明提供一种多功能微型仿生授粉无人机，环境态势感知装置由图像采集机构与检测机构组成，仿生授粉装置7由碳纳米纤维13和授粉带14构成，动力控制系统包括涵道式旋翼结构、电机、电池10和控制系统9。机体设有四个涵道16，旋翼3和电机连接且均安装在机体涵道16内，能够防止碰撞损伤浆叶；图像采集机构安装在机体上，用于采集植株间的内部信息，并传递给控制系统9；仿生授粉装置7围绕机体包围一圈；检测机构安装在机体的前部，用于检测机体前方植株压力，并传递给控制系统9；水平推进装置11安装在机体的后部，用于为梭形无人机在植株内部穿梭飞行时提供水平推力。本发明无人机飞行作业方式主要分为两种，一是依靠蜂毛仿生结构与植物花朵的接触完传粉工作，二是涵道结构为风力授粉提供特定方向的下洗流场，使无人机产生的风场全部作用于目标花朵，作业时两种方式相互结合，从而有效地提高了温室环境下的授粉效果。
上文所列出的一系列的详细说明仅仅是针对本发明的可行性实施例的具体说明，它们并非用以限制本发明的保护范围，凡未脱离本发明技艺精神所作的等效实施例或变更均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种多功能微型仿生授粉无人机，其特征在于，包括机体、旋翼(3)、图像采集机构、电机、授粉装置(7)、检测机构、控制系统(9)、电池(10)和水平推进装置(11)；
所述机体设有若干涵道(16)，旋翼(3)和电机连接且均安装在机体涵道(16)内，涵道(16)内的旋翼(3)产生的下洗风场；图像采集机构安装在机体上，用于采集植株图像，并传递给控制系统(9)；授粉装置(7)围绕机体包围一圈；所述检测机构安装在机体的前部，用于检测机体前方植株压力，并传递给控制系统(9)；所述水平推进装置(11)安装在机体的后部；所述控制系统(9)和电池(10)连接并安装在机体内；所述图像采集机构、电机、检测机构和水平推进装置(11)分别与控制系统(9)连接；
授粉装置(7)为蜂毛仿生微结构，包括碳纳米纤维(13)和授粉带(14)；所述授粉带(14)围绕机体包围一圈，授粉带(14)上表面设有众多纳米纤维(13)，纳米纤维(13)按照蜜蜂体绒毛结构均匀密布排列。
2.根据权利要求1所述的多功能微型仿生授粉无人机，其特征在于，所述机体设有四个涵道(16)，涵道(16)内的旋翼(3)产生的下洗风场。
3.根据权利要求1所述的多功能微型仿生授粉无人机，其特征在于，所述水平推进装置(11)位于无人机中心轴线上，包括微型电机(11-1)、机翼(11-2)和导风管(11-3)，导风管(11-3)位于机体上，微型电机(11-1)安装在导风管(11-3)内，微型电机(11-1)与机翼(11-2)连接，导风管的出风口与飞行器的前进方向相反。
4.根据权利要求1所述的多功能微型仿生授粉无人机，其特征在于，所述图像采集机构为包括多个摄像头(4)；多个摄像头(4)沿机体的四周均匀分布，机体上、下部的中间位置也布置有摄像头(4)。
5.根据权利要求1所述的多功能微型仿生授粉无人机，其特征在于，所述检测机构为应变片式压力传感器(8)。
6.根据权利要求5所述的多功能微型仿生授粉无人机，其特征在于，所述应变片式压力传感器(8)为柔性结构，包裹在机体前部。
7.根据权利要求1所述的多功能微型仿生授粉无人机，其特征在于，所述电机为空心杯电机(5)；空心杯电机(5)通过电机机架(6)安装在涵道(16)内；所述电机机架(6)包括电机座支架(6-1)、卡台(6-2)、电机座(6-3)和导线槽(6-4)，所述电机座支架(6-1)安装在电机座(6-3)四周，空心杯电机(5)安装在电机座(6-3)内，卡台(6-2)位于电机座(6-3)上方，用于卡住空心杯电机(5)，导线槽(6-4)位于电机座支架(6-1)上。
8.根据权利要求1所述的多功能微型仿生授粉无人机，其特征在于，所述机体外形呈梭形。
9.根据权利要求1所述的多功能微型仿生授粉无人机，其特征在于，所述控制系统(9)和电池(10)为上下双层结构分布。
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