CN209454998U - 一种投放赤眼蜂进行生物防治的无人机 - Google Patents
一种投放赤眼蜂进行生物防治的无人机 Download PDFInfo
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Abstract
一种投放赤眼蜂进行生物防治的无人机属无人机技术领域，本实用新型的无人机为四旋翼无人机，GPS导航仪、GPS定位仪、测距传感器和气压传感器装于无人机的中心板四角，投放装置组件固接于无人机的正下方，投放装置的内外二容器相互套叠固接，并由橡胶圈密封，隔板置于二容器之间，且与二容器活动连接，二容器和隔板上均设有通孔，隔板上还设有弧形凹槽，以便放赤眼蜂的带孔空心球投放，电机底座固接于外容器底部，电机的输出轴穿过外容器的中心孔Ⅱ与隔板的中心孔Ⅰ固接，压力传感器固接于容器Ⅱ的盲孔中；本实用新型可用于农业生产中对水稻螟虫的防治，且能显著提高水稻的产量，并能减轻工人劳动强度，减小投放装置尺寸，装置成本低，工作效率高。
Description
技术领域
本实用新型属无人机技术领域，具体涉及一种投放赤眼蜂进行生物防治的无人机。
背景技术
无人驾驶飞机简称“无人机”，英文缩写为“UAV”，是利用无线电遥控设备和程序控制装置操纵的不载人飞机。无人机实际上是无人驾驶飞行器的统称，从技术角度定义可以分为：无人固定翼飞机、无人垂直起降飞机、无人飞艇、无人直升机、无人多旋翼飞行器、无人伞翼机等。与载人飞机相比，它具有体积小、造价低、使用方便等优点。
正是基于无人机的诸多优点，无人机在越来越多的领域得到推广并投入使用。例如无人机喷洒农药，无人机投放救灾物资等等。涉及无人机的很多技术已经日趋成熟，把无人机应用到生物防治这个领域又是无人机技术的一项重要成果。
通过在害虫的卵中产卵并最终杀死寄主是赤眼蜂用于生物防治的原理。科学家把被赤眼蜂寄生了的米蛾卵(即赤眼蜂寄生卵)装进小球然后投放进稻田，小球的表面打开一个小孔，确保赤眼蜂孵化之后可以从小孔中飞出并且主动寻找螟虫的卵进行寄生，它们能够在螟虫的卵中吸收营养供自身发育，并最终杀死螟虫的卵从而达到生物防治的效果。传统的消灭水稻田中螟虫的方法是通过人工向水稻田投放包含大量赤眼蜂寄生卵的小球(以下简称小球)，这种人工投放赤眼蜂的方法虽然取得了一些成效，但仍然存在着劳动效率低下、工作强度大、成本较高等弊端。而采用无人机携带投放装置投放小球之后，工作效率得到大幅提高，大大减轻了工人的劳动强度。但在实际应用中，无人机投放在技术层面还存在诸多弊端，例如无法实现精准投放，路径规划不够合理等等。因此设计一种投放赤眼蜂进行生物防治的无人机是十分必要的，并且在此基础上规划出无人机投放过程中的最优飞行路径，从而真正实现无人机对于赤眼蜂的精准投放。
发明内容
本实用新型的目的在于提供一种投放赤眼蜂进行生物防治的无人机。
本实用新型由无人机1、投放装置组件A、控制系统B组成，其中所述的无人机1为四旋翼无人机，投放装置组件A由投放装置6、橡胶密封圈9、压力传感器24和电机14组成，投放装置6由容器Ⅰ8、隔板12、容器Ⅱ10和橡胶密封圈9组成，容器Ⅰ8为设有裙边的敞口圆桶状，底面沿1/2半径圆周上设有圆弧形凹槽11，圆弧半径r为50mm，圆弧角α为50度；容器Ⅰ8上设有螺栓孔组Ⅱ18和通孔组Ⅰ17，其中螺栓孔组Ⅱ18由六个孔组成，位于容器Ⅰ8的裙边；通孔组Ⅰ17由八个孔组成，在容器Ⅰ8底部的1/2半径的圆周上均布；通孔组Ⅰ17的直径为12mm。容器Ⅰ8中存放有小球27，小球27的直径为10mm，其上设有供赤眼蜂飞出的小孔28的直径为1mm，通孔组Ⅰ17的直径大于小球27的直径，有利于小球27顺利进入通孔组Ⅰ17。
容器Ⅱ10为设有裙边的敞口圆桶状，底部设有中心孔Ⅱ23、通孔Ⅲ22、盲孔25和螺栓孔组Ⅳ26，由六个孔组成的螺栓孔组Ⅲ21位于容器Ⅱ10的裙边；中心孔Ⅱ23的直径为13mm，通孔Ⅲ22的直径为13mm；通孔Ⅲ22和盲孔25位于中心孔Ⅱ23的同一侧，压力传感器24固接于盲孔25中，用于检测小球27的压力信号。
隔板12为圆盘状，隔板12上设有中心孔Ⅰ19和通孔组Ⅱ20，其中通孔组Ⅱ20由8个通孔组成，且在1/2半径的圆周上均布，中心孔Ⅰ19的直径为10mm，通孔组Ⅱ20的直径为13mm。
隔板12置于容器Ⅰ8底面和容器Ⅱ10之间，隔板12与两个容器之间均为活动连接；容器Ⅰ8置于容器Ⅱ10内，两者通过螺栓组Ⅰ7固定连接，且容器Ⅰ8裙边与容器Ⅱ10裙边之间放置橡胶密封圈9，可使容器Ⅰ8和容器Ⅱ10的连接更紧密，以提高投放装置6的稳定性。
电机14的底座设有螺栓孔组Ⅰ16，通过螺栓组Ⅱ15固接于容器Ⅱ10底部，电机14的输出轴13穿过容器Ⅱ10的中心孔Ⅱ23与隔板12的中心孔Ⅰ19固接，电机14为整个投放装置6提供动力。
投放装置组件A经螺栓组Ⅰ7固接于无人机1的正下方，控制系统B安装在无人机1上方。
所述的控制系统B由GPS导航仪2、GPS定位仪3、测距传感器4和气压传感器5组成，GPS导航仪2、GPS定位仪3、测距传感器4和气压传感器5安装在无人机1的中心板四角。
GPS导航仪2在本实用新型中具有地图查询、路线规划和自动导航等功能，通过GPS导航仪2可查到目的地和无人机1飞行路径上的位置信息，且可设定路径起点、终点和途经点。GPS定位仪3可实时获得无人机1的位置信息。测距传感器4用于检测无人机1飞行过程中的位置与下一个投放点的位置之间的水平距离。气压传感器5用于测量无人机1飞行过程中距离地面的高度。
无人机1在投放小球27时，具体工作过程如下：
首先通过GPS导航仪2对已经确定的无人机1的飞行路径进行规划，得到无人机1的飞行路径及每个小球27在路径上的落点位置，实现定点投放，并且可以确保无人机1按照已经确定的飞行路径飞行。无人机1飞行之前，先让电机14带动输出轴13旋转，输出轴13带动隔板12旋转，当容器Ⅰ8的通孔组Ⅰ17和隔板12的通孔组Ⅱ20的八个孔对齐时，存放于容器Ⅰ8中的小球27进入隔板12的通孔组Ⅱ20中暂时储存。无人机1在飞行过程中，GPS导航仪2和GPS定位仪3一直处于工作状态，保证无人机1的飞行路径是正确的。气压传感器5保证了无人机1飞行的高度，当无人机1飞行的高度发生变化时，气压传感器5通过反馈调节机制重新调整无人机1飞行的高度，测距传感器4实时检测无人机1与地面落点的距离。当无人机1飞行过程中不进行小球27的投放时，电机14不工作，小球27存放在隔板12中。当无人机1在飞行过程中到达与落点的水平距离为10m的位置时，无人机1开始进行小球27的投放。此时电机14带动输出轴13旋转，输出轴13带动隔板12旋转，当隔板12的通孔组Ⅱ20中的任意一个与容器Ⅱ10的通孔Ⅲ22对齐时，隔板中已经存储的小球27从投放装置6中投放出来作平抛运动到达定点成一次投放过程，每次投放仅投放一颗小球27。隔板12旋转过程中容器Ⅰ8中的小球填充到隔板12的通孔组Ⅱ20中，为下一次投放做好准备。在投放过程中，压力传感器24起到了检测在隔板12的通孔组Ⅱ20中是否有小球27存储的作用。当隔板12的通孔组Ⅱ20中的小球随电机14旋转到压力传感器24附近时，如果检测到压力信号，那么电机14继续旋转直到隔板12上通孔组Ⅱ20的其中一个孔和容器Ⅱ10的通孔Ⅲ22重合且小球27落下；如果没有检测到压力信号，电机14旋转的角度在原基础上多增加45度，继续检测隔板12上通孔组Ⅱ20的下一个孔是否存储小球27，直到压力传感器24检测到存有小球27的压力信号并且完成投放，电机14停止转动，完成一个工作流程，无人机1继续沿既定路径飞行完成下一个点的投放，直至完成所有投放任务。
本实用新型的有益效果在于：
1.无人机用于投放赤眼蜂，自动化程度高，极大地提高了工作效率，降低了工人的劳动强度，减少了人力成本，对于农业生产中自动化程度的提高具有重要意义。
2.无人机的飞行过程集中表现为同一高度上沿规划的最优路径飞行，无人机1的飞行高度为19.6m，飞行速度为5m/s，在投放过程中表现为对小球的精准定点投放，并且根据实际情况得出每公顷的小球用量，让小球的投放更加科学；在GPS导航仪、GPS定位仪、测距传感器和气压传感器的支持下，通过分析和计算，给出一种无人机的最优飞行路径，可以真正实现无人机对赤眼蜂的精准定点投放。
附图说明
图1为投放赤眼蜂进行生物防治的无人机的结构示意图
图2为投放装置6的轴测图
图3为投放装置6剖视图
图4为凹槽11结构示意图
图5为电机14的轴测图
图6为容器Ⅰ8的俯视图
图7为容器Ⅰ8的仰视图
图8为容器Ⅰ8的轴测图
图9为隔板12的轴测图
图10为容器Ⅱ10的俯视图
图11为容器Ⅱ10的仰视图
图12为容器Ⅱ10的轴测图
图13为小球27的剖视图
图14为无人机飞行路径示意图
其中：1.无人机 2.GPS导航仪 3.GPS定位仪 4.测距传感器 5.气压传感器 6.投放装置 7.螺栓组Ⅰ 8.容器Ⅰ 9.橡胶密封圈 10.容器Ⅱ 11.圆弧型凹槽 12.隔板 13.输出轴 14.电机 15.螺栓组Ⅱ 16.螺栓孔组Ⅰ 17.通孔组Ⅰ 18.螺栓孔组Ⅱ 19.中心孔Ⅰ 20.通孔组Ⅱ 21.螺栓孔组Ⅲ 22.通孔Ⅲ 23.中心孔Ⅱ 24.压力传感器 25.盲孔 26.螺栓孔组Ⅳ 27.小球 28.小孔 A.投放装置组件 B.控制系统
具体实施方式
为进一步阐述本实用新型达成预定目的所采取的技术手段及功效，以下结合附图及对本实用新型的具体实施方式详述如下：
如图1至图3所示，本实用新型由无人机1、投放装置组件A、控制系统B组成，其中投放装置组件A由投放装置6、橡胶密封圈9、压力传感器24和电机14组成，投放装置6由容器Ⅰ8、隔板12、容器Ⅱ10和橡胶密封圈9组成。
如图3、图4、图6至图8、图13所示，容器Ⅰ8为设有裙边的敞口圆桶状，底面沿1/2半径圆周上设有圆弧形凹槽11，圆弧半径r为50mm，圆弧角α为50度；容器Ⅰ8上设有螺栓孔组Ⅱ18和通孔组Ⅰ17，其中螺栓孔组Ⅱ18由六个孔组成，位于容器Ⅰ8的裙边，用于连接容器Ⅱ10；通孔组Ⅰ17由八个孔组成，在容器Ⅰ8底部的1/2半径的圆周上均布；通孔组Ⅰ17的直径为12mm。容器Ⅰ8用于盛放小球27，小球27的直径为10mm，其上设有供赤眼蜂飞出的小孔28，小孔28的直径为1mm。通孔组Ⅰ17的直径略大于小球27的直径，这样有利于小球27顺利进入通孔组Ⅰ17。
如图3、图10至图12所示，容器Ⅱ10为设有裙边的敞口圆桶状，底部设有中心孔Ⅱ23、通孔Ⅲ22、盲孔25和螺栓孔组Ⅳ26，由六个孔组成的螺栓孔组Ⅲ21位于容器Ⅱ10的裙边，用于连接容器Ⅰ8；中心孔Ⅱ23的直径为13mm，通孔Ⅲ22的直径为13mm；通孔Ⅲ22和盲孔25位于中心孔Ⅱ23的同一侧，压力传感器24固接于盲孔25中，用于检测小球27的压力信号；螺栓孔组Ⅳ26用于和电机14底座相连。
容器Ⅰ8置于容器Ⅱ10内，两者通过螺栓组Ⅰ7连接，且容器Ⅰ8裙边与容器Ⅱ10裙边之间放置橡胶密封圈9，这样可以让容器Ⅰ8和容器Ⅱ10的连接更加紧密，提高投放装置6的稳定性。
如图3和图9所示，隔板12为圆盘状，隔板12上设有中心孔Ⅰ19和通孔组Ⅱ20，其中通孔组Ⅱ20由8个通孔组成，且在1/2半径的圆周上均布，中心孔Ⅰ19的直径为10mm，通孔组Ⅱ20的直径为13mm；隔板12置于容器Ⅰ8底面和容器Ⅱ10之间，隔板12与两个容器之间均为活动连接。
如图1、图3和图5所示，电机14的底座设有螺栓孔组Ⅰ16，通过螺栓组Ⅱ15固接于容器Ⅱ10底部，电机14的输出轴13穿过容器Ⅱ11的中心孔Ⅱ23与隔板12的中心孔Ⅰ19固接。电机为整个投放装置6提供动力。
如图1、图3所示，投放装置组件A经螺栓组Ⅰ7固接于无人机1的正下方，控制系统B由GPS导航仪2、GPS定位仪3、测距传感器4和气压传感器5组成，安装在无人机1的中心板四角。GPS导航仪2在本实用新型中具有地图查询、路线规划和自动导航等功能，通过GPS导航仪2可以查到目的地和无人机1飞行路径上的位置信息，并且可以设定路径起点、终点和途经点。GPS定位仪3可以实时获得无人机1的位置信息。测距传感器4用于检测无人机1飞行过程中的位置与下一个投放点的位置之间的水平距离。气压传感器5用于测量无人机1飞行过程中距离地面的高度。
如图14所示，本实用新型提供一种无人机1在投放过程中的最优飞行路径，其中X代表小球27落点，Y代表赤眼蜂扩散范围，Z代表无人机1的飞行路径，为一条折线。p代表稻田长度，q代表稻田宽度，a代表小球27的第一个落点距稻田两边的距离，b代表相邻两个落点之间的距离，d代表赤眼蜂扩散范围的直径。无人机1的飞行路径及投放定点的确定过程如下：
已知赤眼蜂寄生卵的直径大小为0.4mm，每亩地投放赤眼蜂的数量为7000到8000头，先假设小球27的直径为10mm，由数学表达式：
其中：V是体积，r是半径；
一个小球27理论上可以容纳的赤眼蜂卵的个数n可由下列式子得出：
由上式得知每个投放动作投放一个小球27可以满足赤眼蜂的用量并达到防治效果，于是确定为每个投放动作投放一个小球27，小球27的直径为10mm。
先选取一块长度p＝120m，宽度q＝96m的矩形稻田，已知赤眼蜂的活动范围是以一个以17m为半径的圆，这个范围是赤眼蜂防治螟虫的有效区域，图中圆形区域即为单个小球27中的赤眼蜂的活动区域，直径d为34m，圆心X即为小球27的落点，每个落点投放一个小球27。
无人机1先从稻田的一侧进入稻田地，飞行过程中在到达第一个投放点之前并且到达与落点水平距离为10m的位置时，开始进行小球的投放，小球作平抛运动到达落点。
根据无人机1的飞行速度为v＝5m/s，飞行高度h＝19.6m，重力加速度g＝9.8m/s2，无人机1投放小球27的位置距离小球27落点的水平距离s为：
投放完成后无人机1继续飞行到达第二个落点之前电机14旋转再次完成对小球27的投放。最终无人机1的飞行路径确定为一条在矩形区域内往返的折线，并且累计投放20个点之后可以实现赤眼蜂的活动区域对矩形稻田的全面覆盖。于是每公顷投放的小球27的个数k可由下列式子得出：
k＝20÷(120×96÷10000)＝17.36
得到每公顷投放小球27的个数为18个。
根据圆形以及三角形的几何关系，小球27的第一个落点距稻田两边的距离a为：
相邻两个落点之间的距离b为：
b＝2a＝24m。
Claims (1)
1.一种投放赤眼蜂进行生物防治的无人机，其特征在于：由无人机(1)、投放装置组件(A)、控制系统(B)组成，所述的无人机(1)为四旋翼无人机，其中投放装置组件(A)由投放装置(6)、橡胶密封圈(9)、压力传感器(24)和电机(14)组成，投放装置(6)由容器Ⅰ(8)、隔板(12)、容器Ⅱ(10)和橡胶密封圈(9)组成，其中容器Ⅰ(8)为设有裙边的敞口圆桶状，底面沿1/2半径圆周上设有圆弧形凹槽(11)，圆弧半径r为50mm，圆弧角α为50度；容器Ⅰ(8)上设有螺栓孔组Ⅱ(18)和通孔组Ⅰ(17)，其中螺栓孔组Ⅱ(18)由六个孔组成，位于容器Ⅰ(8)的裙边；通孔组Ⅰ(17)由八个孔组成，在容器Ⅰ(8)底部的1/2半径的圆周上均布；通孔组Ⅰ(17)的直径为12mm，容器Ⅰ(8)中存放有小球(27)，小球(27)的直径为10mm，其上的小孔(28)的直径为1mm；容器Ⅱ(10)为设有裙边的敞口圆桶状，底部设有中心孔Ⅱ(23)、通孔Ⅲ(22)、盲孔(25)和螺栓孔组Ⅳ(26)，由六个孔组成的螺栓孔组Ⅲ(21)位于容器Ⅱ(10)的裙边；中心孔Ⅱ(23)的直径为13mm，通孔Ⅲ(22)的直径为13mm；通孔Ⅲ(22)和盲孔(25)位于中心孔Ⅱ(23)的同一侧，压力传感器(24)固接于盲孔(25)中；隔板(12)为圆盘状，隔板(12)上设有中心孔Ⅰ(19)和通孔组Ⅱ(20)，其中通孔组Ⅱ(20)由8个通孔组成，且在1/2半径的圆周上均布，中心孔Ⅰ(19)的直径为10mm，通孔组Ⅱ(20)的直径为13mm；隔板(12)置于容器Ⅰ(8)底面和容器Ⅱ(10)之间，隔板(12)与两个容器之间均为活动连接；容器Ⅰ(8)置于容器Ⅱ(10)内，两者通过螺栓组Ⅰ(7)固定连接，且容器Ⅰ(8)裙边与容器Ⅱ(10)裙边之间放置橡胶密封圈(9)；电机(14)的底座设有螺栓孔组Ⅰ(16)，通过螺栓组Ⅱ(15)固接于容器Ⅱ(10)底部，电机(14)的输出轴(13)穿过容器Ⅱ(10)的中心孔Ⅱ(23)与隔板(12)的中心孔Ⅰ(19)固接；投放装置组件(A)经螺栓组Ⅰ(7)固接于无人机(1)的正下方，控制系统(B)安装在无人机(1)上方；所述的控制系统(B)由GPS导航仪(2)、GPS定位仪(3)、测距传感器(4)和气压传感器(5)组成，GPS导航仪(2)、GPS定位仪(3)、测距传感器(4)和气压传感器(5)安装在无人机(1)的中心板四角。
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Cited By (2)
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2019
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Cited By (4)
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