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CN112623224A - 一种直线型多旋翼植保飞行器结构 - Google Patents

一种直线型多旋翼植保飞行器结构 Download PDF

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CN112623224A CN202011624183.6A CN202011624183A CN112623224A CN 112623224 A CN112623224 A CN 112623224A CN 202011624183 A CN202011624183 A CN 202011624183A CN 112623224 A CN112623224 A CN 112623224A
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Abstract

本发明公开了一种直线型多旋翼植保飞行器结构，包括至少一个主杆单元，两两主杆单元之间通过阻尼连接件连接；每一个主杆单元中间设有药箱和供电模块13，药箱和供电模块13固定在主杆单元的支撑架两侧，支撑架顶部两侧的主杆对称的设有主力旋翼、辅助旋翼、姿态调整旋翼；所述主力旋翼位于主杆最外侧，与主力旋翼相邻的为姿态调整旋翼，在姿态调整旋翼和支撑架顶端之间还设有辅助旋翼；此外，主杆单元上还包括设置在主杆上的视觉模块9、GPS‑RTK组件、IMU和飞控模块12。本设计可作为一个基本单元，可以进行多单元组合，实现更宽的喷幅，更高的作业效率。

Description

一种直线型多旋翼植保飞行器结构
技术领域
本发明涉及农业机械自动化和飞控技术领域，具体地说是一种螺旋桨直线分布的多旋翼植保飞行器。
背景技术
近年来，我国农业科技发展迅速，正在从传统的农业大国发展成真正的农业强国。农业过程的形式也从手动走向机械化乃至无人化，尤其是植保无人机的出现，已经在大量田间植保工作上取代了传统的喷雾机器，不仅提高了喷雾作业的效率，还能够取得优于人工作业的效果。
植保无人机是近年来新兴的植保机械，与传统地面植保喷雾机相比作业高效，不受作物长势和作业田块条件限制，适应我国山地丘陵等多样型和分散型农作物种植地形，有很强的市场潜力。然而，续航能力、载药量严重不足，是制约植保无人机发展的关键瓶颈。
目前我国植保无人机主要以多旋翼为主，但受到自身载荷能力的限制，使得无人机无法负载较多的药液，一般通过增加旋翼提升载荷(增加有限)。同时，为提升作业效率，多采用增加旋翼圆形分布方式，但对喷幅改善非常有限，而且“旋翼间干扰”更为严重，无法从根本上解决作业效率问题。
旋翼圆形分布的植保无人机存在以下缺点：(1)作业效率低，小型无人机载荷较小、续航时间短、喷雾幅度窄；(2)雾化效果差，雾滴的运动轨迹主要为雾滴群螺旋下降，下洗区内侧雾滴群交织，外侧大雾滴周向水平行程更大进而分布在外围；(3)“旋翼间干扰”强烈，雾滴主要分布在“旋翼间干扰”明显的区域内，而能运动到离喷头最远的大粒径雾滴量少。
发明内容
发明目的：为了克服上述现有技术的不足，本发明公开了一种喷幅广、作业效率高且可多段互连的直线型多旋翼植保飞行器。本发明适用于同类作物农业区域播撒、施肥，具有成本低、效率高、通用性强的特点。
本发明的技术方案包括：一种直线型多旋翼植保飞行器结构，包括至少一个主杆单元，两个以上的主杆单元通过阻尼连接件串联连接；每一个主杆单元中间设有药箱和供电模块13，药箱和供电模块13固定在主杆单元的支撑架上，支撑架两侧的主杆对称的设有主力旋翼、辅助旋翼、姿态调整旋翼；所述主力旋翼、辅助旋翼负责提供直线型多旋翼植保飞行器的大部分升力，所述姿态调整旋翼负责提供飞行器多方向运动的力；所述主力旋翼位于主杆最外侧，与主力旋翼相邻的为姿态调整旋翼，在姿态调整旋翼和支撑架顶端之间还设有辅助旋翼；此外，主杆单元上还包括设置在主杆上的传感及飞控组件。
进一步，传感及飞控组件包括视觉模块9、毫米波和激光雷达16、GPS-RTK组件、IMU和飞控模块12，所述IMU和飞控模块12分别和视觉模块9、毫米波和激光雷达16、GPS-RTK组件电连接，上述模块通过药箱和供电模块13中的供电模块提供电力。
进一步，所述视觉模块9、毫米波和激光雷达16分别位于支撑架顶端两侧，对称设置在姿态调整旋翼和辅助旋翼之间的主杆上；所述GPS-RTK组件为两个，对称设置在支撑杆的两端顶部，IMU和飞控模块12设置在两个GPS-RTK组件之间的主杆上。
进一步，所述主力旋翼、辅助旋翼为单旋翼或者对桨设置；所述主力旋翼、辅助旋翼为单旋翼时，各自包括旋翼1、电机2、连接法兰3、药液管道4、喷头5；旋翼1下端连接电机2轴端，电机2轴端固定在连接法兰3上，连接法兰3下端依次连接有药液管道4和喷头5；所述主力旋翼、辅助旋翼为对桨设置时，各自均带有上下两个电机和对称设置的两个旋翼。
进一步，所述主杆、支撑架均为中空的喷杆结构，药箱和供电模块13中药箱内的药水通过支撑架的中空管道依次连通至主杆、连接法兰3、药液管道4以及喷头5。
进一步，所述姿态调整旋翼中，位于支撑架顶端一侧的姿态调整旋翼设置在竖向姿态调整杆上，竖向姿态调整杆(固定在主杆上)位于主杆单元上方或者下方，姿态调整旋翼的旋翼为两个以上，均依次连接相应的电机、连接法兰，两个以上旋翼要保证有前后相反方向设置的旋翼；或者位于支撑架顶端一侧的姿态调整旋翼设置在主杆上，旋翼为两个以上，均依次连接相应的电机、连接法兰，两个以上旋翼要保证有前后相反方向设置的旋翼。
进一步，还包括电机驱动模块、电磁阀驱动模块，所述IMU和飞控模块12分别和电机驱动模块、电磁阀驱动模块相连接，其中的电机驱动模块和各个旋翼上的电机相连接，电磁阀驱动模块和多旋翼植保飞行器上的各个喷头相连，所述IMU和飞控模块12控制旋翼上电机的运转和喷头的喷施流量。
进一步，所述药箱和供电模块13上方的支撑架上还设置有载荷阻尼连接件。
进一步，所述阻尼连接件为阻尼铰链。
同时主升电机旋翼产生的下洗气流可以加速药液附着在农作物表面，减少药液的流失；旋翼1、旋翼10、旋翼15以及旋翼20下方分别连接喷头5，通过药液管道4输出药液；下洗气流不仅能使雾滴垂直向下运动，还能使卷扬气流边界处的雾滴在水平方向上达到最远，如此便能够增大喷雾范围。
对比传统的植保无人机如固定翼无人机、X型多旋翼飞行器，本发明方法特有之处在于：
(1)姿态调整电机竖直安装，优化了下洗风场，提高药液的着药率。
(2)主升旋翼与喷杆的连接部件可采用带阻尼的连接器，使得当多旋翼喷杆在工作时，即便偶尔受到阵风影响，姿态变化也可由带阻尼的连接器减弱，增加设备的稳定性。
(3)本设计可作为一个基本单元，可以进行多单元组合，实现更宽的喷幅，更高的作业效率。
(4)本设计主升电机可采用上下对桨方案，飞行器尺寸不变，提高载药量和续航时间，适应不同作业需求。
(5)本设计主杆采用碳纤以及航空铝件组合，自身重量小。
附图说明
图1为本发明基本结构示意图；
图2为本发明主升旋翼与喷杆连接部件示意图；
图3为多单元组合示意图；
图4为多单元组合连接部件图；
图5为主升电机对桨示意图；
图6为姿态调整杆向下结构示意图；
图7为姿态调整杆向下的主升电机对桨示意图；
图8为姿态调整杆水平布置的载荷阻尼连接件示意图。
图1中，1-旋翼；2-电机；3-连接法兰；4-药液管道；5-喷头；6-第一姿态调整旋翼a；7-第一姿态调整杆；8-第一姿态调整旋翼b；9-视觉模块；10-第一辅助旋翼；11-第一GPS；12-IMU、飞控模块；13-药箱和供电模块；14-第二GPS；15-第二辅助旋翼；16-毫米波、激光雷达；17-第二姿态调整旋翼a；18-第二姿态调整杆；19-第二姿态调整旋翼b；20-主力旋翼；21-阻尼连接件；
具体实施方式
下面结合附图和实例对本发明作更进一步的说明。
图1所示的直线型多旋翼植保飞行器一个主杆单元的基本结构示意图，它主要由以下几个部分组成：1-旋翼；2-电机；3-连接法兰；4-药液管道；5-喷头；6-第一姿态调整旋翼a；7-第一姿态调整杆；8-第一姿态调整旋翼b；9-视觉模块；10-第一辅助旋翼；11-第一GPS；12-IMU、飞控模块；13-药箱和供电模块；14-第二GPS；15-第二辅助旋翼；16-毫米波、激光雷达；17-第二姿态调整旋翼a；18-第二姿态调整杆；19-第二姿态调整旋翼b、20-主力旋翼；21-阻尼连接件；在整个结构中，主杆和姿态调整杆上分布有多个旋翼(1、6、8、10、15、17、19、20)，它们的安装角度可根据实际作业需求进行相应的变化，图中1和20、6和17、8和19以及10和15等四对旋翼的安装角度略有差异。
图1中，主力旋翼(旋翼1、旋翼20组成)，辅助旋翼(第一辅助旋翼10、第二辅助旋翼15组成)，姿态调整旋翼(第一姿态调整旋翼a 6和第一姿态调整旋翼b 8、第二姿态调整旋翼a 17和第二姿态调整旋翼b 19组成)，作为本发明的一个具体实施例，主杆、支撑架均为中空的喷杆结构，第一GPS11和第二GPS为GPS-RTK组件，对称设置在支撑杆的两端顶部，IMU和飞控模块12设置在两个GPS-RTK组件之间的主杆上。
图1-2所示为主升旋翼与喷杆连接部件示意图，旋翼1、电机2、连接法兰3、药液管道4以及喷头5依次连接，主升电机2产生的风场可使喷头5的药液充分喷洒，药箱和供电模块13中的药水通过支撑架依次连通至主杆、连接法兰3、药液管道4以及喷头5。
图3、图4为直线型多旋翼飞行器多段主杆单元互连示意图和连接件示意图。主杆之间通过带阻尼柔性连接件(本实施例采用阻尼铰链)连接，保证多个飞行器协同作业，扩大植保作业面积，提升作业效率。
图5-7为以本发明为基础结构的多个变形结构图。图5中主力旋翼、辅助旋翼的主升电机对桨结构，减小飞行器长度，提升有效载荷；图6将姿态调整杆调整朝下，整个系统重心上移，减小飞行器外框大小，适应林间作业；图7为主力旋翼、辅助旋翼的主升电机对桨，姿态调整杆朝下结构，减小飞行器长度，提升有效载荷；图8为载荷阻尼连接件示意图，使用阻尼连接件，增加载荷平台稳定性，提高植保作业质量。
作为本发明的一个具体实施例，姿态调整旋翼下方如果设置喷头，则姿态调整杆可以为中空结构。
上述药箱和供电模块13中，包括药箱(药箱中有喷施药水)、电池和/或发电机，其中输出电力可以通过电池供电，也可以通过油电混合实现供电。
本发明具体实例有多种结构：主力旋翼、辅助旋翼中的主升电机和姿态调整旋翼中的姿态电机，其数量为偶数或奇数；主升电机正反安装，保持推力向上，适应不同作物生长特性；电机对称安装或不对称安装，即对安装精度要求低，方便生产与维修；安装时固定倾转角度或者由关节电机实时调整倾转角度，提高飞行器响应速度。
本发明的所述IMU和飞控模块12中，其机载处理器实时读取IMU和飞控模块12中集成的三轴加速度计、三轴陀螺仪、三轴磁力计、气压计，以及视觉模块9，毫米波和激光雷达16，通过图优化或者卡尔曼滤波进行融合，实时估计飞行器姿态(横滚角，俯仰角，偏航角)、速度(X,Y,Z,三轴方向速度)、位置(X,Y,Z,三轴方向坐标)、以及周围环境；利用估计得到的角加速度、角速度、姿态、加速度、速度、位置信息，构成抗扰控制器反馈，控制电机，实现期望姿态、速度、位置。
综上所述，本发明公开了一种喷幅广、作业效率高且可多段互连的直线型多旋翼植保飞行器。直线型飞行器结构，实现了充分的下洗风场，提高了药液的使用率。多传感器融合实现了飞行器的状态估计，再通过控制算法实现飞行器的稳定飞行。利用激光雷达、视觉模块、毫米波雷达实现周围环境建图，机载处理器完成局部规划与全局规划，实现直线型多旋翼植保飞行器安全可靠高效完成植保作业。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示意性实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。

Claims (9)

1.一种直线型多旋翼植保飞行器结构，其特征在于，包括至少一个主杆单元，两个以上的主杆单元通过阻尼连接件串联连接；每一个主杆单元中间设有药箱和供电模块(13)，药箱和供电模块(13)固定在主杆单元的支撑架上，支撑架两侧的主杆对称的设有主力旋翼、辅助旋翼、姿态调整旋翼；所述主力旋翼、辅助旋翼负责提供直线型多旋翼植保飞行器的大部分升力，所述姿态调整旋翼负责提供飞行器多方向运动的力；所述主力旋翼位于主杆最外侧，与主力旋翼相邻的为姿态调整旋翼，在姿态调整旋翼和支撑架顶端之间还设有辅助旋翼；此外，主杆单元上还包括设置在主杆上的传感及飞控组件。
2.根据权利要求1所述的一种直线型多旋翼植保飞行器结构，其特征在于，传感及飞控组件包括视觉模块(9)、毫米波和激光雷达(16)、GPS-RTK组件、IMU和飞控模块(12)，所述IMU和飞控模块(12)分别和视觉模块(9)、毫米波和激光雷达(16)、GPS-RTK组件电连接，上述模块通过药箱和供电模块(13)中的供电模块提供电力。
3.根据权利要求2所述的一种直线型多旋翼植保飞行器结构，其特征在于，所述视觉模块(9)、毫米波和激光雷达(16)分别位于支撑架顶端两侧，对称设置在姿态调整旋翼和辅助旋翼之间的主杆上；所述GPS-RTK组件为两个，对称设置在支撑杆的两端顶部，IMU和飞控模块(12)设置在两个GPS-RTK组件之间的主杆上。
4.根据权利要求1所述的一种直线型多旋翼植保飞行器结构，其特征在于，所述主力旋翼、辅助旋翼为单旋翼或者对桨设置；
所述主力旋翼、辅助旋翼为单旋翼时，各自包括旋翼(1)、电机(2)、连接法兰(3)、药液管道(4)、喷头(5)；旋翼(1)下端连接电机(2)轴端，电机(2)轴端固定在连接法兰(3)上，连接法兰(3)下端依次连接有药液管道(4)和喷头(5)；
所述主力旋翼、辅助旋翼为对桨设置时，各自均带有上下两个电机和对称设置的两个旋翼。
5.根据权利要求4所述的一种直线型多旋翼植保飞行器结构，其特征在于，所述主杆、支撑架均为中空的喷杆结构，药箱和供电模块(13)中药箱内的药水通过支撑架的中空管道依次连通至主杆、连接法兰(3)、药液管道(4)以及喷头(5)。
6.根据权利要求1所述的一种直线型多旋翼植保飞行器结构，其特征在于，所述姿态调整旋翼中，
位于支撑架顶端一侧的姿态调整旋翼设置在竖向姿态调整杆上，竖向姿态调整杆位于主杆单元上方或者下方，姿态调整旋翼的旋翼为两个以上，均依次连接相应的电机、连接法兰，两个以上旋翼要保证有前后相反方向设置的旋翼；
或者位于支撑架顶端一侧的姿态调整旋翼设置在主杆上，旋翼为两个以上，均依次连接相应的电机、连接法兰，两个以上旋翼要保证有前后相反方向设置的旋翼。
7.根据权利要求2所述的一种直线型多旋翼植保飞行器结构，其特征在于，还包括电机驱动模块、电磁阀驱动模块，所述IMU和飞控模块(12)分别和电机驱动模块、电磁阀驱动模块相连接，其中的电机驱动模块和各个旋翼上的电机相连接，电磁阀驱动模块和多旋翼植保飞行器上的各个喷头相连，所述IMU和飞控模块(12)控制旋翼上电机的运转和喷头的喷施流量。
8.根据权利要求1所述的一种直线型多旋翼植保飞行器结构，其特征在于，所述药箱和供电模块(13)上方的支撑架上还设置有载荷阻尼连接件。
9.根据权利要求1或8所述的一种直线型多旋翼植保飞行器结构，其特征在于，所述阻尼连接件为阻尼铰链。
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