CN107128493B - 一种横列式多旋翼的宽幅植保无人机及驱动方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种横列式多旋翼的宽幅植保无人机及驱动方法，用以提高作业效率。所采用的技术方案：包括机架、姿态控制机构和喷药***。所述的机架为植保无人机提供骨干支撑并作为载物平台安放所需零部件。所述的姿态控制机构为无人机的起飞、降落、调整飞行高度提供动力输出，同时驱动植保无人机沿着作业方向前进和停止以及改变作业航道。所述的喷药***控制植保无人机到达预定的作业区域时喷药***开始喷药作业。采用的驱动方法主要是通过改变相应位置的旋翼的转速调整无人机运行姿态和飞行航道。本发明采用多对横列式横向轴线旋翼以及一对纵向轴线旋翼组合提供无人机升力，提高无人机的负载能力和续航能力，同时增大了作业幅宽，提高了整体作业效率。

Description

一种横列式多旋翼的宽幅植保无人机及驱动方法

技术领域

本发明涉及农用航空植保领域，尤其涉及一种横列式多旋翼的宽幅植保无人机及驱动方法，用以提高作业效率。

背景技术

植保无人机主要是针对大面积森林或农田的粮食或经济作物进行喷雾施药作业。具有高速旋转旋翼产生的高速下洗气流能对喷头喷射出的雾滴实现二次雾化，提高对雾滴的夹带能力，以提高药液的穿透性，对病虫草害防治效果良好等诸多优点，并且可以远距离遥控操作，使遥控操作人员避免了暴露于农药雾滴中，提高了施药安全性。遥控无人机己成为农林业植保的重要发展趋势之一。

目前植保无人机多采用无人直升机和多旋翼飞行器作为作业平台，其风场覆盖范围小，一次飞行作业幅宽小，加之滞空时间短，需要反复加药液，总体作业效率较低，阻碍了需大规模、短时效的农业植保防治的发展，因此急需发明一种作业幅宽大、效率高的植保无人机平台及驱动方法。

发明内容

本发明针对现有技术存在的不足，提供了一种横列式多旋翼的宽幅植保无人机及驱动方法，具有负载能力高，作业幅宽大，工作效率高，使用和维护成本低等优点。

本发明一种横列式多旋翼的宽幅植保无人机所采用的技术方案：包括机架、姿态控制机构和喷药***。所述的机架为植保无人机提供骨干支撑并作为载物平台安放所需零部件。所述的姿态控制机构为无人机的起飞、降落、调整飞行高度提供动力输出，同时驱动植保无人机沿着作业方向前进和停止以及改变作业航道。所述的喷药***控制植保无人机到达预定的作业区域时喷药***开始喷药作业。

所述的姿态控制机构包括锂电池、飞行控制器、电子调速器和旋翼组件。所述的锂电池为宽幅植保无人机的飞行控制器、电子调速器和旋翼组件提供动力，根据需求可配备多块，分组均布于机架中心区域。所述的飞行控制器固定于机架中心区域，自动采集宽幅植保无人机的飞行参数，为电子调速器输出舵机、油门指令。所述的电子调速器固定于机架中心区域，接收飞行控制器输出信号，控制旋翼组件的速度和方向，进而控制宽幅植保无人机的姿态和轨迹。所述的旋翼组件包括横向轴线电机、横向轴线旋翼、纵向轴线电机、纵向轴线旋翼、电机支座和电机支架。所述的电机支座和电机支架用以固定支撑横向轴线电机、纵向轴线电机。所述横向轴线电机和纵向轴线电机为无刷电机。所述横向轴线旋翼和纵向轴线旋翼与横向轴线电机和纵向轴线电机输出轴分别对应共轴连接，随着电机转动而旋转。所述的旋翼组件共有2n个(n为大于等于2)，每个旋翼组件具备相同尺寸和硬件参数，其中2个位于机架纵向轴线上，关于横向轴线对称固定在机架的前后两端，一方面为宽幅植保无人机升降提供升力，另一方面控制宽幅植保无人机沿着作业方向的前进和停止。其余2n-2个位于机架横向轴线上，关于纵向轴线对称，每侧均匀分布n-1个旋翼组件，一方面与纵向轴线上旋翼组件共同为植保无人机起飞、调整飞行高度提供升力，另一方面驱动宽幅植保无人机进行姿态调整，控制无人机在完成一个航线作业之后横向移动，改变作业航道。

所述的喷药***包括大容积药箱、加长型喷杆、电动隔膜泵和喷头。所述的大容积药箱包括箱体和栅格型药液隔板，栅格型药液隔板与大容积药箱箱底垂直并固定在大容积药箱内壁，将大容积药箱分为多个相互连通的栅格型区域，以防止药液波动过大引起无人机的失衡。所述的加长型喷杆上均匀固定有喷头。所述喷头位于横向轴向旋翼下方且与横向轴线旋翼一一对应，将药液雾化后喷出。所述的电动隔膜泵有n-1台，固定在无人机机架上部，每台电动隔膜泵控制2个喷头作业。

本发明提供了一种横列式多旋翼的宽幅植保无人机的驱动方法，包括如下步骤：

1)纵向轴线上的2个旋翼以一定速度v同向旋转，横向轴线上临近中心区域的2个旋翼以相同速度v同向旋转，但转向与纵向轴线上的旋翼组相反。横向轴线上每侧剩余旋翼组两两一组，顺序均匀固定在两侧机架上，每组的两个旋翼组转向相反，在提供宽幅植保无人机上升力的同时，保证各个旋翼产生的陀螺效应和空气动力扭矩效应相互抵消，使无人机平台稳定飞行，不发生偏航运动。

2)宽幅植保无人机悬停状态通过同步调节每个旋翼组的转速v_i，控制旋翼产生的上升力，使旋翼提供的上升力之和等效于宽幅植保无人机的自重，即

其中，f(v_i)为旋翼组i提供的上升力，m_u为宽幅植保无人机整机质量，g为重力加速度。升降运动通过改变旋翼转速v_i，控制每组旋翼共同改变宽幅植保无人机的上升力大小f_u，进而调节宽幅植保无人机的工作高度。

3)改变宽幅植保无人机纵向轴线上前后两个旋翼转速的大小，可控制其前进、后退运动：后方旋翼转速增加Δv，前方旋翼转速等量减小Δv，使后方旋翼产生升力增大，前方旋翼产生的升力减小，宽幅植保无人机前倾，产生向前的水平分力，使其向前推进；同理，当前方旋翼转速增大Δv，后方旋翼转速等量减小Δv，使其向后运动。

4)保持宽幅植保无人机纵向轴线旋翼转速不变，改变横向轴线上两侧旋翼的转速，可控制其横滚运动：当一侧旋翼组增大转速Δv，另一侧旋翼转速等量减小Δv_r，使一侧旋翼的升力增大，另一侧旋翼的升力相应减小，宽幅植保无人机实现横滚运动。

5)同步改变纵向轴线和横向轴线上旋翼的转速控制其偏航运动：令纵向轴线上的旋翼减小转速Δv，纵向轴线上的单侧单个旋翼比例增加转速Δv/n-1，使横向轴线和纵向轴线上的旋翼产生不平衡的反扭矩，宽幅植保无人机实现偏航运动。

本发明还提供了一种横列式多旋翼的宽幅植保无人机的作业方法，包括如下步骤：

1)将植保无人机运输至作业区后，水平展开机架，启动宽幅植保无人机，按照上述驱动方法进行起升运动，使宽幅植保无人机平稳飞离地面，并使宽幅植保无人机悬停在合适的植保作业高度。

2)遥控开启电动隔膜泵，展开加长型喷杆实施喷药作业，依据植保无人机的驱动方法，改变纵向轴线旋翼的转速，遥控无人机沿着作物行航向飞行；该航线的喷洒作业完成后关闭隔膜泵，调节横向轴线旋翼以同向不同速转动，使无人机发生倾向运动，完成航道转变，开始另一沿作物行的航向喷药，直到控制无人机完成整个作业区的喷药作业。

3)待田间施药作业完成后，遥控关闭电动隔膜泵，停止喷药，将加长型喷杆折叠收起，并遥控无人机缓慢降落，关闭无人机电源，运出作业区。

本发明一种横列式多旋翼的宽幅植保无人机的有益效果是：

1)采用多对横列式横向轴线旋翼以及一对纵向轴线旋翼组合提供无人机升力，提高无人机的负载能力和续航能力。

2)高负载能力的无人机平台可以携带大容积药液箱，能够进行长时间的持续作业，节省了由于药液不足需要返回加药的时间，提高作业效率。

3)采用无人机前后两侧的两组电驱动旋翼，提供无人机前进的推力，这样的推力配置与植保无人机在农田中的低速水平面运动的需求相匹配。

4)横列式多旋翼结构以及加长型喷杆使得无人机增加了喷雾幅宽。大宽幅喷雾在无人机载药液量不变的情况下，提高了施药速率，降低了无人机的功率消耗。

附图说明

图1为本发明植保无人机的主视图。

图2为本发明植保无人机的右视图。

图3为本发明植保无人机的俯视图。

图4为本发明植保无人机的轴测图。

图5为本发明的带有栅格型药液隔板的大容积药箱箱体。

图中：1、横向轴线旋翼 2、横向轴线电机 3、机架 4、喷杆 5、喷头 6、喷杆弯头 7、机架弯头 8、纵向轴线旋翼 9、纵向轴线电机 10、大容积药箱 11、电机支座 12、锂电池13、电机支架 14、底座 15、飞行控制器 16、电动隔膜泵 17、电子调速器

具体实施方式

下面结合附图对本发明专利进行进一步描述。图1、2、3为一种横列式多旋翼植保无人机机械结构三视图。

本发明一种横列式多旋翼的宽幅植保无人机所采用的技术方案：包括机架(3)、姿态控制机构和喷药***。所述的机架(3)为植保无人机提供骨干支撑并作为载物平台安放所需零部件。所述的姿态控制机构为无人机的起飞、降落、调整飞行高度提供动力输出，同时驱动植保无人机沿着作业方向前进和停止以及改变作业航道。所述的喷药***控制植保无人机到达预定的作业区域时喷药***开始喷药作业。

所述的姿态控制机构包括锂电池(12)、飞行控制器(15)、电子调速器(17)和旋翼组件。所述的锂电池(12)为宽幅植保无人机的飞行控制器(15)、电子调速器(17)和旋翼组件提供动力，根据需求可配备多块，分组均布于机架中心区域。所述的飞行控制器(15)固定于机架中心区域，自动采集宽幅植保无人机的飞行参数，为电子调速器(17)输出舵机、油门指令。所述的电子调速器(17)固定于机架中心区域，接收飞行控制器(15)输出信号，控制旋翼组件的速度和方向，进而控制宽幅植保无人机的姿态和轨迹。所述的旋翼组件包括横向轴线电机(2)、横向轴线旋翼(1)、纵向轴线电机(9)、纵向轴线旋翼(8)、电机支座(11)和电机支架(13)。所述的电机支座(11)和电机支架(13)用以固定支撑横向轴线电机(2)、纵向轴线电机(9)。所述横向轴线电机(2)和纵向轴线电机(9)是无刷电机。所述横向轴线旋翼(1)和纵向轴线旋翼(8)与横向轴线电机(2)和纵向轴线电机(9)输出轴分别对应共轴连接，随着电机转动而旋转。所述的旋翼组件共有2n个(n为大于等于2)，每个旋翼组件具备相同尺寸和硬件参数，其中2个位于机架(3)纵向轴线上，关于横向轴线对称固定在机架(3)的前后两端，一方面为宽幅植保无人机升降提供升力，另一方面控制宽幅植保无人机沿着作业方向的前进和停止。其余2n-2个位于机架(3)横向轴线上，关于纵向轴线对称，每侧均匀分布n-1个旋翼组件，一方面与纵向轴线上旋翼组件共同为植保无人机起飞、调整飞行高度提供升力，另一方面驱动宽幅植保无人机进行姿态调整，控制无人机在完成一个航线作业之后横向移动，改变作业航道。

所述的喷药***包括大容积药箱(10)、加长型喷杆(4)、电动隔膜泵(16)和喷头(5)。所述的大容积药箱(10)包括箱体和栅格型药液隔板，栅格型药液隔板与大容积药箱(10)箱底垂直并固定在大容积药箱(10)内壁，将大容积药箱(10)分为多个相互连通的栅格型区域，以防止药液波动过大引起无人机的失衡。所述的加长型喷杆(4)上均匀固定有喷头(5)。所述喷头(5)位于横向轴线旋翼(1)下方且与横向轴线旋翼(1)一一对应，将药液雾化后喷出。所述的电动隔膜泵(16)有n-1台，固定在无人机机架(3)上部，每台电动隔膜泵(16)控制2个喷头作业。

本发明提供了一种横列式多旋翼的宽幅植保无人机的驱动方法，包括如下步骤：

1)纵向轴线上的2个旋翼组以一定速度v同向旋转，横向轴线上临近中心区域的2个旋翼组以相同速度v同向旋转，但转向与纵向轴线上的旋翼组相反。横向轴线上每侧剩余旋翼组两两一组，顺序均匀固定在两侧机架(3)上，每组的两个旋翼组转向相反，在提供宽幅植保无人机上升力的同时，保证各个旋翼产生的陀螺效应和空气动力扭矩效应相互抵消，使无人机平台稳定飞行，不发生偏航运动。

2)宽幅植保无人机悬停状态通过同步调节每个旋翼组的转速v_i，控制旋翼产生的上升力，使旋翼提供的上升力之和等效于宽幅植保无人机的自重，即

其中，f(v_i)为旋翼组i提供的上升力，m_u为宽幅植保无人机整机质量，g为重力加速度。升降运动通过改变旋翼转速v_i，控制每组旋翼共同改变宽幅植保无人机的上升力大小f_u，进而调节宽幅植保无人机的工作高度。

3)改变宽幅植保无人机纵向轴线上前后两个旋翼(8)转速的大小，可控制其前进、后退运动：后方旋翼转速增加Δv，前方旋翼转速等量减小Δv，使后方旋翼产生升力增大，前方旋翼产生的升力减小，宽幅植保无人机前倾，产生向前的水平分力，使其向前推进；同理，当前方旋翼转速增大Δv，后方旋翼转速等量减小Δv，使其向后运动。

4)保持宽幅植保无人机纵向轴线上旋翼(8)转速不变，改变横向轴线上两侧旋翼(1)的转速，可控制其横滚运动：当一侧旋翼组增大转速Δv，另一侧旋翼转速等量减小Δv_r，使一侧旋翼的升力增大，另一侧旋翼的升力相应减小，宽幅植保无人机实现横滚运动。

5)同步改变纵向轴线和横向轴线上旋翼的转速控制其偏航运动：令纵向轴线上的旋翼减小转速Δv，纵向轴线上的单侧单个旋翼比例增加转速Δv/n-1，使横向轴线和纵向轴线上的旋翼产生不平衡的反扭矩，宽幅植保无人机实现偏航运动。

本发明还提供了一种横列式多旋翼的宽幅植保无人机的作业方法，包括如下步骤：

1)将植保无人机运输至作业区后，水平展开机架(3)，启动宽幅植保无人机，按照上述驱动方法进行起升运动，使宽幅植保无人机平稳飞离地面，并使宽幅植保无人机悬停在合适的植保作业高度；

2)遥控开启电动隔膜泵(16)，展开加长型喷杆(4)实施喷药作业，依据植保无人机的驱动方法，改变纵向轴线旋翼(8)的转速，遥控无人机沿着作物行航向飞行；该航线的喷洒作业完成后关闭隔膜泵(16)，调节横向轴线旋翼(1)以同向不同速转动，使无人机发生倾向运动，完成航道转变，开始另一沿作物行的航向喷药，直到控制无人机完成整个作业区的喷药作业。

3)待田间施药作业完成后，遥控关闭电动隔膜泵(16)，停止喷药，将加长型喷杆(4)折叠收起，并遥控无人机缓慢降落，关闭无人机电源，运出作业区。

Claims (3)

1.一种横列式多旋翼的宽幅植保无人机，其特征在于：包括机架、姿态控制机构和喷药***；

所述的姿态控制机构包括锂电池、飞行控制器、电子调速器和旋翼组件；所述的锂电池为宽幅植保无人机的飞行控制器、电子调速器和旋翼组件提供动力，根据需求可配备多块，分组均布于机架中心区域；所述的飞行控制器固定于机架中心区域，自动采集宽幅植保无人机的各种飞行参数，为电子调速器输出舵机、油门指令；所述的电子调速器固定于机架中心区域，接收飞行控制器输出信号，控制旋翼组件的速度和方向，进而控制宽幅植保无人机的姿态和轨迹；所述的旋翼组件包括横向轴线电机、横向轴线旋翼、纵向轴线电机、纵向轴线旋翼、电机支座和电机支架；所述的电机支座和电机支架用以固定支撑横向轴线电机、纵向轴线电机；所述横向轴线电机和纵向轴线电机是无刷电机；所述横向轴线旋翼和纵向轴线旋翼与横向轴线电机和纵向轴线电机输出轴分别对应共轴连接，随着电机转动而旋转；所述的旋翼组件共有2n个，n为大于等于2，每个旋翼组件具备相同尺寸和硬件参数，其中2个位于机架纵向轴线上，关于横向轴线对称固定在机架的前后两端，一方面为宽幅植保无人机升降提供升力，另一方面控制宽幅植保无人机沿着作业方向的前进和停止；其余2n-2个位于机架横向轴线上，关于纵向轴线对称，每侧均匀分布n-1个旋翼组件，一方面与纵向轴线上旋翼组件共同为植保无人机起飞、调整飞行高度提供升力，另一方面驱动宽幅植保无人机进行姿态调整，控制无人机在完成一个航线作业之后横向移动，改变作业航道；

所述的喷药***包括大容积药箱、加长型喷杆、电动隔膜泵和喷头；所述的大容积药箱包括箱体和栅格型药液隔板，栅格型药液隔板与大容积药箱箱底垂直并固定在大容积药箱内壁，将大容积药箱分为多个相互连通的栅格型区域，以防止药液波动过大引起无人机的失衡；所述的加长型喷杆上均匀固定有喷头；所述喷头位于横向轴向旋翼下方且与横向轴线旋翼一一对应，将药液雾化后喷出；所述的电动隔膜泵有n-1台，固定在无人机机架上部，每台电动隔膜泵控制2个喷头作业。

2.根据权利要求1所述的一种横列式多旋翼的宽幅植保无人机的驱动方法，其特征在于，包括如下步骤：

1)纵向轴线上的2个旋翼组以一定速度v同向旋转，横向轴线上临近中心区域的2个旋翼组以相同速度v同向旋转，但转向与纵向轴线上的旋翼组相反；横向轴线上每侧剩余旋翼组两两一组，顺序均匀固定在两侧机架上，每组的两个旋翼组转向相反，在提供宽幅植保无人机上升力的同时，保证各个旋翼产生的陀螺效应和空气动力扭矩效应相互抵消，使无人机平台稳定飞行，不发生偏航运动；

2)宽幅植保无人机悬停状态通过同步调节每个旋翼组的转速v_i，控制旋翼产生的上升力，使旋翼提供的上升力之和等效于宽幅植保无人机的自重，即

其中，f(v_i)为旋翼组i提供的上升力，m_u为宽幅植保无人机整机质量，g为重力加速度；升降运动通过改变旋翼转速v_i，控制每组旋翼共同改变宽幅植保无人机的上升力大小f_u，进而调节宽幅植保无人机的工作高度；

3)改变宽幅植保无人机纵向轴线上前后两个旋翼转速的大小，可控制其前进、后退运动：后方旋翼转速增加Δv，前方旋翼转速等量减小Δv，使后方旋翼产生升力增大，前方旋翼产生的升力减小，宽幅植保无人机前倾，产生向前的水平分力，使其向前推进；同理，当前方旋翼转速增大Δv，后方旋翼转速等量减小Δv，使其向后运动；

4)保持宽幅植保无人机纵向轴线旋翼转速不变，改变横向轴线上两侧旋翼的转速，可控制其横滚运动：当一侧旋翼组增大转速Δv，另一侧旋翼转速等量减小Δv_r，使一侧旋翼的升力增大，另一侧旋翼的升力相应减小，宽幅植保无人机实现横滚运动；

5)同步改变纵向轴线和横向轴线上旋翼的转速控制其偏航运动：令纵向轴线上的旋翼减小转速Δv，纵向轴线上的单侧单个旋翼比例增加转速Δv/n-1，使横向轴线和纵向轴线上的旋翼产生不平衡的反扭矩，宽幅植保无人机实现偏航运动。

3.根据权利要求1或2所述的一种横列式多旋翼的宽幅植保无人机作业方法，其特征在于，包括如下步骤：

1)将植保无人机运输至作业区后，水平展开机架，启动宽幅植保无人机，按照上述驱动方法进行起升运动，使宽幅植保无人机平稳飞离地面，并使宽幅植保无人机悬停在合适的植保作业高度；

2)遥控开启电动隔膜泵，展开加长型喷杆实施喷药作业，依据植保无人机的驱动方法，改变纵向轴线旋翼的转速，遥控无人机沿着作物行航向飞行；该航线的喷洒作业完成后关闭隔膜泵，调节横向轴线旋翼以同向不同速转动，使无人机发生倾向运动，完成航道转变，开始另一沿作物行的航向喷药，直到控制无人机完成整个作业区的喷药作业；

3)待田间施药作业完成后，遥控关闭电动隔膜泵，停止喷药，将加长型喷杆折叠收起，并遥控无人机缓慢降落，关闭无人机电源，运出作业区。