一种用于喷洒农药的固定翼无人机的制作方法

本实用新型涉及无人机技术领域，特别涉及一种用于喷洒农药的固定翼无人机。

背景技术：

1918年美国第一次用飞机喷洒农药灭棉虫，农用航空拉开了历史序幕，100年来，农用航空在美国、新西兰、澳大利亚、英国、日本、中国等国得到了迅速的应用与推广。由于无人机具有外形尺寸小、重量轻、操控灵活、农药喷洒效果好、作业效率高等优点，因此，在飞机喷洒农药领域，无人机正在逐渐代替有人驾驶的飞机。

目前，用于喷洒农药的无人机主要有两种，一种是旋翼式无人直升机，另一种是固定翼无人机，固定翼无人机具有航程长、速度快特点，但目前固定翼无人机还具有以下缺点：

（1）通常采用航空燃油发动机作为动力，其燃油消耗量非常大，燃油利用效率较低，因此无人机需要携带大量航空燃油，不仅航空燃油价格高昂、成本高，而且造成无人机的重量较重，载农药量低；

（2）喷洒农药作业时，需要单独设置吸收外界空气为进行喷药的装置；

（3）固定翼无人机需要设置由燃油发动机带动的发电机，以向机体控制系统供电，并为喷洒农药的装置供电，设置发电机后，增加了燃油发动机的负荷，降低了能量转换效率；

（4）航空燃油发动机在工作时会产生大量废气，造成空气污染，不利于保护环境。

技术实现要素：

本实用新型要解决的技术问题是针对上述现有技术中的不足，提供一种能量利用率及转换率高、载农药量较大、能够利用甲醇水重整制氢及发电模组用完的外界空气喷洒农药、运行成本低、机体本身运行不污染环境的用于喷洒农药的固定翼无人机。

为解决上述技术问题，本实用新型的技术方案是：一种用于喷洒农药的固定翼无人机，包括机身及安装于机身之上的机翼和尾翼，机翼上设置有飞机马达和螺旋桨，其特征在于：所述机身设有甲醇水重制氢及发电模组、空气进气口、喷气调整器、农药喷洒器、农药储存仓、甲醇水储存容器、输送泵、电力控制器及超级电容，其中：

所述甲醇水重整制氢及发电模组整合有重整器与燃料电池，所述重整器内设有重整室及氢气纯化装置，重整室内的温度为300-570℃温度，重整室内设有催化剂，甲醇和水在重整室内发生甲醇和水的重整制氢反应制得含氢气体，重整室与氢气纯化装置通过连接管路连接，连接管路的全部或部分设置于重整室内，能通过重整室内的高温继续加热从重整室输出的气体；所述连接管路作为重整室与氢气纯化装置之间的缓冲，使得从重整室输出的气体的温度与氢气纯化装置的温度相同或接近，从氢气纯化装置的产气端得到氢气，供应给燃料电池；所述燃料电池用于氢气与空气中的氧气发生电化学反应产生电能；

所述空气进气口用于输入外界空气，输入的外界空气依次经燃料电池、喷气调整器后，从农药喷洒器中输出；在燃料电池中，空气为燃料电池提供电化学反应所需要的氧气，并为燃料电池散热降温；所述农药喷洒器设有农药喷射管，经过调整流速和气压的空气，与农药储存仓输出的农药相混合之后，从农药喷射管中喷出；

所述甲醇水储存容器内储存有液态的甲醇和水原料，所述输送泵用于将甲醇水储存容器中的甲醇和水原料输送至甲醇水重整制氢及发电模组的重整器；

所述电力控制器用于将燃料电池输出的电能转换为飞机马达/超级电容所需求的适当电压、电流的交流电/直流电；所述超级电容用于固定翼无人机启动时供电，并在飞机马达即时功率迅速增大时，为飞机马达供电。

所述甲醇水重整制氢及发电模组至少设置有两组，所述输送泵至少设置有两个，且甲醇水重整制氢及发电模组与输送泵的数量相匹配。

所述空气进气口设置于机身的头部，所述农药喷洒器设置于机身的尾部下侧；所述飞机马达包括第一马达及第二马达，对称设置于机翼上，所述螺旋桨包括第一螺旋桨及第二螺旋桨。

所述输送泵与甲醇水重整制氢及发电模组的重整器之间设有换热器，低温的甲醇和水原料在换热器中，与重整器输出的高温氢气进行换热，甲醇和水温度升高、汽化，高温氢气温度降低，输向甲醇水重整制氢及发电模组的燃料电池。

所述重整器设有电加热器，该电加热器由燃料电池供电，该电加热器为重整室提供300-570℃温度。

所述固定翼无人机还包括无人机飞行控制器、全球定位模块、航向传感模块、高度传感模块、空速传感模块、飞行姿态传感模块、升降舵、方向舵、副翼及无线信号接收与发射器；所述无人机飞行控制器分别电性连接全球定位模块、航向传感模块、高度传感模块、空速传感模块、飞行姿态传感模块、升降舵、方向舵、副翼、无线信号接收与发射器、飞机马达、甲醇水重整制氢及发电模组、超级电容及农药喷洒器。

所述全球定位模块为GPS卫星定位模块或北斗卫星定位模块；所述空速传感模块为空速管；所述航向传感模块为三轴磁航向传感器；所述高度传感模块为半导体硅压阻式气压高度传感器；所述飞行姿态传感模块包括检测无人机俯仰/倾侧姿态角的垂直陀螺仪和检测无人机俯仰/倾侧姿态角速率的角速率陀螺仪。

本实用新型的有益效果是：

（1）本实用新型采用甲醇水重整制氢及发电模组为发动机及机身控制系统供电，拼弃了传统航空燃油发动机作为动力的方式，甲醇水原料价格低廉，能量密度大，并且甲醇水重整制氢及发电模组对甲醇水原料的利用效率能达到99%以上，甲醇水重整制氢及发电模组自身重量也非常轻，因此，固定翼无人机无需捷带大量航空燃油，只需捷带较轻量的甲醇水原料即可，从而显著地提高了载农药量；

（2）本实用新型从空气进气口输入的外界空气，既能为燃料电池提供氧气、为燃料电池散热降温，又能与农药相混合，从农药喷射管中喷出；因此，本实用新型的农药喷洒器无需单独设置吸收外界空气的装置；

（3）本实用新型的甲醇水重整制氢及发电模组，在为飞机马达供电的同时，能直接为飞机控制系统各个模块供电，因而无需另外安装发电机，降低了飞机马达的负荷；

（4）本实用新型采用甲醇水原料进行重整制氢，并通过燃料电池发电，无污染气体产生，机体本身运行不污染环境；

（5）本实用新型的优选方式采用至少两组甲醇水重整制氢及发电模组，当即时功率需求量较小时，控制较少的甲醇水重整制氢发电模组运转，当即时功率需求量较大时，控制较多的甲醇水重整制氢发电模组运转，因此，能极大减少空载，其整体耗能较小，甲醇和水原料消耗较低、利用率高，稳定性可靠性好，智能化高。

附图说明

图1为一种固定翼无人机的外部结构示意图。

图2为本实用新型的整体结构方框图。

图3为本实用新型的甲醇水重整制氢及发电模组结构方框图。

图4为本实用新型一优选实施例的整体结构方框图。

图5为本实用新型的甲醇水重整制氢及发电模组与换热器相配合的结构方框图。

图6为本实用新型的控制系统结构方框图。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型的结构原理和工作原理作进一步详细说明。

实施例一

如图1所示，本实用新型为一种用于喷洒农药的固定翼无人机，包括机身1及安装于机身1之上的机翼2和尾翼3，机翼2上设置有飞机马达4和螺旋桨5。需要注意的是，图1所示的固定翼无人机仅仅为一种结构示意图，并非限定了固定翼无人机的外部形状。如图2～5所示，所述机身1设有甲醇水重制氢及发电模组6、空气进气口7、喷气调整器8、农药喷洒器9、农药储存仓10、甲醇水储存容器11、输送泵12、电力控制器13及超级电容14，其中：

所述甲醇水重整制氢及发电模组6整合有重整器61与燃料电池62，所述重整器61内设有重整室及氢气纯化装置，重整室内的温度为300-570℃温度，所述重整室内设有催化剂，在催化剂的作用下，发生甲醇裂解反应和一氧化碳的变换反应，生成氢气和二氧化碳，这是一个多组份、多反应的气固催化反应系统，反应方程为：(1)CH₃OH→CO+2H₂、(2)H₂O+CO→CO₂+H₂ 、(3)CH₃OH+H₂O→CO₂+3H₂，制得以二氧化碳和氢气为主的高温混合气体；重整室与氢气纯化装置通过连接管路连接，连接管路的全部或部分设置于重整室内，能通过重整室内的高温继续加热从重整室输出的气体；所述连接管路作为重整室与氢气纯化装置之间的缓冲，使得从重整室输出的气体的温度与氢气纯化装置的温度相同或接近，从氢气纯化装置的产气端得到氢气，供应给燃料电池62；所述燃料电池62用于氢气与空气中的氧气发生电化学反应产生电能；在燃料电池62的阳极：2H₂→4H⁺+4e^-，H₂分裂成两个质子和两个电子，质子穿过质子交换膜（PEM），电子通过阳极板，通过外部负载，并进入阴极双极板，在燃料电池62的阴极：O₂+4e^-+4H⁺→2H₂O，质子、电子和O₂重新结合以形成H₂O；

所述空气进气口7用于输入外界空气，输入的外界空气依次经燃料电池62、喷气调整器8后，从农药喷洒器9中输出；在燃料电池62中，空气为燃料电池62提供电化学反应所需要的氧气，并为燃料电池62散热降温；所述农药喷洒器9设有农药喷射管，经过调整流速和气压的空气，与农药储存仓10输出的农药相混合之后，从农药喷射管中喷出；

所述甲醇水储存容器11内储存有液态的甲醇和水原料，所述输送泵12用于将甲醇水储存容器11中的甲醇和水原料输送至甲醇水重整制氢及发电模组6的重整器61；

所述电力控制器13用于将燃料电池62输出的电能转换为飞机马达4/超级电容14所需求的适当电压、电流的交流电/直流电；所述超级电容14用于固定翼无人机启动时供电，并在飞机马达4即时功率迅速增大时，为飞机马达4供电。

如图4所示，所述甲醇水重整制氢及发电模组6至少设置有两组，所述输送泵12至少设置有两个，且甲醇水重整制氢及发电模组6与输送泵12的数量相匹配。当设置多组甲醇水重整制氢及发电模组时，优选为采用功率小于500W的微型甲醇水重整制氢及发电模组。

如图1所示，所述空气进气口7设置于机身1的头部，所述农药喷洒器9设置于机身1的尾部下侧；所述飞机马达4包括第一马达及第二马达，对称设置于机翼2上，所述螺旋桨5包括第一螺旋桨及第二螺旋桨。

如图5所示，所述输送泵12与甲醇水重整制氢及发电模组6的重整器61之间设有换热器63，低温的甲醇和水原料在换热器63中，与重整器61输出的高温氢气进行换热，甲醇和水温度升高、汽化，高温氢气温度降低，输向甲醇水重整制氢及发电模组6的燃料电池62。

作为重整器61的优选方式，重整器内设有燃烧腔，该燃烧腔用于部分制得的氢气与外界空气中的氧气燃烧，为重整器61的运行提供热量；如图5所示，作为重整器61的更优选方式，所述重整器61设有电加热器，该电加热器由燃料电池62供电，该电加热器为重整室提供300-570℃温度。

如图6所示，该固定翼无人机还包括无人机飞行控制器15、全球定位模块16、航向传感模块17、高度传感模块18、空速传感模块19、飞行姿态传感模块20、升降舵21、方向舵22、副翼23及无线信号接收与发射器24；所述无人机飞行控制器15分别电性连接全球定位模块16、航向传感模块17、高度传感模块18、空速传感模块19、飞行姿态传感模块20、升降舵21、方向舵22、副翼23、无线信号接收与发射器24、飞机马达4、甲醇水重整制氢及发电模组6、超级电容14及农药喷洒器9。优选地，所述全球定位模块16为GPS卫星定位模块或北斗卫星定位模块；所述空速传感模块19为空速管；所述航向传感模块17为三轴磁航向传感器；所述高度传感模块18为半导体硅压阻式气压高度传感器；所述飞行姿态传感模块20包括检测无人机俯仰/倾侧姿态角的垂直陀螺仪和检测无人机俯仰/倾侧姿态角速率的角速率陀螺仪。

实施例二

在上述技术方案中，所述的固定翼无人机的喷洒农药方法，包括以下工作步骤：

a.在农药储存仓中装入待喷洒的农药，在甲醇水储存容器中加入甲醇水原料；

b.启动固定翼无人机，在启动过程中，由超级电容为飞机控制系统、甲醇水重整制氢发电模组及输送泵供电；在甲醇水重整制氢发电模组启动之后，由甲醇水重整制氢发电模组为飞机控制系统、输送泵及飞机马达供电，并为超级电容充电；

c.固定翼无人机飞向目标空域，在飞行过程中，电力控制器将甲醇水重整制氢发电模组输出的电能转换为飞机马达所需求的适当电压、电流的交流电/直流电，当飞机马达即时功率迅速增大时，超级电容与甲醇水重整制氢发电模组一起为飞机马达供电；

d.喷洒农药作业，从空气进气口输入的外界空气依次经燃料电池、喷气调整器后，从农药喷洒器中输出；在燃料电池中，空气为燃料电池提供电化学反应所需要的氧气，并为燃料电池散热降温；在农药喷洒器中，经过调整流速和气压的空气，与农药储存仓输出的农药相混合之后，从农药喷洒器的农药喷射管中喷出，完成喷洒农药作业。

优选地，所述甲醇水重整制氢及发电模组至少设置有两组，飞机马达在工作过程中，将即时功率需求量反馈给飞机控制系统；飞机控制系统根据即时功率需求量信息控制适当数量的甲醇水重整制氢发电模组运转，并控制甲醇水储存输送装置向运转的甲醇水重整制氢发电模组输送甲醇水原料；当即时功率需求量较小时，控制较少的甲醇水重整制氢发电模组运转，当即时功率需求量较大时，控制较多的甲醇水重整制氢发电模组运转。

优选地，所述的固定翼无人机的喷洒农药方法还包括飞行控制方法步骤：

a.固定翼无人机在飞行过程中，地面控制站通过无线信号接收与发射器向无人机飞行控制器发送控制指令；相应地，无人机飞行控制器通过无线信号接收与发射器向地面控制站发送飞行状态及农药喷洒状态信息；

b.固定翼无人机在飞行过程中，无人机飞行控制器分别采集全球定位模块的经纬度信息、航向传感模块的航向信息、高度传感模块的无人机高度信息、空速传感模块的无人机飞行速度信息、飞行姿态传感模块的无人机飞行姿态信息；

c.无人机飞行控制器采集到经纬度信息、航向信息、无人机高度信息、无人机飞行速度信息、无人机飞行姿态信息之后，通过控制方向舵和副翼来实现无人机转弯，通过控制升降舵来实现无人机升降，通过控制飞机马达来实现航速的调整，并将即时控制信息反馈给地面控制站。本实用新型的无人机飞行控制器能利用多个传感模块的信息，经无人机飞行控制器程序计算，设定自主飞行模式，减少地面控制站人员操作。

以上所述，仅是本实用新型较佳实施方式，凡是依据本实用新型的技术方案对以上的实施方式所作的任何细微修改、等同变化与修饰，均属于本实用新型技术方案的范围内。