一种植保无人机旋翼风场与雾场一致性的调节装置及方法与流程

本发明涉及精准农业装置，具体涉及一种植保无人机旋翼风场与雾场一致性的调节装置及方法。

背景技术：

近年来，由于植保无人机喷施具有作业成本低、突击能力强、操作安全以及不受农作物长势的限制等优点，而被广泛应用在农业上；作为农业航空的重要标志之一的植保无人机航空喷施作业方式得到了迅速应用和发展。

植保无人机主要包括两种：固定翼无人机和旋翼无人机，其中，旋翼无人机的应用场合最广，由于其具有可空中悬停、无需借助其他辅助起降装置等优点。一般地，在喷施作业中，旋翼无人机的喷头安装在其旋翼的正下方，这样可通过旋翼产生的风场来辅助雾滴的沉降，雾滴刚从喷头喷出时，由于具有较大的运动速度，此时不容易发生飘移；但随着阻力的影响，雾滴运动速度逐渐减小，逐渐趋于零，此时极容易发生飘移。因此，针对上述问题，人们开始寻找减少航空喷施作业中雾滴漂移的方法，例如，在雾滴中加上电荷或在药液中加沉积助剂等，但取得的成效甚微，不能有效地减少雾滴的偏移。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服上述存在的问题，提供一种植保无人机旋翼风场与雾场一致性的调节装置，该调节装置能够充分利用旋翼的风场对雾滴的沉降进行辅助，以减少雾滴的飘移，保证了植保无人机喷施作业的作业效率和防治效果，具有较大的应用前景。

本发明的另一个目的在于提供一种植保无人机旋翼风场与雾场一致性的调节方法。

本发明的目的通过以下技术方案实现：

一种植保无人机旋翼风场与雾场一致性的调节装置，包括用于收集无人机的飞行数据的数据收集模块、用于对数据进行对比分析的数据处理模块以及用于调节喷头与风场的相对位置的位置调节机构；

其中，所述位置调节机构设置在无人机机身的下方，包括x向调节机构、y向调节机构以及z向调节机构，所述z向调节机构包括竖向放置的z伸缩杆和用于驱动z伸缩杆进行竖向伸缩的z伸缩驱动件；所述x向调节机构包括横向放置的x伸缩杆和用于驱动x伸缩杆进行横向伸缩的x伸缩驱动件，喷头设置在x伸缩杆上，所述x伸缩杆的延伸方向与无人机飞行的方向垂直；所述y向调节机构包括横向设置的y伸缩杆和用于驱动y伸缩杆进行横向伸缩的y伸缩驱动件；所述z伸缩杆的顶端固定在机身上，所述y伸缩杆的一端固定连接在z伸缩杆的底端，另一端固定连接在x伸缩杆的中部；

所述数据收集模块收集的数据包括飞行速度和飞行高度。

本发明的一个优选方案，其中，所述x伸缩驱动件、y伸缩驱动件以及z伸缩驱动件均为电动推杆，x伸缩杆、y伸缩杆以及z伸缩杆分别固定在电动推杆的推杆上。这样伸缩杆可随着电动推杆的伸缩而伸缩，从而调节喷头的位置。

所述y伸缩杆和z伸缩杆均为中空的碳纤维管。

本发明的一个优选方案，其中，所述喷头为多个，且均匀地排列在x伸缩杆上。

本发明的一个优选方案，其中，所述x伸缩杆至少为两个。优选地，所述x伸缩杆为四个，依次首尾相接，所述y伸缩杆连接在中间两个x伸缩杆的连接处；所述x伸缩驱动件和喷头的数量与x伸缩杆的数量相同，且分别设置在x伸缩杆上；所述x伸缩驱动件设置在x伸缩杆靠近y伸缩杆的一端，位于最外侧的两个喷头设置在其对应的x伸缩杆远离y伸缩杆的一端，中间两个喷头设置在其对应的x伸缩杆的中部位置上。上述结构，将四个x伸缩杆连为一体后，通过合理地布置x伸缩驱动件和喷头的位置，一方面能够平衡各个的x伸缩杆的受力，同时稳定无人机的飞行作业；另一方面可以均匀地排布喷头，以获得密度相同的雾滴。

一种植保无人机旋翼风场与雾场一致性的调节方法，包括以下步骤：

a、植保无人机在飞行作业时，数据收集模块获取当前植保无人机的飞行速度和飞行高度，并将其发送至数据处理模块；

b、数据处理模块对获取到的飞行速度和飞行高度进行分析处理，生成调节指令，并发送至位置调节机构中；其中，分析处理的依据为：

以飞行速度v0、飞行高度h0作为对比的临界参数，在该临界参数下，雾滴沉积在作物上时，其速度为零，且不发生飘移；

当飞行速度v＞v0时，y伸缩驱动件驱动y伸缩杆沿着无人机飞行的方向往前延伸，同时z伸缩驱动件驱动z伸缩杆往上收缩，x伸缩驱动件驱动x伸缩杆往其中心收缩；当飞行速度v＜v0时，y伸缩驱动件驱动y伸缩杆沿着无人机飞行的方向往后收缩，z伸缩驱动件驱动z伸缩杆往下延伸；

当飞行高度h＞h0时，z伸缩驱动件驱动z伸缩杆往下延伸；当飞行高度h＜h0时，z伸缩驱动件驱动z伸缩杆往上收缩，同时x伸缩驱动件驱动x伸缩杆往其中心收缩；

c、位置调节机构根据调节指令对应地调节喷头的位置，使其喷出的雾滴在旋翼的风场下沉积在作物表面上；

d、喷施完成后，位置调节机构回到初始状态；

e、植保无人机降落，完成喷施作业。

上述调节方法的原理为：

当飞行速度v＞v0时，相对运动速度的增大会导致旋翼的风场与雾场的作用时间变短，即当雾滴的沉降速度减为零之前，旋翼的风场对雾滴的作用已消失，所以为了使得容易飘移的雾滴能处于旋翼下方的风场的作用下沉积在作物表面，必须增大雾滴的水平运动距离，即y伸缩驱动件驱动y伸缩杆沿着无人机飞行的方向往前延伸，使得喷头往前移动一定的距离；同时，飞行速度较大时，一定高度上的旋翼的风场强度会相对减弱，因此还需要增强旋翼的风场对的雾滴的作用力才能保证雾滴在该高度上不发生飘移，所以需要z伸缩驱动件驱动z伸缩杆往上收缩一定距离。其中，当喷头往上移动一定距离后，在该高度上的旋翼的风场作用宽度会相对较小，所以需要x伸缩驱动件驱动x伸缩杆往其中心收缩，才能保证雾滴在旋翼的风场的作用宽度内。

同理，当飞行速度v＜v0时，为使旋翼的风场能及时地作用到容易飘移的雾滴上，需适当减小雾滴的水平运动距离，即y伸缩驱动件驱动y伸缩杆沿着无人机飞行的方向往后收缩，使得喷头往后移动一定的距离；同时，飞行速度较小时，旋翼的风场作用强度对雾滴的影响作用增强，为减小雾滴的沉积距离以保证雾滴的沉积效果，需将喷头往下调节，即z伸缩驱动件驱动z伸缩杆往下延伸。

当飞行高度h＞h0时，雾滴到作物冠层的沉降距离增大，为使雾滴能在旋翼下方的风场的作用下沉积在作物表面，需减小喷头与作物表面之间的垂直距离，即z伸缩驱动件驱动z伸缩杆往下延伸。

同理，当飞行高度h＜h0时，雾滴到作物冠层的沉降距离和沉降时间均减小，为使雾滴能在旋翼下方的风场的作用下沉积在作物表面，需适当减小喷头与旋翼之间的垂直距离(增大喷头与作物表面之间的垂直距离)，即z伸缩驱动件驱动z伸缩杆往上收缩。其中，当喷头的高度上升时，所在高度的旋翼的风场作用宽度减小，为保证雾滴能在旋翼的风场的作用宽度内，需x伸缩驱动件驱动x伸缩杆往其中心收缩。

本发明的一个优选方案，在步骤b中，当z伸缩驱动件驱动z伸缩杆往下延伸时，x伸缩驱动件驱动x伸缩杆往其两端的方向延伸。这样，当喷头往下移动一定距离后，由于该高度上的旋翼的风场作用宽度相对较大，可适当驱动x伸缩杆往其两端的方向延伸，以增大无人机的作业喷幅，提高无人机的作业效率。

本发明与现有技术相比具有以下有益效果：

1、本发明的调节装置及方法应用灵活，自动化程度高，数据处理模块可根据数据收集模块实时获取的植保无人机的飞行参数与标准参数进行对比，从而生成相应的调节指令，实时调节喷头相对于旋翼的位置，使得容易飘移的雾滴能处于旋翼的风场之下，充分利用旋翼的风场对雾滴沉降过程中的辅助作用来减少雾滴的飘移，保证了植保无人机喷施作业的效率和防治效果。

2、本发明的调节装置结构简单、紧凑，且可收缩与展开，当植保无人机起飞后需要进行喷施作业时，可控制所述装置展开；当植保无人机完成作业需要降落时，可控制所述装置的收起，不仅不会影响植保无人机的使用空间，还可以保证无人机的安全起飞和降落。

附图说明

图1-4为本发明的植保无人机旋翼风场与雾场一致性的调节装置的立体结构示意图，其中，图1为收缩状态时的示意图，图2-3为x伸缩杆和y伸缩杆进行伸展时的示意图，图4为x伸缩杆、y伸缩杆和z伸缩杆均进行伸展时的示意图。

图5为本发明的x伸缩杆和局部的y伸缩杆的立体结构示意图。

图6为本发明的植保无人机旋翼风场与雾场一致性的调节方法在实施过程中的流程图。

具体实施方式

为了使本领域的技术人员很好地理解本发明的技术方案，下面结合实施例和附图对本发明作进一步描述，但本发明的实施方式不仅限于此。

参见图1-4，本实施例中的植保无人机旋翼风场与雾场一致性的调节装置，包括用于收集无人机的飞行数据的数据收集模块、用于对数据进行对比分析的数据处理模块以及用于调节喷头1与风场的相对位置的位置调节机构；其中，所述位置调节机构设置在无人机机身的下方，包括x向调节机构、y向调节机构以及z向调节机构，所述z向调节机构包括竖向放置的z伸缩杆2和用于驱动z伸缩杆2进行竖向伸缩的z伸缩驱动件3；所述x向调节机构包括横向放置的x伸缩杆4和用于驱动x伸缩杆4进行横向伸缩的x伸缩驱动件5，喷头1设置在x伸缩杆4上，所述x伸缩杆4的延伸方向与无人机飞行的方向垂直；所述y向调节机构包括横向设置的y伸缩杆6和用于驱动y伸缩杆6进行横向伸缩的y伸缩驱动件7；所述z伸缩杆2的顶端固定在机身上，所述y伸缩杆6的一端固定连接在z伸缩杆2的底端，另一端固定连接在x伸缩杆4的中部。所述数据收集模块收集的数据包括飞行速度和飞行高度，可集成在无人机的飞行控制系统中，通过飞行控制系统，随时将飞行参数传输至数据处理模块中。

参见图1-4，所述x伸缩驱动件5、y伸缩驱动件7以及z伸缩驱动件3均为电动推杆，x伸缩杆4、y伸缩杆6以及z伸缩杆2分别固定在电动推杆的推杆上。这样伸缩杆即可随着电动推杆的伸缩而伸缩，从而调节喷头1的位置。

所述y伸缩杆6和z伸缩杆2均为中空的碳纤维管，这样可减轻自身的重量，提高无人机的机载能力。

参见图1-4，所述喷头1为4个，且均匀地排列在x伸缩杆4上；所述喷头1分别通过软管与无人机上的药箱连通。

参见图1-4，所述x伸缩杆4为四个，依次首尾相接，所述y伸缩杆6连接在中间两个x伸缩杆4的连接处；所述x伸缩驱动件5和喷头1的数量与x伸缩杆4的数量相同，且分别设置在x伸缩杆4上；所述x伸缩驱动件5设置在x伸缩杆4靠近y伸缩杆6的一端，位于最外侧的两个喷头1设置在其对应的x伸缩杆4远离y伸缩杆6的一端，中间两个喷头1设置在其对应的x伸缩杆4的中部位置上。上述结构，将四个x伸缩杆4连为一体后，通过合理地布置x伸缩驱动件5和喷头1的位置，一方面能够平衡各个的x伸缩杆4的受力，同时稳定无人机的飞行作业；另一方面可以均匀地排布喷头1，以获得密度相同的雾滴。

参见图1-5，基于上述调节装置，其调节方法，包括以下步骤：

a、植保无人机在飞行作业时，数据收集模块获取当前植保无人机的飞行速度和飞行高度，并将其发送至数据处理模块；

b、数据处理模块对获取到的飞行速度和飞行高度进行分析处理，生成调节指令，并发送至位置调节机构中；其中，分析处理的依据为：

以飞行速度v0、飞行高度h0作为对比的临界参数，在该临界参数下，雾滴沉积在作物上时，其速度为零，且不发生飘移；

当飞行速度v＞v0时，y伸缩驱动件7驱动y伸缩杆6沿着无人机飞行的方向往前延伸，同时z伸缩驱动件3驱动z伸缩杆2往上收缩，x伸缩驱动件5驱动x伸缩杆4往其中心收缩；当飞行速度v＜v0时，y伸缩驱动件7驱动y伸缩杆6沿着无人机飞行的方向往后收缩，z伸缩驱动件3驱动z伸缩杆2往下延伸；

当飞行高度h＞h0时，z伸缩驱动件3驱动z伸缩杆2往下延伸；当飞行高度h＜h0时，z伸缩驱动件3驱动z伸缩杆2往上收缩，同时x伸缩驱动件5驱动x伸缩杆4往其中心收缩；

c、位置调节机构根据调节指令对应地调节喷头1的位置，使其喷出的雾滴在旋翼的风场下沉积在作物表面上；

d、喷施完成后，位置调节机构回到初始状态；

e、植保无人机降落，完成喷施作业。

上述调节方法的原理为：

当飞行速度v＞v0时，相对运动速度的增大会导致旋翼的风场与雾场的作用时间变短，即当雾滴的沉降速度减为零之前，旋翼的风场对雾滴的作用已消失，所以为了使得容易飘移的雾滴能处于旋翼下方的风场的作用下沉积在作物表面，必须增大雾滴的水平运动距离，即y伸缩驱动件7驱动y伸缩杆6沿着无人机飞行的方向往前延伸，使得喷头1往前移动一定的距离；同时，飞行速度较大时，一定高度上的旋翼的风场强度会相对减弱，因此还需要增强旋翼的风场对的雾滴的作用力才能保证雾滴在该高度上不发生飘移，所以需要z伸缩驱动件3驱动z伸缩杆2往上收缩一定距离。其中，当喷头1往上移动一定距离后，在该高度上的旋翼的风场作用宽度会相对较小，所以需要x伸缩驱动件5驱动x伸缩杆4往其中心收缩，才能保证雾滴在旋翼的风场的作用宽度内。

同理，当飞行速度v＜v0时，为使旋翼的风场能及时地作用到容易飘移的雾滴上，需适当减小雾滴的水平运动距离，即y伸缩驱动件7驱动y伸缩杆6沿着无人机飞行的方向往后收缩，使得喷头1往后移动一定的距离；同时，飞行速度较小时，旋翼的风场作用强度对雾滴的影响作用增强，为减小雾滴的沉积距离以保证雾滴的沉积效果，需将喷头1往下调节，即z伸缩驱动件3驱动z伸缩杆2往下延伸。

当飞行高度h＞h0时，雾滴到作物冠层的沉降距离增大，为使雾滴能在旋翼下方的风场的作用下沉积在作物表面，需减小喷头1与作物表面之间的垂直距离，即z伸缩驱动件3驱动z伸缩杆2往下延伸。

同理，当飞行高度h＜h0时，雾滴到作物冠层的沉降距离和沉降时间均减小，为使雾滴能在旋翼下方的风场的作用下沉积在作物表面，需适当减小喷头1与旋翼之间的垂直距离(增大喷头1与作物表面之间的垂直距离)，即z伸缩驱动件3驱动z伸缩杆2往上收缩。其中，当喷头1的高度上升时，所在高度的旋翼的风场作用宽度减小，为保证雾滴能在旋翼的风场的作用宽度内，需x伸缩驱动件5驱动x伸缩杆4往其中心收缩。

在步骤b中，当z伸缩驱动件3驱动z伸缩杆2往下延伸时，x伸缩驱动件5驱动x伸缩杆4往其两端的方向延伸。这样，当喷头1往下移动一定距离后，由于该高度上的旋翼的风场作用宽度相对较大，可适当驱动x伸缩杆4往其两端的方向延伸，以增大无人机的作业喷幅，提高无人机的作业效率。

上述为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述内容的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所做的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。