一种可变形空陆植保无人机的制作方法

本发明涉及植保无人机领域，具体涉及一种能够实现空中与地面切换的可变形空陆植保无人机。

背景技术：

植保无人机具有高效、便捷等优点，智能化程度高，操作方便，可实现远程操控、航路规划，在各种复杂农田环境下均可进行植保飞防作业，且不受地形、地貌的影响，为防治爆发性病虫害做出了较大贡献。

植保无人机的作业方式为飞行作业，其主要是通过旋翼产生的下洗气流扰动作物冠层，使得雾滴进入到作物内部，从而达到防治效果。当作物冠层较密时，而病虫害主要发生在作物下部，此时大部分雾滴不能有效到达目标位置，这种情况下，主要是采用地面行走机具进行防治；但地面作业空间较狭窄时，普通地面行走机具无法进入到田间进行作业，这种情况下，主要是采用地面机器人进行植保作业。

针对上述普通地面机具无法进入到狭窄空间的问题，人们对无人机的行走方式进行了改变，实现空中与地面两种模式的切换，可以有效的在狭窄地面空间行走，如zl201710427215.5、zl201810446474.7设计了一种空陆两用旋翼无人机，主要用于空陆侦查。但是以上方式都存在以下技术问题：植保无人机的行驶速度与旋翼的转速密切相关，而且旋翼风场在地面行走时不能合理利用。

技术实现要素：

发明目的：本发明在无需增加动力系统的情况下，设计一种能够空中、地面作业模式自由切换的植保无人机，将地面与空中植保作业有机结合，实现立体按需防治，根据植保作业需求自由切换作业模式，对于提高作业效率、降低生产成本具有重要的现实意义。

技术方案：

一种可变形空陆植保无人机，包括无人机机体、起落架、旋翼调节支架、旋翼支架、旋翼部件以及喷洒部件；

所述无人机机体安装在所述起落架上，在所述无人机机体上安装有用于检测所述空陆植保无人机飞行速度的速度传感器和用于检测所述空陆植保无人机飞行姿态的陀螺仪；所述旋翼调节支架安装在所述无人机机体上，并具有四个对称的安装端；所述旋翼支架数量为四个，分别固定在所述旋翼调节支架的四个安装端上，所述旋翼部件安装在所述旋翼支架末端上；所述喷洒部件安装在所述旋翼支架末端位置；

所述旋翼支架包括第一旋翼支架、第二旋翼支架、第三旋翼支架、图像传感器以及位置传感器；所述第一旋翼支架的顶端固定安装在所述旋翼调节支架的四个安装端上，在所述第一旋翼支架的末端安装有旋转轴，与所述旋转轴连接有控制其旋转的舵机；所述第二旋翼支架的顶端固定安装在所述旋转轴上；在所述第二旋翼支架的末端开设有圆柱孔，所述第三旋翼支架顶端设有弹簧球头柱塞，在所述第二旋翼支架末端开的圆柱孔表面与所述弹簧球头柱塞相对应的位置设有半球形孔，所述弹簧球头柱塞伸入所述圆柱孔内，并与所述圆柱孔表面的半球形孔相互配合；在所述第二旋翼支架的侧面上安装有旋转电机，在所述旋转电机的输出轴上固定安装有第二齿轮；在所述第三旋翼支架外侧与所述第二齿轮相对应的位置固定安装有第一齿轮，所述第一齿轮与所述第二齿轮相互啮合；在所述第三旋翼支架下部侧面上分别安装有用于探测作物冠层密度的所述位置图像传感器和用于探测所述空陆植保无人机飞行高度或喷洒距离的所述位置传感器；所述第三旋翼支架的末端为折角结构，其上安装有旋翼部件；在所述第三旋翼支架的末端下方位置安装所述喷洒部件；

所述旋翼部件包括旋翼电机、旋翼、橡胶外罩、支撑外环以及支撑内环；所述旋翼电机固定安装在所述第三旋翼支架的末端上；在所述旋翼电机的输出轴上安装所述旋翼；在所述旋翼外设置有圆形的旋翼支撑架，在所述旋翼支撑架的圆周外设置有橡胶外罩；在所述橡胶外罩内设置有支撑外环，所述支撑外环的截面形状为开口朝内的凹槽，在所述支撑外环的凹槽口设置有支撑内环，在所述支撑外环的凹槽口上设有向内延伸的卡扣，所述卡扣外端安装有可自由旋转的圆球，在所述支撑内环侧面上与所述支撑外环凹槽口的卡扣相对应的位置设有环形槽；所述支撑外环与所述支撑内环之间通过所述卡扣上圆球与所述环形槽的配合活动连接；所述支撑内环固定安装在所述旋翼支撑架的外圆周上并与所述旋翼末端固定连接；所述支撑外环内侧面与所述支撑外环外侧面之间还设有密封环进行密封；在所述支撑内环外圆周上固定设置有电磁线圈；在所述支撑外环与所述支撑内环之间设置有磁流变液。

所述旋翼调节支架包括纵向调节支架和横向调节支架；所述纵向调节支架数量为两个，分别安装在所述无人机机体相对的两个侧面上，所述横向调节支架安装在所述纵向调节支架末端位置上；

所述纵向调节支架包括纵向支架、纵向调节电机、纵向调节螺杆以及纵向调节滑块，所述纵向支架顶端安装在所述无人机机体上，在所述纵向支架的顶端内安装所述纵向调节电机，在所述纵向支架内安装所述纵向调节螺杆；所述纵向调节螺杆的顶端与所述纵向调节电机的输出轴连接，所述纵向调节螺杆的末端与抵在所述纵向支架的末端位置；在所述纵向调节螺杆上通过螺纹安装有纵向调节滑块；所述横向调节支架固定安装在所述纵向调节滑块上；

所述横向调节支架包括横向支架、横向调节电机、横向调节锥齿轮、第一锥齿轮以及第二锥齿轮；所述横向调节电机固定安装在所述横向支架中部位置；所述横向调节锥齿轮安装在所述横向支架内部，其固定安装在所述横向调节电机的输出轴上；在所述横向支架内部位于所述横向调节锥齿轮左右两侧分别设置所述第一锥齿轮及所述第二锥齿轮，所述第一锥齿轮和所述第二锥齿轮分别与所述横向调节锥齿轮啮合；

所述横向支架包括第一横向支架和第二横向支架；在所述第一横向支架内固定安装有第一螺杆，所述第一螺杆的顶端与所述第一锥齿轮固定连接，所述第一螺杆的末端抵在所述第一横向支架的末端内侧；在所述第二横向支架内固定安装有第二螺杆，所述第二螺杆的顶端与所述第二锥齿轮固定连接，所述第二螺杆的末端抵在所述第二横向支架的末端内侧；在所述第一螺杆和所述第二螺杆上分别通过螺纹安装有第一滑块和第二滑块；两端的所述旋翼支架分别固定安装在所述第一滑块和第二滑块上。

在所述第一横向支架的顶端安装有限位块，在所述限位块上安装有第一超声波传感器，所述第一超声波传感器与所述空陆植保无人机控制端连接，其实时检测所述第一横向支架上的第一滑块移动的距离，并发送至所述空陆植保无人机控制端，保证所述第一滑块的移动距离在预先设置的安全范围内；

在所述纵向支架顶端位置安装有第二超声波传感器，所述第二超声波传感器与所述空陆植保无人机控制端连接，其实时检测所述纵向支架上的所述纵向调节滑块移动的距离，并发送至所述空陆植保无人机控制端，保证所述纵向调节滑块的移动距离在预先设置的安全范围内。

所述舵机通过舵机支架固定在第一旋翼支架末端侧面，所述旋转轴固定安装在所述舵机的输出轴上。

所述第二旋翼支架的旋转角度在0～90°之间。

根据作物外形特征或喷洒距离的需要，所述舵机调整改变所述旋翼部件的外倾角，实现倾斜喷洒。

在所述第二旋翼支架的末端开设有圆柱孔开口处安装有轴承及轴承盖，所述第三旋翼支架通过所述轴承与所述轴承盖实现轴向定位。

所述喷洒部件包括喷头和输液软管，所述喷头安装在所述第三旋翼支架末端下方，在所述无人机机体内设有盛放喷洒液体的液箱，所述液箱上底部设有出口，所述输液软管两端分别连接所述喷头及所述液箱出口，其管体分别固定在所述旋翼支架、横向调节支架及纵向调节支架上，且所述输液软管的长度大于所述纵向调节支架最大长度、所述横向调节支架最大长度及所述旋翼支架三者相加的长度。

所述支撑内环外圆周上固定的电磁线圈通过电路与所述无人机机体内的电源相连接，所述空陆植保无人机控制端通过控制所述无人机机体内的电源为所述电磁线圈供电。

通过控制内侧的旋翼部件与外侧的旋翼部件上的旋翼电机转速，形成内侧的旋翼部件与外侧的旋翼部件之间的速度差，实现所述空陆植保无人机转向。

本发明与现有技术相比具有以下有益效果：

(1)作业模式可变。本发明提出的可变形植保无人机，可以实现空中飞行作业、地面行走作业，拓宽传统植保无人机的作业方式；同时根据作业的需求，实现植保无人飞机飞行时旋翼间距、地面行走时轮距可调。

(2)驱动方式稳定。本发明提出的可变形植保无人机动力驱动系统，行走装置采用磁力驱动，速度可调；同时车轮外倾角度可调，实现不同角度的风力辅助喷洒。

(3)机构简单实用。本发明装置在传统植保无人机上旋翼外圈增加行走轮，地形通过性好。

附图说明

图1为飞行状态俯视图。

图2为飞行状态正视图。

图3为起落状态正视图。

图4为地面行走状态正视图。

图5为旋翼部件图。

图6为旋翼支架部件图。

图7为横向调节支架部件图。

图8为纵向调节支架部件图。

图9为控制系统流程图；其中，图9a为飞行作业流程图，图9b为行走作业流程图。

其中，100-旋翼部件；200-旋翼支架；300-横向调节支架；400-纵向调节支架；500-无人机机体；600-起落架；700-喷洒部件；

101-橡胶外罩；102-支撑外环；103-旋翼；104-磁流变液；105-电磁线圈；106-密封环；107-旋翼电机；108-支撑内环；201-第一旋翼支架；202-旋转轴；203-第二旋翼支架；204-弹簧球头柱塞；205-轴承；206-轴承盖；207-第一齿轮；208-第三旋翼支架；209-图像传感器；210-位置传感器；211-第二齿轮；212-旋转电机；213-舵机；214-舵机支架；301-第一滑块；302-第一横向支架；303-第一螺杆；304-横向调节电机；305-第二横向支架；306-第二滑块；307-第二螺杆；308-第二锥齿轮；309-横向调节锥齿轮；310-第一锥齿轮；311-第一超声波传感器；401-纵向调节电机；402-纵向调节螺杆；403-纵向支架；404-纵向调节滑块；405-第二超声波传感器。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例，进一步阐明本发明。

如图1、2所示，本发明的可变形空陆植保无人机包括无人机机体500、起落架600、纵向调节支架400、横向调节支架300、旋翼支架200、旋翼部件100以及喷洒部件700。所述无人机机体500安装在所述起落架600上，所述纵向调节支架400数量为两个，分别安装在所述无人机机体500相对的两个侧面上，所述横向调节支架300安装在所述纵向调节支架400末端位置上，所述旋翼支架200数量为四个，分别固定在两个所述横向调节支架300的两端上，所述旋翼部件100安装在所述旋翼支架200末端上；所述喷洒部件700安装在所述旋翼支架200末端位置。在所述无人机机体500上安装有用于检测所述空陆植保无人机飞行速度的速度传感器和用于检测所述空陆植保无人机飞行姿态的陀螺仪。

图3为起落状态正视图，如图3所示，本发明的起落架600通过伸缩杆与所述无人机机体500底部连接，在本发明中所述伸缩杆可以通过液压缸或者电机控制伸缩。

图8为纵向调节支架部件图。如图8所示，所述纵向调节支架400包括纵向支架403、纵向调节电机401、纵向调节螺杆402以及纵向调节滑块404，所述纵向支架403顶端安装在所述无人机机体500上，在所述纵向支架403的顶端内安装所述纵向调节电机401，在所述纵向支架403内安装所述纵向调节螺杆402；所述纵向调节螺杆402的顶端与所述纵向调节电机401的输出轴连接，所述纵向调节螺杆402的末端与抵在所述纵向支架402的末端位置；在所述纵向调节螺杆402上通过螺纹安装有纵向调节滑块404；所述横向调节支架固定安装在所述纵向调节滑块404上。在所述纵向支架403顶端位置安装有第二超声波传感器405，所述第二超声波传感器405与所述空陆植保无人机控制端连接，其实时检测所述纵向支架403上的所述纵向调节滑块404移动的距离，并发送至所述空陆植保无人机控制端，保证所述纵向调节滑块404的移动距离在预先设置的安全范围内。

图7为横向调节支架部件图。如图7所示，所述横向调节支架300包括横向支架、横向调节电机304、横向调节锥齿轮309、第一锥齿轮310以及第二锥齿轮308；所述横向调节电机304固定安装在所述横向支架中部位置；所述横向调节锥齿轮309安装在所述横向支架内部，其固定安装在所述横向调节电机304的输出轴上；在所述横向支架内部位于所述横向调节锥齿轮309左右两侧分别设置所述第一锥齿轮310及所述第二锥齿轮308，所述第一锥齿轮310和所述第二锥齿轮308分别与所述横向调节锥齿轮309啮合。

所述横向支架包括第一横向支架302和第二横向支架305；在所述第一横向支架302内固定安装有第一螺杆303，所述第一螺杆303的顶端与所述第一锥齿轮310固定连接，所述第一螺杆303的末端抵在所述第一横向支架302的末端内侧；在所述第二横向支架305内固定安装有第二螺杆307，所述第二螺杆307的顶端与所述第二锥齿轮308固定连接，所述第二螺杆307的末端抵在所述第二横向支架305的末端内侧；在所述第一螺杆303和所述第二螺杆307上分别通过螺纹安装有第一滑块301和第二滑块306。两端的所述旋翼支架200分别固定安装在所述第一滑块301和第二滑块306上。在所述第一横向支架302的顶端安装有限位块，在所述限位块上安装有第一超声波传感器311，所述第一超声波传感器311与所述空陆植保无人机控制端连接，其实时检测所述第一横向支架302上的第一滑块301移动的距离，并发送至所述空陆植保无人机控制端，保证所述第一滑块301的移动距离在预先设置的安全范围内。在本发明中，由于所示第一滑块301和所示第二滑块306的移动距离始终一致，因此此处只需要设置一个超声波传感器。

图6为旋翼支架部件图。如图6所示，所述旋翼支架包括第一旋翼支架201、第二旋翼支架203、第三旋翼支架208、图像传感器209以及位置传感器210；所述第一旋翼支架201的顶端固定安装在所述横向调节支架300的滑块上，在所述第一旋翼支架201的末端安装有旋转轴202，与所述旋转轴202连接有舵机213，所述舵机213通过舵机支架214固定在第一旋翼支架201末端侧面，所述旋转轴202固定安装在所述舵机213的输出轴上，；所述第二旋翼支架203的顶端固定安装在所述旋转轴202上，所述舵机213带动所述旋转轴202绕所述第一旋翼支架201旋转，从而带动所述第二旋翼支架203旋转；在本发明中，所述第二旋翼支架203的旋转角度在0～90°之间；在所述第二旋翼支架203的末端开设有圆柱孔，所述第三旋翼支架208顶端设有弹簧球头柱塞204，在所述第二旋翼支架203末端开的圆柱孔侧面与所述弹簧球头柱塞204相对应的位置设有半球形孔，所述弹簧球头柱塞204伸入所述圆柱孔内，并与所述圆柱孔侧面的半球形孔相互配合，实现无外力作用下对所述第三旋翼支架208的径向定位；在所述圆柱孔开口处安装有轴承205及轴承盖206，所述第三旋翼支架208通过所述轴承205与所述轴承盖206实现轴向定位，保证所述旋翼部件的稳定。

在所述第二旋翼支架203的侧面上安装有旋转电机212，在所述旋转电机212的输出轴上固定安装有第二齿轮211；在所述第三旋翼支架208外侧与所述第二齿轮211相对应的位置固定安装有第一齿轮207，所述第一齿轮207与所述第二齿轮211相互啮合。在所述第三旋翼支架208下部侧面上分别安装有用于探测作物冠层密度的所述图像传感器209和用于探测所述空陆植保无人机飞行高度或喷洒距离的所述位置传感器210。

所述第三旋翼支架208的末端为折角结构，其上安装有旋翼部件100；在所述第三旋翼支架208的末端下方位置安装有喷洒部件700，在本发明中，所述喷洒部件700包括喷头和输液软管，所述喷头安装在所述第三旋翼支架208末端下方，在所述无人机机体500内设有盛放喷洒液体的液箱，所述液箱上底部设有出口，所述输液软管两端分别连接所述喷头及所述液箱出口，其管体分别固定在所述旋翼支架200、横向调节支架300及纵向调节支架400上，且所述输液软管的长度大于所述纵向调节支架400最大长度、所述横向调节支架300最大长度及所述旋翼支架200三者相加的长度。图5为旋翼部件图，如图5所示，所述旋翼部件100包括旋翼电机107、旋翼103、橡胶外罩101、支撑外环102以及支撑内环108；所述旋翼电机107固定安装在所述第三旋翼支架208的末端上；在所述旋翼电机107的输出轴上安装所述旋翼103；在所述旋翼103外设置有圆形的旋翼支撑架，在所述旋翼支撑架的圆周外设置有橡胶外罩101；在所述橡胶外罩101内设置有支撑外环102，所述支撑外环102的截面形状为开口朝内的凹槽，在所述支撑外环102的凹槽口设置有支撑内环108，在所述支撑外环102的凹槽口上设有向内延伸的卡扣，所述卡扣外端安装有可自由旋转的圆球，在所述支撑内环108侧面上与所述支撑外环102凹槽口的卡扣相对应的位置设有环形槽；所述支撑外环102与所述支撑内环108之间通过所述卡扣上圆球与所述环形槽的配合活动连接；所述支撑内环108固定安装在所述旋翼支撑架的外圆周上并与所述旋翼103末端固定连接；所述支撑外环102内侧面与所述支撑外环108外侧面之间还设有密封环106进行密封；在所述支撑内环108外圆周上固定设置有电磁线圈105；在所述支撑外环102与所述支撑内环108之间设置有磁流变液104。在本发明中，所述支撑内环108外圆周上固定的电磁线圈105通过电路与所述无人机机体500内的电源相连接，所述空陆植保无人机控制端通过控制所述无人机机体500内的电源为所述电磁线圈105供电。

本发明的工作原理如下：

如图3、6所示，本发明的空陆植保无人机降落后，所述起落架600与地面接触，安装在所述第一旋翼支架201上的所述舵机213驱动所述第二旋翼支架203绕所述旋转轴202向下旋转90°，从而可以将上述旋翼部件100从飞行模式转变为行走模式；然后所述旋转电机电机212带动所述第二齿轮211工作，带动与所述第二齿轮211啮合的所述第一齿轮207旋转180°，所述第一齿轮207带动所述第三旋翼支架208旋转180°，从而使得所述第三旋翼支架208末端下方位置安装的喷洒部件700面向外侧，如图4所示；在空陆植保无人机旋转变形完成后，所述起落架部件600向上收起，所述旋翼部件100与地面接触，实现喷洒前准备。

如图5所示，所述旋翼电机107带动所述旋翼103旋转，所述旋翼103固定在支撑内环108上，此时所述控制芯片控制蓄电池为所述电磁线圈105供电，通过产生的电磁效应控制所述磁流变液104产生磁流变效应，从而实现带动所述支撑外环102旋转。

图9为控制系统流程图。如图9所示，本发明的可变形空陆植保无人机控制流程具体如下：

1)空陆植保无人机在空中飞行喷洒时，所述图像传感器209与所述位置传感器210分别探测作物冠层密度与所述空陆植保无人机的飞行高度；同时所述无人机机体500上的所述速度传感器检测飞行速度，所述陀螺仪检测飞行姿态，并将得到的作物冠层密度、飞行信息传输至所述空陆植保无人机控制端，所述空陆植保无人机控制端根据以上信息与设定目标进行比对，进而调整所述旋翼转速、飞行高度、飞行速度以及喷雾量，同时所述空陆植保无人机控制端根据飞行姿态控制所述横向调节支架300及所述纵向调节支架400，从而调整四个旋翼部件100之间的距离，增加飞行稳定性。

2)空陆植保无人机在地面准备作业或行走时，所述空陆植保无人机控制端根据接收的指令通过所述舵机213沿水平轴翻转所述旋翼部件100，实现所述旋翼部件100从水平状态变为竖直状态，所述旋翼部件100变为行走轮，进一步的所述空陆植保无人机控制端根据接收的指令通过所述旋翼支架200上的齿轮传动装置，将所述旋翼部件100沿竖直轴旋转180°，实现所述喷洒部件700由朝向内侧转为外侧，从而完成无人机变形，此时，所述起落架600收起，所述旋翼部件100与地面接触。

所述旋翼部件100行走时，所述旋翼电机107驱动所述旋翼103转动，由于所述旋翼103与所述支撑内环108固定连接，从而带动所述支撑内环108一起旋转，此时，对所述电磁线圈105进行通电，通过产生的电磁效应控制所述支撑内环108与所述支撑外环102之间的所述磁流变液104产生磁流变效应，从而带动所述支撑外环102旋转。进一步的，在行走状态下，由于所述旋翼103高速旋转时会产生气流，此时降低所述旋翼电机107的转速，加大所述电磁线圈105的电流，从而所述支撑内环108与所述支撑外环102耦合效应加大，从而保证一定的行走速度。在喷雾状态下，所述旋翼103高速旋转时产生的气流可以扰动作物冠层，提高雾滴穿透性能，因此所述旋翼103必须高速旋转，此时降低所述电磁线圈105的电流，从而所述支撑内环108与所述支撑外环102的耦合效应减弱，从也可以保证一定的行走速度。

3)空陆植保无人机在地面喷洒时，所述图像传感器209与所述位置传感器210分别探测作物冠层密度与喷洒距离，并将作物冠层密度、喷洒距离传输至所述空陆植保无人机控制端，所述空陆植保无人机控制端根据所述作物冠层密度信息调整喷洒系统的喷雾量、旋翼转速、行驶速度，同时所述空陆植保无人机控制端根据喷洒需求调整旋翼(喷头)与作物之间的距离，实现均匀喷洒；进一步的，所述空陆植保无人机控制端根据作物外形特征或喷洒距离的需要，也可以通过所述舵机213调整改变所述旋翼部件100的外倾角，实现倾斜喷洒；此外所述陀螺仪检测行驶姿态，并反馈至所述空陆植保无人机控制端，所述空陆植保无人机控制端根据检测结果调整前后旋翼之间的距离，保证行驶稳定性。

4)作业过程中转弯时，通过事先规划的航线，所述空陆植保无人机控制端控制内侧的旋翼部件与外侧的旋翼部件上的旋翼电机转速，形成内侧的旋翼部件与外侧的旋翼部件之间的速度差，从而实现自动转向。

5)作业完成后，所述空陆植保无人机返回原地，所述起落架600落下，控制所述旋翼部件100收起。

以上详细描述了本发明的优选实施方式，但是本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种等同变换(如数量、形状、位置等)，这些等同变换均属于本发明的保护。