基于多旋翼飛行器的拖拽式無人施液系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于多旋翼飛行器的拖拽式無人施液系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括：移動工作站和多旋翼飛行器，其中：移動工作站用于將用戶在移動工作站指定的任務路徑信息傳遞給多旋翼飛行器，對多旋翼飛行器發(fā)送的信息進行處理和顯示；為多旋翼飛行器提供電源；并通過輸液管向多旋翼飛行器泵給施液液體；多旋翼飛行器用于拖拽供電線和輸液管，按照移動工作站發(fā)送的任務路徑信息飛行、控制施液，并將采集得到的信息和狀態(tài)信息發(fā)送給移動工作站。本發(fā)明中，移動工作站拖拽多旋翼飛行器按照規(guī)劃任務以手動或自動的方式完成施液操作。本發(fā)明所述的拖拽式無人施液系統(tǒng)能夠以較高的精度、較快的速度，安全可靠地在較大的范圍內(nèi)進行施液操作。
【專利說明】基于多旋翼飛行器的拖拽式無人施液系統(tǒng)
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及農(nóng)業(yè)自動化領域，尤其涉及一種基于多旋翼飛行器的拖拽式無人施液系統(tǒng)。
【背景技術】
[0002]作為農(nóng)業(yè)大國，農(nóng)業(yè)的自動化程度及其勞動效率的高低是我國現(xiàn)代化建設的一項重要指標。在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中，施液操作(澆水、施肥、施藥)是一項勞動量較大的工作，在廣大農(nóng)村，目前大致有兩種方式:①純?nèi)斯し绞?，在實行?lián)產(chǎn)承包責任制后，每家每戶的土地較少，主要采用背負式手動或電動噴霧器；②飛機施藥，包括有人駕駛(固定翼、直升機、三角翼、動力傘等)和無人駕駛(固定翼、多旋翼、直升機等)兩種方式。
[0003]純?nèi)斯し绞降膬?yōu)點是設備成本低，適合土地較少的家庭使用，其主要缺陷在于勞動效率低、工作時要近距離接觸所施液體，安全性較低，尤其是在噴灑劇毒農(nóng)藥時，很容易造成中毒事故。對比而言，飛機施藥效率高，然而，其根本的問題在于造價昂貴、對操控人員的要求高(有人機需要駕駛員，無人機需要操作手)、需要大型場地，因此除大型國家農(nóng)場、林場外，一般家庭很難承受，實際上，在我國南方采用飛機施液(澆水、施肥、施藥)很少見至IJ。另外，隨著航空技術的發(fā)展，特別是近年來無人機技術的發(fā)展和完善，以無人機為載體的無人施液系統(tǒng)已經(jīng)有報道或示范應用，譬如，采用無人傳統(tǒng)直升機或者無人多旋翼作為載體。然而，這種方式最大的問題在于成本高、載荷能力低、在空時間短、操作難度大。在實際現(xiàn)場，為了保證施藥效果，一般要求低空慢速飛行，在這種情況下，操作稍有不慎，就會造成嚴重的事故，對人民群眾的生命財產(chǎn)安全存在很大的威脅。囿于這些不利因素，以無人機為載體的施液系統(tǒng)在農(nóng)村應用很少。
[0004]因此，旨在克服已有系統(tǒng)的技術缺陷，本發(fā)明提出了一種基于多旋翼飛行器的拖拽式無人施液系統(tǒng)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明旨在提供一種基于多旋翼飛行器的拖拽式無人施液系統(tǒng)，能夠以較高的精度、較快的速度、安全、可靠地在較大的范圍內(nèi)進行施液操作(澆水、施肥、灑農(nóng)藥等)。
[0006]本發(fā)明提出的一種基于多旋翼飛行器的拖拽式無人施液系統(tǒng)，包括:移動工作站和多旋翼飛行器，其中:
[0007]所述移動工作站用于將用戶在移動工作站指定的任務路徑信息傳遞給所述多旋翼飛行器，對所述多旋翼飛行器發(fā)送的信息進行處理和顯示；為所述多旋翼飛行器提供電源；并通過輸液管向所述多旋翼飛行器泵給施液液體；
[0008]所述多旋翼飛行器用于拖拽供電線和輸液管，按照所述移動工作站發(fā)送的任務路徑信息飛行、控制施液，并將采集得到的信息和狀態(tài)信息發(fā)送給所述移動工作站。
[0009]根據(jù)上述技術方案，本發(fā)明具有下列有益效果:
[0010]①安全性高:其拖拽式工作方式既能夠使人與施液液體保持安全距離，又保證多旋翼飛行器在極限情況下也能受到拖拽輸液管及供電線的約束，不會失控亂飛，以致于威脅人民生命財產(chǎn)安全；
[0011]②在空時間長，作業(yè)面積大:其特有的結構(電源和施液液體均在移動工作站上)，多旋翼飛行器無需攜帶電池和施液液體，理論上其在空時間不受限制，另外，由于移動工作站能夠靈活移動，因此其作業(yè)面積大，遠強于目前在空時間僅為十幾分鐘的已有系統(tǒng)；
[0012]③機械結構簡單:相對于傳統(tǒng)直升機，本發(fā)明所涉及的系統(tǒng)機械機構簡單，容易維護；
[0013]④精度高、速度快:采用GPS定位技術融合氣壓傳感器定高技術，三維定位精度較高，從而保證施液效果，另外，多旋翼飛行器能夠以較快速度在空中移動，因此施液速度快、效率高。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0014]圖1是本發(fā)明基于多旋翼飛行器的拖拽式無人施液系統(tǒng)的結構框圖。
[0015]圖2是根據(jù)本發(fā)明一實施例的拖拽式無人施液系統(tǒng)的結構示意圖。
[0016]圖3是根據(jù)本發(fā)明一實施例的電控子系統(tǒng)10的結構框圖。
[0017]圖4是根據(jù)本發(fā)明一實施例的自動駕駛儀23的結構框圖。
[0018]圖5是根據(jù)本發(fā)明一實施例的拖拽式無人施液系統(tǒng)的工作流程示意圖。
【具體實施方式】
[0019]為使本發(fā)明的目的、技術方案和優(yōu)點更加清楚明白，以下結合具體實施例，并參照附圖，對本發(fā)明進一步詳細說明。
[0020]圖1是本發(fā)明基于多旋翼飛行器的拖拽式無人施液系統(tǒng)的結構框圖，如圖1所示，所述基于多旋翼飛行器的拖拽式無人施液系統(tǒng)包括:移動工作站I和多旋翼飛行器2，其中:
[0021]所述移動工作站I用于將用戶在移動工作站指定的任務路徑信息傳遞給所述多旋翼飛行器2，對所述多旋翼飛行器2發(fā)送的信息進行處理和顯示；為所述多旋翼飛行器2提供電源；并通過輸液管向所述多旋翼飛行器2泵給施液液體；所述多旋翼飛行器2用于拖拽供電線和輸液管，按照所述移動工作站I發(fā)送的任務路徑信息飛行、控制施液，并將采集得到的相關位置、圖像、視頻等信息和狀態(tài)信息發(fā)送給所述移動工作站I。
[0022]所述基于多旋翼飛行器的拖拽式無人施液系統(tǒng)的工作原理可簡述為:移動工作站I可以在施液現(xiàn)場自由移動(沿公路、機耕道、簡易土路)，當其到達一個點固定之后，多旋翼飛行器2可在以該點為中心，以拖拽的輸液管及輸電線的最大長度(如100米)為半徑的圓形區(qū)域內(nèi)進行施液操作。也就是說，由移動工作站I通過手動或自動方式，控制多旋翼飛行器2起飛，并利用多旋翼飛行器2自身攜帶的自動駕駛儀23控制其按照規(guī)劃好的任務需求完成施液操作，并將采集到的位置、圖像、視頻等相關信息以無線或有線的方式作為數(shù)傳信號/圖傳信號傳回給移動工作站1，地面工作人員可根據(jù)不同區(qū)域的狀況(植物生長狀況，病蟲害程度等)實時調(diào)整規(guī)劃。
[0023]圖2是根據(jù)本發(fā)明一實施例的拖拽式無人施液系統(tǒng)的結構示意圖，如圖2所示，所述移動工作站I包括:電控子系統(tǒng)10、運載車11、發(fā)電機12、液體罐13、液體泵14、輸液管15、供電線16、自動收卷架17、伸縮桿18、伸縮桿伺服電機19、伸縮桿變速箱1A，其中:
[0024]所述運載車11用于運載所述移動工作站I的各個組成部分到施液現(xiàn)場，其中，運載車11的具體形式可依據(jù)現(xiàn)場需要靈活采用；
[0025]所述電控子系統(tǒng)10安裝在運載車11中，用于將所述任務路徑信息傳遞給所述多旋翼飛行器2，以及與所述多旋翼飛行器2進行通信；
[0026]所述發(fā)電機12用于產(chǎn)生所述多旋翼飛行器2及移動工作站I所需要的電能，無需專門說明，專業(yè)人士可根據(jù)實際系統(tǒng)的需要自行選擇發(fā)電機的電壓等級、功率大小，或者可以理解為根據(jù)需要作相應的修改；
[0027]所述液體罐13用于貯存施液液體，并同時作為所述多旋翼飛行器2的起降平臺；
[0028]所述液體泵14用于將所述液體罐13中的液體以特定的壓力泵給所述多旋翼飛行器2 ；
[0029]所述輸液管15用于將所述液體泵14泵出的液體提供給所述多旋翼飛行器2以完成施液操作；
[0030]所述供電線16用于將所述發(fā)電機12產(chǎn)生的電能傳輸給所述多旋翼飛行器2 ；
[0031]所述自動收卷架17用于收納所述輸液管15和供電線16，以在所述多旋翼飛行器2起飛時自動放卷，在所述多旋翼飛行器2施液或回收過程中，根據(jù)其位置自動收卷，以及時調(diào)節(jié)所述多旋翼飛行器2拖拽管線的長度，避免管線過長產(chǎn)生纏繞、與莊稼碰撞等現(xiàn)象；
[0032]所述伸縮桿18用于調(diào)節(jié)所述自動收卷架17的高度；
[0033]所述伸縮桿伺服電機19及伸縮桿變速箱IA用于控制所述伸縮桿18的伸縮運動，從而調(diào)節(jié)自動收卷架17的高度。
[0034]圖3是根據(jù)本發(fā)明一實施例的電控子系統(tǒng)10的結構框圖，其包括:數(shù)傳電臺101、圖傳電臺102、地面計算機103、遙控器104和移動工作站電源105，其中:
[0035]所述數(shù)傳電臺101用于接收由所述多旋翼飛行器2的飛控數(shù)傳電臺232發(fā)送過來的信息；
[0036]所述圖傳電臺102用于接收由所述多旋翼飛行器2的飛控圖傳電臺231發(fā)送過來的圖像、視頻等采集到的信息；
[0037]所述地面計算機103是所述移動工作站I的核心，其與數(shù)傳電臺101、圖傳電臺102、遙控器104通信，以完成任務規(guī)劃、任務上傳、手動控制、信息記錄、檢測、分析等功能；
[0038]所述遙控器104用于手動控制所述多旋翼飛行器2 ；
[0039]所述移動工作站電源105用于為整個移動工作站I供電,將由發(fā)電機12輸送來的電能按照移動工作站I的需要進行電壓變換，無需專門說明，專業(yè)人士可根據(jù)實際系統(tǒng)的需要自行選擇電壓等級、功率大小，或者可以理解為根據(jù)需要作相應的修改。
[0040]如圖2所示，所述多旋翼飛行器2包括:螺旋槳21、GPS天線22、自動駕駛儀23、電機支架24、左側噴嘴25、右側噴嘴26、起落架27、無刷電機28，其中:
[0041]所述螺旋槳21由所述無刷電機28帶動其旋轉并產(chǎn)生升力；
[0042]所述GPS天線22用于接收GPS (全球定位系統(tǒng))信號，以完成所述多旋翼飛行器2的實時定位；
[0043]所述自動駕駛儀23用于接受所述移動工作站I的指令控制所述多旋翼飛行器2的飛行；
[0044]圖4是根據(jù)本發(fā)明一實施例的自動駕駛儀23的結構框圖，如圖4所示，所述自動駕駛儀23包括:飛控圖傳電臺231、飛控數(shù)傳電臺232、GPS模塊233、遙控接收機234、飛控中央處理器235、圖像采集器236、多路電調(diào)237、氣壓高度計238、三軸加速度計及三軸陀螺儀239、三軸地磁計2310、飛控電源2311，其中:
[0045]所述飛控圖傳電臺231用于將所述圖像采集器236采集得到的圖像通過無線方式傳送給所述移動工作站I ;
[0046]所述飛控數(shù)傳電臺232用于將所述多旋翼飛行器2的狀態(tài)信息，包括位置、檢測時間等狀態(tài)信息通過無線方式傳給所述移動工作站I ;
[0047]所述GPS模塊233用于接收GPS天線22傳送的GPS信號并計算得到所述多旋翼飛行器2的經(jīng)度、緯度、高度等定位信息；
[0048]所述遙控接收機234用于接收由所述移動工作站I的遙控器104傳送的手動遙控信號，以備手動控制所述多旋翼飛行器2 ；
[0049]所述飛控中央處理器235是整個自動駕駛儀23的核心，其與飛控圖傳電臺231、飛控數(shù)傳電臺232、GPS模塊233、遙控接收機234、圖像采集器236、多路電調(diào)237、氣壓高度計238、三軸加速度計及三軸陀螺儀239、三軸地磁計2310各個部分通信，得到需要的姿態(tài)、位置、遙控等信號，以完成多旋翼飛行器2的手動或自動控制；
[0050]所述圖像采集器236用于采集圖像或視頻信息；
[0051]所述多路電調(diào)237用于控制多路無刷電機28的旋轉并調(diào)節(jié)其轉速；
[0052]所述氣壓高度計238用于通過測量大氣壓力和環(huán)境溫度來以較高的精度計算所述多旋翼飛行器2的海拔高度；
[0053]所述三軸加速度計及三軸陀螺儀239用于測量多旋翼飛行器2的三軸加速度、三軸旋轉速率；
[0054]所述三軸地磁計2310用于測量地磁在多旋翼飛行器2上的三軸分量，并和三軸加速度計及三軸陀螺儀239測量到的三軸加速度、三軸旋轉速率一起傳送給飛控中央處理器235，以通過卡爾曼濾波法來計算得到所述多旋翼飛行器2的姿態(tài)；
[0055]所述飛控電源2311用于為整個自動駕駛儀23供電，其包括電壓變換模塊等組件，主要功能是將由地面供電線16輸送來的電能按照自動駕駛儀23的需要進行電壓變換，無需專門說明，專業(yè)人士可根據(jù)實際系統(tǒng)的需要自行選擇電壓等級、功率大小，或者可以理解為根據(jù)需要作相應的修改。
[0056]所述電機支架24用于安裝所述無刷電機28和其它設備；
[0057]所述左側噴嘴25及右側噴嘴26安裝在所述電機支架24上，用于噴灑施液液體(比如水、農(nóng)藥等)；
[0058]所述起落架27用于在所述多旋翼飛行器2起降時產(chǎn)生緩沖和保護作用；
[0059]所述無刷電機28與所述螺旋槳21對應設置，用于帶動所述螺旋槳21并產(chǎn)生升力。
[0060]圖5是根據(jù)本發(fā)明一實施例的拖拽式無人施液系統(tǒng)的工作流程示意圖，如圖5所示，所述拖拽式無人施液系統(tǒng)工作時主要包括以下幾個步驟:
[0061]步驟S1:用戶根據(jù)作業(yè)現(xiàn)場的需要，規(guī)劃任務并輸入，具體而言就是輸入多旋翼飛行器2的飛行路徑中各個航點的位置和高度，以及在每個航點的施液動作；
[0062]步驟S2:多旋翼飛行器2從地面站起飛，按照任務要求飛至指定航點；
[0063]步驟S3:在指定航點完成施液操作，具體而言就是根據(jù)各個航點的施液動作要求，以規(guī)定的方位和強度完成施液操作；
[0064]步驟S4:判斷是否施液完畢，若已按照規(guī)劃任務的要求完成施液操作，則執(zhí)行下一個步驟，若未完成，則重新執(zhí)行步驟S3 ；
[0065]步驟S5:完成規(guī)劃的任務后，自動控制多旋翼飛行器2安全降落。
[0066]以上對本發(fā)明基于多旋翼飛行器的拖拽式無人施液系統(tǒng)進行了詳細說明。由以上公開的技術方案可知，本發(fā)明具有下列有益效果:
[0067]①安全性高:其拖拽式工作方式既能夠使人與施液液體保持安全距離，又保證多旋翼飛行器2在極限情況下也能受到拖拽輸液管及供電線的約束，不會失控亂飛，以致于威脅人民生命財產(chǎn)安全；
[0068]②在空時間長，作業(yè)面積大:其特有的結構(電源和施液液體均在移動工作站I上)，多旋翼飛行器2無需攜帶電池和施液液體，理論上其在空時間不受限制，另外，由于移動工作站能夠靈活移動，因此其作業(yè)面積大，遠強于目前在空時間僅為十幾分鐘的已有系統(tǒng)；
[0069]③機械結構簡單:相對于傳統(tǒng)直升機，本發(fā)明所涉及的系統(tǒng)機械機構簡單，容易維護；
[0070]④精度高、速度快:采用GPS定位技術融合氣壓傳感器定高技術，三維定位精度較高，從而保證施液效果，另外，多旋翼飛行器2能夠以較快速度在空中移動，因此施液速度快、效率高。
[0071]以上所述的具體實施例，對本發(fā)明的目的、技術方案和有益效果進行了進一步詳細說明，所應理解的是，以上所述僅為本發(fā)明的具體實施例而已，并不用于限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所做的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。
【權利要求】
1.一種基于多旋翼飛行器的拖拽式無人施液系統(tǒng)，其特征在于，該系統(tǒng)包括:移動工作站和多旋翼飛行器，其中: 所述移動工作站用于將用戶在移動工作站指定的任務路徑信息傳遞給所述多旋翼飛行器，對所述多旋翼飛行器發(fā)送的信息進行處理和顯示；為所述多旋翼飛行器提供電源；并通過輸液管向所述多旋翼飛行器泵給施液液體； 所述多旋翼飛行器用于拖拽供電線和輸液管，按照所述移動工作站發(fā)送的任務路徑信息飛行、控制施液，并將采集得到的信息和狀態(tài)信息發(fā)送給所述移動工作站。
2.根據(jù)權利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述移動工作站通過手動或自動方式控制所述多旋翼飛行器起飛。
3.根據(jù)權利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述移動工作站在施液現(xiàn)場自由移動，當其到達一個點固定之后，多旋翼飛行器在以該點為中心，以拖拽的輸液管及輸電線的最大長度為半徑的圓形區(qū)域內(nèi)進行施液操作。
4.根據(jù)權利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述移動工作站包括:電控子系統(tǒng)、運載車、發(fā)電機、液體罐、液體泵、輸液管、供電線、自動收卷架、伸縮桿、伸縮桿伺服電機、伸縮桿變速箱，其中: 所述運載車用于運載所述移動工作站的各個組成部分到施液現(xiàn)場； 所述電控子系統(tǒng)安裝在運載車中，用于將所述任務路徑信息傳遞給所述多旋翼飛行器，以及與所述多旋翼飛行器進行通信； 所述發(fā)電機用于產(chǎn)生所述多旋翼飛行器及移動工作站所需要的電能； 所述液體罐用于貯存施液液體，并同時作為所述多旋翼飛行器的起降平臺； 所述液體泵用于將所述液體罐中的液體泵給所述多旋翼飛行器； 所述輸液管用于將所述液體泵泵出的液體提供給所述多旋翼飛行器以完成施液操作； 所述供電線用于將所述發(fā)電機產(chǎn)生的電能傳輸給所述多旋翼飛行器； 所述自動收卷架用于收納所述輸液管和供電線，以在所述多旋翼飛行器起飛時自動放卷，在所述多旋翼飛行器施液或回收過程中，根據(jù)其位置自動收卷； 所述伸縮桿用于調(diào)節(jié)所述自動收卷架的高度； 所述伸縮桿伺服電機及伸縮桿變速箱用于控制所述伸縮桿的伸縮運動。
5.根據(jù)權利要求4所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述電控子系統(tǒng)包括:數(shù)傳電臺、圖傳電臺、地面計算機、遙控器和移動工作站電源，其中: 所述數(shù)傳電臺用于接收由所述多旋翼飛行器的飛控數(shù)傳電臺發(fā)送過來的信息； 所述圖傳電臺用于接收由所述多旋翼飛行器的飛控圖傳電臺發(fā)送過來的采集信息； 所述地面計算機與數(shù)傳電臺、圖傳電臺、遙控器通信； 所述遙控器用于手動控制所述多旋翼飛行器； 所述移動工作站電源用于為整個移動工作站供電。
6.根據(jù)權利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述多旋翼飛行器包括:螺旋槳、GPS天線、自動駕駛儀、電機支架、左側噴嘴、右側噴嘴、起落架、無刷電機，其中: 所述螺旋槳由所述無刷電機帶動其旋轉并產(chǎn)生升力； 所述GPS天線用于接收GPS信號，以完成所述多旋翼飛行器的實時定位；所述自動駕駛儀用于接受所述移動工作站的指令控制所述多旋翼飛行器的飛行； 所述電機支架用于安裝所述無刷電機； 所述左側噴嘴及右側噴嘴安裝在所述電機支架上，用于噴灑施液液體； 所述起落架用于在所述多旋翼飛行器起降時產(chǎn)生緩沖和保護作用； 所述無刷電機與所述螺旋槳對應設置，用于帶動所述螺旋槳并產(chǎn)生升力。
7.根據(jù)權利要求6所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述自動駕駛儀包括:飛控圖傳電臺、飛控數(shù)傳電臺、GPS模塊、遙控接收機、飛控中央處理器、圖像采集器、多路電調(diào)、氣壓高度計、三軸加速度計及三軸陀螺儀、三軸地磁計、飛控電源，其中: 所述飛控圖傳電臺用于將所述圖像采集器采集得到的圖像通過無線方式傳送給所述移動工作站； 所述飛控數(shù)傳電臺用于將所述多旋翼飛行器的狀態(tài)信息通過無線方式傳給所述移動工作站； 所述GPS模塊用于接收GPS天線傳送的GPS信號并計算得到所述多旋翼飛行器的經(jīng)度、緯度、高度等定位信息； 所述遙控接收機用于接收由所述移動工作站的遙控器傳送的手動遙控信號，以備手動控制所述多旋翼飛行 器； 所述飛控中央處理器與其他部件通信，以對于所述多旋翼飛行器進行手動或自動控制； 所述圖像采集器用于采集圖像或視頻信息； 所述多路電調(diào)用于控制多路無刷電機的旋轉并調(diào)節(jié)其轉速； 所述氣壓高度計用于計算所述多旋翼飛行器的海拔高度； 所述三軸加速度計及三軸陀螺儀用于測量多旋翼飛行器的三軸加速度和三軸旋轉速率； 所述三軸地磁計用于測量地磁在多旋翼飛行器上的三軸分量； 所述飛控電源用于為整個自動駕駛儀供電。
【文檔編號】B64D1/18GK104002974SQ201410267014
【公開日】2014年8月27日 申請日期:2014年6月16日 優(yōu)先權日:2014年6月16日
【發(fā)明者】譚湘敏, 易建強, 袁如意, 蒲志強 申請人:中國科學院自動化研究所