多功能植物授粉、农场及森林管理的无人机设备和方法与流程

2021-02-13 10:02:09|

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多功能植物授粉、农场及森林管理的无人机设备和方法

背景技术：

[0001]
扑灭火通常是有风险的，而为了对抗森林火灾，被数千英亩的用于燃烧的可燃燃料所包围，则完全是另一回事了。野火本质上是一种不可预测的自然力。野火可以跨越高速公路，自己产生风，并且可以以比人类奔跑能用的速度更快的速度移动。
[0002]
火需要三个要素以使其自身持续：热量-氧气-燃料。缺少这些要素中的任何一个，火自身将会熄灭。空气通常含有21％的氧气。如果存在于空气中的氧气的百分比小于11％，则燃烧过程不能使火灾持续，这是物理原理。灭火器制作成通过抑制氧气、或者将粉末或泡沫层覆盖在火上、或者使可燃燃料冷却来破坏三种要素中的一种或多种。
[0003]
然而，在空旷的环境中，野火最常发生在炎热且干燥的夏季，难以获得水的地方。消防车经常无法在荒野中到达其目标，因此任何灭火器、消防车都是无用的。若不处理，野火持续燃烧直至所有可燃燃料耗尽。
[0004]
因此，经常召唤空中洒水和阻燃剂以扑灭野火。这是一项非常危险的行动，因为没有空中交通管制员来指导飞行员，而且浓烟布满天空，大大降低了其能见度。
[0005]
另一方面，在大多数野火中，将地面消防员派遣到荒野目标附近似乎是自杀任务。本发明提供了一种更先进的解决方案来处理野火及通常难以接近的火灾。

技术实现要素：

[0006]
无人驾驶飞行器无人机(uavd)包括声波发生器，该声波发生器被配置为直接将声波引导到火焰来源上以通过压缩波和稀疏波来扑灭火焰，该压缩波和稀疏波被配置为推拉所述火焰比可燃来源能够维持火焰相互接触更要快。uavd另外包括声波控制器，该声波控制器被配置为控制声波发生器产生用于灭火的一种频率，通过振动使植物授粉的谐波频率，用于干扰冰雹形成的谐波频率，用于干扰害虫、啮齿动物和地下害虫的谐波频率。uavd还包括控制和通信模块，该控制和通信模块包括电子中央处理单元(cpu)、无线通信单元、电子相机和音频a/v单元以及被配置为使所有无人机模块互连的总线。uavd还包括导航模块，该导航模块包括成组的360度障碍物规避传感器和定位单元(gps)，成组的360度障碍物规避传感器和定位单元(gps)被配置为自主地引导处于飞行中的无人机以避开障碍物。
[0007]
无人驾驶飞行器无人机(uavd)方法包括通过声波发生器将声波引导到燃烧源上以通过压缩波和稀疏波来扑灭火焰，该压缩波和稀疏波被配置为推拉火焰比可燃来源能够维持火焰相互接触更要快。该方法还包括通过声波控制器控制声波，该声波控制器被配置为产生用于灭火的一种频率，通过振动使植物授粉的谐波频率，用于干扰冰雹形成的谐波频率，用于干扰害虫、啮齿动物和地下害虫的谐波频率。该方法另外包括通过控制和通信模块控制uavd的通信，该控制和通信模块包括电子中央处理单元(cpu)、无线通信单元、电子相机和音频a/v单元以及被配置为使所有无人机模块互连的总线。该方法还包括通过导航模块为uavd导航，该导航模块包括成组的360度障碍物规避传感器和定位单元(gps)，成组的360度障碍物规避传感器和定位单元(gps)被配置为自主地引导处于飞行中的无人机以避开障碍物。
[0008]
结合附图，通过以下的详细描述，本公开的实施例的其他方面和优点将变得显而易见，附图通过本文公开的原理示例的方式示出。
附图说明
[0009]
图1为根据本公开的实施例的消防无人机系统的图示，该消防无人机系统包括定向参量超声波扬声器阵列和声音冲击波环形涡旋声扩散加农炮，以从远距离灭火。
[0010]
图1a为根据本公开的实施例的使两个超声波混合以产生外差效果的合成音频波。
[0011]
图1b为根据本公开的实施例的音频信号的超声波频率调制。
[0012]
图1c为根据本公开的实施例的超声波载波频率。
[0013]
图1d为根据本公开的实施例的用作便携式灭火器的消防无人机系统。
[0014]
图1e为根据本公开的实施例的使用可安装在无人机上的普通音频喇叭的可替换的消防无人机系统。
[0015]
图2为根据本公开的实施例的消防双无人机系统，消防双无人机系统以推拉式桥配置运行，并且两个自解制音频波异相调谐以提高火灾控制效果。
[0016]
图2a为根据本公开的实施例的调幅超声波。
[0017]
图2b为根据本公开的实施例的脉冲宽度经调制的超声波。
[0018]
图2c为根据本公开的实施例的将火焰推向右侧的左无人机及正相压缩波的图解说明。
[0019]
图2d为根据本公开的实施例的将火焰推向左侧的右无人机及正相压缩波的图解说明，火焰振荡过快且燃烧源无法赶上火焰运动而使火熄灭。
[0020]
图2e为根据本公开的实施例的用于聆听音乐或在骚乱期间用于人群控制的传统参量扬声器。
[0021]
图3为根据本公开的实施例的无人机系统，该无人机系统包括用于压缩空气的空气喇叭和用于产生高压平面声波的电磁扬声器喇叭。
[0022]
图3a为根据本公开的实施例的压缩空气驱动的平面声波喇叭，该平面声波喇叭用于将害虫从植物驱除并近距离扑灭小型火灾。
[0023]
图3b为根据本公开的实施例的音圈驱动的电磁平面波扬声器喇叭，该电磁平面波扬声器喇叭用于将害虫从植物驱除并近距离扑灭小型火灾。
[0024]
图4为根据本公开的实施例的次声波无人机，该次声波无人机可通过调节高压螺旋桨和下冲气流以产生用于驱逐地下农业害虫的次声波来运行。
[0025]
图4a为传统的次声波产生机。
[0026]
图4b示出了根据本公开的实施例的在风扇旋转时通过调节风扇叶片上的桨距角来产生次声波的方法。
[0027]
图5为根据本公开的实施例的植物授粉器无人机，该植物授粉器无人机通过由扫过植物的叶片制成的振动帘，来模仿来访的蜜蜂以使植物释放其花粉。
[0028]
图5a为根据本公开的实施例的振动帘组件的侧视图。
[0029]
图5b为根据本公开的实施例的在通电运动时使叶片振动的帘杆。
[0030]
图5c示出了根据本公开的实施例的授粉器无人机移动并将振动传递到植物。
[0031]
图5d为根据本公开的实施例的振动器模块，该振动器模块类似于扬声器通过音圈
由音频信号驱动。
[0032]
图6为根据本公开的实施例的冰雹加农炮无人机，该冰雹加农炮无人机配备有可燃气体，通过强大的声音冲击波驱动加农炮，该声音冲击波破坏云体的形成以防止冰雹。
[0033]
图6a为根据本公开的实施例的冲击波连同涡旋环的形成的示意图的图解。
[0034]
图6b为根据本公开的实施例的以每小时200英里(330km)的速度行进的移动涡旋环的侧视图。
[0035]
图7为根据本公开的实施例的本公开执行的各种功能的示意图。
[0036]
在整个说明书中，类似和相同的附图标记可用于标识若干实施例和附图中的相似和相同的元件。尽管已经说明了本发明的特定实施例，但是本发明不限于如此描述和说明的部件的特定形式或布置。本发明的范围将由所附权利要求及其等同物限定。
[0037]
附图标记说明：
[0038]
20、摄像机，22、天线，23、障碍物规避传感器，50、电机，51、螺旋桨，52、无人机壳体，53、无人机结构保持件，54、电机轴，55、带电的外屏幕，56、带电的内屏幕，59、高压屏蔽笼，320、脉冲宽度调制波形pwm，350、定向音乐音响系统，351、定向声音扬声器，352、超声换能器，354、混音器，355、音频输入，356、超声输入，357、音乐听众，358、自解调音频，13、飞虫，1、无人机支撑腿，19、用于对无人机电池进行再充电的导电尖端，610、振动筛磁铁，602、振动方向，669、振动筛耦合板，667、音频信号输入引线，656、与窗帘杆的安装孔。
具体实施方式
[0039]
现在将参考附图中示出的示例性实施例，并且本文将使用特定语言来描述该示例性实施例。然而，将理解的是，不因此意图限定本公开的范围。掌握本公开内容的相关领域普通技术人员会构想到的、本文所示的发明特征的改变和进一步修改以及本文所示的本发明原理的其他应用，将被认为在本发明的范围内。
[0040]
术语“外差”贯穿于本公开，指的是从压缩空气和稀疏空气的两个波的差值产生较低频率的音频波或声拍。术语“次声波”和“超声波”是指分别慢于和大于人类听觉的范围的压缩和稀疏波。术语“衍射极限”是指两个声源的最小角距，其可以根据由外差法产生的声音冲击波的波长而在声波上进行区分。
[0041]
声音在空气中以纵向波传播。如果波前的宽度远大于波长，则声波是定向的。图1e中示出了扬声器221，扬声器221具有8英寸(20cm)宽的喉部222，扬声器221的喇叭颈223的长度为178英寸(453cm)并且扬声器221的喇叭嘴224为134英寸(340cm)。这些尺寸在50赫兹的频率产生标称定向波前。由于声波在空气中消散，因此重要的是使声波的来源尽实际可能地接近所需目标，因此进行无人机传送。
[0042]
在本公开中，为了安全起见，利用声波从相对远的距离灭火。通过由物理原理计算的上述示例，使用图1e中的普通长喇叭220是不切实际的。
[0043]
因此，采用超声波来进行灭火。超声波以窄得多的波束直接移向目标，并且扩散音频波不遵循平方反比定律。超声波的波长小得多——在40khz下约为0.34英寸(8.5毫米)——因此合理尺寸的扬声器将产生定向波前。此外，超声波导致水空穴，在燃烧的环境中产生微小气泡和散射雾。
[0044]
图1为根据本公开的实施例的消防无人机系统的图示，该消防无人机系统包括定
向参量超声波扬声器阵列和声音冲击波环形涡旋声扩散加农炮，以从远距离灭火。图1包括无人机10，该无人机10集成有高功率(优选500瓦到几千瓦)的定向扬声器210，该定向扬声器210对房屋278的火焰299进行轰击，该定向扬声器210包括具有多个独立超声波换能器230的超声波阵列215。叠加有频率经调制的超声波w2 250的超声波w1 240在其路径中遇到房屋278，从作为两个波的差值的外差效应产生音频降低的新声波260或者声拍。50至100赫兹范围内的低频率更有效。
[0045]
图1a是根据本公开的实施例的使两个超声波混合以产生外差效果的合成音频波。声波260使火焰299以高波动率向前和向后振荡，使得电离火焰299与其可燃源分离并迅速冷却，从而灭火。虽然火已被扑灭，但可燃源仍然是热的。集成有声扩散加农炮280的第二无人机10包括喇叭颈285和燃烧腔室281。燃烧气体罐283通过软管282输送气体至腔室281。当气体被引爆时，涡旋声音冲击波288以200mph(330km)的速度冲出喇叭嘴284，将仍然热的余烬进一步分散开。因此，分散开的余烬降低了余烬温度并防止可燃源复燃。气体270可以是乙炔等。
[0046]
图1b是根据本公开的实施例的音频信号的超声波频率调制fm。波形w2被调制到音频频率上并产生波250。较高频率和较低频率的周期实现压缩和减压以产生用于灭火的冲击波。
[0047]
图1c是根据本公开的实施例的超声波载波频率。图1a的音频波调制到固定频率载波240上产生用于火灾控制的调频波。
[0048]
系统200重量轻，并且如图1d所示，消防员、紧急救援人员甚至普通公众通过包括的根据本公开的实施例的一些说明即可手持操作系统200以扑灭地面火灾。超驰机制还用于手动操作无人机的各种功能而无需无线电或电磁波控制。
[0049]
图1e是根据本公开的实施例的使用可安装在无人机上的普通音频喇叭的可替换的消防无人机系统。音频喇叭220包括振膜221、喉部222、颈部223和嘴部224。该音频喇叭产生能够在一定距离处执行包括共振、授粉及空气阻断的工作的波干扰。
[0050]
参照图2，根据本公开的实施例，消防双无人机系统以推拉式桥配置工作，并且两个自解制音频波异相调谐以提高火灾控制效果。双系统采用无人机300和360。双无人机系统将无人机300和360通过无线电来连接，以确保两个合成音频波380是异相的并实现操纵火焰399的运动的最大力度。系统无人机300包括超声波扬声器阵列315和超声波换能器330。系统无人机360包括扬声器阵列375和超声波换能器390。两个系统无人机300和360悬停在相反的方向以瞄准房屋378。
[0051]
图2a是根据本公开的实施例的调幅am超声波。调制的是am波310的振幅而不是频率。其他的调幅的出现取决于期望从无人机得到的干扰的性质。图2b是根据本发明的实施例的脉冲宽度经调制的超声波。
[0052]
在正循环期间，声波380如图2c所示，图2c为根据本公开的实施例的将火焰推向右侧的左无人机及正相压缩波的图解说明。压缩空气产生较高的压力波w3 310，较高的压力波将火焰399推向由反向波w3 370产生的低压的稀疏空气。在下一个半周期，根据本公开的实施例，如图2d所示，波380和火焰399方向反转。可燃源388不能跟上快速振荡的火焰399，因此火被扑灭。
[0053]
图2e是根据本公开的实施例的用于聆听音乐或在骚乱期间用于人群控制的传统
参量波358。在很久以前就发现，当超声波的短脉冲被发射到水中，然后由于声音传播时的非线性空气阻抗而发射到空气中，超声波353自然地自解调为音频声音358，如图2e所示。理想的是，使用超声波从远距离轰击火灾目标，让自解调的低频音频声波扑灭燃烧的火。此外，包括于消防无人机中的定向参量超声波扬声器阵列根除了依附于植物的农业害虫，诸如毛虫277。该想法是将调制的远程超声波投射于被毛虫侵袭的植物。超声波自解调为大幅度波动并导致植物叶片振动的音频波。除了音频波之外，超声波的残留会导致毛虫体内的空穴内爆。当毛虫的身体与声波的频率共振时，毛虫会掉到地上或死亡。
[0054]
当人们猛烈地摇晃火柴时，他或她将火焰从其燃料源移开。当人们非常快速移动火柴时，燃料源移动得比火焰可以调整的进程更快。此外，当燃料源被人移离火焰时，燃料源迅速冷却，燃烧反应不再可持续且将不能够再发生。
[0055]
参照图3，空气喇叭无人机系统包括喇叭400和450。空气喇叭400包括振动平面振膜410、空气腔室413、喇叭喉部412及喇叭波导420。当通过软管411输送压缩空气时，平面振膜410以单个平面波频率433共振，单个平面波频率433将害虫从植物驱除，并用于扑灭小型火灾。在一些情况下，使用空气喇叭400不能实现较宽范围的振动频率。例如，不同的地面害虫响应于不同的频率。电磁平面扬声器喇叭450能提供较宽的频率。系统喇叭450包括音圈460、平面喇叭振膜462、喇叭波导470和框架结构463。供能的音频信号461被馈送至音圈460中以产生强大的平面声波455，从而执行与系统空气喇叭400相同的目的。
[0056]
图3a是根据本公开的实施例的压缩空气驱动的喇叭，该喇叭用于将害虫从植物驱除并近距离扑灭小型火灾。压缩空气喇叭包括压缩振膜410、压缩空气软管411、压缩空气通道412、压缩空气腔室413及压缩空气波导420。离开波导的压缩空气波具有周期可变的谐波以将害虫从植物驱除并远距离扑灭小型火灾。
[0057]
图3b是根据本公开的实施例的音圈驱动的电磁平面扬声器喇叭，该电磁平面波扬声器喇叭用于将害虫从植物驱除并近距离扑灭小型火灾。扬声器喇叭450包括音圈460、输入波形461、平面振膜462及框架463。音频功放大加上和减去引线连接能够以较高的输入功率实现较高的放大率。通过将多个平面扬声器喇叭450分组可以形成大阵列的参量定向平面波发生器。每个平面声波455与相邻的平面波455在空气中合并，以最小的衰减直奔其目标。
[0058]
参照图4，根据本公开的实施例，次声波装置500通过支架501安装到无人机主体10以驱逐地下农业害虫。装置500包括节流阀体506，节流阀体506容纳由节流轴504支撑的节流板505。轴504连接到轴驱动器507。驱动器507的移动速度和方向由机电转换器508控制。转换器508可以是音圈或单方向电机或双方向电机。当装置500起作用时，装置500悬停在土壤表面附近。将音频功率信号发送至音圈电机508，使得板505沿每个箭头503所示的方向移动。由螺旋桨51产生的高压下冲气流风502穿过节流阀体506和板505。所产生的次声波510的频率和振幅取决于输入的音频信号。次声波510向下(由箭头511所示)行进并撞击地面。已知诸如老鼠、黄鼠狼、蛇、蜈蚣等地下小型农场害虫会感受到自然灾害中穿过地球的次声波，并将其诠释为逃离该地区的早期警报。
[0059]
图4a是由风扇电机531驱动的示例性次声波机器530。通过改变图4b所示的风扇叶片533的节距555，改变次声波频率544。周期λ也通过风扇叶片533节距而改变。
[0060]
图4b示出了根据本公开实施例的在风扇旋转时通过调节风扇叶片上的桨距角来
产生次声波的方法。围绕风扇叶片轴线的节距555由双向圆形箭头表示。箭头545表示顺时针旋转，但逆时针旋转也用于风扇叶片上的反向节距555。
[0061]
参照图5，根据本公开实施例，植物授粉器无人机600包括由叶片制成的振动帘601，叶片扫过植物，以模仿来访的蜜蜂从而使植物释放其花粉。授粉器无人机600包括振动帘601，振动帘601由多个细长叶片620形成。每个叶片620具有层叠于叶片620之间的扁平的弹簧材料加固片621。沿着帘杆630固定的所有叶片620都跨越无人机的底部安装。叶片620的宽度比其主体厚度宽得多，以排除叶片彼此缠结并排除操作时自形成型结节。两个音圈668使附接在帘杆630的任一端上的电磁振动器模块644运行。无人机600在植物上方悬停，以便在无人机600移动(如图5c的箭头631所示)的同时将帘叶片620轻轻地降落到植物上。
[0062]
一些植物在检测到恰当的机械振动之前不释放其花粉。音圈668能产生宽范围的机械振动以匹配不同的植物。根据本公开的实施例，图5a是固定帘式叶片620的侧视图，图5b是当叶片620处于振动运动时的侧视图。上面的图5所使用的附图标记参考后续附图的相同和类似的限定。图5c示出了根据本公开的实施例的授粉器无人机移动并将振动传递至植物。植物振动并传播花粉。图5d是根据本公开的实施例的振动器模块，该振动器模块类似于扬声器通过音圈由音频信号驱动。音频信号以电子方式放大并转换为空气压缩音频信号。
[0063]
图6示出了根据本公开的实施例的配备有可燃气体的冰雹加农炮无人机系统700，该冰雹加农炮无人机系统700通过强大的声音冲击波驱动加农炮，所述声音冲击波破坏云的形成以预防冰雹。系统700包括两个冰雹加农炮780，以在飞行期间更好地平衡。加农炮780包括颈部786、嘴部784和燃烧腔室781。气体罐783通过软管782输送燃料气体770。气体可以为770中列出的任何类型，但是可以使用其他气体等。冰雹加农炮无人机700与当地气象站无线电连接，以在冰雹形成的早期阶段跟踪可能的冰雹形成活动。一旦确认，无人机系统700将起飞至与该云体710接触。无人机系统700通过引爆其燃烧腔室781中的乙炔气体770来轰击形成的云体710。引爆的气体以声速三分之一的速度从其嘴部784冲出，进入云体710。这种高速的声音冲击波788推动并分散云体710，以防止冰雹的形成。
[0064]
图6a示出了根据本公开的实施例的声音冲击波爆炸和滚动的涡旋环789的形成。滚动的涡旋环在膨胀的冲击波的爆炸边缘形成破坏性声音的旋涡。滚动的涡旋环也形成沿相反方向的行进，以响应所描绘的滚动的涡旋环。
[0065]
图6b是示出根据本公开的实施例的行进的涡旋环789、声波气流799及冲击波788的侧视图。在其他附图中使用的类似和相同的附图标记表示相同和相似的限定。冲击波788受到冲击波788边缘处的破坏性旋涡的限定。当初始空穴799从嘴部784行进时，衰减的冲击波使初始空穴799消散。加农炮784的嘴部被制成控制旋涡的形成和空穴的消散的形状。
[0066]
图7示出了根据本公开的实施例的利用本公开执行的多个功能。该功能包括扑灭远距离、近距离的小型火灾及大型火灾，比如森林火灾。这些功能还包括从植物驱除害虫、驱逐地下害虫、进行植物授粉、防止冰雹及反相推拉型双无人机的操作。模块组件包括用于设定超声波和设定音频频率的混合器、调制型超声波发生器、声扩散加农炮、超声波发生器、平面波空气喇叭和电磁平面扬声器喇叭、次声波发生器、授粉器帘及冰雹加农炮。
[0067]
因为从两个相对的无人机产生的两个合成音频波的相位角可能是不完全异相的，所以相角差可通过两个无人机中的一个或另一个而改变。此外，两个或多个同步无线电连接的无人机产生具有可调谐的相位的自解调的音频波，以提高灭火效果。
[0068]
所公开的消防无人机的用户版本安置于房屋内。当检测到火灾或所有者通过wi-fi连接控制时，消防无人机自动起飞以扑灭火灾。对于房屋内的小型火灾只需要超声波无人机。声扩散加农炮是可选的。超声波无人机和声扩散无人机的组合用于森林野火应用。本公开描述了一种高功率调制型超声波发生器无人机，该高功率调制型超声波发生器无人机瞄准火焰目标直到火焰被扑灭。所公开的无人机还将声扩散加农炮模块定位成利用声音冲击波来轰击可燃源，以防止火重燃。
[0069]
消防无人机队列和消防无人机阵列用于扑灭大型火灾。使用数十甚至数百架消防无人机来扑灭炽热火灾，包括化学火灾和原子火灾。预编程和远程控制的、协同作用的多个消防无人机能够输送更强大的声波和更大的波前以及可变频率波，从而通过改变无人机之间的距离来克服衍射极限。
[0070]
尽管以特定顺序示出和描述本文中的方法的操作，但是每种方法的操作顺序可以改变，使得可以以相反的顺序执行某些操作，或者使得某些操作可以至少部分地与其他操作同时执行。在另一实施例中，可以以间歇和/或交替的方式实现不同操作的指令或子操作。
[0071]
尽管已经描述和说明了本发明的特定实施例，但是本发明不限于如此描述和说明的部件的特定形式或布置。本发明的范围由本文包括的权利要求及其等同物来限定或通过参考相关申请来限定。

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