一种用于果树打药的多旋翼无人机及其施药方法与流程

本发明涉及飞行器技术领域，尤其涉及到一种用于果树打药的多旋翼电动无人机及其施药方法。

背景技术：

无人机是无人驾驶飞行器的统称，其安装有自动驾驶仪、程序控制装置等设备，可通过地面站终端或遥控器进行操作控制。与载人无人机相比，它具有体积小、造价低、使用方便等优点。可垂直起飞，可自动起降，可以悬停，可反复使用，已广泛应用于多种行业领域。

目前，对于主要用于喷洒作业的多旋翼无人机主要用于农田作物的植保。随着无人机技术的发展，开始发展到利用无人机对山上的果树进行打药。目前的施药方法仍然沿用了对农田作物的施药方式，即从上面向下喷药，然后经过螺旋桨的强大下压风场把雾化后的农药吹向果树。

向下喷药是无人机植保的基本方式，其特点在于每一个喷头都安装在螺旋桨产生的有效风场区域内，利用螺旋桨产生的强大的下压风场将药液送到密植的农作物中，比如水稻、玉米等。

然而果树的种植情况与水稻完全不同，为了方便采摘，果树种植果园一般都留有人工通行通道，这样，果树的种植密集程度远远达不到水稻的密集程度，如果仍然采用强风场向下喷药，农药喷洒出来后有可能被强大的螺旋桨下压风场吹向了接近地面部分，即果树的下面树干部分，以及人工通道部分，造成了农药的浪费。由于果树树叶的自然层叠现象(即树下避雨现象)，真正需要农药的下层果树树叶上停留的农药不多，同时下层树叶的反面(背光面)附着的农药药量不够，也很难达到植保的要求。

技术实现要素：

为了克服上述现有技术的不足，本发明提供一种用于果树打药的多旋翼无人机及其施药方法。

本发明的目的是降低螺旋桨产生的下压风场对农药喷洒的影响，防止农药喷洒出来后被螺旋桨下压风场吹向了接近地面部分，从而造成了农药的浪费。

本发明的另一目的是增加农药的喷洒面积，最终提升果树的植保效果。

为了达到以上发明目的，本发明采用了以下技术方案。

本发明一种用于果树打药的多旋翼无人机，其包括：机体1、起落架2、机臂3及设置在机臂上的电机4和旋翼5、飞行控制系统6、电源7、药箱8、泵9、喷药机械臂10、喷药装置11、摄像装置12，摄像装置(12)安装所述机臂3上，用于实时观察摄像装置与果树的相对位置关系；所述喷药机械臂10的一端铰接安装所述机臂3的远端，所述喷药装置11设置在所述喷药机械臂10上；所述喷药机械臂10可在所述飞行控制系统6的控制下改变姿态，并且进行伸缩。

优选地，所述摄像装置12安装在所述喷药机械臂10所在的机臂3的下侧，以便于实时观察摄像装置与果树的相对位置关系。

优选地，所述喷药机械臂10包括长行程电动推杆13、短行程的电动推杆14，所述短行程电动推杆14实现所述长行程电动推杆13的姿态改变，同时改变喷药装置11的姿态。

所述飞行控制系统6控制所述长行程电动推杆13伸长，从而改变喷药装置11的位置。

优选地，所述长行程电动推杆13为可伸缩的多级机械臂，每级机械臂上均设置有喷药装置11，每级机械臂均可在所述飞行控制系统6的控制下进行伸缩，实现所述喷药装置11位置的改变。

优选地，所述短行程电动推杆13为可伸缩的多级机械臂，所述短行程电动推杆13一端与所述机臂3铰接，另一端与所述长行程电动推杆13铰接，所述飞行控制系统6通过控制所述短行程电动推杆的伸缩从而改变所述长行程电动推杆13的姿态，同时改变所述喷药装置11位置。

优选地，所述飞行控制装置可控制喷药装置11的姿态，以改变药物的喷洒方向和角度。

所述喷药机械臂10在起飞状态时处于收起状态，避免触地；在起飞达到一定高度后，所述飞行控制系统6控制所述短行程电动推杆14伸长，从而改变所述长行程电动推杆13的姿态,使得所述长行程电动推杆13基本上处于竖直状态。可选的是，所述飞行控制系统6可控制所述短行程电动推杆14推动所述长行程电动推动13以使其处于多种姿态，从而实现无人机能够多角度喷洒农药。

所述喷药机械臂10上至少安装两个喷药装置11，其中一个喷药装置11往斜上喷，负责侧面中部及以上部分，另一个喷药装置11往斜下喷，负责中部及以下部分。

本发明的一种用于果树打药的多旋翼无人机采用安装在植保无人机的机臂上的可以运动的喷药机械臂，从而改变喷药装置的位置；多喷药装置以不同的喷洒角度共同作业，增加喷洒面积；而且，喷药装置远离螺旋桨，喷药装置处于弱的下压风场区域，有效地提升了果树的植保效果。

本发明的一种利用多旋翼无人机对果树施药的方法，其包括：

s1：获得果园测绘地图，采用测绘无人机在果树上空进行测绘作业，得到带坐标信息的果园测绘图像；

s2:确定无人机在水平方向运动的回转半径r3i和无人机施药时的水平运动回转圆心oi；

s3:确定无人机在水平方向上的运动轨迹圆；

s4：调整无人机的作业高度，以确保喷药装置大致处于每一颗果树所需要喷洒的部位；

s5：控制无人机飞行轨迹，将无人机的中心位置调整到水平方向上的运动轨迹圆上，无人机的航向确定为确保喷头对准果树，以有效地向果树施药。

其中，所述确定无人机在水平方向运动的回转半径r3i和无人机施药时的水平运动回转圆心oi包括：

(1)根据每一颗果树在测绘时的图像确定一个最小外接圆，果树的水平中心位置oi作为无人机施药时的水平运动回转圆心，计算所述最小外接圆的半径r1i；

(2)在所述喷药装置展开的情况下，确定喷药装置与所述飞行控制系统在水平半径方向的距离l1以及在高度方向的距离h1；

(3)根据s1所确定的一个最小外接圆的半径r1i叠加一水平方向的安全距离l2作为喷头运动的回转半径r2i，根据所确定的喷头运动的回转半径r2i叠加一喷药装置与所述飞行控制系统在水平半径方向的距离l1，从而确定无人机在水平方向运动的回转半径r3i。

其中，所述确定无人机在水平方向上的运动轨迹圆包括：

(1)根据水平运动回转圆心oi以及水平运动回转半径r3i确定出无人机水平运动的轨迹圆。无人机的中心位置可以处于轨迹圆的某一个起始点上；

(2)无人机的航向确定为确保喷头对准果树，即以无人机的中心位置为第一点，喷头的位置为第二点所构成的射线指向所述水平运动回转圆心oi。

其中，所述调整无人机的作业高度，以确保喷药装置大致处于每一颗果树所需要喷洒的部位包括：

(1)无人机的初始高度确定为确保喷药装置的高度大致与每一颗果树在测绘时的最大高度相同。

(2)通过安装在机臂下侧的摄像头所回传的视频信息，调整无人机的作业高度为确保喷药装置大致处于每一颗果树所需要喷洒的部位在高度方向上的一半。

以上多旋翼无人机的施药方法为无人机围绕果树回转喷药，适合对稀植的果树进行植保作业。若对密植的果树进行植保作业，则需要采用以下施药方法。

s1：获得果园测绘地图，采用测绘无人机在果树上空进行测绘作业，得到带坐标信息的果园测绘图像；

s2：根据果树的人工通行通道的位置在所述果园测绘图上确定无人机飞行的预设航路点；

s3:将所述预设航路点作为所述喷药装置的运动轨迹，将所述预设航路点往人工通行通道的方向平移“喷药装置与飞行控制系统在水平半径方向的相对距离l1”作为无人机运动轨迹的最终航路点；

s4：控制无人机的中心位置按照所述最终航路点轨迹飞行；无人机在飞行过程中的航向确定为：以无人机的中心位置为第一点、喷药装置为第二点所确定的射线与预设航向垂直；

s5：调整无人机的作业高度，以确保喷药装置大致处于每一颗果树所需要喷洒的部位；

s6：控制无人机飞行轨迹，将无人机的中心位置调整到水平方向上的运动轨迹圆上，无人机的航向确定为确保喷头对准果树，以有效地向果树施药。

优选地，在每一处预设航线的拐点处设置新的航向，确保无人机在运动过程中，喷药装置始终在预设航路点上运动与喷药。

优选地，可以根据飞行的中心位置改变情况实时控制改变航向。

本发明的有益效果是针对普遍采用的桨下强风场施药方法。由于强大下压风场的作用，农药喷洒出来后有可能被强大的螺旋桨下压风场吹向了接近地面部分，即果树的下面树干部分。真正需要农药的果树树叶上停留的农药不多，达不到植保的要求。本发明采用弱风场施药方法，雾化后的农药不至于被强大的螺旋桨风场吹到地面，因此农药可以更多的停留在果树树叶上，增加植保效果。

针对普遍采用的桨下施药方法。由于果树树叶的自然层叠现象(即树下避雨现象)，真正需要农药的下层果树树叶上停留的农药不多，同时下层树叶的反面(背光面)附着的农药药量不够，也很难达到植保的要求。仅仅从表面积来说，传统的桨下施药方法获得的是上半部分球体的表面积。果树表面球体的下半部分很难喷到药。

本发明基于无人机在空中打药，从果树的侧面喷洒，覆盖整个果树的侧面，增加了喷洒的面积，本发明的施药方法最多可以达到整个果树球体的表面积，最终提升果树的植保效果。

附图说明

图1为本发明一种用于果树打药的多旋翼无人机的喷药机械臂处于收起状态立体图。

图2为本发明一种用于果树打药的多旋翼无人机的喷药机械臂处于收起状态的主视图。

图3为本发明一种用于果树打药的多旋翼无人机的喷药机械臂处于工作状态的主视图。

具体实施方式

以下结合说明书附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本技术发明的范围。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

如图1-2所示，本发明一种用于果树打药的多旋翼无人机，其包括：机体1、起落架2、机臂3及设置在机臂上的电机4和旋翼5、飞行控制系统6、电源7、药箱8、泵9、喷药机械臂10、喷头11、摄像头12，摄像头12安装所述机臂3上，用于实时观察摄像装置与果树的相对位置关系；所述喷药机械臂10的一端铰接安装所述机臂3的远端，所述喷药装置11设置在所述喷药机械臂10上；所述喷药机械臂10可在所述飞行控制系统6的控制下改变姿态，并且进行伸缩。

所述摄像头12安装在所述喷药机械臂10所在的机臂3的下侧，以便于实时观察摄像装置与果树的相对位置关系。

所述喷药机械臂10包括长行程电动推杆13、短行程的电动推杆14，所述短行程电动推杆14实现所述长行程电动推杆13的姿态改变，同时改变喷头11的姿态。

所述飞行控制系统6控制所述长行程电动推杆13伸长，从而改变喷头11的位置。

所述长行程电动推杆13为可伸缩的多级机械臂，每级机械臂上均设置有喷头11，每级机械臂均可在所述飞行控制系统6的控制下进行伸缩，实现所述喷头11位置的改变。

所述短行程电动推杆13为可伸缩的多级机械臂，所述短行程电动推杆13一端与所述机臂3铰接，另一端与所述长行程电动推杆13铰接，所述飞行控制系统6通过控制所述短行程电动推杆的伸缩从而改变所述长行程电动推杆13的姿态，同时改变所述喷头11位置。

所述飞行控制装置可控制喷头11的姿态，以改变药物的喷洒方向和角度。

所述喷药机械臂10在起飞状态时处于收起状态，避免触地；在起飞达到一定高度后，所述飞行控制系统6控制所述短行程电动推杆14伸长，从而改变所述长行程电动推杆13的姿态,使得所述长行程电动推杆13基本上处于竖直状态。可选的是，所述飞行控制系统6可控制所述短行程电动推杆14推动所述长行程电动推动13以使其处于多种姿态，从而实现无人机能够多角度喷洒农药。

所述喷药机械臂10上安装两个喷头11，其中一个喷头11往斜上喷，负责果树的侧面中部及以上部分施药，另一个喷头11往斜下喷，负责果树的中部及以下部分施药。

本发明一种用于果树打药的多旋翼无人机的工作过程如下。

如图1，图2所示，无人机在起飞前，喷药机械臂处于收起状态。机械臂处于收起状态时，短行程电动推杆14处于最小伸长量状态；长行程电动推杆13也处于最小伸长量状态。

如图3所示，无人机在上传了规划好的航线后，在作业控制命令下达后自动起飞，开始作业。无人机在水平方向到达指定位置，高度升空到一定高度后，打开喷洒机械臂。具体操作为：飞行控制系统6通过一端口发送控制信号，控制短行程电动推杆14进行伸长操作；再通过另一端口发送控制信号，控制长行程电动推杆13进行伸长操作。

当无人机到达指定的作业位置后，打开喷头，使得两个喷头同时进行喷洒。

根据规划出的航线要求，飞行控制系统控制无人机沿着航线慢速飞行，同时改变机头航向，确保喷头的喷洒方向对准果树。具体所采用的施药方法，根据果树果园的种植情况而确定。

本发明的一种利用多旋翼无人机对果树施药的方法，该方法为弱风场稀植果树母线回转喷药法。

采用测绘无人机在果树上空进行测绘作业，经过一些常规的3d建模处理，获得从空中向正下方视角的俯视图，并得到带坐标信息的果园测绘图像。

根据每一颗果树在测绘时的图像确定一个最小外接圆，计算出圆心位置oi与半径r1i；圆心位置作为果树的水平中心位置，作为无人机施药时的水平运动回转圆心oi。

确定喷头与飞行控制系统在水平半径方向的相对位置关系以及在高度方向的相对位置关系。根据每一颗果树在测绘时的俯视图像确定一个最小外接圆；在喷头处于展开情况下，确定喷头与无人机中心位置(即飞行控制系统位置)在水平半径方向的相对距离l1以及在高度方向的相对距离h1。

根据一个最小外接圆的半径r1i叠加一个水平方向的安全施药距离l2作为喷头运动的回转半径r2i(＝r1i+l2)，根据所确定的喷头运动的回转半径r2i(＝r1i+l2)叠加上“相对距离l1”，从而确定无人机在水平方向运动的回转半径r3i(＝r1i+l2+l1)。

在对每一颗果树施药前，无人机的中心位置按照以下方式进行确定：

在水平方向上，由水平运动回转圆心oi以及水平运动回转半径r3i确定出水平运动的轨迹圆，无人机的中心位置就在这个轨迹圆的某一个起始点上。

无人机的航向确定为确保喷头对准果树，即由无人机的中心位置为第一点，喷头的位置为第二点所构成的射线指向水平运动回转圆心oi。

无人机的初始高度确定为确保喷头的高度与每一颗果树在测绘时的最大高度。

通过安装在机臂下方的摄像头以及回传视频信息，调整无人机的作业高度，以确保喷头的高度大致处于每一颗果树所需要喷洒的部位在高度方向上的一半。

其中，无人机的飞行控制过程如下：

控制无人机的中心位置在按照上述方法所确定的水平运动的轨迹圆上。

水平运动的轨迹圆在飞行过程中的航向按照确保喷头对准果树确定，即需要根据飞行的中心位置改变情况实时改变航向。

本发明的一种利用多旋翼无人机对果树施药的方法，该方法为弱风场密植果树侧面喷药法。

采用测绘无人机在果树上空进行测绘作业，经过一些常规的3d建模处理，获得从空中向正下方视角的俯视图，并得到带坐标信息的果园测绘图像。

在果园测绘俯视图像中采用自动或者手动标点方法，在果树的人工通行通道上确定无人机飞行的预设航路点，即这个无人机的飞行路线在水平位置上是按照人工步行路线确定的，是在两排密植果树之间的间隙。这一点有别与现在的无人机确定的航路点基本上是确定在果树的正上方，从水平位置上来说，是果树的中心，而不是人行通道路线上。

按照上述方法所确定的无人机飞行的预设航路点，作为喷头的运动轨迹；然后这个预设航路点往人工通行通道的方向平移“喷头与无人机飞控系统在水平半径方向的相对距离l1”作为无人机运动轨迹的最终航路点；同时在每一处预设航线的拐点处设置新的航向，确保无人机在运动过程中，喷头始终在预设航路点上运动与喷药。

无人机的高度确定为确保喷头在高度方向上的位置是在果树侧边树叶需要喷药部分高低方向上的中部位置。

无人机的飞行控制过程如下：无人机的中心位置在上述确定的最终航路点进行轨迹控制；无人机在飞行过程中的航向确定为：以无人机中心位置为起点，喷头为第二点所确定的射线与预设航向垂直，需要根据飞行的中心位置改变情况实时改变航向。

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