一种用于高空喷药的无人机控制系统及方法与流程

本发明涉及无人机喷药技术领域，更具体地，涉及一种用于高空喷药的无人机控制系统及方法。

背景技术：

在农林业生产中，病虫害常常给农林业的树木生产造成严重危害，使得树木减产和降低品质，给人们造成了极大的困扰。随着无人机技术的发展，目前无人机已广泛运用于农林业技术领域中，通过将药液盛装在药箱中，由无人机携带至空中进行喷洒，大大减少农林业生产对劳动力的需求。但现有的喷药无人机存在较大的缺点，针对农林业生产中的大型乔木，例如天然橡胶树等，无人机需要不断往复飞行才能完成对树木的树冠的喷药操作，喷药效率低，而且树冠之间存在较大间距，往复持续喷药，会造成药液的浪费；同时，为防治多种病虫害，无人机的药箱里一般盛有混合药液在空中长时间飞行，但无论混配什么药液都应该注意“现配现用、不宜久放”。药液在刚配时没有反应，但随意久置，容易产生缓慢反应，使药效逐步降低，进而导致防止虫害不能达到预期的效果。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题是提供一种用于高空喷药的无人机控制系统及方法，它能够调节喷洒半径，使喷头旋转一周完成对树木树冠的喷药，喷药效率高，避免药液浪费；同时可以实现药液的现配现用，避免药效降低，保证达到预期的防治病虫害效果。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种用于高空喷药的无人机控制系统，包括无人机主体、储液箱以及喷药机构，所述储液箱设于所述无人机主体的底部，所述喷药机构设于所述储液箱的底部，所述喷药机构包括连接管、流量控制装置、水泵、t型管、差速转动机构，所述连接管通过所述水泵和流量控制装置与所述储液箱连接，所述t型管的一端通过轴承与所述连接管转动连接，另一端设有喷头，余下一端设有所述差速转动机构，所述连接管和t型管内设有转轴，所述转轴上固定设有若干桨叶，所述转轴的下端通过差速转动机构与所述t型管传动连接，所述无人机主体内设有主控单元，所述主控单元分别与所述水泵和流量控制装置电连接。

优选的，还包括固定架和固定板，所述固定架的两端固定于所述连接管内壁上，所述转轴与所述固定架的中部转动连接，所述固定板设于所述t型管的一端，在所述t型管的一端形成容纳腔，所述差速转动机构设于所述容纳腔内，所述转轴贯穿所述固定板与所述差速转动机构相连接。

优选的，所述差速转动机构包括主动齿轮和从动齿轮，所述隔离腔的内壁上环绕设有齿面，所述主动齿轮固定于所述转轴上，所述从动齿轮通过吊杆与所述连接管内壁相连，且所述从动齿轮与所述吊杆转动连接，所述从动齿轮设于所述主动齿轮和齿面之间，且均与所述主动齿轮、齿面相啮合，所述从动齿轮大于所述主动齿轮。

优选的，所述t型管上设有角度传感器，所述主控单元与所述角度传感器电连接。

优选的，所述喷头上设有若干出水孔，所述出水孔呈放射状分布。

优选的，所述储液箱内设有隔板，所述隔板将所述储液箱内部分割成第一储液箱和第二储液箱，所述第一储液箱通过第一出液口与所述连接管相连通，所述第二储液箱通过第二出液口与所述连接管相连通。

优选的，所述流量控制装置包括第一流量调节阀以及第二流量调节阀，所述第一流量调节阀设于所述第一出液口处，所述第二流量调节阀设于所述第二出液口处，所述主控单元分别与所述第一流量调节阀、第二流量调节阀电连接。

优选的，所述无人机主体侧面向下延伸设有起落架，所述起落架的底端低于所述喷药机构的底部。

优选的，所述无人机主体上设有若干旋翼，所述主控单元与所述旋翼电连接。

本发明第二部分提供了一种用于高空喷药的无人机控制方法，具体包括以下步骤：

s1、无人机航行至树木的树冠上方，控制调整所述无人机与树冠之间的相对高度为h1，获取树冠的图片信息发送至主控单元，根据算法计算出树冠的半径大小；

s2、控制无人机航行至树冠的中心附近位置，控制调整无人机与树冠之间的相对高度为h2时保持悬停；

s3、主控单元根据树冠半径大小按照预设规则计算出相应的水泵输出功率，通过控制所述水泵的输出功率来控制药液流量的大小，从而控制喷洒半径的大小，使得喷洒半径与树冠半径相等；

s4、水泵和流量控制装置开启，药液混合冲刷桨叶，最终带动喷头缓慢旋转一周，完成对树冠的喷药；

s5、无人机航行至下一个树冠上方，再按照步骤s1、s2、s3、s4，对下一树木的树冠进行喷药，直至完成对所有树木树冠的喷药；

与现有技术相比，本发明达到的有益效果是：

本发明提供了一种用于高空喷药的无人机控制系统及方法，通过所述无人机主体内的主控单元控制无人机悬停在树木的树冠中心上方，所述储液箱的下方设置了可以喷洒药液到树冠的喷药机构，通过主控单元控制所述水泵和流量控制装置，调节药液的流量，从而改变药液的喷洒半径，使得喷洒半径与树冠半径相等；当水泵和流量控制装置开启时，药液冲刷桨叶，带动转轴转动，转轴通过差速转动机构带动t型管差速转动，最终带动喷头缓慢旋转一周，即可完成树冠的覆盖式药液喷洒，保证病虫害的防治效果。通过本发明避免了无人机需往复航行喷洒药液的方式，大大提高了喷洒效率，同时避免将药液喷洒至树冠间隙处，而造成药液的浪费。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的优选实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明的一种用于高空喷药的无人机控制系统整体结构示意图；

图2是本发明的储液箱和喷药机构结构示意图；

图3是图2中沿a处的结构放大示意图；

图4是本发明差速转动机构俯视图；

图5是本发明的一种用于高空喷药的无人机控制方法的流程图；

图6是本发明的电路原理图；

图7是本发明的无人机给树冠喷洒药液示意图；

附图中，1-无人机主体、2-储液箱、3-喷药机构、、4-连接管、5-t型管、6-轴承、7-喷头、8-转轴、9-桨叶、10-主控单元、11-固定架、12-固定板、13-容纳腔、14-主动齿轮、15-从动齿轮、16-齿面、17-角度传感器、18-出水孔、19-隔板、20-第一储液箱、21-第二储液箱、22-第一出液口、23-第二出液口、24-第一流量调节阀、25-第二流量调节阀、26-起落架、27-水泵、28-摄像机、29-相对高度传感器、30-树冠、31-吊杆。

具体实施方式

为了更好理解本发明技术内容，下面提供具体实施例，并结合附图对本发明做进一步的说明:

实施例1

参见图1-图6，本发明第一部分提供了一种用于高空喷药的无人机控制系统，包括无人机主体1、储液箱2以及喷药机构3，所述储液箱2设于所述无人机主体1的底部，所述喷药机构3设于所述储液箱2的底部，所述喷药机构3包括连接管4、水泵27、流量控制装置、t型管5、差速转动机构，所述连接管4通过所述水泵27和流量控制装置与所述储液箱2连接，所述t型管5的一端通过轴承6与所述连接管4转动连接，另一端设有喷头7，余下一端设有所述差速转动机构，所述连接管4和t型管5内设有转轴8，所述转轴8上固定设有若干桨叶9，所述转轴8的下端通过差速转动机构与所述t型管5传动连接，所述无人机主体1内设有主控单元10，所述主控单元10分别与所述水泵27所述流量控制装置电连接。

使用时，通过无人机主体1内的主控单元10内置有控制无人机主体1航行至橡胶树的树冠30中心上方的控制策略，通过主控单元10控制无人机主体1携带储液箱2悬停在树木的树冠30中心上方，所述储液箱2的下方设置有可以喷洒药液到橡胶树的树冠30的喷药机构3，通过主控单元10控制所述水泵27和流量控制装置，调节药液的流量，从而改变药液的喷洒半径，使得喷洒半径与橡胶树的树冠30半径相等；当水泵27和流量控制装置开启，药液冲刷桨叶9，带动转轴8转动，转轴8通过差速转动机构带动t型管5差速转动，最终带动喷头7缓慢旋转一周，即可完成对橡胶树的树冠30的覆盖式药液喷洒，保证病虫害的防治效果。

需要说明的是，本实施例采用农林业生产的经济类大型乔木橡胶树为例进行说明，但在实际生产活动中，不局限于该品种的树木。

具体的，还包括固定架11和固定板12，所述固定架11的两端固定于所述连接管4内壁上，所述转轴8与所述固定架11的中部转动连接，所述固定板12设于所述t型管5的一端，在所述t型管5的一端形成容纳腔13，所述差速转动机构设于所述容纳腔13内，所述转轴8贯穿所述固定板12与所述差速转动机构相连接。通过所述固定架11和固定板12对所述转轴8进行限制，避免药液冲刷时，所述转轴8倾斜晃动，从而保证各个部件之间的正常传动。同时，所述固定板12还能对所述差速传动机构进行保护，避免药液直接冲刷所述差速传动机构而影响传动的正常进行。

具体的，所述差速转动机构包括主动齿轮14和从动齿轮15，所述隔离腔13的内壁上环绕设有齿面16，所述主动齿轮14固定于所述转轴8上，所述从动齿轮15通过吊杆31与所述连接管4内壁相连，且所述从动齿轮15与所述吊杆31转动连接，所述从动齿轮15设于所述主动齿轮14和齿面16之间，且均与所述主动齿轮14、齿面16相啮合，所述从动齿轮15大于所述主动齿轮14。所述转轴8转动带动所述主动齿轮14转动，从而带动从动齿轮15转动，进而带动t型管5转动，最终实现喷头7的圆周转动，所述从动齿轮15大于所述主动齿轮14，使得所述喷头7的转速小于所述转轴8的转速，从而实现所述喷头7的缓慢转动，避免喷头7转动过快导致对橡胶树的树冠30喷洒药液不足而降低病虫害防治效果。

具体的，所述t型管5上设有角度传感器17，所述主控单元10与所述角度传感器17电连接。角度传感器17实时监测所述t型管5的转动角度，当所述t型管5转动360度时，喷头7转动了一周，角度传感器17传递信号给主控单元10，所述主控单元10控制流量控制装置关闭，停止向橡胶树的树冠30喷洒药液，最终实现喷头7原地转动一周即可完成对树冠30的药液喷洒，大大提高了喷洒效率，同时避免无人机往复航行将药液喷洒至橡胶树的树冠30间隙处，而造成药液的浪费。

具体的，所述喷头7上设有若干出水孔10，所述出水孔18呈放射状分布。通过设置不同出水孔18的倾斜角度，使得相同水压的情况下，不同出水孔18中喷射药液的远近不同，实现药液从树冠30中心到树冠30半径最远端范围内的全覆盖，保证喷头7转动一周即可完成对橡胶树的树冠30的全面喷洒。

具体的，所述储液箱2内设有隔板19，所述隔板19将所述储液箱2内部分割成第一储液箱20和第二储液箱21，所述第一储液箱20通过第一出液口22与所述连接管4相连通，所述第二储液箱21通过第二出液口23与所述连接管4相连通。可将不同的药液分别置于所述第一储液箱20和第二储液箱21内，在需要喷洒药液时，不同的药液分别经第一出液口22和第二出液口23在连接管4内汇合，药液冲刷桨叶9，所述桨叶9转动对药液进行搅拌，使得不同药液之间充分混合后再喷洒至树冠30上，实现药液的现混现用，避免药液间产生缓慢反应，使药效逐步降低，进而导致防止虫害不能达到预期的效果。

具体的，所述流量控制装置包括第一流量调节阀24以及第二流量调节阀25，所述第一流量调节阀24设于所述第一出液口22处，所述第二流量调节阀25设于所述第二出液口23处，所述主控单元10分别与所述第一流量调节阀24、第二流量调节阀25电连接。通过主控单元10可以分别对第一流量调节阀24和第二流量调节阀25进行控制，从而实现对所述第一储液箱20和第二储液箱21内药液的流出量大小进行分别控制，可根据实际需求，实现两种药液按比例混合，从而增强防止效果。

具体的，所述无人机主体1侧面向下延伸设有起落架26，所述起落架26的底端低于所述喷药机构的底部。无人机主体1在降落时，所设置的起落架26可以先与地面接触，防止喷药机构与地面碰撞造成损坏。

具体的，还包括摄像机28、相对高度传感器29和遥控装置，所述摄像机28设于所述储液箱2的底面，用于获取橡胶树的树冠30的图片信息，所述相对高度传感器29设于所述储液箱2的底面，用于采集无人机与树冠30之间的距离信息，所述遥控装置上设有显示屏，用于显示橡胶树的树冠图像和无人机的实时位置，所述主控单元10分别与所述摄像机28和相对高度传感器29电连接，所述遥控装置与所述主控单元10之间可进行信号传输。

本发明第二部分提供了一种用于高空喷药的无人机控制方法，具体包括以下步骤：

s1、无人机航行至树木的树冠上方，利用相对传感器采集无人机与树冠之间的距离信息，控制调整所述无人机与树冠之间的相对高度为拍摄高度h1，利用摄像机获取树冠的图片信息发送至主控单元，根据图像分割算法，提取橡胶树的树冠所对应的图像区域，再利用膨胀与腐蚀算法将单棵橡胶树的树冠提取出来，获得树冠直径，最后求得树冠半径；

s2、摄像机将橡胶树的树冠图像传输至遥控装置并显示在显示屏上，显示屏上还实时显示无人机的位置信息，据此控制无人机航行至橡胶树的树冠的中心附近位置，利用相对传感器采集无人机与树冠之间的距离信息，控制调整无人机与树冠之间的相对高度为喷洒高度h2时保持悬停；

s3、将橡胶树的树冠半径视为喷洒半径r，主控单元根据喷洒半径大小r按照预设规则计算出相应的水泵输出功率，通过控制所述水泵的输出功率来控制药液流量的大小，从而控制喷洒半径的大小，使得喷洒半径与橡胶树的树冠半径相等；

s4、水泵和流量控制装置开启，药液混合冲刷桨叶，最终带动喷头缓慢旋转一周，完成对橡胶树树冠的喷药；

s5、无人机航行至下一个橡胶树的树冠上方，再按照步骤s1、s2、s3、s4，对下一个橡胶树的树冠进行喷药，直至完成对所有橡胶树树冠的喷药；

显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

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