一种植保无人机药箱自平衡装置及方法与流程

本发明属于农用航空植保领域，尤其涉及一种植保无人机药箱自平衡装置及方法。

背景技术：

随着精准农业时代的到来，农田病虫害防治要求会越来越高。低污染、高效率、低成本是未来农业植保的发展趋势。作为农业航空作业的主要工具——无人飞机(uva)，有着巨大的发展前景。在使用植保无人机喷洒农药时，植保无人机一直在进行飞行运动，期间存在加减速、急转弯等情况。这个过程中药箱内的农药会产生一定的震荡、晃动，严重影响植保无人机的飞行速度和稳定性。同时，植保无人机飞行不稳定还会对施药作业产生一定的影响。

目前植保无人机防浪涌药箱主要是通过改造药箱内部结构来实现防浪涌功能。此外，还有一些植保无人机防浪涌药箱通过加装减振弹簧来吸收无人机产生的振动。这些方法只能在一定程度上减少药液振荡情况，不能做到实时准确调整。

技术实现要素：

针对因地势不平、操作不当、加减速以及转弯倾斜等造成的药箱内药液晃动的问题，本发明的目的是提供一种植保无人机药箱自平衡装置及方法，基于三轴陀螺仪的自动调整原理，消除植保无人机产生的晃动，使得植保无人机在飞行作业时更加稳定，有效解决因植保无人机飞行作业而产生的药箱内药液浪涌现象，作业效率更高，喷雾均匀性更好，为农业航空植保领域施药技术的缺陷提出了有效解决方法，促进我国精准农业航空施药技术进一步发展。

为了实现上述目的，本发明提供了如下技术方案：

一种植保无人机药箱自平衡装置，所述植保无人机为四旋翼、六旋翼或八旋翼无人机，包括旋翼1、马达2、支撑架3、起落架6和机身7；机身7底部设有一对安装槽401。

药箱自平衡装置5包括挂接架501、竖直调节架502、水平调节架503和药箱504。

所述挂接架501为一开口向下的半圆环，其环体上设有一对竖直且关于穿过半圆环环体中心的半圆环中心对称轴对称的挂接耳5011；半圆环的两个端部对称地设有一对水平的挂接架连接孔5012；挂接架501的挂接耳5011的顶端可拆卸地安装在机身7的安装槽401中，使得挂接架501垂直地固接在机身7底部。

所述水平调节架503为一圆环，其环体上分别设有一对相互对称的水平调节架连接孔5031和一对相互对称的水平调节架连接轴5032，且两个水平调节架连接孔5031和两个水平调节架连接轴5032分别位于两条过环体圆心且相互垂直的轴线上；所述水平调节架503的水平调节架连接轴5032与挂接架501的挂接架连接孔5012间隙配合可转动连接。

所述水平调节架503的水平调节架连接孔5031处还设有一对向外侧突出的水平调节架限位开关5033。

所述竖直调节架502为一圆环，其环体上分别设有两个位于过环体圆心的水平轴线上的竖直调节架连接轴5023，以及过环体圆心的竖直轴线上的、位于竖直调节架502顶部的竖直调节架限位开关5021和位于竖直调节架502底部的竖直调节架连接孔5025。

所述竖直调节架502的上部和下部分别设有与竖直调节架连接轴5023所在轴线平行的上定位梁5026和下定位梁5027；上定位梁5026和下定位梁5027上分别设有与竖直调节架连接孔5025同轴线的上定位梁连接孔5022和下定位梁连接孔5024。

所述竖直调节架502的竖直调节架连接轴5023与水平调节架503的水平调节架连接孔5031间隙配合可转动连接。

所述药箱504位于水平调节架503和竖直调节架502构成的空间内；药箱504的顶部和底部沿其中心纵轴线分别设有上连接轴5041和下连接轴5044，上连接轴5041与竖直调节架502的上定位梁5026的上定位梁连接孔5022间隙配合连接，下连接轴5044与竖直调节架502的下定位梁5027的下定位梁连接孔5024间隙配合连接。

不论植保无人机如何变换飞行姿态，药箱504始终保持竖直静止状态。

所述药箱504的底部还设有从下连接轴5044中穿出的施药管5045，施药管5045与竖直调节架502的竖直调节架连接孔5025间隙配合连接。

药箱504的顶部还设有药箱口5042，药箱口5042上设有药箱盖505。

所述药箱504的底部设有加强板5043。

所述挂接架501、竖直调节架502、水平调节架503、药箱504由轻质合金制作。

所述药箱盖505由聚氯乙烯制作。

所述下定位梁连接孔5024处配备压力传感器，用于实时检测药箱药液剩余量。

所述挂接架501的形状替换为半正方形，所述竖直调节架502和水平调节架503的形状替换为正方形。

一种利用药箱自平衡装置的植保无人机药箱自平衡方法，包括俯仰角调节、翻滚角调节以及航偏角调节：

当植保无人机处于悬停状态时，药箱自平衡装置5处于初始位置；

s1、俯仰角调节：

当植保无人机向前飞行，植保无人机前侧发生向下倾斜+θ°时，或当植保无人机向后飞行，植保无人机前侧发生向上倾斜-θ°时，挂接架501的上端刚性固定于机身7，挂接架501随着植保无人机发生倾斜，挂接架501通过绕水平调节架503的水平调节架连接轴5032旋转消除俯仰角θ，使药箱504保持竖直状态；

s2、翻滚角调节：

当植保无人机向左飞行，植保无人机左侧向下倾斜+β°时，或当植保无人机向右飞行，植保无人机左侧向下倾斜-β°时，挂接架501的上端刚性固定于机身7，挂接架501随着植保无人机发生倾斜，水平调节架503绕竖直调节架502的竖直调节架连接轴5023通过旋转消除翻滚角β，使药箱504保持竖直状态；

s3、航偏角调节：

当植保无人机机身逆时针旋转+γ°时，或当植保无人机机身逆时针旋转-γ°时，挂接架501的上端刚性固定于机身7，挂接架501随着植保无人机发生旋转，竖直调节架502通过绕药箱504的上连接轴5041和下连接轴5044旋转消除航偏角γ，使药箱504保持静止状态。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

本发明装置结构简单、适用范围广，在设计时充分考虑到了植保无人机在作业过程中产生的各种晃动问题，通过装置自身结构来实现药箱的实时调整，是一种适用于复杂环境的实时可调整药箱，特别适于植保无人机在地势连绵起伏的农田进行仿地飞行施药，从而进一步提高无人机飞行稳定性、安全性以及施药作业质量。

附图说明

图1为本发明的药箱自平衡装置5装配在植保无人机上的结构示意图；

图2为植保无人机的底视图；

图3为本发明的药箱自平衡装置5的立体结构示意图；

图4为本发明的药箱自平衡装置5的俯视结构示意图；

图5为挂接架501的结构示意图；

图6为水平调节架503的结构示意图；

图7为竖直调节架502的结构示意图；

图8为药箱504的结构示意图；

图9为植保无人机悬停状态xyz坐标系示意图；

图10a为植保无人机悬停状态侧视示意图；

图10b为植保无人机悬停状态正视示意图；

图10c为植保无人机悬停状态俯视示意图；

图10d为植保无人机向前飞行状态示意图；

图10e为植保无人机向后飞行状态示意图；

图10f为植保无人机向左飞行状态示意图；

图10g为植保无人机向右飞行状态示意图；

图10h为植保无人机逆时针旋转状态俯视示意图；

图10i为植保无人机逆时针旋转状态侧视图；图10j为植保无人机顺时针旋转状态俯视示意图

图10k为植保无人机顺时针旋转状态侧视示意图。

其中的附图标记为：

1旋翼2马达

3支撑架4固定螺栓

401安装槽

5药箱自平衡装置501挂接架

5011挂接耳5012挂接架连接孔

502竖直调节架5021竖直调节架限位开关

5022上定位梁连接孔5023竖直调节架连接轴

5024下定位梁连接孔5025竖直调节架连接孔

5026上定位梁5027下定位梁

503水平调节架5031水平调节架连接孔

5032水平调节架连接轴5033水平调节架限位开关

504药箱5041上连接轴

5042药箱口5043加强板

5044下连接轴5045施药管

505药箱盖6起落架

7机身

θ为俯仰角

β为翻滚角

γ为航偏角

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行进一步说明。

如图1和图2所示，植保无人机为四旋翼无人机，包括旋翼1、马达2、支撑架3、起落架6和机身7。机身7底部设有一对安装槽401。

如图3和图4所示，药箱自平衡装置5包括挂接架501、竖直调节架502、水平调节架503和药箱504。

如图5所示，所述挂接架501为一开口向下的半圆环，其环体上设有一对竖直且关于穿过半圆环环体中心的半圆环中心对称轴对称的挂接耳5011；半圆环的两个端部对称地设有一对水平的挂接架连接孔5012。挂接架501的挂接耳5011的顶端通过固定螺栓4可拆卸地安装在机身7的安装槽401中，使得挂接架501垂直地固接在机身7底部。

如图6所示，所述水平调节架503为一圆环，其环体上分别设有一对相互对称的水平调节架连接孔5031和一对相互对称的水平调节架连接轴5032，且两个水平调节架连接孔5031和两个水平调节架连接轴5032分别位于两条过环体圆心且相互垂直的轴线上。所述水平调节架503的水平调节架连接轴5032与挂接架501的挂接架连接孔5012间隙配合可转动连接。

所述水平调节架503的水平调节架连接孔5031处还设有一对向外侧突出的水平调节架限位开关5033，当水平调节架连接轴5032在挂接架连接孔5012内旋转±90°(设挂接架501竖直时为0°)时，水平调节架限位开关5033与挂接架501接触限位。

如图7所示，所述竖直调节架502为一圆环，其环体上分别设有两个位于过环体圆心的水平轴线上的竖直调节架连接轴5023，以及过环体圆心的竖直轴线上的、位于竖直调节架502顶部的竖直调节架限位开关5021和位于竖直调节架502底部的竖直调节架连接孔5025。

所述竖直调节架502的上部和下部分别设有与竖直调节架连接轴5023所在轴线平行的上定位梁5026和下定位梁5027；上定位梁5026和下定位梁5027上分别设有与竖直调节架连接孔5025同轴线的上定位梁连接孔5022和下定位梁连接孔5024。

所述竖直调节架502的竖直调节架连接轴5023与水平调节架503的水平调节架连接孔5031间隙配合可转动连接。设水平调节架503水平时为0°，且由于竖直调节架502具有一定厚度，因此，当竖直调节架连接轴5023在水平调节架连接孔5031内旋转，竖直调节架限位开关5021与水平调节架503接触时，竖直调节架502的翻滚角β小于±90°。

如图8所示，所述药箱504位于水平调节架503和竖直调节架502构成的空间内；药箱504的顶部和底部沿其中心纵轴线分别设有上连接轴5041和下连接轴5044，上连接轴5041与竖直调节架502的上定位梁5026的上定位梁连接孔5022间隙配合连接，下连接轴5044与竖直调节架502的下定位梁5027的下定位梁连接孔5024间隙配合连接，药箱504可绕中心纵轴线做360°旋转。药箱504的底部还设有从下连接轴5044中穿出的施药管5045，施药管5045与竖直调节架502的竖直调节架连接孔5025间隙配合连接，药箱504的顶部还设有药箱口5042，药箱口5042上设有药箱盖505。

此外，考虑到药箱504重量比较大，在药箱504底部设置加强板5043。

所述挂接架501、竖直调节架502、水平调节架503、药箱504由轻质合金制作，而药箱盖505由聚氯乙烯(pvc)制作。

本实施例中，所述挂接架501、竖直调节架502、水平调节架503的形状仅以圆环为例，但不限于圆环形状，也可是正方形等其它形状。

在植保无人机平稳飞行时，药箱自平衡装置5的挂接架501、水平调节架503、竖直调节架502保持互相垂直状态；在植保无人机非平稳飞行时，药箱自平衡装置5的挂接架501与水平调节架503之间的转动可以消除无人机俯仰姿势的摆动；水平调节架503与竖直调节架502之间的转动可以消除植保无人机翻滚姿势的摆动；而竖直调节架502相对于药箱504的转动可以消除掉植保无人机机身旋转带来影响。不论植保无人机如何变换飞行姿态，药箱504始终保持竖直静止状态。

此外，本发明所涉及植保无人机拥有自动定高功能、自主飞行以及定点悬停等功能，且药箱自平衡装置5可在下定位梁连接孔5024处配备压力传感器，用于实时检测药箱药液剩余量，通过无线设备传输给植保无人机，经过植保无人机信号处理系统处理后，将结果反馈给飞控人员。

为了更准确地描述植保无人机药箱自平衡装置的工作原理，定义该装置坐标系xyz如图9所示：

将该装置悬挂于无人机上，在无人机悬停状态时，将竖直调节架502中心(圆环中心)定义为坐标系原点o，将竖直向上定义为坐标系z的正方向，将无人机右侧方向定义为坐标系y的正方向，将无人机后方方向定义为坐标系x的正方向。

本发明提供一种植保无人机药箱自平衡方法，包括俯仰角调节、翻滚角调节以及航偏角调节：

s1、俯仰角调节：

当植保无人机处于平稳状态(悬停状态)时，药箱自平衡装置5处于初始位置，如图10a、图10b和图10c所示。

当植保无人机向前飞行时，植保无人机前侧发生向下倾斜+θ°，挂接架501上端刚性固定于机身7，挂接架501随着植保无人机发生倾斜，挂接架501通过绕水平调节架503的水平调节架连接轴5032旋转消除俯仰角θ，使药箱504保持竖直状态，调节示意图如图10d所示，这个过程挂接架501的挂接架连接孔5012与水平调节架503的水平调节架连接轴5032起主要调节作用。

当植保无人机向后飞行时，即前侧发生向上倾斜时，调节原理同上，调节示意图如图10e所示；此外，考虑到植保无人机最大俯仰角通常在±60°以内，为此在水平调节架503上设置有水平调节架限位开关5033，挂接架501绕水平调节架连接轴5032的最大旋转角度为±90°。

s2、翻滚角调节：

当植保无人机向左飞行时，植保无人机左侧向下倾斜+β°，挂接架501上端刚性固定于机身7，挂接架501随着植保无人机发生倾斜，水平调节架503绕竖直调节架502的竖直调节架连接轴5023通过旋转消除翻滚角β，使药箱504保持竖直状态，调节示意图如图10f所示，这个过程水平调节架503的水平调节架连接孔5031与竖直调节架502的竖直调节架连接轴5023起主要调节作用。

当植保无人机向右飞行时，即机身左侧向上倾斜时，调节原理同上，调节示意图如图10g所示；此外，考虑到植保无人机最大翻滚角度通常在±60°以内，为此在竖直调节架502上设置有竖直调节架限位开关5021，水平调节架503绕竖直调节架连接轴5023的旋转角度约为±87.42°，竖直调节架502具有一定厚度，因此当竖直调节架限位开关5021与水平调节架503接触时，竖直调节架502的翻滚角β小于±90°。

s3、航偏角调节：

当植保无人机机身逆时针旋转+γ°时，挂接架501上端刚性固定于机身7，因此它会随着植保无人机发生旋转，但是药箱504与竖直调节架502是销轴链接，竖直调节架502通过绕上连接轴5041和下连接轴5044旋转消除航偏角γ，药箱504受惯性力作用仍处于静止状态，调节示意图如图10h所示，这个过程竖直调节架502的上定位梁连接孔5022和下定位梁连接孔5024与药箱504的上连接轴5041和下连接轴5044起主要调节作用。

当植保无人机机身7发生顺时针旋转时，调节原理同上，调节示意图如图10i所示。

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