一种低成本高负载的植保专用无人机及驱动方法.pdf

本发明涉及一种低成本高负载的植保专用无人机及驱动方法，包括安装在机架上的飞行机构、姿态控制机构和喷药系统。所述的飞行机构为无人机的起飞，降落和调整飞行高度提供动力输出。所述的姿态调整机构是调整无人机的航向和飞行姿态，确保无人机在预定的作业路线上。所述的喷药系统控制植保无人机到达预定的作业区域时喷药系统开始喷药作业。本发明采用发动机驱动的横列式反转双旋翼，提供无人机高度方向的升力，具有负载能力高，作业时间长、工作效率高；采用两对电动小旋翼，提供无人机水平方向姿态调整和作业飞行所需的推力，使无人机在三维空间的驱动是完全解耦的，具有结构和控制原理简单，维修方便，同时遥控操作简单易学，使用和维护成本低等优点。

权利要求书
1.  一种农林业植保的低成本高负载植保无人机，其特征在于包括安装在机架上的飞行机构、姿态控制机构和喷药系统；所述的飞行机构为无人机的起飞，降落和调整飞行高度提供动力输出；所述的姿态调整机构是调整无人机的航向和飞行姿态，确保无人机在预定的作业路线上；所述的喷药系统控制植保无人机到达预定的作业区域时喷药系统开始喷药作业；
所述的飞行机构包括油箱、发动机、传动轴、传动轴支撑箱和横列式双旋翼；所述的发动机固定在无人机机架上部，利用油箱提供的燃料转换为发动机的动力输出；所述的传动轴包括横轴和纵轴，所述的横轴一端与发动机共轴联接，另一端通过锥齿轮传动将发动机的动力转向90度输出至纵轴；所述纵轴的一端通过传动轴支撑箱中的锥齿轮传动将动力传递给横列式双旋翼的左侧旋翼轴，纵轴的另一端通过传动轴支撑箱中的锥齿轮传动将动力传递给横列式双旋翼的右侧旋翼轴，带动横列式双旋翼等速反转，为无人机的起飞和高度控制提供升力；所述的横列式双旋翼为两个大小尺寸相同的旋翼并分别通过左侧旋翼轴承和右侧旋翼轴承固定在无人机机架的左右部；所述的油箱固定在机架下部，位于无人机重心的垂线上；
所述的姿态调整机构包括蓄电池和小旋翼组件；所述的蓄电池有两块，对称固定在油箱的两侧，为小旋翼组件提供电源；所述的小旋翼组件有两对，其中一对小旋翼组件对称布置在无人机左右两侧用以控制无人机的航向和前后运动；另一对小旋翼组件对称布置在无人机前后两侧用以控制无人机的左右飞行；所述的小旋翼组件包括小旋翼支架、电机、小旋翼和整流罩；所述的小旋翼支架固定在无人机机架上，分别支撑着电机和整流罩；所述的小旋翼与电机的输出轴共轴联接，随着电机的转动而旋转，为无人机的姿态调整提供动力；所述的整流罩是保护小旋翼与其他物体相撞；
所述的喷药系统包括大容积的药箱、喷杆、电动隔膜泵和喷头；所述的大容积药箱包括药箱箱体和栅格型药液隔板；栅格型药液隔板与大容积药箱箱底垂直固定在大容积药箱内壁，将大容积药箱分为多个相互连通的栅格型区域，以防止药液波动过大引起无人机的失衡；所述的大容积药箱箱体用来盛放喷药作业所用药液；所述的药箱、喷杆和隔膜泵固定在机架下部，所述的电动隔膜泵通过药液管将药液从大容积药箱底部泵出后，以一定的压力通过药液管输送到喷杆；所述的喷杆上固定有喷头；所述的喷头将药液雾化喷出。

2.  根据权利要求1所述一种低成本高负载的植保专用无人机的驱动方法，其特征在于：
1)改变发动机油门大小，控制横列式反转双旋翼转速，从而控制无人机在竖直方向的升力大小，进而改变无人机的工作高度；
2)改变无人机左右两侧的小旋翼转速，控制无人机的航向：当两小旋翼正向旋转且转速相同时，无人机前向飞行；当两小旋翼逆向旋转且转速相同时，无人机后向飞行；当两小旋翼转向相反时，无人机原地旋转；当两小旋翼同向旋转但转速不同时，无人机改变无人机航 向；
3)改变无人机前后两侧的小旋翼转速，控制无人机横向飞行：当两小旋翼正向旋转且转速相同时，无人机左向飞行；当两小旋翼逆向旋转且转速相同时，无人机右向飞行。

3.  如权利要求1所述的一种低成本高负载的植保专用无人机的作业方法，其特征在于包括如下步骤：
1)将植保无人机运输至作业区后，启动发动机，横列式双旋翼等速反向旋转，遥控油门大小加速旋翼转速，无人机平稳飞离地面；保持油门大小，使无人机稳定在合适的植保作业高度；
2)遥控开启电动隔膜泵，实施喷药作业，依据植保无人机的驱动方法，改变左右两侧小旋翼的转向和转速，遥控无人机沿着作物行航向飞行；改变无人机前后两侧小旋翼的转向和转速，遥控无人机改变喷药航道，开始另一沿作物行的航向喷药，直到控制无人机完成整个作业区的喷药作业；
3)待田间施药作业完成后，遥控关闭电动隔膜泵，停止喷药，并遥控无人机缓慢降落，关闭无人机发动机，运出作业区。

说明书一种低成本高负载的植保专用无人机及驱动方法
技术领域
本发明涉及农用航空植保领域，尤其涉及一种农林业植保专用的低成本高负载植保无人机及驱动方法，用以延长作业时间，同时降低无人机的操作和控制难度。
背景技术
植保遥控无人机主要是针对大面积森林或农田的粮食或经济作物进行喷雾施药作业。具有高速旋转旋翼产生的高速下洗气流能对喷头喷射出的雾滴实现二次雾化，提高对雾滴的夹带能力，以提高药液的穿透性，对病虫草害防治效果良好等诸多优点，并且可以远距离遥控操作，使遥控操作人员避免了暴露于农药雾滴中，提高了施药安全性。遥控无人机己成为农林业植保的重要发展趋势之一。
植保无人机施药时，需稳定在距离作物2-3米的高空上平稳低速飞行并喷洒药液。目前植保无人机多采用遥控直升机或多旋翼无人机作为作业平台。
无人直升机结构复杂，在作业过程中需要随着作物布局和高度不断的进行飞行姿态的调整，而直升机的升降、飞行、旋转等过程中都有升力和推力的耦合问题需要解决，一方面加大了直升机机械结构和控制算法的复杂性，另一方面也提高其遥操作的复杂性，因此需要对无人机遥控者进行专业培训。
多旋翼无人机作为植保作业平台，其载重相对直升机小的多，主要原因是采用了多个小尺寸旋翼，效率低，而且由于电源不能过大，其持续作业时间较短。因此在多旋翼无人机作业过程中需要多次的返回加药和更换电池，工作效率低，也造成了能源的浪费。
综上所述，目前无人直升机和多旋翼无人机的使用维护要求高，投入成本也很高，这样严重阻碍了航空植保的发展，因此急需发明一种低成本、高负载、结构简单、农林植保作业专用的无人机及驱动方法。
发明内容
针对现有多旋翼无人机负载能力低、持续作业能力差，直升机无人机成本高、结构复杂、控制难度大的问题，本发明提供了一种驱动解耦的植保无人机及驱动方法，具有负载能力高，作业时间长、工作效率高，使用和维护成本低等优点。
本发明一种低成本高负载的植保专用无人机所采用的技术方案：包括安装在机架上的飞行机构、姿态控制机构和喷药系统。所述的飞行机构为无人机的起飞，降落和调整飞行高度提供动力输出。所述的姿态调整机构是调整无人机的航向和飞行姿态，确保无人机在预定的作业路线上。所述的喷药系统控制植保无人机到达预定的作业区域时喷药系统开始喷药作业。
所述的飞行机构包括油箱、发动机、传动轴、传动轴支撑箱和横列式双旋翼。所述的发动机固定在无人机机架上部，利用油箱提供的燃料转换为发动机的动力输出。所述的传动轴包括横轴和纵轴，所述的横轴一端与发动机共轴联接，另一端通过锥齿轮传动将发动机的动力转向90度输出至纵轴；所述纵轴的一端通过传动轴支撑箱中的锥齿轮传动将动力传递给横列式双旋翼的左侧旋翼轴，纵轴的另一端通过传动轴支撑箱中的锥齿轮传动将动力传递给横列式双旋翼的右侧旋翼轴，带动横列式双旋翼等速反转，为无人机的起飞和高度控制提供升力。所述的横列式双旋翼为两个大小尺寸相同的旋翼并分别通过左侧旋翼轴承和右侧旋翼轴承固定在无人机机架的左右部。所述的油箱固定在机架下部，位于无人机重心的垂线上。
所述的姿态调整机构包括蓄电池和小旋翼组件。所述的蓄电池有两块，对称固定在油箱的两侧，为小旋翼组件提供电源。所述的小旋翼组件有两对，其中一对小旋翼组件对称布置在无人机左右两侧用以控制无人机的航向和前后运动；另一对小旋翼组件对称布置在无人机前后两侧用以控制无人机的左右飞行。所述的小旋翼组件包括小旋翼支架、电机、小旋翼和整流罩。所述的小旋翼支架固定在无人机机架上，分别支撑着电机和整流罩。所述的小旋翼与电机的输出轴共轴联接，随着电机的转动而旋转，为无人机的姿态调整提供动力。所述的整流罩是保护小旋翼与其他物体相撞。
所述的喷药系统包括大容积的药箱、喷杆、电动隔膜泵和喷头。所述的大容积药箱包括药箱箱体和栅格型药液隔板。栅格型药液隔板与大容积药箱箱底垂直固定在大容积药箱内壁，将大容积药箱分为多个相互连通的栅格型区域，以防止药液波动过大引起无人机的失衡。所述的大容积药箱箱体用来盛放喷药作业所用药液。所述的药箱、喷杆和隔膜泵固定在机架下部，所述的电动隔膜泵通过药液管将药液从大容积药箱底部泵出后，以一定的压力通过药液管输送到喷杆。所述的喷杆上固定有喷头。所述的喷头将药液雾化喷出。
本发明一种低成本高负载的植保专用无人机的驱动方法，其特征在于：
1)改变发动机油门大小，可控制横列式反转双旋翼转速，从而控制无人机在竖直方向的升力大小，进而改变无人机的工作高度。
2)改变无人机左右两侧的小旋翼转速，可控制无人机的航向：当两小旋翼正向旋转且转速相同时，无人机前向飞行；当两小旋翼逆向旋转且转速相同时，无人机后向飞行；当两小旋翼转向相反时，无人机原地旋转。当两小旋翼同向旋转但转速不同时，无人机改变无人机航向。
3)改变无人机前后两侧的小旋翼转速，可控制无人机横向飞行：当两小旋翼正向旋转且转速相同时，无人机左向飞行；当两小旋翼逆向旋转且转速相同时，无人机右向飞行。
本发明一种低成本高负载的植保专用无人机的作业方法，包括如下步骤：
1)将植保无人机运输至作业区后，启动发动机，横列式双旋翼等速反向旋转，遥控油门大小加速旋翼转速，无人机平稳飞离地面。保持油门大小，使无人机稳定在合适的植保作业高度；
2)遥控开启电动隔膜泵，实施喷药作业，依据植保无人机的驱动方法，改变左右两侧小旋翼的转向和转速，遥控无人机沿着作物行航向飞行；改变无人机前后两侧小旋翼的转向和转速，遥控无人机改变喷药航道，开始另一沿作物行的航向喷药，直到控制无人机完成整个作业区的喷药作业。
3)待田间施药作业完成后，遥控关闭电动隔膜泵，停止喷药，并遥控无人机缓慢降落，关闭无人机发动机，运出作业区。
本发明一种低成本高负载的植保专用无人机的有益效果是：
1)采用发动机驱动的横列式反转双旋翼，提供无人机的升力，借助于高效的大尺寸旋翼提高无人机的负载能力和续航能力。
2)采用无人机两侧和前后分别布置的两对电驱动小尺寸旋翼，提供无人机前进后退和左右平移所需的推力，这样的推力配置与植保无人机在农田中的低速水平面运动的需求相匹配。
3)本发明植保无人机在三维空间的运动驱动是完全解耦的，因此其结构和控制原理简单，降低了投入和维护成本，维修方便，同时遥控操作简单易学。
4)横列式大尺寸双旋翼结构使得无人机一方面增加了喷雾幅宽。大宽幅喷雾在无人直升机载药液量不变的情况下，提高了施药速率，降低了无人直升机的功率消耗。另一方面横列式大尺寸双旋翼结构又增加了植保无人机产生下洗气流的横向尺寸，扩大了喷雾幅宽上雾滴有效辅助气流的覆盖。
5)高负载能力的无人机平台可以携带大容积的药液箱，能够进行长时间的持续作业，节省了由于药液不足需要返回加药的时间，提高的总体的作业效率。
附图说明
图1为本发明植保专用无人机的主视图。
图2为本发明植保专用无人机的右视图。
图3为本发明植保专用无人机的俯视图。
图4为本发明植保专用无人机的轴测图。
图5和图6为本发明的带有栅格型药液隔板的大容积药箱箱体。
图中：1、横列式双旋翼  2、传动轴支撑箱  3、小旋翼  4、整流罩  5、底座支架  6、喷头  7、喷杆  8、传动轴  9、发动机  10、机架  11、蓄电池  12、油箱  13、大容积药箱
具体实施方式
下面结合附图对本发明专利进行进一步描述。图1、2、3为农林业植保的低成本高负载植保无人机机械结构三视图。
本发明一种低成本高负载的植保专用无人机所采用的技术方案：包括安装在机架上的飞行机构、姿态控制机构和喷药系统。
所述的飞行机构为无人机的起飞，降落和调整飞行高度提供动力输出。所述的姿态调整机构是调整无人机的航向和飞行姿态，确保无人机在预定的作业路线上。所述的喷药系统控制植保无人机到达预定的作业区域时喷药系统开始喷药作业。
所述的飞行机构包括油箱(12)、发动机(9)、传动轴(8)、传动轴支撑箱(2)和横列式双旋翼(1)。所述的发动机(9)固定在无人机机架(10)上部，利用油箱(12)提供的燃料转换为发动机(9)的动力输出。所述的传动轴(8)包括横轴和纵轴，所述的横轴一端与发动机(9)共轴联接，另一端通过锥齿轮传动将发动机(9)的动力转向90度输出至纵轴；所述纵轴的一端通过传动轴支撑箱(2)中的锥齿轮传动将动力传递给横列式双旋翼(1)的左侧旋翼轴，纵轴的另一端通过传动轴支撑箱(2)中的锥齿轮传动将动力传递给横列式双旋翼(1)的右侧旋翼轴，带动横列式双旋翼(1)等速反转，为无人机的起飞和高度控制提供升力。所述的横列式双旋翼(1)为两个大小尺寸相同的旋翼并分别通过左侧旋翼轴承和右侧旋翼轴承固定在无人机机架的左右部。所述的油箱(12)固定在机架(10)下部，位于无人机重心的垂线上。
所述的姿态调整机构包括蓄电池(11)和小旋翼组件。所述的蓄电池(11)有两块，对称固定在油箱(12)的两侧，为小旋翼组件提供电源。所述的小旋翼组件有两对，其中一对小旋翼组件对称布置在无人机左右两侧用以控制无人机的航向和前后运动；另一对小旋翼组件对称布置在无人机前后两侧用以控制无人机的左右飞行。所述的小旋翼组件包括小旋翼支架、电机、小旋翼(3)和整流罩。所述的小旋翼支架固定在无人机机架上，分别支撑着电机和整流罩。所述的小旋翼(3)与电机的输出轴共轴联接，随着电机的转动而旋转，为无人机的姿态调整提供动力。所述的整流罩(4)是保护小旋翼(3)与其他物体相撞。
所述的喷药系统包括大容积的药箱(13)、喷杆(7)、电动隔膜泵和喷头(6)。所述的大容积药箱(13)包括药箱箱体和栅格型药液隔板。栅格型药液隔板与大容积药箱箱底垂直固定在大容积药箱内壁，将大容积药箱(13)分为多个相互连通的栅格型区域，以防止药液波动过大引起无人机的失衡。所述的大容积药箱箱体用来盛放喷药作业所用药液。所述的药箱(13)、喷杆(7)和隔膜泵固定在机架下部，所述的电动隔膜泵通过药液管将药液从大容积药箱(13)底部泵出后，以一定的压力通过药液管输送到喷杆(7)。所述的喷杆上固定有喷 头(6)。所述的喷头(6)将药液雾化喷出。
本发明一种低成本高负载的植保专用无人机的驱动方法，其特征在于：
1)改变发动机(9)油门大小，可控制横列式反转双旋翼(1)转速，从而控制无人机在竖直方向的升力大小，进而改变无人机的工作高度。
2)改变无人机左右两侧的小旋翼(3)转速，可控制无人机的航向：当两小旋翼(3)正向旋转且转速相同时，无人机前向飞行；当两小旋翼(3)逆向旋转且转速相同时，无人机后向飞行；当两小旋翼(3)转向相反时，无人机原地旋转。当两小旋翼(3)同向旋转但转速不同时，无人机改变无人机航向。
3)改变无人机前后两侧的小旋翼(3)转速，可控制无人机横向飞行：当两小旋翼(3)正向旋转且转速相同时，无人机左向飞行；当两小旋翼(3)逆向旋转且转速相同时，无人机右向飞行。
本发明一种低成本高负载的植保专用无人机的作业方法，包括如下步骤：
1)将植保无人机运输至作业区后，启动发动机(9)，横列式双旋翼(1)等速反向旋转，遥控油门大小加速旋翼转速，无人机平稳飞离地面。保持油门大小，使无人机稳定在合适的植保作业高度；
2)遥控开启电动隔膜泵，实施喷药作业，依据植保无人机的驱动方法，改变左右两侧小旋翼(3)的转向和转速，遥控无人机沿着作物行航向飞行；改变无人机前后两侧小旋翼(3)的转向和转速，遥控无人机改变喷药航道，开始另一沿作物行的航向喷药，直到控制无人机完成整个作业区的喷药作业。
3)待田间施药作业完成后，遥控关闭电动隔膜泵，停止喷药，并遥控无人机缓慢降落，关闭无人机发动机(9)，运出作业区。