一种多旋翼喷杆结构及其控制方法技术

本发明专利技术公开了一种多旋翼喷杆结构及其控制方法，包括支撑杆10，所述支撑杆10上设有多个旋翼、电机、连接法兰、药液管道、喷头、GPS模块、视觉模块8、药液和电池箱组件11、毫米波雷达13。所述支撑杆10上对称分布有多对旋翼，旋翼包括辅助旋翼、调节旋翼以及主力旋翼，所述GPS模块用于在路径规划和飞行阶段给控制器提供精确的GPS数据；所述视觉模块与毫米波雷达同样分别对称固定在多旋翼喷杆两侧，通过支架经连接法兰固定后向下延伸，用于测定喷杆运动速度和高度；本发明专利技术通过控制多对旋翼其处于不同的姿态，当它在农田边角区域工作时，可以控制旋翼使其偏航运动，同时根据作物稠密程度控制其多个喷头，实现精准变量喷雾。实现精准变量喷雾。实现精准变量喷雾。

【技术实现步骤摘要】
一种多旋翼喷杆结构及其控制方法


[0001]本专利技术涉及一种农田边角区域工作时，可以控制旋翼使其偏航运动的多旋翼喷杆结构，属于农业机械自动化和飞控


技术介绍

[0002]在对农作物进行农药喷洒的过程中，传统的地面农机面临着机器笨重、需要特殊道路等困难，这使得近几年来植保无人机越来越受到种植户的欢迎。然而，植保无人机在作业过程中也遇到了一些困难，例如续航较短、不规则作业区域的药液浪费或者重复喷洒等。

技术实现思路

[0003]基于上述现有技术的不足，本专利技术公开了一种方便、灵活且可以控制旋翼使其偏航运动的多旋翼喷杆结构。
[0004]本专利技术的技术方案包括：一种多旋翼喷杆结构，包括支撑杆(10)，所述支撑杆(10)上设有旋翼、电机(2)、连接法兰(3)、药液管道(4)、喷头(5)、GPS模块、视觉模块(8)、药液和电池箱组件(11)、毫米波雷达(13)；所述支撑杆(10)上对称分布有多对旋翼，旋翼包括辅助旋翼、调节旋翼以及主力旋翼，其中主力旋翼提供了喷杆飞行所需要的大部分升力，辅助旋翼和调节旋翼角度可调，为整体喷杆提供升力和对喷杆的姿态进行控制，同时其产生的向下气流可以加速药液附着在农作物表面；支撑杆(10)的中心固定有药液和电池箱组件(11)，支撑杆(10)的两端设置有辅助旋翼，辅助旋翼和支撑杆(10)的脚架之间设置有调节旋翼，药液和电池箱组件(11)相邻的两端对称的设置有主力旋翼；当主力旋翼、辅助旋翼和调节旋翼任意一种采用上下对浆的布局时，该旋翼下端对应的喷头替换为型号相同、方向相反的旋翼，为喷杆提供更大的升力；当主力旋翼、辅助旋翼和调节旋翼不采用上下对浆的布局时，其下端均连接有电机(2)，为旋翼提供动力，电机(2)连接有连接法兰(3)，连接法兰(3)下端为药液管道(4)，连接法兰(3)把电机(2)、药液管道(4)紧密固定，药液管道(4)将喷头(5)连接起来并为喷杆提供药液；所述GPS模块通过连接法兰(3)紧密对称固定在多旋翼喷杆上，GPS模块用于在路径规划和飞行阶段给控制器提供精确的GPS数据；所述视觉模块(8)与毫米波雷达(13)同样分别对称固定在多旋翼喷杆两侧，通过支架经连接法兰固定后向下延伸；所述视觉模块(8)通过图像估计运动信息并与加速度计的数据融合后得到更准确的运动速度，同时在系统运行过程中识别农作物信息；所述毫米波雷达(13)则与气压计一起用于获得多旋翼喷杆的实时高度。
[0005]进一步，所述支撑杆(10)由一个空心管与两个脚架连接而成，给整个喷杆结构提供了支撑和承重作用，支撑杆(10)的空心结构还作为药液和电线的通行管道。
[0006]进一步，所述支撑杆(10)为碳纤管。
[0007]进一步，所述药液和电池箱组件(11)包括电池、药液与控制系统硬件，所述电池为电机(2)、GPS模块、视觉模块(8)、毫米波雷达(13)提供电力；所述控制系统硬件用于实现导航和路径规划，进行位置和姿态的精确估计。
[0008]进一步，所述控制系统硬件包括飞行控制器和嵌入式处理器，飞行控制器分别与GPS模块、毫米波雷达(13)、多传感器冗余模块、以及用于控制旋翼的多个电调相连；所述飞行控制器还与嵌入式处理器相连，嵌入式处理器同时与视觉模块(8)、电磁阀驱动器相连，电磁阀驱动器与控制喷头(5)的电磁阀相连，所述多传感器冗余模块在内部集成了磁罗盘、气压计和两套陀螺仪、加速度计。
[0009]进一步，当需要实现喷杆的升降以及偏航运动时，通过将辅助旋翼、主力旋翼、调节旋翼的安装角度调整为轴向垂直设置，所有旋翼提供向上的升力，可以使多旋翼喷杆具备最大的升力；
[0010]当需要实现喷杆提升升力、增加载重量考虑时，主力旋翼采用上下对浆的布局，辅助旋翼采用轴向水平设置，调节旋翼采用轴向角度在0-90度的调节范围内设置。
[0011]本专利技术的一种多旋翼喷杆结构的控制方法，技术方案包括以下步骤：
[0012]在系统上电后，首先进行初始化操作，首先通过GPS模块采集要工作区域的GPS信息，由路径规划算法规划出即将飞行的轨迹，GPS模块在飞行过程中为多旋翼喷杆提供精准的定位信息；在路径规划结束并且收到起飞指令后执行起飞程序，在起飞后至降落前，由串级PID控制器对多旋翼喷杆的姿态、速度、高度等进行控制，以使其沿着规划的路径进行飞行；
[0013]起飞成功后，由嵌入式处理器对视觉模块(8)回传的图像数据处理，图像处理共分为两个线程：首先通过光流法得到运动信息，将其与IMU数据融合后得到比较精准的多旋翼喷杆的运动速度并回传给飞行控制器；其次是对图像处理后识别出农作物的有无以及稠密信息，为后面的精准变量喷雾做好准备；
[0014]由于雾状的药液在空气中容易流失，所以多旋翼喷杆在作业期间应保持一个合适的高度稳定飞行，飞行控制器通过毫米波雷达(13)及气压计等传感器的数据估计出准确的高度值，控制自身高度保持在一个合适的作业高度；
[0015]在判断是否标准工作区域后，将根据结果进行不同的操作，在正常喷雾环节，嵌入式处理器通过电磁阀驱动器驱动电磁阀控制所有喷头进行作业；在边角区域，嵌入式处理器根据计算结果只控制部分电磁阀工作、实现变量喷雾。
[0016]进一步，由串级PID控制器对多旋翼喷杆的姿态、速度、高度等进行控制的具体过程为：
[0017]使用了串级PID来对无人喷杆的位姿来进行控制，以角速度作为第一个内环，角速度通过陀螺仪测得；然后把角度控制作为第二个内环，角度的估计是通过陀螺仪、磁罗盘传感器估计而得；第三个内环是速度控制环，速度估计是通过图像数据与IMU数据进行融合得出的；最后的外环是高度控制，这里我们同样融合了毫米波雷达、气压计、陀螺仪等传感器的数据，旋翼喷杆的位姿和运动进行控制，实现基于路径规划的喷雾作业。
[0018]本专利技术具有以下技术效果：
[0019]本设计在兼顾无人机灵活、快速、成本低等特点下，还具备常规植保无人机不具备的特点：
[0020]1、多对喷头呈线状排布，单位时间内可以喷洒更大的面积，有效提升作业效率。
[0021]2、可通过控制多对旋翼使其处于不同的姿态，当它在农田边角区域工作时，可以控制旋翼使其偏航运动，同时变量控制其多个喷头，实现精准喷雾、减少药液的流失和浪
费。
[0022]3、采用碳纤材质，结构简洁、自重小。在相同重量下，可以把更多升力用来配给更多的药液或者更大容量的电池。
[0023]4、本设计可以在基本型的基础上采用对浆、调整辅助旋翼的安装角度等方法来调整其载重量，增加了本设计的灵活性。
[0024]5、本设计可作为一个基本单元，在需要时，可将多个基本单元通过快速接头连接，实现更大面积的作业。
[0025]6、主升旋翼与喷杆的连接部件可采用带阻尼的连接器，使得当多旋翼喷杆在工作时，即便偶尔受到阵风影响，姿态变化也可由带阻尼的连接器减弱，增加设备的稳定性。
附图说明
[0026]图1为多旋翼喷杆整体结构图；
[0027]本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种多旋翼喷杆结构，其特征在于，包括支撑杆(10)，所述支撑杆(10)上设有旋翼、电机(2)、连接法兰(3)、药液管道(4)、喷头(5)、GPS模块、视觉模块(8)、药液和电池箱组件(11)、毫米波雷达(13)；所述支撑杆(10)上对称分布有多对旋翼，旋翼包括辅助旋翼、调节旋翼以及主力旋翼，其中主力旋翼提供了喷杆飞行所需要的大部分升力，辅助旋翼和调节旋翼角度可调，为整体喷杆提供升力和对喷杆的姿态进行控制，同时其产生的向下气流可以加速药液附着在农作物表面；支撑杆(10)的中心固定有药液和电池箱组件(11)，支撑杆(10)的两端设置有辅助旋翼，辅助旋翼和支撑杆(10)的脚架之间设置有调节旋翼，药液和电池箱组件(11)相邻的两端对称的设置有主力旋翼；当主力旋翼、辅助旋翼和调节旋翼任意一种采用上下对浆的布局时，该旋翼下端对应的喷头替换为型号相同、方向相反的旋翼，为喷杆提供更大的升力；当主力旋翼、辅助旋翼和调节旋翼不采用上下对浆的布局时，其下端均连接有电机(2)，为旋翼提供动力，电机(2)连接有连接法兰(3)，连接法兰(3)下端为药液管道(4)，连接法兰(3)把电机(2)、药液管道(4)紧密固定，药液管道(4)将喷头(5)连接起来并为喷杆提供药液；所述GPS模块通过连接法兰(3)紧密对称固定在多旋翼喷杆上，GPS模块用于在路径规划和飞行阶段给控制器提供精确的GPS数据；所述视觉模块(8)与毫米波雷达(13)同样分别对称固定在多旋翼喷杆两侧，通过支架经连接法兰固定后向下延伸；所述视觉模块(8)通过图像估计运动信息并与加速度计结合后得到运动速度，同时在系统运行过程中识别农作物信息；所述毫米波雷达(13)则与气压计一起用于获得多旋翼喷杆的实时高度。2.根据权利要求1所述的一种多旋翼喷杆结构，其特征在于，所述支撑杆(10)由一个空心管与两个脚架连接而成，给整个喷杆结构提供了支撑和承重作用，支撑杆(10)的空心结构还作为药液和电线的通行管道。3.根据权利要求2所述的一种多旋翼喷杆结构，其特征在于，所述支撑杆(10)为碳纤管。4.根据权利要求1所述的一种多旋翼喷杆结构，其特征在于，所述药液和电池箱组件(11)包括电池、药液与控制系统硬件，所述电池为电机(2)、GPS模块、视觉模块(8)、毫米波雷达(13)提供电力；所述控制系统硬件用于实现导航和路径规划，进行位置和姿态的精确估计。5.根据权利要求4所述的一种多旋翼喷杆结构，其特征在于，所述控制系统硬件包括飞行控制器和嵌入式处理器，飞行控制器分别与GPS模块、毫米波雷达(13)、多传感器冗余模块、以及用于控制旋翼的多个...

【专利技术属性】
技术研发人员：沈跃，张念，孙志伟，王德伟，刘慧，
申请(专利权)人：江苏大学，
类型：发明
国别省市：