一种基于精准施药装置的多旋翼植保无人机

本发明涉及农业机械，具体涉及一种基于精准施药装置的多旋翼植保无人机。

背景技术：

1、近年来，我国植保机械发展迅速，植保作业方式众多。但我国耕地分布在山地、丘陵和高原地区的面积多于平原和盆地区域。因此，考虑到农药利用率、植保作业需求及耕地分布特点等因素影响，采用植保无人机代替传统机械，能以更高适应性、更灵活的方式完成植保作业，且在提高植保效率方面也具有明显优势。

2、由于田间及周围区域地形环境多变，植保无人机在田间作业难免会遇到障碍物，为实现安全高效作业，植保无人机通常采绕行方式进行避障飞行，此时会出现障碍物四周农作物少喷甚至漏喷，相邻航线上农作物重喷等现象，难以保证植保作业效果。而且植保无人机为躲避障碍物影响，会出现升降、急停或转弯等情况，导致药箱中药液冲撞药箱内壁，干扰无人机的飞行姿态，降低药液喷洒覆盖率，无法保障田间精准喷施；无人机的过度晃动还会影响药液的均匀性，造成无人机对农作物喷施的药液浓度不一，不利于田间病虫害防治。

3、现有技术中的植保无人机喷雾装置只注重实现调整喷幅大小或者喷洒角度等某一功能，并未考虑到在调整喷幅与喷雾角度的过程中，无人机旋翼风场对喷施效果产生的反向影响，以及有效喷幅、雾滴穿透性对病虫害防治效果的影响等问题；也未考虑当无人机为躲避障碍物影响，而出现升降、急停或转弯等情况，导致药箱中药液冲撞药箱内壁，干扰无人机的飞行姿态，降低药液喷洒覆盖率，无法保障田间精准喷施等问题。

技术实现思路

1、针对现有技术存在的上述不足，本发明的目的在于提供一种基于精准施药装置的多旋翼植保无人机，以解决现有技术中无人机在飞行过程中为避障导出现升降、急停或转弯等情况干扰无人机飞行姿态，影响药液喷洒覆盖率；药箱内药液由于惯性原因容易发生晃动，影响药液混合均匀性和喷洒准确性，甚至导致无人机飞行状态失稳等技术问题；以及无人机旋翼风场对喷施效果产生不利影响导致无法精准施药的问题。

2、为了解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：

3、一种基于精准施药装置的多旋翼植保无人机，所述无人机包括：无人机机体、药箱、喷雾装置及控制单元；所述无人机机体上设有多个沿机体周向均匀间隔分布的机臂，且机臂的一端与无人机机体固定相连，机臂另一端的上侧设有用于飞行的旋翼；所述无人机机体的上侧设有一装置槽，该装置槽从机体上侧沿起轴线方向向下延伸，所述药箱置于该装置槽内，且药箱的下侧与装置槽可拆卸固定相连；在药箱内部设有搅拌装置，所述搅拌装置用于搅拌药箱内的药液；在无人机机体底部且相互对立的两侧分别设有一起落架；在无人机机体底部的中心位置处设有一个载物架，所述载物架的下侧与起落架固定相连，且无人机机体放置在载物架的上方并与其可拆卸固定相连；在所述载物架的前侧设有可视相机和两组激光雷达，可视相机和激光雷达均与载物架可拆卸固定相连；所述载物架的后侧设有控制单元和多组电池；所述喷雾装置安装在无人机机体中部且相互对立的两个机臂上；控制单元能够通过可视相机和激光雷达获取作物疏密程度，并对作物病虫害状况进行检测，随后根据检测结果控制该喷雾装置实现自适应改变喷幅大小，调整喷洒角度，有针对性完成植保作业任务。

4、优选地，所述药箱包括箱盖、环形垫圈、箱体和进药口；所述箱盖周围分布有多个安装凸台，所述箱盖通过螺栓i和安装凸台与箱体可拆卸固定相连；进药口位于箱体上端中部，并与箱体内部相连通，用于进药。所述箱盖与箱体相对的一侧设有密封槽，在密封槽内设有环形垫圈，所述环形垫圈对箱盖与箱体的接触面起到密封作用，避免无人机在飞行过程中发生药液泄露；所述箱体底部形状与无人机机体内部结构互补，使药箱嵌入无人机机体，这样可以使药箱在无人机机体上的安装更加稳固牢靠。

5、优选地，所述搅拌装置包括丝杠、减速电机、传动机构、多个搅拌器及多个刮壁器；其中，传动机构设置在药箱内部，并与药箱内侧壁固定相连；减速电机位于传动机构的上方，所述减速电机的驱动端与传动机构相连，使减速电机能够驱动传动机构转动，为整个搅拌装置提供动力；所述丝杠位于药箱内部，丝杠的一端与传动机构传动相连，其另一端延伸至药箱底部，与药箱底部转动相连，减速电机能够通过传动机构驱动丝杠绕其自身轴线转动；所述减速电机通过传动机构与多个搅拌器、以及多个刮壁器传动相连，使驱动电机通过传动机构能够驱动搅拌器以及刮壁器进行自转的同时绕丝杠轴线转动；丝杠的外侧套设有一活动板，所述活动板与丝杠转动相连，并能够沿丝杠的长度方向移动，所述活动板的边缘延伸至药箱内壁，并与药箱内壁柔性接触；减速电机通过传动机构驱动丝杠绕丝杠的轴线转动，使活动板能够沿丝杆的长度方向进行往复旋转运动。

6、优选地，所述传动机构包括支撑板、传动轴、齿圈、太阳轮和多个行星轮；所述支撑板位于药箱内部，通过螺栓ii与箱盖内侧固定相连；在支撑板的中部开设有一圆形开孔，该开孔贯穿支撑板，所述齿圈位于开孔内，并与开孔固定相连，且齿圈的中心线与传动轴的轴线重合；在支撑板的上方设有电机安装座，所述电机安装座与支撑板固定相连，减速电机与电机安装座固定相连；所述丝杠的一端通过传动轴与减速电机的驱动端传动相连，减速电机通过传动轴能够驱动丝杠绕其轴线转动。减速电机的驱动端通过联轴器ii与传动轴的顶端传动连接，从而带动传动轴转动，为整个搅拌装置提供动力。传动轴的下端通过联轴器i与丝杠机械连接，通过联轴器i、联轴器ii和传动轴能够确保减速电机带动丝杠转动过程中的稳定性，降低故障发生的频率。所述太阳轮套设在传动轴外侧并与传动轴固定相连，使太阳轮能够绕自身轴线转动；太阳轮与行星轮均位于齿圈内，且太阳轮、行星轮与齿圈内侧啮合相连；在支撑板的上方还设有一行星架，所述行星架套设在传动轴外侧并与传动轴转动相连；所述行星轮的上侧与行星架的下侧转动相连，具体为：行星轮通过同时与太阳轮和齿圈的啮合，能够实现绕太阳轮进行公转的同时行星轮还能够绕自身轴线进行自转，而行星架则是确保行星轮运行的稳定性，使行星轮能够稳定的实现前述运动；当减速电机驱动传动轴绕其自身轴线转动时，传动轴通过太阳轮能够带动行星轮在齿圈内转动；其中，太阳轮在齿圈内绕传动轴的轴线转动，行星轮在齿圈内沿齿圈周向运动的同时还能够绕行星轮的轴线转动；搅拌器的顶端和刮壁器的顶端分别与行星轮的下侧固定相连，使搅拌器和刮壁器能够随行星轮运动。所以当传动轴带动太阳轮及安装在传动轴与太阳轮中间的行星架转动的过程中，行星轮既其轴线自转，又绕太阳轮公转；其中，行星轮优选为4个，且沿太阳轮周向均匀间隔分布，以此使太阳轮与行星轮在运行时能够更加稳定。

7、优选地，所述太阳轮与行星轮的传动比值大于1。由于太阳轮与行星轮的传动比值大于1，故太阳轮与行星轮在运行时做差速传动，使得丝杠带动活动板在其长度方向上进行旋转升降运动。当活动板运动时，它的下表面位置始终逼近液面，可以减小药液晃动空间，又能清理箱体内壁面上的药液。

8、优选地，所述活动板下方设有多个固定杆，该固定杆上端与活动板固定相连，固定杆下端通过球面副与浮板相连。当药液发生晃动时，惯性力作用在浮板上，以浮板晃动的方式卸去药液产生的作用力，从而避免液面的惯性力冲击箱体。

9、优选地，在所述浮板上开设有多个导流孔i，使药箱中的药液能够从导流孔i中流过，可有效减小药液由于惯性产生的横向荡漾，保证了药箱的稳定。

10、优选地，所述刮壁器包括连接杆i，所述连接杆i的上端穿过活动板后与行星轮的下侧固定相连；所述连接杆i的下端设有多个螺旋形的搅拌片i，搅拌片i的上端与连接杆i固定相连，搅拌片i的下端设有弹性刮板，且弹性刮板与药箱底部内侧壁柔性接触，当刮壁器运动时，弹性刮板可不断刮起沉淀在箱体底部的药液，保证药箱内药液的均匀性。

11、优选地，所述搅拌器包括连接杆ii，所述连接杆ii的上端穿过活动板后与行星轮的下侧固定相连；所述连接杆ii的下端设有多个搅拌片ⅱ，所述搅拌片ⅱ沿连接杆ii的长度方向间隔分布，且搅拌片ii的一端与连接杆ii固定相连，其另一端延伸至药箱内；所述搅拌片ii上设有多个导流孔ii，使药箱中的药液能够从导流孔ii中流过，有效减小药液在竖直方向上的连续性晃动。

12、优选地，所述喷雾装置包括多个安装座、直线模组、旋转机构、摆动机构、随动桨叶、喷头和监测模块；所述直线模组位于机臂的下方，其长度方向与机臂的长度方向一致，并通过多个安装座与机臂固定相连；所述直线模组包括驱动机构i，该驱动机构i的驱动端与旋转机构固定相连，该驱动机构i能够驱动旋转机构沿机臂的长度方向滑动；所述旋转机构包括驱动机构ii，所述驱动机构ii能够使旋转机构的旋转端绕旋转端的轴线进行旋转，旋转机构的旋转端与摆动机构固定相连，旋转机构能够使摆动机构绕旋转端的轴线进行旋转；所述摆动机构包括驱动机构iii，所述摆动机构的摆动端与摆动机构通过转轴转动相连，在驱动机构iii能够驱动摆动机构的摆动端绕转轴的轴线进行摆动；所述随动桨叶位于喷头和摆动机构之间，且随动桨叶能够在驱动机构iv的驱动下绕喷头的中心线转动，为喷头提供与其喷洒方向一致的风场；药箱通过输药管与喷头相连通；监测模块包括多个距离传感器和角度传感器，距离传感器监测用于喷头的移动距离，角度传感器用于监测旋转机构旋转端的旋转角度和摆动机构摆动端的摆动角度。

13、与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

14、1、本发明所述一种基于精准施药装置的多旋翼植保无人机，通过将药箱箱体嵌入无人机机体的方式，减小无人机飞行过程中箱体与机体之间的晃动幅度，使药箱的安装更加稳固牢靠；同时，在无人机作业过程中，会出现急停、急转弯和速度过渡等状态，药液由于无人机机体的改变会在药箱箱体内不停晃动，这会进一步影响无人机飞行姿态，从而影响施药的准确性；本发明所述无人机通过可通过行星搅拌装置中，搅拌器与刮壁器自转与公转的搅拌方式，缓慢搅拌药液以抵消晃动，刮壁器上的弹性刮板还可以刮起沉淀在箱体底部的药液，提高药液混合均匀性。

15、2、本发明所述一种基于精准施药装置的多旋翼植保无人机，通过在活动板中心位置安装与丝杠配合的螺母的方式，使活动板随丝杠运动；由于太阳轮与行星轮的传动比值大于1，所以太阳轮与行星轮做差速传动；而活动板又套在以行星轮传动的搅拌器与刮壁器上，因此通过控制电机的正反转，能使丝杠和螺母带动活动板做旋转升降运动；此时活动板的下表面始终逼近液面，压缩药液晃动空间，并且实现清理箱体上残存药液的目的。

16、3、本发明所述一种基于精准施药装置的多旋翼植保无人机，通过设计活动板下方以球面副的方式连接四个浮板，当药液发生晃动时，将惯性力作用于浮板上，以浮板发生晃动的方式卸去药液产生的作用力，从而有效避免液面冲击箱体表面，并且在浮板与搅拌器上开设的导流孔，可有效减小药液的横向连续性晃动，保证药箱的稳定牢固。

17、4、本发明所述一种基于精准施药装置的多旋翼植保无人机，通过控制单元根据激光雷达与可视相机完成目标对象的距离判断，然后控制直线移动模组，动态调整植保无人机的喷幅大小；当无人机遇到障碍物避障飞行时，可根据避障航线，以及无人机与障碍物的相对距离，自适应调整喷头角度，使得喷洒方向始终朝着靶向区域；为降低喷头摆动作业时，喷洒效果受无人机旋翼在垂直方向上风场的影响，在喷杆上设有随动桨叶，随动桨叶产生的风场与喷头喷洒方向始终一致，以提高药液覆盖率及病虫害防治效果。