一种可拆分环柱式中空无人机及其作业方法

1.一种可拆分环柱式中空无人机，其特征在于，包括机架、动力与控制机构、中心紧固装置，所述机架包括一固定盘和至少两个机臂，所述固定盘为双层、可拆卸、中空结构，每个机臂起始端固定在固定盘上，沿固定盘上的拆卸线对称分布；所述动力与控制机构包括上桨旋翼、上桨电机、上桨电子调速器和飞控模块，所述上桨旋翼设置在机臂的末端，上桨旋翼由上桨电机驱动，转动产生向下的风力，飞控模块通过上桨电子调速器控制上桨电机的转动；所述中心紧固装置设置在固定盘上，包括一用于在上桨旋翼停止转动时将无人机紧固在作业树干上的紧固装置；
所述紧固装置包括若干个可充放气气囊、充放气泵和充放气控制器，可充放气气囊均设置在中空的固定盘内侧，每个可充放气气囊分别与充放气泵相连，充放气泵、充放气控制器、飞控模块三者依次连接；可充放气气囊在充满气后构成的内腔的内径小于作业树干的外径。
2.根据权利要求1所述的可拆分环柱式中空无人机，其特征在于，所述无人机还包括若干个喷雾作业执行机构，每个喷雾作业执行机构包括喷管、喷头、水泵、连接软管、喷雾作业控制器和药箱，喷管顶部安装有喷头，底部与固定盘的上层盘连接，且上层盘上设有通孔，喷管通过该通孔与水泵连接；所述连接软管一端连接水泵，另一端连接药箱；飞控模块通过喷雾作业控制器控制水泵运行。
3.根据权利要求2所述的可拆分环柱式中空无人机，其特征在于，所述无人机还包括若干个喷雾驱动装置，每个喷雾驱动装置包括下桨旋翼、下桨电机、下桨电子调速器，所述下桨旋翼设置在机臂上；下桨旋翼由下桨电机驱动，转动产生向上的风力；飞控模块通过下桨电子调速器控制下桨电机的转动；所述喷管管体为直线型，并与固定盘保持一定倾角使得所述喷头处于下桨旋翼的上方。
4.根据权利要求1所述的可拆分环柱式中空无人机，其特征在于，所述无人机还包括一机械手作业执行机构，包括若干个机械手、机械手控制装置，所述机械手分布于固定盘上部或者下部，分别与机械手控制装置连接，机械手控制装置与飞控模块连接；
所述无人机还包括一拍摄作业执行机构，包括相机和相机控制器，所述相机设置于固定盘上方，相机控制器与飞控模块相连。
5.根据权利要求1所述的可拆分环柱式中空无人机，其特征在于，所述固定盘内径与外径均为圆形，内径比作业树干最大直径稍大；固定盘分为上层盘和下层盘，上层盘和下层盘的拆卸线处分别设有连接孔，紧固螺丝通过所述连接孔将固定盘组装成一个整体；所述上层盘和下层盘之间设有支撑铝柱，一部分支撑铝柱沿所述可充放气气囊外径分布，一部分支撑铝柱设置在固定盘内径对应拆卸线位置；
所述固定盘下方还设有脚支撑柱。
6.一种权利要求1所述的可拆分环柱式中空无人机的作业方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)将固定盘拆分，然后将其套在待作业树干外径上，然后将固定盘组装成一个整体；
(2)启动上桨旋翼，无人机上升至需要作业的高度保持悬停；
(3)紧固装置将无人机紧固在作业树干上；
(4)上桨旋翼停止转动；
(5)安装在无人机上的作业执行机构执行相应作业；
(6)作业完毕，再次启动上桨旋翼，然后紧固装置松开作业树干；
(7)无人机下降至地面，然后拆分固定盘，将其从树干外径取出。
7.根据权利要求6所述的作业方法，其特征在于，所述步骤(3)中，紧固装置中的充放气控制器控制充放气泵给可充放气气囊充气，可充放气气囊充气后挤压作业树干产生足够摩擦力。
8.根据权利要求6所述的作业方法，其特征在于，所述步骤(5)中，作业执行机构为执行喷药作业的喷雾作业执行机构、执行摘取作业的机械手作业执行机构、执行拍摄作业的拍摄作业执行机构三者中至少一个。
9.根据权利要求8所述的作业方法，其特征在于，所述喷雾作业执行机构执行喷药作业时，所述喷雾从喷头喷出，同时启动下桨旋翼，下桨旋翼提供雾滴向上扩散的风力，在作业完毕后，喷雾作业执行机构停止作业，同时停止下桨旋翼，然后再次启动上桨旋翼。

一种可拆分环柱式中空无人机及其作业方法\n技术领域\n[0001] 本发明涉及林业机械装备研究领域，具体涉及一种可拆分环柱式中空无人机及其作业方法。\n背景技术\n[0002] 具有高直树干的林木在我国普遍存在，以热带地区常见的大王椰为例，其树高可达20米，树干通直，为世界著名热带风光树种，通常用作行道树或群植用作绿地风景树。由于树叶冠层过高，防治病虫害时无法采用地面机械或者人工喷药方式进行作业，如果采用小型无人机空中喷施作业会存在林木密度大进而限制飞行器飞行作业空间的问题，同时由于不宜采用大型飞行器，因此载药容量小。另外飞机一般是在树冠上部飞行，因此会导致叶面下部无法得到有效喷施。\n[0003] 目前农业领域，各种作业采用的无人机普遍具有不限制运动空间的特点，但其悬停在空中作业时旋翼必须转动，才能提供克服重力的升力，进而保证无人机在空中的悬停或飞行姿态，产生了大量能耗，必然会降低有效载重量。另外作业时也必须使用昂贵的姿态控制系统保证机体平衡，同时要满足变量作业的控制方式，控制方法复杂且效果不佳。\n[0004] 为克服上述缺点，并同时利用高直树干的特点，寻找一种能飞行至树干冠层下部，且以不耗能方式停滞在树干高处并进行相关作业的无人机是对目前农业航空应用技术的一种有益补充。\n发明内容\n[0005] 本发明的一个目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种可拆分环柱式中空无人机，该无人机套在树干外径飞行、能在旋翼停止转动时紧固在树干上，具有操作简单、成本低、节能的优点。\n[0006] 本发明的另一目的在于提供一种上述可拆分环柱式中空无人机的作业方法，该方法无需复杂控制算法，操作简单，尤其适用于高直树干的作业。\n[0007] 本发明的目的通过以下的技术方案实现：一种可拆分环柱式中空无人机，包括机架、动力与控制机构、中心紧固装置，所述机架包括一固定盘和至少两个机臂，所述固定盘为双层、可拆卸、中空结构，每个机臂起始端固定在固定盘上，沿固定盘上的拆卸线对称分布；所述动力与控制机构包括上桨旋翼、上桨电机、上桨电子调速器和飞控模块，所述上桨旋翼设置在机臂的末端，上桨旋翼由上桨电机驱动，转动产生向下的风力，飞控模块通过上桨电子调速器控制上桨电机的转动；所述中心紧固装置设置在固定盘上，包括一用于在上桨旋翼停止转动时将无人机紧固在作业树干上的紧固装置。本发明中的固定盘可拆卸且中空，从而可以将固定盘套在作业树干外径上作业，通过上桨旋翼转动产生升力飞行，到达指定高度后，上桨旋翼停止转动，紧固装置将无人机紧固在作业树干上，达到稳定无人机在树干高处的目的，免去持续提供给上桨旋翼的动力消耗，具有节能的优点。\n[0008] 优选的，所述紧固装置包括若干个可充放气气囊、充放气泵和充放气控制器，可充放气气囊均设置在中空的固定盘内侧，每个可充放气气囊分别与充放气泵相连，充放气泵、充放气控制器、飞控模块三者依次连接；可充放气气囊在充满气后构成的类似圆环的内径小于作业树干的外径。从而可以在充气后挤压树干，产生足够摩擦力保证无人机在失去升力后仍然停滞在树干高处。\n[0009] 作为一种优选方式，所述无人机还包括若干个喷雾作业执行机构，每个喷雾作业执行机构包括喷管、喷头、水泵、连接软管、喷雾作业控制器和药箱，喷管顶部安装有喷头，底部与固定盘的上层盘连接，且上层盘上设有通孔，喷管通过该通孔与水泵连接；所述连接软管一端连接水泵，另一端连接药箱；飞控模块通过喷雾作业控制器控制水泵运行。所述药箱可以为放置在地面上的药箱也可以是普通无人机机载药箱，可根据实际应用时所需喷药量以及便携程度进行自由选择。通过此方式，可以利用本发明的无人机进行喷药作业，由于无人机是套在树干上，因此药液是由下到上进行喷射，因此可以对叶面下部进行有效喷施，克服了原来的喷药设备只能从上到下进行喷射的问题。\n[0010] 更进一步的，所述无人机还包括若干个喷雾驱动装置，每个喷雾驱动装置包括下桨旋翼、下桨电机、下桨电子调速器，所述下桨旋翼设置在机臂上；下桨旋翼由下桨电机驱动，转动产生向上的风力；飞控模块通过下桨电子调速器控制下桨电机的转动；所述喷管管体为直线型，并与固定盘保持一定倾角使得所述喷头处于下桨旋翼的上方。药液从喷头喷出后，位于喷头下方的下桨旋翼转动，产生向上的使雾滴扩散的风力，从而可以提高雾滴的穿透性和扩散能力，提高树叶背面喷施作业的效果。\n[0011] 作为另一种优选方式，所述无人机还包括一机械手作业执行机构，包括若干个机械手、机械手控制装置，所述机械手分布于固定盘上部或者下部，分别与机械手控制装置连接，机械手控制装置与飞控模块连接。通过此方式，可以利用本发明的无人机进行摘取作业，从下方摘取树木果实，更方便操作。\n[0012] 作为另一种优选方式，所述无人机还包括一拍摄作业执行机构，包括相机和相机控制器，所述相机设置于固定盘上方，相机控制器与飞控模块相连。通过此方式，可以利用本发明的无人机进行拍摄作业，便于观察树木的生长情况、判断是否病变等。\n[0013] 优选的，所述固定盘内径与外径均为圆形，内径比作业树干最大直径稍大；固定盘分为上层盘和下层盘，上层盘和下层盘的拆卸线处分别设有连接孔，紧固螺丝通过所述连接孔将固定盘组装成一个整体；所述上层盘和下层盘之间设有支撑铝柱，一部分支撑铝柱沿所述可充放气气囊外径分布，一部分支撑铝柱设置在固定盘内径对应拆卸线位置。将支撑铝柱沿所述可充放气气囊外径分布设置，是为了限制充放气气囊挤压空间，将支撑铝柱设置在固定盘内径对应拆卸线位置，是为了牢固固定盘双层架构。\n[0014] 更进一步的，所述放置在固定盘内部的物体沿圆心均匀分布，整个无人机的重心处于固定盘的圆心。从而使无人机飞行时更稳定，尽量避免发生侧向的摩擦。\n[0015] 优选的，所述固定盘下方还设有脚支撑柱。从而可支撑飞行器，，方便机体拆装操作，同时也方便拿取。\n[0016] 一种上述可拆分环柱式中空无人机的作业方法，包括以下步骤：\n[0017] (1)将固定盘拆分，然后将其套在待作业树干外径上，然后将固定盘组装成一个整体；\n[0018] (2)启动上桨旋翼，无人机上升至需要作业的高度保持悬停；\n[0019] (3)紧固装置将无人机紧固在作业树干上；\n[0020] (4)上桨旋翼停止转动；无人机失去旋翼升力，依靠紧固装置与树干产生的摩擦力或者剪切力等稳定保持在作业高度，不消耗动力电池能量。\n[0021] (5)安装在无人机上的作业执行机构执行相应作业；\n[0022] (6)作业完毕，再次启动上桨旋翼，然后紧固装置松开作业树干；\n[0023] (7)无人机下降至地面，然后拆分固定盘，将其从树干外径取出。\n[0024] 优选的，所述步骤(3)中，紧固装置中的充放气控制器控制充放气泵给可充放气气囊充气，可充放气气囊充气后挤压作业树干产生足够摩擦力。从而可以在步骤(4)上桨旋翼停止转动后仍能保证无人机停滞在树干高处。\n[0025] 优选的，所述步骤(5)中，作业执行机构为执行喷药作业的喷雾作业执行机构、执行摘取作业的机械手作业执行机构、执行拍摄作业的拍摄作业执行机构三者中至少一个。\n[0026] 更进一步的，所述喷雾作业执行机构执行喷药作业时，所述喷雾从喷头喷出，同时启动下桨旋翼，下桨旋翼提供雾滴向上扩散的风力，在作业完毕后，喷雾作业执行机构停止作业，同时停止下桨旋翼，然后再次启动上桨旋翼。\n[0027] 本发明与现有技术相比，具有如下优点和有益效果：\n[0028] (1)本发明采用可拆卸中空式机架结构达到无人机套在树干外径作业的目的，采用简单控制系统即可满足无人机的安全姿态飞行，无需担心无人机会发生侧翻或者飘移，使得无人机免去使用复杂飞控，大幅降低无人机生产成本，保证飞行安全性。\n[0029] (2)本发明采用通过对可充放气气囊充气挤压树干产生摩擦力达到稳定无人机在树干高处的目的，免去持续提供给主旋翼的动力消耗，能够大大减小无人机所携带的动力电池重量，同时这种机械式紧固结构远远比旋翼转动悬停稳定，能够有效提高作业效果，同时气囊属于柔性结构，对树干的挤压不会对树木产生直接伤害。\n[0030] (3)本发明通过上桨旋翼(正桨)转动产生升力飞行，通过下桨旋翼(反桨)转动产生向上的使雾滴扩散的风力，提高雾滴的穿透性和扩散能力，提高树叶背面喷施作业。\n[0031] (4)本发明所述无人机可以对树冠底部进行拍摄作业或机械手作业，应用场合广泛。\n附图说明\n[0032] 图1是实施例1的外观结构示意图。\n[0033] 图2是实施例1中固定盘拆卸后的结构示意图。\n[0034] 图3是实施例1中在应用时的示意图。\n[0035] 图4是图3的剖面结构示意图。\n[0036] 图5是实施例2携带机载药箱作业的示意图。\n[0037] 图6是实施例3携带机械手作业执行机构的结构示意图。\n[0038] 图中：11—固定盘、12—机臂、13—脚支撑柱、21—上桨旋翼、22—上桨电机、23—上桨电子调速器、24—下桨旋翼、25—下桨电机、26—下桨电子调速器、27—动力电池、28—飞控模块、31—喷管、32—喷头、33—水泵、34—连接软管、35—喷雾作业控制器、36—药箱、\n41—可充放气气囊、42—充放气泵、43—充放气控制器、39—机械手。\n具体实施方式\n[0039] 下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。\n[0040] 实施例1\n[0041] 本实施例所述一种可拆分环柱式中空无人机结构如图1所示，包括机架、动力与控制机构、喷雾作业执行机构和中心紧固装置，下面结合附图对每个部分进行具体说明。\n[0042] 所述机架包括固定盘11、机臂12和脚支撑柱13。所述固定盘11为双层、可拆卸、中空结构，可含有各种大小尺寸孔径，内径与外径均为圆形，内径比作业树干最大直径稍大。\n固定盘分为上层盘和下层盘，上层盘和下层盘之间设有支撑铝柱，一部分支撑铝柱沿所述可充放气气囊外径分布，一部分支撑铝柱设置在固定盘内径对应拆卸线位置。每个机臂12起始端固定在固定盘11上，沿固定盘11上的拆卸线对称分布，且机臂12与固定盘11上表面基本保持水平。脚支撑柱13与固定盘11下层盘相连，用于支撑无人机。在使用时，固定盘11通过紧固螺丝组装成一个整体。所述放置在固定盘11内部的物体沿圆心均匀重量分布，整个无人机重心处于圆心。\n[0043] 参见图1、2，所述动力与控制机构包括上桨旋翼21、上桨电机22、上桨电子调速器\n23和飞控模块28，所述上桨旋翼21设置在机臂12的末端，上桨旋翼21由上桨电机22驱动，转动产生向下的风力，飞控模块28通过上桨电子调速器23控制上桨电机22的转动。上述动力与控制机构均由动力电池27供电。上桨电子调速器23绑定在上桨旋翼21所在机臂12上，所述动力电池27和飞控模块28分布在所述固定盘11内部。\n[0044] 本实施例所述无人机是应用于喷雾作业，所以在无人机上设有若干个喷雾作业执行机构，每个喷雾作业执行机构包括喷管31、喷头32、水泵33、连接软管34、喷雾作业控制器\n35和药箱36，喷管31顶部安装有喷头32，底部与固定盘11的上层盘连接，上层盘上设有通孔，喷管31通过该通孔与水泵33连接。所述水泵33连接喷管31底部和连接软管34上端，水泵\n33放置在所述固定盘11上层盘上方。所述连接软管34另一端连接药箱36。本实施例中，为了节省无人机的重量，药箱36放置于地面上，参见图3，连接软管34足够长，在无人机固定在树干的相应位置后，水泵33通过连接软管34将药箱36中的药液吸到上面。本实施例药液是由下到上进行喷射，因此可以对叶面下部进行有效喷施。\n[0045] 为了提高雾滴的穿透性和扩散能力，提高树叶背面喷施作业的效果，本实施例提出设置若干个喷雾驱动装置，每个喷雾驱动装置包括下桨旋翼24、下桨电机25、下桨电子调速器26，本实施例中下桨旋翼24、下桨电机25分别与上桨旋翼21及上桨电机22垂直排列，并与所述机臂12末端连接，下桨电子调速器26绑定在下桨旋翼24所在机臂12上。所述喷管31管体为直线型，并与固定盘11保持一定倾角使得所述喷头32处于下桨旋翼24的上方。药液从喷头喷出后，位于喷头下方的下桨旋翼转动，产生向上的使雾滴扩散的风力，从而可以提高雾滴的穿透性和扩散能力。\n[0046] 本实施例所述机臂12至少有两根，所述每根机臂12末端安装的上桨旋翼21和下桨旋翼24至少有一对，所述机臂12也可做成伸缩式或折叠式架构。所述上桨旋翼21和下桨旋翼24可以是固定螺距桨叶也可以是变螺距螺旋桨机构。在实际应用中，下桨旋翼24也可安装在对应机臂上方上桨旋翼旁或者其他不影响飞行器正常飞行的位置，只要能保证可以使用反桨保持向上吹送风力即可。\n[0047] 本实施例所述的中心紧固装置设置在固定盘上，包括两段可充放气气囊41、两个充放气泵42及充放气控制器43，所述两段可充放气气囊41沿拆分线对称固定在固定盘11内测，充放气泵42与充放气气囊41内部相通，两个充放气泵42分别放置在所述固定盘11下层盘下方，所述充放气控制器43与充放气气泵42连接并与飞控模块28电气连接。可充放气气囊41由厚实的PVC材料构成，在充满气后构成的类似圆环的内径小于作业树干的外径。\n[0048] 所述的可拆分环柱式中空无人机作业方法，包括以下步骤：\n[0049] a、拆分双层中空固定盘11，将其套在待作业树干外径，拼装固定盘11使其成为整体；\n[0050] b、飞控模块28启动上桨旋翼21，提供无人机上升所需升力，无人机上升至需要作业的高度保持悬停；\n[0051] c、充放气控制器43控制充放气泵42开始给可充放气气囊41充气，使其挤压树干产生足够摩擦力；\n[0052] d、飞控模块28停止上桨旋翼21，无人机失去旋翼升力，依靠可充放气气囊41与树干产生的摩擦力稳定保持在作业高度，不消耗动力电池能量；\n[0053] e、喷雾作业控制器35控制喷雾作业执行机构开始进行喷雾，同时飞控模块28启动下桨旋翼24，提供雾滴向上扩散的风力；\n[0054] f、作业完毕，喷雾作业执行机构停止作业，飞控模块28控制下桨旋翼24停止转动；\n[0055] g、飞控模块28再次启动上桨旋翼21，提供无人机悬停所需升力；\n[0056] h、充放气控制器43控制充放气泵42开始给可充放气气囊41放气，使其挤压树干产生的摩擦力消失；\n[0057] i、飞控模块28控制无人机下降至地面；\n[0058] j、拆分固定盘11，从树干外径取出。\n[0059] 实施例2\n[0060] 本实施例除下述特征外其他结构同实施例1：\n[0061] 如图5所示，喷雾作业执行机构3中的药箱为包括普通无人机机载药箱38，所述无人机机载药箱38悬挂在机体下方，在无人机向上飞时，随着一起飞到树干上进行喷药。本实施例可减小连接软管长度和水泵压力。\n[0062] 实施例3\n[0063] 本实施例除下述特征外其他结构同实施例1：\n[0064] 参见图6，本实施例所述作业执行机构为执行摘取作业的机械手作业执行机构，其包括若干个机械手39、机械手控制装置，所述机械手39分布于固定盘11上部，分别与机械手控制装置连接，机械手控制装置与飞控模块连接。飞控模块接收外部的操作指令，控制机械手完成摘取等动作。\n[0065] 实施例4\n[0066] 本实施例除下述特征外其他结构同实施例1：\n[0067] 本实施例所述作业执行机构为执行拍摄作业的拍摄作业执行机构，包括相机和相机控制器，所述相机设置于固定盘上方，相机控制器与飞控模块相连。通过此方式，可以利用本发明的无人机进行拍摄作业，便于观察树木的生长情况、判断是否病变等。\n[0068] 上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。