一种使用无人机喷撒低温气流灭杀农业害虫的装置及方法

摘要

本发明公开了一种使用无人机喷撒低温气流灭杀农业害虫的装置及方法，包括主机体、安装于主机体下方的保温箱、安装于主机体内部的控制装置以及安装于主机体底部的电源；所述保温箱包括箱体、隔板、风源装置以及导气管；所述箱体内设置有多个隔板，将箱体分割成若干个小室，若干个小室间形成一条气流通道；所述风源装置设置在气流通道入口的小室内；所述导气管设置在气流通道出口的小室内；所述控制装置包括接收器、调速器以及控制器；所述接收器、调速器与所述控制器电连接；所述调速器与所述风源装置电连接；所述电源分别与风源装置及控制装置电连接。本发明无需使用农药即可达到灭杀害虫的效果，对环境无污染。

权利要求

1.一种使用无人机喷撒低温气流灭杀农业害虫的装置，其特征在于，包括主机体、安装于主机体下方的保温箱、安装于主机体内部的控制装置以及安装于主机体底部的电源；

所述保温箱包括箱体、隔板、风源装置以及导气管；所述箱体内设置有多个隔板，将箱体分割成若干个小室，若干个小室间形成一条气流通道；所述风源装置设置在气流通道入口的小室内；所述导气管设置在气流通道出口的小室内；箱体内装填制冷剂；

所述控制装置包括接收器、调速器以及控制器；所述接收器、调速器与所述控制器电连接；所述调速器与所述风源装置电连接；所述电源分别与风源装置及控制装置电连接。

2.根据权利要求1所述的一种使用无人机喷撒低温气流灭杀农业害虫的装置，其特征在于，所述箱体内设置有两块第一隔板和一块第二隔板，两块第一隔板平行设置，并分别与第二隔板垂直设置；在两块第一隔板上分别设置有弯管，两个弯管呈现对角线对称；所述第二隔板与箱体底部不接触。

3.根据权利要求2所述的一种使用无人机喷撒低温气流灭杀农业害虫的装置，其特征在于，按照气流通道中气流流动方向，所述弯管前端连接前一小室的顶部，后端连接后一小室的底部。

4.根据权利要求1所述的一种使用无人机喷撒低温气流灭杀农业害虫的装置，其特征在于，所述风源装置包括涵道风扇和进气道，所述涵道风扇安装于进气道内，所述进气道顶部设有进气口。

5.根据权利要求1所述的一种使用无人机喷撒低温气流灭杀农业害虫的装置，其特征在于，所述控制装置还包括地面端和温度计，所述地面端由操作手携带，所述温度计包括两个，一个温度计安装在导气管的出风口处，另一个温度计安装在地面。

6.采用权利要求1‑5任一项所述一种使用无人机喷撒低温气流灭杀农业害虫的装置灭杀农业害虫的方法，其特征在于，包括如下步骤：保温箱内装填制冷剂，并使其飞行至作业区域，从导气管的出风口处喷出冷气流，所述冷气流正对农作物的冠层；

控制器计算冷气流温度上升速率，根据冷气流温度上升速率调节风源装置内涵道风扇的转速，实现出风口冷气流喷施量的调节；

控制器根据冷气流温度和环境温度，利用增量式PID算法计算下一采样时刻无人机速度的预期值，并调节无人机的飞行速度；

无人机沿着预设航线飞行，进行灭虫作业。

7.根据权利要求6所述的一种使用无人机喷撒低温气流灭杀农业害虫的装置灭杀农业害虫的方法，其特征在于，控制器根据冷气流温度上升速率计算涵道风扇的转速，并将转速信号发送给调速器，由调速器控制风源装置的涵道风扇转速，实现出风口冷气流喷施量的调节。

8.根据权利要求7所述的一种使用无人机喷撒低温气流灭杀农业害虫的装置灭杀农业害虫的方法，其特征在于，所述冷气流温度上升速率的计算公式为：V＝(n‑Tk)÷t

其中V为单位时间单位体积冷气流的温度上升速率，n为理想杀虫温度，Tk为当前采样时刻出风口冷气流温度，t为时间；

下一采样时刻涵道风扇的转速为：

Sk+1＝V/(‑nt)+Sk

其中，Sk为当前采样时刻涵道风扇的转速，Sk+1为下一采样时刻涵道风扇的转速。

9.根据权利要求6所述的一种使用无人机喷撒低温气流灭杀农业害虫的装置灭杀农业害虫的方法，其特征在于，控制器根据增量式PID算法计算预期无人机速度，其中增量式PID公式为

ΔUk＝ATk+BTk‑1‑CTK‑2其中，ΔUk为速度增量，A、B、C分别为调节参数，Tk、Tk‑1、TK‑2分别为第k个采样时刻的出风口冷气流温度值、第k‑1个采样时刻的出风口冷气流温度值、第k‑2个采样时刻的出风口冷气流温度值；

控制器融合速度增量和当前速度，调节无人机速度；

Uk+1＝Uk+ΔUk

其中，Uk是当前采样时刻无人机速度值，Uk+1是下一采样时刻无人机速度预期值。

10.根据权利要求6所述的一种使用无人机喷撒低温气流灭杀农业害虫的装置灭杀农业害虫的方法，其特征在于，所述预设航线包含路径、高度、速度参数；其中路径参数为完全覆盖作业区域的若干次具有一定间隔的往复运动；高度参数为在出风口高度的可调整范围内，将出风口恰好延伸至冠层的高度区间；速度参数根据目的作物、害虫种类进行调整，以恰好能够将温度降低至灭杀害虫为标准。

说明书

一种使用无人机喷撒低温气流灭杀农业害虫的装置及方法

技术领域

[0001] 本发明涉及无人机技术领域，特别涉及一种使用无人机喷撒低温气流灭杀农业害虫的装置及方法。

背景技术

[0002] 农作物虫害是农业生产的一大困难。目前的防治措施主要为使用农药人工对害虫进行杀灭，虽然能够取得较好的效果，但使用农药对于农田环境及周边生物都具有较大的
不利影响。

[0003] 利用航空器喷洒农药能够克服人工效率低、范围小的问题，但成本并不能得到很好的控制，也具有较大的危险性。随着近年来国内外各领域对于多轴多旋翼飞行器结构与
控制方法的不断改进应用，多旋翼飞行器凭借其自身特点进入到各种领域进行作业。相比
人工作业，多旋翼飞行器成本低廉、机动灵活快速，能够克服复杂地形的问题。而相比固定
翼飞机的航空喷洒，则具有更高的安全性，更低的成本与更好的作业精确性。

[0004] 利用自然环境的低温，例如季节变化等可以有效抑制虫害的发生与蔓延，但不受控制，不能作为人为手段使用。若使用传统压缩机方式制造低温气流，虽然能够达到灵活、
可控的要求，但设备自重大，功耗大，不具被航空喷洒的使用条件。

发明内容

[0005] 本发明的目的在于克服现有技术的缺陷和不足，提供了一种使用无人机喷撒低温气流灭杀农业害虫的装置，无需使用农药即可达到灭杀害虫的效果，对环境无污染。

[0006] 本发明的另一个目的在于提供了一种使用无人机喷撒低温气流灭杀农业害虫的方法。

[0007] 本发明的目的可以通过如下技术方案实现：一种使用无人机喷撒低温气流灭杀农业害虫的装置，包括主机体、安装于主机体下方的保温箱、安装于主机体内部的控制装置以
及安装于主机体底部的电源；所述保温箱包括箱体、隔板、风源装置以及导气管；所述箱体
内设置有多个隔板，将箱体分割成若干个小室，若干个小室间形成一条气流通道；所述风源
装置设置在气流通道入口的小室内；所述导气管设置在气流通道出口的小室内；所述控制
装置包括接收器、调速器以及控制器；所述接收器、调速器与所述控制器电连接；所述调速
器与所述风源装置电连接；所述电源分别与风源装置及控制装置电连接。

[0008] 作为优选的技术方案，所述箱体内设置有两块第一隔板和一块第二隔板，两块第一隔板平行设置，并分别与第二隔板垂直设置；在两块第一隔板上分别设置有弯管，两个弯
管呈现对角线对称；所述第二隔板与箱体底部不接触。第一隔板与第二隔板将箱体分割成
六个小室，当灭杀害虫时，六个小室充填制冷剂，空气依次通过该六个小室进行逐级降温，
形成冷气流。

[0009] 作为优选的技术方案，按照气流通道中气流流动方向，所述弯管前端连接前一小室的顶部，后端连接后一小室的底部。弯管可实现第一隔板隔开的相邻小室的空气传输。

[0010] 作为优选的技术方案，所述风源装置包括涵道风扇和进气道，所述涵道风扇安装于进气道内，所述进气道顶部设有进气口。涵道风扇用于向进气道内鼓入空气，为箱体提供
空气来源。

[0011] 作为优选的技术方案，所述控制装置还包括地面端和温度计，所述地面端由操作手携带，所述温度计包括两个，一个温度计安装在导气管的出风口处，另一个温度计安装在
地面。安装在导气管出风口处的温度计用于测量出风口冷气流温度，安装于地面的温度用
于测量环境温度。

[0012] 本发明的另一个目的可以通过如下技术方案实现：在灭杀农业害虫装置的保温箱内装填制冷剂，并使其飞行至作业区域，从导气管的出风口处喷出冷气流，所述冷气流正对
农作物的冠层；

[0013] 控制器计算冷气流温度上升速率，根据冷气流温度上升速率调节风源装置内涵道风扇的转速，实现出风口冷气流喷施量的调节；

[0014] 控制器根据冷气流温度和环境温度，利用增量式PID算法计算下一采样时刻无人机速度的预期值，并调节无人机的飞行速度；

[0015] 无人机沿着预设航线飞行，进行灭虫作业。

[0016] 作为优选的技术方案，控制器根据冷气流温度上升速率计算涵道风扇的转速，并将转速信号发送给调速器，由调速器控制风源装置的涵道风扇转速，实现出风口冷气流喷
施量的调节。

[0017] 作为优选的技术方案，所述冷气流温度上升速率的计算公式为：

[0018] V＝(n‑Tk)÷t

[0019] 其中V为单位时间单位体积冷气流的温度上升速率，n为理想杀虫温度，Tk为当前采样时刻出风口冷气流温度，t为时间；

[0020] 下一采样时刻涵道风扇的转速为：

[0021] Sk+1＝V/(‑nt)+Sk

[0022] 其中，Sk为当前采样时刻涵道风扇的转速，Sk+1为下一采样时刻涵道风扇的转速。

[0023] 作为优选的技术方案，控制器根据增量式PID算法计算预期无人机速度，其中增量式PID公式为

[0024] ΔUk＝ATk+BTk‑1‑CTK‑2

[0025] 其中，ΔUk为速度增量，A、B、C分别为调节参数，Tk、Tk‑1、TK‑2分别为第k个采样时刻的出风口冷气流温度值、第k‑1个采样时刻的出风口冷气流温度值、第k‑2个采样时刻的出
风口冷气流温度值；

[0026] 控制器融合速度增量和当前速度，调节无人机速度；

[0027] Uk+1＝Uk+ΔUk

[0028] 其中，Uk是当前采样时刻无人机速度值，Uk+1是下一采样时刻无人机速度预期值。

[0029] 作为优选的技术方案，所述预设航线包含路径、高度、速度参数；其中路径参数为完全覆盖作业区域的若干次具有一定间隔的往复运动；高度参数为在出风口高度的可调整
范围内，将出风口恰好延伸至冠层的高度区间；速度参数根据目的作物、害虫种类进行调
整，以恰好能够将温度降低至灭杀害虫为标准。

[0030] 本发明与现有技术相比，具有如下优点和有益效果：

[0031] 1.本发明的灭杀农业害虫装置使用保温箱喷出冷气流灭杀害虫，实现物理灭杀，降低了农药使用量，且整体结构简单，使用方便。

[0032] 2.本发明的灭杀农业害虫方法能够实现冷气流的发生、传送，以及根据冷气流与环境温度的融合情况，精准调节出风口冷气流喷施量以及无人机的飞行速度，提高害虫灭
杀效率。

附图说明

[0033] 图1是本发明实施例中使用无人机喷撒低温气流灭杀农业害虫的装置结构示意图；

[0034] 图2是图1的俯视图；

[0035] 图3是本发明实施例中保温箱的结构示意图；

[0036] 图4是本发明实施例中保温箱箱体的内部结构示意图；

[0037] 图5是本发明实施例中风源装置的结构示意图。

[0038] 其中：1：主机体，2：保温箱，21：箱体，211：挂载口，221：第一隔板，222：第二隔板，223：弯管，23：风源装置，231：涵道风扇，232：进气道，233：进气口，24：导气管。

具体实施方式

[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。

[0040] 如图1、2所示，一种使用无人机喷撒低温气流灭杀农业害虫的装置，包括主机体、保温箱、控制装置以及电源。主机体为一较高载重能力的八旋翼结构的无人机。保温箱顶部
设有四个挂载口，通过这四个挂载口安装于主机体底部。控制装置的部分部件安装在主机
体内部。电源安装于主机体底部，为整套装置提供电能。

[0041] 如图3、4所示，保温箱包括箱体、隔板、风源装置以及导气管。箱体由保温材料制成，用以承装制冷剂。制冷剂可以由干冰与95％乙醇混合而成，并需要现配现用。制冷剂在
使用时填充至保温箱的箱体内。箱体内设置有两块第一隔板和一块第二隔板。两块第一隔
板与箱体的短边平行，第二隔板与箱体的长边平行并与第一隔板垂直。第一隔板与第二隔
板将箱体分割成六个小室，六个小室间形成一条气流通道。两块第一隔板上分别设置有弯
管，两个弯管呈现对角线对称。按照气流通道中气流流动方向，弯管前端连接前一小室的顶
部，后端连接后一小室的底部。弯管前端应高于制冷剂的最高装填高度，后端应低于制冷剂
的最低装填高度。第二隔板与箱体底部不接触，第二隔板所隔开的相邻小室可通过第二隔
板与箱体底部的缝隙流通空气。风源装置设置在气流通道入口的小室内，导气管设置在气
流通道出口的小室内。

[0042] 如图5所示，风源装置包括涵道风扇和进气道，涵道风扇安装于进气道内，进气道顶部设有进气口。涵道风扇用于向进气道内鼓入空气，空气从进气口进入进气道，并进入安
装风源装置的小室内，之后依次流经六个小室。空气每流经一个小室温度逐级降低，经过六
次降温的空气从导气管末端的出风口处排出。导气管的一端连接小室，另一端伸出箱体一
段距离。导气管连接小室的那端突出箱体底部一段距离，该段距离由制冷剂装填后的上表
面高度决定，导气管上端应高于制冷剂高度。

[0043] 控制装置包括地面端、接收器、调速器、控制器以及温度计。接收器、调速器、控制器安装在主机体内。接收器、调速器与控制器电连接，调速器与风源装置电连接，电源分别
与风源装置及控制装置电连接。温度计包括两个，一个温度计安装在导气管的出风口处，另
一个温度计安装在地面。安装于导气管的出风口处的温度计用于测量出风口处的温度，安
装于地面的温度计用于测量环境温度。温度计所测得的出风口处冷气流温度以及环境温度
将传输给地面端，由地面端把温度数据发送给接收器，接收器将温度数据传送给控制器。

[0044] 一种使用无人机喷撒低温气流灭杀农业害虫的方法，包括如下步骤：

[0045] (1)在保温箱的六个小室内装填制冷剂，通过控制器启动主机体，并控制无人机飞行至作业区域。当无人机飞至作业区域后控制器启动风源装置，从导气管的出风口处喷出
冷气流，冷气流正对农作物的冠层。

[0046] (2)控制器计算环境温度与导气管出风口处冷气流的融合情况，得到冷气流温度上升速率。冷气流温度上升速率的计算公式为：

[0047] V＝ΔT÷t＝(n‑Tk)÷t

[0048] 其中V为单位时间单位体积冷气流的温度上升速率，n为理想杀虫温度，Tk为当前采样时刻出风口冷气流温度，t为时间。

[0049] 下一采样时刻涵道风扇的转速为：

[0050] Sk+1＝ΔT/(‑n)+Sk＝V/(‑nt)+Sk

[0051] 其中，Sk为当前采样时刻涵道风扇的转速，Sk+1为下一采样时刻涵道风扇的转速。

[0052] 根据上述公式控制器即可计算下一采样时刻涵道风扇的转速。控制器根据冷气流温度上升速率计算涵道风扇下一采样时刻的转速，并将该转速信号发送给调速器，由调速
器控制风源装置的涵道风扇转速，从而达到控制出风口冷气流喷施量的调节。

[0053] (3)控制器根据安装于导气管出风口的温度计回传的冷气流温度，和安装于地面的温度计回传的环境温度，利用增量式PID算法计算下一采样时刻无人机速度的预期值，并
调节无人机的飞行速度。控制器根据增量式PID算法计算预期无人机速度，其中增量式PID
公式为

[0054] ΔUk＝ATk+BTk‑1‑CTK‑2

[0055] 其中，ΔUk为速度增量；A、B、C分别为调节参数，为一固定常数；Tk、Tk‑1、TK‑2分别为第k个采样时刻(当前采样时刻)的出风口冷气流温度值、第k‑1个采样时刻的出风口冷气流
温度值、第k‑2个采样时刻的出风口冷气流温度值；

[0056] 控制器融合速度增量和当前速度，调节无人机速度；

[0057] Uk+1＝Uk+ΔUk

[0058] 其中，Uk是当前采样时刻无人机速度值，Uk+1是下一采样时刻无人机速度预期值。

[0059] 控制器可根据Uk+1的数值调节无人机的飞行速度。

[0060] (4)无人机沿着预设航线飞行，进行灭虫作业。预设航线包含路径、高度、速度参数。其中路径参数为完全覆盖作业区域的若干次具有一定间隔的往复运动，该间隔为喷洒
宽度的0.8倍左右。高度参数为在出风口高度的可调整范围内，将出风口恰好延伸至冠层的
高度区间。速度参数根据目的作物、害虫种类进行调整，以恰好能够将温度降低至灭杀害虫
为标准。实际工作中，在作业之前，需预先考察作业区域的虫害发生情况及发生特征，根据
具体的作物与害虫种类、喷洒地块等多种因素综合，向控制器内输入预设航线。

[0061] 以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员
来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保
护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。