技术领域
[0001] 本
发明属于无人机控制系统领域，具体的是基于多旋翼无人机飞行平台的侧向喷涂结构。
背景技术
[0002] 我们知道，目前市场上的无人机，大部分均是以无人机飞行、摄影、巡检、
植物喷洒等为主要功能，而且，在现有的能够作为作业平台的无人机应用中，其应用方式大部分还是以吊装，垂直投掷，垂直牵引等作业为主。这些应用的一个主要特点就是：其作业方向均垂直于地面方向。即，无人机螺旋桨位于整个作业平台正上面，只要保持无人机作业过程的
重心不发生太大的偏移，在飞控系统的控制下，整个作业过程和作业阶段对无人机飞行都不会产生太大的影响。然而，除上述应用之外，还存在需要用无人机侧面作为我们的作业方向的应用方式，如：利用无人机来进行墙面清洗，高空墙面涂漆或者标识绘制，或无人机
水平射击等等。这类应用的一个共同特点就是需要在无人机侧面展开作业，并且在作业过程中，有可能产生一定的横向反作用
力，该作用力可能较为恒定，也可能突变，或可能连续扰动。该横向反作用力的存在，会对无人机飞行平台本身产生较大的影响，直接或间接影响到作业
精度、后续作业
可持续性和安全性。
发明内容
[0003] 本发明所要解决的技术问题是提供一种基于多旋翼无人机飞行平台的侧向喷涂结构，以降低侧向作业时对无人机飞行平台飞行
姿态的影响，从而提高作业精度。
[0004] 本发明采用的技术方案是：基于多旋翼无人机飞行平台的侧向喷涂结构，包括与多旋翼无人机飞行平台相连接的
机架、喷
涂装置和用于控制该喷涂装置实现喷涂力平衡和喷涂距离调整的平衡控制系统；
[0005] 所述喷涂装置安装于机架，且其喷涂口朝向机架的前方；
[0006] 所述平衡控制系统包括动力供应装置、检测喷涂装置状态的检测装置和主控处理器；
[0007] 所述动力供应装置安装于机架，且位于喷涂装置喷涂口的后方用于提供平衡喷涂装置喷涂作用的动力；所述检测装置安装于喷涂装置将检测到的喷涂装置的状态信息传递给安装于机架的主控处理器，通过主控处理器控
制动力供应装置运行。
[0008] 进一步的，所述喷涂装置包括作为喷涂口的
喷嘴、喷管、物料容器、空气压缩器；所述喷管安装于机架，且喷管前端与喷嘴相连接，末端与物料容器的出口密封连接；所述物料容器的入口通过空气管道与空气压缩器相连接；在喷嘴外周安装有限制喷涂区域的喷涂罩；所述喷涂罩的末端与喷管相连接，且其罩口端沿喷嘴喷洒方向向
外延伸。
[0009] 进一步的，在所述机架前端的左右两侧均设置有
支撑件，且两侧的支撑件关于机架对称；所述支撑件一端与机架相连接，另一端与喷涂罩远离其末端的罩口部的外壁固定连接。
[0010] 进一步的，所述动力供应装置包括一对驱动
电机和与
驱动电机一一对应的螺旋桨；所述机架后端的左右两侧均设置有支持架，且两侧的支持架关于机架对称；所述支持架的一端与机架相连接，另一端与驱动电机相连接；所述螺旋桨位于对应驱动电机后方并与对应驱动电机相连接。
[0011] 进一步的，所述检测装置包括两个
超声波传感器，两个
超声波传感器安装于喷涂装置且处于喷口面；所述喷口面为喷涂装置上与喷涂口所在面平行的平面。
[0012] 进一步的，所述喷涂口的外周设置有限制喷涂区域的喷涂罩；所述喷涂罩支撑于机架；两个
超声波传感器安装于喷涂罩的罩口且位于所述喷涂罩的相对侧。
[0013] 进一步的，所述检测装置还包括设置于喷涂罩上端的用于检测喷涂过程效果及喷涂表面的视频摄像头，所述视频摄像头通过
舵机与喷涂罩相连接；
[0014] 该视频摄像头将视频信息通过WIFI视频及数据模
块传输到数字终端；且WIFI视频及数据模块将中央控制CPU通过控制舵机转动的数据端口输出的指令传输到舵机，控制舵机运动以实现视频摄像头
角度控制。
[0015] 进一步的，所述主控处理器由一个中央控制CPU、与中央控制CPU输入口相连接的多个状态检测模块和与中央控制CPU输出口相连接的多个输出控
制模块组成；
[0016] 所述状态检测模块，用于通过对应检测装置获取对应的状态数据；
[0017] 所述中央控制CPU，用于将获取的相应状态数据进行计算，并发出对应的控制指令；
[0018] 所述输出
控制模块，用于将中央控制CPU发出对应的控制指令传输到对应的执行部件，使对应的执行部件完成相应动作；
[0019] 多个状态检测模块包括一个集成六
自由度加速度传感器和一个3自由度
陀螺仪的姿态检测模块、一个方位检测模块、一个高度采集模块和2点距离采集模块；
[0020] 多个输出控制模块包括一个WIFI视频及数据模块、用于控制舵机转动的数据端口、一个无线数据传输端口、1路用于控制喷涂电磁
开关的开关
信号输出端口、一套用于通过蓝牙方式进行数据通信和交换的蓝牙通信端口、2路电机控制输出端口、一套给无人机飞控指令模块以及其他辅助模块。
[0021] 进一步的，所述喷嘴与螺旋桨的连线经过所述平衡装置的重心；可以通过实体化设计及结构优化,确定基本构架,并通过一定的配置调整来实现。
[0022] 进一步的，所述机架上方固定连接有连接座，所述连接座通过单点连接
铰链与多旋翼无人机飞行平台相连接。
[0023] 本发明的有益效果是：本发明，通
过喷涂装置实现侧向作业功能，动力供应装置则提供一个平衡该反作用力的平衡力，在该平衡力的作用下，尽量降低喷涂作业时，该反作用力对无人机飞行平台飞行姿态的影响。从而，使得该侧向喷涂结构构成一个整体平衡体系，在其工作过程中，对无人机飞行平台的飞行姿态的影响极小，从而，使得因无人机飞行平台的飞行姿态变化对喷涂作业精度、后续作业可持续性和安全性带来的影响极小。
附图说明
[0024] 图1为本发明侧向喷涂结构与无人机连接示意图；
[0025] 图2为本发明侧向喷涂结构结构示意图；
[0026] 图3为本发明侧向喷涂结构的俯视图；
[0028] 图中，飞行平台4、机架1、支撑件11、支持架12、连接座13、单点连接铰链14、喷涂装置2、喷嘴21、喷管22、物料容器23、空气压缩器24、喷涂罩25、空气管道26、电磁开关27、平衡控制系统3、动力供应装置31、驱动电机311、螺旋桨312、检测装置32、超声波传感器321、视频摄像头322、舵机323、主控处理器33、中央控制CPU331、姿态检测模块332、方位检测模块333、高度采集模块334、2点距离采集模块335、WIFI视频及数据模块336、数据端口337、无线数据传输端口338、开关信号输出端口339、蓝牙通信端口3310、电机控制输出端口3311、无人机飞控指令模块3312、其他辅助模块3313。
具体实施方式
[0029] 下面结合附图和
实施例对本发明做进一步的说明如下：
[0030] 如图1、图2、图3和图4所示，基于多旋翼无人机飞行平台的侧向喷涂结构，包括与多旋翼无人机飞行平台4相连接的机架1、喷涂装置2和用于控制该喷涂装置2实现喷涂力平衡和喷涂距离调整的平衡控制系统3；
[0031] 所述喷涂装置2安装于机架1，且其喷涂口朝向机架1的前方；
[0032] 所述平衡控制系统3包括动力供应装置31、检测喷涂装置2状态的检测装置32和主控处理器33；
[0033] 所述动力供应装置31安装于机架1，且位于喷涂装置2喷涂口的后方用于提供平衡喷涂装置2喷涂作用的动力；所述检测装置32安装于喷涂装置2将检测到的喷涂装置2的状态信息传递给安装于机架1的主控处理器33，通过主控处理器33控制动力供应装置31运行。
[0034] 上述机架1用于支撑喷涂装置2和平衡控制系统3，并完成支撑喷涂装置2和平衡控制系统3与无人机飞行平台4的连接。喷涂装置2用于实现侧向作业功能，其作业时，由于涂料等喷涂物质的高速喷出，会产生一个沿喷出方向相反的反作用力，而动力供应装置31则用于提供一个平衡该反作用力的平衡力，在该平衡力的作用下，尽量降低喷涂作业时，该反作用力对无人机飞行平台4飞行姿态的影响。动力供应装置31提供的平衡力根据喷涂装置2的状态确定，即，通过检测装置32检测喷涂装置2的状态，包括喷口面与待喷涂面间的距离、喷口面与待喷涂面的夹角等；检测装置32检测喷涂装置2的状态传输给主控处理器33，主控处理器33再指令动力供应装置31提供所需的平衡力。从而，使得该侧向喷涂结构构成一个整体平衡体系，在其工作过程中，对无人机飞行平台4的飞行姿态的影响极小，从而，使得因无人机飞行平台4的飞行姿态变化对喷涂作业精度、后续作业可持续性和安全性带来的影响极小。
[0035] 优选的，如图2和图3所示，所述喷涂装置2包括作为喷涂口的喷嘴21、喷管22、物料容器23、空气压缩器24；所述喷管22安装于机架1，且喷管22前端与喷嘴21相连接，末端与物料容器23的出口密封连接；所述物料容器23的入口通过空气管道26与空气压缩器24相连接；在喷嘴21外周安装有限制喷涂区域的喷涂罩25；所述喷涂罩25的末端与喷管22相连接，且其罩口端沿喷嘴21喷洒方向向外延伸。
[0036] 喷涂装置2主要用于通过空气
增压方式，实现喷涂作业、喷水清洗作业或者射击作业等。以喷涂作业为例，空气压缩器24用于提供喷涂所需要的一定压力的空气，压缩空气通过空气管道26导入物料容器23，在压缩空气的作用下，物料容器23内的涂料被雾化，并沿喷管22经喷嘴21喷出。由于喷嘴21外周安装有限制喷涂区域的喷涂罩25，故，经喷嘴21喷出的涂料被限制于喷涂区域内，有效防止了喷出的涂料等喷涂物四处飞溅或者受外界气流影响。当然，为了自主控制喷涂气路的通断，在喷管22上设置有控制喷涂气路通断的电磁开关27，所述电磁开关27与主控处理器33相连接，通过主控处理器33控制电磁开关27的通断，当然，电磁开关27与主控处理器33采用现有的连接方式即可。供应喷涂所需要气源的空气压缩器24可以设置于地面，通过空气管道26引至无人机，喷涂作业通过空气管内的一定压力的气体驱动，该空气管道26并随无人机吊装飞行。
[0037] 为了增加喷涂罩25的支持
刚度和强度，优选的，在所述机架1前端的左右两侧均设置有支撑件11，且两侧的支撑件11关于机架1对称；所述支撑件11一端与机架1相连接，另一端与喷涂罩25远离其末端的罩口部的外壁固定连接。
[0038] 动力供应装置31可以为喷气装置，通过喷气装置向后方喷气产生的反作用力来平衡喷涂装置2喷涂时产生的反作用力。但是，喷气装置结构复杂，且气流量不变控制。
[0039] 最优的，如图1、图2和图3所示，所述动力供应装置31包括一对驱动电机311和与驱动电机311一一对应的螺旋桨312；所述机架1后端的左右两侧均设置有支持架12，且两侧的支持架12关于机架1对称；所述支持架12的一端与机架1相连接，另一端与驱动电机311相连接；所述螺旋桨312位于对应驱动电机311后方并与对应驱动电机311相连接。
[0040] 这两套螺旋桨312通过驱动电机311驱动旋转，产生推力，根据由主控处理器33发出的控制指令，产生一定范围内可变推力，从而实现对该侧向喷涂结构反作用力的平衡和一定范围的姿态
位置调整。且该动力供应装置31结构简单，安装方便且便于控制。
[0041] 也可以通过分配两套螺旋桨312的推力，实现对整个无人机载体的方位调整和一定程度上的动力
定位。从而使得可以不需要通过无人机本身控制系统来实现飞喷方位调整，无人机在确保水平定位要求的条件下，通过该装置，可以实现非常精确的无人机方位调整，这不但降低了无人机在侧向作业过程中，方位调整引起的姿态变化等问题，而且也增加了精准性和可操作性，极大保障了靠近墙面附近的无人机飞行作业的安全性。
[0042] 最优的，所述检测装置32包括两个超声波传感器321，两个超声波传感器321安装于喷涂装置2且处于喷口面的相对两侧；所述喷口面为喷涂装置2上与喷涂口所在面平行的平面。
[0043] 该两个超声波传感器321均可以用来测量喷口面距离前方待喷涂平面的距离。如此，根据这两个超声波传感器321所检测的距离大小值，便可以确定喷口面与待喷涂平面之间是否是保持平行关系，并确定出两平面之间的间距。具体方法如下：
[0044] 1、通过两个超声波传感器321所检测的到待喷涂平面的距离，可以基本确定无人机与待喷涂平面之间的位置关系；其中最短一个的检测距离即为无人机距离待喷涂平面的最短距离，该无人机的作业控制，必须要保证任何时候，其靠墙的最短距离要大于设定安全值。否则无人机进入不安全飞行区域；
[0045] 2、当无人机过近地靠近待喷涂平面时，即最短距离小于设定安全值时，此时主控处理器33识别后，立即发出距离过近的信号，该信号通过主控处理器33发出控制指令给无人机飞控系统，无人机飞控系统在获得该指令后，启动远离该喷涂平面的飞行控制；
[0046] 3、无人机飞控系统调整控制，控制无人机沿远离待喷涂平面的方向飞行离开。在远离飞行过程中，两个超声波传感器321实时检测与待喷涂平面的距离，当距离满足要求时，该主控处理器33再次给无人机飞控系统发出定点控制指令，无人机在接收到该指令后，进行水平定点控制，在获得稳定后，启动两套螺旋桨312，慢慢地将无人机再次推近待喷涂平面。
[0047] 还可以通过该两个超声波传感器321和两套螺旋桨312实现对无人机的方位调整，具体方法如下：
[0048] 通过两个超声波传感器321测量的数据，可以用来确定喷口面是否平行待喷涂面；当两点测量数据大致相等时，说明此时喷涂口平行待喷涂面；设定喷口面与待喷涂面的夹角不能超过夹角设定值，当喷口面与待喷涂面的夹角超过夹角设定值时，需要对无人机进行方位调整，此时，分别控制两套螺旋桨312的输出力大小，且需要停止喷涂，直到方位角度调整到规定的范围内。但是，通过控制两套螺旋桨312的输出力大小，实现对这个方位角度的控制调整，适合于无人机距离待喷涂面的距离较远的情况；若无人机距离待喷涂面的距离较近，通过控制两套螺旋桨312调整方位就容易引起无人机整体进一步靠近墙面。
[0049] 两个超声波传感器321可以通过
支架安装于机架1或者喷管22等，但是，支架的增加了安装工序，且通过支架不利于准确确定喷口面。
[0050] 最优的，所述喷涂口的外周设置有限制喷涂区域的喷涂罩25；所述喷涂罩25支撑于机架1；两个超声波传感器321安装于喷涂罩25的罩口且位于所述喷涂罩25的相对侧。
[0051] 通过将超声波传感器321安装于喷涂罩25的罩口，使喷涂罩25的罩口作为喷口面，降低了安装误差，且节约了额外部件的投入。
[0052] 由于无人机飞行平台4在一定的高度工作，通过地面观察工作效果和
质量变得困难，为了实时监控作业状态，如喷涂效果和质量，优选的，所述检测装置32还包括设置于喷涂罩25上端的用于检测喷涂过程效果及喷涂表面的视频摄像头322，所述视频摄像头322通过舵机323与喷涂罩25相连接；
[0053] 该视频摄像头322将视频信息通过视频及数据模块336传输到数字终端；且视频及数据模块336将主控处理器33输出的指令传输到舵机323，控制舵机323运动以实现视频摄像头322角度控制。
[0054] 通过主控处理器33控制舵机323转动，从而实现一定范围调整视频摄像头322的视角。视频摄像头322采集的视频图像可以通过WIFI信号等直接传递到手机或电脑等数字终端进行实施查看。
[0055] 该侧向喷涂结构与无人机飞行平台4集成时，为了尽量减少该侧向喷涂结构对无人机飞行平台4的影响，优选的，所述喷嘴21与螺旋桨312的连线经过所述平衡装置的重心。
[0056] 由于喷涂作业时，会产生一定的侧向反作用力，若不能很好平衡，就会使得无人机在侧面受到一个力的作用，该力不仅会对无人机产生一个侧向推力，让无人机远离待喷涂面；还会产生一个垂直面上的绕重心的力矩，使无人机在垂直面上以重心为中心发生旋转，从而直接影响到无人机的飞行姿态。而所述喷嘴21与螺旋桨312的连线经过所述平衡装置的重心，尽量确保了该作用力作用于该集成装置后的整个系统重心附近，降低了因力矩对无人机飞行姿态的影响。
[0057] 机架1可以与无人机飞行平台4刚性连接，但是，为了进一步降低或减少该喷涂结构小距离运动时对无人机飞行姿态的影响。优选的，所述机架1上方固定连接有连接座13，所述连接座13通过单点连接铰链14与多旋翼无人机飞行平台4相连接。其目的保证该该喷涂结构可以在一定范围绕该连接铰链14旋转运动，
[0058] 通过铰链方式连接，当喷出的反推力和螺旋桨产生的推力
不平衡时，此时，该装置在作用力的作用下会绕着铰链点产生一定的旋转运动，当扰动发生后，下面的物料容器23及
配重块会发生偏移，产生一个回复力矩，可以抵消不平衡的推力，这在一定程度上降低了对无人机定位和姿态的影响。
[0059] 如图4所示，优选的，所述主控处理器33由一个中央控制CPU331、将检测装置32检测的信息传输到中央控制CPU331的多个状态检测模块以及将中央控制CPU331的控制指令传输到对应执行部件的多个输出控制模块组成；
[0060] 多个状态检测模块包括一个集成六自由度加速度传感器和一个3自由度陀螺仪的姿态检测模块332、一个方位检测模块333、一个高度采集模块334和2点距离采集模块335；
[0061] 多个输出控制模块包括一个WIFI视频及数据模块336、用于控制舵机转动的数据端口337、一个无线数据传输端口338、1路用于控制喷涂电磁开关的开关信号输出端口339、一套用于通过蓝牙方式进行数据通信和交换的蓝牙通信端口3310、2路电机控制输出端口3311、一套给无人机飞控指令模块3312以及其他辅助模块3313。
[0062] 喷涂装置水平是确保喷涂方向能垂直于喷涂面。首先需要确保无人机飞行水平来实现一定范围内的喷涂装置水平，在此
基础上，再通过本装置上的平衡及推进装置控制系统300来实现倾仰角角度控制以保证装置的水平。通过集成六自由度加速度传感器和一个3自由度陀螺仪的姿态检测模块332可以检测喷口面的倾角大小，中央控制CPU331通过分析该倾角大小指令调节动力供应装置31的推力输出。
[0063] 并且，在实现对无人机的方位调整时，可以通过
磁阻传感器等方位检测模块333所检测到的方位信息传输到中央控制CPU331，中央控制CPU331发出无人机飞控系统进行调整的指令，通过无人机飞控指令模块3312传输到无人机飞控系统，通过无人机飞控系统来实现对方位的控制调整。该方位调整不仅适合于无人机距离待喷涂面的距离较远的情况，还适合于无人机距离待喷涂面的距离很近的情况。
