本实用新型涉及农用无人机领域，更具体地，涉及一种基于hy-srf05超声波模块的无人机自动缓降装置
背景技术：
近年来，伴随我国科学技术的不断发展，不少优势技术逐步朝向农业、林业等行业发展，植保无人机是其中的一个典型，也有越来越多的植保无人机投入了农业工作行业。然而，现市面上存在的绝大多数植保无人机并没有较好的对设备的保护措施，且植保无人机的价格相对较高的，同时无人机还存在维护困难等问题。无人机损坏的原因之一就是对地降落时所遭受的冲击，该冲击力容易对脚架，机架连接处造成损伤。而多旋翼无人机在控制上存在较大难度，使用者本身在控制飞机降落时也很难对下降高度和下降速度进行很好的感知，容易发生降落时的撞击。
现有技术中为了实现无人机的缓降过程，主要采用降落伞方案，当无人机准备降落时，降落伞弹出，并开始降落。但需要注意的是降落伞本体在无人机落地后需要进行再次折叠和收纳，而且带有降落伞的无人机在降落过程中受到的风力影响更加显著，容易发生无人机的本体翻滚或水平位置偏离。带有降落伞的无人机进行落地时，落地速度没有固定数值，降落所引起的损坏充满不确定性。此外，部分植保无人机应用于农业上的药物喷洒，而该喷洒环境中往往存在水坑或池塘，当无人机电量低或无人控制的状态下，实施降落可能会落入带水环境中，从而导致无人机本体的硬件损坏。
技术实现要素：
本实用新型旨在克服现有技术中无人机降落过程受到的损坏以及降落位置中的不确定性，提供一种基于hy-srf05超声波模块的无人机自动缓降装置，用于确定无人机降落过程中的对地高度、实时速度，并实时调整无人机的多个旋翼转速，实现对地的缓降过程，避免无人机降落过程中受到损坏；同时，避免无人机降落至容易对无人机产生损坏的地理位置，有利于无人机的长期使用。
本实用新型采取的技术方案是一种基于hy-srf05超声波模块的无人机自动缓降装置，包括机身、机臂、脚架和旋翼，所述机身包括控制模块、处理模块、超声波装置、转动机构，所述控制模块与处理模块、转动机构电连接，所述超声波装置与处理模块、控制模块电连接，所述转动机构安装在机身下方，包括中心轴和圆柱形外壳，所述圆柱形外壳的圆柱面设有凹槽，其特征在于，所述超声波装置还包括对地超声波发送接收模块、水平超声波发送接收模块，所述机身还安装有阻风板。所述对地超声波发送接收模块能够进行垂直方向上的超声波发送和接收，所述水平超声波发送接收模块能够进行水平方向上的超声波发送和接收，阻风板能够增大无人机缓降时的阻力，配合无人机的旋翼能对降落速度进行准确的控制和调节。
所述超声波装置采用hy-srf05超声波模块进行发送超声波信号和接收返回的超声波信号，所述超声波信号为模拟信号，处理模块将模拟信号转化为数字信号并根据数字信号计算距离数值。控制模块触发hy-srf05超声波模块io口trig后，给至少10μs的高电平信号，模块自动发送8个40khz的方波，自动检测是否有信号返回；有信号返回，通过io口echo输出一个高电平，高电平测序时间就是超声波从发射到返回的时间；处理模块将模拟信号转化为数字信号后，根据超声波发射和返回的时间以及测距公式：测试距离＝(高电平时间*声速(340m/s))/2进行计算，并返回当前距离数值给控制模块。即hy-srf05超声波模块进行超声波信号发送，并接收反射回的信号，通过处理模块进行信号的转化，处理模块利用超声波的传播速度、超声波发送和接收的间隔时间进行距离的计算，有助于根据与阻挡物的距离实时控制无人机本体的飞行。
所述对地超声波发送接收模块安装在转动机构下方，当飞机电量较低时或无人机自动降落或人为控制飞机降速下降时发送对地超声波信号，并将返回的超声波信号传递至处理模块进行距离计算。对地超声波发送接收模块优选的安装在转动机构下方，有助于对地方向的直接发送及接收；当无人机电量较低时，无人机自动启动对地超声波发送接收模块，能够在无人机电量消耗完之前，返回即时对地的距离数据至使用者，提醒使用者及时降落，且提供的数据能让使用者判断无人机是否需要立即降落，实现了无人机紧急状态的保护；当无人机处于无人控制的状态下运行时，无人机完成分配的任务后能够进行自动降落，在该过程中启动对地超声波发送接收模块能够实现无人机的自动降落保护，避免无人控制下的降落高度、降落速度不确定性；当无人机处于人为控制状态时，下降过程中的降速下降表明无人机已到达使用者认为的缓降基准高度，此时进行对地距离测量能够实时提供距离数据给使用者，使用者可根据实时距离进行无人机的转速调节，从而实现缓降过程。
所述处理模块计算的对地距离在10m以下时，非人为控制状态的无人机通过控制模块增大多个旋翼的转速，减小无人机降落速度。所述控制模块通过调节pwm值，控制电机转速，从而控制多个旋翼的转速；高空无人机在降落的初始阶段时现为旋翼转速较低，无人机进行较快速的降落，当无人机离地面距离10m以下时，属于低空飞行，需要减小降落速度进行缓降才能平稳落地。在缓降的过程中，多个旋翼的升力总和大于无人机初始降落阶段时的升力，但多个旋翼的升力总和仍小于无人机自身重量，从而实现无人机降速的减小，实现缓慢降落。
所述水平超声波发送接收模块安装于转动机构圆柱形外壳的凹槽内，当垂直超声波测量距离小于脚架高度时，控制模块调整当前的旋翼转速维持无人机离地高度并转动转动机构进行多个方向的超声波发送及接收。通过对地超声波模块获得的对地距离小于对地超声波模块与脚架底部的垂直距离时，表明无人机脚架已经部分陷入流体地形中，为了避免无人机机身受到损坏，及时转动转动机构并利用安装于转动机构上的水平超声波发送接收模块进行多个方向的水平测距，获取距离最近的高地位置；同时，在水平测距的过程中，防止无人机进一步下陷，需要调高旋翼转速，此时多个旋翼的升力与无人机自身重量相平衡，维持无人机的离地高度。
所述处理模块获取多个方向的水平距离后，提高无人机的多个旋翼转速进行升空，向水平距离最短的方向前进并再次降落。获取距离最短的高地位置后，进一步提升无人机的旋翼转速从而达到再次升空，并通过控制模块调节多个旋翼转速促使无人机飞向高地位置，并在高地位置再次实施缓降过程。
所述阻风板安装在机身外侧，所述阻风板包括抛物线形外壳，无人机进行缓降时，控制模块驱动阻风板展开。抛物线形外壳的阻风板贴合在无人机侧面，外壳下端与机身链接，通过链接处阻风板可进行转动。无人机非缓降状态时，阻风板贴合机身，对无人机升空不产生影响，当无人机处于缓降状态时，控制模块通过电机驱动阻风板展开，展开的阻风板利用降落时由下而上的风力能够增加无人机本身的升力，进一步减缓降落速度，开口朝下的抛物线形状能够显著增强阻风效果。
所述阻风板展开时与机身侧面的夹角在30°至60°之间。阻风板展开时与机身侧面的夹角小于30°时，阻风板的有效面积小，即与垂直方向上风力的接触面积不足；当阻风板展开时与机身侧面的夹角大于60°时，阻风板的受力过大，容易引起阻风板与机身的连接处损坏；优选的，阻风板展开时与机身侧面的夹角在30°至60°之间。
所述机臂末端设有增稳结构，增稳结构底部设有凹槽，凹槽两侧还设有多个通风孔。无人机降落时，部分风力朝向为垂直向上，当风力进入增稳结构的底部凹槽时，除了增加无人机降落阻力外，从凹槽两侧通风口出去的风力有助于维持无人机平衡，减小降落过程中风力的影响；所述的增稳结构与机臂为一体设计或铰接固定在机臂上。
所述机身内还设有备用电池，当无人机紧急降落或降落过程中垂直超声波测量距离小于脚架高度时进行启用。当无人机电量过低且缓降至流体地形时，需要备用电池提供升空动力，进而帮助无人机降落至高地位置。
与现有技术相比，本实用新型的有益效果为：实时提供无人机的飞行高度，有助于人为控制无人机的使用者进行更准确的飞行控制和降落状态判断，有助于非人为控制的无人机进行自主判断，实现无人控制的缓降过程，避免因降落速度过快与地面发生强力的碰撞而损坏；同时，阻风板进一步增强无人机缓降效果，减小旋翼自身负担，有助于更为微小的飞行控制和调整。进一步的，水平方向的超声波防止无人机降落至流体地形中，保障无人机最后的安全降落。
附图说明
图1为本实用新型的结构视图。
图2为阻风板的立体图。
图3为增稳结构的立体图
图中：1、机身；11、控制模块；12、处理模块；13、超声波装置；131、对地超声波发送接收模块；132、水平超声波发送接收模块；14、转动机构；15、阻风板；2、机臂；21、增稳结构；3、脚架；4、旋翼；5、药箱。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本专利作进一步的说明。其中，本专利实施例附图中相同或相似的标号对应相同或相似的部件，仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；为了更好地说明本专利的实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；本专利中实施例术语“上”、“下”、“左”、“右”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位或以特定的方位构造，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。
实施例1
如图1～图3所示，一种基于hy-srf05超声波模块的无人机自动缓降装置，包括机身1、机臂2、脚架3、旋翼4和药箱5，所述机身包括控制模块11、处理模块12、超声波装置13、转动机构14，所述控制模块11与处理模块12、转动机构14电连接，所述超声波装置13与控制模块11、处理模块12电连接，所述转动机构14安装在机身1下方，包括中心轴和圆柱形外壳，所述超声波装置13还包括对地超声波发送接收模块131、水平超声波发送接收模块132，所述机身1还安装有阻风板15。本实施例中处理模块12采用51单片机，且处理模块12、控制模块11均安装于机身内部；转动机构14可绕中心轴进行360°旋转，且设置为90°、180°、270°、360°四个停顿位置；所述药箱5安装在转动机构14底部，进行农药喷洒；所述超声波装置13采用hy-srf05超声波模块作为基础模块，所述对地超声波发送接收模块131安装在药箱5底部，且对地超声波发送接收模块131与脚架3底部的垂直距离为45cm，所述水平超声波发送接收模块132固定于转动机构14侧面，随转动机构14的转动而转动；阻风板15外壳内部还带有支撑杆，通过机身1内的电机及伸缩轴可对支撑杆进行推拉，从而实现阻风板15的贴合与展开。
当该无人机处于电量低时，控制模块11启动对地的hy-srf05超声波模块131，并不间断发送超声波信号和接收返回的超声波信号，该过程的超声波信号传递至处理模块12后，处理模块12将超声波模拟信号转化为数字信号并根据数字信号计算距离数值。电量低且非人为控制时，无人机立即进行降落；电量低且人为控制时，使用者根据反馈的距离数据及低电量程度判断是否需要立即实施降落。
当无人机处于非人为控制且已完成任务时，无人机启动自动降落，并启动对地超声波发送接收模块131进行测距，通过反馈的距离，实时调整旋翼4速度，实现可控的缓降过程。
当该无人机处于人为控制时，无人机下降过程中降速下降时，控制模块11将启动对地超声波发送接收模块131，通过该模块获取对地距离并返回至使用者，使用者根据对地高度实时调整旋翼4转速。
所述处理模块12计算的对地距离在10m以下时，非人为控制状态的无人机通过控制模块11提升多个旋翼3的转速，减小无人机降落速度。
本实施例中采用的无人机为一种植保无人机，用于规定范围内的农业喷洒，当执行完喷洒任务时，无人机的控制模块11启动对地超声波发送接收装置131，进行对地距离测量并进行降落，降落的初始阶段多个旋翼4转速由控制模块11进行调整，控制模块11调节pwm值，控制电机转速减小，且多个旋翼4旋转产生的总升力f1远小于无人机及药箱5的重量总和g1，无人机呈现快速降落的过程。当对地超声波发送接收模块131及处理模块12获得的距离小于10m时，表面无人机已进入低空飞行状态，需要进一步调整降落过程，实现缓降。进入低空后，控制模块11通过调节pwm值，通过控制电机增大多个旋翼4的转速；此时多个旋翼4的升力总和f2仍小于无人机及药箱5的重量总和g1，但大于降落初始阶段的升力f1，从而实现缓慢降落。
在无人机缓降至地面时，对地超声波发送接收模块131仍继续运行，当测得的对地距离小于模块与脚架3底部的垂直距离45cm且距离仍在缩小时，控制模块11立即增大多个旋翼4的转速，保持多个旋翼4的总升力与无人机、药箱5的重力和相平衡，维持现有的离地高度。同时，安装于转动机构14圆柱形外壳上的水平超声波发送接收模块132启动，转动机构14旋转至停顿位置，待水平超声波发送接收模块132接收到返回的超声波信号后，转动机构14旋转至下一个停顿位置，直至四个方位都完成了超声波发送和接受的过程。处理模块12计算四个方向的水平距离后，增大无人机的多个旋翼4的转速并升空5m，向水平方向上距离最短的方向前进并再次实施缓降。
在无人机缓降至地面时，对地超声波发送接收模块131持续运行，随着多个旋翼4的转速快速减小，测得的对地距离等于45cm或在30cm～45cm之间维持5s不变时，无人机降落完成，超声波装置13、控制模块11、处理系统12关闭。
本实施例中的阻风板15安装在机身1四侧，所述阻风板包括抛物线形外壳，无人机开始缓降时，控制模块11驱动贴合机身1的阻风板15进行展开，展开状态下阻风板15与机身1侧面的夹角为45°；阻风板15进一步增加降落阻力，减缓降落过程。
所述机臂2末端设有增稳结构21，增稳结构21底部设有凹槽，凹槽两侧还设有多个通风孔，增加无人机稳定性的同时，减小风力影响。
所述机身内还设有备用电池，降落接触到地面后，当对地测量距离小于45cm且距离仍在缩小时时进行启用。
显然，本实用新型的上述实施例仅仅是为清楚地说明本实用新型技术方案所作的举例，而并非是对本实用新型的具体实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本实用新型权利要求书的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型权利要求的保护范围之内。
1.一种基于hy-srf05超声波模块的无人机自动缓降装置，包括机身、机臂、脚架和旋翼，所述机身包括控制模块、处理模块、超声波装置、转动机构，所述控制模块与处理模块、转动机构电连接，所述超声波装置与处理模块、控制模块电连接，所述转动机构安装在机身下方，包括中心轴和圆柱形外壳，其特征在于，所述超声波装置还包括对地超声波发送接收模块、水平超声波发送接收模块，所述机身还安装有阻风板。
2.根据权利要求1所述的基于hy-srf05超声波模块的无人机自动缓降装置，其特征在于，所述对地超声波发送接收模块安装在转动机构下方，当无人机电量较低或无人机自动降落或人为控制无人机降速下降时发送对地超声波信号，并将返回的超声波信号传递至处理模块。
3.根据权利要求1所述的基于hy-srf05超声波模块的无人机自动缓降装置，其特征在于，所述超声波装置采用hy-srf05超声波模块发送超声波信号并接收返回的超声波信号，所述超声波信号为模拟信号，处理模块将模拟信号转化为数字信号并根据数字信号计算距离数值。
4.根据权利要求2所述的基于hy-srf05超声波模块的无人机自动缓降装置，其特征在于，所述处理模块计算的对地距离在10m以下时，非人为控制状态的无人机通过控制模块增大多个旋翼的转速，减小无人机降落速度。
5.根据权利要求1所述的基于hy-srf05超声波模块的无人机自动缓降装置，其特征在于，所述水平超声波发送接收模块安装于转动机构圆柱形外壳的侧面，当垂直超声波测量距离小于脚架高度时，控制模块调整旋翼转速以维持无人机当前的离地高度并启动转动机构、水平超声波发送接收模块进行多个方向的超声波发送及接收。
6.根据权利要求5所述的基于hy-srf05超声波模块的无人机自动缓降装置，其特征在于，所述水平超声波发送接收模块获取信号数据后传递至处理模块进行计算，根据计算多个方向的水平距离后，提升无人机的多个旋翼转速以进行升空，向水平方向上距离最短的方向前进并再次降落。
7.根据权利要求1所述的基于hy-srf05超声波模块的无人机自动缓降装置，其特征在于，所述阻风板安装在机身外侧，所述阻风板包括抛物线形外壳，无人机进行降落时，控制模块驱动阻风板展开。
8.根据权利要求7所述的基于hy-srf05超声波模块的无人机自动缓降装置，其特征在于，所述阻风板展开时与机身侧面的夹角在30°至60°之间。
9.根据权利要求1所述的基于hy-srf05超声波模块的无人机自动缓降装置，其特征在于，所述机臂设有增稳结构，用于提高无人机飞行的稳定性，增稳结构底部设有凹槽，凹槽两侧还设有多个通风孔。
10.根据权利要求1所述的基于hy-srf05超声波模块的无人机自动缓降装置，其特征在于，所述机身内还设有备用电池，紧急降落或降落过程中垂直超声波测量距离小于脚架高度时进行启用。
技术总结