[0001] 本发明涉及无人机控制领域，具体涉及一种喷涂机器人及喷涂方法。

[0002] 目前市场上的喷涂无人机，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。

[0003] 为了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，目前提出了一些解决方案，例如中国专利CN108438227A中公开了一种基于多旋翼无人机飞行平
台的侧向喷涂构造，包括与多旋翼无人机飞行平台相连接的机架、喷涂装置和平衡控制系
统；喷涂装置安装于机架，且其喷涂口朝向机架的前方；平衡控制系统包括安装于机架的位
于喷涂装置喷涂口的后方的动力供应装置(两螺旋桨)、安装于喷涂装置的检测装置和控制
动力供应及分配装置运行的主控处理器。虽然该侧向喷涂结构提供了一个平衡喷涂装置反
作用的平衡力，保证喷涂作业时无人机平台姿态的稳定。但是，在无人机平台上装载喷涂装
置，增加了其负载，过重的平台在进行姿态控制时容易因惯性等因素的影响而降低精度，且
能源消耗大。由于该喷涂构造的限制，只能对距离稍远一些的面进行喷涂，距离太近无人机
平台无法靠近飞行，适用范围小。

[0020] 下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术
人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

[0021] 在本发明的描述中，需要说明的是，本文所用的术语仅用于描述特定实施例的目的，而并非旨在限制本发明。除非上下文明确指出，否则如本文中所使用的单数形式“一”、“一个”和“该”等意图也包括复数形式。使用“包括”和/或“包含”等术语时，是意图说明存在该特征、整数、步骤、操作、元素和/或组件，而不排除一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元素、组件、和/或其他组合的存在或增加。术语“和/或”包括一个或多个相关列出项目的任何和所有组合。术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”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，仅是为了便于描述本发明和简化描
述，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、以特定的方位构造和操作，
因此不能理解为对本发明的限制。术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，还可以是两个元件内部的连通，可以是无线连接，也
可以是有线连接。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明
中的具体含义。

[0022] 另外，可以理解的是，术语控制器/控制单元指的是包括存储器和处理器的硬件设备。存储器被配置成存储模块，处理器被专门配置成执行上述存储模块中存储的过程，从而
执行一个或多个过程。

[0023] 此外，下面所描述的本发明不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。

[0024] 实施例1本实施例提供一种喷涂机器人，如图1、图2和图6所示，包括：无人机1、系留绳2和地面
小车3；例如无人机1为四旋翼无人机或其他。

[0025] 无人机1包括喷涂反作用力调节装置、四旋翼安装座14、伸缩长杆装置15、转向装置16、喷涂装置17和距离和角度检测装置18；四旋翼安装座14与无人机的四旋翼连接；伸缩
长杆装置15安装位于四旋翼安装座14的重心位置处的正下方，包括可伸缩调节的长杆，用
于带动喷涂装置17随长杆的伸缩调节而前后移动；转向装置16包括固定座61和旋转体62，
固定座61与伸缩长杆装置15的一端连接，旋转体62与喷涂装置17连接，用于带动喷涂装置
17随旋转体62的旋转调节而左右转动；喷涂装置17用于喷射出实施喷涂的液体；喷涂反作
用力调节装置与伸缩长杆装置15的另一端连接，用于产生与喷涂装置17喷射液体时对无人
机的作用力一对的反作用力；距离和角度检测装置18安装在喷涂装置17上，用于检测待喷
涂面与喷涂装置17之间的距离和角度，例如可选用光学测距仪等；系留绳2包括系留绳限位
装置21，系留绳限位装置21安装在四旋翼安装座14重心位置处正下方的伸缩长杆装置15下
方，用于固定与无人机1相连的系留绳2；系留绳2用于输送无人机供电电力、传输控制信号
和输送实施喷涂的液体；地面小车3分别与喷涂反作用力调节装置、伸缩长杆装置15、转向
装置16和喷涂装置17通过系留绳2连接，用于控制喷涂反作用力调节装置、伸缩长杆装置
15、转向装置16和喷涂装置17，以及储存实施喷涂的液体。

[0026] 上述喷涂机器人，采用无人机系留技术，即无人机与地面小车使用能源线缆连接。无人机的电力、喷涂清洗介质的供给、控制信号的处理等全部放置于地面小车上，当控制器
中输入控制参数后，地面小车的控制器例如通过GPS/北斗定位模块等控制地面小车行驶至
预定位置，无人机起飞同时，地面小车上的系留卷扬装置通过张力控制器控制卷扬的卷筒
随无人机的起飞速度释放系留绳；无人机飞到预设的工作高度后反馈地面小车，地面小车
控制储液装置内的喷涂液体通过系留绳送至无人机喷涂装置；喷涂装置在地面小车输送喷
涂液体时也同步打开其所携带的辅助增压泵，此时液体从无人机前端的喷头喷出完成清洗
或者喷涂动作。通过安装在伸缩长杆装置另一端（即无人机尾部）的喷涂反作用力调节装置
来克服喷涂过程中喷头喷出的液体对无人机产生的作用力。当同一高度作业完成后无人机
下降或者升起以继续作业。

[0027] 优选地，如图1和图2所示，所述喷涂反作用力调节装置包括第一螺旋桨11、第二螺旋桨12和第三螺旋桨13；第一螺旋桨11安装在伸缩长杆装置15另一端的尾部，用于产生向
前的反作用力；第二螺旋桨12安装在伸缩长杆装置15另一端的左侧，用于产生向右的反作
用力；第三螺旋桨13安装在伸缩长杆装置15另一端的右侧，用于产生向左的反作用力。沿着
液体喷射方向为向前方向，以视线沿喷射方向后左方为向左方向，右方为向右方向。通过三
个螺旋桨的组合，扩大了反作用力的可调节方向，适用多方位喷涂。

[0028] 优选地，如图3和图4所示，所述转向装置16的固定座61包括轴承611、弧形弹性件612和充气圈613；固定座61上开设有垂向的通孔，轴承611安装在通孔内，固定座61和旋转
体62之间通过轴承611连接；弧形弹性件612为弹性材料制成，其一端与通孔内壁连接，另一
端为向一端处弯卷的自由活动端，一端与另一端围绕形成弯钩部，用于在受力伸展时弯钩
部扩大以接触旋转体62并限制其转动；充气圈613位于弯钩部内，用于充放气使弯钩部扩大
或恢复原状。

[0029] 优选地，所述旋转体62包括转轴621、定位齿轮622和周转齿轮623；转轴621串接在轴承611上，用于带动定位齿轮622转动；定位齿轮622套装在转轴621的一端；周转齿轮623
与定位齿轮622啮合连接，沿定位齿轮622的圆周向转动，用于驱动连接在其上的喷涂装置
17随其左右转动。

[0030] 当喷涂装置17转动到位后需要限制喷涂装置17转动时，如图4所示，控制充气圈613充气使弧形弹性件612的弯钩部扩大以接触转轴621并限制转轴621转动，当喷涂装置17
需要再次转动时，控制充气圈613放气使弧形弹性件612恢复原状即可。一般由于喷涂时所
产生的作用力较大，为了避免喷涂装置在喷涂时产生不必要的转动，通过设置主要由弧形
弹性件和充气圈构成的锁定结构，可以在喷涂时限制喷涂装置的转动，从而提高喷涂精度。
通过采用弧形弹性件和充气圈，可以根据喷涂时喷头喷射液体所产生的不同作用力而调整
充气圈的充气量，从而获得弧形弹性件不同的形变程度，进而产生不同的制动力，防止弧形
弹性件的过量磨损，延长使用寿命。

[0031] 优选地，如图5所示，所述喷涂装置17包括辅助增压泵71、喷头72和喷罩73；辅助增压泵71与喷头72连接，用于提高喷头72喷射出液体的速度；喷罩73套设在喷头72上，用于限
制液体的喷射范围。优选地，距离和角度检测装置18安装在喷罩73的上端面位置处，可检测
喷罩73端面与待喷涂面之间的距离和夹角。通过设置辅助增压泵，提高了喷涂距离，扩大了
适用范围。通过设置喷罩，防止喷液四处飞溅，提高了喷涂精度。

[0032] 优选地，所述系留绳2包括电力线缆、控制线缆和介质输送线缆；电力线缆用于输送无人机供电电力；控制线缆采用光纤线缆，用于传输控制信号；介质输送线缆用于输送实
施喷涂的液体。例如，电力线缆为24V直流供电缆线，控制线缆使用0.8mm光纤通信缆线，介
质输送线缆选用12mm柔性胶管。优选地，系留绳2的外管可采用不易受压变形的材质较硬的
软管，被收卷在卷筒上时也不会影响系留绳内液体的输送。

[0033] 优选地，如图6所示，所述地面小车3包括系留卷扬装置31、控制器32和储液装置33；系留卷扬装置31用于收卷和释放在其上卷绕的系留绳2；控制器32用于实施对喷涂反作
用力调节装置、伸缩长杆装置15、转向装置16、喷涂装置17、系留卷扬装置31和储液装置33
的自动控制；储液装置33用于储存和输出实施喷涂的液体。

[0034] 上述喷涂机器人，由于无人机上不装载供电设备和储液设备，极大地减小了无人机重量，降低了能耗，具有功率小的优点，提高了姿态控制精度，并提高了喷涂精度。通过设置伸缩长杆装置，增加了喷涂距离，扩大了适用范围。通过地面小车实施电力供应，使喷涂
机器人具有置空时间长的优点。

[0035] 实施例2喷涂预备：当地面小车控制器中输入控制参数后，例如通过GPS/北斗定位模块等控制
地面小车行驶至预定位置，无人机起飞同时，地面小车上的系留卷扬装置通过张力控制器
控制卷扬的卷筒随无人机的起飞速度释放系留绳；无人机飞到预设的工作高度后反馈地面
小车，地面小车控制储液装置内的喷涂液体通过系留绳送至无人机喷涂装置。

[0036] 在完成了喷涂预备步骤之后，本实施例提供一种喷涂方法，可应用于控制器32，以完成喷涂。如图7所示，该喷涂方法包括以下步骤：
S1、获取距离和角度检测装置18所检测的喷罩73端面与待喷涂面之间的夹角；
S2、判断喷罩73端面与待喷涂面之间的夹角是否为0；当喷罩73端面与待喷涂面之间的
夹角为0时，进入S3；当喷罩73端面与待喷涂面之间的夹角不为0时，进入S9；
S3、获取距离和角度检测装置18所检测的喷罩73端面与待喷涂面之间的距离；
S4、判断喷罩73端面与待喷涂面之间的距离是否大于或等于安全飞行距离，安全飞行
距离为无人机在满足安全飞行条件的情况下能距离待喷涂面的最小距离；当喷罩73端面与
待喷涂面之间的距离大于或等于安全飞行距离时，进入S5；当喷罩73端面与待喷涂面之间
的距离小于安全飞行距离时，调整无人机姿态使其向远离待喷涂面的方向飞行，直至飞行
到安全飞行距离以外；
S5、判断喷罩73端面与待喷涂面之间的距离是否小于或等于最大喷涂距离，最大喷涂
距离为喷涂装置17能使液体喷射出的最大距离；当喷罩73端面与待喷涂面之间的距离小于
或等于最大喷涂距离时，进入步骤S6；当喷罩73端面与待喷涂面之间的距离大于最大喷涂
距离时，进入步骤S7；
S6、控制辅助增压泵71开启使喷涂液体从喷头72喷射出，同时控制第一螺旋桨11转动
使其产生的向前的反作用力力矩等于喷射作用力力矩。

[0037] 优选地，喷涂方法还包括以下步骤：S7、控制伸缩长杆装置15伸长带动喷涂装置17向前移动，使喷罩73端面位于距待喷涂
面之间的距离小于或等于最大喷涂距离的位置处；
S8、控制辅助增压泵71开启使喷涂液体从喷头72喷射出，同时控制第一螺旋桨11转动
使其产生的向前的反作用力力矩等于喷射作用力力矩。

[0038] 优选地，喷涂方法还包括以下步骤：S9、控制转轴621带动定位齿轮622转动以驱动周转齿轮623圆周向转动，使喷涂装置17
随着左右转动，直至使喷罩73端面与待喷涂面之间的夹角为0，并记录喷涂装置17转动的方
向和角度；
S10、控制充气圈613充气使弧形弹性件612的弯钩部扩大以接触转轴621并限制转轴
621转动；当下次转轴621需要控制转动时使充气圈613放气；
S11、获取距离和角度检测装置18所检测的喷罩73端面与待喷涂面之间的距离；
S12、判断喷罩73端面与待喷涂面之间的距离是否大于或等于安全飞行距离；当喷罩73
端面与待喷涂面之间的距离大于或等于安全飞行距离时，进入S13；当喷罩73端面与待喷涂
面之间的距离小于安全飞行距离时，调整无人机姿态使其向远离待喷涂面的方向飞行，直
至飞行到安全飞行距离以外；
S13、判断喷罩73端面与待喷涂面之间的距离是否小于或等于最大喷涂距离；当喷罩73
端面与待喷涂面之间的距离小于或等于最大喷涂距离时，进入S14；当喷罩73端面与待喷涂
面之间的距离大于最大喷涂距离时，进入S15；
S14、控制辅助增压泵71开启使喷涂液体从喷头72喷射出，同时根据喷涂装置17转动的
方向和角度，控制第一螺旋桨11和第二螺旋桨12的组合或者第一螺旋桨11和第三螺旋桨13
的组合进行转动，使其产生的向前右或向前左的反作用力力矩等于喷射作用力力矩。优选
地，当喷涂装置17向左转动时，控制第一螺旋桨11和第三螺旋桨13的组合进行转动；当喷涂
装置17向右转动时，控制第一螺旋桨11和第二螺旋桨12的组合进行转动；以使无人机在喷
涂时平衡不动，提高喷涂精度。

[0039] 优选地，喷涂方法还包括以下步骤：S15、控制伸缩长杆装置15伸长带动喷涂装置17向前移动，使喷罩73端面位于距待喷涂
面之间的距离小于或等于最大喷涂距离的位置处；
S16、控制辅助增压泵71开启使喷涂液体从喷头72喷射出，同时根据喷涂装置17转动的
方向和角度，控制第一螺旋桨11和第二螺旋桨12的组合或者第一螺旋桨11和第三螺旋桨13
的组合进行转动，使其产生的向前右或向前左的反作用力力矩等于喷射作用力力矩。优选
地，当喷涂装置17向左转动时，控制第一螺旋桨11和第三螺旋桨13的组合进行转动；当喷涂
装置17向右转动时，控制第一螺旋桨11和第二螺旋桨12的组合进行转动
上述喷涂方法，通过在控制无人机飞行到达预设位置后，再进行喷罩端面与待喷涂面
之间的夹角和距离的判断，以实施喷涂装置位置的精确调整，从而提高了喷涂精度。并且依
据喷涂装置的旋转方向和角度，选用第一、第二、第三螺旋桨中的不同组合，以产生合适的
反作用力，保证了喷涂时无人机的稳定，进一步提高了喷涂精度，也扩大了可喷涂面的形状
范畴，扩大了适用范围。

[0040] 显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。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。而由此所引伸出的显而易见的变化或
变动仍处于本发明创造的保护范围之中。