植保無人機(jī)噴霧性能綜合實(shí)驗(yàn)臺設(shè)計(jì)

于海濤，李君興，董云哲，史云天

（吉林省農(nóng)業(yè)機(jī)械研究院，吉林 長春　130022）

植保無人機(jī)噴霧性能綜合實(shí)驗(yàn)臺設(shè)計(jì)

于海濤，李君興，董云哲，史云天

（吉林省農(nóng)業(yè)機(jī)械研究院，吉林 長春130022）

植保無人機(jī)噴霧性能綜合實(shí)驗(yàn)臺的設(shè)計(jì)，可以模擬農(nóng)業(yè)植保無人機(jī)工作狀態(tài)下，對噴頭的壓力、流量、霧錐角、噴幅、霧滴粒徑、霧滴沉積量、霧滴分布規(guī)律、霧滴分布變異系數(shù)等重要參數(shù)的測試，從而為植保無人機(jī)廠家改進(jìn)噴淋系統(tǒng)提供重要的檢測手段。

噴霧實(shí)驗(yàn)臺；植保無人機(jī)；自動(dòng)化控制

近年來農(nóng)業(yè)植保無人機(jī)以其安全、高效的特點(diǎn)迅速占領(lǐng)植保市場，據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，截止2015年末全國植保無人機(jī)廠家約200家。行業(yè)發(fā)展過快，技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)缺失，其核心風(fēng)場作用下噴淋系統(tǒng)測試沒有統(tǒng)一的國家或行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，絕大多數(shù)廠家只能通過大量的野外噴灑作業(yè)累計(jì)經(jīng)驗(yàn)，利用觀察霧滴在植物葉面沉積效果、改進(jìn)噴淋系統(tǒng)，這種方式既費(fèi)時(shí)又費(fèi)力，缺乏科學(xué)的理論支撐，而且野外實(shí)驗(yàn)環(huán)境變量較多，實(shí)驗(yàn)往往不具有可重復(fù)性，所得數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確，實(shí)際霧滴分布規(guī)律及作用效果很難準(zhǔn)確掌握。因此，文章依據(jù)無人機(jī)噴灑性能特點(diǎn)和現(xiàn)有國家標(biāo)準(zhǔn)，利用計(jì)算機(jī)視覺圖像處理技術(shù)、超聲波精確測距技術(shù)、傳感器耦合技術(shù)和計(jì)算機(jī)綜合控制技術(shù)，可以自動(dòng)并精確的測量各個(gè)數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)對植保無人機(jī)噴灑各項(xiàng)指標(biāo)的測定，從而開發(fā)出一種適合植保無人機(jī)噴灑性能測試的室內(nèi)模擬測試平臺。

1　技術(shù)原理

本實(shí)驗(yàn)臺的設(shè)計(jì)依據(jù)：GB/T 20183.1-2006噴霧機(jī)噴頭試驗(yàn)方法，GB/T 20183.2-2006液力噴霧機(jī)試驗(yàn)方法，GB/T 24677.2-2009噴桿噴霧機(jī)試驗(yàn)方法。通過將待測植保無人機(jī)固定于獨(dú)立小車的垳架上，調(diào)節(jié)無人機(jī)距集霧槽的相對作業(yè)高度和實(shí)際作業(yè)中的飛行傾角，完成室內(nèi)模擬植保無人機(jī)工作時(shí)的噴霧性能測試。上述實(shí)驗(yàn)平臺可直接測得的植保無人機(jī)噴淋系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)參數(shù)有：流量、噴頭壓力、霧錐角、霧滴粒徑等直接參數(shù)。實(shí)驗(yàn)完成后，通過液壓機(jī)構(gòu)提升集液槽，將集液槽中收集的液體倒入試管中，利用超聲波液位傳感器完成無人機(jī)噴淋橫向分布測試，從而判定該噴淋系統(tǒng)的噴霧一致性是否達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

2　系統(tǒng)設(shè)計(jì)

（1）機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分析。本實(shí)驗(yàn)臺主要包括：超聲波液位測試車和機(jī)架系統(tǒng)、實(shí)驗(yàn)臺主機(jī)架、壓力傳感器、U型集霧槽、試管架和翻轉(zhuǎn)系統(tǒng)、流量傳感器、無人機(jī)固定升降小車、高速攝影機(jī)、霧滴測試儀等組成。

實(shí)驗(yàn)臺集霧槽設(shè)計(jì)總長為5m、寬為2.4m、高為1.2m，參照ISO 5682-2標(biāo)準(zhǔn)U型集霧槽開口設(shè)計(jì)成50mm，合計(jì)100個(gè)。因無人機(jī)工作時(shí)存在向下的風(fēng)場，在地面效應(yīng)作用下使得霧滴存在反彈的現(xiàn)象。因此設(shè)計(jì)成雙V型集霧槽，下端加入高速旋轉(zhuǎn)的空心轉(zhuǎn)筒，不僅形成負(fù)壓可以有效的將風(fēng)場順利導(dǎo)出避免地面效應(yīng)，同時(shí)也能破壞液體分子的表面張力，不會(huì)過多的吸附和殘留，保證測試結(jié)果的準(zhǔn)確性。實(shí)驗(yàn)完成后，通過U型集霧槽的翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，集霧槽產(chǎn)生最大15°的傾角，每個(gè)槽中收集的液體將流入前端試管中。利用超聲波液位測試車在獨(dú)立機(jī)架軌道的運(yùn)動(dòng)，配合光電定位耦合開關(guān)，可以順利測出每個(gè)試管的液位高度。無人機(jī)固定系統(tǒng)采用龍門車，框架使用鋁合金型材，防腐防銹。垳架下方利用法蘭盤與無人機(jī)固定，利用電機(jī)驅(qū)動(dòng)鏈傳動(dòng)，調(diào)節(jié)垳架的高度范圍在2～5m，實(shí)現(xiàn)模擬飛機(jī)作業(yè)的飛行高度。利用電動(dòng)角度調(diào)整臺，將法蘭盤固定到垳架上，角度調(diào)節(jié)范圍在0～30°，實(shí)現(xiàn)模擬飛機(jī)實(shí)際飛行中的飛行傾角。

（2）電器控制系統(tǒng)分析。通過PLC控制器和控制柜，可以實(shí)現(xiàn)對超聲波液位測試車、集霧槽翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、無人機(jī)高度調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)、無人機(jī)角度調(diào)整臺等機(jī)構(gòu)的精確控制，原理圖如圖1所示。通過流量傳感器、壓力傳感器可以準(zhǔn)確測得當(dāng)前噴淋系統(tǒng)的技術(shù)參數(shù)，液位傳感器可以測得霧滴的橫向分布。由PLC的控制程序，配合接近開關(guān)和控制器柜，實(shí)現(xiàn)試管架在接水、傾倒和測量位置的連續(xù)自動(dòng)定位。

圖1　實(shí)驗(yàn)臺電器原理圖

（3）數(shù)據(jù)圖像處理分析。實(shí)驗(yàn)臺在無人機(jī)噴霧工作過程中，利用高速攝影機(jī)對噴頭進(jìn)行連續(xù)照相，對圖像進(jìn)行過濾和背景噪聲處理，進(jìn)行邊緣銳化提取，可利用最小二乘法得到邊界夾角值，即為霧錐角。為了降低因風(fēng)場的存在引起的霧錐角變化，應(yīng)提取多幅有效圖像，并計(jì)算取平均值，可以有效提高霧錐角的測試準(zhǔn)確性。

3　結(jié)語

本實(shí)驗(yàn)臺采用先進(jìn)的技術(shù)和檢測手段，可以檢測值保無人機(jī)噴淋系統(tǒng)的各項(xiàng)技術(shù)參數(shù)，實(shí)現(xiàn)了室內(nèi)模擬植保無人機(jī)工作時(shí)的噴淋狀態(tài)，使得霧滴分布測試結(jié)果更具有實(shí)際意義，彌補(bǔ)了現(xiàn)階段植保無人機(jī)領(lǐng)域，無人機(jī)工作狀態(tài)下霧滴分布檢測手段的空白。

［1］薛新宇，柳平增，龔艷，等.噴頭綜合性能測試試驗(yàn)臺的研制及應(yīng)用［J］.中國農(nóng)機(jī)化，2006，（2）：94-96.

［2］張紅霞，張偉，胡軍，等.噴霧機(jī)械綜合實(shí)驗(yàn)臺的設(shè)計(jì)［J］.農(nóng)機(jī)化研究，2006，（7）：93-95.

［3］蔡曉華，楊存志，吳澤全.噴霧性能試驗(yàn)臺的設(shè)計(jì)與研究［J］.農(nóng)機(jī)化研究，2013，（5）：147-150.

Plant Protection Design of UAV Spray Performance Comprehensive Experimental Platform

YU Hai-tao，LI Jun-xing，DONG Yun-zhe，SHI Yun-tian
（Jilin Academy of Agricultural Machinery，Changchun，Jilin 130022，China）

Plant protection design of UAV spray performance comprehensive experimental platform can simulate the agricultural plant protection UAV operating conditions on the nozzle pressure，flow rate，spray angle，spray painting，droplet size，droplet deposition，droplet distribution.Droplet distribution coefficient of variation is an important parameter of the test，which provides an important means of detection for the protection of UAV manufacturers improved spray system.

spray testing bed；plant protection of UAV；automatic controlling

S491

A

2095-980X（2016）09-0038-01

2016-08-23

于海濤（1983-），男，吉林大安人，工程師，主要從事農(nóng)業(yè)植保無人機(jī)設(shè)計(jì)工作。