可調(diào)式抗風(fēng)性能測試系統(tǒng)的研制

宋瑜清，饒衛(wèi)航，葉雪輝，林敘彬，鄭凱仁

（廣東省農(nóng)業(yè)技術(shù)推廣中心，廣東 廣州 510515）

0 引言

2010 年國內(nèi)出現(xiàn)了首款油動的單旋翼植保無人機，打開了植保作業(yè)的新局面，但植保無人機發(fā)展一直比較緩慢，直到2014 年中央一號文件明確提出“加強農(nóng)業(yè)航空建設(shè)”，中央有關(guān)部門和地方政府先后出臺植保無人機購置補貼政策，吸引了社會資本逐漸投入，國內(nèi)植保無人機產(chǎn)業(yè)出現(xiàn)轉(zhuǎn)折性的發(fā)展。

2016 年，“地面與航空高工效施藥技術(shù)及智能化裝備”和“化學(xué)肥料和農(nóng)藥減施增效綜合技術(shù)研發(fā)”重點項目的啟動，開啟了無人機應(yīng)用于植保的技術(shù)研發(fā)，隨后無人機在植保方面的應(yīng)用得到快速發(fā)展，植保作業(yè)量不斷攀升。

2019 年，我國植保無人機的發(fā)展已經(jīng)趨于成熟，特別是對植保無人機的購機補貼政策加速了植保無人機快速的發(fā)展，技術(shù)不斷突破，產(chǎn)業(yè)鏈也得到進一步的完善。目前，我國植保無人機在裝備總量、作業(yè)面積上位居全球第一，飛控技術(shù)世界領(lǐng)先，并處于發(fā)展上升期。

無人駕駛航空器，又名無人飛行器，俗稱無人機，通過地面遙控或?qū)Ш斤w控可以將其用于農(nóng)林植物保護等領(lǐng)域，農(nóng)業(yè)用無人機通常由飛行平臺、導(dǎo)航飛控、噴灑機構(gòu)3 部分組成，可以實現(xiàn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中藥劑、種子、粉劑的噴灑等操作。

在無人機從事農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的過程中，由于無人機使用環(huán)境的不同會遇到各式各樣的氣流，這些氣流會干擾無人機的飛行狀態(tài)，從而影響無人機的使用效率和作業(yè)效果，因此，無人機需要具備一定的抗風(fēng)能力，使無人機能夠在一定的氣流干擾下保持預(yù)期的飛行狀態(tài)［1-5］。

風(fēng)是植保無人機不可避免的作業(yè)環(huán)境因素，是影響飛機飛行軌跡和飛行姿態(tài)的主要因素［6］。植保無人機受到強風(fēng)擾動時，氣動特性會發(fā)生突變，影響飛機飛行速度、航向、運動軌跡等飛行參數(shù)，進而影響飛機穩(wěn)定性和操作性，造成重噴或漏噴，甚至側(cè)翻或墜落［7］。

現(xiàn)有的測試無人機抗風(fēng)性能的設(shè)備一般使用風(fēng)洞來進行測試，但是風(fēng)洞實驗室造價高，占地大，常用于航空測試，對于造價便宜的民用無人機來說，使用風(fēng)洞實驗室檢測成本過于高昂；并且現(xiàn)有的無人機抗風(fēng)性能的檢測設(shè)備存在移動不便、風(fēng)速固定、風(fēng)的方向不能調(diào)節(jié)等問題，不能滿足多種測試要求。針對現(xiàn)有技術(shù)存在的問題，亟需設(shè)計一種新的可以測試無人機抗風(fēng)性能的測試系統(tǒng)，用以彌補現(xiàn)有技術(shù)的不足［8-11］。

1 系統(tǒng)概述

風(fēng)對植保無人機作業(yè)影響很大，考慮到其作業(yè)大多在野外進行，因此，農(nóng)業(yè)機械推廣鑒定大綱明確規(guī)定其抗風(fēng)性能檢測方法為：航空器在額定起飛質(zhì)量條件下把航空器置于水平風(fēng)向穩(wěn)定、風(fēng)速為6.0 m/s±0.5 m/s 的人工模擬風(fēng)場中，操控其起飛、前飛、后飛、側(cè)飛、轉(zhuǎn)向、懸停、著陸等，植保無人駕駛航空器應(yīng)能正常飛行。

針對植保無人機的抗風(fēng)性能測試要求，設(shè)計一套可調(diào)式抗風(fēng)性能測試系統(tǒng)，該系統(tǒng)滿足輸出風(fēng)速為6.0 m/s±0.5 m/s 的同時，可以進行擴展，輸出風(fēng)速為3.0～7.0 m/s，精確度為±0.5 m/s，該系統(tǒng)包括：造風(fēng)裝置，用于輸出不同風(fēng)速的風(fēng)；控制裝置，用于檢測造風(fēng)裝置的風(fēng)速，并控制造風(fēng)裝置的風(fēng)速大??；數(shù)據(jù)采集裝置，設(shè)置在被測物體（無人機）上，用于采集被測物體（無人機）的抗風(fēng)大小，并將抗風(fēng)大小的數(shù)據(jù)發(fā)送至控制裝置。該系統(tǒng)通過設(shè)置的造風(fēng)裝置，能夠為被測物體（無人機）的抗風(fēng)性能測試提供不同風(fēng)速的風(fēng)，從而更加全面的模擬被測物體（無人機）在使用過程中的氣流環(huán)境；通過在被測物體（無人機）上設(shè)置數(shù)據(jù)采集裝置，能夠全面采集被測物體（無人機）在抗風(fēng)性能測試過程中的抗風(fēng)性能，從而得到被測物體（無人機）在復(fù)雜氣流條件下的抗風(fēng)性能。外觀設(shè)計如圖1 所示。

圖1 外觀設(shè)計圖

2 造風(fēng)裝置及風(fēng)墻設(shè)計

目前普遍使用的植保無人機的外形尺寸為長2.0 m，寬3.0 m，高0.8 m，針對目前情況，有效風(fēng)場空間至少為長2.0 m，寬3.0 m，高0.8 m的長方體，為了測試操作方便，穩(wěn)定性更高，并滿足更寬的測試范圍，本系統(tǒng)設(shè)計長度4.0 m，寬 8.0 m，高2.0 m的長方體風(fēng)場，能將植保無人機（被測物體）包含于其中的氣流場，同時可調(diào)風(fēng)速范圍設(shè)計為3～7 m/s，使風(fēng)速范圍包含（6.0±0.5）m/s，并且四周留有空間，滿足造風(fēng)設(shè)備可以向四周擴展，滿足將來的測試擴展需要。

2.1 造風(fēng)裝置

風(fēng)扇形成的是一個橢圓形的風(fēng)場，如圖2 所示。

圖2 風(fēng)場示意圖

橢圓形風(fēng)場的缺點是中間風(fēng)很穩(wěn)定，邊緣的風(fēng)很不穩(wěn)定，而且當(dāng)很多風(fēng)扇一起啟動時，會減弱或增加2個風(fēng)扇之間的風(fēng)強度，甚至產(chǎn)生風(fēng)旋渦流，從而導(dǎo)致風(fēng)速波動特別大，穩(wěn)定性很差。要解決這個問題，就必須改變每個風(fēng)扇出風(fēng)口的橢圓形風(fēng)場的特點，要改變橢圓形風(fēng)場的特點就必須把風(fēng)場分割為很多小的正方形風(fēng)場，使每個風(fēng)扇的出風(fēng)口規(guī)律地排列為矩陣結(jié)構(gòu)。經(jīng)過不斷的測試，最后確定直徑為40 cm 的風(fēng)扇葉片最為合適，如圖3 所示。每個風(fēng)扇配置1 臺風(fēng)速導(dǎo)流裝置，安裝在風(fēng)扇的出風(fēng)口，導(dǎo)流裝置共有36個小出風(fēng)口，每個均為8 cm×8 cm×20 cm（長寬深），如圖4 所示。同時，為了適合擴展，每個風(fēng)扇既可獨立運行，也可與其他風(fēng)扇同時運行。

圖3 風(fēng)扇

圖4 導(dǎo)流裝置

2.2 風(fēng)墻設(shè)計

為了滿足長4.0 m × 寬 8.0 m × 高2.0 m的長方體風(fēng)場所需，需要設(shè)計長4.0 m × 高2.0 m的風(fēng)墻。經(jīng)過測試和排列，按長度方向8個風(fēng)扇、寬度方向4個風(fēng)扇進行安裝，組成長4.0 m × 高2.0 m的風(fēng)墻，背面如圖5，正面（出風(fēng)口面）如圖6，同時，每個風(fēng)扇剛性地固定在支架上，確保風(fēng)扇不會晃動，支架的底部也剛性地固定在水泥平臺上，保證整個支架不會晃動，同時風(fēng)墻前留有6 m×12 m×8 m 的空間，保證無人機啟動、停止和試飛的有效空間。

圖5 風(fēng)墻背面圖

圖6 風(fēng)墻正面圖

3 控制系統(tǒng)設(shè)計

控制系統(tǒng)主要由PLC 控制器、液晶單板觸摸屏和調(diào)速電頻電機組成，風(fēng)速可調(diào)節(jié)范圍為3～7 m/s，通過軟件和硬件控制，軟件是在PLC 上編寫，控制流程圖如圖7。通過液晶單板觸摸屏進入軟件界面，在該界面可以設(shè)置風(fēng)速，然后通過PLC 控制調(diào)速變頻電機帶動風(fēng)扇按設(shè)置的風(fēng)速運行；同時，如果出現(xiàn)故障等問題，PLC 控制器啟動輔助功能，發(fā)出警告或應(yīng)急停機。同時，編寫的軟件內(nèi)核具備修正功能，可以根據(jù)傳感器反饋的風(fēng)速信息或設(shè)置的風(fēng)速信息，修正輸出風(fēng)速，不斷調(diào)整風(fēng)速，直到風(fēng)速達到設(shè)置的風(fēng)速要求。

圖7 控制流程圖

4 測試結(jié)果分析

該系統(tǒng)主要是針對植保無人機的抗風(fēng)性能進行測試，系統(tǒng)出風(fēng)分別設(shè)置為5 m/s 和6 m/s，在測試風(fēng)場3～10 m 距離內(nèi)，每隔1 m 設(shè)1個測試點，每個測試點重復(fù)3 次，測試結(jié)果如表1 所示。測試數(shù)據(jù)顯示，測試結(jié)果并未隨著距離變化而產(chǎn)生有規(guī)律的變化，相同距離不同出風(fēng)速度的測試結(jié)果也會波動。主要原因是因為該測試系統(tǒng)并非在密閉的空間（或在風(fēng)洞內(nèi)）內(nèi)進行，會受到外界氣流和風(fēng)的影響。

表1 設(shè)置風(fēng)速對應(yīng)下的實測風(fēng)速（環(huán)境風(fēng)速＜1 m/s）m/s

5 結(jié)論

本文研制的可調(diào)式抗風(fēng)性能測試系統(tǒng)，有效風(fēng)場為高2 m，長4 m，寬10 m，風(fēng)速可以調(diào)節(jié)范圍為3～7 m/s。通過測試，當(dāng)風(fēng)速為6 m/s 時，可滿足植保無人機抗風(fēng)能力測試試驗的要求。本系統(tǒng)風(fēng)扇和導(dǎo)流裝置均以獨立風(fēng)扇為單元設(shè)計，可以根據(jù)實際需求向四周擴展風(fēng)場范圍，從而滿足當(dāng)測試條件改變，或無人飛行器外形尺寸改變時的測試需求。