植保無人機噴霧性能綜合實驗臺設計

于海濤，李君興，董云哲，史云天

（吉林省農(nóng)業(yè)機械研究院，吉林 長春　130022）

植保無人機噴霧性能綜合實驗臺設計

于海濤，李君興，董云哲，史云天

（吉林省農(nóng)業(yè)機械研究院，吉林 長春130022）

植保無人機噴霧性能綜合實驗臺的設計，可以模擬農(nóng)業(yè)植保無人機工作狀態(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，從而為植保無人機廠家改進噴淋系統(tǒng)提供重要的檢測手段。

噴霧實驗臺；植保無人機；自動化控制

近年來農(nóng)業(yè)植保無人機以其安全、高效的特點迅速占領植保市場，據(jù)不完全統(tǒng)計，截止2015年末全國植保無人機廠家約200家。行業(yè)發(fā)展過快，技術標準缺失，其核心風場作用下噴淋系統(tǒng)測試沒有統(tǒng)一的國家或行業(yè)標準，絕大多數(shù)廠家只能通過大量的野外噴灑作業(yè)累計經(jīng)驗，利用觀察霧滴在植物葉面沉積效果、改進噴淋系統(tǒng)，這種方式既費時又費力，缺乏科學的理論支撐，而且野外實驗環(huán)境變量較多，實驗往往不具有可重復性，所得數(shù)據(jù)不準確，實際霧滴分布規(guī)律及作用效果很難準確掌握。因此，文章依據(jù)無人機噴灑性能特點和現(xiàn)有國家標準，利用計算機視覺圖像處理技術、超聲波精確測距技術、傳感器耦合技術和計算機綜合控制技術，可以自動并精確的測量各個數(shù)據(jù)，實現(xiàn)對植保無人機噴灑各項指標的測定，從而開發(fā)出一種適合植保無人機噴灑性能測試的室內(nèi)模擬測試平臺。

1　技術原理

本實驗臺的設計依據(jù)：GB/T 20183.1-2006噴霧機噴頭試驗方法，GB/T 20183.2-2006液力噴霧機試驗方法，GB/T 24677.2-2009噴桿噴霧機試驗方法。通過將待測植保無人機固定于獨立小車的垳架上，調(diào)節(jié)無人機距集霧槽的相對作業(yè)高度和實際作業(yè)中的飛行傾角，完成室內(nèi)模擬植保無人機工作時的噴霧性能測試。上述實驗平臺可直接測得的植保無人機噴淋系統(tǒng)的實驗參數(shù)有：流量、噴頭壓力、霧錐角、霧滴粒徑等直接參數(shù)。實驗完成后，通過液壓機構提升集液槽，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到設計要求。

2　系統(tǒng)設計

（1）機械結構設計分析。本實驗臺主要包括：超聲波液位測試車和機架系統(tǒng)、實驗臺主機架、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、無人機固定升降小車、高速攝影機、霧滴測試儀等組成。

實驗臺集霧槽設計總長為5m、寬為2.4m、高為1.2m，參照ISO 5682-2標準U型集霧槽開口設計成50mm，合計100個。因無人機工作時存在向下的風場，在地面效應作用下使得霧滴存在反彈的現(xiàn)象。因此設計成雙V型集霧槽，下端加入高速旋轉(zhuǎn)的空心轉(zhuǎn)筒，不僅形成負壓可以有效的將風場順利導出避免地面效應，同時也能破壞液體分子的表面張力，不會過多的吸附和殘留，保證測試結果的準確性。實驗完成后，通過U型集霧槽的翻轉(zhuǎn)機構，集霧槽產(chǎn)生最大15°的傾角，每個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立機架軌道的運動，配合光電定位耦合開關，可以順利測出每個試管的液位高度。無人機固定系統(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固定，利用電機驅(qū)動鏈傳動，調(diào)節(jié)垳架的高度范圍在2～5m，實現(xiàn)模擬飛機作業(yè)的飛行高度。利用電動角度調(diào)整臺，將法蘭盤固定到垳架上，角度調(diào)節(jié)范圍在0～30°，實現(xiàn)模擬飛機實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，可以實現(xiàn)對超聲波液位測試車、集霧槽翻轉(zhuǎn)機構、無人機高度調(diào)節(jié)機構、無人機角度調(diào)整臺等機構的精確控制，原理圖如圖1所示。通過流量傳感器、壓力傳感器可以準確測得當前噴淋系統(tǒng)的技術參數(shù)，液位傳感器可以測得霧滴的橫向分布。由PLC的控制程序，配合接近開關和控制器柜，實現(xiàn)試管架在接水、傾倒和測量位置的連續(xù)自動定位。

圖1　實驗臺電器原理圖

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

3　結語

本實驗臺采用先進的技術和檢測手段，可以檢測值保無人機噴淋系統(tǒng)的各項技術參數(shù)，實現(xiàn)了室內(nèi)模擬植保無人機工作時的噴淋狀態(tài)，使得霧滴分布測試結果更具有實際意義，彌補了現(xiàn)階段植保無人機領域，無人機工作狀態(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臺的研制及應用［J］.中國農(nóng)機化，2006，（2）：94-96.

［2］張紅霞，張偉，胡軍，等.噴霧機械綜合實驗臺的設計［J］.農(nóng)機化研究，2006，（7）：93-95.

［3］蔡曉華，楊存志，吳澤全.噴霧性能試驗臺的設計與研究［J］.農(nóng)機化研究，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)植保無人機設計工作。