不同形狀植保無人機藥箱防晃性能對比試驗

于金友 范 鑫 尚德林 韓 鑫

(山東理工大學農業工程與食品科學學院，山東 淄博 255000)

0 引言

我國的農業發展還面臨著許多問題，最主要的問題在于生產效率低下，農業規模化、機械化程度低，近年來隨著農業航空技術的飛速發展，農業生產機械化程度較低的問題正在逐步得到改善，但相較于一些發達國家，我國農業航空技術還有諸多不足[1-2]。

伴隨植保無人機技術與裝備的快速發展[3]，人們對植保無人機藥箱防晃/防浪涌性能的要求越來越高。植保無人機在作業過程中經常做出起飛、降落、急停、轉向、平移、繞點旋轉和仿地飛行等動作，此時藥箱內的藥液在激勵的作用下進行劇烈晃動，無疑會對植保無人機的整機作業性能產生很大影響，包括飛行安全性、軌跡精準性、作業精確性和動力續航性等[4-5]。此外，隨著作業過程中藥箱充液比的下降，這種晃動會變得愈加劇烈和明顯[6]，嚴重時甚至會造成墜機等事故，大大影響其作業質量、作業效率和飛行安全。因此，植保無人機藥箱本身的防晃性能也顯得尤為重要。

1 實驗材料與方法

1.1 試驗對象

韋加八旋翼植保無人機錐形藥箱、高科新農S40單旋翼植保無人機U型藥箱。

1.2 試驗材料

藥箱晃動激勵由六自由度運動平臺提供；在藥箱內壁安裝水壓力傳感器，采集晃動時藥箱內藥液對藥箱內壁的壓力[7]。

1.3 藥箱工況選擇

(1)水平加速度(外界激勵)。

植保無人機在飛行作業過程中，會經常進行起飛、急停、轉向、仿地飛行、繞點旋轉(果樹模式)等飛行姿態，其中當植保無人機出現起飛、急停、轉向這3種飛行姿態時，本質上相當于給植保無人機藥箱一個水平的加速度激勵，而植保無人機在飛行作業時最佳也是最常用的飛行速度為4～8m/s，取其平均數為6m/s，同時利用極飛p30的實飛測量，得到植保無人機速度從0～6m/s的加速時間為2s，通過加速度公式：

Vt=V0+at

(1)

公式1可變形為：

a=(Vt-V0)/t

(2)

公式中：V0為植保無人機的初始速度，即0m/s：Vt為植保無人機終止速度，即t為植保無人機的加速時間，即2s，通過計算可以得出a=3m/s2。當使用試驗臺進行模擬試驗時，給植保無人機藥箱一個3m/s2的加速度即可模擬植保無人機在起飛、急停、轉向時的藥箱工況。

(2)充液比。

本文研究對象為植保無人機藥箱，在植保無人機飛行作業的過程中，隨著藥液噴施的不斷進行，藥箱中藥液也會隨之不斷減少，藥箱的充液率呈線性比例下降，我們需要考慮之后試驗時藥箱的試驗工況能夠最大限度上包含植保無人機飛行作業是藥液減少的整個過程。而且有前期實驗表明，在儲液箱內充液比過低時，過少的液量難以形成有效的晃動力，所以我們選擇充液比梯度時可以從0.3開始，然后依次增加0.2，即試驗中選擇藥箱充液比0.3、0.5、0.7、0.9為研究對象。

1.4 實驗設計

本文中所設計的試驗臺的動力輸出是一款六自由度運動平臺，它是由六支直線伺服電動缸，與上平臺、下平臺分別通過六支萬向節鉸鏈和球籠聯軸器連接，在其上平臺通過固定夾固定有專門的藥箱夾持裝置，通過藥箱夾持裝置，將被測藥箱固定于上平臺，之后在測試用植保無人機藥箱布放、粘貼所有數據采集組件，借助藥箱夾持組件將布設好傳感器及線路的測試用植保無人機藥箱安裝、固定于試驗臺上，根據實驗方案中的不同工況，啟動試驗臺收集壓力數據。

表1 實驗設計

2 實驗結果與分析

2.1 圓柱形藥箱

在農業航空領域，植保無人機藥箱最通用就是矩形藥箱，其次便是圓柱形藥箱。圓形不藥箱適合用作比較小型的儲藥裝置，一般當儲水體積大約20L以上，隨著水箱儲水的不斷增多，對水箱底部的壓力會越來越大，底部板材的厚度也需要相應地加厚，這時如果繼續選擇圓形水箱的話，就會增加生產的成本。因此圓柱形藥箱一般應用于多藥箱機型。

圖1為圓柱形植保無人機藥箱0.3、0.5、0.7、0.9充液比時，在水平加速度為3m/s2時，藥箱內部內壁參考面上的受力曲線圖，從圖中可以看出，壓力曲線上的峰值大小和峰值到達時間與矩形藥箱同充液比時相比幾乎沒有差別。但從總體趨勢來看，圓柱形藥箱內壁的壓力變化趨勢相對于矩形藥箱更加平滑，在藥箱內壁壓力恢復到初始靜壓的過程中壓力的波動起伏相較較小，這種比較在充液比0.9時最為明顯，根據圖1我們可以明顯看出，圓柱形藥箱充液比0.9時的壓力線在3s之后就基本沒有什么上下起伏，根據上文數值模擬中的氣液兩相圖，我們可以推論這是由于當施加激勵后藥液在藥箱內作往復運動，藥液因為慣性水平沖擊藥性內壁時，圓柱形藥箱由于內壁兩側為圓弧形，藥液在沖擊內壁的同時，藥液會沿內壁沖擊點向兩側分散，同時瞬時壓力也會相應地減小，這就導致同樣的激勵下，圓柱形藥箱內壁壓力曲線的走勢相較于矩形藥箱更為平滑。

圖1 圓柱形藥箱不同充液比下內壁壓力變化

同時我們通過表2可以看出，隨著充液比的增大，藥箱內壁壓力峰值發生的時間依次遞減，其中充液比0.3～0.7之間壓力峰值的大小呈遞增趨勢，而在充液比0.9時峰值出現不合規律地下降。結合上文數值模擬的氣液兩相圖，我們可以大致推測，在充液比0.7～0.9時，藥箱內藥液晃動程度最為劇烈，隨著藥液充液比的繼續增大，藥箱接近滿載時，由于晃動時藥液在藥箱內的晃動空間減小，晃動程度減弱。因此，我們可以建議在植保無人機飛行作業時盡量將藥箱加滿。

表2 平激勵下內壁上峰值壓力大小和發生時間

2.2 U型藥箱

本文實驗中所使用的U型藥箱為高科新農S40單旋翼電動農用無人機的藥箱，高科新農S40農用無人機機身較為細長，U型藥箱以鑲嵌的方式固定在無人機下方，除開能夠承載大重量的藥液，還能夠起到平衡機身的作用，而且相較于上文所列舉的矩形藥箱、圓柱形藥箱等這些傳統的典型藥箱，U型的形狀將藥箱空間制成扁平狀，減小了藥液在外力作用下在藥箱內晃動的空間，本身就具有一定的防晃功能。

圖2 U型藥箱不同充液比下內壁壓力變化

圖2為U型植保無人機藥箱0.3、0.5、0.7、0.9充液比時，在水平加速度為3m/s2時，藥箱內部內壁參考面上的受力曲線圖，結合圖4U型藥箱不同充液比的示意圖可以看出，當U型藥箱充液比為0.3時，液體占據藥箱下部區域的50%，對比矩形藥箱和圓柱形藥箱充液比0.5時的曲線圖，可以發現壓力曲線的變化趨勢大致相同；同時我們對比U型藥箱充液比0.5時與矩形藥箱和圓柱形藥箱充液比0.9時的工況，曲線圖變化趨勢同樣相近；當U型藥箱充液比0.7時，結合示意圖可看出藥液液面均已在U型藥箱兩側空間，當施加激勵后藥液會在藥箱兩側的空間進行往復運動，而由于藥箱兩側呈扁平狀，藥液在其活動的空間較小，藥液由于慣性做往復運動的頻率增加，在曲線圖中就體現為上下波動的變化時間較短，變化幅度較小；當U型藥箱充液比0.9時，工況分析結果與充液比0.7時相差無幾，所以我們可以看到在壓力曲線圖上，充液比0.7與充液比0.9的曲線圖大致相同。

圖3 U型藥箱不同充液比示意圖

3 結論

(1)在藥箱充液比0.7之前，藥箱內液體對藥箱內壁的壓力會隨著充液比的增大而增大，其晃動程度也會相應加劇，植保無人機的飛行穩定性受影響程度增大。

(2)在藥箱充液比0.7～0.9時，藥箱內藥液晃動程度最為劇烈，隨著藥液充液比的繼續增大，接近滿載時，由于晃動時藥液在藥箱內的晃動空間減小，晃動程度減弱。

(3)相較于圓柱形藥箱，U型藥箱在結構上將藥箱空間分為多個小型空間，藥液在其活動空間減小，其防晃性能略優于圓柱形藥箱。