張艷超 陳 楊 李藝健 劉 飛 何 勇

(1.浙江大學(xué)生物系統(tǒng)工程與食品科學(xué)學(xué)院， 杭州 310058； 2.農(nóng)業(yè)部設(shè)施農(nóng)業(yè)裝備與信息化重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 杭州 310058)

0 引言

利用植保無人機(jī)進(jìn)行農(nóng)田噴灑已成為新型農(nóng)機(jī)應(yīng)用熱點(diǎn)。目前國(guó)內(nèi)農(nóng)用植保無人機(jī)領(lǐng)域的研究正處于快速發(fā)展階段，相對(duì)于傳統(tǒng)人工噴藥，無人機(jī)在植保噴藥方面具有速度快、效率高、安全性較好、噴灑效果好等優(yōu)點(diǎn)。但植保無人機(jī)的使用中，也有較多細(xì)節(jié)問題需要優(yōu)化與完善，如適用于無人機(jī)的噴灑系統(tǒng)關(guān)鍵部件的優(yōu)化與設(shè)計(jì)，包括藥泵、藥箱、噴頭等的優(yōu)化，噴灑助劑研究與噴灑效果評(píng)價(jià)等方面。秦維彩等[1]研究了基于無人直升機(jī)的噴霧參數(shù)對(duì)玉米冠層霧滴沉積分布的影響，噴灑參數(shù)包括作業(yè)高度與橫向噴幅，確定了針對(duì)其所使用無人機(jī)較為適宜的作業(yè)參數(shù)。張宋超等[2]采用N-3型農(nóng)用無人直升機(jī)作為載機(jī)，通過CFD(Computational fluid dynamics)在約束條件下對(duì)作業(yè)過程中旋翼風(fēng)場(chǎng)和農(nóng)藥噴灑的兩相流進(jìn)行了模擬，并設(shè)計(jì)了條件相似的對(duì)應(yīng)試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證，試驗(yàn)結(jié)果表明，在飛行高度6 m，側(cè)風(fēng)風(fēng)速分別在1、2、3 m/s下，仿真模擬結(jié)果與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的擬合直線決定系數(shù)R2分別為0.748 2、0.805 0和0.687 5，對(duì)實(shí)際生產(chǎn)具有一定指導(dǎo)意義。

然而無人機(jī)噴施作業(yè)中受很多因素影響，如風(fēng)力風(fēng)向、雨雪大霧、風(fēng)場(chǎng)等自然因素，操作人員技術(shù)水平、設(shè)備掛載安裝等人為因素。同時(shí)由于目前無人機(jī)系統(tǒng)穩(wěn)定性、安全性和可靠性仍需時(shí)間檢驗(yàn)，無人機(jī)機(jī)載實(shí)驗(yàn)需要承擔(dān)很大風(fēng)險(xiǎn)，使得實(shí)驗(yàn)開展困難，單次實(shí)驗(yàn)人力、財(cái)力花費(fèi)較高，不利于植保無人機(jī)噴灑技術(shù)的快速發(fā)展。因此需要開發(fā)一種可以快速在地面測(cè)試各種噴灑參數(shù)的無人機(jī)噴灑模擬系統(tǒng)[3]。本文設(shè)計(jì)一套無人機(jī)噴灑模擬系統(tǒng)，并進(jìn)行系統(tǒng)性能測(cè)試試驗(yàn)，旨在模擬無人機(jī)機(jī)載田間噴灑試驗(yàn)。

1 無人機(jī)噴灑測(cè)試平臺(tái)搭建

1.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)設(shè)計(jì)如圖1所示。本系統(tǒng)主要包含3部分：機(jī)電部分、電氣控制部分和上位機(jī)軟件部分。其中機(jī)電部分為執(zhí)行運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)(包含水平和豎直方向上的直線運(yùn)動(dòng))，包含噴灑組件及風(fēng)壓系統(tǒng)。電氣控制系統(tǒng)包含伺服電機(jī)編碼器、電子調(diào)速器、主控板、遠(yuǎn)端控制板。上位機(jī)軟件主要包含串口通訊、系統(tǒng)參數(shù)設(shè)定、系統(tǒng)運(yùn)行狀況顯示。

機(jī)電部分實(shí)現(xiàn)對(duì)植保無人機(jī)噴灑動(dòng)作仿真。采用2個(gè)伺服電機(jī)實(shí)現(xiàn)對(duì)水平移動(dòng)速度和垂直移動(dòng)速度的精確控制。直線導(dǎo)軌相對(duì)于滑軌等其他直線運(yùn)動(dòng)導(dǎo)軌系統(tǒng)力學(xué)性能好，實(shí)際工作中滾動(dòng)摩擦小，在長(zhǎng)時(shí)間的往復(fù)運(yùn)動(dòng)過程中，磨損較小，適合做高精度大型儀器與系統(tǒng)[3]，直線導(dǎo)軌制作精密，且各向最大承受拉壓力及扭轉(zhuǎn)力矩差別很小，多用在自動(dòng)化機(jī)械上提供導(dǎo)向和支撐作用，如PCB(Printed circuit board)制板、3D打印、數(shù)控加工機(jī)床等精密加工機(jī)械[4-6]。為滿足植保噴藥的需求，本系統(tǒng)采用直線導(dǎo)軌作為直線運(yùn)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)，電動(dòng)缸作為垂直運(yùn)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)。系統(tǒng)載荷為50 kg，滿足掛載噴灑設(shè)備和噴灑控制器，采用懸垂設(shè)計(jì)，水平導(dǎo)軌采用30 mm的方形滾珠直線導(dǎo)軌。為覆蓋較大量程，水平方向設(shè)計(jì)長(zhǎng)度為12 m，采用3段直線導(dǎo)軌拼接而成，并安裝在一整條槽鋼上。為使得3段導(dǎo)軌能夠較好的配合在同一平面，降低內(nèi)部應(yīng)力，設(shè)計(jì)將3段直線導(dǎo)軌安裝在一個(gè)用車床沖出的導(dǎo)槽上，并通過8 mm的螺紋旋緊固定，考慮到金屬熱脹冷縮，導(dǎo)軌與導(dǎo)軌之間留有1 mm安裝間距。直線導(dǎo)軌上掛載2個(gè)滑塊，滑塊最大可承受拉壓力為38.74 kN，在上下翻動(dòng)、左右搖晃以及側(cè)向旋轉(zhuǎn)3個(gè)方向上最大承受扭矩分別為0.88、0.92、0.92 kN·m。這使得系統(tǒng)強(qiáng)度高，變形小，可以承受較大的側(cè)向和徑向扭矩，從而降低了系統(tǒng)因?yàn)轭l繁加減速而損壞的可能。直線導(dǎo)軌的滑塊由于其如圖2所示的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，滑塊在各個(gè)方向上最大承受力基本相同，拉力和壓力的作用效果相同，使得其對(duì)不同方向的沖擊具有很好的保護(hù)作用，并且由于該系統(tǒng)為吊裝，執(zhí)行往復(fù)運(yùn)動(dòng)，主要的受力形式包括：垂直向下的拉力、加減速時(shí)俯仰方向的力矩MP、振動(dòng)引起橫滾方向和偏航方向的力矩MR和MY。分別針對(duì)以上受力形式進(jìn)行強(qiáng)度設(shè)計(jì)和分析，以保障系統(tǒng)安全。

圖1為垂直方向采用電動(dòng)缸的機(jī)械結(jié)構(gòu)，其最大提升力為750 N，滿足系統(tǒng)設(shè)計(jì)需求。電動(dòng)缸是伺服電機(jī)與絲杠一體化的機(jī)械組件，將電機(jī)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為直線運(yùn)動(dòng)，其在機(jī)械系統(tǒng)中被大量使用[7-9]。電動(dòng)缸有效行程為0.5 m，最大拉升速度為0.5 m/s。電氣部分水平方向采用東菱1.2 kW伺服電機(jī)，驅(qū)動(dòng)編碼器采用配套的EPS145型驅(qū)動(dòng)編碼器。垂直部分采用松下200 W伺服電機(jī)，驅(qū)動(dòng)器為原裝MAD-1507CA型驅(qū)動(dòng)器。由于伺服電機(jī)內(nèi)部存在鎖緊裝置，可以很好地停在所需要的位置。鎖緊方法與內(nèi)部PID調(diào)節(jié)有關(guān)，內(nèi)部編碼器感應(yīng)到主軸旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的位移量，將其作為反饋，對(duì)速度和位移做出相應(yīng)的調(diào)節(jié)。17 bit的編碼器在旋轉(zhuǎn)一周時(shí)產(chǎn)生的脈沖數(shù)為217，通過減速比可算出水平方向上的指令脈沖當(dāng)量為0.001 mm，豎直方向上位置分辨率為0.000 5 mm。

圖2 滑塊組成與受力圖Fig.2 Slider stress

圖3 系統(tǒng)控制流程圖Fig.3 Flow chart of system control

系統(tǒng)在水平和豎直方向上采用限位開關(guān)來實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)歸零和位移標(biāo)定。水平限位開關(guān)采用光電式限位開關(guān)，檢測(cè)限5 mm，安裝時(shí)滑塊距離光電接近開關(guān)2 mm，滿足觸發(fā)條件。豎直限位開關(guān)采用磁感應(yīng)式，當(dāng)電動(dòng)缸內(nèi)的磁環(huán)下移到限位開關(guān)時(shí)，觸發(fā)開關(guān)產(chǎn)生中斷脈沖。中斷脈沖被主控記錄并作為水平和垂直方向的零點(diǎn)，同時(shí)中斷脈沖成為系統(tǒng)停止運(yùn)行的信號(hào)。由于該系統(tǒng)電壓不同，限位開關(guān)的接線需要做電磁屏蔽，以防止信號(hào)被干擾。

1.2 主控板與執(zhí)行端控制器

為提高系統(tǒng)的自動(dòng)化程度，采用如圖3所示的系統(tǒng)設(shè)計(jì)。上位機(jī)軟件向下與主控板采用串口通訊，主控板到上位機(jī)的通訊字段包括：水平方向速度和位置，垂直方向速度與位置，導(dǎo)管內(nèi)液體流速。上位機(jī)軟件到主控板的通訊字段包括：設(shè)定的水平方向速度和位置，設(shè)定的垂直方向速度與位置，設(shè)定的風(fēng)力，設(shè)定的流速。

主控板采用12 V獨(dú)立電源供電，可接受的電壓范圍在10～50 V之間。兩邊作為排針接口，與伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)器相連。由于限位開關(guān)只有通斷兩種狀態(tài)，因此設(shè)立兩路Pulse+和Pulse-給限位開關(guān)。主控板采用意法STM32F103RCT6嵌入式微控制器，搭配8 MHz外部晶振。該芯片核心頻率72 MHz，提供了豐富的傳感器接口，如CAN(Controller area network)，I2C，IrDA(Infrared data association)，LIN(Local interconnect network)，SPI(Serial peripheral interface)，UART/USART(Universal asynchronous receiver/transmitter)，USB，并為外圍設(shè)備如電機(jī)等提供PWM輸出信號(hào)，提供51路的輸入與輸出，工作電壓3.6 V。

為實(shí)現(xiàn)對(duì)遠(yuǎn)端機(jī)載部分的控制，本系統(tǒng)采用CAN總線進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊和控制指令發(fā)送。由于主控芯片意法STM32F103RCT6已經(jīng)提供CAN接口，不再需要配合CAN控制器[10]。CAN總線技術(shù)是多主分布式控制系統(tǒng)串行通訊較好的總線解決方案，具有高位率、高抗電磁干擾、容錯(cuò)性強(qiáng)、實(shí)時(shí)性好等優(yōu)點(diǎn)[11]。由于控制端處于移動(dòng)狀態(tài)并且離主控器較遠(yuǎn)(>10 m)，其他信息傳輸方式難以實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)距離的控制和數(shù)據(jù)通訊，CAN總線采用雙絞線[12-14]，傳輸距離較遠(yuǎn)，易于部署系統(tǒng)，成為該系統(tǒng)設(shè)計(jì)的最佳方案。

遠(yuǎn)端噴灑控制器主要控制板采用意法STM32F103RCT6，控制板采用獨(dú)立12 V鋰電池供電?？刂破髋c主控板通過CAN總線進(jìn)行通訊，波特率設(shè)置為57 600 bps，實(shí)測(cè)通訊長(zhǎng)度為17.5 m，遠(yuǎn)低于CAN總線的最長(zhǎng)傳輸距離。遠(yuǎn)端噴灑控制器向齒輪泵驅(qū)動(dòng)器發(fā)送PWM(Pulse width modulation)信號(hào)，控制齒輪泵轉(zhuǎn)速；流量傳感器發(fā)送脈沖計(jì)數(shù)的方法計(jì)算單位時(shí)間內(nèi)通過的液體流量；控制器向無刷電動(dòng)機(jī)的電子調(diào)速器發(fā)送PWM信號(hào)控制電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，PWM頻率50 Hz，占空比變化范圍為25%～75%，通過改變電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速來改變產(chǎn)生的風(fēng)壓。

1.3 噴灑組件

噴灑組件包括齒輪泵及其MOS(Metal oxide semiconductor)管調(diào)速器、流量計(jì)、無刷電動(dòng)機(jī)、螺旋槳、導(dǎo)液管及藥箱噴桿等。齒輪泵為385微型齒輪泵，額定電壓12 V，空載電流0.4 A，最大水壓力0.23 MPa?？刂瓢遢敵龅腜WM信號(hào)通過MOS管來調(diào)節(jié)輸出齒輪泵電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速。輸出流量與PWM指令之間的關(guān)系如圖4所示，其標(biāo)定函數(shù)為

V=9.396×10-5N3-0.049 24N2+11.93N-49.03

(1)

圖5 系統(tǒng)完成構(gòu)架與軟件操作界面Fig.5 System image and software user interface

式中V——輸出流量，mL/minN——PWM占空比(0～1)量化為256級(jí)之后的值

圖4 水泵標(biāo)定曲線Fig.4 Pump calibration curve

通過測(cè)量數(shù)據(jù)可以看出該齒輪泵輸出與PWM的輸入呈三次相關(guān)，決定系數(shù)R2=0.998 6。

流量計(jì)采用基于霍爾元件的微量流量計(jì)，其最小檢測(cè)流量為0.4 L/min，最大流量為3 L/min，最大承受壓力0.8 MPa。基于霍爾元件流量計(jì)的工作原理[15]，當(dāng)液體流過時(shí)，葉輪旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)葉輪上的金屬片在霍爾元件處產(chǎn)生磁感應(yīng)，從而產(chǎn)生脈沖，通過計(jì)算脈沖數(shù)對(duì)應(yīng)流過液體的體積。通過檢測(cè)并計(jì)算信號(hào)輸出上升沿的次數(shù)，判斷流速，通過標(biāo)定方法進(jìn)行測(cè)試，得到標(biāo)定方程為

L=0.222 6n+71.377

(2)

式中L——通過霍爾傳感器的液體體積n——霍爾傳感器輸出的波形上升沿?cái)?shù)

其R2=1，表明流量傳感器可以準(zhǔn)確地反映管道中的流速。

風(fēng)力系統(tǒng)以浙江大學(xué)研制的SH-8V系列植保無人機(jī)的動(dòng)力風(fēng)場(chǎng)進(jìn)行模擬，電動(dòng)機(jī)采用高壓無刷電動(dòng)機(jī)[16]，最大電流22.8 A，相應(yīng)的電子調(diào)速器也要選擇較大型號(hào)，并且有優(yōu)化過的散熱結(jié)構(gòu)，本系統(tǒng)采用雙天100 A電子調(diào)速器[17]，可以通過較高電流，并且設(shè)計(jì)有散熱片，具有較好的散熱性能。配15寸55 mm螺距的碳纖尾槳，在22.2 V電壓下通過風(fēng)速計(jì)測(cè)量，最大風(fēng)速為4.4 m/s，電動(dòng)機(jī)位于噴頭正上方，以模擬原型機(jī)中風(fēng)場(chǎng)對(duì)噴灑霧滴的影響效果[18]。

導(dǎo)液管及藥箱噴桿等采用與原型植保無人機(jī)相同的噴灑部件。所搭載噴灑部件皆可依據(jù)特定的噴灑環(huán)境進(jìn)行定制化開發(fā)，當(dāng)前采用的噴灑部件中噴頭為國(guó)產(chǎn)Licheng 102A-1型扇形噴頭(Licheng Ltd.，浙江)[19-20]，噴灑錐角為45°，噴頭間隔1 m。

1.4 上位機(jī)軟件開發(fā)

為實(shí)現(xiàn)對(duì)試驗(yàn)因素(如噴灑高度、噴灑流量和噴灑風(fēng)力等)遠(yuǎn)程精確控制，及噴灑流量的實(shí)時(shí)顯示，本系統(tǒng)設(shè)計(jì)開發(fā)了上位機(jī)軟件。軟件開發(fā)采用Visual C++ 2010開發(fā)環(huán)境，上位機(jī)軟件采用串口通信，串口波特率選擇57 600 bps，設(shè)計(jì)界面如圖5所示。由于PC一般不安裝串口，通過串口轉(zhuǎn)USB接到PC的USB接口處。

考慮到以后系統(tǒng)的便攜性，增加WiFi轉(zhuǎn)發(fā)，將PC機(jī)通過LAN口與平板電腦連接入同一局域網(wǎng)中，通過WiFi路由器將平板控制指令傳輸?shù)絇C機(jī)上，將實(shí)時(shí)信息顯示在平板上。平板電腦采用國(guó)產(chǎn)某型Intel CPU平板電腦，搭載Windows 8系統(tǒng)，運(yùn)行界面如圖5所示。其中運(yùn)動(dòng)模塊由OpenGL制作模型并集成進(jìn)系統(tǒng)用以顯示系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)。OpenGL是一個(gè)跨編程語言、跨平臺(tái)的專業(yè)圖形程序接口，用于二維和三維圖像的顯示，是一個(gè)功能強(qiáng)大、調(diào)用方便的底層圖形庫(kù)。

1.5 系統(tǒng)安全性

由于本系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)部分較重，在啟動(dòng)和停止時(shí)需要較大作用力來使得懸掛系統(tǒng)產(chǎn)生與設(shè)定所需速度值相同的速度，同時(shí)懸掛系統(tǒng)并非一體成型，中間存在諸如減振墊等軟性連接部分，在完成運(yùn)動(dòng)過程中會(huì)產(chǎn)生振動(dòng)和位移。為降低振動(dòng)和位移，提高系統(tǒng)安全性，考慮以下問題：機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化、控制程序優(yōu)化、緊急保護(hù)。

結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化主要體現(xiàn)在：平移部件優(yōu)化、減振連接件優(yōu)化設(shè)計(jì)、噴灑平臺(tái)平衡性優(yōu)化。水平移動(dòng)是系統(tǒng)中最多的運(yùn)動(dòng)，若用單一滑塊搭配電動(dòng)缸運(yùn)行，則會(huì)在產(chǎn)生加速度時(shí)對(duì)垂直方向的電動(dòng)缸產(chǎn)生過大的剪切應(yīng)力，對(duì)滑塊和電動(dòng)缸造成損害，因此在水平方向上構(gòu)建三角形來提高水平移動(dòng)方向的強(qiáng)度。該設(shè)計(jì)在提高系統(tǒng)強(qiáng)度的同時(shí)減小由于加速度作用造成的懸垂系統(tǒng)的位移。

減振連接件針對(duì)下方承載較重的情況，采用VV型減振器連接的方式。橡膠減振器利用橡膠具有較高彈性和黏彈性，沖擊剛度高，靜剛度低，有利于減小變形等特點(diǎn)，將金屬件與橡膠直接硫化粘合[21]，成為各類機(jī)械、汽車、飛機(jī)及航空器等廣泛使用的減振連接[22]。設(shè)計(jì)采用4個(gè)M4螺紋的橡膠減振器，如圖6所示。

圖6 橡膠減振器示意圖Fig.6 Rubber damper demonstration1.螺紋 2.封口鐵 3.橡膠內(nèi)填物 4.底面封口鐵

控制程序優(yōu)化主要用于電動(dòng)機(jī)可能出現(xiàn)較大加速度時(shí)的緩速控制。優(yōu)化表現(xiàn)為：①啟動(dòng)時(shí)，橫向在啟動(dòng)速度大于0.5 m/s時(shí)，采用從0.3 m/s啟動(dòng)，在1 s內(nèi)提速到設(shè)定速度，在到達(dá)設(shè)定位置之后，在1 s內(nèi)降低到0。垂直方向由于速度不大(設(shè)定范圍為0～0.5 m/s)，而且距離有限(50 cm)，如果緩速啟動(dòng)的話，存在較大的未使用空間。選擇電動(dòng)缸進(jìn)行運(yùn)動(dòng)控制，足以應(yīng)對(duì)上下產(chǎn)生的加速度。②水平和垂直方向的復(fù)位動(dòng)作采用較低的0.2 m/s的速度進(jìn)行。由于在檢測(cè)零位的時(shí)候存在急停剎車動(dòng)作，因此不宜采用較大的行進(jìn)速度進(jìn)行零位尋找。緊急保護(hù)措施有電源緊急切斷以及限位螺栓。在配電柜外部有緊急電源關(guān)閉的開關(guān)，當(dāng)限位措施失效時(shí)有限位螺栓卡緊運(yùn)動(dòng)部分，防止滑塊出現(xiàn)脫軌現(xiàn)象。

2 系統(tǒng)性能測(cè)試試驗(yàn)

2.1 位置精度測(cè)試

采用iLDM激光測(cè)距儀(CEM Ltd., 深圳, 中國(guó))進(jìn)行，該儀器的量程為0.05～70 m，測(cè)量精度±1.5 mm。該儀器采用635 nm typeⅡ型激光儀進(jìn)行長(zhǎng)度測(cè)量，激光功率低于1 mW。激光測(cè)距儀安裝在電動(dòng)缸端點(diǎn)，安裝誤差為俯仰方向±0.1°，偏航方向±0.2°。俯仰角安裝誤差通過測(cè)距儀讀數(shù)調(diào)節(jié)，采用測(cè)量遠(yuǎn)點(diǎn)與零位點(diǎn)在垂直參考面上亮點(diǎn)距離，通過三角方程近似算出偏航角誤差。其中最近端與最遠(yuǎn)端在參考平面的距離為7 cm。垂向測(cè)量采用平行于電動(dòng)缸主軸方向安裝，激光測(cè)距儀安裝位于電動(dòng)缸的下端點(diǎn)，并以電動(dòng)缸活動(dòng)端點(diǎn)的安裝板作為參考平面，安裝誤差在±0.2°。激光測(cè)距儀通過藍(lán)牙與手機(jī)相連，可以通過手機(jī)來觸發(fā)采集數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)監(jiān)控。其安裝方式如圖7所示。平臺(tái)沿著水平方向分別按照0.05、0.10、0.15、0.20 m/s運(yùn)行，每0.25 m設(shè)置1個(gè)點(diǎn)進(jìn)行位置測(cè)量。每一個(gè)位置的數(shù)據(jù)點(diǎn)做3次重復(fù)，取平均值。所得的36個(gè)位置數(shù)據(jù)如圖8所示。橫軸為通過上位機(jī)發(fā)送的位置指令，縱軸為實(shí)測(cè)所得值。垂直方向的位置測(cè)量，使系統(tǒng)在垂向分別按照0.01、0.02、0.03、0.04 m/s 4種速度運(yùn)行，每種速度做3次重復(fù)，以5 cm為間隔采集位置點(diǎn)，取3次重復(fù)之后的平均值，垂向的位置測(cè)量結(jié)果如圖9所示。其中水平向重復(fù)誤差低于2 mm，垂直向重復(fù)誤差低于1 mm。

2.2 振動(dòng)測(cè)試

圖7 激光測(cè)距儀安裝方式與測(cè)試Fig.7 Laser distance meter installment and measurement

圖8 水平方向不同速度下距離測(cè)量結(jié)果Fig.8 Horizontal test results at different moving speeds

振動(dòng)和晃動(dòng)在自動(dòng)化系統(tǒng)中很難避免，一般由電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)、不規(guī)則加減速等原因造成，而本系統(tǒng)中運(yùn)動(dòng)部件為懸垂安裝，以上原因造成的振動(dòng)和晃動(dòng)對(duì)系統(tǒng)精度影響更為顯著，對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性和安全性有著很大的影響。且本系統(tǒng)對(duì)直線導(dǎo)軌的準(zhǔn)直度要求很高，在系統(tǒng)安裝和操作過程中，都會(huì)降低系統(tǒng)的表現(xiàn)，準(zhǔn)直度低會(huì)降低系統(tǒng)壽命。在維護(hù)保養(yǎng)中，直線導(dǎo)軌和滑塊的銹蝕都會(huì)影響系統(tǒng)的表現(xiàn)。因此系統(tǒng)的振動(dòng)與晃動(dòng)是系統(tǒng)的基礎(chǔ)功能指標(biāo)。振動(dòng)與晃動(dòng)采用華盛昌CEM DT178型振動(dòng)分析儀進(jìn)行測(cè)量，內(nèi)置3軸加速度計(jì)，采樣率為256 Hz，量程±180 m/s2，測(cè)量精度為0.062 5 m/s2，支持FFT(Fast fourier transformation)。該振動(dòng)分析儀固定在云臺(tái)上，系統(tǒng)以0.05、0.10、0.15 m/s速度運(yùn)行，分別測(cè)量其振動(dòng)數(shù)據(jù)如圖10所示，通過分析振動(dòng)晃動(dòng)數(shù)據(jù)，可知在不同運(yùn)動(dòng)速度下，系統(tǒng)振動(dòng)晃動(dòng)均不超過20 m/s2，其中X向和Y向在運(yùn)行中存在較為均勻的4～5 m/s2的加速度，在合理范圍內(nèi)。

圖9 垂直方向不同速度下距離測(cè)量結(jié)果Fig.9 Vertical test results at different moving speeds

圖10 不同速度下的振動(dòng)數(shù)據(jù)Fig.10 Vibration data at different moving speeds

3 結(jié)論

(1)針對(duì)目前農(nóng)用植保無人機(jī)快速發(fā)展，而相關(guān)的機(jī)載霧滴檢測(cè)及噴灑理論驗(yàn)證缺乏的現(xiàn)狀，設(shè)計(jì)了無人機(jī)仿真噴灑系統(tǒng)?；赑WM的齒輪泵控制量與實(shí)際出水量決定系數(shù)R2=0.998 6。采用激光測(cè)距儀對(duì)系統(tǒng)水平運(yùn)動(dòng)在0.05、0.10、0.15、0.20 m/s,垂直運(yùn)動(dòng)在0.01、0.02、0.03、0.04 m/s進(jìn)行測(cè)量，系統(tǒng)控制精度高，控制參數(shù)與實(shí)際行程決定系數(shù)均為R2=1,水平與豎直重復(fù)精度優(yōu)于2 mm，其水平方向重復(fù)誤差為2 mm，為無人機(jī)噴灑理論測(cè)試提供了良好的平臺(tái)。采用振動(dòng)測(cè)試儀對(duì)系統(tǒng)在0.05、0.10、0.15 m/s運(yùn)行速度下進(jìn)行測(cè)試，通過分析振動(dòng)晃動(dòng)數(shù)據(jù)，在不同運(yùn)動(dòng)速度下系統(tǒng)振動(dòng)均不超過20 m/s2，其中X向和Y向在運(yùn)行中存在較為穩(wěn)定的4～5 m/s2的加速度，可知系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定。

(2)系統(tǒng)對(duì)無人機(jī)噴灑過程中的風(fēng)力、流量、移動(dòng)速度進(jìn)行在線遠(yuǎn)程控制，采用CAN總線作為遠(yuǎn)端與控制臺(tái)的通訊手段，具有較高的實(shí)時(shí)性，并且實(shí)現(xiàn)了噴灑狀態(tài)的實(shí)時(shí)回傳和顯示。

(3)設(shè)計(jì)了伺服電機(jī)控制器以及遠(yuǎn)端噴灑控制器、噴灑組件、上位機(jī)軟件，實(shí)現(xiàn)了室內(nèi)噴灑系統(tǒng)自動(dòng)化集成，為系統(tǒng)化研究無人機(jī)噴灑過程中各項(xiàng)參數(shù)對(duì)最終噴灑效果的影響提供了有力支撐。

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