于金友，尚德林，蘭玉彬, 2，范鑫，韓鑫

(1. 山東理工大學(xué)農(nóng)業(yè)工程與食品科學(xué)學(xué)院，山東淄博，255000；2. 山東省農(nóng)業(yè)航空智能裝備工程技術(shù)研究中心，山東淄博，255000)

0 引言

伴隨植保無人機技術(shù)與裝備的快速發(fā)展，人們對植保無人機藥箱防晃/防浪涌性能的要求越來越高[1-3]。植保無人機在作業(yè)過程中經(jīng)常做出起飛、降落、急停、轉(zhuǎn)向、平移、繞點旋轉(zhuǎn)和仿地飛行等動作，此時藥箱內(nèi)的藥液在激勵的作用下進行劇烈晃動[4-6]，無疑會對植保無人機的整機作業(yè)性能產(chǎn)生很大影響，包括飛行安全性、軌跡精準性、作業(yè)精確性和動力續(xù)航性等[7-8]。此外，隨著作業(yè)過程中藥箱充液比的下降，這種晃動會變的愈加劇烈和明顯，嚴重時甚至?xí)斐蓧嫏C等事故，大大影響其作業(yè)質(zhì)量、作業(yè)效率和飛行安全[9-11]。因此，在植保無人機藥箱設(shè)計過程中，需要借助專門的藥箱晃動性能檢測裝置，對所研發(fā)的植保無人機藥箱進行晃動性能評價[12-14]。

近年來，山東農(nóng)業(yè)大學(xué)戴世群、鄭繼周等針對充液箱體晃動現(xiàn)象，以充液系統(tǒng)在外界激勵下的力學(xué)特性為研究對象，搭建了幾種水平激勵下的液體晃動干擾力試驗臺。然而，這類箱體晃動性能試驗臺僅能在二維空間內(nèi)施加水平晃動激勵，尚不能在三維空間內(nèi)施加多自由度晃動激勵，不能模擬植保無人機在三維、復(fù)雜作業(yè)工況下的多種藥箱姿態(tài)，因而亟需研發(fā)一種能夠在三維工況下模擬植保無人機藥箱多種晃動姿態(tài)，并進行多傳感器數(shù)據(jù)采集的試驗臺，以彌補在該領(lǐng)域的空白[15]。

本文以六自由度運動平臺為核心，對其進行傳感器與是不同形狀藥箱的適配能力進行改裝，然后利用試驗臺對選取的典型形狀藥箱進行試驗，通過安裝在藥箱壁的壓力傳感器和藥箱的底部液位傳感器得到在兩個不同激勵刺激下藥液對藥箱內(nèi)壁產(chǎn)生的壓力及其液位變化，分析其變化規(guī)律，從而為植保無人機藥箱優(yōu)化設(shè)計提供技術(shù)支持。

1 夾持機構(gòu)設(shè)計

夾持機構(gòu)是植保無人機藥箱防晃性能檢測試驗臺的重要組成部分，用來夾持各種類型、大小的被測藥箱，以滿足試驗臺可以適配市面上大部分藥箱的要求，同時可以減少實驗過程中藥箱與六自由度運動平臺的不協(xié)調(diào)晃動，提高試驗精準度，同時還有效地保證了實驗的安全性。首先根據(jù)六自由度運動平臺上平臺的大小和工作連接方式對夾持機構(gòu)的整體尺寸進行設(shè)計，如圖1所示。

圖1 夾持機構(gòu)三維渲染圖

對于尺寸的設(shè)計，首先要根據(jù)市面上的植保無人機典型藥箱的大小來決定夾持機構(gòu)在水平和豎直方向上可伸縮的范圍，對市面上的植保無人機藥箱進行統(tǒng)計分析可以發(fā)現(xiàn)，幾乎所有藥箱的三維均在200～500 mm 之間，所以將夾持機構(gòu)可調(diào)節(jié)的極限大小設(shè)置為200～500 mm。

夾持機構(gòu)由連接盤、下模夾、上模夾三部分組成，其中連接盤分為底板和連接環(huán)，其中連接環(huán)為圓環(huán)形且固定于底板正中心；底板為2 cm厚，形狀為與六自由度運動平臺上平臺相同的六邊形，大小近似，作用是與運動平臺上平臺相貼合，通過四周的6個緊固夾來固定連接盤，對下方的六自由度運動平臺和夾持機構(gòu)起承上啟下的作用，夾持機構(gòu)通過上下模夾來實現(xiàn)垂直方向上的高度調(diào)節(jié)，通過連接盤上的彈簧拉桿和下調(diào)節(jié)銷，實現(xiàn)水平方向上的大小調(diào)節(jié)，以便滿足市面上種類復(fù)雜的藥箱的夾持工作。

2 數(shù)據(jù)采集組件設(shè)計

數(shù)據(jù)采集組件包括液位傳感器、壓力傳感器組、數(shù)據(jù)采集卡、上位機，如圖2所示。角度傳感器固定于測試用植保無人機藥箱外壁面上，角度傳感器用于采集植保無人機藥箱在晃動時其豎直方向中軸線與水平面的傾角；液位傳感器處于測試用植保無人機藥箱內(nèi)部的底部，液位傳感器用于采集植保無人機藥箱內(nèi)液體的液面位置，一定數(shù)量的壓力傳感器組沿水平圓周方向間隔同等角度固定于測試用植保無人機藥箱內(nèi)壁面上，每個壓力傳感器組由一定數(shù)量的壓力傳感器沿豎直方向均勻排列而成，壓力傳感器組用于采集植保無人機藥箱內(nèi)不同液位的液體對其壁面的水壓壓力；數(shù)據(jù)采集卡的輸入端通過數(shù)據(jù)線與角度傳感器、液位傳感器、壓力傳感器組相連接，數(shù)據(jù)采集卡的輸出端通過數(shù)據(jù)線與上位機相連接，數(shù)據(jù)采集卡和上位機用于實時采集、變送和顯示所有傳感器所采集到的數(shù)據(jù)信息。

圖2 傳感器組件示意圖

圖3 傳感器組件實物圖

以高為40 cm的藥箱為例，充液比0.3時，藥液水平面離藥箱底部12 cm，傳感器1應(yīng)當(dāng)放置位置范圍在離藥箱底部0～12 cm處；秉承傳感器安裝便宜的原則，傳感器最終位置定于離液面三分之一個液位高度，根據(jù)以上原則傳感器的安裝位置h可由式(1)確定。

(1)

式中：H——藥箱高度；

φ——藥箱充液比。

根據(jù)式(1)可計算傳感器1、2、3、4的位置分別位于離藥箱底部8 cm、13 cm、18 cm、24 cm處。

2.1 壓力傳感器選型

本試驗所使用的壓力傳感器為XGZP6847型壓力變送器(圖4)，是一款適用于生物醫(yī)學(xué)、汽車電子等領(lǐng)域的壓力傳感器，其核心部分是一顆利用MEMS技術(shù)加工的硅壓阻式壓力敏感芯片。該壓力敏感芯片由一個彈性膜及集成在膜上的4個電阻組成，4個壓敏電阻形成了惠斯通電橋結(jié)構(gòu)，當(dāng)有壓力作用在彈性膜上時電橋會產(chǎn)生一個與所加壓 力成線性比例關(guān)系的電壓輸出信號。

圖4 XGZP6847型壓阻式水壓力傳感器

XGZP型壓力敏感元件為采用標(biāo)準的SOP6和DIP6形式封裝的OEM元件，方便用戶采用表面貼裝或雙列直插式進行安裝良好的線性、重復(fù)性和穩(wěn)定性，靈敏度高，方便用戶采用運放或集成電路針對輸出和溫漂進行調(diào)試和補償。

對于壓力傳感器的安裝原則是必須保證不同充液比下均可測量到藥液對藥箱內(nèi)壁的沖擊壓力，且由于防水性壓力傳感器的價格較高，本著節(jié)約成本的原則，選擇的壓力傳感器的防水性能較差，無法直接安裝在藥箱內(nèi)壁，所以選擇在藥箱外壁進行鉆孔，將傳感器的壓力接收部分置于藥箱內(nèi)部，同時用防水膠進行固定。安裝位置從藥箱底部5 cm處開始，沿豎直方向每隔 3 cm 加裝一個壓力傳感器(圖5)，共加裝4個，從底部第一個起，分別命名為傳感器1、2、3、4，然后沿水平圓周方向間隔180°以同樣方式加載壓力傳感器對照組，在進行藥箱不同充液比試驗時，選擇不同于液位下位于藥液豎直方向中間位置相對的兩個壓力傳感器作為數(shù)據(jù)采集裝置，采集植保無人機藥箱內(nèi)不同液位的液體對其壁面的水壓壓力。

圖5 典型藥箱的壓力傳感器安裝示意圖

利用LABVIEW程序可以連續(xù)采集一段時間內(nèi)的電壓值，該值是經(jīng)壓力變送器模塊的放大電路放大后得到的電壓值，電壓值將直接與傳感器受到的液壓呈線性關(guān)系，如圖6所示。

圖6 壓力輸出對應(yīng)曲線

2.2 液位傳感器選型

本試驗所使用的液位傳感器為AS-136投入式液位變送器，如圖7所示。產(chǎn)品采用316L不銹鋼隔離膜片的OEM壓力傳感器作為信號測量元件，并經(jīng)過計算機自動測試，用激光調(diào)阻工藝進行了寬溫度范圍的零點和靈敏度溫度補償。放大電路位于不銹鋼殼體內(nèi)，將傳感器信號轉(zhuǎn)換為標(biāo)準輸出信號，充分發(fā)揮了傳感器的技術(shù)優(yōu)勢，使136系列液位變送器具有優(yōu)異的性能。它抗干擾、過載和抗沖擊能力強、溫度漂移小、穩(wěn)定性高，具有很高的測量精度，是工業(yè)自動化領(lǐng)域理想的壓力測量儀表。

圖7 136系列投入式液位變送器

2.3 數(shù)據(jù)采集卡選型

此次試驗涉及多種傳感器，所以需要數(shù)據(jù)采集卡將壓力傳感器、液位感器傳感、所采集到的電信號轉(zhuǎn)化為具體的壓力值、高度，通過上位機中的采集軟件顯示出來。試驗中選用的數(shù)據(jù)采集卡為24位AD采集卡是一款多功能數(shù)據(jù)采集卡(圖8)，四通道差分，最大量程 ±2.5 V，單通道最大采樣速度30 Ksps。該采集卡可被用于傳感器的壓力測量中。

圖8 數(shù)據(jù)采集卡USB DAQ-580i企業(yè)版

3 上位機軟件部分設(shè)計

3.1 上位機數(shù)據(jù)采集工具

由于在本文試驗中需要得到壓力和液位的變化曲線，對于采集到的數(shù)據(jù)不需要太多的后處理，所以在上位機數(shù)據(jù)采集軟件的選擇上條件很低，本文選擇的是數(shù)據(jù)采集卡自帶的USB DAQ-580i數(shù)據(jù)采集工具V3，該采集軟件提供兩種工作模式，分別為高速采集和慢速采集。

高速采集：支持任意單通道，雙通道，四通道連續(xù)采集，可高速無斷點采集 信號，用戶可選擇合適的采集速度，軟件根據(jù)所選擇的采樣率進行采集存儲，所有數(shù)據(jù)點將被存儲。因存儲速度限制，該軟件通過fifo手段進行數(shù)據(jù)緩存，確保記錄的數(shù)據(jù)和存儲的數(shù)據(jù)保持一致，不丟數(shù)據(jù)點。

低速采集：支持單通道和四通道低速采集，用戶可自行輸入延時時間，該時間基于電腦時鐘進行延時，如輸入1 000，即1 000 ms為間隔時間進行采集。

3.2 采集卡控制指令參數(shù)設(shè)置

由于需要得到的是一系列壓力點組成的壓力曲線，所以在測量模式上選擇連續(xù)測量模式：采集器接收的連續(xù)模式指令后，試驗人員無需反復(fù)發(fā)送指令，采集器會根據(jù) 設(shè)置的參數(shù)連續(xù)輸出數(shù)據(jù)，同時需發(fā)送中斷/停止采集指令才能中斷采集器輸出，操作流程如圖9所示。

圖9 采集器的讀寫操作流程

試驗臺的數(shù)據(jù)采集組件中包含壓力傳感器和液位傳感器，所以采集卡選擇差分連續(xù)雙通道測量模式，采集卡板卡是基于USB總線進行數(shù)據(jù)傳輸，我們利用visual studio c#語言調(diào)用USB通信函數(shù)對采集器進行讀寫操作，可直接運行對采集器進行控制讀取通道電壓，在源代碼的基礎(chǔ)上，可以進行采樣速度、采樣時間、量程等參數(shù)的設(shè)定。

4 試驗臺整機設(shè)計

目前，針對植保無人機飛行作業(yè)過程中的藥箱內(nèi)藥液晃動試驗幾乎沒有，只能以一些罐體、箱體內(nèi)的液體晃動試驗作為參考，選擇測量監(jiān)控藥箱壁面一些固定點處的壓力值，以及液體晃動時藥箱內(nèi)液體的實時液位，從而計算出藥箱晃動時的晃動頻率、晃動力矩、液面平復(fù)時間等指標(biāo)(植保無人機飛行作業(yè)時的穩(wěn)定性與這些指標(biāo)息息相關(guān))，從而對其藥箱內(nèi)液體的晃動進行分析研究。試驗臺整體結(jié)構(gòu)如圖10所示。

圖10 試驗臺整體結(jié)構(gòu)

試驗臺測試系統(tǒng)軟件包括測試軟件界面、數(shù)據(jù)存儲功能、性能曲線繪制、測試報表生成及打印功能。試驗臺采集的數(shù)據(jù)主要有壓力、液位。試驗臺計算機控制系統(tǒng)主要框圖，如圖11所示。

圖11 試驗臺控制系統(tǒng)示意圖

5 試驗驗證

5.1 試驗工況的選擇

在農(nóng)業(yè)航空領(lǐng)域，植保無人機藥箱最通用就是矩形藥箱，矩形藥箱結(jié)構(gòu)規(guī)整、制造工藝簡單，不管是掛載還是利用卡槽嵌入植保無人機都是極為便宜的，能夠有效地降低植保無人機的制造成本，而且對于購買者來說，也可以在一定程度上減少零件更換的成本。

植保無人機在飛行作業(yè)過程中，會經(jīng)常進行起飛、急停、轉(zhuǎn)向、仿地飛行、繞點旋轉(zhuǎn)(果樹模式)等飛行姿態(tài)，其中當(dāng)植保無人機出現(xiàn)起飛、急停、轉(zhuǎn)向這三種飛行姿態(tài)時，本質(zhì)上相當(dāng)于給植保無人機藥箱一個定向的加速度激勵，而植保無人機在飛行作業(yè)時最佳也是最常用的飛行速度為4～8 m/s，取其平均數(shù)為6 m/s，同時利用極飛p30的實飛測量，得到植保無人機速度從0 m/s到6 m/s的加速時間為2 s，通過加速度公式

Vt=V0+at

(2)

式(2)可變形

a=(Vt-V0)/t

(3)

式中：V0——植保無人機的初始速度，即0 m/s；

Vt——植保無人機終止速度，即6 m/s；

t——植保無人機的加速時間，即2 s。

通過計算可以得出加速度a=3 m/s2.當(dāng)使用試驗臺進行模擬試驗時，給植保無人機藥箱一個3 m/s2的加速度即可模擬植保無人機在起飛、急停、轉(zhuǎn)向時的藥箱工況。

當(dāng)植保無人機在飛行作業(yè)時，藥箱內(nèi)得藥箱內(nèi)的藥液會隨作業(yè)的進行越來越少，藥箱內(nèi)的充液比也會隨之降低，貯箱的充液比是影響液體在貯箱內(nèi)晃動的重要條件之一；為達到實驗效果明顯的目的，本文試驗時藥箱充液比選擇為70%。

5.2 試驗數(shù)據(jù)分析

5.2.1 水平激勵

圖12為藥箱充液比0.3時矩形藥箱在加速度為 3 m/s2時兩側(cè)壁受力曲線圖與試驗時藥箱中心點處藥液液位高度變化圖，通過圖12可以看出藥箱左側(cè)內(nèi)壁受壓曲線的波峰出現(xiàn)在0.496 s，壓力曲線呈波浪狀，且大致走向為恢復(fù)到藥箱初始液深靜壓；相較于藥箱左側(cè)內(nèi)壁受壓情況，藥箱右側(cè)內(nèi)壁受壓曲線波動不大，在3 s之后同樣呈波浪狀，大致走向為上升趨勢，同樣是逐步恢復(fù)到試驗前的液深靜壓狀態(tài)。

(a) 藥箱內(nèi)壁兩側(cè)壓力

在給藥箱施加激勵后，藥箱內(nèi)的藥液瞬間涌到藥箱左側(cè)，在0.496 s時藥箱左側(cè)內(nèi)壁產(chǎn)生第一個壓力峰值，大小為100.3 Pa，然后涌入左側(cè)的藥液在慣性力的作用下開始回流，在藥箱右側(cè)內(nèi)壁上出現(xiàn)一個小的壓力峰值，隨后藥箱內(nèi)藥液繼續(xù)在慣性力的作用下涌入左側(cè)內(nèi)壁，使得左側(cè)內(nèi)壁產(chǎn)生第二個壓力波峰，如此往復(fù)，液體晃動的幅度越來越小，所產(chǎn)生的壓強波峰也隨之變小，直至兩側(cè)內(nèi)壁上的壓力均達到液深的靜壓。

圖13為藥箱充液比為0.6%時矩形藥箱在加速度為3 m/s2時側(cè)壁受力曲線圖與試驗時藥箱內(nèi)藥液液位高度變化圖，可看出藥箱左側(cè)內(nèi)壁受壓曲線的波峰出現(xiàn)在0.315 s，1 s之后壓力曲線呈波浪狀，且大致走向為恢復(fù)到藥箱初始液深靜壓；相較于藥箱左側(cè)內(nèi)壁受壓情況，藥箱右側(cè)內(nèi)壁受壓曲線波動不大，在2 s之后同樣呈波浪狀，大致走向為上升趨勢，同樣是逐步恢復(fù)到試驗前的液深靜壓狀態(tài)。

(a) 藥箱內(nèi)壁兩側(cè)壓力

藥箱左側(cè)內(nèi)壁在施加激勵后的0.315 s時壓力達到最大峰值為215.3 Pa，同時藥箱內(nèi)液位變化曲線圖顯示在0.315 s時同樣達到最小峰值為9.2 cm，這說明在試驗0.315 s時，藥箱內(nèi)的液體晃動程度達到最大，隨后壓力和液位都開始進入不同程度的平復(fù)期，同時結(jié)合矩形藥箱兩側(cè)內(nèi)壁受壓曲線圖和矩形藥箱中間位置液位曲線圖我們可以看出，當(dāng)試驗臺給藥箱模擬施加激勵后，藥液在藥箱內(nèi)出現(xiàn)大幅晃動的情況，在0.315 s時液體晃動幅度達到最大，之后藥液在慣性力的作用下開始出現(xiàn)往復(fù)回流，隨著慣性力和摩擦力的存在，晃動幅度逐漸減小，大約在10 s左右藥箱內(nèi)藥液恢復(fù)到試驗前狀態(tài)。

5.2.2 圓周激勵

隨著植保無人機的不斷發(fā)展，作業(yè)功能也在不斷完善，現(xiàn)在市面上的植保無人機大多可以進行多種作物作種方式的噴施作業(yè)，以果樹為例，由于果樹大多枝葉茂盛，如果只是簡單的往復(fù)噴施，很容易造成藥液只能噴施到果樹冠層的現(xiàn)象發(fā)生，所以有很多植保無人機具有果樹噴施模式，飛行方式即環(huán)繞果樹旋轉(zhuǎn)，在此模式下，由于離心力的作用，整個植保無人機及其藥箱會出現(xiàn)向樹軸傾斜的現(xiàn)象，從而導(dǎo)致藥箱內(nèi)藥液的劇烈晃動。

由于藥箱在外部圓周激勵的刺激下，矩形藥箱模擬植保無人機做圓周運動時，此時植保無人機大多處于繞點模式下，在此模式下植保無人機在空中進行勻速的繞點圓周運動，藥箱內(nèi)藥液會在藥箱中呈旋渦狀態(tài)(旋渦大小與植保無人機繞飛速度有關(guān))，實驗中藥箱內(nèi)藥液對藥箱四個內(nèi)壁的壓力大小和分布大致相同，多側(cè)壓力的測量意義不大，且出于試驗與分析的簡便性，對于圓周激勵下數(shù)據(jù)采集均采集一側(cè)藥箱內(nèi)壁的壓力曲線。

圖14為藥箱充液比分別為0.3、0.5、0.7、0.9時矩形藥箱在向心加速度為3 m/s2時藥箱內(nèi)壁壓力曲線圖，同時對比矩形藥箱在水平激勵下的壓力，我們可以發(fā)現(xiàn)矩形藥箱內(nèi)壁所受壓力的波動幅度要遠遠小于水平激勵下的壓力波動幅度，這是由于藥液在兩種不同激勵下在藥箱空間做不同的運功，在水平激勵下，藥液在藥箱內(nèi)是做水平方向上的往復(fù)運動，對內(nèi)壁的壓力隨運動的幅度變化，而在向心加速度激勵下，藥箱內(nèi)藥液在藥箱空間做圓周運動，藥箱內(nèi)壁壓力有兩方面原因影響，一是藥液做圓周運動是的離心力，二是由于矩形藥箱的棱角部分導(dǎo)致的藥液激蕩、飛濺多產(chǎn)生的壓力，根據(jù)以往液體晃動論文研究，可以知道在這其中離心力提供大部分壓力來源，藥液的激蕩和飛濺只占很少一部分，所以導(dǎo)致在向心加速度激勵下藥箱內(nèi)壁的壓力曲線變化趨勢較為平緩。不過觀察充液比0.7和0.9時的壓力曲線不能看出，即使藥箱在向心加速度激勵下，內(nèi)壁壓力在充液比0.3～0.7之間峰值的大小仍然呈遞增趨勢，在充液比0.9時依據(jù)出現(xiàn)峰值小于0.7充液比的情況，由此可以得知，藥箱在向心加速度的激勵下仍保持在充液比0.7～0.9時藥箱內(nèi)藥液晃動程度最為劇烈的規(guī)律。

(a) 充液比0.3

6 結(jié)論

本文針對植保無人機飛行過程中由于起飛、降落、急停、轉(zhuǎn)向、平移、繞點旋轉(zhuǎn)和仿地飛行等動作時藥箱內(nèi)藥液劇烈晃動導(dǎo)致對植保無人機的整機作業(yè)性能及安全方面產(chǎn)生很大影響的問題，設(shè)計了一款能夠在三維空間內(nèi)加載激勵的特性，充分模擬植保無人機在飛行作業(yè)時工況的試驗臺，并設(shè)計了可適配不同形狀大小藥箱加載機構(gòu)，保證試驗臺可以對市面上大部分藥箱進行試驗分析。通過試驗數(shù)據(jù)分析可以發(fā)現(xiàn)矩形藥箱在水平激勵的作用下普遍存在同一種規(guī)律：當(dāng)藥箱充液比為0.3時，被測藥箱內(nèi)壁壓力在0.496 s時達到峰值100.3 Pa，然后呈波浪狀遞減，當(dāng)藥箱充液比為0.6時, 被測藥箱內(nèi)壁壓力在0.315 s時達到峰值215.3 Pa，而且隨著藥箱充液比的增大，藥箱內(nèi)壁壓力峰值發(fā)生的的時間依次遞減；當(dāng)給矩形藥箱施加一個圓周激勵時，藥箱內(nèi)壁壓力在充液比0.3～0.7之間峰值的大小仍然呈遞增趨勢，但是在藥箱充液比0.9時出現(xiàn)內(nèi)壁壓力峰值小于充液比0.7的情況，同時在圓周激勵下仍保持在充液比0.7～0.9時藥箱內(nèi)藥液晃動程度最為劇烈的規(guī)律。