宋瑜清，饒衛(wèi)航，葉雪輝，林?jǐn)⒈?，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(guó)內(nèi)出現(xiàn)了首款油動(dòng)的單旋翼植保無(wú)人機(jī)，打開(kāi)了植保作業(yè)的新局面，但植保無(wú)人機(jī)發(fā)展一直比較緩慢，直到2014 年中央一號(hào)文件明確提出“加強(qiáng)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(tái)植保無(wú)人機(jī)購(gòu)置補(bǔ)貼政策，吸引了社會(huì)資本逐漸投入，國(guó)內(nèi)植保無(wú)人機(jī)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(diǎn)項(xiàng)目的啟動(dòng)，開(kāi)啟了無(wú)人機(jī)應(yīng)用于植保的技術(shù)研發(fā)，隨后無(wú)人機(jī)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(guó)植保無(wú)人機(jī)的發(fā)展已經(jīng)趨于成熟，特別是對(duì)植保無(wú)人機(jī)的購(gòu)機(jī)補(bǔ)貼政策加速了植保無(wú)人機(jī)快速的發(fā)展，技術(shù)不斷突破，產(chǎn)業(yè)鏈也得到進(jìn)一步的完善。目前，我國(guó)植保無(wú)人機(jī)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(wú)人駕駛航空器，又名無(wú)人飛行器，俗稱無(wú)人機(jī)，通過(guò)地面遙控或?qū)Ш斤w控可以將其用于農(nóng)林植物保護(hù)等領(lǐng)域，農(nóng)業(yè)用無(wú)人機(jī)通常由飛行平臺(tái)、導(dǎo)航飛控、噴灑機(jī)構(gòu)3 部分組成，可以實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中藥劑、種子、粉劑的噴灑等操作。

在無(wú)人機(jī)從事農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的過(guò)程中，由于無(wú)人機(jī)使用環(huán)境的不同會(huì)遇到各式各樣的氣流，這些氣流會(huì)干擾無(wú)人機(jī)的飛行狀態(tài)，從而影響無(wú)人機(jī)的使用效率和作業(yè)效果，因此，無(wú)人機(jī)需要具備一定的抗風(fēng)能力，使無(wú)人機(jī)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(wú)人機(jī)不可避免的作業(yè)環(huán)境因素，是影響飛機(jī)飛行軌跡和飛行姿態(tài)的主要因素［6］。植保無(wú)人機(jī)受到強(qiáng)風(fēng)擾動(dòng)時(shí)，氣動(dòng)特性會(huì)發(fā)生突變，影響飛機(jī)飛行速度、航向、運(yùn)動(dòng)軌跡等飛行參數(shù)，進(jìn)而影響飛機(jī)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(cè)試無(wú)人機(jī)抗風(fēng)性能的設(shè)備一般使用風(fēng)洞來(lái)進(jìn)行測(cè)試，但是風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)室造價(jià)高，占地大，常用于航空測(cè)試，對(duì)于造價(jià)便宜的民用無(wú)人機(jī)來(lái)說(shuō)，使用風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)室檢測(cè)成本過(guò)于高昂；并且現(xiàn)有的無(wú)人機(jī)抗風(fēng)性能的檢測(cè)設(shè)備存在移動(dòng)不便、風(fēng)速固定、風(fēng)的方向不能調(diào)節(jié)等問(wèn)題，不能滿足多種測(cè)試要求。針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)存在的問(wèn)題，亟需設(shè)計(jì)一種新的可以測(cè)試無(wú)人機(jī)抗風(fēng)性能的測(cè)試系統(tǒng)，用以彌補(bǔ)現(xiàn)有技術(shù)的不足［8-11］。

1 系統(tǒng)概述

風(fēng)對(duì)植保無(wú)人機(jī)作業(yè)影響很大，考慮到其作業(yè)大多在野外進(jìn)行，因此，農(nóng)業(yè)機(jī)械推廣鑒定大綱明確規(guī)定其抗風(fēng)性能檢測(cè)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(chǎng)中，操控其起飛、前飛、后飛、側(cè)飛、轉(zhuǎn)向、懸停、著陸等，植保無(wú)人駕駛航空器應(yīng)能正常飛行。

針對(duì)植保無(wú)人機(jī)的抗風(fēng)性能測(cè)試要求，設(shè)計(jì)一套可調(diào)式抗風(fēng)性能測(cè)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(shí)，可以進(jìn)行擴(kuò)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(cè)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(cè)物體（無(wú)人機(jī)）上，用于采集被測(cè)物體（無(wú)人機(jī)）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(guò)設(shè)置的造風(fēng)裝置，能夠?yàn)楸粶y(cè)物體（無(wú)人機(jī)）的抗風(fēng)性能測(cè)試提供不同風(fēng)速的風(fēng)，從而更加全面的模擬被測(cè)物體（無(wú)人機(jī)）在使用過(guò)程中的氣流環(huán)境；通過(guò)在被測(cè)物體（無(wú)人機(jī)）上設(shè)置數(shù)據(jù)采集裝置，能夠全面采集被測(cè)物體（無(wú)人機(jī)）在抗風(fēng)性能測(cè)試過(guò)程中的抗風(fēng)性能，從而得到被測(cè)物體（無(wú)人機(jī)）在復(fù)雜氣流條件下的抗風(fēng)性能。外觀設(shè)計(jì)如圖1 所示。

圖1 外觀設(shè)計(jì)圖

2 造風(fēng)裝置及風(fēng)墻設(shè)計(jì)

目前普遍使用的植保無(wú)人機(jī)的外形尺寸為長(zhǎng)2.0 m，寬3.0 m，高0.8 m，針對(duì)目前情況，有效風(fēng)場(chǎng)空間至少為長(zhǎng)2.0 m，寬3.0 m，高0.8 m的長(zhǎng)方體，為了測(cè)試操作方便，穩(wěn)定性更高，并滿足更寬的測(cè)試范圍，本系統(tǒng)設(shè)計(jì)長(zhǎng)度4.0 m，寬 8.0 m，高2.0 m的長(zhǎng)方體風(fēng)場(chǎng)，能將植保無(wú)人機(jī)（被測(cè)物體）包含于其中的氣流場(chǎng)，同時(shí)可調(diào)風(fēng)速范圍設(shè)計(jì)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(kuò)展，滿足將來(lái)的測(cè)試擴(kuò)展需要。

2.1 造風(fēng)裝置

風(fēng)扇形成的是一個(gè)橢圓形的風(fēng)場(chǎng)，如圖2 所示。

圖2 風(fēng)場(chǎng)示意圖

橢圓形風(fēng)場(chǎng)的缺點(diǎn)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(dòng)時(shí)，會(huì)減弱或增加2個(gè)風(fēng)扇之間的風(fēng)強(qiáng)度，甚至產(chǎn)生風(fēng)旋渦流，從而導(dǎo)致風(fēng)速波動(dòng)特別大，穩(wěn)定性很差。要解決這個(gè)問(wèn)題，就必須改變每個(gè)風(fēng)扇出風(fēng)口的橢圓形風(fēng)場(chǎng)的特點(diǎn)，要改變橢圓形風(fēng)場(chǎng)的特點(diǎn)就必須把風(fēng)場(chǎng)分割為很多小的正方形風(fēng)場(chǎng)，使每個(gè)風(fēng)扇的出風(fēng)口規(guī)律地排列為矩陣結(jié)構(gòu)。經(jīng)過(guò)不斷的測(cè)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(gè)風(fēng)扇配置1 臺(tái)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(gè)小出風(fēng)口，每個(gè)均為8 cm×8 cm×20 cm（長(zhǎng)寬深），如圖4 所示。同時(shí)，為了適合擴(kuò)展，每個(gè)風(fēng)扇既可獨(dú)立運(yùn)行，也可與其他風(fēng)扇同時(shí)運(yùn)行。

圖3 風(fēng)扇

圖4 導(dǎo)流裝置

2.2 風(fēng)墻設(shè)計(jì)

為了滿足長(zhǎng)4.0 m × 寬 8.0 m × 高2.0 m的長(zhǎng)方體風(fēng)場(chǎng)所需，需要設(shè)計(jì)長(zhǎng)4.0 m × 高2.0 m的風(fēng)墻。經(jīng)過(guò)測(cè)試和排列，按長(zhǎng)度方向8個(gè)風(fēng)扇、寬度方向4個(gè)風(fēng)扇進(jìn)行安裝，組成長(zhǎng)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(shí)，每個(gè)風(fēng)扇剛性地固定在支架上，確保風(fēng)扇不會(huì)晃動(dòng)，支架的底部也剛性地固定在水泥平臺(tái)上，保證整個(gè)支架不會(huì)晃動(dòng)，同時(shí)風(fēng)墻前留有6 m×12 m×8 m 的空間，保證無(wú)人機(jī)啟動(dòng)、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(jì)

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(jī)組成，風(fēng)速可調(diào)節(jié)范圍為3～7 m/s，通過(guò)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(guò)液晶單板觸摸屏進(jìn)入軟件界面，在該界面可以設(shè)置風(fēng)速，然后通過(guò)PLC 控制調(diào)速變頻電機(jī)帶動(dòng)風(fēng)扇按設(shè)置的風(fēng)速運(yùn)行；同時(shí)，如果出現(xiàn)故障等問(wèn)題，PLC 控制器啟動(dòng)輔助功能，發(fā)出警告或應(yīng)急停機(jī)。同時(shí)，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(dá)到設(shè)置的風(fēng)速要求。

圖7 控制流程圖

4 測(cè)試結(jié)果分析

該系統(tǒng)主要是針對(duì)植保無(wú)人機(jī)的抗風(fēng)性能進(jìn)行測(cè)試，系統(tǒng)出風(fēng)分別設(shè)置為5 m/s 和6 m/s，在測(cè)試風(fēng)場(chǎng)3～10 m 距離內(nèi)，每隔1 m 設(shè)1個(gè)測(cè)試點(diǎn)，每個(gè)測(cè)試點(diǎn)重復(fù)3 次，測(cè)試結(jié)果如表1 所示。測(cè)試數(shù)據(jù)顯示，測(cè)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(cè)試結(jié)果也會(huì)波動(dòng)。主要原因是因?yàn)樵摐y(cè)試系統(tǒng)并非在密閉的空間（或在風(fēng)洞內(nèi)）內(nèi)進(jìn)行，會(huì)受到外界氣流和風(fēng)的影響。

表1 設(shè)置風(fēng)速對(duì)應(yīng)下的實(shí)測(cè)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(cè)試系統(tǒng)，有效風(fēng)場(chǎng)為高2 m，長(zhǎng)4 m，寬10 m，風(fēng)速可以調(diào)節(jié)范圍為3～7 m/s。通過(guò)測(cè)試，當(dāng)風(fēng)速為6 m/s 時(shí)，可滿足植保無(wú)人機(jī)抗風(fēng)能力測(cè)試試驗(yàn)的要求。本系統(tǒng)風(fēng)扇和導(dǎo)流裝置均以獨(dú)立風(fēng)扇為單元設(shè)計(jì)，可以根據(jù)實(shí)際需求向四周擴(kuò)展風(fēng)場(chǎng)范圍，從而滿足當(dāng)測(cè)試條件改變，或無(wú)人飛行器外形尺寸改變時(shí)的測(cè)試需求。