廣東省農(nóng)業(yè)技術推廣中心

□ 鄭凱仁

近年來，我國農(nóng)業(yè)航空產(chǎn)業(yè)特別是植保無人機獲得快速發(fā)展，因其具有作業(yè)效率高，不受地形、地勢限制，可定點懸停精準作業(yè)等優(yōu)勢，成為農(nóng)機市場的熱點產(chǎn)品。在植保無人機作業(yè)或轉(zhuǎn)場運輸中，常常受到戶外惡劣環(huán)境或雨霧天氣等因素影響，其防水結構不到位就會導致進水或霧化，從而嚴重影響植保無人機性能甚至失控墜落。因此，防水性能的優(yōu)劣，成為衡量其安全性和質(zhì)量好壞的重要指標。這就要求在設計制造過程中要采取有效措施，確保植保無人機具有一定的防水能力。

一、設計研制背景

現(xiàn)行植保無人機行業(yè)標準DG/T 247—2021 明確規(guī)定，植保無人機防水等級應達到IPX5以上，試驗方法按GB/T 4208—2007《外殼防護等級（IP 代碼）》執(zhí)行，并將防水等級劃分為 10個等級，目的是進行如下三方面防護：（1）防止人體觸及外殼內(nèi)的危險部件防護；（2）對固體異物進入外殼設備內(nèi)的防護；（3）對水進入外殼內(nèi)對設備造成有害影響的防護?，F(xiàn)階段，各企業(yè)對于植保無人機防水性能設計要求IPX5 防水等級，但也有部分機型是在魚塘等高溫高濕環(huán)境下作業(yè)，防水性能要求更高，達到IPX6 以上。

現(xiàn)有IPX5 和IPX6 防水等級箱體多是用于檢測小型電子產(chǎn)品或者元器件，其試驗段空間尚小，對試件體積限制較多；水流量一般采取手動控制，自動化程度低且不易自動調(diào)節(jié)；對于植保無人機這種外形尺寸較大的電子設備，不能提供模擬淋雨環(huán)境。針對現(xiàn)有技術存在的以上問題，亟需設計一種新的可以測試植保無人機防水性能的檢測系統(tǒng)，用以彌補現(xiàn)有技術不足。

二、設計要求

根據(jù)農(nóng)業(yè)機械推廣鑒定大綱DG/T 247—2021《植保無人駕駛航空器》條款4.2.1.8 中明確規(guī)定，其防水試驗檢測方法為：植保無人駕駛航空器（也稱為“植保無人機”）防水等級應達到IPX5。按照GB/T 4208—2007 的規(guī)定方法對整機進行試驗，產(chǎn)品應處于通電狀態(tài)，試驗結束后，機具應能正常工作；根據(jù)GB/T 4208—2007標準要求，研發(fā)一套能夠滿足植保無人機防水等級IPX5 以上的檢測設備。經(jīng)過驗證，IPX5和IPX6 的防水等級試驗可集成在一套防水箱體內(nèi)，整套設備須滿足以下條件。見表1。

表1 GB/T4208—2007 規(guī)定IPX5、IPX6 的試驗

同時，考慮到植保無人機尺寸偏大、現(xiàn)有防水箱體的空間偏小、對樣品體積限制較大等實際情況，并且植保無人機尺寸以后有可能越來越大，這對于防水箱體的要求來說，要么防水箱體足夠大，要么防水箱體可以拆卸并根據(jù)實際需求向四周擴展箱體大小。

該試驗設備在在設計時，對現(xiàn)有防水箱體不足和植保無人機尺寸偏大的實際情況作了綜合分析，具體如下：

1.試驗用箱體應能根據(jù)實際植保無人機大小進行拆卸與安裝，箱體由玻璃墻（可拆卸）和玻璃門（可拆卸）組成，玻璃墻和玻璃門之間采用可拆卸的鉚接結構，箱體要有良好的密封性，能防止水分泄漏，同時試驗用箱體內(nèi)部的排水與進水裝置應合理布置。

2.試驗臺可根據(jù)植保無人機等試件的大小調(diào)整試驗臺的高度和旋轉(zhuǎn)速度，以保證噴嘴與試件表面之間的距離符合試驗要求。

3.該系統(tǒng)在進行噴水試驗時，有最大噴水量的覆蓋面，試驗用噴頭架應能自由移動，可根據(jù)需求進行上下、左右位置的靈活調(diào)節(jié)。

4.該系統(tǒng)的噴嘴應有大小調(diào)節(jié)裝置，保證試驗用水壓滿足試驗要求。

三、系統(tǒng)概述

1.系統(tǒng)結構

可拆卸式IPX5—6 級防水檢測系統(tǒng)主要由箱體、噴嘴裝置、試驗臺、水流量調(diào)整與測量系統(tǒng)、控制系統(tǒng)等主要組成，如圖1 所示。該系統(tǒng)是將IPX5和IPX6 的防水等級試驗集成在一個箱體內(nèi)，系統(tǒng)測量范圍為，IPX5：噴嘴內(nèi)徑6.3mm，流量12.5L/min；IPX6：噴嘴內(nèi)徑12.5mm，流量100L/min，水流量準確度為±5%。

圖1 外觀設計圖

該系統(tǒng)組成部分如下：

①可拆卸可移動箱體：由玻璃墻（可拆卸）、玻璃門（可拆卸）和底部柵格網(wǎng)組成，箱體在滿足良好密封性的同時，也可根據(jù)需求擴展大?。?/p>

②噴嘴裝置：噴頭架上有兩個內(nèi)徑大小分別為φ6.3mm和φ12.5mm 的噴嘴，噴嘴置于噴頭架上，噴射角度和噴頭架可根據(jù)需要機械調(diào)節(jié),從而實現(xiàn)所有可能方向向?qū)χ糜谠囼炁_上的植保無人機噴水；

③試驗臺：位于箱體內(nèi)，可根據(jù)植保無人機大小機械調(diào)整試驗臺高度和通過PLC 控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)盤速度；

④試驗水輸入和排出：主要由水箱、抽水泵和排水口組成，能夠滿足試驗過程中試驗用水的循環(huán)使用；

⑤水流量調(diào)整與測量系統(tǒng)：由PLC 可編程控制器、水泵電機、流量變送器和變頻器等組成，可將噴嘴出水的流量應調(diào)整到能提供指定的流量速率；

⑥控制系統(tǒng)：采用PLC 控制，通過控制水壓、水流量、轉(zhuǎn)盤速度等參數(shù)實現(xiàn)各種操作和控制。

2.箱體設計

目前，IPX5 和IPX6 的防水等級箱體多用于考核電工電子產(chǎn)品在運輸或使用環(huán)境中可能受到的淋水影響，由于植保無人機尺寸偏小，箱體有效試驗空間尚小，對試件體積限制較多?，F(xiàn)階段常見植保無人飛機外形尺寸一般為長2 m，寬2.0 m，高0.8 m。針對目前情況，考慮到試驗臺與噴頭距離要2.5m—3m 之間，防水箱體試驗空間至少為5.0m×2.0m×0.8m 的長方體。為了測試操作方便，滿足更寬測試范圍，本系統(tǒng)設計的箱體由玻璃墻、玻璃門和底部不銹鋼地板、塑料柵格網(wǎng)組成，其外形尺寸為5.8 m ×4.7 m ×3.0 m，箱體有效容積為81.78m3。其中玻璃門的門洞尺寸為2.4m×2.2m（長×高）,便于將尺寸較大的植保無人機（被測物體）置于箱體內(nèi)的試驗臺上，同時為了保證有可能尺寸更大，特將玻璃墻、玻璃門為可以拆卸的鉚合結構，可根據(jù)實際需要，箱體可拆卸并進行快速組裝，其外形大小可以向上下和左右擴展，滿足將來測試擴展需要。

3.噴嘴裝置設計

根據(jù)GB/T4208 的要求，IPX5 和IPX6 的噴嘴噴水口是一個內(nèi)表面光滑無故障的圓錐體，內(nèi)徑大小分別為φ6.3mm和φ12.5mm 的噴嘴，噴嘴結構如圖2 所示：

圖2 噴嘴結構圖

雖 然 國 標GB/T 4208—2007 規(guī)定了噴嘴產(chǎn)生的水流從機殼（植保無人機）的所有可行方向噴濺。但標準沒有對噴嘴裝置與試品的噴射角度、方向做很多明確的規(guī)定要求。而實際上，植保無人機外殼是不規(guī)則形狀的，外殼孔隙與接縫可能是上、下、左、右任意方向。因此，在測試過程中，噴嘴的噴射角度、方向、距離與植保無人機外殼測試面的不規(guī)則會導致產(chǎn)生很大的進水差異，影響到試驗結果。要解決這個問題，就要在箱體內(nèi)固定噴嘴的位置和方向，同時試驗臺應能根據(jù)需求調(diào)整轉(zhuǎn)速，實現(xiàn)植保無人機（被測物體）所有方向噴濺的可能。經(jīng)過不斷測試和調(diào)整，確定在距試驗臺2.5m—3m 方向，設置一個移動噴嘴架的噴嘴裝置，有兩個噴嘴，內(nèi)徑大小分別為φ6.3mm和φ12.5mm，對應著IPX5 和IPX6 的防水等級試驗，該噴嘴架可以通過調(diào)整架子上的螺栓高度來調(diào)整噴嘴高度，也可通過調(diào)整噴嘴與噴嘴架的螺絲來調(diào)整噴嘴的噴射角度。

4.試驗臺設計

試驗臺根據(jù)試驗標準要求設計安裝。試驗臺位于箱體內(nèi)，底部設置四個萬向輪，輪子上有設置鎖死機構，可在箱體內(nèi)移動停止，保證噴嘴與放置在試驗臺的水平距離符在2.5m—3m 之間。同時試驗臺高度可根據(jù)實際需要，機械升降試驗臺的高度。試驗臺轉(zhuǎn)盤為直徑1000mm 不銹鋼，轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)動采用PLC 可編程控制器輸出，由電機帶動渦輪減速旋轉(zhuǎn),從而控制轉(zhuǎn)盤的旋轉(zhuǎn)速度。轉(zhuǎn)盤調(diào)速輸出范圍是0—100r/min，可根據(jù)需求在控制柜上調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)盤的轉(zhuǎn)速，從而實現(xiàn)植保無人機（被測物體）所有方向的噴濺可能。

5.試驗水輸入和排出設計

試驗水輸入和排出設計主要考慮試驗過程中用水保證，主要由水箱、抽水泵和排水口等組成。儲水箱用來儲存試驗用水。試驗運行前，自來水經(jīng)進水閥由進水口流入水箱。水箱內(nèi)壁上裝有兩個測量水位的電浮子，分別表示“最高”控制水位和“缺水”控制水位。試驗過程中，試驗用水由水泵自水箱抽水口抽出后送往噴嘴處向植保無人機噴水進行試驗。同在儲水箱側壁靠近箱底部位設有排水口，排水口與箱體底部有一定的傾斜角度，確保試驗結束后和清潔水箱時能順利排放污水。

6.水流量調(diào)整與測量系統(tǒng)

水壓調(diào)整與測量控制系統(tǒng)由PLC 可編程控制器、水泵電機、流量變送器和變頻器等組成，以程序自動控制為主。按試驗條件要求，噴嘴出水的壓力應調(diào)整到能提供指定的流量速率，這主要由水泵電機來保障，通過PLC 控制系統(tǒng)對水流量傳感器進行采集，對來自通訊接口的數(shù)據(jù)信息進行分析、實施控制算法，通過變頻器對水泵電機進行控制，從而實現(xiàn)對水流量控制。變頻器是對水泵電機進行轉(zhuǎn)速控制的單元，其跟蹤控制器送來的控制信號改變水泵電機的轉(zhuǎn)速控制，從而實現(xiàn)對水流量的控制，滿足試驗要求。水流量調(diào)整與測量系統(tǒng)的功用是對進入噴嘴前的水流進行局部分流，并靠調(diào)節(jié)分流水量的大小，使之達到試驗規(guī)定要求。水流量由安裝在噴嘴前管道中的流量計來測量完成，對應實測數(shù)值可在流量計上顯示。

7.控制系統(tǒng)設計

控制系統(tǒng)主要采用PLC 控制器控制，PLC 控制器是可拆卸式IPX5—6 級防水檢測系統(tǒng)的核心，系統(tǒng)所有輸入、輸出控制點都接入PLC 中并通過編程來實現(xiàn)各種操作和控制。PLC控制系統(tǒng)的組成包括 CPU 模塊、I/O 模塊、電源模塊等，同時為了便于日后檢測系統(tǒng)的升級換代，保留了外部設備端口，例如監(jiān)控顯示設備及通信聯(lián)網(wǎng)接口等。

PLC 可編程控制器及 I/O接口模塊安裝在控制柜內(nèi)。PLC控制系統(tǒng)的核心是中央處理單元CPU。CPU 從用戶程序存貯器中逐條讀取指令，經(jīng)分析后再按指令規(guī)定任務產(chǎn)生相應的控制信號，去指揮有關控制電路。PLC 的對外功能，主要通過各種 I/O 接口模塊與外界聯(lián)系。

該系統(tǒng)共有兩個 I/O 模塊：模塊1 是輸入接口，用于接收各種告警信號；模組2 是輸出接口，用于各種控制信號發(fā)送，以實現(xiàn)對水流量控制、試驗臺旋轉(zhuǎn)、IPX5 試驗噴水、IPX6 試驗噴水以及報警等各種功能控制。同時，如果出現(xiàn)故障等問題，PLC 控制器會啟動輔助功能，發(fā)出警告或應急停機等。

四、測試結果分析

該系統(tǒng)主要針對植保無人機的防水性能進行測試。噴嘴內(nèi)徑、與外殼最大距離、測試時間等條件按表 1 要求設定，本次防水性能測試主要考核以下內(nèi)容：

①進行IPX5 防水等級試驗時，噴頭噴出來的水流量是否在（12.5±0.625）L/min 范圍內(nèi)；

②進行IPX6 防水等級試驗時，噴頭噴出來的水流量是否在（100±0.625）L/min 范圍內(nèi)；

在進行IPX5 或IPX6 防水等級試驗時,水流量參數(shù)的測量方法采用稱重法，用計量過的電子天平收集水流量在設定值12.5L/min（IPX5 防水等級測試）、100L/min（IPX6 防水等級測試）時一分鐘內(nèi)噴頭噴射水的容積。防水性能測試如表2所示：

表2 防水性能測試

測試數(shù)據(jù)顯示， 進行IPX5 和IPX6 防水等級試驗時，噴頭噴出來的水流量均在（12.5±0.625）L/min、（100±0.625）范圍內(nèi)，符合試驗要求。在進行不同水流量值時，水流量準備度的測試結果在-2.8%—3.7%，滿足水流量準確度±5 的要求，該指標符合試驗要求。該系統(tǒng)可通過改變不同水流量值，模擬不同環(huán)境測試條件，對植保無人機或其它中大型設備的外殼各方向不同程度的濺水，檢測該設備的外殼防水能力。同時，本系統(tǒng)的玻璃門和玻璃墻為獨立單元設計，可根據(jù)實際需求向四周擴展箱體的尺寸，從而滿足當測試條件改變，或植保無人機外形尺寸改變時的測試需求。

五、結論

本文研制的可拆卸式IPX5—6 級防水檢測系統(tǒng)，其箱體的有效容積較大，結構設計合理，各項技術指標均滿足試驗要求，人工控制、自動化程度較高。而且本系統(tǒng)的玻璃門和玻璃墻壁為獨立單元設計，可以根據(jù)實際需求快速拆卸并向四周擴展尺寸。當測試條件改變，可以滿足植保無人機外形尺寸改變時的測試需求?？刹鹦妒絀PX5—6 級防水檢測系統(tǒng)研制成功，為考核植保無人機的環(huán)境適用性和產(chǎn)品可靠性提供了科學的試驗手段。