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(xué)農(nóng)業(yè)工程與食品科學(xué)學(xué)院，山東 淄博 255000)

0 引言

我國的農(nóng)業(yè)發(fā)展還面臨著許多問題，最主要的問題在于生產(chǎn)效率低下，農(nóng)業(yè)規(guī)?；?、機械化程度低，近年來隨著農(nóng)業(yè)航空技術(shù)的飛速發(fā)展，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)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(fā)達國家，我國農(nóng)業(yè)航空技術(shù)還有諸多不足[1-2]。

伴隨植保無人機技術(shù)與裝備的快速發(fā)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(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，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(zhǔn)性、作業(yè)精確性和動力續(xù)航性等[4-5]。此外，隨著作業(yè)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?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。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(nóng)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(nèi)壁安裝水壓力傳感器，采集晃動時藥箱內(nèi)藥液對藥箱內(nèi)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(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3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水平的加速度激勵，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4～8m/s，取其平均數(shù)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(dāng)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(zhuǎn)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(yè)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(yè)是藥液減少的整個過程。而且有前期實驗表明，在儲液箱內(nèi)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(shè)計

本文中所設(shè)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(jié)鉸鏈和球籠聯(lián)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(shù)據(jù)采集組件，借助藥箱夾持組件將布設(shè)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(jù)實驗方案中的不同工況，啟動試驗臺收集壓力數(shù)據(jù)。

表1 實驗設(shè)計

2 實驗結(jié)果與分析

2.1 圓柱形藥箱

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，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(dāng)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(yīng)地加厚，這時如果繼續(xù)選擇圓形水箱的話，就會增加生產(chǎn)的成本。因此圓柱形藥箱一般應(yīng)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(nèi)部內(nèi)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(nèi)壁的壓力變化趨勢相對于矩形藥箱更加平滑，在藥箱內(nèi)壁壓力恢復(fù)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(jù)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(jù)上文數(shù)值模擬中的氣液兩相圖，我們可以推論這是由于當(dāng)施加激勵后藥液在藥箱內(nèi)作往復(fù)運動，藥液因為慣性水平?jīng)_擊藥性內(nèi)壁時，圓柱形藥箱由于內(nèi)壁兩側(cè)為圓弧形，藥液在沖擊內(nèi)壁的同時，藥液會沿內(nèi)壁沖擊點向兩側(cè)分散，同時瞬時壓力也會相應(yīng)地減小，這就導(dǎo)致同樣的激勵下，圓柱形藥箱內(nèi)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(nèi)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(nèi)壁壓力峰值發(fā)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(xiàn)不合規(guī)律地下降。結(jié)合上文數(shù)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(nèi)藥液晃動程度最為劇烈，隨著藥液充液比的繼續(xù)增大，藥箱接近滿載時，由于晃動時藥液在藥箱內(nèi)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(yè)時盡量將藥箱加滿。

表2 平激勵下內(nèi)壁上峰值壓力大小和發(fā)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(nóng)S40單旋翼電動農(nóng)用無人機的藥箱，高科新農(nóng)S40農(nóng)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(tǒng)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(nèi)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(nèi)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(nèi)部內(nèi)壁參考面上的受力曲線圖，結(jié)合圖4U型藥箱不同充液比的示意圖可以看出，當(dāng)U型藥箱充液比為0.3時，液體占據(jù)藥箱下部區(qū)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(fā)現(xiàn)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(dāng)U型藥箱充液比0.7時，結(jié)合示意圖可看出藥液液面均已在U型藥箱兩側(cè)空間，當(dāng)施加激勵后藥液會在藥箱兩側(cè)的空間進行往復(fù)運動，而由于藥箱兩側(cè)呈扁平狀，藥液在其活動的空間較小，藥液由于慣性做往復(fù)運動的頻率增加，在曲線圖中就體現(xiàn)為上下波動的變化時間較短，變化幅度較??；當(dāng)U型藥箱充液比0.9時，工況分析結(jié)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(jié)論

(1)在藥箱充液比0.7之前，藥箱內(nèi)液體對藥箱內(nèi)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(yīng)加劇，植保無人機的飛行穩(wěn)定性受影響程度增大。

(2)在藥箱充液比0.7～0.9時，藥箱內(nèi)藥液晃動程度最為劇烈，隨著藥液充液比的繼續(xù)增大，接近滿載時，由于晃動時藥液在藥箱內(nèi)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(jié)構(gòu)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(yōu)于圓柱形藥箱。