植保無(wú)人機(jī)藥箱防晃性能檢測(cè)試驗(yàn)臺(tái)設(shè)計(jì)與試驗(yàn)*

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(wú)人機(jī)技術(shù)與裝備的快速發(fā)展，人們對(duì)植保無(wú)人機(jī)藥箱防晃/防浪涌性能的要求越來(lái)越高[1-3]。植保無(wú)人機(jī)在作業(yè)過(guò)程中經(jīng)常做出起飛、降落、急停、轉(zhuǎn)向、平移、繞點(diǎn)旋轉(zhuǎn)和仿地飛行等動(dòng)作，此時(shí)藥箱內(nèi)的藥液在激勵(lì)的作用下進(jìn)行劇烈晃動(dòng)[4-6]，無(wú)疑會(huì)對(duì)植保無(wú)人機(jī)的整機(jī)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(dòng)力續(xù)航性等[7-8]。此外，隨著作業(yè)過(guò)程中藥箱充液比的下降，這種晃動(dòng)會(huì)變的愈加劇烈和明顯，嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)斐蓧嫏C(jī)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(wú)人機(jī)藥箱設(shè)計(jì)過(guò)程中，需要借助專(zhuān)門(mén)的藥箱晃動(dòng)性能檢測(cè)裝置，對(duì)所研發(fā)的植保無(wú)人機(jī)藥箱進(jìn)行晃動(dòng)性能評(píng)價(jià)[12-14]。

近年來(lái)，山東農(nóng)業(yè)大學(xué)戴世群、鄭繼周等針對(duì)充液箱體晃動(dòng)現(xiàn)象，以充液系統(tǒng)在外界激勵(lì)下的力學(xué)特性為研究對(duì)象，搭建了幾種水平激勵(lì)下的液體晃動(dòng)干擾力試驗(yàn)臺(tái)。然而，這類(lèi)箱體晃動(dòng)性能試驗(yàn)臺(tái)僅能在二維空間內(nèi)施加水平晃動(dòng)激勵(lì)，尚不能在三維空間內(nèi)施加多自由度晃動(dòng)激勵(lì)，不能模擬植保無(wú)人機(jī)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(wú)人機(jī)藥箱多種晃動(dòng)姿態(tài)，并進(jìn)行多傳感器數(shù)據(jù)采集的試驗(yàn)臺(tái)，以彌補(bǔ)在該領(lǐng)域的空白[15]。

本文以六自由度運(yùn)動(dòng)平臺(tái)為核心，對(duì)其進(jìn)行傳感器與是不同形狀藥箱的適配能力進(jìn)行改裝，然后利用試驗(yàn)臺(tái)對(duì)選取的典型形狀藥箱進(jìn)行試驗(yàn)，通過(guò)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(gè)不同激勵(lì)刺激下藥液對(duì)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(wú)人機(jī)藥箱優(yōu)化設(shè)計(jì)提供技術(shù)支持。

1 夾持機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

夾持機(jī)構(gòu)是植保無(wú)人機(jī)藥箱防晃性能檢測(cè)試驗(yàn)臺(tái)的重要組成部分，用來(lái)夾持各種類(lèi)型、大小的被測(cè)藥箱，以滿(mǎn)足試驗(yàn)臺(tái)可以適配市面上大部分藥箱的要求，同時(shí)可以減少實(shí)驗(yàn)過(guò)程中藥箱與六自由度運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的不協(xié)調(diào)晃動(dòng)，提高試驗(yàn)精準(zhǔn)度，同時(shí)還有效地保證了實(shí)驗(yàn)的安全性。首先根據(jù)六自由度運(yùn)動(dòng)平臺(tái)上平臺(tái)的大小和工作連接方式對(duì)夾持機(jī)構(gòu)的整體尺寸進(jìn)行設(shè)計(jì)，如圖1所示。

圖1 夾持機(jī)構(gòu)三維渲染圖

對(duì)于尺寸的設(shè)計(jì)，首先要根據(jù)市面上的植保無(wú)人機(jī)典型藥箱的大小來(lái)決定夾持機(jī)構(gòu)在水平和豎直方向上可伸縮的范圍，對(duì)市面上的植保無(wú)人機(jī)藥箱進(jìn)行統(tǒng)計(jì)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(jī)構(gòu)可調(diào)節(jié)的極限大小設(shè)置為200～500 mm。

夾持機(jī)構(gòu)由連接盤(pán)、下模夾、上模夾三部分組成，其中連接盤(pán)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(yùn)動(dòng)平臺(tái)上平臺(tái)相同的六邊形，大小近似，作用是與運(yùn)動(dòng)平臺(tái)上平臺(tái)相貼合，通過(guò)四周的6個(gè)緊固夾來(lái)固定連接盤(pán)，對(duì)下方的六自由度運(yùn)動(dòng)平臺(tái)和夾持機(jī)構(gòu)起承上啟下的作用，夾持機(jī)構(gòu)通過(guò)上下模夾來(lái)實(shí)現(xiàn)垂直方向上的高度調(diào)節(jié)，通過(guò)連接盤(pán)上的彈簧拉桿和下調(diào)節(jié)銷(xiāo)，實(shí)現(xiàn)水平方向上的大小調(diào)節(jié)，以便滿(mǎn)足市面上種類(lèi)復(fù)雜的藥箱的夾持工作。

2 數(shù)據(jù)采集組件設(shè)計(jì)

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(jī)，如圖2所示。角度傳感器固定于測(cè)試用植保無(wú)人機(jī)藥箱外壁面上，角度傳感器用于采集植保無(wú)人機(jī)藥箱在晃動(dòng)時(shí)其豎直方向中軸線與水平面的傾角；液位傳感器處于測(cè)試用植保無(wú)人機(jī)藥箱內(nèi)部的底部，液位傳感器用于采集植保無(wú)人機(jī)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(cè)試用植保無(wú)人機(jī)藥箱內(nèi)壁面上，每個(gè)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(wú)人機(jī)藥箱內(nèi)不同液位的液體對(duì)其壁面的水壓壓力；數(shù)據(jù)采集卡的輸入端通過(guò)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(guò)數(shù)據(jù)線與上位機(jī)相連接，數(shù)據(jù)采集卡和上位機(jī)用于實(shí)時(shí)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(shí)物圖

以高為40 cm的藥箱為例，充液比0.3時(shí)，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(gè)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(jì)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(yàn)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(chē)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(gè)彈性膜及集成在膜上的4個(gè)電阻組成，4個(gè)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(shí)電橋會(huì)產(chǎn)生一個(gè)與所加壓 力成線性比例關(guān)系的電壓輸出信號(hào)。

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(zhǔn)的SOP6和DIP6形式封裝的OEM元件，方便用戶(hù)采用表面貼裝或雙列直插式進(jìn)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(hù)采用運(yùn)放或集成電路針對(duì)輸出和溫漂進(jìn)行調(diào)試和補(bǔ)償。

對(duì)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(cè)量到藥液對(duì)藥箱內(nèi)壁的沖擊壓力，且由于防水性壓力傳感器的價(jià)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(wú)法直接安裝在藥箱內(nèi)壁，所以選擇在藥箱外壁進(jìn)行鉆孔，將傳感器的壓力接收部分置于藥箱內(nèi)部，同時(shí)用防水膠進(jìn)行固定。安裝位置從藥箱底部5 cm處開(kāi)始，沿豎直方向每隔 3 cm 加裝一個(gè)壓力傳感器(圖5)，共加裝4個(gè)，從底部第一個(gè)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(duì)照組，在進(jìn)行藥箱不同充液比試驗(yàn)時(shí)，選擇不同于液位下位于藥液豎直方向中間位置相對(duì)的兩個(gè)壓力傳感器作為數(shù)據(jù)采集裝置，采集植保無(wú)人機(jī)藥箱內(nèi)不同液位的液體對(duì)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(shí)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(duì)應(yīng)曲線

2.2 液位傳感器選型

本試驗(yàn)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(hào)測(cè)量元件，并經(jīng)過(guò)計(jì)算機(jī)自動(dòng)測(cè)試，用激光調(diào)阻工藝進(jìn)行了寬溫度范圍的零點(diǎn)和靈敏度溫度補(bǔ)償。放大電路位于不銹鋼殼體內(nèi)，將傳感器信號(hào)轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)輸出信號(hào)，充分發(fā)揮了傳感器的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，使136系列液位變送器具有優(yōu)異的性能。它抗干擾、過(guò)載和抗沖擊能力強(qiáng)、溫度漂移小、穩(wěn)定性高，具有很高的測(cè)量精度，是工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域理想的壓力測(cè)量?jī)x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(yàn)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(hào)轉(zhuǎn)化為具體的壓力值、高度，通過(guò)上位機(jī)中的采集軟件顯示出來(lái)。試驗(yàn)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(cè)量中。

圖8 數(shù)據(jù)采集卡USB DAQ-580i企業(yè)版

3 上位機(jī)軟件部分設(shè)計(jì)

3.1 上位機(jī)數(shù)據(jù)采集工具

由于在本文試驗(yàn)中需要得到壓力和液位的變化曲線，對(duì)于采集到的數(shù)據(jù)不需要太多的后處理，所以在上位機(jī)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(wú)斷點(diǎn)采集 信號(hào)，用戶(hù)可選擇合適的采集速度，軟件根據(jù)所選擇的采樣率進(jìn)行采集存儲(chǔ)，所有數(shù)據(jù)點(diǎn)將被存儲(chǔ)。因存儲(chǔ)速度限制，該軟件通過(guò)fifo手段進(jìn)行數(shù)據(jù)緩存，確保記錄的數(shù)據(jù)和存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)保持一致，不丟數(shù)據(jù)點(diǎn)。

低速采集：支持單通道和四通道低速采集，用戶(hù)可自行輸入延時(shí)時(shí)間，該時(shí)間基于電腦時(shí)鐘進(jìn)行延時(shí)，如輸入1 000，即1 000 ms為間隔時(shí)間進(jìn)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(diǎn)組成的壓力曲線，所以在測(cè)量模式上選擇連續(xù)測(cè)量模式：采集器接收的連續(xù)模式指令后，試驗(yàn)人員無(wú)需反復(fù)發(fā)送指令，采集器會(huì)根據(jù) 設(shè)置的參數(shù)連續(xù)輸出數(shù)據(jù)，同時(shí)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(xiě)操作流程

試驗(yàn)臺(tái)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(cè)量模式，采集卡板卡是基于USB總線進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，我們利用visual studio c#語(yǔ)言調(diào)用USB通信函數(shù)對(duì)采集器進(jìn)行讀寫(xiě)操作，可直接運(yùn)行對(duì)采集器進(jìn)行控制讀取通道電壓，在源代碼的基礎(chǔ)上，可以進(jìn)行采樣速度、采樣時(shí)間、量程等參數(shù)的設(shè)定。

4 試驗(yàn)臺(tái)整機(jī)設(shè)計(jì)

目前，針對(duì)植保無(wú)人機(jī)飛行作業(yè)過(guò)程中的藥箱內(nèi)藥液晃動(dòng)試驗(yàn)幾乎沒(méi)有，只能以一些罐體、箱體內(nèi)的液體晃動(dòng)試驗(yàn)作為參考，選擇測(cè)量監(jiān)控藥箱壁面一些固定點(diǎn)處的壓力值，以及液體晃動(dòng)時(shí)藥箱內(nèi)液體的實(shí)時(shí)液位，從而計(jì)算出藥箱晃動(dòng)時(shí)的晃動(dòng)頻率、晃動(dòng)力矩、液面平復(fù)時(shí)間等指標(biāo)(植保無(wú)人機(jī)飛行作業(yè)時(shí)的穩(wěn)定性與這些指標(biāo)息息相關(guān))，從而對(duì)其藥箱內(nèi)液體的晃動(dòng)進(jìn)行分析研究。試驗(yàn)臺(tái)整體結(jié)構(gòu)如圖10所示。

圖10 試驗(yàn)臺(tái)整體結(jié)構(gòu)

試驗(yàn)臺(tái)測(cè)試系統(tǒng)軟件包括測(cè)試軟件界面、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)功能、性能曲線繪制、測(cè)試報(bào)表生成及打印功能。試驗(yàn)臺(tái)采集的數(shù)據(jù)主要有壓力、液位。試驗(yàn)臺(tái)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)主要框圖，如圖11所示。

圖11 試驗(yàn)臺(tái)控制系統(tǒng)示意圖

5 試驗(yàn)驗(yàn)證

5.1 試驗(yàn)工況的選擇

在農(nóng)業(yè)航空領(lǐng)域，植保無(wú)人機(jī)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(jiǎn)單，不管是掛載還是利用卡槽嵌入植保無(wú)人機(jī)都是極為便宜的，能夠有效地降低植保無(wú)人機(jī)的制造成本，而且對(duì)于購(gòu)買(mǎi)者來(lái)說(shuō)，也可以在一定程度上減少零件更換的成本。

植保無(wú)人機(jī)在飛行作業(yè)過(guò)程中，會(huì)經(jīng)常進(jìn)行起飛、急停、轉(zhuǎn)向、仿地飛行、繞點(diǎn)旋轉(zhuǎn)(果樹(shù)模式)等飛行姿態(tài)，其中當(dāng)植保無(wú)人機(jī)出現(xiàn)起飛、急停、轉(zhuǎn)向這三種飛行姿態(tài)時(shí)，本質(zhì)上相當(dāng)于給植保無(wú)人機(jī)藥箱一個(gè)定向的加速度激勵(lì)，而植保無(wú)人機(jī)在飛行作業(yè)時(shí)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(shí)利用極飛p30的實(shí)飛測(cè)量，得到植保無(wú)人機(jī)速度從0 m/s到6 m/s的加速時(shí)間為2 s，通過(guò)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(wú)人機(jī)的初始速度，即0 m/s；

Vt——植保無(wú)人機(jī)終止速度，即6 m/s；

t——植保無(wú)人機(jī)的加速時(shí)間，即2 s。

通過(guò)計(jì)算可以得出加速度a=3 m/s2.當(dāng)使用試驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行模擬試驗(yàn)時(shí)，給植保無(wú)人機(jī)藥箱一個(gè)3 m/s2的加速度即可模擬植保無(wú)人機(jī)在起飛、急停、轉(zhuǎn)向時(shí)的藥箱工況。

當(dāng)植保無(wú)人機(jī)在飛行作業(yè)時(shí)，藥箱內(nèi)得藥箱內(nèi)的藥液會(huì)隨作業(yè)的進(jìn)行越來(lái)越少，藥箱內(nèi)的充液比也會(huì)隨之降低，貯箱的充液比是影響液體在貯箱內(nèi)晃動(dòng)的重要條件之一；為達(dá)到實(shí)驗(yàn)效果明顯的目的，本文試驗(yàn)時(shí)藥箱充液比選擇為70%。

5.2 試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

5.2.1 水平激勵(lì)

圖12為藥箱充液比0.3時(shí)矩形藥箱在加速度為 3 m/s2時(shí)兩側(cè)壁受力曲線圖與試驗(yàn)時(shí)藥箱中心點(diǎn)處藥液液位高度變化圖，通過(guò)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?yàn)榛謴?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(dòng)不大，在3 s之后同樣呈波浪狀，大致走向?yàn)樯仙厔?shì)，同樣是逐步恢復(fù)到試驗(yàn)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(lì)后，藥箱內(nèi)的藥液瞬間涌到藥箱左側(cè)，在0.496 s時(shí)藥箱左側(cè)內(nèi)壁產(chǎn)生第一個(gè)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(kāi)始回流，在藥箱右側(cè)內(nèi)壁上出現(xiàn)一個(gè)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(gè)壓力波峰，如此往復(fù)，液體晃動(dòng)的幅度越來(lái)越小，所產(chǎn)生的壓強(qiáng)波峰也隨之變小，直至兩側(cè)內(nèi)壁上的壓力均達(dá)到液深的靜壓。

圖13為藥箱充液比為0.6%時(shí)矩形藥箱在加速度為3 m/s2時(shí)側(cè)壁受力曲線圖與試驗(yàn)時(shí)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?yàn)榛謴?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(dòng)不大，在2 s之后同樣呈波浪狀，大致走向?yàn)樯仙厔?shì)，同樣是逐步恢復(fù)到試驗(yàn)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(lì)后的0.315 s時(shí)壓力達(dá)到最大峰值為215.3 Pa，同時(shí)藥箱內(nèi)液位變化曲線圖顯示在0.315 s時(shí)同樣達(dá)到最小峰值為9.2 cm，這說(shuō)明在試驗(yàn)0.315 s時(shí)，藥箱內(nèi)的液體晃動(dòng)程度達(dá)到最大，隨后壓力和液位都開(kāi)始進(jìn)入不同程度的平復(fù)期，同時(shí)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(yàn)臺(tái)給藥箱模擬施加激勵(lì)后，藥液在藥箱內(nèi)出現(xiàn)大幅晃動(dòng)的情況，在0.315 s時(shí)液體晃動(dòng)幅度達(dá)到最大，之后藥液在慣性力的作用下開(kāi)始出現(xiàn)往復(fù)回流，隨著慣性力和摩擦力的存在，晃動(dòng)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(yàn)前狀態(tài)。

5.2.2 圓周激勵(lì)

隨著植保無(wú)人機(jī)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(wú)人機(jī)大多可以進(jìn)行多種作物作種方式的噴施作業(yè)，以果樹(shù)為例，由于果樹(shù)大多枝葉茂盛，如果只是簡(jiǎn)單的往復(fù)噴施，很容易造成藥液只能?chē)娛┑焦麡?shù)冠層的現(xiàn)象發(fā)生，所以有很多植保無(wú)人機(jī)具有果樹(shù)噴施模式，飛行方式即環(huán)繞果樹(shù)旋轉(zhuǎn)，在此模式下，由于離心力的作用，整個(gè)植保無(wú)人機(jī)及其藥箱會(huì)出現(xiàn)向樹(shù)軸傾斜的現(xiàn)象，從而導(dǎo)致藥箱內(nèi)藥液的劇烈晃動(dòng)。

由于藥箱在外部圓周激勵(lì)的刺激下，矩形藥箱模擬植保無(wú)人機(jī)做圓周運(yùn)動(dòng)時(shí)，此時(shí)植保無(wú)人機(jī)大多處于繞點(diǎn)模式下，在此模式下植保無(wú)人機(jī)在空中進(jìn)行勻速的繞點(diǎn)圓周運(yùn)動(dòng)，藥箱內(nèi)藥液會(huì)在藥箱中呈旋渦狀態(tài)(旋渦大小與植保無(wú)人機(jī)繞飛速度有關(guān))，實(shí)驗(yàn)中藥箱內(nèi)藥液對(duì)藥箱四個(gè)內(nèi)壁的壓力大小和分布大致相同，多側(cè)壓力的測(cè)量意義不大，且出于試驗(yàn)與分析的簡(jiǎn)便性，對(duì)于圓周激勵(lì)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(shí)矩形藥箱在向心加速度為3 m/s2時(shí)藥箱內(nèi)壁壓力曲線圖，同時(shí)對(duì)比矩形藥箱在水平激勵(lì)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(dòng)幅度要遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于水平激勵(lì)下的壓力波動(dòng)幅度，這是由于藥液在兩種不同激勵(lì)下在藥箱空間做不同的運(yùn)功，在水平激勵(lì)下，藥液在藥箱內(nèi)是做水平方向上的往復(fù)運(yùn)動(dòng)，對(duì)內(nèi)壁的壓力隨運(yùn)動(dòng)的幅度變化，而在向心加速度激勵(lì)下，藥箱內(nèi)藥液在藥箱空間做圓周運(yùn)動(dòng)，藥箱內(nèi)壁壓力有兩方面原因影響，一是藥液做圓周運(yùn)動(dòng)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(dòng)論文研究，可以知道在這其中離心力提供大部分壓力來(lái)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(lì)下藥箱內(nèi)壁的壓力曲線變化趨勢(shì)較為平緩。不過(guò)觀察充液比0.7和0.9時(shí)的壓力曲線不能看出，即使藥箱在向心加速度激勵(lì)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(shì)，在充液比0.9時(shí)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(lì)下仍保持在充液比0.7～0.9時(shí)藥箱內(nèi)藥液晃動(dòng)程度最為劇烈的規(guī)律。

(a) 充液比0.3

6 結(jié)論

本文針對(duì)植保無(wú)人機(jī)飛行過(guò)程中由于起飛、降落、急停、轉(zhuǎn)向、平移、繞點(diǎn)旋轉(zhuǎn)和仿地飛行等動(dòng)作時(shí)藥箱內(nèi)藥液劇烈晃動(dòng)導(dǎo)致對(duì)植保無(wú)人機(jī)的整機(jī)作業(yè)性能及安全方面產(chǎn)生很大影響的問(wèn)題，設(shè)計(jì)了一款能夠在三維空間內(nèi)加載激勵(lì)的特性，充分模擬植保無(wú)人機(jī)在飛行作業(yè)時(shí)工況的試驗(yàn)臺(tái)，并設(shè)計(jì)了可適配不同形狀大小藥箱加載機(jī)構(gòu)，保證試驗(yàn)臺(tái)可以對(duì)市面上大部分藥箱進(jìn)行試驗(yàn)分析。通過(guò)試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析可以發(fā)現(xiàn)矩形藥箱在水平激勵(lì)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(shí)，被測(cè)藥箱內(nèi)壁壓力在0.496 s時(shí)達(dá)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(shí), 被測(cè)藥箱內(nèi)壁壓力在0.315 s時(shí)達(dá)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(shí)間依次遞減；當(dāng)給矩形藥箱施加一個(gè)圓周激勵(lì)時(shí)，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(shì)，但是在藥箱充液比0.9時(shí)出現(xiàn)內(nèi)壁壓力峰值小于充液比0.7的情況，同時(shí)在圓周激勵(lì)下仍保持在充液比0.7～0.9時(shí)藥箱內(nèi)藥液晃動(dòng)程度最為劇烈的規(guī)律。