不同形状植保无人机药箱防晃性能对比试验

2020-11-02于金友尚德林

湖北农机化 2020年17期

于金友范鑫尚德林韩鑫

(山东理工大学农业工程与食品科学学院，山东淄博 255000)

0 引言

我国的农业发展还面临着许多问题，最主要的问题在于生产效率低下，农业规模化、机械化程度低，近年来随着农业航空技术的飞速发展，农业生产机械化程度较低的问题正在逐步得到改善，但相较于一些发达国家，我国农业航空技术还有诸多不足[1-2]。

伴随植保无人机技术与装备的快速发展[3]，人们对植保无人机药箱防晃/防浪涌性能的要求越来越高。植保无人机在作业过程中经常做出起飞、降落、急停、转向、平移、绕点旋转和仿地飞行等动作，此时药箱内的药液在激励的作用下进行剧烈晃动，无疑会对植保无人机的整机作业性能产生很大影响，包括飞行安全性、轨迹精准性、作业精确性和动力续航性等[4-5]。此外，随着作业过程中药箱充液比的下降，这种晃动会变得愈加剧烈和明显[6]，严重时甚至会造成坠机等事故，大大影响其作业质量、作业效率和飞行安全。因此，植保无人机药箱本身的防晃性能也显得尤为重要。

1 实验材料与方法

1.1 试验对象

韦加八旋翼植保无人机锥形药箱、高科新农S40单旋翼植保无人机U型药箱。

1.2 试验材料

药箱晃动激励由六自由度运动平台提供；在药箱内壁安装水压力传感器，采集晃动时药箱内药液对药箱内壁的压力[7]。

1.3 药箱工况选择

(1)水平加速度(外界激励)。

植保无人机在飞行作业过程中，会经常进行起飞、急停、转向、仿地飞行、绕点旋转(果树模式)等飞行姿态，其中当植保无人机出现起飞、急停、转向这3种飞行姿态时，本质上相当于给植保无人机药箱一个水平的加速度激励，而植保无人机在飞行作业时最佳也是最常用的飞行速度为4～8m/s，取其平均数为6m/s，同时利用极飞p30的实飞测量，得到植保无人机速度从0～6m/s的加速时间为2s，通过加速度公式：

Vt=V0+at

(1)

公式1可变形为：

a=(Vt-V0)/t

(2)

公式中：V0为植保无人机的初始速度，即0m/s：Vt为植保无人机终止速度，即t为植保无人机的加速时间，即2s，通过计算可以得出a=3m/s2。当使用试验台进行模拟试验时，给植保无人机药箱一个3m/s2的加速度即可模拟植保无人机在起飞、急停、转向时的药箱工况。

(2)充液比。

本文研究对象为植保无人机药箱，在植保无人机飞行作业的过程中，随着药液喷施的不断进行，药箱中药液也会随之不断减少，药箱的充液率呈线性比例下降，我们需要考虑之后试验时药箱的试验工况能够最大限度上包含植保无人机飞行作业是药液减少的整个过程。而且有前期实验表明，在储液箱内充液比过低时，过少的液量难以形成有效的晃动力，所以我们选择充液比梯度时可以从0.3开始，然后依次增加0.2，即试验中选择药箱充液比0.3、0.5、0.7、0.9为研究对象。

1.4 实验设计

本文中所设计的试验台的动力输出是一款六自由度运动平台，它是由六支直线伺服电动缸，与上平台、下平台分别通过六支万向节铰链和球笼联轴器连接，在其上平台通过固定夹固定有专门的药箱夹持装置，通过药箱夹持装置，将被测药箱固定于上平台，之后在测试用植保无人机药箱布放、粘贴所有数据采集组件，借助药箱夹持组件将布设好传感器及线路的测试用植保无人机药箱安装、固定于试验台上，根据实验方案中的不同工况，启动试验台收集压力数据。

表1 实验设计

2 实验结果与分析

2.1 圆柱形药箱

在农业航空领域，植保无人机药箱最通用就是矩形药箱，其次便是圆柱形药箱。圆形不药箱适合用作比较小型的储药装置，一般当储水体积大约20L以上，随着水箱储水的不断增多，对水箱底部的压力会越来越大，底部板材的厚度也需要相应地加厚，这时如果继续选择圆形水箱的话，就会增加生产的成本。因此圆柱形药箱一般应用于多药箱机型。

图1为圆柱形植保无人机药箱0.3、0.5、0.7、0.9充液比时，在水平加速度为3m/s2时，药箱内部内壁参考面上的受力曲线图，从图中可以看出，压力曲线上的峰值大小和峰值到达时间与矩形药箱同充液比时相比几乎没有差别。但从总体趋势来看，圆柱形药箱内壁的压力变化趋势相对于矩形药箱更加平滑，在药箱内壁压力恢复到初始静压的过程中压力的波动起伏相较较小，这种比较在充液比0.9时最为明显，根据图1我们可以明显看出，圆柱形药箱充液比0.9时的压力线在3s之后就基本没有什么上下起伏，根据上文数值模拟中的气液两相图，我们可以推论这是由于当施加激励后药液在药箱内作往复运动，药液因为惯性水平冲击药性内壁时，圆柱形药箱由于内壁两侧为圆弧形，药液在冲击内壁的同时，药液会沿内壁冲击点向两侧分散，同时瞬时压力也会相应地减小，这就导致同样的激励下，圆柱形药箱内壁压力曲线的走势相较于矩形药箱更为平滑。

图1 圆柱形药箱不同充液比下内壁压力变化

同时我们通过表2可以看出，随着充液比的增大，药箱内壁压力峰值发生的时间依次递减，其中充液比0.3～0.7之间压力峰值的大小呈递增趋势，而在充液比0.9时峰值出现不合规律地下降。结合上文数值模拟的气液两相图，我们可以大致推测，在充液比0.7～0.9时，药箱内药液晃动程度最为剧烈，随着药液充液比的继续增大，药箱接近满载时，由于晃动时药液在药箱内的晃动空间减小，晃动程度减弱。因此，我们可以建议在植保无人机飞行作业时尽量将药箱加满。

表2 平激励下内壁上峰值压力大小和发生时间

2.2 U型药箱

本文实验中所使用的U型药箱为高科新农S40单旋翼电动农用无人机的药箱，高科新农S40农用无人机机身较为细长，U型药箱以镶嵌的方式固定在无人机下方，除开能够承载大重量的药液，还能够起到平衡机身的作用，而且相较于上文所列举的矩形药箱、圆柱形药箱等这些传统的典型药箱，U型的形状将药箱空间制成扁平状，减小了药液在外力作用下在药箱内晃动的空间，本身就具有一定的防晃功能。

图2 U型药箱不同充液比下内壁压力变化

图2为U型植保无人机药箱0.3、0.5、0.7、0.9充液比时，在水平加速度为3m/s2时，药箱内部内壁参考面上的受力曲线图，结合图4U型药箱不同充液比的示意图可以看出，当U型药箱充液比为0.3时，液体占据药箱下部区域的50%，对比矩形药箱和圆柱形药箱充液比0.5时的曲线图，可以发现压力曲线的变化趋势大致相同；同时我们对比U型药箱充液比0.5时与矩形药箱和圆柱形药箱充液比0.9时的工况，曲线图变化趋势同样相近；当U型药箱充液比0.7时，结合示意图可看出药液液面均已在U型药箱两侧空间，当施加激励后药液会在药箱两侧的空间进行往复运动，而由于药箱两侧呈扁平状，药液在其活动的空间较小，药液由于惯性做往复运动的频率增加，在曲线图中就体现为上下波动的变化时间较短，变化幅度较小；当U型药箱充液比0.9时，工况分析结果与充液比0.7时相差无几，所以我们可以看到在压力曲线图上，充液比0.7与充液比0.9的曲线图大致相同。