植保無人機藥箱防晃性能檢測試驗臺設計與試驗*

于金友，尚德林，蘭玉彬, 2，范鑫，韓鑫

(1. 山東理工大學農業工程與食品科學學院，山東淄博，255000；2. 山東省農業航空智能裝備工程技術研究中心，山東淄博，255000)

0 引言

伴隨植保無人機技術與裝備的快速發展，人們對植保無人機藥箱防晃/防浪涌性能的要求越來越高[1-3]。植保無人機在作業過程中經常做出起飛、降落、急停、轉向、平移、繞點旋轉和仿地飛行等動作，此時藥箱內的藥液在激勵的作用下進行劇烈晃動[4-6]，無疑會對植保無人機的整機作業性能產生很大影響，包括飛行安全性、軌跡精準性、作業精確性和動力續航性等[7-8]。此外，隨著作業過程中藥箱充液比的下降，這種晃動會變的愈加劇烈和明顯，嚴重時甚至會造成墜機等事故，大大影響其作業質量、作業效率和飛行安全[9-11]。因此，在植保無人機藥箱設計過程中，需要借助專門的藥箱晃動性能檢測裝置，對所研發的植保無人機藥箱進行晃動性能評價[12-14]。

近年來，山東農業大學戴世群、鄭繼周等針對充液箱體晃動現象，以充液系統在外界激勵下的力學特性為研究對象，搭建了幾種水平激勵下的液體晃動干擾力試驗臺。然而，這類箱體晃動性能試驗臺僅能在二維空間內施加水平晃動激勵，尚不能在三維空間內施加多自由度晃動激勵，不能模擬植保無人機在三維、復雜作業工況下的多種藥箱姿態，因而亟需研發一種能夠在三維工況下模擬植保無人機藥箱多種晃動姿態，并進行多傳感器數據采集的試驗臺，以彌補在該領域的空白[15]。

本文以六自由度運動平臺為核心，對其進行傳感器與是不同形狀藥箱的適配能力進行改裝，然后利用試驗臺對選取的典型形狀藥箱進行試驗，通過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不同激勵刺激下藥液對藥箱內壁產生的壓力及其液位變化，分析其變化規律，從而為植保無人機藥箱優化設計提供技術支持。

1 夾持機構設計

夾持機構是植保無人機藥箱防晃性能檢測試驗臺的重要組成部分，用來夾持各種類型、大小的被測藥箱，以滿足試驗臺可以適配市面上大部分藥箱的要求，同時可以減少實驗過程中藥箱與六自由度運動平臺的不協調晃動，提高試驗精準度，同時還有效地保證了實驗的安全性。首先根據六自由度運動平臺上平臺的大小和工作連接方式對夾持機構的整體尺寸進行設計，如圖1所示。

圖1 夾持機構三維渲染圖

對于尺寸的設計，首先要根據市面上的植保無人機典型藥箱的大小來決定夾持機構在水平和豎直方向上可伸縮的范圍，對市面上的植保無人機藥箱進行統計分析可以發現，幾乎所有藥箱的三維均在200～500 mm 之間，所以將夾持機構可調節的極限大小設置為200～500 mm。

夾持機構由連接盤、下模夾、上模夾三部分組成，其中連接盤分為底板和連接環，其中連接環為圓環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動平臺上平臺相同的六邊形，大小近似，作用是與運動平臺上平臺相貼合，通過四周的6個緊固夾來固定連接盤，對下方的六自由度運動平臺和夾持機構起承上啟下的作用，夾持機構通過上下模夾來實現垂直方向上的高度調節，通過連接盤上的彈簧拉桿和下調節銷，實現水平方向上的大小調節，以便滿足市面上種類復雜的藥箱的夾持工作。

2 數據采集組件設計

數據采集組件包括液位傳感器、壓力傳感器組、數據采集卡、上位機，如圖2所示。角度傳感器固定于測試用植保無人機藥箱外壁面上，角度傳感器用于采集植保無人機藥箱在晃動時其豎直方向中軸線與水平面的傾角；液位傳感器處于測試用植保無人機藥箱內部的底部，液位傳感器用于采集植保無人機藥箱內液體的液面位置，一定數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試用植保無人機藥箱內壁面上，每個壓力傳感器組由一定數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人機藥箱內不同液位的液體對其壁面的水壓壓力；數據采集卡的輸入端通過數據線與角度傳感器、液位傳感器、壓力傳感器組相連接，數據采集卡的輸出端通過數據線與上位機相連接，數據采集卡和上位機用于實時采集、變送和顯示所有傳感器所采集到的數據信息。

圖2 傳感器組件示意圖

圖3 傳感器組件實物圖

以高為40 cm的藥箱為例，充液比0.3時，藥液水平面離藥箱底部12 cm，傳感器1應當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液位高度，根據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。

根據式(1)可計算傳感器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學、汽車電子等領域的壓力傳感器，其核心部分是一顆利用MEMS技術加工的硅壓阻式壓力敏感芯片。該壓力敏感芯片由一個彈性膜及集成在膜上的4個電阻組成，4個壓敏電阻形成了惠斯通電橋結構，當有壓力作用在彈性膜上時電橋會產生一個與所加壓 力成線性比例關系的電壓輸出信號。

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準的SOP6和DIP6形式封裝的OEM元件，方便用戶采用表面貼裝或雙列直插式進行安裝良好的線性、重復性和穩定性，靈敏度高，方便用戶采用運放或集成電路針對輸出和溫漂進行調試和補償。

對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量到藥液對藥箱內壁的沖擊壓力，且由于防水性壓力傳感器的價格較高，本著節約成本的原則，選擇的壓力傳感器的防水性能較差，無法直接安裝在藥箱內壁，所以選擇在藥箱外壁進行鉆孔，將傳感器的壓力接收部分置于藥箱內部，同時用防水膠進行固定。安裝位置從藥箱底部5 cm處開始，沿豎直方向每隔 3 cm 加裝一個壓力傳感器(圖5)，共加裝4個，從底部第一個起，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照組，在進行藥箱不同充液比試驗時，選擇不同于液位下位于藥液豎直方向中間位置相對的兩個壓力傳感器作為數據采集裝置，采集植保無人機藥箱內不同液位的液體對其壁面的水壓壓力。

圖5 典型藥箱的壓力傳感器安裝示意圖

利用LABVIEW程序可以連續采集一段時間內的電壓值，該值是經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系，如圖6所示。

圖6 壓力輸出對應曲線

2.2 液位傳感器選型

本試驗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。產品采用316L不銹鋼隔離膜片的OEM壓力傳感器作為信號測量元件，并經過計算機自動測試，用激光調阻工藝進行了寬溫度范圍的零點和靈敏度溫度補償。放大電路位于不銹鋼殼體內，將傳感器信號轉換為標準輸出信號，充分發揮了傳感器的技術優勢，使136系列液位變送器具有優異的性能。它抗干擾、過載和抗沖擊能力強、溫度漂移小、穩定性高，具有很高的測量精度，是工業自動化領域理想的壓力測量儀表。

圖7 136系列投入式液位變送器

2.3 數據采集卡選型

此次試驗涉及多種傳感器，所以需要數據采集卡將壓力傳感器、液位感器傳感、所采集到的電信號轉化為具體的壓力值、高度，通過上位機中的采集軟件顯示出來。試驗中選用的數據采集卡為24位AD采集卡是一款多功能數據采集卡(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量中。

圖8 數據采集卡USB DAQ-580i企業版

3 上位機軟件部分設計

3.1 上位機數據采集工具

由于在本文試驗中需要得到壓力和液位的變化曲線，對于采集到的數據不需要太多的后處理，所以在上位機數據采集軟件的選擇上條件很低，本文選擇的是數據采集卡自帶的USB DAQ-580i數據采集工具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，四通道連續采集，可高速無斷點采集 信號，用戶可選擇合適的采集速度，軟件根據所選擇的采樣率進行采集存儲，所有數據點將被存儲。因存儲速度限制，該軟件通過fifo手段進行數據緩存，確保記錄的數據和存儲的數據保持一致，不丟數據點。

低速采集：支持單通道和四通道低速采集，用戶可自行輸入延時時間，該時間基于電腦時鐘進行延時，如輸入1 000，即1 000 ms為間隔時間進行采集。

3.2 采集卡控制指令參數設置

由于需要得到的是一系列壓力點組成的壓力曲線，所以在測量模式上選擇連續測量模式：采集器接收的連續模式指令后，試驗人員無需反復發送指令，采集器會根據 設置的參數連續輸出數據，同時需發送中斷/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 采集器的讀寫操作流程

試驗臺的數據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雙通道測量模式，采集卡板卡是基于USB總線進行數據傳輸，我們利用visual studio c#語言調用USB通信函數對采集器進行讀寫操作，可直接運行對采集器進行控制讀取通道電壓，在源代碼的基礎上，可以進行采樣速度、采樣時間、量程等參數的設定。

4 試驗臺整機設計

目前，針對植保無人機飛行作業過程中的藥箱內藥液晃動試驗幾乎沒有，只能以一些罐體、箱體內的液體晃動試驗作為參考，選擇測量監控藥箱壁面一些固定點處的壓力值，以及液體晃動時藥箱內液體的實時液位，從而計算出藥箱晃動時的晃動頻率、晃動力矩、液面平復時間等指標(植保無人機飛行作業時的穩定性與這些指標息息相關)，從而對其藥箱內液體的晃動進行分析研究。試驗臺整體結構如圖10所示。

圖10 試驗臺整體結構

試驗臺測試系統軟件包括測試軟件界面、數據存儲功能、性能曲線繪制、測試報表生成及打印功能。試驗臺采集的數據主要有壓力、液位。試驗臺計算機控制系統主要框圖，如圖11所示。

圖11 試驗臺控制系統示意圖

5 試驗驗證

5.1 試驗工況的選擇

在農業航空領域，植保無人機藥箱最通用就是矩形藥箱，矩形藥箱結構規整、制造工藝簡單，不管是掛載還是利用卡槽嵌入植保無人機都是極為便宜的，能夠有效地降低植保無人機的制造成本，而且對于購買者來說，也可以在一定程度上減少零件更換的成本。

植保無人機在飛行作業過程中，會經常進行起飛、急停、轉向、仿地飛行、繞點旋轉(果樹模式)等飛行姿態，其中當植保無人機出現起飛、急停、轉向這三種飛行姿態時，本質上相當于給植保無人機藥箱一個定向的加速度激勵，而植保無人機在飛行作業時最佳也是最常用的飛行速度為4～8 m/s，取其平均數為6 m/s，同時利用極飛p30的實飛測量，得到植保無人機速度從0 m/s到6 m/s的加速時間為2 s，通過加速度公式

Vt=V0+at

(2)

式(2)可變形

a=(Vt-V0)/t

(3)

式中：V0——植保無人機的初始速度，即0 m/s；

Vt——植保無人機終止速度，即6 m/s；

t——植保無人機的加速時間，即2 s。

通過計算可以得出加速度a=3 m/s2.當使用試驗臺進行模擬試驗時，給植保無人機藥箱一個3 m/s2的加速度即可模擬植保無人機在起飛、急停、轉向時的藥箱工況。

當植保無人機在飛行作業時，藥箱內得藥箱內的藥液會隨作業的進行越來越少，藥箱內的充液比也會隨之降低，貯箱的充液比是影響液體在貯箱內晃動的重要條件之一；為達到實驗效果明顯的目的，本文試驗時藥箱充液比選擇為70%。

5.2 試驗數據分析

5.2.1 水平激勵

圖12為藥箱充液比0.3時矩形藥箱在加速度為 3 m/s2時兩側壁受力曲線圖與試驗時藥箱中心點處藥液液位高度變化圖，通過圖12可以看出藥箱左側內壁受壓曲線的波峰出現在0.496 s，壓力曲線呈波浪狀，且大致走向為恢復到藥箱初始液深靜壓；相較于藥箱左側內壁受壓情況，藥箱右側內壁受壓曲線波動不大，在3 s之后同樣呈波浪狀，大致走向為上升趨勢，同樣是逐步恢復到試驗前的液深靜壓狀態。

(a) 藥箱內壁兩側壓力

在給藥箱施加激勵后，藥箱內的藥液瞬間涌到藥箱左側，在0.496 s時藥箱左側內壁產生第一個壓力峰值，大小為100.3 Pa，然后涌入左側的藥液在慣性力的作用下開始回流，在藥箱右側內壁上出現一個小的壓力峰值，隨后藥箱內藥液繼續在慣性力的作用下涌入左側內壁，使得左側內壁產生第二個壓力波峰，如此往復，液體晃動的幅度越來越小，所產生的壓強波峰也隨之變小，直至兩側內壁上的壓力均達到液深的靜壓。

圖13為藥箱充液比為0.6%時矩形藥箱在加速度為3 m/s2時側壁受力曲線圖與試驗時藥箱內藥液液位高度變化圖，可看出藥箱左側內壁受壓曲線的波峰出現在0.315 s，1 s之后壓力曲線呈波浪狀，且大致走向為恢復到藥箱初始液深靜壓；相較于藥箱左側內壁受壓情況，藥箱右側內壁受壓曲線波動不大，在2 s之后同樣呈波浪狀，大致走向為上升趨勢，同樣是逐步恢復到試驗前的液深靜壓狀態。

(a) 藥箱內壁兩側壓力

藥箱左側內壁在施加激勵后的0.315 s時壓力達到最大峰值為215.3 Pa，同時藥箱內液位變化曲線圖顯示在0.315 s時同樣達到最小峰值為9.2 cm，這說明在試驗0.315 s時，藥箱內的液體晃動程度達到最大，隨后壓力和液位都開始進入不同程度的平復期，同時結合矩形藥箱兩側內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，當試驗臺給藥箱模擬施加激勵后，藥液在藥箱內出現大幅晃動的情況，在0.315 s時液體晃動幅度達到最大，之后藥液在慣性力的作用下開始出現往復回流，隨著慣性力和摩擦力的存在，晃動幅度逐漸減小，大約在10 s左右藥箱內藥液恢復到試驗前狀態。

5.2.2 圓周激勵

隨著植保無人機的不斷發展，作業功能也在不斷完善，現在市面上的植保無人機大多可以進行多種作物作種方式的噴施作業，以果樹為例，由于果樹大多枝葉茂盛，如果只是簡單的往復噴施，很容易造成藥液只能噴施到果樹冠層的現象發生，所以有很多植保無人機具有果樹噴施模式，飛行方式即環繞果樹旋轉，在此模式下，由于離心力的作用，整個植保無人機及其藥箱會出現向樹軸傾斜的現象，從而導致藥箱內藥液的劇烈晃動。

由于藥箱在外部圓周激勵的刺激下，矩形藥箱模擬植保無人機做圓周運動時，此時植保無人機大多處于繞點模式下，在此模式下植保無人機在空中進行勻速的繞點圓周運動，藥箱內藥液會在藥箱中呈旋渦狀態(旋渦大小與植保無人機繞飛速度有關)，實驗中藥箱內藥液對藥箱四個內壁的壓力大小和分布大致相同，多側壓力的測量意義不大，且出于試驗與分析的簡便性，對于圓周激勵下數據采集均采集一側藥箱內壁的壓力曲線。

圖14為藥箱充液比分別為0.3、0.5、0.7、0.9時矩形藥箱在向心加速度為3 m/s2時藥箱內壁壓力曲線圖，同時對比矩形藥箱在水平激勵下的壓力，我們可以發現矩形藥箱內壁所受壓力的波動幅度要遠遠小于水平激勵下的壓力波動幅度，這是由于藥液在兩種不同激勵下在藥箱空間做不同的運功，在水平激勵下，藥液在藥箱內是做水平方向上的往復運動，對內壁的壓力隨運動的幅度變化，而在向心加速度激勵下，藥箱內藥液在藥箱空間做圓周運動，藥箱內壁壓力有兩方面原因影響，一是藥液做圓周運動是的離心力，二是由于矩形藥箱的棱角部分導致的藥液激蕩、飛濺多產生的壓力，根據以往液體晃動論文研究，可以知道在這其中離心力提供大部分壓力來源，藥液的激蕩和飛濺只占很少一部分，所以導致在向心加速度激勵下藥箱內壁的壓力曲線變化趨勢較為平緩。不過觀察充液比0.7和0.9時的壓力曲線不能看出，即使藥箱在向心加速度激勵下，內壁壓力在充液比0.3～0.7之間峰值的大小仍然呈遞增趨勢，在充液比0.9時依據出現峰值小于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下仍保持在充液比0.7～0.9時藥箱內藥液晃動程度最為劇烈的規律。

(a) 充液比0.3

6 結論

本文針對植保無人機飛行過程中由于起飛、降落、急停、轉向、平移、繞點旋轉和仿地飛行等動作時藥箱內藥液劇烈晃動導致對植保無人機的整機作業性能及安全方面產生很大影響的問題，設計了一款能夠在三維空間內加載激勵的特性，充分模擬植保無人機在飛行作業時工況的試驗臺，并設計了可適配不同形狀大小藥箱加載機構，保證試驗臺可以對市面上大部分藥箱進行試驗分析。通過試驗數據分析可以發現矩形藥箱在水平激勵的作用下普遍存在同一種規律：當藥箱充液比為0.3時，被測藥箱內壁壓力在0.496 s時達到峰值100.3 Pa，然后呈波浪狀遞減，當藥箱充液比為0.6時, 被測藥箱內壁壓力在0.315 s時達到峰值215.3 Pa，而且隨著藥箱充液比的增大，藥箱內壁壓力峰值發生的的時間依次遞減；當給矩形藥箱施加一個圓周激勵時，藥箱內壁壓力在充液比0.3～0.7之間峰值的大小仍然呈遞增趨勢，但是在藥箱充液比0.9時出現內壁壓力峰值小于充液比0.7的情況，同時在圓周激勵下仍保持在充液比0.7～0.9時藥箱內藥液晃動程度最為劇烈的規律。