植保無人飛機(jī)的抗風(fēng)能力測試系統(tǒng)的研發(fā)

劉 燕，陳 彬，張井超，張 曉，陳小兵

(農(nóng)業(yè)農(nóng)村部南京農(nóng)業(yè)機(jī)械化研究所，江蘇 南京 210014)

植保無人飛機(jī)的抗風(fēng)能力是衡量植保無人飛機(jī)飛行穩(wěn)定性、安全性和噴灑作業(yè)質(zhì)量的重要指標(biāo).由于作業(yè)效率高，地塊適應(yīng)性好，能滿足農(nóng)作物病蟲草害規(guī)?；乐蔚男枨?，植保無人飛機(jī)已得到市場的認(rèn)可.據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，目前我國植保無人飛機(jī)市場保有量近3萬架，2018年植保無人飛機(jī)飛防作業(yè)面積達(dá)2.6億畝次.風(fēng)是植保無人飛機(jī)不可避免的作業(yè)環(huán)境因素，是影響飛機(jī)飛行軌跡和飛行姿態(tài)的主要因素[1].植保無人飛機(jī)受到強(qiáng)風(fēng)擾動時(shí)，氣動特性會發(fā)生突變，影響飛機(jī)飛行速度、航向、運(yùn)動軌跡等飛行參數(shù)，進(jìn)而影響飛機(jī)穩(wěn)定性和操作性，造成重噴或漏噴，甚至側(cè)翻或墜落[2].因此開展植保無人飛機(jī)的抗風(fēng)能力測試系統(tǒng)研究，及時(shí)快速地進(jìn)行抗風(fēng)能力試驗(yàn)，對于保證其飛行安全性具有重要意義.

植保無人飛機(jī)的抗風(fēng)能力測試依據(jù)的是NY/T 3213—2018《植保無人飛機(jī)質(zhì)量評價(jià)技術(shù)規(guī)范》.目前，測試方法有單邊掛重物試驗(yàn)、氣流場模擬試驗(yàn)和風(fēng)洞試驗(yàn)等.單邊掛重物試驗(yàn)是在飛機(jī)的某一側(cè)機(jī)臂掛上相應(yīng)的重物進(jìn)行飛行試驗(yàn)，模擬飛機(jī)受到陣風(fēng)干擾情況下的飛行場景[3].此種測試方法比較粗糙，測試結(jié)果不準(zhǔn)確，且容易墜機(jī).氣流場模擬試驗(yàn)是仿真手段，是無人機(jī)抗風(fēng)能力研究中應(yīng)用較多的一種方法，但由于氣流場種類復(fù)雜，模擬氣流場與實(shí)際氣流場有很大區(qū)別，測試精度有待進(jìn)一步提高[4].風(fēng)洞試驗(yàn)也是其中一個(gè)非常重要的手段，雖然其測試精度高[5]，但風(fēng)洞建設(shè)成本和運(yùn)行成本過高，不符合農(nóng)業(yè)應(yīng)用的需要.用風(fēng)扇形成一道風(fēng)幕，易受自然風(fēng)的干擾，不穩(wěn)定；用自然大風(fēng)天氣測試，受自然條件限制，不符合常規(guī)性能試驗(yàn)需求.

為此，研發(fā)基于變頻控制技術(shù)的植保無人飛機(jī)抗風(fēng)能力測試系統(tǒng)，通過控制技術(shù)調(diào)整軸流風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，得到試驗(yàn)所需的理想氣流場，為植保無人飛機(jī)抗風(fēng)能力測試提供保障.

1 抗風(fēng)能力測試要求及原理

1.1 抗風(fēng)能力測試的要求

NY/T 3213—2018規(guī)定植保無人飛機(jī)需在風(fēng)速(6.0±0.5) m·s-1的氣流場下完成起降、懸停、前飛、后飛和側(cè)飛等動作，不能出現(xiàn)異常.目前最大的植保無人飛機(jī)的外形尺寸為長3.50 m，寬2.80 m，高0.85 m.因此，需要建立風(fēng)向相對穩(wěn)定，風(fēng)速穩(wěn)定在(6.0±0.5) m·s-1，能將植保無人飛機(jī)包含于其中的氣流場.由于風(fēng)機(jī)制造的氣流場均呈圓柱形，建立如圖1所示的長度5 m、直徑3 m及離地面高度3 ～7 m的可調(diào)橫向圓柱形氣流場，可滿足植保無人飛機(jī)抗風(fēng)能力試驗(yàn)的需要.

圖1 理想氣流場示意圖

1.2 植保無人飛機(jī)抗風(fēng)原理

植保無人飛機(jī)有兩種主要結(jié)構(gòu)：單旋翼和多旋翼.兩種飛機(jī)的結(jié)構(gòu)不同，抗風(fēng)原理也不相同.單旋翼無人機(jī)結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，遇到強(qiáng)風(fēng)時(shí)，通過3個(gè)斜盤舵機(jī)控制斜盤的升降和傾斜，進(jìn)而改變槳葉的總距和周期變距來控制飛機(jī)的運(yùn)動[6].而多旋翼無人機(jī)是通過改變電動機(jī)轉(zhuǎn)速提高升力，使飛機(jī)產(chǎn)生與風(fēng)反方向的傾角，產(chǎn)生推力來抵抗風(fēng)[7].

圖2為單旋翼植保無人飛機(jī)受氣流運(yùn)動影響的示意圖，其中x軸為飛機(jī)前進(jìn)方向，y軸為飛機(jī)左側(cè)方向，z軸為飛機(jī)中心垂直向上的方向.無論是單旋翼還是多旋翼，宏觀上，當(dāng)飛機(jī)遇到強(qiáng)氣流時(shí)，受到橫向、縱向和垂直3個(gè)方向的氣流擾動.橫向氣流擾動引起飛機(jī)側(cè)力和偏航力矩的改變，導(dǎo)致機(jī)體出現(xiàn)滾轉(zhuǎn)和偏航運(yùn)動；縱向氣流擾動導(dǎo)致空速變化，影響所有氣動部件的受力；垂直氣流擾動改變旋翼誘導(dǎo)速度，引起升力變化[8].因此，橫向和縱向氣流對飛機(jī)飛行姿態(tài)和航跡精度的影響更為明顯，也就是說水平方向氣流對植保無人飛機(jī)飛行影響更大.

圖2 植保無人飛機(jī)抗風(fēng)受力示意圖

參照ADS-33E-PRF《美國軍用旋翼飛行器操縱品質(zhì)規(guī)范》，在評價(jià)飛行品質(zhì)和飛行控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，陣風(fēng)被廣泛采用.陣風(fēng)可看成常值風(fēng)，指的是氣流場中幅值高，低頻緩慢變化，且變化范圍相對較小的部分[9].綜合產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)、抗風(fēng)原理、作業(yè)條件和ADS-33E-PRF規(guī)定等因素，植保無人飛機(jī)抗風(fēng)能力測試應(yīng)選擇橫向側(cè)風(fēng).

2 抗風(fēng)能力測試系統(tǒng)設(shè)計(jì)

植保無人飛機(jī)抗風(fēng)能力測試系統(tǒng)由軸流風(fēng)機(jī)(簡稱風(fēng)機(jī))、剪叉式液壓升降平臺(簡稱平臺)、配電柜和變頻控制柜等組成，圖3為其結(jié)構(gòu)示意圖.

圖3 植保無人飛機(jī)抗風(fēng)能力測試系統(tǒng)示意圖

配電柜為供電設(shè)備；變頻控制柜調(diào)整風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速，不僅能制造可變風(fēng)速的模擬氣流場，還可以抵消自然氣流場對模擬氣流場的耦合效應(yīng)；風(fēng)機(jī)放置在液壓平臺上，利用平臺升降帶動風(fēng)機(jī)上下移動，達(dá)到風(fēng)速帶高度無級調(diào)整的目的.試驗(yàn)時(shí)，打開風(fēng)機(jī)，調(diào)整至相應(yīng)的工作頻率，待風(fēng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)穩(wěn)定后，利用風(fēng)速儀快速找到滿足測試要求的區(qū)域，將升降平臺調(diào)整到相應(yīng)的高度，操作無人機(jī)，測試該風(fēng)速下飛機(jī)的起飛、側(cè)飛、前進(jìn)、后退、懸停和降落等飛行動作能否正常完成，觀察飛行姿態(tài)，從而判定飛機(jī)抗風(fēng)能力是否符合要求.

2.1 動葉可調(diào)軸流風(fēng)機(jī)選型

根據(jù)軸流風(fēng)機(jī)的性能特征，結(jié)合測試系統(tǒng)所需的氣流場特性，選擇動葉可調(diào)軸流風(fēng)機(jī).圖4為軸流風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖.

圖4 軸流風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖

軸流風(fēng)機(jī)中，葉輪葉片數(shù)量為10片，安裝角度為32°；風(fēng)筒分為進(jìn)風(fēng)段、風(fēng)機(jī)段、消音段和整流出風(fēng)段；選用三相異步電動機(jī)額定功率為37 kW、轉(zhuǎn)速為1 450 r·min-1，三相異步電動機(jī)座采用下端放置，采用后置導(dǎo)葉方案，從葉輪流出的氣體經(jīng)后導(dǎo)葉整流后，軸向流出，效率可達(dá)82%～88%.

2.2 變頻調(diào)速控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

圖5為變頻調(diào)速控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)電路圖.系統(tǒng)在動葉可調(diào)軸流風(fēng)機(jī)調(diào)速中運(yùn)用變頻控制技術(shù)，提高風(fēng)機(jī)系統(tǒng)運(yùn)行效率，達(dá)到節(jié)能、高效和穩(wěn)定的目的.采用變頻器與控制柜的一體化設(shè)計(jì)，基于ABB變頻器ACS510內(nèi)置EMC濾波器、IO接口保護(hù)，增強(qiáng)了系統(tǒng)對電網(wǎng)波動的魯棒性.根據(jù)試驗(yàn)所需風(fēng)量，給定ACS510控制器，基于無傳感器矢量控制算法，調(diào)節(jié)系統(tǒng)過度性能指標(biāo)，完成動葉開度信號實(shí)時(shí)跟蹤，控制風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速，改善系統(tǒng)控制品質(zhì).

圖5 變頻調(diào)速控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)電路圖

2.3 液壓升降系統(tǒng)的選用與設(shè)計(jì)

AC-91-FS-2015-31《輕小型無人機(jī)運(yùn)行規(guī)定(試行)》中，植保無人飛機(jī)最大起飛質(zhì)量不得超過150 kg.由植保無人飛機(jī)工作原理可以得出：飛機(jī)越重，下壓氣流場風(fēng)速越大，越容易對農(nóng)作物造成傷害.根據(jù)前期調(diào)研情況，結(jié)合多年測試數(shù)據(jù)，飛行作業(yè)時(shí)，載藥量越大，起飛質(zhì)量越大，能穩(wěn)定飛行的作業(yè)高度相對越高；飛機(jī)載藥量為10，20，60 kg時(shí)，飛行作業(yè)高度可以分別設(shè)為1.5，3.0，5.0 m.

為適應(yīng)不同起飛質(zhì)量產(chǎn)品的測試需求，選用液壓升降平臺與軸流風(fēng)機(jī)的組合，實(shí)現(xiàn)風(fēng)速帶高度的無級調(diào)整.剪叉式液壓升降平臺具有結(jié)構(gòu)簡單、運(yùn)行平穩(wěn)、操作方便、升降高度無級可調(diào)等優(yōu)點(diǎn).圖6為液壓升降平臺結(jié)構(gòu)示意圖.

剪叉式液壓升降平臺主要由液壓系統(tǒng)、升降機(jī)構(gòu)、平臺基座、承重臺面及控制系統(tǒng)等組成，額定承載量1 000 kg，臺面尺寸長×寬=2.5 m×1.3 m，升降范圍為3～7 m.

圖6 液壓升降平臺結(jié)構(gòu)示意圖

3 氣流場數(shù)據(jù)采集與結(jié)果分析

3.1 數(shù)據(jù)采集設(shè)備及方法

2018年6月—2019年6月，對抗風(fēng)能力試驗(yàn)臺產(chǎn)生的氣流場進(jìn)行了大量試驗(yàn)，試驗(yàn)方法采用單向點(diǎn)陣法和線陣法[10-12].通過對軸流風(fēng)機(jī)不同工況下氣流場性能參數(shù)的測試，運(yùn)用Matlab擬合出風(fēng)速分布云圖，得到氣流衰減及擴(kuò)散規(guī)律，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果確定該測試系統(tǒng)生成的氣流場是否符合抗風(fēng)能力測試要求.試驗(yàn)地點(diǎn)為農(nóng)業(yè)農(nóng)村部南京農(nóng)業(yè)機(jī)械化研究所的白馬基地，試驗(yàn)時(shí)記錄環(huán)境溫度、濕度和自然風(fēng)速.

3.1.1單向點(diǎn)陣測量

試驗(yàn)設(shè)備主要有可升降式軸流風(fēng)機(jī)、捕風(fēng)網(wǎng)、智能型熱線式風(fēng)速儀(6036)和皮卷尺等，軸流風(fēng)機(jī)的工作頻率范圍為20 ～ 50 Hz.圖7為單向點(diǎn)陣測量設(shè)備及方案.

圖7 單向點(diǎn)陣測量設(shè)備及方案

捕風(fēng)網(wǎng)長×寬=4.0 m×4.0 m，其節(jié)點(diǎn)距離為0.4 m，共81個(gè)風(fēng)速采樣節(jié)點(diǎn).測試時(shí)，保持捕風(fēng)網(wǎng)中心節(jié)點(diǎn)與軸流風(fēng)機(jī)軸線重合.開啟軸流風(fēng)機(jī)，調(diào)整工作頻率至35 Hz，待風(fēng)機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行3 min后，將捕風(fēng)網(wǎng)放置于距離軸流風(fēng)機(jī)出風(fēng)口5 m處，用風(fēng)速儀測量每個(gè)節(jié)點(diǎn)處的風(fēng)速，并由中心向四周延伸測量每個(gè)節(jié)點(diǎn)的風(fēng)速，采集時(shí)間為60 s，數(shù)據(jù)記錄頻率為1 Hz，取60組數(shù)據(jù)的平均值作為該測點(diǎn)風(fēng)速值.依次測量風(fēng)機(jī)工作頻率為40，45 Hz時(shí)，距離出風(fēng)口10，15，20和25 m處各個(gè)截面不同節(jié)點(diǎn)的風(fēng)速.

3.1.2線陣測量

線陣數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)由三杯式風(fēng)速傳感器、無線發(fā)送模塊、PC(數(shù)據(jù)采集分析軟件)和無線接收模塊組成.圖8為線陣氣流場測量設(shè)備及方案.試驗(yàn)采用的線陣風(fēng)速采集系統(tǒng)由11個(gè)三杯式風(fēng)速傳感器組成，1#-9#傳感器放置于風(fēng)機(jī)外部氣流場中，用于氣流場風(fēng)速測量，其中5#置于軸流風(fēng)機(jī)軸線處，風(fēng)速傳感器間距為0.4 m，與點(diǎn)陣數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)位置對應(yīng).10#和11#放置于風(fēng)機(jī)兩側(cè)10 m處，用于監(jiān)測風(fēng)機(jī)左右兩側(cè)的自然風(fēng)速.由圖8b可知：傳感器距地面高度2.3 m，分別放置于距離風(fēng)機(jī)出風(fēng)口0，3，5，8，10，13，15，18，20，23，25 m的位置，采集風(fēng)機(jī)在35，40和45 Hz下的外部氣流場風(fēng)速數(shù)據(jù).每種工況的采集時(shí)間為60 s，PC軟件自動保存數(shù)據(jù)頻率為1 Hz.對3個(gè)不同頻率分別進(jìn)行測試，需在風(fēng)機(jī)運(yùn)行穩(wěn)定的狀態(tài)下進(jìn)行數(shù)據(jù)采集.

圖8 線陣氣流場測量設(shè)備及方案

3.2 結(jié)果與分析

3.2.1單向點(diǎn)陣風(fēng)速測量

利用風(fēng)速儀，沿風(fēng)機(jī)軸線方向距風(fēng)機(jī)出風(fēng)口不同位置處測量各個(gè)季度的風(fēng)速.每個(gè)季度任意選取10 d進(jìn)行測量，取10 d的氣流場風(fēng)速平均值作為該季度風(fēng)速，取4個(gè)季度的風(fēng)速平均值作為該點(diǎn)的風(fēng)速.表1為不同季度氣流場風(fēng)速測量結(jié)果.由表1可知，同一位置節(jié)點(diǎn)上的風(fēng)速在一年四季內(nèi)無明顯變化，可見溫度和濕度變化對風(fēng)速無顯著性影響.

通過采用單向點(diǎn)陣布置方案進(jìn)行氣流場風(fēng)速分布試驗(yàn)，測定了不同頻率下、沿風(fēng)機(jī)軸線方向距出風(fēng)口不同距離的風(fēng)速，如圖9所示.由圖9可知：沿軸線方向上風(fēng)速會先增大，但增大程度較小，這是由于風(fēng)機(jī)出風(fēng)口處氣體開始是靜止的，較高風(fēng)速的氣流從風(fēng)筒里吹出來時(shí)，與周圍靜止的空氣進(jìn)行能量交換，導(dǎo)致出現(xiàn)先增后減的現(xiàn)象.頻率越大，風(fēng)速越大.30 Hz時(shí)，沿軸線方向的風(fēng)速衰減快，風(fēng)速為(6.0±0.5)m·s-1處距離出風(fēng)口14～16 m，氣流場長度不足3 m，不能滿足植保無人飛機(jī)測試要求；35～45 Hz時(shí)，風(fēng)速衰減較慢，風(fēng)速為(6.0±0.5)m·s-1處距出風(fēng)口依次為15～21,16～22和19～25 m，長度均大于5 m,能夠滿足測試要求.

表1 不同季度氣流場風(fēng)速測量結(jié)果 m·s-1

圖9 單向點(diǎn)陣測量的風(fēng)速衰減規(guī)律

利用Matlab結(jié)合插值擬合法，繪制各頻率各截面氣流場風(fēng)速分布云圖.圖10為單向點(diǎn)陣氣流場風(fēng)速分布云圖，其中x軸定義為風(fēng)機(jī)軸線方向，y軸定義為氣流場寬度方向，z軸定義為氣流場高度方向[11-13].由圖10可知：同一截面不同頻率下，隨頻率增加，氣流場有效風(fēng)速分布范圍逐漸增加，且風(fēng)速逐漸增大；同一頻率下，風(fēng)速隨射程增加而逐漸減小，但氣流場有效風(fēng)速的分布范圍逐漸增加；單個(gè)截面上風(fēng)速分布基本沿著中心點(diǎn)向四周逐漸減小，風(fēng)速分布呈現(xiàn)中心對稱現(xiàn)象.這是由于氣體射流從出風(fēng)口噴出，沿射程方向卷吸進(jìn)來的流體與射流氣體之間的動量交換強(qiáng)度從外向內(nèi)逐漸減弱，因此導(dǎo)致各截面軸線處的流速最大，從軸心向外，流速由最大值逐漸減小到0，其氣流場擴(kuò)散、風(fēng)速衰減分布規(guī)律符合圓形射流理論[14].現(xiàn)有植保無人飛機(jī)多旋翼居多，其直徑小于3 m，高度小于1 m，只要測試氣流場風(fēng)速為(6.0±0.5) m·s-1的區(qū)域，在軸線(x軸)和直徑(y軸或z軸)方向尺寸大于飛機(jī)外形尺寸，即可認(rèn)為滿足測試需求.因此，需對氣流場分布的射程(長度)和氣流場直徑(寬度)進(jìn)行分析.

圖10 單向點(diǎn)陣氣流場風(fēng)速分布云圖

3.2.2線陣風(fēng)速測量

結(jié)合單向點(diǎn)陣氣流場測量結(jié)果，設(shè)計(jì)了線陣氣流場測量試驗(yàn).利用無線線陣數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，同時(shí)測定線陣上11個(gè)三杯式傳感器的風(fēng)速，每種工況記錄60 s，數(shù)據(jù)記錄頻率為1 Hz，取60組數(shù)據(jù)的平均值作為該節(jié)點(diǎn)的風(fēng)速.圖11為平行于地面的中軸面風(fēng)速分布云圖，以風(fēng)機(jī)出風(fēng)口圓心為坐標(biāo)原點(diǎn)，風(fēng)機(jī)軸線為x軸，氣流場直徑為y軸，建立直角坐標(biāo)系.頻率為35,40和45 Hz時(shí)，風(fēng)速為(6.0±0.5) m·s-1的位置分別距出風(fēng)口15～18，18～23和20～25 m處，氣流場長度分別為3，5和5 m，直徑平均值為3 m.風(fēng)機(jī)有效射程和有效氣流場直徑均隨著頻率增加而增加，風(fēng)速沿寬度方向呈軸對稱分布.由于風(fēng)機(jī)工作頻率越高，轉(zhuǎn)速越高，電能消耗也越高.綜合多種因素考慮，35～45 Hz均可作為測試頻率，最優(yōu)工作頻率為40 Hz.

圖11 線陣氣流場測量結(jié)果

4 結(jié) 論

1) 研發(fā)的抗風(fēng)能力測試系統(tǒng)能生成長約5 m、直徑約3 m、風(fēng)速帶離地高度為3～7 m的可調(diào)橫向圓柱形氣流場，且風(fēng)向一致，可滿足植保無人飛機(jī)抗風(fēng)能力測試試驗(yàn)的需要.

2) 風(fēng)速隨著工作頻率的增加而增大，隨著射程的增加而衰減.頻率為30，35，40和45 Hz工作條件下，軸線方向風(fēng)速為(6.0±0.5) m·s-1的位置距離出風(fēng)口依次為14～16，15～21，16～22和19～25 m.

3) 頻率為35 Hz條件下，可供試驗(yàn)氣流場在風(fēng)機(jī)出風(fēng)口15～18 m處，長度為3 m；在40 Hz下、風(fēng)機(jī)出風(fēng)口18～23 m以及在45 Hz下、出風(fēng)口20～25 m處，長度均為5 m；氣流場直徑平均值為3 m.綜合考慮能耗等因素的影響，最優(yōu)工作頻率為40 Hz.