單旋翼無人機(jī)有效噴幅試驗(yàn)研究

于麗娟，張偉，張博，張偉巍，張平，亓立強(qiáng)

（1.黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)工程學(xué)院，大慶 163319；2.黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)電氣與信息學(xué)院；3.北大荒通用航空有限公司；4.黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)理學(xué)院）

無人機(jī)植保作業(yè)不受復(fù)雜地況限制，具有低量噴灑、效率高等優(yōu)點(diǎn)[1-3]。但由于空中作業(yè)條件與氣流的影響，相對于地面機(jī)具航空作業(yè)更容易產(chǎn)生作業(yè)幅寬不穩(wěn)定、重噴、漏噴及飄移等現(xiàn)象[4-7]。無人機(jī)作業(yè)幅寬直接影響無人機(jī)作業(yè)效率和噴施過程中的霧滴沉積分布均勻性，有效噴幅是確定噴霧作業(yè)參數(shù)的重要參考依據(jù)[8-9]。

目前，國外已有學(xué)者[10]對有人駕駛飛機(jī)M-18B和畫眉鳥510G 在不同作業(yè)條件下進(jìn)行了噴施試驗(yàn)，通過不同的評定方法對兩種有人機(jī)的有效噴幅進(jìn)行了評定；茹煜等[11]分別通過霧滴分布試驗(yàn)臺在實(shí)驗(yàn)室測試了單個(gè)不同類型的航空霧化噴頭在不同作業(yè)參數(shù)條件下的噴幅寬度等性能參數(shù)；范慶妮[12]對小型無人直升機(jī)農(nóng)藥霧化系統(tǒng)進(jìn)行研究，對離心霧化系統(tǒng)進(jìn)行室內(nèi)試驗(yàn)研究，分析霧化轉(zhuǎn)盤參數(shù)變化對噴幅寬度的影響；姚偉祥，金永奎等[13-14]對AS350B3e 直升機(jī)和電動單旋翼無人機(jī)進(jìn)行室外不同參數(shù)下噴施作業(yè)，得到對應(yīng)的有效噴幅區(qū)域及霧滴飄移分布規(guī)律；楊知倫等[15]研究植保無人機(jī)旋翼下洗氣流對噴幅寬度的影響，通過分析植保無人機(jī)速度分布特性在下洗氣流影響下的霧滴運(yùn)動方式，并研究兩種飛行高度對有效噴幅與霧滴分布均勻性的影響；陳盛德等[16]分別對單旋翼及多旋翼植保無人機(jī)航空噴施作業(yè)有效噴幅進(jìn)行評定與試驗(yàn)，確定適合不同機(jī)型的有效噴幅評定方法。宋堅(jiān)利等[17]針對無人機(jī)航空施藥存在噴霧不均、施藥效果差的問題，利用霧滴密度判定法、最小變異系數(shù)判定法和50%有效沉積判定法在靜風(fēng)條件下對單旋翼無人機(jī)航空施藥時(shí)的單個(gè)噴頭噴霧幅寬和噴霧均勻性進(jìn)行研究。

目前國內(nèi)關(guān)于植保無人機(jī)噴施應(yīng)用研究主要在于航空噴施作業(yè)參數(shù)對霧滴沉積分布特性的影響[18]，在室內(nèi)進(jìn)行的有關(guān)無人機(jī)有效噴幅的研究主要是單個(gè)噴頭及轉(zhuǎn)盤式霧化系統(tǒng)的噴幅與飛行參數(shù)之間的關(guān)系；室外試驗(yàn)通過有人駕駛直升機(jī)研究飛行參數(shù)對有效噴幅的研究，分析室外環(huán)境下單一方向的側(cè)風(fēng)對飛機(jī)有效噴幅的影響，有關(guān)無人機(jī)不同飛行參數(shù)及不同方向側(cè)風(fēng)對有效噴幅及均勻性的影響依然有值得深入探究之處。

研究表明，影響無人機(jī)有效噴幅及均勻性的主要因素是飛機(jī)旋翼下方風(fēng)場，由旋翼風(fēng)場和外界環(huán)境風(fēng)場共同構(gòu)成，無人機(jī)噴施霧滴的有效噴幅研究需要從根本上考慮風(fēng)場的影響[19-20]。因此有必要選擇風(fēng)場較為單一的單旋翼無人機(jī)進(jìn)行試驗(yàn)，研究無人機(jī)施藥時(shí)不同作業(yè)條件及外界風(fēng)對有效噴幅的影響，確定不同方向側(cè)風(fēng)條件對單旋翼無人機(jī)航空施藥時(shí)的有效噴幅和霧滴沉積均勻性的影響，得到高度和風(fēng)向的變化對有效噴幅的影響規(guī)律，為多旋翼的研究提供支持。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料與設(shè)備

試驗(yàn)采用沈陽市安翯航空科技有限公司的LTH-10 型單旋翼油動植保無人機(jī)，如圖1 所示。

圖1 LTH-10 型單旋翼油動植保無人機(jī)Fig.1 LTH-10 single rotor oil plant protection UAV

（1）單旋翼無人機(jī)

單旋翼植保無人機(jī)噴霧系統(tǒng)由防震蕩藥箱、微型水泵、噴桿、管路、噴頭、電控閥等構(gòu)成。噴頭為（Tee Jet 公司的110-04 型扇形噴頭，噴頭在飛機(jī)兩側(cè)沿噴桿垂直于飛機(jī)中軸線成對稱等間距分布，噴頭方向垂直向下，單個(gè)噴頭的流量為600 ml·min-1，噴頭工作壓力設(shè)定為1 300 Mpa。無人機(jī)主要性能指標(biāo)如表1 所示。

表1 無人機(jī)主要性能指標(biāo)Table 1 Main performance indexes of two UAVs

（2）調(diào)速輸送機(jī)

調(diào)速輸送機(jī)由輸送帶、步進(jìn)電機(jī)和變頻器組成，通過變頻器控制步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動輸送帶實(shí)現(xiàn)變速操作，可以模擬飛機(jī)飛行速度在室內(nèi)進(jìn)行試驗(yàn)，此方法可以在室內(nèi)模擬飛行試驗(yàn)。調(diào)速輸送機(jī)尺寸為20*30*300 cm，可調(diào)風(fēng)速范圍為2~6 m·s-1，試驗(yàn)時(shí)將水敏紙粘于長方體支座上方并固定在輸送帶上，通過對電機(jī)進(jìn)行調(diào)速實(shí)現(xiàn)輸送帶運(yùn)轉(zhuǎn)帶動水敏紙移動對霧滴進(jìn)行收集，水敏紙尺寸為25×15 mm。調(diào)速輸送機(jī)布置如圖2 所示。

圖2 調(diào)速輸送機(jī)Fig.2 Speed regulating conveyor

（3）調(diào)速風(fēng)機(jī)

使用4 個(gè)尺寸為580*580 mm，可調(diào)風(fēng)速為1~4 ms-1的風(fēng)機(jī)同時(shí)對無人機(jī)施加側(cè)風(fēng)，風(fēng)速可適當(dāng)模仿外界環(huán)境風(fēng)。風(fēng)機(jī)圖片如圖3 所示。

圖3 調(diào)速風(fēng)機(jī)Fig.3 Speed regulating fan

（4）試驗(yàn)場地布置

無人機(jī)試驗(yàn)時(shí)整體布置如圖4 所示，無人機(jī)固定于可升降試驗(yàn)臺上，據(jù)計(jì)算與飛控手的噴施作業(yè)經(jīng)驗(yàn)，推薦較佳的作業(yè)高度為2~3 m，因此設(shè)置可升降試驗(yàn)臺升降高度為2~4 m，無人機(jī)正下方放置調(diào)速輸送機(jī)，用于收集霧滴。

圖4 無人機(jī)支架Fig.4 UAV support

（5）霧滴分析儀

使用大疆霧滴掃描儀對試驗(yàn)后的霧滴測試卡進(jìn)行分析，檢測霧滴在水敏紙上沉積分布的多種參數(shù)分析儀可在極短時(shí)間內(nèi)自動計(jì)算出農(nóng)藥霧滴沉積分布均勻性、覆蓋率、單位面積霧滴數(shù)以及霧滴粒徑等數(shù)據(jù)。檢測全程無需聯(lián)網(wǎng)，用戶可在田野中單人完成全部工作。霧滴分析儀如圖5 所示。

圖5 霧滴分析儀Fig.5 Fog drop analyzer

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 試驗(yàn)地點(diǎn)

試驗(yàn)于2019 年7 月22~26 日在黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)保護(hù)性耕作實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行，試驗(yàn)環(huán)境平均溫度分別為26 ℃、空氣平均相對濕度為43%。

1.2.2 飛行參數(shù)設(shè)計(jì)

無人機(jī)主旋翼轉(zhuǎn)速設(shè)為每分鐘1 350 轉(zhuǎn)，無人機(jī)在距離水敏紙上方分別以2、2.5、3、3.5 m 處進(jìn)行試驗(yàn)，每個(gè)高度下進(jìn)行0~90 °不同方向側(cè)風(fēng)試驗(yàn)。側(cè)風(fēng)方向布置圖如圖6 所示。

圖6 無人機(jī)側(cè)風(fēng)方向Fig.6 UAV side wind direction

1.2.3 試驗(yàn)方案

通過室內(nèi)試驗(yàn)得到四個(gè)不同高度下單旋翼無人機(jī)有效噴幅及均勻性，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行不同高度下正向風(fēng)、30 °、60 °以及90 °四個(gè)方向側(cè)風(fēng)試驗(yàn)。霧滴收集裝置如圖2 所示，在長度為4 m 的長方體盒子上以15 cm 等間距安裝霧滴測試卡，將長方體盒子安裝在可調(diào)速輸送帶上對霧滴進(jìn)行收集；每個(gè)高度下進(jìn)行0~90 °不同方向側(cè)風(fēng)試驗(yàn)，風(fēng)速測試點(diǎn)布控在旋翼的下方，試驗(yàn)后的霧滴測試卡按照采集帶上的序號逐一取下粘貼在白紙上并進(jìn)行標(biāo)注，利用霧滴掃描儀對霧滴測試卡進(jìn)行掃描，得到不同位置霧滴沉積數(shù)據(jù)，拿回實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行后期數(shù)據(jù)處理，因素水平編碼表如表2 所示。

表2 因素水平表Table 2 Factor level table

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

采用Design Expert 和Origin 軟件對采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸方程分析，采用變異系數(shù)來衡量霧滴沉積均勻性，并檢驗(yàn)其顯著性。分析有效噴幅及霧滴沉積均勻性隨著植保無人機(jī)高度和側(cè)風(fēng)方向變化的相關(guān)關(guān)系。

2.1 高度對有效噴幅及沉積均勻性的影響

2.1.1 不用高度下有效噴幅

如圖7 所示，霧滴分布呈現(xiàn)中間多兩側(cè)少的狀態(tài)，且在中間多的區(qū)域出現(xiàn)2 個(gè)高峰值，整體呈現(xiàn)出M形分布。當(dāng)飛機(jī)高度逐漸增加時(shí)，霧滴分布仍然呈現(xiàn)M形，但峰值逐漸下降，中間霧滴分布略微趨于平緩。

圖7 不同高度下霧滴分布圖Fig.7 Droplet distribution at different heights

研究采用霧滴密度判定法來判定有效噴幅，根據(jù)MH/T1002-1995 《農(nóng)業(yè)航空噴灑作業(yè)質(zhì)量技術(shù)指標(biāo)》的規(guī)定：在飛機(jī)進(jìn)行超低容量的農(nóng)業(yè)人噴灑作業(yè)時(shí)，作業(yè)對象的霧滴覆蓋密度達(dá)到15 個(gè)·cm-2以上的范圍即可視為有效噴幅。

表3 高度對有效噴幅與均勻性的影響Table 3 Effect of height on effective spray amplitude and uniformity

由表3 可知，無人機(jī)高度變化對有效噴幅具有較大影響，隨著飛行高度的增加，有效噴幅呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢，當(dāng)無人機(jī)高度達(dá)到3 m 時(shí)，有效噴幅最大，約為4 m。

2.1.2 有效噴幅內(nèi)霧滴沉積均勻性

霧滴沉積分布均勻性采用變異系數(shù)Cv作為度量[21]，

式中Xi—各采樣卡單位面積霧滴數(shù)

n—采樣卡總數(shù)

經(jīng)計(jì)算，由表3 可知，在有效噴幅范圍內(nèi)，隨著高度變化，變異系數(shù)變化范圍不超過10%，因此該無人機(jī)在不同高度下霧滴均勻性基本一致。

2.2 側(cè)風(fēng)對有效噴幅及沉積均勻性的影響

2.2.1 同一高度下不同方向側(cè)風(fēng)對有效噴幅及沉積均勻性的影響

同一高度下不同側(cè)風(fēng)角度的有效噴幅如圖8 所示，變異系數(shù)如表4 所示，同一高度下，隨著側(cè)風(fēng)角度的由正向風(fēng)逐漸變?yōu)?0 °風(fēng)時(shí)，有效噴幅整體呈現(xiàn)逐漸變小趨勢。當(dāng)無人機(jī)高度到達(dá)3.5 m 時(shí)，由于無人機(jī)高度與風(fēng)速的共同作用有效噴幅變化紊亂。由于無人機(jī)作業(yè)噴施作業(yè)時(shí)，外界風(fēng)速需小于3 m·s-1，但無人機(jī)在室外作業(yè)時(shí)無法保證外界風(fēng)速為0 m·s-1的狀態(tài)。由試驗(yàn)結(jié)果可知，當(dāng)外界風(fēng)速在3 m·s-1以下的天氣進(jìn)行作業(yè)時(shí)，無人機(jī)高度為2.5 m 且風(fēng)向?yàn)檎驎r(shí)得到最佳無人機(jī)的有效噴幅達(dá)到5.7 m，變異系數(shù)為68.2%。如圖8 的3.5 m 高度所示，當(dāng)無人機(jī)高度到達(dá)3.5 m 時(shí)，有效噴幅的變化規(guī)律與其他三個(gè)高度下有效噴幅的變化規(guī)律完全不同，出現(xiàn)這一情況的原因是由于無人機(jī)高度與風(fēng)速的共同作用導(dǎo)致有效噴幅變化紊亂。

圖8 不同側(cè)風(fēng)方向的有效噴幅Fig.8 Effective jet amplitudes in different lateral wind directions

表4 側(cè)風(fēng)對不同高度下霧滴沉積均勻性的影響Table 4 Effect of side wind on deposition uniformity at different heights

2.2.2 同一方向側(cè)風(fēng)不同高度對有效噴幅及沉積均勻性的影響

同一側(cè)風(fēng)方向不同高度下的有效噴幅如圖9 所示，變異系數(shù)如表5 所示，當(dāng)無人機(jī)正前方加以側(cè)風(fēng)時(shí)，隨著無人機(jī)高度的增加有效噴幅整體呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢，當(dāng)無人機(jī)高度為2.5 m 時(shí)有效噴幅達(dá)到最寬為5.7 m；當(dāng)沿?zé)o人機(jī)前進(jìn)方向30 °加以側(cè)風(fēng)時(shí)，隨著無人機(jī)高度的增加有效噴幅整體呈現(xiàn)逐漸減小的趨勢，當(dāng)無人機(jī)高度為2 m 時(shí)有效噴幅達(dá)到最寬為4.65 m；當(dāng)沿?zé)o人機(jī)前進(jìn)方向60 °加以側(cè)風(fēng)時(shí)，隨著無人機(jī)高度的增加有效噴幅整體呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢，當(dāng)無人機(jī)高度為3.5 m 時(shí)有效噴幅達(dá)到最寬為5.1 m；當(dāng)沿垂直無人機(jī)前進(jìn)方向加以側(cè)風(fēng)時(shí)，隨著無人機(jī)高度的增加有效噴幅整體呈現(xiàn)平穩(wěn)的趨勢，當(dāng)無人機(jī)高度為2.5 m 時(shí)有效噴幅達(dá)到最寬為4.05 m。綜合以上結(jié)果可以得到當(dāng)側(cè)風(fēng)方向?yàn)檎蝻L(fēng)30 °側(cè)風(fēng)及60 °側(cè)風(fēng)時(shí)，有效噴幅寬度范圍更穩(wěn)定。

圖9 不同高度下的有效噴幅Fig.9 effective spray at different heights

表5 同一高度不同方向側(cè)風(fēng)對霧滴沉積均勻性的影響Table 5 Effect of side wind in different directions of the same height on droplet deposition uniformity

2.3 側(cè)風(fēng)與高度共同作用下單旋翼無人機(jī)有效噴幅及沉積均勻性

試驗(yàn)采用二因素四水平正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法進(jìn)行試驗(yàn)，以有效噴幅與均勻性作為試驗(yàn)評價(jià)指標(biāo)，設(shè)置高度和側(cè)風(fēng)角度的水平范圍為：高度范圍為2~3.5 m，側(cè)風(fēng)角度范圍0~90 °。通過試驗(yàn)，對影響試驗(yàn)評價(jià)指標(biāo)的兩個(gè)因素進(jìn)行顯著性分析，試驗(yàn)結(jié)果如表6 所示。

表6 不同高度有效噴幅與均勻性Table 6 Effective spray width and uniformity at different heights

2.3.1 有效噴幅回歸模型建立與顯著性檢驗(yàn)

利用Design-expert 8.0.6 軟件對試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行二次回歸分析，對影響試驗(yàn)評價(jià)指標(biāo)的2 個(gè)因素進(jìn)行顯著性分析，得到多元回歸擬合，確定有效噴幅與側(cè)風(fēng)角度、無人機(jī)高度之間的回歸方程，并檢驗(yàn)其顯著性[22-23]。

通過殘差的正態(tài)概率分布圖可以發(fā)現(xiàn)（如圖10所示），各點(diǎn)基本呈線性分布，可認(rèn)定數(shù)據(jù)呈現(xiàn)正態(tài)分布，所以數(shù)據(jù)是可靠的，存在顯著性關(guān)系。

通過對試驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析，有效噴幅方差分析如表7 所示。由表7 可知，A、B、A2 是模型的顯著項(xiàng)，由分析可知各影響因素對有效噴幅的影響順序?yàn)閭?cè)風(fēng)角度、無人機(jī)高度。高度與側(cè)風(fēng)方向顯著性水平值分別為0.085 2 和0.000 5，高度顯著性水平值小于0.1，表現(xiàn)為較顯著，側(cè)風(fēng)方向顯著性水平值小于0.01，表現(xiàn)為極顯著，得到各因素對有效噴幅影響的回歸方程如下：

圖10 正態(tài)概率分布圖Fig.10 Normal probability distribution map

表7 有效噴幅方差分析Table 7 Effective jet amplitude variance analysis

式中：A—各采樣卡單位面積霧滴數(shù)

B—采樣卡單位面積平均霧滴數(shù)

y—有效噴幅

2.3.2 響應(yīng)曲面分析

無人機(jī)高度與側(cè)風(fēng)方向間極顯著和較顯著相互作用對有效噴幅影響的響應(yīng)曲面如圖11 所示。交互作用響應(yīng)曲面如圖所示，當(dāng)側(cè)風(fēng)角度一定時(shí)，有效噴幅隨無人機(jī)的增大而增大，最佳的無人機(jī)噴藥高度在2.2~2.6 m 范圍內(nèi)，有效噴幅范圍為5.1~5.7 m；當(dāng)無人機(jī)高度一定時(shí)，有效噴幅隨側(cè)風(fēng)角度的增大而減小，是當(dāng)無人機(jī)在2.5 m 高度加以正向風(fēng)時(shí)得到最佳的有效噴幅，寬度為5.7 m。

圖11 高度與側(cè)風(fēng)對有效噴幅影響結(jié)果分析Fig.11 Analysis of the effect of height and side wind on effective jet amplitude

3 結(jié)論

不同高度、不同方向側(cè)風(fēng)條件下進(jìn)行單旋翼無人機(jī)航空施藥時(shí)有效噴幅和霧滴沉積均勻性試驗(yàn)研究。使用霧滴掃描儀分析霧滴測試卡得到試驗(yàn)數(shù)據(jù)，并對試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行方差分析和回歸分析。得出如下結(jié)論：

（1）無人機(jī)高度與側(cè)風(fēng)方向是影響有效噴幅及均勻性的重要因素，對有效噴幅的影響順序?yàn)閭?cè)風(fēng)角度、無人機(jī)高度；高度對霧滴均勻性的影響不顯著，側(cè)風(fēng)角度對霧滴均勻性有顯著影響；

（2）當(dāng)側(cè)風(fēng)角度一定時(shí)，有效噴幅隨無人機(jī)高度的增加先增加后減小，最佳的無人機(jī)噴藥高度在2.2~2.6 m 范圍內(nèi)，有效噴幅范圍為5.1~5.7 m；

（3）當(dāng)無人機(jī)高度一定時(shí)，有效噴幅隨側(cè)風(fēng)角度的增加而逐漸減小，當(dāng)無人機(jī)在2.5 m 高度加以正向風(fēng)時(shí)得到最佳的有效噴幅，寬度為5.7 m；

（4）試驗(yàn)中的油動單旋翼無人機(jī)在外界風(fēng)速3 m·s-1以下的天氣進(jìn)行作業(yè)時(shí)，無人機(jī)高度為2.5 m且風(fēng)向?yàn)檎驎r(shí)得到最佳無人機(jī)的有效噴幅達(dá)到5.7 m，變異系數(shù)為68.2 %。