[發明專利]一種旋翼無人機霧流場的可視化裝置及控制方法

有效

• 申請號: 201710433026.9
• 申請日: 2017-06-09
• 公開（公告）號: CN107290127B
• 公開（公告）日: 2019-06-28
• 發明（設計）人: 蘭玉彬;文晟;李晟華;姚偉祥;張海艷
• 申請（專利權）人: 華南農業大學
• 主分類號: G01M9/06
• 分類號: G01M9/06
• 代理公司: 廣州市華學知識產權代理有限公司 44245
• 代理人: 林梅繁;裘暉

本發明涉及旋翼無人機霧流場的可視化裝置及控制方法，其裝置包括風洞試驗段、無人機、可伸縮懸掛系統、激光發射器、短脈沖紫外線燈、攝像頭、計算機和示蹤粒子煙霧發生器，無人機通過可伸縮懸掛系統固定于風洞試驗段的內部，藥箱內裝有熒光溶液；激光發射器放置于無人機旋翼的正上方，用于照亮并顯示風洞試驗段內部位于旋翼下方的湍流場；短脈沖紫外線燈放置于風洞試驗段外，位于無人機的斜下方；示蹤粒子煙霧發生器置于風洞試驗段的入風口；攝像頭與計算機連接，用于獲取表征無人機旋翼霧流場運動規律的示蹤粒子圖像信息，并將圖像信息傳輸至計算機進行處理。本發明操作簡單，可控性高，重復性好，結果可靠性高。

技術領域

本發明涉及農用航空和航空植保技術，具體涉及針對農用旋翼無人機進行航空噴灑時，霧滴在旋翼風場作用下的沉積和飄移特性的可視化裝置及控制方法。

背景技術

我國農業病蟲草害具有多發、重發、頻發的特點，嚴重威脅我國農業生產和國家糧食安全，而且隨著全球氣候變暖和農田生態條件變化，農作物病蟲害呈逐年加重趨勢，發病范圍逐年擴大。目前，中國糧食作物生產過程中的植保作業仍以手工、半機械化操作為主，植保作業投入的勞力多、勞動強度大，施藥人員中毒事件時有發生。

農業航空植保作業具有效率高、農藥利用率高的特點，可有效解決高稈作物、水田和丘陵山地人工和地面機械作業難等問題。其中，農用植保無人飛機具有機動靈活、無需專用的起降機場，特別適用于我國田塊分散、田塊小的地域特點和民居稠密的農業區域。因此，植保無人飛機已成為國內農用航空的一支新興力量。

與地面植保機械相比，農用植保無人機噴灑的霧滴粒徑較小、質量輕，不容易沉降在作物的葉片上，因此需要利用無人機旋翼產生的下洗氣流來增加霧滴對作物冠層的穿透性，提高防治效果。但較小的霧滴又容易在旋翼流場湍流作用下產生霧滴飄移，降低了農藥利用率，并對環境造成污染。因此，了解并掌握在復雜旋翼風場下的霧滴運動規律，對于提高農用無人機噴灑效率、降低霧滴飄移具有很大的指導作用。然而，農用無人機旋翼下的風場具有高速、高脈動的復雜湍流流動特性，尤其是多旋翼農用無人機相鄰兩旋翼的旋向相反，這也使得其旋翼風場更為復雜。因此，準確研究旋翼風場作用下霧滴的運動規律是一項具有挑戰性的工作。

目前，國內外研究霧滴在旋翼風場作用下飄移和沉積規律的技術主要有田間實驗測量和數值模擬。田間實驗測量是利用旋翼無人機真實施藥飛行過程中，在無人機飛行航道兩側布置水敏紙、聚酯薄膜卡片等收集沉積的霧滴，從而進行定量分析。數值模擬則是利用計算機，通過計算流體力學(Computational Fluid Dynamics,CFD)軟件如Fluent、CFX等，對農用無人機的霧流場進行數值模擬。田間實驗測量所需成本較高，受氣候等條件影響，試驗結果的重復性較差，而且無法直接觀察到霧滴在旋翼流場作用下的真實運動軌跡。利用CFD方法可以直觀看到計算機模擬出來的霧流場結果模擬，但CFD的準確性受幾何模型、邊界條件、湍流模型和單元體數量等各方面的影響，要想獲取較為準確的模擬結果，必須通過試驗進行驗證。

綜上所述，目前對于旋翼無人機霧流場的研究手段中，均存在難以直接觀察到霧滴在旋翼風場作用下的運動軌跡的問題，而且現階段田間試驗測量的方式，無法從旋翼流場和霧滴本身的運動機理上認識霧滴的飄移和沉積規律，制約了現階段農用無人機航空噴灑的有效性和農藥的利用率。

發明內容

為了解決現有技術所存在的問題，本發明提供一種旋翼無人機霧流場的可視化裝置，該裝置利用示蹤粒子煙霧和熒光溶液使旋翼無人機的霧流場可視化，具有可控性高、可重復性好、不受環境干擾的優點。

本發明還提供一種基于上述旋翼無人機霧流場的可視化裝置的控制方法，該方法操作簡單，能夠精確控制旋翼無人機的飛行速度、飛行高度和環境參數，霧流場結果可靠性高。