CN107063621A - 无人机旋翼下方风场测量平台及采用该平台的风场测量方法 - Google Patents

Abstract

无人机旋翼下方风场测量平台，包括电源、机架、旋翼安装部、三维立体移动机构、安装在三维立体移动机构上的风速仪，旋翼通过旋翼安装部向下安装在机架内并固定在机架顶部中央，三维立体移动机构安装在机架一侧，风速仪在三维立体移动机构的驱动下伸入机架内部且在机架内部三个维度方向移动，并对内部无阻碍的旋翼下方风场各点进行测量。本发明具有结构简单、操作方便、可以稳定、精准测量风场内多点风速的优点。本发明属于农业无人机领域。

Description

无人机旋翼下方风场测量平台及采用该平台的风场测量方法

技术领域

本发明属于农业无人机领域，尤其涉及无人机旋翼下方风场测量平台及采用该平台的风场测量方法。

背景技术

由于无人机结构简单、造价低廉，因此被广泛运用于各种领域，无人机在市场上越来越火热。近年来，精准农业航空植保与无人机植保作业技术成为发展热点。无人机植保具有较好的安全性，施药人员遥控操作植保机喷洒，因此施药人员安全；环境安全，可在空中定向定点喷洒农药，植保无人机旋翼产生的强大气流将药液直接压迫作用于作物的各个层面，农药随气流可深入到农作物的根部，叶子的背面，能使害虫无处可逃，环保安全。无人机植保能够节约水资源且效率较高，无人机植保约每分钟可喷洒1-2亩，一天(按6-8小时计)一架植保机可喷洒300-600亩，相当于30-100个人的工效，解放了劳动力；可贴近农作物0.5-2米喷药，雾流上下穿透力强，漂移少，雾滴细匀，可提高农药利用率30％以上；使用超低容量施药技术，每亩施药仅需400-600毫升，节约水资源。无人机植保操作简便，易学易用、操作简单，加药、换电池方便快捷。无人机植保使用维护便宜，整机使用寿命长，燃油成本0.4元/亩，同时维护成本低，零部件更换方便。

无人机进行植保作业时，由旋翼下方产生的风场将药液施加在农作物上，达到快速施药的效果。在药液下降的过程中，旋翼下方风场对液滴漂移影响显著。相对于地面喷洒作业，无人机喷洒作业的漂移及沉降更为复杂，无人机的伴流(旋冀与尾冀生产的漩涡气流)对飞机喷洒雾滴在空中经历的运行、漂移、和蒸发和沉降等过程产生影响，从而影响农药喷洒效果。因此为实现精准施药，研究旋翼下方风场的规律特点就很有必要。目前，已有一些设备和方法对无人机旋翼下方的风场进行测量，然而其结构复杂、操作不便或不能突破界限且不能对风场内进行稳定准确地多点测量。

发明内容

针对上述问题，本发明提供一种能稳定准确地对无人机旋翼下方风场进行多点测量、结构简单、操作容易的无人机旋翼下方风场测量平台。

本发明的第二个目是提供一种采用该平台对无人机旋翼下风场稳定准确进行多点测量的测量方法。

无人机旋翼下方风场测量平台，包括电源、机架、旋翼安装部、三维立体移动机构、安装在三维立体移动机构上的风速仪，旋翼通过旋翼安装部向下安装在机架内并固定在机架顶部中央，三维立体移动机构安装在机架一侧，风速仪在三维立体移动机构的驱动下伸入机架内部且在机架内部三个维度方向移动并对内部无阻碍的旋翼下方风场各点进行测量。机架内部无阻碍，旋翼通过旋翼安装部安装在机架顶部上方，旋翼不伸出机架的边界。风速仪在三维立体移动机构的带动下运动，三维立体机构能在空间三个维度方向移动，因此风速仪在空间三个维度方向上移动。采用此结构的优点，突破无人机旋翼下方风场的界限，能稳定、精准地对旋翼下方风场进行多点测量。通过更换不同型号的旋翼，从而实施对不同旋翼下方风场的测量、统计、研究。

作为一种优选，还包括控制系统，控制系统用于控制三维立体移动机构的启停，控制三维立体移动机构的移动方向和移动位移。采用此结构的优点，通过对控制系统的设定、指令、操作，可以实现测量过程的自动化及精准化，避免人工测量带来误差且能减少工作量。

作为一种优选，机架为由多根铝合金条搭建而成的长方体形框架，一面置于地面，上面和地面平行，“十”字形的支架安装在长方体形框架的上面，支架的交叉点位于长方体形框架顶面中心。下面为置于地面的一面，上面为长方体形框架上和下面平行的一面。长条可使用铝合金等具有一定支撑力的材质制成。采用此结构的优点，机架结构简单，方便调整，机架内部无阻碍，风速仪在机架内部运动畅通，方便风速仪对风场进行多点测速。

作为一种优选，旋翼安装部包括电机、旋翼支撑柱和双卡紧机构，双卡紧机构固定于机架正中央，双卡紧机构下端夹紧旋翼支撑柱，旋翼通过电机固定安装于旋翼支撑柱。双卡紧机构固定于机架的一端为上端，夹紧旋翼支撑柱的一端为下端。采用此结构的优点，旋翼支撑柱和双卡紧机构的配合安装，使得旋翼稳定牢固地安装在机架上。

作为一种优选，双卡紧机构包括两个卡紧夹，两个卡紧夹扣合固定后围成两个相互平行的将旋翼支撑柱包裹夹紧的空心圆柱，双卡紧机构的上端通过螺栓连接方式固定在机架上。采用此结构的优点，双卡紧机构下端在合模后形成的两处空心圆柱从而将旋翼支撑柱夹紧，上端通过螺栓连接方式固定在机架上，从而保证了旋翼安装的稳定环境。

作为一种优选，三维立体移动机构包括平面移动机构和电动伸缩杆，电动伸缩杆安装在平面移动机构上，电动伸缩杆在垂直于平面移动机构的方向逐级伸缩。采用此结构的优点，结构简单，且电动伸缩杆能稳定地在空间三个维度方向移动。

作为一种优选，平面移动机构包括滑动导轨、滑轨支撑架、滑块；滑动导轨包括横向滑动导轨、纵向滑动导轨，滑块包括横向滑块、纵向滑块；横向滑动导轨置于地面，滑轨支撑架包括和横向滑动导轨平行的导轨以及将导轨支撑起来的两根支柱，两根支柱分别安装于横向滑动导轨的两端，纵向滑动导轨一端固定于在横向滑动导轨上滑动的横向滑块上，另一端嵌入导轨中，电动伸缩杆固定于在纵向滑动导轨滑动的纵向滑块上。滑轨支撑架呈“Π”形，两侧两根立柱安装在横线供滑动导轨的两端，上部的导轨和横向滑动导轨平行。采用此结构的优点，涉及的零部件少，电动伸缩杆通过平面移动机构能在横向和纵向方向快速稳定地移动，为稳定测量提供必要条件。

作为一种优选，滑动导轨包括底板、滚珠丝杆、丝杆支撑座、光轴、电机支座、步进电机、联轴器，丝杆支撑座安装在底板两端，滚珠丝杆安装在丝杆支撑座之间，光轴固定安装于丝杆支撑座之间且光轴位于滚珠丝杆的两侧，步进电机通过电机支座安装于一丝杆支撑座外侧，步进电机通过联轴器和滚珠丝杆连接；安装于滚珠丝杠上的滑块随着滚珠丝杠的滚动沿着滚珠丝杆方向直线移动，并通过光轴导向。丝杆支撑座面向底板的一侧为内侧，另一侧为外侧。所述滑块即横向滑块/纵向滑块。采用此结构的优点，电机带动滚珠丝杆的滚动从而实现滑块的移动，滚珠丝杆两侧安装的光轴能使滑块保持稳定地直线运动，结构简单，运动稳定。

作为一种优选，所述风速仪为热线式风速仪。该平台应用于室内或室外测量无人机旋翼下方风场。采用此结构的优点，热线式风速仪较使用叶轮或皮托管测量更加稳定、精确。

采用上述无人机旋翼下方风场测量平台的风场测量方法，包括下列步骤：

a、调节三维立体移动机构至测量平台的基准点；

b、安装需要待测无人机型号的旋翼，启动电机使旋翼转动，并根据实际情况调整旋翼转速；

c、根据实际需求，移动三维立体移动机构，在三维立体移动机构带动下的风速仪伸入机架内部对旋翼下方风场测量风速。

本发明的优点：

(1)通过三维立体移动机构的带动，风速仪进入旋翼下方风场内测量风场内多点的风速，通过机架和旋翼安装部搭建出稳定的风场模型，因此，风场被模型化，在控制不同变量的情况下测出风场内多点风速数据，为研究无人机旋翼下方风场的规律特点提供实验平台。本发明使用的风速仪是热线式风速仪，因此测量更加稳定、精确。

(2)控制系统能够让测量自动化、更稳定，从而可以保证测量稳定、准确，也因此还能减少工作量；并且对控制系统的编程和指令，对移动的设定距离进行更改，测量风场内更多点的风速，获得更多测量结果和数据。

(3)滑动导轨使用滚珠丝杆，将滑块安装在滚珠丝杆上，利用滚珠丝杆的转动从而带动滑块在直线方向的移动，且在滚珠丝杆两侧安装光轴，这进一步保证了滑块在直线方向的稳定运动，从而保证了风速仪在直线方向的精准移动。

(4)纵向滑动导轨一端通过支承板固定在横向滑块上，另一端嵌入滑轨支撑架，从而实现了纵向滑动导轨在横向方向的稳定移动，为确保纵向滑块在纵向方向的稳定移动和风速仪在法向方向的稳定移动提供好的支持。

(5)使用双卡紧机构，在将旋翼支撑柱使用卡紧夹双卡紧的同时，还将卡紧夹的另一端通过螺栓固定在机架上，从而实现将旋翼支撑柱牢固地固定在机架上。

(6)机架采用铝合金条搭建而成的长方体框架，结构简单且实验过程中易于调整；长方体框架内部空旷、无阻碍，三维立体移动机构能带动风速仪在机架内部无阻碍移动，从而完成旋翼下方风场内部的多点测量。

附图说明

图1为无人机旋翼下方风场测量平台结构示意图。

图2为滑动导轨结构示意图。

图3双卡紧机构示意图。

图4支承板示意图。

图5为夹紧套筒示意图。

图6为控制系统原理示意图。

其中，1为机架，2为旋翼，3为旋翼支撑柱，4为双卡紧机构，5为横向滑动导轨，6为纵向滑动导轨，7为电动伸缩杆，8为热线式风速仪，9为夹紧套筒，10为滑轨支撑架，11为丝杆支撑座，12为底板，13为滑块，14为光轴，15为滚珠丝杆，16为联轴器，17为电机支座，18为步进电机，19为卡紧夹，20为螺栓，21为螺母，22为筒夹，23为螺栓，24为螺母。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的具体说明。

实施例：

无人机旋翼下方风场测量平台，包括电源、机架、旋翼安装部、三维立体移动机构、安装在三维立体移动机构上的风速仪，旋翼通过旋翼安装部向下安装在机架内并固定在机架顶部中央，三维立体移动机构安装在机架一侧，风速仪在三维立体移动机构的驱动下伸入机架内部且在机架内部三个维度方向移动并对内部无阻碍的旋翼下方风场各点进行测量。机架内部无阻碍，旋翼通过旋翼安装部安装在机架顶部中央，旋翼不伸出机架的边界。风速仪在三维立体移动机构的带动下运动，三维立体机构能在空间三个维度方向移动，因此风速仪在空间三个维度方向上移动。

本实施例中，还包括控制系统，控制系统用于控制三维立体移动机构的启停，控制三维立体移动机构的移动方向和移动位移。对控制系统进行指令或操作，设定三维立体移动机构移动的设定距离和移动方向，实现测量平台的自动启停及全过程测量。测量的自动化，一方面不但减少工作量，且能够减少人工测量带来的误差，进一步提升实验和数据的可靠性。

机架为由多根铝合金条搭建而成的长方体形框架，一面置于地面，上面和地面平行，“十”字形的支架安装在长方体形框架的上面，支架的交叉点位于长方体形框架的上面的中心。本实施例中采用一米长的铝合金条搭建的立方体框架。

旋翼安装部包括电机、旋翼支撑柱和双卡紧机构，双卡紧机构固定于机架正中央，双卡紧机构下端夹紧旋翼支撑柱，旋翼通过电机固定安装于旋翼支撑柱。双卡紧机构安装固定在“十”字形支架的交叉点。

双卡紧机构包括两个卡紧夹，两个卡紧夹扣合固定后围成两个相互平行的将旋翼支撑柱包裹夹紧的空心圆柱，双卡紧机构的上端通过螺栓连接方式固定在机架上。安装时，不妨将两个卡紧夹定义为左卡紧夹、右卡紧夹，左卡紧夹、右卡紧夹二者完全相同，左卡紧夹、右卡紧夹从两侧合模并通过下端的两处空心圆柱将旋翼支撑柱包裹住，再通过螺栓连接方式在左卡紧夹、右卡紧夹的下端将左卡紧夹、右卡紧夹固定在一起，从而实现将旋翼支撑柱夹紧。

左卡紧夹、右卡紧夹合模的时候在双卡紧机构的中部和下部形成将旋翼支撑柱包裹的空心圆柱体状，旋翼支撑柱在双卡紧机构被夹住，拧紧双卡紧机构中部、下部两侧的螺栓从而将旋翼支撑柱在其两个身段位夹紧；在双卡紧机构的上部开设有螺纹孔，使用螺栓穿过螺纹孔将双卡紧机构固定安装在机架正中央。

三维立体移动机构包括平面移动机构和电动伸缩杆，电动伸缩杆安装在平面移动机构上，电动伸缩杆在垂直于平面移动机构的方向逐级伸缩。

平面移动机构包括滑动导轨、滑轨支撑架、滑块；滑动导轨包括横向滑动导轨、纵向滑动导轨，滑块包括横向滑块、纵向滑块；横向滑动导轨置于地面，滑轨支撑架包括和横向滑动导轨平行的导轨以及将导轨支撑起来的两根支柱，两根支柱分别安装于横向滑动导轨的两端，纵向滑动导轨一端固定于在横向滑动导轨上滑动的横向滑块上，另一端嵌入导轨中，电动伸缩杆固定于在纵向滑动导轨滑动的纵向滑块上。本实施例中，支承板开设八个孔，外侧四个孔及内侧四个孔，在支承板外侧四个孔通过螺栓连接方式将横向滑块固定在横向滑动导轨上，纵向滑动导轨通过支承板固定在横向滑块上，纵向滑动导轨固定在支承板的内侧。另一块支承板固定在纵向滑块上，夹紧套筒焊接在支承板上，电动伸缩杆安装固定在夹紧套筒的筒夹内。滑轨支撑架呈“Π”形，两侧两根柱子分别安装在横线供滑动导轨的两端，上部的导轨和横向滑动导轨平行。滑轨电动伸缩杆采用逐级伸长或缩短的运动方式，且电动伸缩杆每次逐级缩短或伸长的长度都为设定距离，设定距离和横向滑块、纵向滑块的设定距离均相同。电动伸缩杆伸入机架的一端为前端，另一端为后端，在电动伸缩杆前端安装风速仪。

滑动导轨均包括底板、滚珠丝杆、丝杆支撑座、光轴、电机支座、步进电机、联轴器，丝杆支撑座安装在底板两端，滚珠丝杆安装在丝杆支撑座之间，光轴固定安装于丝杆支撑座之间且光轴位于滚珠丝杆的两侧，步进电机通过电机支座安装于一丝杆支撑座外侧，步进电机通过联轴器和滚珠丝杆连接；安装于滚珠丝杠上的滑块随着滚珠丝杠的滚动沿着滚珠丝杆方向直线移动，并通过光轴导向。滚珠丝杆和光轴穿过滑块且将滑块安装在滚珠丝杆和光轴上。丝杆支撑座面向底板的一侧为内侧，背向底板的一侧为外侧。两根光轴和滚珠丝杆穿过横向滑块后，再安装于两丝杆支撑座之间。

本实施例中，风速仪为热线式风速仪。该平台应用于室内或室外测量无人机旋翼下方风场。

一般来说，采用无人机旋翼下方风场测量平台，包括下列步骤：

a、调节三维立体移动机构至测量平台的基准点；

b、安装需要待测无人机型号的旋翼，启动电机使旋翼转动，并根据实际情况调整旋翼转速；

c、根据实际需求，移动三维立体移动机构，在三维立体移动机构带动下的风速仪伸入机架内部对旋翼下方风场测量风速。

结合图6，对包含控制系统的测量平台具体说明在控制系统下的工作原理和过程：(1)设置操作面板上的启/停、方向、位移信号，输入PLC。(2)PLC输出的脉冲信号、方向信号和位移信号传给电源，驱动步进电机X、步进电机Y和直流电机运动。步进电机X是横向滑动导轨的驱动源，步进电机Y是纵向滑动导轨的驱动源，直流电机是电动伸缩杆的驱动源。(3)通过PLC编程驱动这3个电机配合运动，使固定在电动伸缩杆上的热线式风速仪按照规定的路线(即已经设定好的设定距离)运动，风速仪测量规定的路线的多点风速。

结合本实施例，更具体地说明采用本实施例中无人机旋翼下方风场测量平台的风场测量方法，也即本发明的工作过程，包括下列步骤：

a、调节横向滑块、纵向滑块及电动伸缩杆至测量平台的基准点；

b、安装待测无人机的旋翼，启动电机使旋翼转动，并根据实际情况调整旋翼转速；

c、启动控制机构，并操作指令使横向滑块开始移动，离开基准点，移动设定距离；

d、横向滑块停止移动后，纵向滑块开始移动，移动距离与横向滑块的设定距离相同；

e、纵向滑块停止移动后，电动伸缩杆开始伸长，伸长时采用逐级伸长的方式，每一级伸长的距离均与横向或纵向滑块移动的设定距离相同；

f、电动伸缩杆伸长距离超出1米时，停止伸长，纵向滑块继续移动设定距离；

g、电动伸缩杆开始收缩，收缩时采用逐级收缩的方式，每一级收缩的距离均为设定距离；

h、电动伸缩杆完成收缩后，纵向滑块继续移动设定距离，重复步骤e～g；

i、当纵向滑块移至极限距离后，纵向滑块回到在纵向滑动导轨上的初始位置，接着横向滑块再次移动设定距离，重复步骤d～h。

根据以上步骤，可以测量无人机旋翼下方风场内的多点风速，改变设定距离，可以测量风场内更多点的数据，从而可以更好的研究旋翼下方风场的规律，为无人机植保的研究提供更多支持。

本发明的原理：通过构建无人机旋翼下方风场的模型，能够控制更多变量，减少外部因素(变量)的影响，并通过移动机构在风场空间内移动风速仪，测量风场内多点的风速，从而采集到风场内多点数据，安装不同型号无人机的旋翼，风场改变，从而可以探测、研究更多无人机旋翼下方风场，为研究无人机旋翼下方风场的规律特点提供支持。

除了本实施例提及的方式外，上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.无人机旋翼下方风场测量平台，其特征在于：包括电源、机架、旋翼安装部、三维立体移动机构、安装在三维立体移动机构上的风速仪，旋翼通过旋翼安装部向下安装在机架内并固定在机架顶部中央，三维立体移动机构安装在机架一侧，风速仪在三维立体移动机构的驱动下伸入机架内部且在机架内部三个维度方向移动并对内部无阻碍的旋翼下方风场各点进行测量。

2.如权利要求1所述无人机旋翼下方风场测量平台，其特征在于：还包括控制系统，控制系统用于控制三维立体移动机构的启停，控制三维立体移动机构的移动方向和移动位移。

3.如权利要求1所述无人机旋翼下方风场测量平台，其特征在于：机架为由多根长条搭建而成的长方体形框架，一面置于地面，上面和地面平行，“十”字形的支架安装在长方体形框架的上面，支架的交叉点位于长方体形框架顶部中心。

4.如权利要求1或3所述无人机旋翼下方风场测量平台，其特征在于：旋翼安装部包括电机、旋翼支撑柱和双卡紧机构，双卡紧机构固定于机架正中央，双卡紧机构下端夹紧旋翼支撑柱，旋翼通过电机固定安装于旋翼支撑柱。

5.如权利要求4所述无人机旋翼下方风场测量平台，其特征在于：双卡紧机构包括两个卡紧夹，两个卡紧夹扣合固定后围成两个相互平行的将旋翼支撑柱包裹夹紧的空心圆柱，双卡紧机构的上端通过螺栓连接方式固定在机架上。

6.如权利要求1所述无人机旋翼下方风场测量平台，其特征在于：三维立体移动机构包括平面移动机构和电动伸缩杆，电动伸缩杆安装在平面移动机构上，电动伸缩杆在垂直于平面移动机构的方向逐级伸缩。

7.如权利要求6所述无人机旋翼下方风场测量平台，其特征在于：平面移动机构包括滑动导轨、滑轨支撑架、滑块；滑动导轨包括横向滑动导轨、纵向滑动导轨，滑块包括横向滑块、纵向滑块；横向滑动导轨置于地面，滑轨支撑架包括和横向滑动导轨平行的导轨以及将导轨支撑起来的两根支柱，两根支柱分别安装于横向滑动导轨的两端，纵向滑动导轨一端固定于在横向滑动导轨上滑动的横向滑块上，另一端嵌入导轨中，电动伸缩杆固定于在纵向滑动导轨滑动的纵向滑块上。

8.如权利要求7所述无人机旋翼下方风场测量平台，其特征在于：滑动导轨包括底板、滚珠丝杆、丝杆支撑座、光轴、电机支座、步进电机、联轴器，丝杆支撑座安装在底板两端，滚珠丝杆安装在丝杆支撑座之间，光轴固定安装于丝杆支撑座之间且光轴位于滚珠丝杆的两侧，步进电机通过电机支座安装于一丝杆支撑座外侧，步进电机通过联轴器和滚珠丝杆连接；安装于滚珠丝杠上的滑块随着滚珠丝杠的滚动沿着滚珠丝杆方向直线移动，并通过光轴导向。

9.如权利要求1所述无人机旋翼下方风场测量平台，其特征在于：风速仪为热线式风速仪。

10.采用权利要求1-9任一所述无人机旋翼下方风场测量平台的风场测量方法，其特征在于：包括下列步骤：

a、调节三维立体移动机构至测量平台的基准点；

b、安装需要待测无人机型号的旋翼，启动电机使旋翼转动，并根据实际情况调整旋翼转速；

c、根据实际需求，移动三维立体移动机构，在三维立体移动机构带动下的风速仪伸入机架内部对旋翼下方风场测量风速。