CN107290127B - 一种旋翼无人机雾流场的可视化装置及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及旋翼无人机雾流场的可视化装置及控制方法，其装置包括风洞试验段、无人机、可伸缩悬挂系统、激光发射器、短脉冲紫外线灯、摄像头、计算机和示踪粒子烟雾发生器，无人机通过可伸缩悬挂系统固定于风洞试验段的内部，药箱内装有荧光溶液；激光发射器放置于无人机旋翼的正上方，用于照亮并显示风洞试验段内部位于旋翼下方的湍流场；短脉冲紫外线灯放置于风洞试验段外，位于无人机的斜下方；示踪粒子烟雾发生器置于风洞试验段的入风口；摄像头与计算机连接，用于获取表征无人机旋翼雾流场运动规律的示踪粒子图像信息，并将图像信息传输至计算机进行处理。本发明操作简单，可控性高，重复性好，结果可靠性高。

Description

一种旋翼无人机雾流场的可视化装置及控制方法

技术领域

本发明涉及农用航空和航空植保技术，具体涉及针对农用旋翼无人机进行航空喷洒时，雾滴在旋翼风场作用下的沉积和飘移特性的可视化装置及控制方法。

背景技术

我国农业病虫草害具有多发、重发、频发的特点，严重威胁我国农业生产和国家粮食安全，而且随着全球气候变暖和农田生态条件变化，农作物病虫害呈逐年加重趋势，发病范围逐年扩大。目前，中国粮食作物生产过程中的植保作业仍以手工、半机械化操作为主，植保作业投入的劳力多、劳动强度大，施药人员中毒事件时有发生。

农业航空植保作业具有效率高、农药利用率高的特点，可有效解决高秆作物、水田和丘陵山地人工和地面机械作业难等问题。其中，农用植保无人飞机具有机动灵活、无需专用的起降机场，特别适用于我国田块分散、田块小的地域特点和民居稠密的农业区域。因此，植保无人飞机已成为国内农用航空的一支新兴力量。

与地面植保机械相比，农用植保无人机喷洒的雾滴粒径较小、质量轻，不容易沉降在作物的叶片上，因此需要利用无人机旋翼产生的下洗气流来增加雾滴对作物冠层的穿透性，提高防治效果。但较小的雾滴又容易在旋翼流场湍流作用下产生雾滴飘移，降低了农药利用率，并对环境造成污染。因此，了解并掌握在复杂旋翼风场下的雾滴运动规律，对于提高农用无人机喷洒效率、降低雾滴飘移具有很大的指导作用。然而，农用无人机旋翼下的风场具有高速、高脉动的复杂湍流流动特性，尤其是多旋翼农用无人机相邻两旋翼的旋向相反，这也使得其旋翼风场更为复杂。因此，准确研究旋翼风场作用下雾滴的运动规律是一项具有挑战性的工作。

目前，国内外研究雾滴在旋翼风场作用下飘移和沉积规律的技术主要有田间实验测量和数值模拟。田间实验测量是利用旋翼无人机真实施药飞行过程中，在无人机飞行航道两侧布置水敏纸、聚酯薄膜卡片等收集沉积的雾滴，从而进行定量分析。数值模拟则是利用计算机，通过计算流体力学(Computational Fluid Dynamics,CFD)软件如Fluent、CFX等，对农用无人机的雾流场进行数值模拟。田间实验测量所需成本较高，受气候等条件影响，试验结果的重复性较差，而且无法直接观察到雾滴在旋翼流场作用下的真实运动轨迹。利用CFD方法可以直观看到计算机模拟出来的雾流场结果模拟，但CFD的准确性受几何模型、边界条件、湍流模型和单元体数量等各方面的影响，要想获取较为准确的模拟结果，必须通过试验进行验证。

综上所述，目前对于旋翼无人机雾流场的研究手段中，均存在难以直接观察到雾滴在旋翼风场作用下的运动轨迹的问题，而且现阶段田间试验测量的方式，无法从旋翼流场和雾滴本身的运动机理上认识雾滴的飘移和沉积规律，制约了现阶段农用无人机航空喷洒的有效性和农药的利用率。

发明内容

为了解决现有技术所存在的问题，本发明提供一种旋翼无人机雾流场的可视化装置，该装置利用示踪粒子烟雾和荧光溶液使旋翼无人机的雾流场可视化，具有可控性高、可重复性好、不受环境干扰的优点。

本发明还提供一种基于上述旋翼无人机雾流场的可视化装置的控制方法，该方法操作简单，能够精确控制旋翼无人机的飞行速度、飞行高度和环境参数，雾流场结果可靠性高。

本发明可视化装置采用如下技术方案：一种旋翼无人机雾流场的可视化装置，包括风洞试验段、无人机、可伸缩悬挂系统、激光发射器、短脉冲紫外线灯、摄像头、计算机和示踪粒子烟雾发生器，无人机通过可伸缩悬挂系统固定于风洞试验段的内部，无人机的药箱内装有荧光溶液；激光发射器放置于无人机旋翼的正上方，用于照亮并显示风洞试验段内部位于无人机旋翼下方的湍流场；短脉冲紫外线灯放置于风洞试验段外，位于无人机的斜下方；示踪粒子烟雾发生器置于风洞试验段的入风口；摄像头与计算机连接，用于获取表征无人机旋翼雾流场运动规律的示踪粒子图像信息，并将图像信息传输至计算机进行处理。

优选地，所述可伸缩悬挂系统为中空的柱形可伸缩杆，包括与无人机连接的机架伸缩杆、与风洞试验段连接的基座伸缩杆，以及位于机架伸缩杆与基座伸缩杆之间的中间伸缩杆，机架伸缩杆的半径小于中间伸缩杆的半径，中间伸缩杆的半径小于基座伸缩杆的半径；机架伸缩杆的一端用于固定无人机，另一端与中间伸缩杆的一端活动连接，并可沿中间伸缩杆的轴向在中间伸缩杆内部升降；中间伸缩杆的另一端与基座伸缩杆的一端活动连接，并可沿基座伸缩杆的轴向在基座伸缩杆内部升降。

所述机架伸缩杆通过活动顶针与中间伸缩杆的一端活动连接，中间伸缩杆的内部设有螺旋槽，活动顶针嵌套在螺旋槽相邻两个螺旋圈之间的间隙内。

所述中间伸缩杆通过活动顶针与基座伸缩杆的一端活动连接，基座伸缩杆的内部设有螺旋槽，活动顶针嵌套在螺旋槽相邻两个螺旋圈之间的间隙内。

所述活动顶针包括顶针、弹簧、顶针支座及顶针螺母；顶针支座带有外螺纹，设置在机架伸缩杆或中间伸缩杆的外圆周，用于放置顶针；顶针为阶梯圆柱体，圆柱底端设有用于放置弹簧的孔，顶针通过顶针螺母固定于顶针支座上。

本发明控制方法基于上述旋翼无人机雾流场的可视化装置，包括如下步骤：

步骤1：将无人机固定于风洞试验段内的可伸缩悬挂系统上；

步骤2：根据测量要求，控制无人机的对角旋翼旋转，令无人机自身旋转并带动可伸缩悬挂系统伸长或缩短，使无人机与风洞试验段底部的距离达到设定目标；控制无人机停留在设定目标位置；

步骤3：将荧光溶液添加到无人机的药箱中；

步骤4：根据无人机的位置，调整激光发射器、短脉冲紫外线灯的相对位置，使激光发射器位于无人机旋翼的正上方，短脉冲紫外线灯位于无人机的斜下方；

步骤5：启动位于风洞试验段入风口处的示踪粒子烟雾发生器，产生示踪粒子，并使示踪粒子所形成的烟雾均布于风洞试验段；

步骤6：启动风洞风机，控制无人机的飞行状态，并开启无人机喷嘴，喷出荧光溶液；控制激光发射器和短脉冲紫外线灯的脉冲频率和脉冲延迟时间，通过短脉冲紫外线灯激发无人机喷嘴喷出的荧光溶液，使激光发射器产生片光源以照亮并显示风洞试验段内部位于无人机旋翼下方的湍流场，湍流场由无人机喷嘴喷出的荧光溶液及示踪粒子所形成的烟雾混合而成；控制摄像头拍摄表示无人机旋翼雾流场运动规律的示踪粒子图像信息，利用计算机对所拍摄图像信息进行处理，得到清晰的雾流场图。

本发明与现有技术相比，具有如下优点：

1、利用示踪粒子烟雾和荧光溶液在风洞试验段使旋翼无人机的雾流场可视化，可精确控制外界风速和风向对无人机雾流场的影响，且不受外界环境干扰，雾流场试验结果的可靠性高。

2、在可视化试验过程中，旋翼无人机距离风洞试验段底部的距离(即距离地面的飞行高度)，可借助可伸缩悬挂系统及手持终端进行快速和精确调节，具有操作简单、方便快捷的优点。

3、本发明旋翼无人机雾流场可视化装置，可固定无人机的飞行姿态，避免飞手手动操作造成的影响，具有可控性高、重复性好的优点。

4、本发明的可视化试验，采用含荧光物质的试验液体模拟无人机实际作用时所喷洒的药物，并通过短脉冲紫外线灯来激发荧光溶液，使用均布于风洞试验段的示踪粒子烟雾，仅需通过手持终端便可完成大部分的操作，具有操作简单的优点。

附图说明

图1为本发明的总体结构示意图；

图2为可伸缩悬挂系统的结构示意图；

图3为中间伸缩杆的透视图；

图4为机架伸缩杆的结构示意图；

图5为基座伸缩杆的透视图；

其中：1、风洞试验段；2、短脉冲紫外线灯；3、计算机；4、同步控制器；5、摄像头；6、高功率脉冲激光发射器；7、旋翼无人机；8、可伸缩悬挂系统；9、示踪粒子烟雾发生器；10、手持终端；11、魔术贴；12、机架伸缩杆；13、中间伸缩杆；14、基座伸缩杆；15、紧固螺栓；16、螺旋槽；17、顶针支座；18、弹簧；19、顶针；20、顶针螺母；21、十字臂；22、凸台；23、固定基座。

具体实施方式

下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。

实施例

本实施例中，旋翼无人机雾流场的可视化装置利用示踪粒子烟雾和荧光溶液使旋翼无人机的雾流场可视化，具有可控性高、可重复性好、不受环境干扰的优点，其总体结构示意图如图1所示，包括旋翼无人机7、可伸缩悬挂系统8、高功率激光发射器6、短脉冲紫外线灯2、计算机3、同步控制器4、摄像头5、示踪粒子烟雾发生器9和手持终端10，旋翼无人机7通过可伸缩悬挂系统8固定于风洞试验段1的内部，风洞试验段1的前、后、上、下四个侧面是封闭的，仅在左、右两侧分别设置了出风口和入风口，如图1中的箭头所示。

其中，高功率激光发射器6放置于无人机7旋翼的正上方，用于产生高能量的脉冲激光光束，并产生尽可能薄的片光源，以照亮并显示风洞试验段内部位于无人机旋翼下方的湍流场。短脉冲紫外线灯2放置于风洞试验段1外，位于旋翼无人机7的斜下方，用于激发无人机喷嘴喷出的荧光溶液。示踪粒子烟雾发生器9置于风洞试验段1的入风口，用于产生微小的示踪粒子。摄像头5置于风洞试验段1的出风口，与计算机3连接，用于获取表征旋翼雾流场运动规律的示踪粒子图像信息，并将图像信息传输至计算机3进行处理。同步控制器4分别与高功率激光发射器6、短脉冲紫外线灯2连接，用于设置高功率激光发射器6和短脉冲紫外线灯2的脉冲频率和脉冲延迟时间。手持终端10与旋翼无人机7无线连接，用于控制旋翼无人机7的飞行状态及读取相关环境参数。

参见图2，本实施例中可伸缩悬挂系统8包括若干段中空的柱形可伸缩杆，其中与旋翼无人机7连接的可伸缩杆为机架伸缩杆12，与风洞试验段连接的可伸缩杆为基座伸缩杆14，机架伸缩杆12与基座伸缩杆14之间的可伸缩杆为中间伸缩杆13，机架伸缩杆12的半径小于中间伸缩杆13的半径，中间伸缩杆13的半径小于基座伸缩杆14的半径。机架伸缩杆12的一端用于固定旋翼无人机7，另一端与中间伸缩杆13的一端活动连接，并可沿中间伸缩杆13的轴向在中间伸缩杆13内部升降；中间伸缩杆13的另一端与基座伸缩杆14的一端活动连接，并可沿基座伸缩杆14的轴向在基座伸缩杆14内部升降。

参见图3、4，机架伸缩杆12通过活动顶针与中间伸缩杆13的一端活动连接，而中间伸缩杆13的内部设有螺旋槽16，作为活动顶针的运动路线，活动顶针嵌套在螺旋槽16相邻两个螺旋圈之间的间隙内。活动顶针包括顶针19、弹簧18、顶针支座17及顶针螺母20；顶针支座17带有外螺纹，设置在机架伸缩杆12的外圆周，用于放置顶针19；顶针19为阶梯圆柱体，大圆柱底端设有用于放置弹簧18的孔，顶针19通过顶针螺母20固定于顶针支座17上，组成活动顶针。往下压机架伸缩杆12上活动顶针的顶端，弹簧18被压缩，再将机架伸缩杆旋入中间伸缩杆内的螺旋槽，当活动顶针滑入螺旋槽时，弹簧恢复，此时机架伸缩杆和中间伸缩杆连接。机架伸缩杆12的另一端设有十字臂21，用于固定旋翼无人机7，十字臂21与旋翼无人机7的机臂通过魔术贴11固定，十字臂21的末端部设有凸台22，防止旋翼无人机7因振动而滑脱。

同理，参见图5，中间伸缩杆13通过活动顶针与基座伸缩杆14的一端活动连接，基座伸缩杆14的内部设有螺旋槽16，作为活动顶针的运动路线，活动顶针嵌套在螺旋槽16相邻两个螺旋圈之间的间隙内；中间伸缩杆13的活动顶针在结构上与前述机架伸缩杆12的活动顶针结构相同。往下压中间伸缩杆上活动顶针的顶端，弹簧被压缩，再将中间伸缩杆旋入基座伸缩杆内的螺旋槽，当活动顶针滑入螺旋槽时，弹簧恢复，此时中间伸缩杆和基座伸缩杆连接。参见图2，基座伸缩杆14的一端设有固定基座23，通过紧固螺栓15将基座伸缩杆14固定于风洞试验段1内。

本实施例中旋翼无人机雾流场可视化装置的控制方法，其步骤包括：

步骤1：将旋翼无人机7固定于可伸缩悬挂系统8上；

步骤2：根据测量要求，利用手持终端10控制旋翼无人机7的对角旋翼旋转，令旋翼无人机7自身旋转并带动可伸缩悬挂系统8伸长或缩短，使旋翼无人机7与风洞试验段1底部的距离达到设定目标；控制旋翼无人机7停留在设定目标位置；

步骤3：将含荧光物质的试验液体添加到旋翼无人机7的药箱中；

步骤4：根据旋翼无人机7的位置，调整高功率激光发射器、短脉冲紫外线灯的相对位置，使高功率激光发射器位于旋翼无人机旋翼的正上方，短脉冲紫外线灯位于旋翼无人机的斜下方；

步骤5：启动位于风洞试验段入风口处的示踪粒子烟雾发生器9，产生微小的示踪粒子，并使示踪粒子所形成的烟雾均布于风洞试验段1；

步骤6：启动风洞风机，通过手持终端10控制无人机7的飞行状态，并开启无人机喷嘴，喷出荧光溶液；通过同步控制器4控制高功率激光发射器6和短脉冲紫外线灯2的脉冲频率和脉冲延迟时间，通过短脉冲紫外线灯激发无人机喷嘴喷出的荧光溶液，使高功率激光发射器产生尽可能薄的片光源以照亮并显示风洞试验段内部位于无人机旋翼下方的湍流场，湍流场由无人机喷嘴喷出的荧光溶液及示踪粒子所形成的烟雾混合而成；通过手持终端10控制摄像头5拍摄表示旋翼雾流场运动规律的示踪粒子图像信息，利用计算机3对所拍摄图像信息进行处理，得到清晰的雾流场图。高功率激光发射器和短脉冲紫外线灯的脉冲频率和脉冲延迟时间与摄像头的拍摄频率和拍摄间隔一致，即每秒拍摄至少30张照片。

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 (8)

1.一种旋翼无人机雾流场的可视化装置，其特征在于，包括风洞试验段、无人机、可伸缩悬挂系统、激光发射器、短脉冲紫外线灯、摄像头、计算机和示踪粒子烟雾发生器，无人机通过可伸缩悬挂系统固定于风洞试验段的内部，无人机的药箱内装有荧光溶液；激光发射器放置于无人机旋翼的正上方，用于照亮并显示风洞试验段内部位于无人机旋翼下方的湍流场；短脉冲紫外线灯放置于风洞试验段外，位于无人机的斜下方；示踪粒子烟雾发生器置于风洞试验段的入风口；摄像头与计算机连接，用于获取表征无人机旋翼雾流场运动规律的示踪粒子图像信息，并将图像信息传输至计算机进行处理；

所述可伸缩悬挂系统为中空的柱形可伸缩杆，包括与无人机连接的机架伸缩杆、与风洞试验段连接的基座伸缩杆，以及位于机架伸缩杆与基座伸缩杆之间的中间伸缩杆，机架伸缩杆的半径小于中间伸缩杆的半径，中间伸缩杆的半径小于基座伸缩杆的半径；机架伸缩杆的一端用于固定无人机，另一端与中间伸缩杆的一端活动连接，并可沿中间伸缩杆的轴向在中间伸缩杆内部升降；中间伸缩杆的另一端与基座伸缩杆的一端活动连接，并可沿基座伸缩杆的轴向在基座伸缩杆内部升降；

所述机架伸缩杆通过活动顶针与中间伸缩杆的一端活动连接，中间伸缩杆的内部设有螺旋槽，活动顶针嵌套在螺旋槽相邻两个螺旋圈之间的间隙内。

2.根据权利要求1所述的旋翼无人机雾流场的可视化装置，其特征在于，所述旋翼无人机雾流场的可视化装置还包括分别与激光发射器、短脉冲紫外线灯连接的同步控制器，用于设置激光发射器和短脉冲紫外线灯的脉冲频率和脉冲延迟时间。

3.根据权利要求1所述的旋翼无人机雾流场的可视化装置，其特征在于，所述旋翼无人机雾流场的可视化装置还包括与无人机连接的手持终端。

4.根据权利要求1所述的旋翼无人机雾流场的可视化装置，其特征在于，所述风洞试验段的前、后、上、下四个侧面是封闭的，左、右两侧分别设置出风口和入风口。

5.根据权利要求1所述的旋翼无人机雾流场的可视化装置，其特征在于，所述中间伸缩杆通过活动顶针与基座伸缩杆的一端活动连接，基座伸缩杆的内部设有螺旋槽，活动顶针嵌套在螺旋槽相邻两个螺旋圈之间的间隙内。

6.根据权利要求1或5所述的旋翼无人机雾流场的可视化装置，其特征在于，所述活动顶针包括顶针、弹簧、顶针支座及顶针螺母；顶针支座带有外螺纹，设置在机架伸缩杆或中间伸缩杆的外圆周，用于放置顶针；顶针为阶梯圆柱体，圆柱底端设有用于放置弹簧的孔，顶针通过顶针螺母固定于顶针支座上。

7.根据权利要求1所述的旋翼无人机雾流场的可视化装置，其特征在于，所述机架伸缩杆的另一端设有用于固定无人机的十字臂，十字臂的末端部设有凸台。

8.基于权利要求1所述旋翼无人机雾流场的可视化装置的控制方法，其特征在于包括如下步骤：

步骤1：将无人机固定于风洞试验段内的可伸缩悬挂系统上；

步骤2：根据测量要求，控制无人机的对角旋翼旋转，令无人机自身旋转并带动可伸缩悬挂系统伸长或缩短，使无人机与风洞试验段底部的距离达到设定目标；控制无人机停留在设定目标位置；

步骤3：将荧光溶液添加到无人机的药箱中；

步骤4：根据无人机的位置，调整激光发射器、短脉冲紫外线灯的相对位置，使激光发射器位于无人机旋翼的正上方，短脉冲紫外线灯位于无人机的斜下方；

步骤5：启动位于风洞试验段入风口处的示踪粒子烟雾发生器，产生示踪粒子，并使示踪粒子所形成的烟雾均布于风洞试验段；

步骤6：启动风洞风机，控制无人机的飞行状态，并开启无人机喷嘴，喷出荧光溶液；控制激光发射器和短脉冲紫外线灯的脉冲频率和脉冲延迟时间，通过短脉冲紫外线灯激发无人机喷嘴喷出的荧光溶液，使激光发射器产生片光源以照亮并显示风洞试验段内部位于无人机旋翼下方的湍流场，湍流场由无人机喷嘴喷出的荧光溶液及示踪粒子所形成的烟雾混合而成；控制摄像头拍摄表示无人机旋翼雾流场运动规律的示踪粒子图像信息，利用计算机对所拍摄图像信息进行处理，得到清晰的雾流场图。