CN108981789A - 一种基于piv系统的无人机喷洒下洗流场测量装置及方法 - Google Patents

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CN108981789A CN201811124471.8A CN201811124471A CN108981789A CN 108981789 A CN108981789 A CN 108981789A CN 201811124471 A CN201811124471 A CN 201811124471A CN 108981789 A CN108981789 A CN 108981789A
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樊佳荣
孙笑
王永龙
姜昆
冯亚楠
徐文侠
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Abstract

本发明涉及一种基于PIV系统的无人机喷洒下洗流场测量装置，包括支撑架、两个导轨、两个支架、气缸、喷洒机构以及PIV系统，PIV系统包括控制器、CCD相机和激光发生器，CCD相机和激光发生器均滑动设置在支撑架上，两个导轨水平并排设置在支撑架上，两个支架分别可滑动的设置在两个导轨上，喷洒机构设置在其中一支架上，无人机位于两个支撑架的上方，且其两侧分别通过连接件与两个支架连接，气缸设置在其中一个导轨的一端，且其伸缩杆与对应的支架固定连接，气缸与控制器电连接，CCD相机采集无人机移动时喷洒机构喷洒的下洗流场图像；本发明还涉及测量方法。本发明的有益效果是模拟多角度无人机喷洒，实现对喷洒效果的评定。

Description

一种基于PIV系统的无人机喷洒下洗流场测量装置及方法
技术领域
本发明涉及农业植保无人机技术领域，具体涉及一种基于PIV系统的无人机喷洒下洗流场测量装置及方法。
背景技术
旋翼无人机航空植保在中国具有广阔发展应用前景，旋翼植保无人机大田作业的典型特征是旋翼气流的存在，旋翼气流本质上是旋翼无人机大田作业体系中制约机体飞行参数及决定地面作业效果的重要作业参数。旋翼轴距设计决定着无人机的气动特性，但也改变了下洗气流分布从而影响施药效果。
公告号为CN106428629A的中国专利公开了一种植保无人机喷洒室内测试平台，包括：基架，固定支架，具有滑动槽的滑动架，测距仪，液面收集装置，以及一种植保无人机喷洒室内检测方法，通过测距仪测量植保无人机的位置和方位角信息，通过液面收集装置，获得植保无人机喷洒雾滴分布数据，计算并修正液面收集装置引入的误差，进而获得喷洒雾滴分布概率。此专利通过最简单的空间结构实现对无人机喷洒的模拟，且提供了检测方法，但是检测的维度单一，且干扰了下洗流场。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种基于PIV系统的无人机喷洒下洗流场测量装置及方法，旨在解决上述技术问题。
本发明解决上述技术问题的技术方案如下：
一种基于PIV系统的无人机喷洒下洗流场测量装置，包括支撑架、两个导轨、两个支架、气缸、喷洒机构以及PIV系统，所述PIV系统包括控制器、CCD相机和激光发生器，所述CCD相机和所述激光发生器均滑动设置在所述支撑架上，并分别通过第一固定件和第二固定件进行固定，所述导轨水平设置，两个所述导轨并排设置在所述支撑架上，两个所述支架分别可滑动的设置在两个所述导轨上，所述喷洒机构设置在其中一所述支架上，无人机位于两个所述支架的上方，且其两侧分别通过连接件与两个所述支架连接，所述气缸设置在其中一个所述导轨的一端，且其伸缩杆与对应的所述支架固定连接，所述气缸与所述控制器电连接，所述气缸驱动所述支架、所述无人机以及所述喷洒机构沿着所述导轨移动，所述CCD相机采集所述无人机移动时所述喷洒机构喷洒的下洗流场图像。
本发明的有益效果是：通过气缸带动支架以及无人机和喷洒机构沿着导轨移动，模拟无人机飞行的状态，同时喷洒机构喷洒液体；激光发生器产生激光，照亮喷洒雾滴分布的情况，CCD相机采集无人机移动时喷洒机构喷洒的下洗流场图像，以便对不同飞行条件下的无人机的喷洒效果进行评定。
在上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进。
进一步，所述支架包括连接杆和两个支撑杆，所述连接杆位于所述导轨的上方且平行于所述导轨设置，所述支撑杆均竖直设置，所述支撑杆的上端与所述连接杆的下端固定连接，且其下端与所述导轨滑动连接；所述连接件包括支撑短杆、支撑长杆、固定板以及两个螺栓，无人机固定在所述固定板上，所述支撑短杆的上端与所述固定板的一端铰接，其下端与所述连接杆固定连接，所述支撑长杆上沿轴向开设有多个第一定位孔，所述连接杆上沿轴向开设有多个第一通孔，所述固定板的中部均匀间隔开设有多个第二通孔，移动所述支撑长杆时，其上两个所述第一定位孔可移动至分别与任意所述第一通孔和所述第二通孔连通，两个所述螺栓分别插入两个所述第一定位孔以及分别与其连通的所述第一通孔和所述第二通孔，以将所述支撑长杆分别与所述固定板以及所述连接杆固定住。
采用上述进一步方案的有益效果是通过支撑长杆第一定位孔与不同的第一通孔和第二通孔进行组合，以调节无人机倾斜度，从而模拟不同倾斜度的无人机的喷洒雾滴分布情况，操作简便。
进一步，所述可伸缩支架采用菱形可变支架，拉伸所述菱形可变支架并通过固定件进行固定，以调节两个所述螺旋桨之间的轴距。
采用上述进一步方案的有益效果是结构简单，操作简便。
进一步，所述喷洒机构包括通过管道依次连通的储液罐、水泵、流量调节阀、压力传感器、流量传感器以及喷头，所述储液罐、所述水泵、所述流量调节阀、所述压力传感器、所述流量传感器和所述喷头均固定在所述连接杆的下侧，所述喷头竖直设置且其喷口朝下，无人机上设有风速传感器，所述水泵、所述流量调节阀、所述压力传感器、所述流量传感器以及所述风速传感器分别与所述控制器电连接。
采用上述进一步方案的有益效果是通过风速传感器检测无人机飞行时的风速，并将对应的风速信号传送给控制器；水泵将储液罐内的液体通过喷头喷洒出来，通过流量传感器实时监测管道上的流量，并将对应的流量信号传送给控制器；控制器根据风速传感器和流量传感器提供的信号，以控制流量调节阀调节液体的流量，从而控制无人机喷洒的速度。
进一步，所述支撑架包括两个相对设置的H形架，所述H形架均包括两根支撑柱和连接柱，所述支撑柱均竖直设置，且其上端与对应的所述导轨的下端固定连接，两个所述支撑柱之间通过所述连接柱连接。
采用上述进一步方案的有益效果是结构简单，稳定性好。
进一步，所述第一固定件包括第一插销和第一套环，所述第一套环滑动套设所述连接柱上，所述第一套环上沿周向设有两个第二定位孔，且其相对设置，所述连接柱上沿轴向间隔开设有多个第三通孔，所述CCD相机固定在所述第一套环上，所述第一套环滑动时，两个所述第二定位孔滑动至分别与所述第三通孔的两端连通，所述第一插销插入两个所述第二定位孔以及所述第三通孔，以将所述第一套环固定在所述连接柱上。
采用上述进一步方案的有益效果是通过第二定位孔与多个第三通孔之间的不同组合，实现CCD相机位置的调节，模拟不同位置的下洗流场的雾滴分布图像的采集，操作简便。
进一步，所述第二固定件包括第二插销和第二套环，所述第二套环滑动套设在其中一所述支撑柱上，所述第二套环上沿周向设有两个第三定位孔，且其相对设置，所述支撑柱上沿轴向间隔开设有多个第四通孔，所述激光发射器固定在所述第二套环上，所述第二套环移动时，两个所述第三定位孔滑动至分别与所述第四通孔的两端连通，所述第二插销插入两个所述第三定位孔以及所述第四通孔，以将所述第二套环固定在所述支撑柱上。
采用上述进一步方案的有益效果是通过第三定位孔与多个不同第四通孔之间的不同组合，实现激光发射器位置的调节，从而更好的与CCD相机配合，操作简便。
一种采用所述无人机喷洒下洗流场测量装置测量下洗流场的方法，包括以下步骤：
S1：根据模拟的无人机的型号，调整旋翼轴的轴间距，对无人机旋翼数量、轴距进行设定，以及选用相符的无人机旋翼；
S2：根据模拟的无人机的喷洒状态，调整流量调节阀，设定喷洒速度，控制器控制气缸伸缩的速度，以控制无人机前行的速度；
S3：改变所述CCD相机和所述激光发生器的位置，对下洗流场进行拍摄，获取特定高度水平面或竖直面的下洗流场数据，对无人机下洗流场进行测评。
采用上述进一步方案的有益效果是多维度的模拟无人机喷洒的情形，对不同情形下无人机的喷洒效果进行评定，从而找出无人机在不同情形下的最佳喷洒状态。
附图说明
图1为本发明的结构示意图之一；
图2为本发明的结构示意图之二；
图3为本发明中菱形可变支架的结构示意图；
图4为本发明中的电路框图。
附图中，各标号所代表的部件列表如下：
1、导轨，2、CCD相机，3、激光发生器，4、机身，5、旋翼轴，6、电机，7、螺旋桨，8、连接杆，9、支撑杆，10、支撑短杆，11、支撑长杆，12、第一定位孔，13、第一通孔，14、第二通孔，15、风速传感器，16、储液罐，17、水泵，18、流量调节阀，19、压力传感器，20、流量传感器，21、喷头，22、支撑柱，23、连接柱，24、第一套环，25、第二定位孔，26、第三通孔，27、第二套环，28、第三定位孔，29、第四通孔，30、菱形可变支架。
具体实施方式
以下结合附图及具体实施例对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。
如图1至图4所示，本发明提供一种基于PIV系统的无人机喷洒下洗流场测量装置，包括支撑架、两个导轨1、两个支架、气缸、喷洒机构以及PIV系统，PIV系统包括控制器、CCD相机2和激光发生器3，CCD相机2和激光发生器3均滑动设置在支撑架上，导轨1水平设置，两个导轨1并排设置在支撑架上，两个支架分别设置在两个导轨1上，喷洒机构设置在其中一支架上，无人机位于两个支架的上方，且其两侧分别通过连接件与两个支架连接，气缸设置在其中一个导轨1的一端，且其伸缩杆的伸缩端与对应的支架固定连接，气缸与控制器电连接，气缸驱动支架、无人机以及喷洒机构沿着导轨1移动，CCD相机2采集无人机移动时喷洒机构喷洒的下洗流场图像。工作时，通过气缸带动支架以及无人机和喷洒机构沿着导轨1移动，模拟无人机飞行的状态，同时喷洒机构喷洒液体；激光发生器3产生激光，照亮喷洒液体下落的路径，CCD相机2采集无人机移动时喷洒机构喷洒的下洗流场图像，以便对不同飞行条件下的无人机的喷洒效果进行评定。
本发明中，无人机包括机身4、多个旋翼轴5、多个电机6、多个螺旋桨7以及多个可伸缩支架，机身4为圆柱形，多个螺旋桨7沿周向均匀分布在机身4的外周，且两两相对设置，每个螺旋桨7与电机6的输出轴传动连接，通常采用焊接或螺栓连接的方式，拆装方便；电机6固定在旋翼轴5的一端，相对的两个旋翼轴5之间通过可伸缩支架连接，可伸缩支架的两端分别与对应的两个旋翼轴5的对应端焊接在一起，可伸缩支架固定在机身4上。可伸缩支架优先采用菱形可变支架30，菱形可变支架30分别与两个旋翼轴5的对应端焊接在一起，拉伸菱形可变支架30并通过固定件进行固定，此处固定件采用螺栓，菱形可变支架30和机身4上均设有螺孔，以调节两个螺旋桨7之间的轴距，从而模拟不同旋翼轴5间距的无人机的飞行状态。
需要说明的是，旋翼轴5的数量根据实际需求进行设计，旋翼轴5的数量至少为四个，安装时，相对设置的两个旋翼轴5之间通过菱形可变支架30连接，多个菱形可变支架30层叠固定在机身4上。
本发明中，支架包括连接杆8和两个支撑杆9，连接杆8位于导轨1的上方且平行于导轨1设置，支撑杆9均竖直设置，支撑杆9的上端与连接杆8的下端固定连接(焊接)，且其下端与导轨1滑动连接，具体连接方式为：导轨1的截面呈C形，每个支撑杆9的下端设有限位板，限位板卡在导轨1内，避免支撑杆9脱离导轨1；另外，为减少设备磨损，可在限位板的下端布设多个滚珠，滚珠将限位板与导轨1之间的滑动摩擦转变为滚动摩擦，减少设备磨损，延长其使用寿命。连接件包括支撑短杆10、支撑长杆11、固定板以及两个螺栓，无人机固定在固定板上，固定板通常采用焊接或螺栓连接的方式固定在无人机的机身4上，支撑短杆10的上端与机身4的下端铰接，其下端与连接杆8固定连接(焊接)，支撑长杆11上沿轴向开设有多个第一定位孔12，连接杆8上沿轴向开设有多个第一通孔13，固定板的中部均匀间隔设有多个第二通孔14，移动支撑长杆11时，其上两个第一定位孔12可移动至分别与任意第一通孔13和第二通孔14连通，两个螺栓分别插入两个第一定位孔12以及分别与其连通的第一通孔13和第二通孔14，以将支撑长杆11分别与固定板以及连接杆8固定住，调节无人机的倾斜度，从而模拟不同倾斜度的无人机的喷洒雾滴分布情况，调节方便快捷。
本发明中，旋翼轴5上设有风速传感器15，通过风速传感器15检测无人机飞行时的风速，并将对应的风速信号传送给控制器，控制器接收对应的风速信号并分析处理。
本发明中，喷洒机构包括通过管道依次连通的储液罐16、水泵17、流量调节阀18、压力传感器19、流量传感器20以及喷头21，储液罐16、水泵17、流量调节阀18、压力传感器19、流量传感器20以及喷头21均固定在连接杆8的下侧，通常采用焊接的方式进行固定，拆装方便；喷头21竖直设置且其喷口朝下，水泵17、流量调节阀18、压力传感器19、流量传感器20以及风速传感器15分别与控制器电连接。工作时，开启水泵17，水泵17将储液罐16内的液体送至喷头21进行喷洒，流量传感器20实时监测管道内液体的流量，并将对应的流量信号传送给控制器，控制器根据风速以及流量信号控制流量调节阀18调节液体的流量，从而调节喷头21喷洒液体的速度。
本发明中，支撑架包括两个相对设置的H形架，H形架均包括两根支撑柱22和连接柱23，支撑柱22均竖直设置，且其上端与对应的导轨1的下端固定连接(焊接)，两个支撑柱22之间通过连接柱23连接，连接柱23的两端分别与两个支撑柱22焊接在一起。
本发明中，第一固定件包括第一插销和第一套环24，第一套环24滑动套设连接柱23上，第一套环24上沿周向设有两个第二定位孔25，且其相对设置，连接柱23上沿轴向间隔开设有多个第三通孔26，CCD相机2固定在第一套环24上，通常采用焊接或螺栓连接的方式，拆装方便；第一套环24滑动时，两个第二定位孔25滑动至分别与第三通孔26的两端连通，第一插销插入两个第二定位孔25以及第三通孔26，以将第一套环24固定在连接柱23上，从而改变CCD相机2的位置，以拍摄不同位置的下洗流场喷洒雾滴分布情况情况。
本发明中，第二固定件包括第二插销和第二套环27，第二套环27滑动套设在其中一支撑柱22上，第二套环27上沿周向设有两个第三定位孔28，且其相对设置，支撑柱22上沿轴向间隔开设有多个第四通孔29，激光发射器3固定在第二套环27上，第二套环27移动时，两个第三定位孔28滑动至分别与第四通孔29的两端连通，第二插销插入两个第三定位孔28以及第四通孔29，以将第二套环27固定在支撑柱22上，从而调节激光发射器3的位置，以便于CCD相机2配合。
需要说明的是，CCD相机2与激光发射器3的位置可互换，以获取特定高度的水平面或竖直面的的下洗流场数据，对无人机下洗流场进行测评。
一种采用所述无人机喷洒下洗流场测量装置测量下洗流场的方法，包括以下步骤：
S1：根据模拟的无人机的型号，调整旋翼轴5的轴间距，对无人机旋翼数量、轴距进行设定，以及选用相符的无人机旋翼；
S2：根据模拟的无人机的喷洒状态，调整流量调节阀18，设定喷洒速度，控制器控制气缸伸缩的速度，以控制无人机前行的速度；
S3：改变CCD相机2和激光发生器3的位置，对下洗流场进行拍摄，获取特定高度水平面或竖直面的下洗流场数据，对无人机下洗流场进行测评。
在下洗气流聚合过程中，旋翼间隙气流受下洗气流诱导存在一定速度。根据伯努利原理，仅当该处气体向下流动时，下洗气流内侧气压低于外侧气压，从而下洗气流间发生聚合效应。相对设置的两个旋翼轴5之间中垂线上的点到两侧下洗气流垂直距离均相等，可认为该点处受两侧下洗气流影响程度相同。定义该点为点O，过O点的等高线上存在最大速度Vmax，点O速度为VO，则点O受下洗气流诱导而产生的速度增率η为式(1)：
定义下洗气流聚合度μ表达式如(2)：
式中Vmax——点O等高水平线上的峰值速度，m/s，矢量；VO——点O的速度，m/s，矢量；h——相邻旋翼间的轴距，m。
在垂直面中，用下洗气流聚合度μ对下洗流场进行评测。
本发明通过对CCD相机2与激光发生器3安装位置的设定，不仅能在不接触下洗流场情况下进行检测，而且能检测竖直平面这一维度的下洗流场状态。减少了实验误差、提升了检测结果的维度，提供了更多的参考价值。
需要说明的是，本发明所涉及到的电机(型号N20)、气缸(型号GHQ-40)、CCD相机(型号JT-2100B)、激光发生器(型号LQD-31N0)、压力传感器(型号LST)、流量传感器(型号EFS-01P)、水泵(型号MP-40R)、流量调节阀(型号ZCT)以及控制器(型号TC-SCR)均采用现有技术，并且上述各个部件与控制器电连接，控制器与各个部件之间的控制电路为现有技术。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种基于PIV系统的无人机喷洒下洗流场测量装置，其特征在于：包括支撑架、两个导轨(1)、两个支架、气缸、喷洒机构以及PIV系统，所述PIV系统包括控制器、CCD相机(2)和激光发生器(3)，所述CCD相机(2)和所述激光发生器(3)均滑动设置在所述支撑架上，并分别通过第一固定件和第二固定件进行固定，所述导轨(1)水平设置，两个所述导轨(1)并排设置在所述支撑架上，两个所述支架分别可滑动的设置在两个所述导轨(1)上，所述喷洒机构设置在其中一所述支架上，无人机位于两个所述支架的上方，且其两侧分别通过连接件与两个所述支架连接，所述气缸设置在其中一个所述导轨(1)的一端，且其伸缩杆与对应的所述支架固定连接，所述气缸与所述控制器电连接，所述气缸驱动所述支架、所述无人机以及所述喷洒机构沿着所述导轨(1)移动，所述CCD相机(2)采集所述无人机移动时所述喷洒机构喷洒的下洗流场图像。
2.根据权利要求1所述的一种基于PIV系统的无人机喷洒下洗流场测量装置，其特征在于：所述支架包括连接杆(8)和两个支撑杆(9)，所述连接杆(8)位于所述导轨(1)的上方且平行于所述导轨(1)设置，所述支撑杆(9)均竖直设置，所述支撑杆(9)的上端与所述连接杆(8)的下端固定连接，且其下端与所述导轨(1)滑动连接；所述连接件包括支撑短杆(10)、支撑长杆(11)、固定板以及两个螺栓，无人机固定在所述固定板上，所述支撑短杆(10)的上端与所述固定板的一端铰接，其下端与所述连接杆(8)固定连接，所述支撑长杆(11)上沿轴向开设有多个第一定位孔(12)，所述连接杆(8)上沿轴向开设有多个第一通孔(13)，所述固定板的中部均匀间隔开设有多个第二通孔(14)，移动所述支撑长杆(11)时，其上两个所述第一定位孔(12)可移动至分别与任意所述第一通孔(13)和所述第二通孔(14)连通，两个所述螺栓分别插入两个所述第一定位孔(12)以及分别与其连通的所述第一通孔(13)和所述第二通孔(14)，以将所述支撑长杆(11)分别与所述固定板以及所述连接杆(8)固定住。
3.根据权利要求1所述的一种基于PIV系统的无人机喷洒下洗流场测量装置，其特征在于：所述喷洒机构包括通过管道依次连通的储液罐(16)、水泵(17)、流量调节阀(18)、压力传感器(19)、流量传感器(20)以及喷头(21)，所述储液罐(16)、所述水泵(17)、所述流量调节阀(18)、所述压力传感器(19)、所述流量传感器(20)和所述喷头(21)均固定在所述连接杆(8)的下侧，所述喷头(21)竖直设置且其喷口朝下，无人机上设有风速传感器(15)，所述水泵(17)、所述流量调节阀(18)、所述压力传感器(19)、所述流量传感器(20)以及所述风速传感器(15)分别与所述控制器电连接。
4.根据权利要求1所述的一种基于PIV系统的无人机喷洒下洗流场测量装置，其特征在于：所述支撑架包括两个相对设置的H形架，所述H形架均包括两根支撑柱(22)和连接柱(23)，所述支撑柱(22)均竖直设置，且其上端与对应的所述导轨(1)的下端固定连接，两个所述支撑柱(22)之间通过所述连接柱(23)连接。
5.根据权利要求4所述的一种基于PIV系统的无人机喷洒下洗流场测量装置，其特征在于：所述第一固定件包括第一插销和第一套环(24)，所述第一套环(24)滑动套设所述连接柱(23)上，所述第一套环(24)上沿周向设有两个第二定位孔(25)，且其相对设置，所述连接柱(23)上沿轴向间隔开设有多个第三通孔(26)，所述CCD相机(2)固定在所述第一套环(24)上，所述第一套环(24)滑动时，两个所述第二定位孔(25)滑动至分别与所述第三通孔(26)的两端连通，所述第一插销插入两个所述第二定位孔(25)以及所述第三通孔(26)，以将所述第一套环(24)固定在所述连接柱(23)上。
6.根据权利要求4所述的一种基于PIV系统的无人机喷洒下洗流场测量装置，其特征在于：所述第二固定件包括第二插销和第二套环(27)，所述第二套环(27)滑动套设在其中一所述支撑柱(22)上，所述第二套环(27)上沿周向设有两个第三定位孔(28)，且其相对设置，所述支撑柱(22)上沿轴向间隔开设有多个第四通孔(29)，所述激光发射器(3)固定在所述第二套环(27)上，所述第二套环(27)移动时，两个所述第三定位孔(28)滑动至分别与所述第四通孔(29)的两端连通，所述第二插销插入两个所述第三定位孔(28)以及所述第四通孔(29)，以将所述第二套环(27)固定在所述支撑柱(22)上。
7.一种采用所述无人机喷洒下洗流场测量装置测量下洗流场的方法，包括以下步骤：
S1：根据模拟的无人机的型号，调整旋翼轴(5)的轴间距，对无人机旋翼数量、轴距进行设定，以及选用相符的无人机旋翼；
S2：根据模拟的无人机的喷洒状态，调整流量调节阀(18)，设定喷洒速度，控制器控制气缸伸缩的速度，以控制无人机前行的速度；
S3：改变所述CCD相机(2)和所述激光发生器(3)的位置，对下洗流场进行拍摄，获取特定高度水平面或竖直面的下洗流场数据，对无人机下洗流场进行测评。
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