CN109969398A - 一种均流方法、均流装置、喷洒系统以及植保无人机 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种均流方法、均流装置、喷洒系统以及植保无人机，均流装置包括流量控制器和均流器；均流器包括一进液管、与其连通的若干个具有相同横截面积的出液管；流量控制器的输出口与均流器的进液管连接；所述方法包括：获取均流器的若干出液管的横截面积；获取与各个出液管连接的连接管之间的误差高度；获取流量控制器控制进入所述进液管的初始流量；根据横截面积、误差高度和所述初始流量，以控制均流装置的均流误差，使均流误差小于或等于预设阈值从而实现均流，其中，误差高度为所述连接管的最大高度差。

Description

一种均流方法、均流装置、喷洒系统以及植保无人机
技术领域
本发明属于植保无人机领域，具体涉及一种均流方法、采用该均流方法的均流装置、采用该均流方法及均流装置的喷洒系统，以及应用该喷洒系统的植保无人机。
背景技术
植保无人机，是一种用于农林植物保护作业的无人驾驶飞机，该无人飞机由飞行平台(固定翼、直升机、多轴飞行器)、导航飞控、喷洒机构三部分组成，通过地面遥控或导航飞控，来实现喷洒作业，可以喷洒药剂、种子、粉剂等。一般的，为了实现大面积的喷洒，需要两个以上的喷头对农作物进行喷洒，但是，无人机在飞行过程中进行喷洒，不可避免得会遇到改变飞行轨迹或障碍物等情况，此时无人机飞行姿态会有所改变，无法保证多个喷头在同一水平面或者保持一定的水平位置关系，由于重力作用导致喷头之间的流量不同，喷洒在不同区域的药液量也不同，影响了喷洒效果，无法实现精准喷洒的目的。
目前，植保无人机行业现有的方案通常有以下两种：
1)由单泵+三通+2喷头实现，利用单泵加一个三通实现对两个喷头的分流，然而利用市面上的快拆三通，很难实现两个喷头的均流，在平放时，均流效果会好一点，但是三通的位置是无法保证绝对水平的，一方面，当工人安装三通结构的时候，放置位置没有绝对水平，无法保证从三通分出去的流量是均匀的；另一方面，当无人机在飞行作业时，姿态的改变也会影响三通的位置，无法保证均流。比如当三通的位置角度改变时，例如45°，由于重力作用，处于相对下面的通道中的水流量会远远多于上面的水流量，此时无法实现均流，大大影响了喷洒效果，使喷头两边农作物的喷洒药量不一致，不利于农作物的生长。甚至当角度只有5°左右的时候也很难保证两边均流；
2)双泵各1喷头，利用单泵独立控制喷头的流量，每个喷头都具有独立的泵，这样会容易控制均流，但是一方面，两个泵出厂时一致性很难达到5％以内的误差，也没有办法达到很好的均流效果，并且，随着农药的使用，两个泵的一致性更会受到影响，喷洒的一致性更容易受到影响，更有甚者，行业上使用几个泵，取决于总流量的需求，为了单单均流问题增加了一个泵，提高了成本。
综上，现有的均流装置，在无人机安装时或者改变姿态时，很容易使得两个喷头的流量差异性较大，无法实现均流，使得喷洒不均，引起药害。
鉴于此，提出一种流方法、均流装置、喷洒系统以及植保无人机是本发明所要研究的课题。
发明内容
本发明提供一种均流方法、均流装置、喷洒系统以及植保无人机，其目的是为了解决现有技术无法实现均流，使得喷洒不均，容易引起药害的问题。
为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：一种均流方法，应用于均流装置，所述均流装置包括流量控制器和均流器；所述均流器包括一进液管、与其连通的若干个具有相同横截面积的出液管；所述流量控制器的输出口与所述均流器的进液管连接；所述方法包括：
获取所述均流器的若干出液管的横截面积；
获取与各个出液管连接的连接管之间的误差高度；
获取所述流量控制器控制进入所述进液管的初始流量；
根据所述横截面积、所述误差高度和所述初始流量，以控制所述均流装置的均流误差，使所述均流误差小于或等于预设阈值从而实现均流，其中，所述误差高度为出液管连接的连接管的最大高度差。
上述技术方案中的有关内容解释如下：
1、上述方案中，根据流量控制器的预设常数，以控制所述均流装置的均流误差。
2、上述方案中，当流量控制器不变、液体密度不变的情况下，所述预设常数根据误差高度确定。
3、上述方案中，根据所述横截面积、所述误差高度和所述初始流量，以控制所述均流装置的均流误差，包括：调整所述初始流量，使其大于或等于预设的初始流量阈值；调整所述均流器出液管的横截面积，使其小于或等于预设的横截面积阈值；和/或，调整所述连接管的误差高度，使其小于或等于预设的误差高度阈值。
4、上述方案中，调整所述初始流量，包括通过所述流量控制器控制所述初始流量。
5、上述方案中，调整所述均流器出液管的横截面积，包括根据所述横截面积确定所述均流器，或者根据所述横截面积调整所述出液管的出液口径，当调整所述出液管的出液口径时，通过在所述均流器的每个出液管上设置电控阀门，所述电控阀门的开度在0～100％之间可调。
6、上述方案中，所述初始流量、横截面积、误差高度以及均流误差的函数关系为：
其中，K为均流误差，A0为出液管横截面积，Qi为初始流量，g为重力加速度，h为误差高度，k为预设常数。
7、上述方案中，所述预设阈值小于或等于15％。
为达到上述目的，本发明采用的另一种技术方案是：一种均流装置，采用所述的均流方法进行均流。
为达到上述目的，本发明采用的另一种技术方案是：一种喷洒系统，采用所述的均流方法，包括水箱、均流装置以及喷洒装置，所述均流装置包括至少一流量控制器和至少一均流器，其中，所述水箱的输出口通过连接管连接所述流量控制器的输入口，所述均流器的出液管通过连接管连接所述喷洒装置。
为达到上述目的，本发明采用的另一种技术方案是：一种植保无人机，包括飞控系统，采用所述的喷洒系统，所述植保无人机在飞控系统控制下飞行并控制所述喷洒系统进行喷洒。
由于上述技术方案运用，本发明与现有技术相比的优点如下：
1、利用本方案的均流方法，可以根据已知的条件来确定均流误差，无需在使用过程中进行繁琐的测量，方法简便，效果直观。
2、可以根据初始流量大小精确控制流量控制器的流量、根据均流器的参数来选择合适的均流器，快速获得需要的均流效果，工作效率得到显著提高。
3、不管均流装置处于何种状态，都可以保证其均流效果，可以应用于不同情况下的喷洒装置。
附图说明
附图1为本实施例中喷洒系统的结构示意图；
附图2为本实施例中竖直状态均流器一；
附图3为本实施例中竖直状态均流器二。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明作进一步描述：
本发明公开一种均流方法，应用于均流装置，所述均流装置包括流量控制器和均流器；所述均流器包括一进液管、与其连通的若干个具有相同横截面积的出液管；所述流量控制器的输出口与所述均流器的进液管连接；所述方法包括：
获取所述均流器的若干出液管的横截面积；
获取与各个出液管连接的连接管之间的误差高度；
获取所述流量控制器控制进入所述进液管的初始流量；
根据所述横截面积、所述误差高度和所述初始流量，以控制所述均流装置的均流误差，使所述均流误差小于或等于预设阈值从而实现均流，其中，所述误差高度为出液管连接的连接管的最大高度差。通过获得横截面积、所述误差高度和所述初始流量，可以简单方便、直观地确定均流误差的大小，不管均流器的姿态发生何种变化，都可以保证均流效果。
示例性得，所述方法还包括：根据流量控制器的预设常数，以控制所述均流装置的均流误差。当流量控制器不变、液体密度不变的情况下，所述预设常数根据误差高度来确定。将流量控制器的预设常数计入均流误差的计算中，提高了计算均流误差的准确度，减少了计算时间，提高效率。
示例性得，根据所述横截面积、所述误差高度和所述初始流量，以控制所述均流装置的均流误差，包括：调整所述初始流量，使其大于或等于预设的初始流量阈值；调整所述均流器出液管的横截面积，使其小于或等于预设的横截面积阈值；和/或，调整所述连接管的误差高度，使其小于或等于预设的误差高度阈值。根据上述方法调整均流误差，使其保持在预设阈值的范围之内，操作简单，便于实现，提高工作效率的同时，提高了均流效果。
示例性得，调整所述初始流量，包括通过所述流量控制器控制所述初始流量。通过流量控制器调整初始流量，容易实现，操作简单。
示例性得，调整所述均流器出液管的横截面积，包括根据所述横截面积确定所述均流器，或者根据所述横截面积调整所述出液管的出液口径，当调整所述出液管的出液口径时，通过在所述均流器的每个出液管上设置电控阀门，所述电控阀门的开度在0～100％之间可调。通过上述方法调整横截面积，容易实现，操作简单。
参见附图1，均流方法应用在均流装置中，所述均流装置包括流量控制器和均流器，所述均流器包括一进液管、与其连通的若干个具有相同横截面积的出液管；所述流量控制器的输出口与所述均流器的进液管连接。通过该均流方法，可以方便、快捷地提高均流装置的均流效果。
均流装置应用在喷洒系统中，即喷洒系统包括水箱和喷洒装置，所述水箱和喷洒装置之间设有本实施例中的均流装置，具体的，所述水箱的输出口通过连接管连接所述流量控制器的输入口，所述均流器的出液管通过连接管连接所述喷洒装置，本实施例中，采用两个流量控制器，水箱的输出口分出两路，通过两个连接管分别连接一个流量控制器的输入口，两个流量控制器的输出口汇合成一路，与均流器的进液管连接，提高了喷洒系统的整体流量，可以根据需要控制流量控制器的开启或停止的工作状态，当只有一个流量控制器工作时，流量控制范围较小，当两个流量控制器同时工作时，流量控制的范围增大，以达到增大流量控制范围的目的，事实上，还可以采用一个流量控制器，本申请不限定流量控制器的数量。本实施例中，均流器包括一进液管和两个具有相同横截面积的出液管，均流器的出液管一一对应地连接喷洒装置，在其他实施例中，出液管还可以通过分流装置连接若干个喷洒装置，本申请不限定均流器出液管连接的喷洒装置的数量。所述喷洒装置采用离心喷头或压力喷头。采用该均流装置的喷洒系统，各个喷洒装置之间的喷洒量保持均衡，避免喷洒不均的情况。
所述喷洒系统应用在植保无人机中，所述植保无人机包括飞控系统和所述喷洒系统，所述植保无人机在飞控系统控制下飞行并控制所述喷洒系统进行喷洒。采用该喷洒系统的植保无人机，喷洒装置设置于植保无人机的两侧，在飞行作业时，可以根据飞行速度、飞行高度等条件来精确控制喷洒量，并同时保证无人机飞行路径上两侧的喷洒量保持一致，实现了精确喷洒的目的。
附图1中，所述均流器以三通为例，但是在实际应用中，不限制均流器的出液管的数量，可以是四通、五通等等，只要保证这些出液管的横截面积(出液管的内径)相同即可。
本实施例均流器的两个出液管流出液体一端通过连接管与喷洒装置连接，所述流量控制器与水箱连接，将液体从水箱中输送至均流器中，在均流器的作用下通过出液管输送到其对应的喷洒装置，实现多个喷洒装置均匀地喷洒。无论喷洒系统如何改变姿态，均流器的姿态发生何种变化，都把均流误差控制在预设阈值的范围之内，使得不同喷洒装置的流量一致性大大提高，从而实现较好的均匀喷洒，通过简单的控制初始流量、控制流器器出液管的直径的方法，就可以通过一个均流器实现均流，均流效果显著提升，同时方法结构简单，降低成本。
采用上述均流器，通过控制初始流量(流量控制器控制的均流器进液管的初始流量)、误差高度(若干出液管与其连接的连接管之间的最大高度差，即最大势能高度差)、以及出液管横截面面积的大小(在安装喷洒装置的出液管时，在有多种管径的出液管选择的情况下，选择较小管径的出液管)，可以得到均流误差在预设阈值范围之内的均流效果。
本实施例中，预设阈值可以15％，10％，9％，7％，5％，或3％等等，从而可以使得均流误差≤15％。根据本申请中以上参数的合理设置，所述的均流误差可以降低至≤ 15％、≤10％，≤5％，≤4％，≤3％，甚至≤2％。
以均流器的出液管是两个为例，出液管的均流误差K＝(平均流量-实际流量)/平均流量，其公式如下：
其中，Ao1和Ao2分别是两个出液管的横截面面积，Ao1＝Ao2＝Ao，Vo1和Vo2为两个出液管流出的液体的流速，本领域技术人员可以根据实际需求进行设置，选择均流误差的大小，可选的，K＝2％，3％，4％，5％，6％，或10％等等。
从式1可以得到：
不可压缩流体流量守恒定律：AiVi＝Ao1Vo1+Ao2Vo2＝Ao(Vo1+Vo2)式2；
其中，Ai为进液管的横截面面积，Vi为进液管的液体流速。
能量守恒公式：
功耗：
其中，W为流量控制器的输出功率，W来自于流量控制器的电机和负载的功耗，当与均流器连接的连接管的姿态发生变化时，其负载会改变从而造成W的改变，或者更换不同的流量控制器时，电机自身的功耗随之改变则W也会随之改变。故流量控制器的输出功率无法直接计算。F为做功，A为横截面积，d为距离，P为压强，v是流速，Q是流量，V是体积，m液体质量，ρ液体密度。
h为误差高度(参考图2和图3)，即两个出液管与其连接的连接管之间的最大势能高度差，当三通处于竖直方向时，误差高度最大。误差高度h的范围在0～70cm之间，主要取决于安装过程中均流器的安装角度，以及其连接的连接管到喷洒装置的连接方式。当从均流器流出的液体经过与其连通的连接管连接到相同势能高度的两个喷头，误差高度h的范围一般小于10cm。当姿态发生变化时，连接管之间的高度差将会发生较大变化，此时误差高度h可能会大于10cm，甚至更大。或者，当植保无人机的型号、大小发生变化时，误差高度也随之发生变化，本领域技术人员可以根据应用环境进行设定。
通过式1、式2、式3以及式4得到：
其中，P是变量，是随着与两个出液管连接的连接管的高度差的变化而变化，无法精确获得，ρ为液体单位质量；k为将k定义为预设常数，k的范围为0.4～7中的任意值； Qi为AiVi，即为初始流量。
通过式5可以看出：出液管面积Ao越小，误差越小；初始流量AiVi越大，误差越小；h越小，误差越小。
由于P是变量，h也是变量，根据上述公式5的原理，最终可确定控制均流器出液管横截面积，以及初始流量值来控制均流误差。
均流方法的具体的步骤包括：
在作业前或者作业中，获得流量控制器的初始流量值、均流器的出液管横截面积、出液管连接的连接管的高度误差，同时根据预设常数，确定均流误差K，判断均流误差K是否小于或等于预设阈值(该预设阈值是想要达到的均流效果的精度值，可以根据需要设定，不作限制)；
如果均流误差K小于或等于预设阈值，则无需进行任何操作，就可得到需要的均流效果；如果均流误差K大于预设阈值，则：
通过流量控制器来调整均流器的初始流量值，使其大于或等于预设的初始流量阈值，初始流量阈值≥100ml/min，≥150ml/min，≥200ml/min，≥500ml/min，≥1000ml/min等等，具体的，初始流量值根据PWM(PulseWidthModulation，脉冲宽度调制)信号来控制；
调整所述均流器出液管的横截面积，包括重新选择均流器或者通过电控阀门控制横截面积的大小，使其小于或等于预设的横截面积阈值，一般的，横截面积通过直径来定义，此处保证出液管内径阈值≤20mm，≤15mm，≤10mm，≤5mm，≤4mm，≤3.5mm，≤2.5mm，≤2.1mm，或≤2mm等等，在实际应用中，选择内径较小的均流器是比较快速的方式；
和/或，调整出液管连接的连接管的误差高度，使其小于或等于预设的误差高度阈值，误差高度阈值≤70cm，≤50mm，≤30mm，≤10mm等等。一般的，误差高度较难调整，当均流器竖直放置时，会提高其误差高度，可以在实际应用中调整连接管的长度以减小误差高度等等。
选择以上任一方式或任意两种或三种方式的结合，都能简单、直观得使得均流误差的值在预设阈值范围内，使出液管的均流误差减小，使得从出液管流出的液体的流量一致性提高，从而保证均流效果。
需要说明的是，预设常数的范围为0.4～7，是由流量控制器的电机和负载的功耗、以及液体密度决定的，对于同一个流量控制器，在液体密度不变的情况下，其根据误差高度h的大小而变化，当误差高度越大时，则预设常数也越大，误差高度越小时，预设常数也越小，一般地，当误差高度h确定后，则预设常数也确定。
优选地，当流量控制器不变、液体密度不变时，预设常数随着误差高度的变化而变化，则gh-k可以等于第二预设阈值，其中，根据不同的流量控制器，和/或，不同的液体密度，第二预设阈值的数值范围为0.0001～0.2。
通过上述方法，可以快速、简便地得到在均流误差在预设阈值范围内的均流器的参数以及流量控制器的控制参数，从而保证均流效果。
示例性得，当出液管的直径为5mm，初始流量值为1.8L/min，h为30cm，g为 9.8m/s2，k为2.88时，均流误差K＝5.14％，可以实现误差较小的均流。但是由于在无人机喷洒过程中，无法保证初始流量值一直维持在该范围内，当初始流量较小时，影响均流效果，故选择调整出液管的直径，是比较优选的方案。
示例性得，当出液管的直径为2.4mm，初始流量为150ml/min，h为10cm，k为0.97时，均流误差K＝6.54％，可以实现误差较小的均流。优选地，直径≤3mm，优选地，直径≤2.5mm，更优选地，直径≤2.3mm。
示例性得，当出液管的直径为2mm，初始流量为400ml/min，h为20cm，k为1.84 时，均流误差K＝5.32％，可以实现误差较小的均流。
示例性得，当出液管的直径为2.2mm，初始流量为500ml/min，h为20cm，k为1.84时，均流误差K＝4.99％，可以实现误差较小的均流。
示例性得，当出液管的直径为2.1mm，初始流量为450ml/min，h为15cm，k为1.36时，均流误差K＝4.69％，可以实现误差较小的均流。
一般地，均流误差能有10％左右。而本方案中，采用了本方法，可以实现5％以内的均流误差。
下表中，为出液管直径2.6mm时测试的出液管的流量值。每一行中代表，相同初始流量、预设常数和误差高度下，分三次对均流器的连接的两个喷洒装置进行流量测试，从而得到的平均均流误差。不同行代表了不同的初始流量、预设常数下，测试得到的出液管的流量。表1中均流器的倾斜角度为45°，此时误差高度为20cm，预设常数为1.958，表2中均流器的倾斜角度为90度，此时误差高度为35cm，预设常数为3.428，具体测试参数参见下表1和表2：
表1
角度45°
表2
角度90°
从以上表1和表2可以得到，在均流器角度为45°时，误差都基本上小于2％，即使在极端条件，均流器角度为90°下，其误差百分比也小于5％，甚至小于3％，实现了理想的均流效果。
可以看到，同一行的数据为初始流量值不变、植保无人机用均流器角度不变的情况下，重复三次的实验结果，其均流效果都较为显著。
由此得出，在相同的误差高度下，随着流量依次增大，均流误差逐渐减小。同时，对于同一个流量控制器，采用同一种液体进行测试，则gh-k等于第二预设阈值0.002，理论上，此时不管均流器连接的连接管发生何种变化，其均流误差仅与初始流量和出液管横截面积相关，保证了均流装置的均流效果。此处需要说明，由于人工测量、以及实验环境、数据处理的影响，会使得实验数据存在一定误差。但是还是可以看到随着流量的增大，均流误差慢慢减小的规律，并且均流器处于不同的角度时，相同的初始流量下，均流误差大致相同。需要说明的是，由于人工实验误差的缘故，有可能存在个别数据有较大的误差。
上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种均流方法，应用于均流装置，其特征在于，所述均流装置包括流量控制器和均流器；所述均流器包括一进液管、与其连通的若干个具有相同横截面积的出液管；所述流量控制器的输出口与所述均流器的进液管连接；所述方法包括：
获取所述均流器的若干出液管的横截面积；
获取与各个出液管连接的连接管之间的误差高度；
获取所述流量控制器控制进入所述进液管的初始流量；
根据所述横截面积、所述误差高度和所述初始流量，以控制所述均流装置的均流误差，使所述均流误差小于或等于预设阈值从而实现均流，其中，所述误差高度为出液管连接的连接管的最大高度差。
2.根据权利要求1所述的均流方法，其特征在于：所述方法还包括：根据流量控制器的预设常数，以控制所述均流装置的均流误差。
3.根据权利要求2所述的均流方法，其特征在于：当流量控制器不变、液体密度不变的情况下，所述预设常数根据误差高度确定。
4.根据权利要求1所述的均流方法，其特征在于：根据所述横截面积、所述误差高度和所述初始流量，以控制所述均流装置的均流误差，包括：调整所述初始流量，使其大于或等于预设的初始流量阈值；调整所述均流器出液管的横截面积，使其小于或等于预设的横截面积阈值；和/或，调整所述连接管的误差高度，使其小于或等于预设的误差高度阈值。
5.根据权利要求4所述的均流方法，其特征在于：调整所述初始流量，包括通过所述流量控制器控制所述初始流量。
6.根据权利要求4所述的均流方法，其特征在于：调整所述均流器出液管的横截面积，包括根据所述横截面积确定所述均流器，或者根据所述横截面积调整所述出液管的出液口径，当调整所述出液管的出液口径时，通过在所述均流器的每个出液管上设置电控阀门，所述电控阀门的开度在0～100%之间可调。
7.根据权利要求1所述的均流方法，其特征在于：所述初始流量、横截面积、误差高度以及均流误差的关系为：其中，K为均流误差，为出液管横截面积，为初始流量，g为重力加速度，h为误差高度，k为预设常数。
8.一种均流装置，其特征在于，采用如权利要求1~7任一项所述的均流方法。
9.一种喷洒系统，其特征在于，采用如权利要求1~6任一项所述的均流方法，包括水箱、均流装置以及喷洒装置，所述均流装置包括至少一流量控制器和至少一均流器，其中，所述水箱的输出口通过连接管连接所述流量控制器的输入口，所述均流器的出液管通过连接管连接所述喷洒装置。
10.一种植保无人机，包括飞控系统，其特征在于，采用如权利要求9所述的喷洒系统，所述植保无人机在飞控系统控制下飞行并控制所述喷洒系统进行喷洒。
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