發布時間：2020-02-21所屬分類：農業論文瀏覽：1次
摘 要： 摘要:為研究植保無人機從滿載到空載的超低空巡航作業中，飛行載荷下降對霧滴沉積規律的影響，以紅旗n-10型四旋翼植保無人機為研究對象，建立其飛行載荷與旋翼轉數、飛行載荷與仰俯角的函數關系。以此為基礎，運用CFD仿真軟件模擬計算飛行速度為0、1、2、3m/s
摘要:為研究植保無人機從滿載到空載的超低空巡航作業中，飛行載荷下降對霧滴沉積規律的影響，以紅旗n-10型四旋翼植保無人機為研究對象，建立其飛行載荷與旋翼轉數、飛行載荷與仰俯角的函數關系。以此為基礎，運用CFD仿真軟件模擬計算飛行速度為0、1、2、3m/s，作業高度為2m，無人機在各飛行載荷作業下的霧滴有效沉積，并進行試驗驗證。結果表明:等速作業時，由于更強的旋翼風場及更小的機身仰俯角，前、后噴頭在大飛行載荷作業時的霧滴有效沉積率優于小飛行載荷;且作業速度越快，有效沉積率相差越大，作業速度為3m/s時，相差達11%。本研究得出霧滴有效沉積率隨無人機飛行載荷下降會減小，即霧滴漂移增大的結論，對實際生產具有重要指導意義。
關鍵詞:多旋翼無人機;飛行載荷;飛行速度;沉積規律;流體仿真
0引言
農作物病蟲害危及我國食品安全并制約農產品的全面供給。傳統手動、小型植保機械作業存在藥物殘留超標、低效率及危害操作人員身體健康等負面問題，不能滿足我國快速發展的專業防治需求[1-2]。多旋翼植保無人機具有噴灑高效性、立體性強、勞動強度低等特點，尤其適用于復雜地形作業，是植保噴施的高效手段[3]。
由于風場參與噴施作業，無人機噴施霧滴運動規律與傳統噴施存在較大差異[4]。國內外學者[5-7]對旋翼植保無人機的噴施特性及防治效果進行了研究及探討。邱白晶等[8]指出:無人機作業速度及高度對沉積霧滴濃度、均勻度影響極顯著。秦維彩等[9]使用含示蹤劑的水溶液進行噴霧試驗，得出噴施高度、噴幅對植株冠層霧滴沉積分布存在影響的結論。陳盛德等[10-11]以HY-B-10L無人機為實驗平臺，研究不同飛行參數對植株冠層霧滴沉積分布的影響，同時指出旋翼豎直風場對霧滴沉積和穿透性影響最顯著。楊風波等[12]運用計算流體力學仿真，研究霧滴在風場作用下的運動規律及漂移情況，并得出該方法能較準確地模擬實際噴施作業的結論。
以往的研究多集中于飛行、噴施參數對沉積結果的影響，實際作業中，植保無人機飛行載荷是重要變量且不斷下降，不應被忽視。藥液釋放致飛行載荷減小，間接改變旋翼轉數及機身仰俯角，導致旋翼風場變化并影響噴施結果。為此，以紅旗n-10型植保無人機為例，結合數值分析與場地試驗，研究飛行載荷下降對霧滴沉積規律的影響。
1旋翼轉速和仰俯角計算
多旋翼植保無人機巡航作業過程中，受空氣阻力F、飛行重力G、旋翼總拉力T的作用，如圖1所示。
2模型建立與設置
2.1研究對象
以紅旗n-10型四旋翼小型植保無人機為研究對象(見圖4)，主要作業參數如表1所示。其配備4個霧化噴頭，置于相應旋翼電機下方，與旋翼垂直距離0.2m處。
2.2幾何模型建立
2880型旋翼為多曲面復雜零件，使用3D掃描儀對無人機正、反旋翼進行掃描，GeomagicDesignX軟件對掃描面逆向建模。模型導入前處理軟件Gambit中，結合n-10植保無人機實際噴施范圍及機身尺寸，在Gambit中建立，長方體(6m×6m×3m)模擬計算區域，并進行網格劃分，如圖5所示。機身結構造型復雜且不是本文研究重點，為減小計算成本暫不做考慮。
本文模擬計算域由4個包含旋翼部分的動域和1個靜域組成，動域與靜域交界面設置Interface連接，對區域交界處網格加密處理。經網格無關性驗證，網格劃分完畢后的單個旋翼網格數約為22.5萬，網格總數約為205.8萬，其處理結果如圖6所示。
2.3模擬參數設置
該無人機由4個無刷直流電機提供動力，相鄰電機轉向相反以減小不必要的滾轉力矩，因此相鄰旋翼為反向旋轉設置。選用DPM(DiscretePhaseModel)模型對離散相進行噴施模擬，不考慮霧滴間的互相碰撞及霧滴體積變化對連續相的作用。
1)離散相噴施參數:材料水密度997.0kg/m3，釋放霧滴數為500;霧滴噴射角度垂直四旋翼所在平面向下，噴施半錐角為30°;采用離散隨機游走模型。
2)邊界條件設置如圖5所示。計算區域右側面為速度入口邊界條件，速度設置為0(無人機懸停)、1、2、3m/s。有效噴幅區面域設置為粒子捕捉，其余進出口離散邊界條件設置為粒子逃逸。
3)離散相采用非穩態模擬，添加重力加速度g=9.81m/s2，模擬時長10s，迭代時間步長0.05s，時間步數為200。
3旋翼風場與有效沉積率的結果與分析
無人機滿載到空載的噴施過程中，霧滴沉積規律變化，本質由旋翼風場變化引起。本文先對不同飛行載荷下的旋翼風場進行探討，再模擬計算飛行載荷為22、20、18、16、14、12、10kg，作業速度為0(懸停)、1、2、3m/s，統計作業高度2m時，無人機右后(行進方向右后)、右前(行進方向右前)噴頭噴施霧滴有效沉積率。
3.1旋翼風場變化
圖7為無外界環境風場，平飛速度為3m/s，高度為2m，飛行載荷為22、18、14、10kg時，在觀測面y=0.442m(右側旋翼所在豎直平面)，旋翼風場速度云圖(顯示范圍為-25～10m/s，負號表示Z軸負方向)。
由圖7可知:旋翼風場從前、后旋翼位置產生并向下流動，在此過程中逐漸減弱，接近地面時向周邊擴散。由于來向風場參與，前后旋翼風場在機腹下約1m處有匯合現象。無人機飛行載荷從滿載22kg降至自重10kg過程中，旋翼轉數下降33%，在計算域y=0.442m平面，無人機正下方1m處風速由圖7(a)約16m/s降至圖7(d)約11m/s，同時機身仰俯角增加約6°，使旋翼氣流漂移更明顯。
旋翼風場流速隨飛行載荷下降而減弱顯著，穿透力減弱;受對向來流影響更小，行徑后方旋翼風場對霧滴作用范圍大于前旋翼風場;機身仰俯角的增加，使旋翼氣流向后漂移加重;飛行速度越大，旋翼風場向后漂移越嚴重。n-10型無人機的4個噴頭安裝于各旋翼下方0.2m處，該位置旋翼風場穩定、擾流小，能增強藥液穿透性，降低漂移。
3.2霧滴沉積統計及分析
3.2.1霧滴沉積率評價
n-10型無人機結構與功能對稱設計，為便于霧滴數量統計，減少運算時長，采用無人機右后、右前噴頭單獨噴施模擬的方式替代整體噴施，且不考慮霧滴破裂、蒸發等因素。使用Fluent15.0軟件，計算作業速度為0、1、2、3m/s，飛行高度2m，飛行載荷為22、20、18、16、14、12、10kg時，對應旋翼轉數和仰俯角條件下無人機的噴施情況，獲取相應工況下的霧滴有效沉積率(噴施霧滴在有效噴幅區內的數量占噴施霧滴總數比)，以評判各飛行載荷下的霧滴漂移情況。
3.2.2霧滴沉積分析
無人機右后噴頭霧滴有效沉積率模擬結果，如表2所示。
由表2可見:作業速度及飛行載荷不同，霧滴有效沉積率不同。滿載且懸停時，右后噴頭霧滴有效沉積率可達85.1%;作業速度3m/s、飛行載荷10kg時，霧滴有效沉積率低至31.2%。無人機飛行載荷從22kg降至10kg過程中，平飛速度為0、1、2、3m/s時，作業初段與末段相較，右后噴頭噴施霧滴有效沉積率分別相差6%、9.1%、10.7%、11.7%。平飛速度相同，大飛行載荷作業下的右后噴頭霧滴有效沉積率優于小飛行載荷作業時。安全作業速度內，這種差距隨作業速度提高更為顯著。
大飛行載荷作業時，無人機強旋翼風場使更多噴施霧滴被攜帶并快速向有效噴幅區運動，一定程度上削弱了正面來流對霧滴的影響，霧滴群總體抗漂移性更好。同一平飛速度，無人機小飛行載荷作業擁有更大機身仰俯角，且速度越高、仰俯角越大。仰俯角的增加使旋翼所在平面及噴嘴相對無人機行徑方向逆向轉動，旋翼風場隨之轉動，雖仰俯角增加不大，但也增加了霧滴群被旋翼風場所攜帶而逃逸出有效噴幅區的幾率�？傮w而言，同等作業速度，右后噴頭在大飛行載荷作業時的霧滴有效沉積率優于小飛行載荷。
如圖8所示:平飛速度為0、1、2、3m/s，植保無人機飛行載荷與右后噴頭噴施霧滴有效沉積率呈線性關系，決定系數R2分別為0.8106、0.9399、0.9443、0.9155，線性方程回歸效果顯著。在以上作業速度中，植保無人機飛行載荷下降對右后噴頭霧滴有效沉積率影響顯著。
無人機右前噴頭霧滴有效沉積率模擬結果，如表3所示。
由表3可見:滿載且懸停時，右前噴頭霧滴有效沉積率為83.9%;作業速度為3m/s、飛行載荷10kg時，霧滴有效沉積率低至27.3%。無人機飛行載荷從22kg降至10kg的過程中，平飛速度為0、1、2、3m/s時，作業初段與末段相較，右前噴頭噴施霧滴有效沉積率分別相差3.2%、6.5%、16.1%、10.5%。平飛速度相同，大飛行載荷作業下的右前噴頭霧滴有效沉積率優于小飛行載荷作業時，安全作業速度內，這種差距隨作業速度提高更為顯著。
低速作業時，前噴頭有效沉積率與后噴頭大致相同。作業速度超過2m/s時，受更強對向來流作用，前旋翼流場向后移，并與后旋翼流場匯合，后旋翼流場移動幅度更小。在流場共同作用下，前噴頭噴施霧滴逃逸出有效噴幅區的比例相較于后噴頭更大，因此前噴頭的霧滴有效沉積率低于后噴頭。如圖9所示:平飛速度為0、1、2、3m/s，植保無人機飛行載荷與右前噴頭噴施霧滴有效沉積率呈線性關系，決定系數R2分別為0.8040、0.7267、0.8485、0.9376，線性方程回歸效果顯著。在以上作業速度中，植保無人機飛行載荷下降對右前噴頭霧滴有效沉積率影響顯著。
綜上所述，植保無人機從滿載到空載的巡航過程中，前后噴頭噴施霧滴有效沉積率都隨飛行載荷減小而降低。作業速度為3m/s時，無人機滿載與空載的霧滴有效沉積率相差約11%，差距隨作業速度提高更為明顯。
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4試驗
4.1無人機噴施試驗
為驗證飛行載荷對霧滴沉積的影響，對n-10型無人機與取樣水敏紙垂直高度2m，平飛速度1、2、3m/s，飛行載荷22、20、18、16、14、12、10kg的作業條件進行藥液沉積試驗，地點選擇河南省武陡縣郭提村試驗田，如圖10(a)所示。水敏紙(3cm×8cm)平放并固定于支撐桿頂端，每一試驗架次掠過3張水敏紙，前后水敏紙相距5m，如圖10(b)所示。每架次噴施完成后統計3張水敏紙霧滴個數并記錄其平均數。試驗時，環境溫度為26°C，相對濕度53%，風速1.0～2.0m/s。采用Imagej圖形處理軟件統計水敏紙上的霧滴數，處理過程如圖10(c)、(d)所示。
4.2試驗結果
霧滴處理結果如圖11所示。
由圖11可知:無人機平飛速度為1、2、3m/s時，相較滿載與空載，取樣水敏紙上的霧滴數分別相差53、92、102，滿載噴灑時的水敏紙上的霧滴數多于空載噴灑時。試驗霧滴沉積變化趨勢與仿真計算霧滴有效沉積率大致吻合，說明作業過程中，飛行載荷對噴施霧滴有效沉積有直接影響。大飛行載荷時，無人機下方水敏紙上的霧滴數多，小飛行載荷作業時噴施霧滴向四周擴散較多，導致旋翼下方水敏紙上霧滴數更少。
5結論
1)巡航作業中，飛行載荷隨藥液釋放而減小，植保無人機旋翼轉數下降可達32%，仰俯角增加可達10°，旋翼風場隨飛行載荷下降而減弱并逐漸向后漂移。
2)豎直旋翼風場會抑制霧滴漂移或擴散，仰俯角增大會加重霧滴漂移。作業速度0～3m/s間，無人機滿載比空載時的霧滴沉積率高4%～11%左右，模擬與實測基本一致。植保無人機飛行載荷下降會降低霧滴有效沉積，漂移增加。
SCISSCIAHCI
