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多旋翼植保无人机低空雾滴沉积规律及变量喷施测控技术

王玲

  雾滴在气流场中的运动是气液两相流运动,其沉积特性与气流场参数、雾滴属性、喷头—靶标相对位置等特征参数密切相关。目前,无人机雾滴沉积规律研究多采用田间试验的方法,实际结果受气象条件、人为因素影响较大,且试验多采用单因素方法,难以全面、深入的探讨无人机雾滴沉积规律及其影响机制。为了提高多旋翼植保无人机雾滴沉积效率,本文采用多因素模拟仿真与多参数风洞试验相结合的方法,开展了变量喷施条件下无人机雾滴沉积规律的研究工作,主要体现在以下三个方面:第一,采用CFD(Computational Fluid Dynamics,计算流体力学)数值模拟技术,开展了多旋翼植保无人机多因素沉积规律仿真研究。本文以实际风洞为对象,建立了 8 m×2m×2m的三维气场空间,通过设置边界条件与模拟参数,开展了不同气流速度、喷雾高度、雾滴粒径、喷头喷施角度条件下雾滴沉积规律的研究工作。结果表明:雾滴的沉积以正态曲线形式分布在喷头下方,气流速度、喷雾高度、喷头喷施角度相对于雾滴粒径对雾滴沉积规律影响显著。第二,设计了基于PWM(Pulse Width Modulation,脉宽调制技术)的变量喷施测控系统,开发了柔性化测控平台,为开展变量喷施条件下无人机的沉积规律研究提供了基础平台。多旋翼植保无人机在药液喷施过程中,旋翼产生的向下气流将对雾滴沉积飘移产生明显的影响,而单位时间药液喷施量及其沉积量,是评价喷施作业系统效率的重要依据。为了研究变量喷施工况下雾滴的沉积规律,本文设计了基于多旋翼植保无人机平台的变量喷施系统,主要包括多旋翼植保无人机、药箱、微型隔膜泵、离心喷头、PWM控制器、远程通讯模块等单元,实现了喷施状态和喷施参数的远程控制;同时,为开展不同作业工况下喷施规律的研究,基于虚拟仪器技术和软件复用设计思想,开发了柔性化测控软件平台,能够针对不同喷施条件,快速实现试验系统平台的搭建和配置。第三,利用开发的变量喷施测控系统,开展了风洞环境下多旋翼植保无人机喷施雾化特性及雾滴沉积规律试验研究。为了实现试验过程中气流场特性、雾滴属性、喷施位置等多参数的可控性,将多旋翼植保无人机及变量喷施系统固定于风速可调的风洞,实现在可控多风速条件下开展沉积规律的研究。在试验过程中,首先利用激光粒度仪对雾化盘雾化数据进行了测取;在雾化试验的基础上,开展了包含旋翼风场、飞行高度、风速、雾滴粒径、喷施角度等多个参数对雾滴沉积规律的影响研究,通过方差分析得出了各参数对雾滴沉积飘移的预测模型。试验结果表明:系统喷雾量范围为280mL/min~791mL/min,喷雾量与系统占空比和喷头类型成线性相关,R2在0.99附近;雾滴粒径变化范围在101.64μm~260.16μm之间,占空比和离心喷头雾化盘转速是影响雾滴粒径的主要因素;雾滴出口速度与离心喷头雾化盘转速成线性相关。风速、飞行高度、雾滴粒径是影响沉积规律的极显著因素,旋翼风是显著因素,喷头喷施角度不具有显著性;各因素对沉积规律的影响次序为风速>飞行高度>雾滴粒径>旋翼风>喷头喷施角度。基于本文研制的多旋翼植保无人机变量喷施测控系统,结合多因素模拟仿真结果,在风洞环境下研究了可控参数下的雾滴沉积规律,其结果可为无人机田间喷洒作业时的工况条件(如飞行高度控制、缓冲区设置、环境风场抵御等)、喷施参数(喷施角度、单位喷施量)和雾滴沉降区域预测(位置、区域面积)等提供技术支撑。……   
[关键词]:多旋翼无人机;变量喷施;风洞试验;雾滴沉积;飘移规律;仿真模拟
[文献类型]:博士论文
[文献出处]:中国农业大学2017年