CN107247015A - 一种农用无人机室内轨道式雾滴沉积漂移试验平台及试验方法 - Google Patents

Abstract

一种农用无人机室内轨道式雾滴沉积漂移试验平台，包括支撑架、直线导轨、滑动平台和控制***，直线导轨安装在支撑架上，控制***安装在滑动平台上；滑动平台包括滑台架、步进电机、步进电机驱动器、带轮传动机构和直齿条传动机构，滑台架滑动式安装于直线导轨上，步进电机和步进电机驱动器安装在滑台架上，带轮传动机构安装于步进电机的输出轴上；直齿条传动机构包括齿轮和直齿条，直齿条安装在支撑架上且被直线导轨压紧，齿轮和带轮传动机构相连。一种农用无人机室内轨道式雾滴沉积漂移试验方法，采用上述农用无人机室内轨道式雾滴沉积漂移试验平台。本发明具有结构简单、无人机风场更稳定等优点，属于农用无人机飞行测试领域。

Description

一种农用无人机室内轨道式雾滴沉积漂移试验平台及试验 方法

技术领域

本发明属于农用无人机飞行测试领域，尤其涉及一种农用无人机室内轨道式雾滴沉积漂移的试验平台。

背景技术

无人机由于结构简单、造价低廉，被广泛运用于各种领域，在市场越来越火热。近年来，精准农业航空与无人机植保作业技术成为发展热点。无人机进行植保作业时，旋翼下方产生的风场将药液施加在农作物上，从而达到快速施药的效果。在药液下降的过程中，旋翼下方风场对液滴的沉积和漂移影响显著。因此，研究旋翼下方风场形成的液滴沉积漂移规律特点为精准施药提供了有效手段及有利条件。研究室外的旋翼下方风场形成的液滴沉积漂移规律特点，虽然更接近实际情况，但是室外的风速和风向的时刻变化会导致飞行姿态的变化，导致在室外进行研究获得准确数据较为困难。选择室内研究测试室内的旋翼下方风场，在一种较为理想的情况下，忽略其他小因素，更容易研究出液滴沉积漂移规律特点。

目前已经有针对农业植保无人机下方风场的一些室内测量平台和方法。但是，他们存在以下一些缺陷，结构较为复杂或大型，需要专业人员才能搭建；无人机风场通过升降机构安装在有轨电车下方，这存在运动不稳定性，并导致旋翼左右晃动，进而影响测试；再者，它们需要电车运行稳定后，才能开始喷洒并测量数据，这样操作显然较为麻烦。

发明内容

针对上述问题，本发明提供一种结构简单、无人机风场更稳定的农用无人机室内轨道式雾滴沉积漂移试验平台，它还具有操作更简便的优点。

本发明的另一目的是提供一种采用上述平台的农用无人机室内轨道式雾滴沉积漂移试验试验方法。

一种农用无人机室内轨道式雾滴沉积漂移试验平台，包括支撑架、直线导轨、滑动平台和控制***，直线导轨安装在支撑架上，控制***安装在滑动平台上；滑动平台包括滑台架、步进电机、步进电机驱动器、带轮传动机构和直齿条传动机构，滑台架滑动式安装于直线导轨上，步进电机和步进电机驱动器安装在滑台架上，控制***通过电缆连接步进电机和步进电机驱动器，带轮传动机构安装于步进电机的输出轴上；直齿条传动机构包括齿轮和直齿条，直齿条安装在支撑架上且被直线导轨压紧，齿轮和带轮传动机构相连，齿轮和直齿条相啮合。采用此结构，通过步进电机提供动力，通过带轮传动机构和直齿条传动机构运动传递后驱动滑动平台直线移动，因此滑动平台运行更稳定，从而安装于滑动平台上的无人机更稳定，进而模拟的风场更稳定、误差更小，无人机喷洒的药液更均匀，试验结果更准确；且本试验平台结构简单。

作为一种优选，直线导轨为两排，两排直线导轨平行安装于支撑架上。采用此结构，能保证水平方向的轨迹精度，且能平衡滑动平台所受重力。

作为一种优选，滑台架包括支架和支架滑块，支架为四根直杆构成对称的“#”字形结构，两对支架滑块安装于一对平行直杆上，且每对支架滑块均一前一后安装在一对平行直杆上，两对支架滑块之间的距离和两排直线导轨之间的距离相同。采用此结构，在滑台架上安装其他组件时更容易调节使得滑动平台达到平衡；同时支架滑块和直线导轨相匹配，滑动平台运行更稳定。

作为一种优选，还包括轴承座，轴承座安装在滑台架上且位于直齿条两侧；步进电机和步进电机驱动器位于直齿条的两侧；带轮传动机构包括主动带轮、从动带轮、传动带和传动轴；传动轴两端分别安装在直齿条两侧的轴承座上，主动带轮安装于步进电机的输出轴上，从动带轮安装于传动轴的一端，齿轮安装在传动轴的中部，传动带套装在主动带轮和从动带轮上。采用此结构，有利于滑动平台的在支撑架上保持平衡；同时带轮传动稳定，能将动力稳定传递给齿轮，从而驱动滑动平台在直线导轨上的前进。

作为一种优选，还包括主动带轮腹板，主动带轮腹板的边界处开设有通孔，主动带轮通过主动带轮腹板安装在步进电机的输出轴上。采用此结构，能减轻主动带轮的重量，从而减小支撑架所受的压力，使平台运行更加稳定。

作为一种优选，控制***包括控制器、光电开关，控制器、光电开关安装在滑动平台上，控制器通过电缆和光电开关、步进电机、步进电机驱动器连接。采用此结构，控制器无线连接能减少试验时的干扰，光电开关和光电开关挡板能让滑动平台行进一半行程后自动停止，减少人为操作。

作为一种优选，支撑架包括支撑柱、横梁、光电开关挡板和限位块；横梁安装在两根支撑柱的上端形成一节“Π”字形结构，数节“Π”字形结构搭接形成支撑架的主体；用于限制滑动平台的运动区间的限位块安装在横梁的两端，光电开关挡板安装在横梁的两端且位于支撑柱内侧。采用此结构，可以根据实际使用的场景和需求，选择若干“Π”字形结构搭接支撑架，结构简单、搭建方便。

作为一种优选，支撑柱包括底板、侧板和双排立柱；双排立柱一端安装于底板上，双排立柱另一端安装横梁；两侧板的一端分别安装于双排立柱的两侧，另一端安装于底板，两侧板和底板形成稳定的三角形结构。采用此结构，两侧板和底板形成稳定的三角形结构，从而对支撑柱起到较好的支撑作用，保证滑动平台在直线导轨上的稳定行进。

作为一种优选，双排立柱包括固定柱、升降柱、滑块、光轴导轨；固定柱安装在底板上，开设有凹槽的滑块固定在固定柱上，光轴导轨固定在升降柱上，升降柱通过光轴导轨在滑块中上下滑动。采用此结构，能轻松、方便地改变支撑柱的高度，方便试验。

一种农用无人机室内轨道式雾滴沉积漂移试验方法，采用上述一种农用无人机室内轨道式雾滴沉积漂移试验平台，包括如下操作步骤：

(1)在试验平台下方选择合适高度铺设长纸带。

(2)安装无人机，根据无人机自重及药液等载荷量，设定步进电机转速，模拟无人机飞行速度，步进电机转速在试验过程中保持恒定。

(3)将滑动平台置于支撑架的一端的基准位置。

(4)操纵控制器的开始按钮启动步进电机；并同时打开无人机旋翼和无人机喷头。

(5)当滑动平台滑动到另一端，且被光电开关挡板反射红外信号后停止时，按下控制器的复位按钮，滑动平台再次滑动至原基准位置，完成一次测试。

(6)根据长纸带上雾滴沉积规律，分析、判断无人机喷施雾滴的幅宽，完成一次雾滴沉积测试。

(7)在试验平台下方的试验范围内铺设待测试植株，并在待测试植株上布置水敏试纸。

(8)重复步骤(2)～(5)。

(9)收集水敏试纸，记录数据；分析水敏试纸中液滴的分布规律。

(10)调节支撑柱的高度，重复步骤(1)～(9)，收集无人机在不同高度工作时的雾滴漂移、沉积数据；完成雾滴漂移试验。

本发明的优点：

1、通过步进电机提供动力，通过带轮传动机构和直齿条传动机构运动传递后驱动滑动平台直线移动；因此，滑动平台运行更稳定，从而安装于滑动平台上的无人机更稳定，进而模拟的风场更稳定、误差更小，无人机喷洒的药液更均匀，试验结果更准确；且本试验平台结构简单。

2、采用两排平行的直线导轨，能保证水平方向的轨迹精度，且能平衡滑动平台所受重力；采用对称的“#”字形结，因此在滑台架上安装其他组件时更容易调节滑动平台使得滑动平台达到平衡。

3、采用在边界处开设有通孔的主动带轮腹板，能减轻主动带轮的重量，从而减小支撑架所受的压力，使平台运行更加稳定。

4、支撑柱的两侧板和底板形成稳定的三角形结构，从而对双排立柱起到更好的支承作用；升降柱能沿着固定柱上下滑动，滑动后通过角码固定在固定柱上，从而能轻松、方便地改变支撑柱的高度，方便试验。

5、本发明在室内搭建的无人机风场下试验，能突破以往无人机旋翼风场中雾滴沉积及漂移规律难以测量的界限，本试验平台可轻松、准确地对旋翼风场中雾滴沉积及漂移规律进行测量。

6、本试验平台采用“Π”模块化结构搭接而成，通过增加模块可对平台进行搭接扩展，平台可升可降，相比以往使用单一机体结构搭建的平台更灵活多变。

7、滑动平台采用锂电池供电，无需连接电缆，消除以往冗长拖沓的接线，使滑动平台的运动更加灵活，运动距离不受电缆长度的限制。

8、滑动平台采用步进电机驱动，保证农用无人机正常作业速度的同时提高定速运动的精度。

9、本试验平台采用机械自动运转，人工辅助操作的工作方式，避免试验过程中旋翼伤人事故的发生，保障试验人员的安全。

附图说明

图1是一种农用无人机室内轨道式雾滴沉积漂移试验平台的结构示意图。

图2是支撑架的结构示意图。

图3是滑动平台的结构示意图。

图4是传动机构的结构示意图。

图5是双排立柱的结构示意图。

图6是控制***的示意图。

其中，1为支撑架；2为直线导轨；3为滑动平台；4为无人机；21为横梁；22为双排立柱；23为限位块；24为侧板；25为底板；26为光电开关挡板；31为滑台架；32为支架滑块；33为步进电机；34为步进电机驱动器；35为带轮传动机构；36为直齿条传动机构；41为主动带轮；42为从动带轮；43为传动带；44为齿轮；45为直齿条；46为传动轴；47为滑动轴承；48为轴承座；51为固定柱；52为滑块；53为升降柱；54光轴导轨。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的具体说明。

一种农用无人机室内轨道式雾滴沉积漂移试验平台，包括支撑架、直线导轨、滑动平台和控制***，直线导轨安装在支撑架上，滑动平台安装在直线导轨上，用于安装农用无人机的滑动平台可在直线导轨上滑动，控制***安装在滑动平台上。步进电机采用锂电池供电。

支撑架包括横梁、光电开关挡板、限位块和支撑柱，支撑柱安装在横梁的两端，支撑柱一端安装在地面，支撑柱另一端安装横梁。横梁和两个支撑柱形成一“Π”字形结构，为一节。在实际搭建时，可由若干节“Π”字形结构连接而成，以满足实际使用场景和要求。本实施例中，横梁长度为6米，由两段3米铝材搭接而成；支撑架的主体由两节“Π”字形结构连接而成。双排立柱有3支，分别固定于横梁前端、中部及后端，对横梁起支撑作用。调节双排立柱，可调节支撑架高度，可调高度范围2～3米。用于限制滑动平台的运动区间的限位块安装在横梁的两端且位于支撑住外侧，光电开关挡板安装在横梁的两端且位于支撑柱内侧。限位块用于限制滑动平台，防止滑动平台运动超过横梁，从支撑架上掉下去。支撑架采用铝合金材料搭建。

支撑柱包括双排立柱、侧板、底板，底板置于地面上，双排立柱一端安装在底板上，双排立柱另一端安装横梁；在双排立柱的两侧安装侧板，侧板一端固定于底板，另一端固定于双排立柱，从而侧板和底板形成三角稳定结构，对双排立柱起支承作用。

双排立柱包括固定柱、滑块、光轴导轨和升降柱；固定柱上设置有滑块，滑块上开设有凹槽；光轴导轨固定在升降柱上，光轴导轨嵌入在滑块的凹槽中并在滑块中上下滑动，从而改变双排立柱的相对位置，调节支撑柱高度。安装时，固定柱一端固定在底板上，升降柱通过光轴导轨安装在滑块上，且升降柱通过光轴导轨在滑块中滑动从而改变在固定柱上的位置；在升降柱的上端安装横梁。使用时，将升降柱沿着固定柱滑动，滑动到所需高度时，使用角码将升降柱的下端固定在固定柱上，从而调节支撑柱的高度。

本实施例中，直线导轨为两排；导轨上设有安装孔，导轨通过紧固螺钉固定在支撑架的横梁上。采用两排直线导轨能保证水平方向的轨迹精度，且能平衡滑动平台所受重力。

滑动平台包括滑台架、传动机构和驱动机构，无人机、传动机构和驱动机构安装在滑台架上，滑台架安装在直线导轨上，滑台架、驱动机构、传动机构和无人机可沿着直线导轨滑动。

滑台架包括支架和支架滑块，支架由四根直杆围成一个对称的“#”字形结构，支架滑块安装在支架的一对平行直杆的中部。本实施例，包括两对支架滑块，且两对支架滑块均安装在一对平行直杆的中部；每对滑块均一前一后安装在一对平行直杆的中部；两对滑块之间的距离和两排直线导轨之间的距离相等。支架滑块为滚珠滑块。

驱动机构包括步进电机、步进电机驱动器、步进电机固定座、步进电机驱动器固定座。步进电机固定座、步进电机驱动器固定座分别固定在滑台架的两侧，步进电机安装在步进电机固定座上，步进电机驱动器安装在步进电机驱动器固定座上。步进电机和步进电机驱动器电连接，步进电机驱动器驱动步进电机运转。

传动机构包括带轮传动机构和直齿条传动机构。

带轮传动机构包括主动带轮、从动带轮、传动带、传动轴、滑动轴承和轴承座。主动带轮安装于步进电机输出轴；传动轴两端分别安装在步进电机固定座、步进电机驱动器固定座的轴承座上；从动带轮固定于传动轴一端；传动带套装在两个带轮上。步进电机驱动主动带轮转动，由于带与带轮间摩擦力的作用，使从动带轮一起转动，实现运动和动力的传递。

步进电机固定座、步进电机驱动器固定座上分别固定有轴承座，传动轴的两端分别通过滑动轴承安装在轴承座上。传动轴与齿轮、从动带轮间的配合均为过盈配合。从动带轮安装在传动轴上靠近步进电机固定座的一端。传动轴的轴心与步进电机的轴心处于同一水平面上。

主动带轮通过主动带轮腹板安装在步进电机上；主动带轮腹板的周边开有通孔，这能减轻主动带轮的重量，从而减小支撑架所受的压力，使平台运行更加稳定。

直齿条传动机构包括齿轮和直齿条。齿轮固定在传动轴的中部，且与传动轴过盈配合；齿轮受从动带轮驱动并与从动带轮同步运转。直齿条安装在支撑架上，且被两排直线导轨紧压固定在支撑架上。齿轮和直齿条相互啮合。直齿条传动机构将齿轮的旋转运动转换为滑动平台的直线运动。

控制***包括控制器、光电开关，控制器、光电开关安装在滑动平台上，控制器通过电缆和光电开关、步进电机、步进电机驱动器连接。光电开关安装滑台架上。在横梁的两端均安装光电开关挡板；光电开关挡板用于反射光电开关产生的红外线信号，信号传入控制器后执行相应的运动决策，从而控制步进电机的启停。

还包括无人机支承架，用于支撑进行测试作业的无人机通过无人机支承架安装在试验平台上。本试验平台适合多种无人机机型，如单旋翼、多旋翼无人机，油动、电动无人机等。

本试验平台的工作过程和工作原理：操纵控制器，启动步进电机；此时，滑动平台开始启动，并打开无人机旋翼和喷头，使无人机旋翼工作和喷头喷洒药液。步进电机启动后，步进电机将动力通过步进电机输出轴传给主动带轮，主动带轮开始转动，套装在主动带轮和从动带轮的传动带也被带动，从而从动带轮和传动轴均开始转动；安装在传动轴的中部的齿轮也开始转动，由于直齿条是固定在支撑架上的，齿轮和直齿条相啮合，因此，此时齿轮沿着直齿条做直线运动，滑动平台也随着齿轮在两排直线导轨上做直线运动。从而达到通过驱动机构和传动机构稳定运行滑动平台于支撑架上。当滑动平台运动至支撑架的另一端时，光电开关挡板反射光电开关发送的红外线信号，控制器接收到信号后控制步进电机停止运动。

使用上述农用无人机室内轨道式雾滴沉积漂移试验平台的试验方法，包括以下步骤：

(1)在试验平台下方选择合适高度铺设长纸带。

(2)安装无人机，根据无人机自重及药液等载荷量，设定步进电机转速，模拟无人机飞行速度，步进电机转速在试验过程中保持恒定。

(3)将滑动平台置于支撑架的一端的基准位置。

(4)操纵控制器的开始按钮启动步进电机；并同时打开无人机旋翼和无人机喷头。

(5)当滑动平台滑动到另一端，且被光电开关挡板反射红外信号后停止时，按下控制器的复位按钮，滑动平台再次滑动至原基准位置，完成一次测试。

(6)根据长纸带上雾滴沉积规律，分析、判断无人机喷施雾滴的幅宽，完成雾滴沉积测试。

(7)在试验平台下方的试验范围内铺设待测试植株，并在待测试植株上布置水敏试纸。

(8)重复步骤(2)～(5)。

(9)收集水敏试纸，记录数据；分析水敏试纸中液滴的分布规律。

(10)调节支撑柱的高度，重复步骤(1)～(9)，收集无人机在不同高度工作时的雾滴漂移、沉积数据；完成雾滴漂移试验。

本实施例中，采用长5米，宽100厘米的长纸带。调节支撑柱的高度时，采用手摇爬杆。具体操作为，在升降柱底部放置行程为1.5m的手摇爬杆，松开升降柱的角码，摇动爬杆使升降柱上升，调节至合适高度，拧紧角码并在升降柱下方放置与升降柱底部距地面等高的支撑件。从而将升降柱固定在需要调节的高度。

上述实施例为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 (10)

1.一种农用无人机室内轨道式雾滴沉积漂移试验平台，其特征在于：包括支撑架、直线导轨、滑动平台和控制***，直线导轨安装在支撑架上，控制***安装在滑动平台上；滑动平台包括滑台架、步进电机、步进电机驱动器、带轮传动机构和直齿条传动机构，滑台架滑动式安装于直线导轨上，步进电机和步进电机驱动器安装在滑台架上，控制***通过电缆连接步进电机和步进电机驱动器，带轮传动机构安装于步进电机的输出轴上；直齿条传动机构包括齿轮和直齿条，直齿条安装在支撑架上且被直线导轨压紧，齿轮和带轮传动机构相连，齿轮和直齿条相啮合。

2.根据权利要求1所述一种农用无人机室内轨道式雾滴沉积漂移试验平台，其特征在于：直线导轨为两排，两排直线导轨平行安装于支撑架上。

3.根据权利要求2所述一种农用无人机室内轨道式雾滴沉积漂移试验平台，其特征在于：滑台架包括支架和支架滑块，支架为四根直杆构成对称的“#”字形结构，两对支架滑块安装于一对平行直杆上，且每对支架滑块均一前一后安装在一对平行直杆上，两对支架滑块之间的距离和两排直线导轨之间的距离相同。

4.根据权利要求1所述一种农用无人机室内轨道式雾滴沉积漂移试验平台，其特征在于：还包括轴承座，轴承座安装在滑台架上且位于直齿条两侧；步进电机和步进电机驱动器位于直齿条的两侧；带轮传动机构包括主动带轮、从动带轮、传动带和传动轴；传动轴两端分别安装在直齿条两侧的轴承座上，主动带轮安装于步进电机的输出轴上，从动带轮安装于传动轴的一端，齿轮安装在传动轴的中部，传动带套装在主动带轮和从动带轮上。

5.根据权利要求4所述一种农用无人机室内轨道式雾滴沉积漂移试验平台，其特征在于：还包括主动带轮腹板，主动带轮腹板的边界处开设有通孔，主动带轮通过主动带轮腹板安装在步进电机的输出轴上。

6.根据权利要求1所述一种农用无人机室内轨道式雾滴沉积漂移试验平台，其特征在于：控制***包括控制器、光电开关，控制器、光电开关安装在滑动平台上，控制器通过电缆和光电开关、步进电机、步进电机驱动器连接。

7.根据权利要求1所述一种农用无人机室内轨道式雾滴沉积漂移试验平台，其特征在于：支撑架包括支撑柱、横梁、光电开关挡板和限位块；横梁安装在两根支撑柱的上端形成一节“Π”字形结构，数节“Π”字形结构搭接形成支撑架的主体；用于限制滑动平台的运动区间的限位块安装在横梁的两端，光电开关挡板安装在横梁的两端且位于支撑柱内侧。

8.根据权利要求7所述一种农用无人机室内轨道式雾滴沉积漂移试验平台，其特征在于：支撑柱包括底板、侧板和双排立柱；双排立柱一端安装于底板上，双排立柱另一端安装横梁；两侧板的一端分别安装于双排立柱的两侧，另一端安装于底板，两侧板和底板形成稳定的三角形结构。

9.根据权利要求8所述一种农用无人机室内轨道式雾滴沉积漂移试验平台，其特征在于：双排立柱包括固定柱、升降柱、滑块、光轴导轨；固定柱安装在底板上，开设有凹槽的滑块固定在固定柱上，光轴导轨固定在升降柱上，升降柱通过光轴导轨在滑块中上下滑动。

10.一种农用无人机室内轨道式雾滴沉积漂移试验方法，采用权利要求1-9任一所述一种农用无人机室内轨道式雾滴沉积漂移试验平台，其特征在于：包括如下操作步骤：

(1)在试验平台下方选择合适高度铺设长纸带。

(2)安装无人机，根据无人机自重及药液等载荷量，设定步进电机转速，模拟无人机飞行速度，步进电机转速在试验过程中保持恒定。

(3)将滑动平台置于支撑架的一端的基准位置。

(4)操纵控制器的开始按钮启动步进电机；并同时打开无人机旋翼和无人机喷头。

(5)当滑动平台滑动到另一端，且被光电开关挡板反射红外信号后停止时，按下控制器的复位按钮，滑动平台再次滑动至原基准位置，完成一次测试。

(6)根据长纸带上雾滴沉积规律，分析、判断无人机喷施雾滴的幅宽，完成一次雾滴沉积测试。

(7)在试验平台下方的试验范围内铺设待测试植株，并在待测试植株上布置水敏试纸。

(8)重复步骤(2)～(5)。

(9)收集水敏试纸，记录数据；分析水敏试纸中液滴的分布规律。

(10)调节支撑柱的高度，重复步骤(1)～(9)，收集无人机在不同高度工作时的雾滴漂移、沉积数据；完成雾滴漂移试验。