可调式抗风性能测试系统的研制

宋瑜清，饶卫航，叶雪辉，林叙彬，郑凯仁

（广东省农业技术推广中心，广东 广州 510515）

0 引言

2010 年国内出现了首款油动的单旋翼植保无人机，打开了植保作业的新局面，但植保无人机发展一直比较缓慢，直到2014 年中央一号文件明确提出“加强农业航空建设”，中央有关部门和地方政府先后出台植保无人机购置补贴政策，吸引了社会资本逐渐投入，国内植保无人机产业出现转折性的发展。

2016 年，“地面与航空高工效施药技术及智能化装备”和“化学肥料和农药减施增效综合技术研发”重点项目的启动，开启了无人机应用于植保的技术研发，随后无人机在植保方面的应用得到快速发展，植保作业量不断攀升。

2019 年，我国植保无人机的发展已经趋于成熟，特别是对植保无人机的购机补贴政策加速了植保无人机快速的发展，技术不断突破，产业链也得到进一步的完善。目前，我国植保无人机在装备总量、作业面积上位居全球第一，飞控技术世界领先，并处于发展上升期。

无人驾驶航空器，又名无人飞行器，俗称无人机，通过地面遥控或导航飞控可以将其用于农林植物保护等领域，农业用无人机通常由飞行平台、导航飞控、喷洒机构3 部分组成，可以实现农业生产过程中药剂、种子、粉剂的喷洒等操作。

在无人机从事农业生产的过程中，由于无人机使用环境的不同会遇到各式各样的气流，这些气流会干扰无人机的飞行状态，从而影响无人机的使用效率和作业效果，因此，无人机需要具备一定的抗风能力，使无人机能够在一定的气流干扰下保持预期的飞行状态［1-5］。

风是植保无人机不可避免的作业环境因素，是影响飞机飞行轨迹和飞行姿态的主要因素［6］。植保无人机受到强风扰动时，气动特性会发生突变，影响飞机飞行速度、航向、运动轨迹等飞行参数，进而影响飞机稳定性和操作性，造成重喷或漏喷，甚至侧翻或坠落［7］。

现有的测试无人机抗风性能的设备一般使用风洞来进行测试，但是风洞实验室造价高，占地大，常用于航空测试，对于造价便宜的民用无人机来说，使用风洞实验室检测成本过于高昂；并且现有的无人机抗风性能的检测设备存在移动不便、风速固定、风的方向不能调节等问题，不能满足多种测试要求。针对现有技术存在的问题，亟需设计一种新的可以测试无人机抗风性能的测试系统，用以弥补现有技术的不足［8-11］。

1 系统概述

风对植保无人机作业影响很大，考虑到其作业大多在野外进行，因此，农业机械推广鉴定大纲明确规定其抗风性能检测方法为：航空器在额定起飞质量条件下把航空器置于水平风向稳定、风速为6.0 m/s±0.5 m/s 的人工模拟风场中，操控其起飞、前飞、后飞、侧飞、转向、悬停、着陆等，植保无人驾驶航空器应能正常飞行。

针对植保无人机的抗风性能测试要求，设计一套可调式抗风性能测试系统，该系统满足输出风速为6.0 m/s±0.5 m/s 的同时，可以进行扩展，输出风速为3.0～7.0 m/s，精确度为±0.5 m/s，该系统包括：造风装置，用于输出不同风速的风；控制装置，用于检测造风装置的风速，并控制造风装置的风速大小；数据采集装置，设置在被测物体（无人机）上，用于采集被测物体（无人机）的抗风大小，并将抗风大小的数据发送至控制装置。该系统通过设置的造风装置，能够为被测物体（无人机）的抗风性能测试提供不同风速的风，从而更加全面的模拟被测物体（无人机）在使用过程中的气流环境；通过在被测物体（无人机）上设置数据采集装置，能够全面采集被测物体（无人机）在抗风性能测试过程中的抗风性能，从而得到被测物体（无人机）在复杂气流条件下的抗风性能。外观设计如图1 所示。

图1 外观设计图

2 造风装置及风墙设计

目前普遍使用的植保无人机的外形尺寸为长2.0 m，宽3.0 m，高0.8 m，针对目前情况，有效风场空间至少为长2.0 m，宽3.0 m，高0.8 m的长方体，为了测试操作方便，稳定性更高，并满足更宽的测试范围，本系统设计长度4.0 m，宽 8.0 m，高2.0 m的长方体风场，能将植保无人机（被测物体）包含于其中的气流场，同时可调风速范围设计为3～7 m/s，使风速范围包含（6.0±0.5）m/s，并且四周留有空间，满足造风设备可以向四周扩展，满足将来的测试扩展需要。

2.1 造风装置

风扇形成的是一个椭圆形的风场，如图2 所示。

图2 风场示意图

椭圆形风场的缺点是中间风很稳定，边缘的风很不稳定，而且当很多风扇一起启动时，会减弱或增加2个风扇之间的风强度，甚至产生风旋涡流，从而导致风速波动特别大，稳定性很差。要解决这个问题，就必须改变每个风扇出风口的椭圆形风场的特点，要改变椭圆形风场的特点就必须把风场分割为很多小的正方形风场，使每个风扇的出风口规律地排列为矩阵结构。经过不断的测试，最后确定直径为40 cm 的风扇叶片最为合适，如图3 所示。每个风扇配置1 台风速导流装置，安装在风扇的出风口，导流装置共有36个小出风口，每个均为8 cm×8 cm×20 cm（长宽深），如图4 所示。同时，为了适合扩展，每个风扇既可独立运行，也可与其他风扇同时运行。

图3 风扇

图4 导流装置

2.2 风墙设计

为了满足长4.0 m × 宽 8.0 m × 高2.0 m的长方体风场所需，需要设计长4.0 m × 高2.0 m的风墙。经过测试和排列，按长度方向8个风扇、宽度方向4个风扇进行安装，组成长4.0 m × 高2.0 m的风墙，背面如图5，正面（出风口面）如图6，同时，每个风扇刚性地固定在支架上，确保风扇不会晃动，支架的底部也刚性地固定在水泥平台上，保证整个支架不会晃动，同时风墙前留有6 m×12 m×8 m 的空间，保证无人机启动、停止和试飞的有效空间。

图5 风墙背面图

图6 风墙正面图

3 控制系统设计

控制系统主要由PLC 控制器、液晶单板触摸屏和调速电频电机组成，风速可调节范围为3～7 m/s，通过软件和硬件控制，软件是在PLC 上编写，控制流程图如图7。通过液晶单板触摸屏进入软件界面，在该界面可以设置风速，然后通过PLC 控制调速变频电机带动风扇按设置的风速运行；同时，如果出现故障等问题，PLC 控制器启动辅助功能，发出警告或应急停机。同时，编写的软件内核具备修正功能，可以根据传感器反馈的风速信息或设置的风速信息，修正输出风速，不断调整风速，直到风速达到设置的风速要求。

图7 控制流程图

4 测试结果分析

该系统主要是针对植保无人机的抗风性能进行测试，系统出风分别设置为5 m/s 和6 m/s，在测试风场3～10 m 距离内，每隔1 m 设1个测试点，每个测试点重复3 次，测试结果如表1 所示。测试数据显示，测试结果并未随着距离变化而产生有规律的变化，相同距离不同出风速度的测试结果也会波动。主要原因是因为该测试系统并非在密闭的空间（或在风洞内）内进行，会受到外界气流和风的影响。

表1 设置风速对应下的实测风速（环境风速＜1 m/s）m/s

5 结论

本文研制的可调式抗风性能测试系统，有效风场为高2 m，长4 m，宽10 m，风速可以调节范围为3～7 m/s。通过测试，当风速为6 m/s 时，可满足植保无人机抗风能力测试试验的要求。本系统风扇和导流装置均以独立风扇为单元设计，可以根据实际需求向四周扩展风场范围，从而满足当测试条件改变，或无人飞行器外形尺寸改变时的测试需求。