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单旋翼植保无人飞机喷杆悬架系统的设计与试验

单旋翼植保无人飞机喷杆悬架系统的设计与试验

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作者：肖会涛中国农业科学院

学位级别：硕士

目前我国植保无人飞机发展迅速,逐渐成为了病虫害防治的主要手段,而植保无人飞机在作业过程中,通过调整飞行姿态来切换航迹改变速度,飞行姿态的改变会导致喷杆姿态也发生改变。喷杆作为植保无人飞机施药装置的关键部件,搭载着喷头,因此... 详细信息

目前我国植保无人飞机发展迅速,逐渐成为了病虫害防治的主要手段,而植保无人飞机在作业过程中,通过调整飞行姿态来切换航迹改变速度,飞行姿态的改变会导致喷杆姿态也发生改变。喷杆作为植保无人飞机施药装置的关键部件,搭载着喷头,因此喷头会随着机身姿态的变化而发生变化,从而影响喷雾效果。本文针对这一现象,在田间试验采集单旋翼植保无人飞机姿态变化情况,根据机身姿态变化范围设计风洞试验验证机身姿态变化对雾滴沉积效果产生影响,因此为实现喷杆姿态与机身姿态发生分离,设计了一种喷杆悬架系统。首先先建立喷杆悬架系统模型,系统模型主要包括喷杆悬架结构模型和喷杆悬架控制系统模型,其次对喷杆悬架系统模型进行仿真分析,最后完成喷杆悬架系统的装机与测试。主要内容和结论:（1）为确定植保无人飞机在作业过程中姿态角变化范围,通过欧拉角法解算植保无人飞机飞控系统中采集的飞行姿态谱,最终解算出无人机在俯仰方向的角度变化范围为-18°8°,横滚方向的角度变化范围为-15°4°。（2）为摸清无人机在作业过程中姿态角变化对雾滴沉积效果的影响情况,文中利用风洞实验室模拟无人机4m/s的飞行速度下,采集在不同滚转角和俯仰角下雾滴沉积变化情况,根据试验数据分析出当滚转角变化时雾滴有效喷幅降低,雾滴沉积量变异系数增大,且偏转角度越大越明显;在俯仰方向根据有效喷幅和雾滴沉积量变异系数拟合曲线可以得出,在俯仰角为11°时,雾滴沉积效果最好,因此将滚转角为0°,俯仰角为11°设置为喷杆悬架控制系统目标值。（3）为实现在作业过程中喷杆姿态与机身姿态分离,设计了喷杆悬架控制系统,首先根据机身尺寸和姿态调节角度设计喷杆悬架结构,并通过Ansys/Workbench对喷杆悬架结构进行有限元分析,得出喷杆悬架机构满足强度要求,且不会与无人机旋翼产生共振现象。其次对喷杆悬架控制系统进行设计,主要包括硬件设计、控制算法和程序设计。（4）为检验喷杆悬架系统的性能,对喷杆悬架系统的试制和性能测试试验。在喷杆悬架系统试制完成后,首先进行了试验台的设计与制作,然后搭建喷杆悬架系统性能试验台,根据喷杆悬架系统角度调节范围的验证喷杆悬架控制系统能满足喷杆姿态角度调节范围俯仰方向±30°、滚转方向±20°;根据喷杆悬架系统性能试验得出喷杆在受到俯仰角30°、15°和滚转角20°、10°的干扰时,系统平均响应时间分别为133ms、131ms、146ms、140ms,表明系统稳定性良好。

关键词：飞行姿态 50%有效沉积量判定法变异系数有限元分析仿真模型

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