一种多旋翼植保无人机施药性能的室内检验系统与方法与流程

本发明属于农业航空喷洒技术领域，尤其涉及一种多旋翼植保无人机施药性能的室内检验方法与系统。

背景技术：

多旋翼植保无人机已在农业施药领域得到了广泛的应用。为保证施药效果，多旋翼植保无人机需要在施药作业前适当地调整喷头间距，并选择适当的作业参数(作业高度和作业速度)。然而，多旋翼植保无人机的喷雾系统结构评价、喷幅与雾滴分布均匀性评价，以及作业参数的选择一直是研究的热点与难点。因此，准确评价多旋翼植保无人机施药相关的性能指标，是促进植保无人机实际应用的必要基础支撑。

国内外已有大量关于植保无人机施药性能评价的研究，但是绝大多数研究均基于大田作业环境，常用的方法为沉积量反演法，即采用水敏纸、雾滴采集架等材料，有时在药液中溶解示踪剂，通过回收不同位置的水敏纸，分析雾滴沉积量进行反演，推算整个喷雾过程中雾滴的空间分布。但是该方法的数据处理繁杂，且处理结果依赖图像扫描效果，容易导致测量结果不准确。此外，在大田环境中检测评价多旋翼植保无人机的性能指标，极易受到不可控环境因素(自然风速、风向、空气温度和相对湿度)的影响，可能形成较大的结果误差，且无法被修正。室内环境作为较理想的环境之一，若有足够空间，可用于检测评价多旋翼植保无人机，能避免环境因素的干扰。现有的室内检测评价设备主要为风洞，通过利用较小密闭空间内的理想风场，结合植保无人机的吊装，模拟植保无人机施药时的前进状态。但是风洞装置的密闭空间有限，可能使植保无人机桨叶形成的风场无法充分发展，不能模拟实际的大田施药条件，且在风洞内检测雾滴沉积也常用沉积量反演法，可能导致检测结果存在误差。

综上所述，本发明提出一种针对多旋翼植保无人机施药性能的室内检验方法，形成一套检测系统，对准确评价多旋翼植保无人机施药性能、提高检测评价效率、提升检验的可重复性，具有重要意义。

技术实现要素：

为了能够实现室内环境的多旋翼植保无人机施药性能检验，获得喷幅、施药均匀性等指标，实现作业参数选择与喷雾系统结构优化调整，本发明提出了一种针对多旋翼植保无人机施药性能的室内检验系统与方法，具体技术方案如下：

一种多旋翼植保无人机施药性能的室内检验系统，包括：

上位机模块、下位机模块、直线运动模块、升降运动模块、直线运动距离检测模块、升降距离检测模块、底座3、激光雷达14和pwm变频器；

所述直线运动模块包括直线电机安装平台1、直线电机模组2、sbr导轨4、sbr导轨滑块27、直线传动板5、带轮安装平台11、皮带轮12、平行带13和直线电机驱动器31；

所述升降运动模块包括升降电机模组6、左升降导轨7、横梁8、无人机固定装置9、右升降导轨10、升降导轨固定座15和升降电机驱动器34；

所述直线运动模块安装于所述底座3上，所述升降运动模块安装于所述直线运动模块上，所述激光雷达14安装于直线传动板5上；所述下位机模块分别与上位机模块、直线运动模块、升降运动模块、直线运动距离检测模块和升降距离检测模块相连接；所述激光雷达14与上位机模块相连接；

所述上位机模块用于显示可视化界面，作为人机交互的接口；并通过下位机模块实现对直线运动模块和升降运动模块的控制，以及存储激光雷达14采集的数据；

所述直线运动模块用于实现无人接的直线运动，所述升降运动模块用于实现无人接的升降；所述直线运动距离检测模块用于实时监测左升降导轨7的前后位置；所述升降距离检测模块用于实时监测横梁8的上下位置；所述激光雷达14用于针对某一平面内特定区域的雾场检测。

在所述底座3上的左右两边分别安装sbr导轨4；在所述sbr导轨4上安装sbr导轨滑块27；在所述sbr导轨滑块27上固定安装直线传动板5；

在所述底座3的前端固定安装直线电机安装平台1，在所述底座3的后端固定安装带轮安装平台11；在所述直线电机安装平台1上安装直线电机模组2，在所述带轮安装平台11上安装皮带轮12；所述直线电机模组2通过平行带13与皮带轮12相连接。

所述直线运动模块还包括平行带压紧座28，所述平行带13通过平行带压紧座28固定于直线传动板5上。

当直线电机模组2运转时，带动平行带13前后移动，同时皮带轮12转动，直线传动板5随着平行带13做前后移动。

所述左升降导轨7包括电机传动链16、上链轮一18、上升降传动轴承座19、上链轮二20、上升降传动轴21、升降传动链22、下链轮23、下升降传动轴承座24、下升降传动轴25和下轴承固定板26。

在所述直线传动板5上的左右两边分别固定1个升降导轨固定座15；在所述左右两边的升降导轨固定座15上分别固定安装左升降导轨7和右升降导轨10；

在所述左升降导轨7的下端左侧面固定安装升降电机模组6，在所述左升降导轨7的下端右侧面固定安装下轴承固定板26，在所述下轴承固定板26上安装下升降传动轴承座24，所述下升降传动轴25的一端安装至下升降传动轴承座24的轴承中，下升降传动轴25的另一端固定安装下链轮23；

在所述左升降导轨7的上端固定安装上升降传动轴承座19；所述上升降传动轴21的中部位于上升降传动轴承座19中的轴承中，上升降传动轴21的左端固定安装上链轮一18，上升降传动轴21的右端固定安装上链轮二20；

所述升降电机模组6与上链轮一18均位于所述左升降导轨7的左侧；所述升降电机模组6与上链轮一18通过电机传动链16连接；所述上链轮二20与下链轮23均位于所述左升降导轨7的右侧；所述上链轮二20与下链轮23通过升降传动链22连接。

在所述左升降导轨7的内侧和右升降导轨10的内侧均设有滑块导轨，在所述左升降导轨7的滑块导轨和右升降导轨10的滑块导轨上分别设有与滑块导轨配合的升降滑块17。

与左升降导轨7的滑块导轨配合的升降滑块17与升降传动链22固定连接。

所述升降滑块17在所述导轨内上下滑动；

所述横梁8的左右两端分别与两个升降滑块17固定连接；所述横梁8水平设置；在所述横梁8上固定安装无人机固定装置9；所述无人机固定装置9用于安装绑定多旋翼植保无人机。

当所述升降电机模组6运转时，通过电机传动链16带动上链轮18转动，再通过上升降传动轴21，带动上链轮20转动，并通过升降传动链22带动升降滑块17上下移动，同时带动横梁8上下移动；

在所述直线传动板5上还固定安装有激光粒度仪，所述激光粒度仪避开平行带压紧座28的安装位置；所述激光粒度仪用于实现喷幅和雾场均匀性的组合检测；

所述下位机模块依次通过pwm变频器(简称pwm)、直线电机驱动器31与直线电机模组2相连接；下位机模块依次通过pwm变频器、升降电机驱动器34与升降电机模组6相连接；

所述上位机模块通过下位机模块实现：①控制升降电机模组6的速度，以实现横梁8的升降；②控制直线电机模组2的速度，以实现直线传动板5前后直线运动的调速；③存储激光雷达14采集的数据；

在上述技术方案的基础上，所述下位机模块包括：单片机29，所述单片机29用于对直线电机模组2和升降电机模组6进行启停控制与速度调节。

在上述技术方案的基础上，所述单片机29的型号为：arduinomega2560。

在上述技术方案的基础上，所述下位机模块与上位机模块通过串口相连接。

在上述技术方案的基础上，所述上位机模块为计算机30(即上位机)。

在上述技术方案的基础上，所述上位机模块与激光雷达14通过以太网相连接。

在上述技术方案的基础上，所述直线运动距离检测模块为：激光测距传感器一32，所述升降检测模块为：激光测距传感器二35。

在上述技术方案的基础上，所述底座3的实际长度与所述sbr导轨4的实际长度，依据实际检测评价和需求进行增长或缩短；

所述无人机固定装置9平行于横梁8与地面，可绑定不同型号的多旋翼植保无人机。

在上述技术方案的基础上，所述横梁8的长度设定为5m，使得多旋翼植保无人机桨叶形成的风场带动雾滴充分扩散，且尽量减少激光雷达14检测范围内的干扰。

在上述技术方案的基础上，所述激光雷达14的类型为：二维截面检测类型。

通过下位机模块控制直线电机模组2的速度，结合激光测距传感器一32的距离检测，可以实现直线运动速度的调节。

所述sbr导轨滑块27在所述sbr导轨4上实现低摩擦系数的直线运动；

除了激光雷达和激光粒度仪外，本发明亦可安装水敏纸等其他测试装置，以实现多指标检测。

一种多旋翼植保无人机施药性能的室内检验方法，应用上述多旋翼植保无人机施药性能的室内检验系统，包括以下步骤：

s1、安装绑定多旋翼植保无人机于无人机固定装置9上；

s2、将横梁8调整至某一高度，以模拟多旋翼植保无人机的实际作业高度，并将直线传动板5调整至初始位置；所述初始位置为与直线电机模组2同侧的位置；

s3、通过上位机模块设定多旋翼植保无人机的运动速度，并开启激光雷达14和上位机模块；

s4、启动多旋翼植保无人机的喷雾系统和旋翼运动系统，形成喷雾场；启动直线电机模组2，多旋翼植保无人机开始前后直线运动；同时，利用激光雷达14扫描截面内的喷雾场，检测截面的雾滴分布，在上位机模块显示输出；

s5、根据检验需求，调整横梁8的高度与无人机的速度，重复步骤s4，获得不同作业参数条件下的多旋翼植保无人机喷幅与雾场分布；

s6、检验完毕，将所有部件归置到初始位置，关闭上位机模块，关闭电源。

本发明的有益技术效果如下：

本发明针对多旋翼植保无人机施药与检验技术领域中，对基于大田环境的多旋翼植保无人机喷雾系统结构设计与喷施效果综合评价存在的难点问题，提出技术方案加以解决；本申请所述技术方案能够在较少的测试次数条件下检测，并获取多旋翼植保无人机的多项喷洒指标，包括：雾滴分布均匀性和喷幅，并能够直接计算显示检测结果，避免了在大田环境检测过程中存在的环境因素干扰等问题，具有良好的直观性、准确性和可重复性；由于直线运动板5的速度与横梁8的升降高度可调节，本发明更加符合对实际作业的模拟检测需求。本发明的技术方案综合程度高，操作简单，精确度高，适合用于多旋翼植保无人机喷雾系统性能评价与调整，以及作业参数选择的测试与检验。

附图说明

本发明有如下附图：

图1为多旋翼植保无人机施药性能的室内检验系统的控制硬件连接关系示意框图；

图2为多旋翼植保无人机施药性能的室内检验系统的总体结构示意图；

图3为多旋翼植保无人机施药性能的室内检验系统的左升降导轨7的局部结构示意图；

图4为多旋翼植保无人机施药性能的室内检验系统的sbr导轨4的局部结构示意图；

图5为多旋翼植保无人机施药性能的室内检验系统的平行带13与直线传动板5连接处的局部结构示意图；

图6为多旋翼植保无人机施药性能的室内检验方法流程示意图；

图7为某六旋翼植保无人机模拟作业高度1.5m、作业速度4m/s时的喷幅与雾滴分布均匀性检测结果示意图；

图8为某六旋翼植保无人机模拟作业高度1.5m、作业速度1m/s时的喷幅与雾滴分布均匀性检测结果示意图；

图9为某六旋翼植保无人机模拟作业高度1.5m、作业速度1m/s、左右两喷头各缩进50mm后的喷幅与雾滴分布均匀性检测结果示意图。

附图标记：

1、直线电机安装平台；2、直线电机模组；3、底座；4、sbr导轨；5、直线传动板；6、升降电机模组；7、左升降导轨；8、横梁；9、无人机固定装置；10、右升降导轨；11、带轮安装平台；12、皮带轮；13、平行带；14、激光雷达；15、升降导轨固定座；16、电机传动链；17、升降滑块；18、上链轮一；19、上升降传动轴承座；20、上链轮二；21、上升降传动轴；22、升降传动链；23、下链轮；24、下升降传动轴承座；25、下升降传动轴；26、下轴承固定板；27、sbr导轨滑块；28、平行带压紧座；29、单片机；30、计算机；31、直线电机驱动器；32、激光测距传感器一；34、升降电机驱动器；35、激光测距传感器二。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例，进一步阐述本发明。

图1为本发明多旋翼植保无人机施药性能的室内检验系统的控制硬件连接关系示意框图。图2-图5展示了多旋翼植保无人机施药性能的室内检验系统的结构示意图，其中图2为系统的总体结构示意图，图3为左升降导轨7及其各部件的局部结构示意图，图4为sbr导轨4与sbr导轨滑块27的局部结构示意图，图5为直线传动板5与平行带13连接处的局部结构示意图。图6多旋翼植保无人机施药性能的室内检验方法流程示意图。

一种多旋翼植保无人机施药性能的室内检验系统，包括：

上位机模块、下位机模块、直线运动模块、升降运动模块、直线运动距离检测模块、升降距离检测模块、底座3、激光雷达14和pwm变频器；

所述直线运动模块包括直线电机安装平台1、直线电机模组2、sbr导轨4、sbr导轨滑块27、直线传动板5、带轮安装平台11、皮带轮12、平行带13和直线电机驱动器31；

所述升降运动模块包括升降电机模组6、左升降导轨7、横梁8、无人机固定装置9、右升降导轨10、升降导轨固定座15和升降电机驱动器34；

所述直线运动模块安装于所述底座3上，所述升降运动模块安装于所述直线运动模块上，所述激光雷达14安装于直线传动板5上；所述下位机模块分别与上位机模块、直线运动模块、升降运动模块、直线运动距离检测模块和升降距离检测模块相连接；所述激光雷达14与上位机模块相连接；

所述上位机模块用于显示可视化界面，作为人机交互的接口；并通过下位机模块实现对直线运动模块和升降运动模块的控制，以及存储激光雷达14采集的数据；

所述直线运动模块用于实现无人接的直线运动，所述升降运动模块用于实现无人接的升降；所述直线运动距离检测模块用于实时监测左升降导轨7的前后位置；所述升降距离检测模块用于实时监测横梁8的上下位置；所述激光雷达14用于针对某一平面内特定区域的雾场检测。

在所述底座3上的左右两边分别安装sbr导轨4；在所述sbr导轨4上安装sbr导轨滑块27；在所述sbr导轨滑块27上固定安装直线传动板5；

在所述底座3的前端固定安装直线电机安装平台1，在所述底座3的后端固定安装带轮安装平台11；在所述直线电机安装平台1上安装直线电机模组2，在所述带轮安装平台11上安装皮带轮12；所述直线电机模组2通过平行带13与皮带轮12相连接。

所述直线运动模块还包括平行带压紧座28，所述平行带13通过平行带压紧座28固定于直线传动板5上。

当直线电机模组2运转时，带动平行带13前后移动，同时皮带轮12转动，直线传动板5随着平行带13做前后移动。

所述左升降导轨7包括电机传动链16、上链轮一18、上升降传动轴承座19、上链轮二20、上升降传动轴21、升降传动链22、下链轮23、下升降传动轴承座24、下升降传动轴25和下轴承固定板26。

在所述直线传动板5上的左右两边分别固定1个升降导轨固定座15；在所述左右两边的升降导轨固定座15上分别固定安装左升降导轨7和右升降导轨10；

在所述左升降导轨7的下端左侧面固定安装升降电机模组6，在所述左升降导轨7的下端右侧面固定安装下轴承固定板26，在所述下轴承固定板26上安装下升降传动轴承座24，所述下升降传动轴25的一端安装至下升降传动轴承座24的轴承中，下升降传动轴25的另一端固定安装下链轮23；

在所述左升降导轨7的上端固定安装上升降传动轴承座19；所述上升降传动轴21的中部位于上升降传动轴承座19中的轴承中，上升降传动轴21的左端固定安装上链轮一18，上升降传动轴21的右端固定安装上链轮二20；

所述升降电机模组6与上链轮一18均位于所述左升降导轨7的左侧；所述升降电机模组6与上链轮一18通过电机传动链16连接；所述上链轮二20与下链轮23均位于所述左升降导轨7的右侧；所述上链轮二20与下链轮23通过升降传动链22连接。

在所述左升降导轨7的内侧和右升降导轨10的内侧均设有滑块导轨，在所述左升降导轨7的滑块导轨和右升降导轨10的滑块导轨上分别设有与滑块导轨配合的升降滑块17。

与左升降导轨7的滑块导轨配合的升降滑块17与升降传动链22固定连接。

所述升降滑块17在所述导轨内上下滑动；

所述横梁8的左右两端分别与两个升降滑块17固定连接；所述横梁8水平设置；在所述横梁8上固定安装无人机固定装置9；所述无人机固定装置9用于安装绑定多旋翼植保无人机。

当所述升降电机模组6运转时，通过电机传动链16带动上链轮18转动，再通过上升降传动轴21，带动上链轮20转动，并通过升降传动链22带动升降滑块17上下移动，同时带动横梁8上下移动；

在所述直线传动板5上还固定安装有激光粒度仪，所述激光粒度仪避开平行带压紧座28的安装位置；所述激光粒度仪用于实现喷幅和雾场均匀性的组合检测；

所述下位机模块依次通过pwm变频器(简称pwm)、直线电机驱动器31与直线电机模组2相连接；下位机模块依次通过pwm变频器、升降电机驱动器34与升降电机模组6相连接；

所述上位机模块通过下位机模块实现：①控制升降电机模组6的速度，以实现横梁8的升降；②控制直线电机模组2的速度，以实现直线传动板5前后直线运动的调速；③存储激光雷达14采集的数据；

在上述技术方案的基础上，所述下位机模块包括：单片机29，所述单片机29用于对直线电机模组2和升降电机模组6进行启停控制与速度调节。

在上述技术方案的基础上，所述单片机29的型号为：arduinomega2560。

在上述技术方案的基础上，所述下位机模块与上位机模块通过串口相连接。

在上述技术方案的基础上，所述上位机模块为计算机30(即上位机)。

在上述技术方案的基础上，所述上位机模块与激光雷达14通过以太网相连接。

在上述技术方案的基础上，所述直线运动距离检测模块为：激光测距传感器一32，所述升降检测模块为：激光测距传感器二35。

在上述技术方案的基础上，所述底座3的实际长度与所述sbr导轨4的实际长度，依据实际检测评价和需求进行增长或缩短；

所述无人机固定装置9平行于横梁8与地面，可绑定不同型号的多旋翼植保无人机。

在上述技术方案的基础上，所述横梁8的长度设定为5m，使得多旋翼植保无人机桨叶形成的风场带动雾滴充分扩散，且尽量减少激光雷达14检测范围内的干扰。

在上述技术方案的基础上，所述激光雷达14的类型为：二维截面检测类型。

通过下位机模块控制直线电机模组2的速度，结合激光测距传感器一32的距离检测，可以实现直线运动速度的调节。

所述sbr导轨滑块27在所述sbr导轨4上实现低摩擦系数的直线运动；

除了激光雷达和激光粒度仪外，本发明亦可安装水敏纸等其他测试装置，以实现多指标检测。

下位机模块选用arduinomega2560单片机(下位机)作为控制系统核心，并采用串口通讯方式实现与计算机30(上位机)的交互；计算机30采用以太网实现与激光雷达14的通讯；上位机模块采用qt编写环境制作的可视化界面实现人机交互，下位机模块实现直线电机模组2与升降电机模组7的启停控制和速度调节，从而实现横梁8和无人机固定装置9的高度调节与直线传动板5直线运动的速度调节等。

以下所示的为：对多旋翼植保无人机喷雾场进行雾滴扫描的实例，是对以上所述过程的试验验证。

试验目的：验证本发明的有效性，检测多旋翼植保无人机施药性能的室内检验系统的各部分是否运行良好。

试验设计：参考图6的操作步骤进行，具体试验过程为：

1.安装绑定某型号六旋翼植保无人机于无人机固定装置9上；

2.将横梁8调整至距离地面高度1.5m，将直线传动板5调整至初始位置；

3.通过上位机模块设定直线传动板5的运动速度保持为4m/s，并开启激光雷达14和上位机模块(涉及相关软件)；

4.启动多旋翼植保无人机喷雾系统和旋翼运动系统，形成喷雾场；启动直线电机模组2，多旋翼植保无人机开始前后直线运动；同时，利用激光雷达14扫描截面内的喷雾场，检测截面的雾滴分布，获得多旋翼植保无人机的喷幅与雾场分布，在上位机模块显示输出试验结果，如图7所示；

5.由图7的检测结果可知，多旋翼植保无人机4m/s的检测速度过快，导致雾滴漂移比较严重，因此需要降低检测速度。将直线传动板5的运动速度设定保持为1m/s，重新调整横梁8的高度距地面为1.5m，重复步骤4，获得作业速度调整后的多旋翼植保无人机的喷幅与雾场分布，如图8所示；

6.由图8的检测结果可知，多旋翼植保无人机的雾滴漂移减小，但雾滴分布集中于两部分，因此将喷头间距缩小后再次检测评价。直线传动板5的运动速度继续保持为1m/s，将该六旋翼无人机喷雾系统的左右两侧喷头各缩进50mm，重复步骤4，获得喷雾系统结构调整后的多旋翼植保无人机的喷幅与雾场分布，如图9所示；

7.检验完毕，将所有部件归置初始位置，关闭上位机模块，关闭电源。

由试验结果显示可知，运用本申请所述方法，雾滴沉积均匀性、喷幅等情况展现清晰，能够成功得到检测所需指标。

本发明的实施例是为了示例和描述起见而给出的，而并不是无任何遗漏或将本发明限于所公开的形式。本领域的普通技术人员基于本申请所做出的修改也属于本发明的保护范围。

本说明书中未做详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。