本發(fā)明屬于農(nóng)業(yè)無人機領域，尤其涉及無人機旋翼下方風場測量平臺及采用該平臺的風場測量方法。

背景技術：

由于無人機結(jié)構(gòu)簡單、造價低廉，因此被廣泛運用于各種領域，無人機在市場上越來越火熱。近年來，精準農(nóng)業(yè)航空植保與無人機植保作業(yè)技術成為發(fā)展熱點。無人機植保具有較好的安全性，施藥人員遙控操作植保機噴灑，因此施藥人員安全；環(huán)境安全，可在空中定向定點噴灑農(nóng)藥，植保無人機旋翼產(chǎn)生的強大氣流將藥液直接壓迫作用于作物的各個層面，農(nóng)藥隨氣流可深入到農(nóng)作物的根部，葉子的背面，能使害蟲無處可逃，環(huán)保安全。無人機植保能夠節(jié)約水資源且效率較高，無人機植保約每分鐘可噴灑1-2畝，一天(按6-8小時計)一架植保機可噴灑300-600畝，相當于30-100個人的工效，解放了勞動力；可貼近農(nóng)作物0.5-2米噴藥，霧流上下穿透力強，漂移少，霧滴細勻，可提高農(nóng)藥利用率30％以上；使用超低容量施藥技術，每畝施藥僅需400-600毫升，節(jié)約水資源。無人機植保操作簡便，易學易用、操作簡單，加藥、換電池方便快捷。無人機植保使用維護便宜，整機使用壽命長，燃油成本0.4元/畝，同時維護成本低，零部件更換方便。

無人機進行植保作業(yè)時，由旋翼下方產(chǎn)生的風場將藥液施加在農(nóng)作物上，達到快速施藥的效果。在藥液下降的過程中，旋翼下方風場對液滴漂移影響顯著。相對于地面噴灑作業(yè)，無人機噴灑作業(yè)的漂移及沉降更為復雜，無人機的伴流(旋冀與尾冀生產(chǎn)的漩渦氣流)對飛機噴灑霧滴在空中經(jīng)歷的運行、漂移、和蒸發(fā)和沉降等過程產(chǎn)生影響，從而影響農(nóng)藥噴灑效果。因此為實現(xiàn)精準施藥，研究旋翼下方風場的規(guī)律特點就很有必要。目前，已有一些設備和方法對無人機旋翼下方的風場進行測量，然而其結(jié)構(gòu)復雜、操作不便或不能突破界限且不能對風場內(nèi)進行穩(wěn)定準確地多點測量。

技術實現(xiàn)要素：

針對上述問題，本發(fā)明提供一種能穩(wěn)定準確地對無人機旋翼下方風場進行多點測量、結(jié)構(gòu)簡單、操作容易的無人機旋翼下方風場測量平臺。

本發(fā)明的第二個目是提供一種采用該平臺對無人機旋翼下風場穩(wěn)定準確進行多點測量的測量方法。

無人機旋翼下方風場測量平臺，包括電源、機架、旋翼安裝部、三維立體移動機構(gòu)、安裝在三維立體移動機構(gòu)上的風速儀，旋翼通過旋翼安裝部向下安裝在機架內(nèi)并固定在機架頂部中央，三維立體移動機構(gòu)安裝在機架一側(cè)，風速儀在三維立體移動機構(gòu)的驅(qū)動下伸入機架內(nèi)部且在機架內(nèi)部三個維度方向移動并對內(nèi)部無阻礙的旋翼下方風場各點進行測量。機架內(nèi)部無阻礙，旋翼通過旋翼安裝部安裝在機架頂部上方，旋翼不伸出機架的邊界。風速儀在三維立體移動機構(gòu)的帶動下運動，三維立體機構(gòu)能在空間三個維度方向移動，因此風速儀在空間三個維度方向上移動。采用此結(jié)構(gòu)的優(yōu)點，突破無人機旋翼下方風場的界限，能穩(wěn)定、精準地對旋翼下方風場進行多點測量。通過更換不同型號的旋翼，從而實施對不同旋翼下方風場的測量、統(tǒng)計、研究。

作為一種優(yōu)選，還包括控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)用于控制三維立體移動機構(gòu)的啟停，控制三維立體移動機構(gòu)的移動方向和移動位移。采用此結(jié)構(gòu)的優(yōu)點，通過對控制系統(tǒng)的設定、指令、操作，可以實現(xiàn)測量過程的自動化及精準化，避免人工測量帶來誤差且能減少工作量。

作為一種優(yōu)選，機架為由多根鋁合金條搭建而成的長方體形框架，一面置于地面，上面和地面平行，“十”字形的支架安裝在長方體形框架的上面，支架的交叉點位于長方體形框架頂面中心。下面為置于地面的一面，上面為長方體形框架上和下面平行的一面。長條可使用鋁合金等具有一定支撐力的材質(zhì)制成。采用此結(jié)構(gòu)的優(yōu)點，機架結(jié)構(gòu)簡單，方便調(diào)整，機架內(nèi)部無阻礙，風速儀在機架內(nèi)部運動暢通，方便風速儀對風場進行多點測速。

作為一種優(yōu)選，旋翼安裝部包括電機、旋翼支撐柱和雙卡緊機構(gòu)，雙卡緊機構(gòu)固定于機架正中央，雙卡緊機構(gòu)下端夾緊旋翼支撐柱，旋翼通過電機固定安裝于旋翼支撐柱。雙卡緊機構(gòu)固定于機架的一端為上端，夾緊旋翼支撐柱的一端為下端。采用此結(jié)構(gòu)的優(yōu)點，旋翼支撐柱和雙卡緊機構(gòu)的配合安裝，使得旋翼穩(wěn)定牢固地安裝在機架上。

作為一種優(yōu)選，雙卡緊機構(gòu)包括兩個卡緊夾，兩個卡緊夾扣合固定后圍成兩個相互平行的將旋翼支撐柱包裹夾緊的空心圓柱，雙卡緊機構(gòu)的上端通過螺栓連接方式固定在機架上。采用此結(jié)構(gòu)的優(yōu)點，雙卡緊機構(gòu)下端在合模后形成的兩處空心圓柱從而將旋翼支撐柱夾緊，上端通過螺栓連接方式固定在機架上，從而保證了旋翼安裝的穩(wěn)定環(huán)境。

作為一種優(yōu)選，三維立體移動機構(gòu)包括平面移動機構(gòu)和電動伸縮桿，電動伸縮桿安裝在平面移動機構(gòu)上，電動伸縮桿在垂直于平面移動機構(gòu)的方向逐級伸縮。采用此結(jié)構(gòu)的優(yōu)點，結(jié)構(gòu)簡單，且電動伸縮桿能穩(wěn)定地在空間三個維度方向移動。

作為一種優(yōu)選，平面移動機構(gòu)包括滑動導軌、滑軌支撐架、滑塊；滑動導軌包括橫向滑動導軌、縱向滑動導軌，滑塊包括橫向滑塊、縱向滑塊；橫向滑動導軌置于地面，滑軌支撐架包括和橫向滑動導軌平行的導軌以及將導軌支撐起來的兩根支柱，兩根支柱分別安裝于橫向滑動導軌的兩端，縱向滑動導軌一端固定于在橫向滑動導軌上滑動的橫向滑塊上，另一端嵌入導軌中，電動伸縮桿固定于在縱向滑動導軌滑動的縱向滑塊上?；壷渭艹省唉小毙危瑑蓚?cè)兩根立柱安裝在橫線供滑動導軌的兩端，上部的導軌和橫向滑動導軌平行。采用此結(jié)構(gòu)的優(yōu)點，涉及的零部件少，電動伸縮桿通過平面移動機構(gòu)能在橫向和縱向方向快速穩(wěn)定地移動，為穩(wěn)定測量提供必要條件。

作為一種優(yōu)選，滑動導軌包括底板、滾珠絲桿、絲桿支撐座、光軸、電機支座、步進電機、聯(lián)軸器，絲桿支撐座安裝在底板兩端，滾珠絲桿安裝在絲桿支撐座之間，光軸固定安裝于絲桿支撐座之間且光軸位于滾珠絲桿的兩側(cè)，步進電機通過電機支座安裝于一絲桿支撐座外側(cè)，步進電機通過聯(lián)軸器和滾珠絲桿連接；安裝于滾珠絲杠上的滑塊隨著滾珠絲杠的滾動沿著滾珠絲桿方向直線移動，并通過光軸導向。絲桿支撐座面向底板的一側(cè)為內(nèi)側(cè)，另一側(cè)為外側(cè)。所述滑塊即橫向滑塊/縱向滑塊。采用此結(jié)構(gòu)的優(yōu)點，電機帶動滾珠絲桿的滾動從而實現(xiàn)滑塊的移動，滾珠絲桿兩側(cè)安裝的光軸能使滑塊保持穩(wěn)定地直線運動，結(jié)構(gòu)簡單，運動穩(wěn)定。

作為一種優(yōu)選，所述風速儀為熱線式風速儀。該平臺應用于室內(nèi)或室外測量無人機旋翼下方風場。采用此結(jié)構(gòu)的優(yōu)點，熱線式風速儀較使用葉輪或皮托管測量更加穩(wěn)定、精確。

采用上述無人機旋翼下方風場測量平臺的風場測量方法，包括下列步驟：

a、調(diào)節(jié)三維立體移動機構(gòu)至測量平臺的基準點；

b、安裝需要待測無人機型號的旋翼，啟動電機使旋翼轉(zhuǎn)動，并根據(jù)實際情況調(diào)整旋翼轉(zhuǎn)速；

c、根據(jù)實際需求，移動三維立體移動機構(gòu)，在三維立體移動機構(gòu)帶動下的風速儀伸入機架內(nèi)部對旋翼下方風場測量風速。

本發(fā)明的優(yōu)點：

(1)通過三維立體移動機構(gòu)的帶動，風速儀進入旋翼下方風場內(nèi)測量風場內(nèi)多點的風速，通過機架和旋翼安裝部搭建出穩(wěn)定的風場模型，因此，風場被模型化，在控制不同變量的情況下測出風場內(nèi)多點風速數(shù)據(jù)，為研究無人機旋翼下方風場的規(guī)律特點提供實驗平臺。本發(fā)明使用的風速儀是熱線式風速儀，因此測量更加穩(wěn)定、精確。

(2)控制系統(tǒng)能夠讓測量自動化、更穩(wěn)定，從而可以保證測量穩(wěn)定、準確，也因此還能減少工作量；并且對控制系統(tǒng)的編程和指令，對移動的設定距離進行更改，測量風場內(nèi)更多點的風速，獲得更多測量結(jié)果和數(shù)據(jù)。

(3)滑動導軌使用滾珠絲桿，將滑塊安裝在滾珠絲桿上，利用滾珠絲桿的轉(zhuǎn)動從而帶動滑塊在直線方向的移動，且在滾珠絲桿兩側(cè)安裝光軸，這進一步保證了滑塊在直線方向的穩(wěn)定運動，從而保證了風速儀在直線方向的精準移動。

(4)縱向滑動導軌一端通過支承板固定在橫向滑塊上，另一端嵌入滑軌支撐架，從而實現(xiàn)了縱向滑動導軌在橫向方向的穩(wěn)定移動，為確?？v向滑塊在縱向方向的穩(wěn)定移動和風速儀在法向方向的穩(wěn)定移動提供好的支持。

(5)使用雙卡緊機構(gòu)，在將旋翼支撐柱使用卡緊夾雙卡緊的同時，還將卡緊夾的另一端通過螺栓固定在機架上，從而實現(xiàn)將旋翼支撐柱牢固地固定在機架上。

(6)機架采用鋁合金條搭建而成的長方體框架，結(jié)構(gòu)簡單且實驗過程中易于調(diào)整；長方體框架內(nèi)部空曠、無阻礙，三維立體移動機構(gòu)能帶動風速儀在機架內(nèi)部無阻礙移動，從而完成旋翼下方風場內(nèi)部的多點測量。

附圖說明

圖1為無人機旋翼下方風場測量平臺結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2為滑動導軌結(jié)構(gòu)示意圖。

圖3雙卡緊機構(gòu)示意圖。

圖4支承板示意圖。

圖5為夾緊套筒示意圖。

圖6為控制系統(tǒng)原理示意圖。

其中，1為機架，2為旋翼，3為旋翼支撐柱，4為雙卡緊機構(gòu)，5為橫向滑動導軌，6為縱向滑動導軌，7為電動伸縮桿，8為熱線式風速儀，9為夾緊套筒，10為滑軌支撐架，11為絲桿支撐座，12為底板，13為滑塊，14為光軸，15為滾珠絲桿，16為聯(lián)軸器，17為電機支座，18為步進電機，19為卡緊夾，20為螺栓，21為螺母，22為筒夾，23為螺栓，24為螺母。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖對本發(fā)明做進一步的具體說明。

實施例：

無人機旋翼下方風場測量平臺，包括電源、機架、旋翼安裝部、三維立體移動機構(gòu)、安裝在三維立體移動機構(gòu)上的風速儀，旋翼通過旋翼安裝部向下安裝在機架內(nèi)并固定在機架頂部中央，三維立體移動機構(gòu)安裝在機架一側(cè)，風速儀在三維立體移動機構(gòu)的驅(qū)動下伸入機架內(nèi)部且在機架內(nèi)部三個維度方向移動并對內(nèi)部無阻礙的旋翼下方風場各點進行測量。機架內(nèi)部無阻礙，旋翼通過旋翼安裝部安裝在機架頂部中央，旋翼不伸出機架的邊界。風速儀在三維立體移動機構(gòu)的帶動下運動，三維立體機構(gòu)能在空間三個維度方向移動，因此風速儀在空間三個維度方向上移動。

本實施例中，還包括控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)用于控制三維立體移動機構(gòu)的啟停，控制三維立體移動機構(gòu)的移動方向和移動位移。對控制系統(tǒng)進行指令或操作，設定三維立體移動機構(gòu)移動的設定距離和移動方向，實現(xiàn)測量平臺的自動啟停及全過程測量。測量的自動化，一方面不但減少工作量，且能夠減少人工測量帶來的誤差，進一步提升實驗和數(shù)據(jù)的可靠性。

機架為由多根鋁合金條搭建而成的長方體形框架，一面置于地面，上面和地面平行，“十”字形的支架安裝在長方體形框架的上面，支架的交叉點位于長方體形框架的上面的中心。本實施例中采用一米長的鋁合金條搭建的立方體框架。

旋翼安裝部包括電機、旋翼支撐柱和雙卡緊機構(gòu)，雙卡緊機構(gòu)固定于機架正中央，雙卡緊機構(gòu)下端夾緊旋翼支撐柱，旋翼通過電機固定安裝于旋翼支撐柱。雙卡緊機構(gòu)安裝固定在“十”字形支架的交叉點。

雙卡緊機構(gòu)包括兩個卡緊夾，兩個卡緊夾扣合固定后圍成兩個相互平行的將旋翼支撐柱包裹夾緊的空心圓柱，雙卡緊機構(gòu)的上端通過螺栓連接方式固定在機架上。安裝時，不妨將兩個卡緊夾定義為左卡緊夾、右卡緊夾，左卡緊夾、右卡緊夾二者完全相同，左卡緊夾、右卡緊夾從兩側(cè)合模并通過下端的兩處空心圓柱將旋翼支撐柱包裹住，再通過螺栓連接方式在左卡緊夾、右卡緊夾的下端將左卡緊夾、右卡緊夾固定在一起，從而實現(xiàn)將旋翼支撐柱夾緊。

左卡緊夾、右卡緊夾合模的時候在雙卡緊機構(gòu)的中部和下部形成將旋翼支撐柱包裹的空心圓柱體狀，旋翼支撐柱在雙卡緊機構(gòu)被夾住，擰緊雙卡緊機構(gòu)中部、下部兩側(cè)的螺栓從而將旋翼支撐柱在其兩個身段位夾緊；在雙卡緊機構(gòu)的上部開設有螺紋孔，使用螺栓穿過螺紋孔將雙卡緊機構(gòu)固定安裝在機架正中央。

三維立體移動機構(gòu)包括平面移動機構(gòu)和電動伸縮桿，電動伸縮桿安裝在平面移動機構(gòu)上，電動伸縮桿在垂直于平面移動機構(gòu)的方向逐級伸縮。

平面移動機構(gòu)包括滑動導軌、滑軌支撐架、滑塊；滑動導軌包括橫向滑動導軌、縱向滑動導軌，滑塊包括橫向滑塊、縱向滑塊；橫向滑動導軌置于地面，滑軌支撐架包括和橫向滑動導軌平行的導軌以及將導軌支撐起來的兩根支柱，兩根支柱分別安裝于橫向滑動導軌的兩端，縱向滑動導軌一端固定于在橫向滑動導軌上滑動的橫向滑塊上，另一端嵌入導軌中，電動伸縮桿固定于在縱向滑動導軌滑動的縱向滑塊上。本實施例中，支承板開設八個孔，外側(cè)四個孔及內(nèi)側(cè)四個孔，在支承板外側(cè)四個孔通過螺栓連接方式將橫向滑塊固定在橫向滑動導軌上，縱向滑動導軌通過支承板固定在橫向滑塊上，縱向滑動導軌固定在支承板的內(nèi)側(cè)。另一塊支承板固定在縱向滑塊上，夾緊套筒焊接在支承板上，電動伸縮桿安裝固定在夾緊套筒的筒夾內(nèi)。滑軌支撐架呈“π”形，兩側(cè)兩根柱子分別安裝在橫線供滑動導軌的兩端，上部的導軌和橫向滑動導軌平行。滑軌電動伸縮桿采用逐級伸長或縮短的運動方式，且電動伸縮桿每次逐級縮短或伸長的長度都為設定距離，設定距離和橫向滑塊、縱向滑塊的設定距離均相同。電動伸縮桿伸入機架的一端為前端，另一端為后端，在電動伸縮桿前端安裝風速儀。

滑動導軌均包括底板、滾珠絲桿、絲桿支撐座、光軸、電機支座、步進電機、聯(lián)軸器，絲桿支撐座安裝在底板兩端，滾珠絲桿安裝在絲桿支撐座之間，光軸固定安裝于絲桿支撐座之間且光軸位于滾珠絲桿的兩側(cè)，步進電機通過電機支座安裝于一絲桿支撐座外側(cè)，步進電機通過聯(lián)軸器和滾珠絲桿連接；安裝于滾珠絲杠上的滑塊隨著滾珠絲杠的滾動沿著滾珠絲桿方向直線移動，并通過光軸導向。滾珠絲桿和光軸穿過滑塊且將滑塊安裝在滾珠絲桿和光軸上。絲桿支撐座面向底板的一側(cè)為內(nèi)側(cè)，背向底板的一側(cè)為外側(cè)。兩根光軸和滾珠絲桿穿過橫向滑塊后，再安裝于兩絲桿支撐座之間。

本實施例中，風速儀為熱線式風速儀。該平臺應用于室內(nèi)或室外測量無人機旋翼下方風場。

一般來說，采用無人機旋翼下方風場測量平臺，包括下列步驟：

a、調(diào)節(jié)三維立體移動機構(gòu)至測量平臺的基準點；

b、安裝需要待測無人機型號的旋翼，啟動電機使旋翼轉(zhuǎn)動，并根據(jù)實際情況調(diào)整旋翼轉(zhuǎn)速；

c、根據(jù)實際需求，移動三維立體移動機構(gòu)，在三維立體移動機構(gòu)帶動下的風速儀伸入機架內(nèi)部對旋翼下方風場測量風速。

結(jié)合圖6，對包含控制系統(tǒng)的測量平臺具體說明在控制系統(tǒng)下的工作原理和過程：(1)設置操作面板上的啟/停、方向、位移信號，輸入plc。(2)plc輸出的脈沖信號、方向信號和位移信號傳給電源，驅(qū)動步進電機x、步進電機y和直流電機運動。步進電機x是橫向滑動導軌的驅(qū)動源，步進電機y是縱向滑動導軌的驅(qū)動源，直流電機是電動伸縮桿的驅(qū)動源。(3)通過plc編程驅(qū)動這3個電機配合運動，使固定在電動伸縮桿上的熱線式風速儀按照規(guī)定的路線(即已經(jīng)設定好的設定距離)運動，風速儀測量規(guī)定的路線的多點風速。

結(jié)合本實施例，更具體地說明采用本實施例中無人機旋翼下方風場測量平臺的風場測量方法，也即本發(fā)明的工作過程，包括下列步驟：

a、調(diào)節(jié)橫向滑塊、縱向滑塊及電動伸縮桿至測量平臺的基準點；

b、安裝待測無人機的旋翼，啟動電機使旋翼轉(zhuǎn)動，并根據(jù)實際情況調(diào)整旋翼轉(zhuǎn)速；

c、啟動控制機構(gòu)，并操作指令使橫向滑塊開始移動，離開基準點，移動設定距離；

d、橫向滑塊停止移動后，縱向滑塊開始移動，移動距離與橫向滑塊的設定距離相同；

e、縱向滑塊停止移動后，電動伸縮桿開始伸長，伸長時采用逐級伸長的方式，每一級伸長的距離均與橫向或縱向滑塊移動的設定距離相同；

f、電動伸縮桿伸長距離超出1米時，停止伸長，縱向滑塊繼續(xù)移動設定距離；

g、電動伸縮桿開始收縮，收縮時采用逐級收縮的方式，每一級收縮的距離均為設定距離；

h、電動伸縮桿完成收縮后，縱向滑塊繼續(xù)移動設定距離，重復步驟e～g；

i、當縱向滑塊移至極限距離后，縱向滑塊回到在縱向滑動導軌上的初始位置，接著橫向滑塊再次移動設定距離，重復步驟d～h。

根據(jù)以上步驟，可以測量無人機旋翼下方風場內(nèi)的多點風速，改變設定距離，可以測量風場內(nèi)更多點的數(shù)據(jù)，從而可以更好的研究旋翼下方風場的規(guī)律，為無人機植保的研究提供更多支持。

本發(fā)明的原理：通過構(gòu)建無人機旋翼下方風場的模型，能夠控制更多變量，減少外部因素(變量)的影響，并通過移動機構(gòu)在風場空間內(nèi)移動風速儀，測量風場內(nèi)多點的風速，從而采集到風場內(nèi)多點數(shù)據(jù)，安裝不同型號無人機的旋翼，風場改變，從而可以探測、研究更多無人機旋翼下方風場，為研究無人機旋翼下方風場的規(guī)律特點提供支持。

除了本實施例提及的方式外，上述實施例為本發(fā)明較佳的實施方式，但本發(fā)明的實施方式并不受上述實施例的限制，其他的任何未背離本發(fā)明的精神實質(zhì)與原理下所作的改變、修飾、替代、組合、簡化，均應為等效的置換方式，都包含在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。