本发明涉及无人机技术领域，具体涉及一种植保无人机喷洒作业风场测试系统及方法。
背景技术：
现有的植保无人机包括单旋翼和多旋翼，单旋翼植保无人机的前进、后退、上升、下降主要是依靠调整主桨的角度实现的，转向是通过调整尾部的尾桨实现的，主桨和尾桨的风场相互干扰的概率极低。特点是风场统一、下压风场大、桨叶产生的下洗气流能够使药液到达作物底部的叶背，能够满足多种作物如:大田作物、高杆作物、果树和较茂密作物的作业需求。多旋翼植保无人机飞行中前进、后退、横移、转向、升高、降低主要是依靠调整桨叶的转速实施各种动作，特点是相邻的两个桨叶旋转方向是相反的，所以它们之间的风场是有相互干扰的，也会造成一定的风场紊乱。单旋翼植保机相对多旋翼植保机优点在于喷洒均匀，风场稳定，但是操作难，需要更复杂更高级别的飞控系统，对飞手的操作水平要求很高，实际作业对于环境温度有要求，而且成本较高。上述种种缺点造成了单旋翼的市场普及不如多旋翼植保无人机。
无论是多旋翼还是单旋翼植保无人机，在近地植保作业过程中，旋翼产生的螺旋向下的旋流风场作用对植保作业的喷洒效果影响很大。然而，目前相关的研究和测试设备主要针对单旋翼植保无人机，尚未出现适于多旋翼植保无人机测试设备，而且现有对单旋翼植保无人机的旋翼风场进行测试的设备结构复杂，操作繁琐，例如，申请号为“200910213355.8”的中国发明专利，其提供了一种移动式无人机农用喷洒作业风场测试设备及测试方法，需要先将无人直升机固定在安置于液压伸缩缸前端的伸缩杆上固定台上，使得无人机处于固定空中位置，并借助测试仪器完成测试。该发明专利所提供的测试设备并不适用于多旋翼植保无人机，由于多旋翼植保无人机的喷头通常安装于螺旋桨下方的机臂上，在螺旋桨形成的风场下向下喷洒，而该设备需要将植保无人机安置在固定台上，势必影响下方测试设备对所喷洒农药的收集，进而影响测试数据；另外，该测试设备结构复杂，操作繁琐，而且不能设置动力、测试等参数，难以监控测试状态和过程，测试数据不可追溯。
技术实现要素：
本发明为了解决上述技术问题，提供了一种植保无人机喷洒作业风场测试系统及方法。
本发明第一方面提供了一种植保无人机喷洒作业风场测试系统，包括供电系统、地面站、测试平台以及设于所述测试平台上的动力系统、喷洒系统和飞控系统，所述供电系统分别为所述测试平台、动力系统、喷洒系统和飞控系统提供电能；
所述飞控系统与所述动力系统连接，且与所述地面站无线通信；所述动力系统驱动所述测试平台转动，并产生相应风场以供喷洒系统在该风场下完成喷洒效果测试。
可知地，动力系统包括电机、电调和桨叶，电机与电调连接，电调的电源输入与供电系统连接，电调和飞控系统相连，电调的pwm信号控制输入以及速度反馈输出分别连接至飞控系统。
本发明所提供的植保无人机喷洒作业风场测试系统，通过在测试平台上安装待测的动力系统，由飞控系统实时监测测试平台的姿态和动力系统中电机转速，并反馈至与飞控系统无线通信的地面站，地面站对电机转速等控制信息实时处理后通过飞控系统反馈至动力系统，测试中动力系统提供对应电机转速下所形成的风场，达到相应风场测试效果。
进一步地，所述测试平台包括姿态调节机构和运动平台，所述运动平台包括安装台和环绕连接于所述安装台的多个安装支架，所述安装支架的一端连接于所述安装台，另一端固定所述动力系统。通过所述姿态调节机构改变所述安装台的姿态，飞控系统感知所述安装台的姿态信息并发送至地面站，模拟无人机在不同姿态下以及相应风场下进行喷洒，以完成喷洒效果测试。该测试平台能够模拟无人机水平飞行和俯仰姿态变化，并测试动力系统所形成风场对应的喷洒效果，便于对不同厂家所提供的动力系统进行测试，操作快捷且方便，测试效率高，具有通用性。
进一步地，所述姿态调节机构包括支撑柱、转台、液压缸和球头，所述支撑柱通过所述转台与所述液压缸相对转动连接，所述液压缸顶部固定连接于所述转台，底部与所述球头活动连接，所述球头固定于所述安装台；所述支撑柱顶部安装于吊顶装置。所采用的球头为万向球头，液压缸通过球头与安装台转动连接，从而使得液压缸能够以球头为转动点进行转动，能够使得安装台在液压缸的驱动下改变姿态。
优选地，所述吊顶装置包括底座、连接柱和横梁，所述连接柱的顶部与所述横梁连接，底部固定于所述底座上。
优选地，所述喷洒系统包括药箱、出液管、总喷管、分支喷管、水泵和喷头，所述药箱的出液口通过出液管与水泵进液口连接，所述水泵的出液口与所述总喷管连接，所述总喷管与多个分支喷管连接，所述分支喷管的末端连接所述喷头。
优选地，所述供电系统包括电源和分电板，所述电源通过分电板为所述测试平台、动力系统、喷洒系统和飞控系统供电。
优选地，所述飞控系统包括姿态传感器、pmu、fcu和第一数传模块，所述pmu电源输入端与所述供电系统连接，所述pmu电源输出端与所述fcu连接，所述姿态传感器、第一数传模块和动力系统与所述fcu连接；所述第一数传模块与第二数传模块通信连接，所述第二数传模块与地面站连接。
第二方面，本发明提供了采用上述的植保无人机喷洒作业风场测试系统的测试方法，包括如下步骤：
（1）将飞控系统、动力系统和喷洒系统安装于所述测试平台，并建立飞控系统与地面站的通信连接；
（2）将供电系统分别与飞控系统、动力系统、喷洒系统和测试平台连接；
（3）根据待测的动力系统在地面站设置对应动力参数；
（4）将测试平台调整至预设高度处并进行喷洒测试：通过地面站操控后启动喷洒系统和动力系统并动态调整测试平台姿态，使得喷洒系统在动力系统所形成的风场下完成喷洒测试；
（5）喷洒测试完成后，所形成的数据保存在地面站并由地面站生成数据报告。
优选地，所述步骤（4）在进行喷洒测试前还需对电机进行自检，所述电机自检的步骤如下：
在没有安装桨叶的情况下启动电机；
使得对应通道的电机按照固定怠速值运行；
电机运行过程中检查电路有无异常，电机有无异响、卡顿现象；
判断每个电机转向是否正确；
确认无误后断开电源，安装桨叶以进行后续喷洒测试。
优选地，所述步骤（4）中的喷洒测试过程还包括如下步骤：
所述飞控系统实时获取电源电压、油门以及测试平台震动数据，并发送给地面站；
当电源电压、油门或者测试平台震动数据超过飞控系统中所设定的报警阈值时，飞控系统反馈相应的报警代码至地面站显示并控制动力系统停止运行。
采用上述技术方案，包括以下有益效果：本发明所提供的植保无人机喷洒作业风场测试系统及方法，结构以及操作过程简单，通过飞控系统实时监测测试平台的姿态以及动力系统转速等信息，并反馈给地面站。同时，地面站将转速等控制信息实时处理，发给动力系统，使得动力系统达到相应转速后形成风场，完成对应风场下的喷洒效果测试，与飞控系统无线通信的地面站能够实时监控相关参数信息，并保存测试数据供后续参阅。
附图说明
图1为本发明所提供植保无人机喷洒作业风场测试系统的结构框图；
图2为本发明所提供植保无人机喷洒作业风场测试系统的结构示意图；
图3为本发明所提供测试平台的结构示意图；
图4为本发明所提供测试平台的部分剖视图；
图5本发明所提供喷洒系统的结构框图（图中仅示出一个液压缸）；
图6为本发明所提供液压系统的结构示意图；
图7为本发明所提供飞控系统的结构框图。
图中：
1、支撑柱；2、转台；3、液压缸；3.1、缸体；3.2、液压杆；4、安装台；5、安装支架；6、球头；7、桨叶；8、横梁；9、连接柱；10、底座；11、药箱；12、轴承；13、出液管；14、水泵；15、总喷管；16、分支喷管；17、喷头；18、液压油箱；19、液压泵；20、进油管；21、液压控制器；22、出油管。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明中，术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“中”、“竖直”、“水平”、“横向”、“纵向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系。这些术语主要是为了更好地描述本发明及其实施例，并非用于限定所指示的装置、元件或组成部分必须具有特定方位，或以特定方位进行构造和操作。
并且，上述部分术语除了可以用于表示方位或位置关系以外，还可能用于表示其他含义，例如术语“上”在某些情况下也可能用于表示某种依附关系或连接关系。对于本领域普通技术人员而言，可以根据具体情况理解这些术语在本发明中的具体含义。
此外，术语“安装”、“设置”、“设有”、“连接”、“相连”“套接”应做广义理解。例如，可以是固定连接，可拆卸连接，或整体式构造；可以是机械连接，或电连接；可以是直接相连，或者是通过中间媒介间接相连，又或者是两个装置、元件或组成部分之间内部的连通。对于本领域普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
除非另有说明，“多个”的含义为两个或两个以上。
下面通过具体的实施例并结合附图对本发明做进一步的详细描述。
实施例一：
无论是多旋翼还是单旋翼植保无人机，在近地植保作业过程中，旋翼产生的螺旋向下的旋流风场作用对植保作业的喷洒效果影响很大，由于喷洒作业风场主要由无人机上的动力系统中的桨叶转动时所产生，所形成的风场与电机参数以及桨叶尺寸有很大关系。因此，本实施例提供了一种植保无人机喷洒作业风场测试系统，通过模拟无人机作业过程中的姿态变化，并改变动力系统中电机转速，测试所形成风场下的喷洒效果。
本实施例提供了一种植保无人机喷洒作业风场测试系统，参阅图1，包括供电系统、地面站、测试平台以及设于所述测试平台上的动力系统、喷洒系统和飞控系统，所述供电系统分别为所述测试平台、动力系统、喷洒系统和飞控系统提供电能；所述飞控系统与所述动力系统连接，且与所述地面站无线通信；所述动力系统驱动所述测试平台转动，并产生相应风场以供喷洒系统在该风场下完成喷洒效果测试。
可知地，动力系统包括电机、电调和桨叶，电机与电调连接，电调的电源输入与供电系统连接，电调和飞控系统相连，电调的pwm信号控制输入以及速度反馈输出分别连接至飞控系统。
本实施例所提供的植保无人机喷洒作业风场测试系统，通过在测试平台上安装待测的动力系统，启动喷洒系统后，使喷洒系统在动力系统所形成的风场下进行喷洒，喷洒过程中，由飞控系统实时监测测试平台的姿态和动力系统中电机转速，并反馈至与飞控系统无线通信的地面站，地面站对电机转速等控制信息实时处理后通过飞控系统反馈至动力系统，测试中动力系统提供对应电机转速下所形成的风场，并借助现有相应的测试仪器完成相应风场下的体现喷洒效果的测试数据采集，具体可以采用现有放置于测试平台底部的雾滴分布检测仪或雾滴测试卡来检测农药喷雾中雾滴分布、雾滴密度以及雾滴覆盖度，现有雾滴分布检测仪或雾滴测试卡的测试原理为本领域技术人员所公知的，此处不做详述。
进一步地，同时参阅图2、3和4，所述测试平台包括姿态调节机构和运动平台，所述运动平台包括安装台4和环绕连接于所述安装台4的多个安装支架5，所述安装支架5的一端连接于所述安装台4，另一端固定所述动力系统。通过所述姿态调节机构改变所述安装台4的姿态，飞控系统感知所述安装台的姿态信息并发送至地面站，模拟无人机在不同姿态下以及相应风场下进行喷洒，以完成喷洒效果测试。
本实施例中，可选地，所述姿态调节机构包括支撑柱1、转台2、液压缸3和球头6，所述支撑柱1通过所述转台2与所述液压缸3相对转动连接，所述液压缸3顶部固定连接于所述转台2，底部与所述球头6活动连接，所述球头6固定于所述安装台4；所述支撑柱1顶部安装于吊顶装置。可选地，支撑柱1可以为伸缩柱，能够根据测试需要调节运动平台的高度。
优选地，本实施例所提供的转台内设有轴承12，所述轴承12的内圈与所述支撑柱1固定连接，所述轴承12的外圈与所述转台2内壁相贴且固定连接，支撑柱1顶部固定于吊顶装置，在动力系统的带动下，转台2能够围绕所述支撑转旋转。
作为本实施例的一种优选结构，安装台4周围环绕连接有四个安装支架5，模拟四旋翼植保无人机，为了能够更加方便且有效地改变运动平台姿态，所提供的姿态调节机构中包括四个液压缸3，四个液压缸3分别连接在转台2与安装台4之间，为了控制液压缸运动，可知地，参阅图6，还包括液压油箱18、液压泵19和液压泵控制器21，每个液压缸3配置一个液压泵19、进油管20和出油管22，液压缸3包括缸体3.1和液压杆3.2，液压泵19与液压油箱18连接，进油管20的一端与缸体3.1顶部一侧连接，另一端与液压泵19连接，出油管22的一端与缸体3.1底部一侧连接，另一端与液压泵19连接，四个液压缸所对应的液压泵分别与同一个油箱连接，将油箱内的油泵出，且各液压泵与液压泵控制器连接，由液压控制器控制各液压泵工作，图中仅示出了一个液压缸，另一个液压缸与液压油箱的连接关系同上。
本实施例中，为了改变运动平台姿态，可以由液压泵控制器21分别控制液压泵工作，使得各液压缸的液压缸上下伸缩，从而达到改变运动平台俯仰角和滚滚仰角的目的，姿态改变的具体参数可以由飞控系统感知后反馈至地面站进行数据处理和保存。
本实施例中可以将支撑柱1固定在室内的天花板，也可以固定于吊顶装置，可选地，所述吊顶装置包括底座10、连接柱9和横梁8，所述连接柱9的顶部与所述横梁8连接，底部固定于所述底座10上。吊顶装置具有一定的重量，能够保证该测试平台在运动过程中不会出现晃动现象。
优选地，参阅图5，所述喷洒系统包括药箱11、出液管13、总喷管15、分支喷管16、水泵14和喷头17，所述药箱11的出液口通过出液管13与水泵14进液口连接，所述水泵14的出液口与所述总喷管15连接，所述总喷管15与多个分支喷管16连接，所述分支喷管16的末端连接所述喷头17。喷头17安装于桨叶的下方，在桨叶7转动所形成的风场下完成喷洒，其中桨叶固定于安装支架5的自由端。药箱11可以固定于地面或者吊顶装置连接柱上。
优选地，所述供电系统包括电源和分电板，所述电源通过分电板为所述测试平台、动力系统、喷洒系统和飞控系统供电。
由于植保无人机常用电源电压是6s和12s，为保证和植保厂家实际作业效果尽可能一致，电源采用的是大容量、高倍率的聚合物锂电池。分电板输入有正负两极端口，对应连接电源正负极，输出由10路xt90插头组成，分别为各系统供电。
若测试动力电压是6s，则直接将单块电池正负极对应连接到分电板输入口，即电池负极对应连接分电板输入端的负极；电池正极对应连接分电板输入端的正极。若测试动力电压是12s，需要用到串联线（负极-正极），即一块电池（a#）负极对应连接串联线的一端，串联线的另一端连接另一块电池（b#）的正极，两块电池串联成了12s电源。再将电池（b#）负极对应连接供电系统输入端的负极，将电池（a#）正极对应连接供电系统输入端的正极。
本实施例中，所述飞控系统包括姿态传感器、pmu、fcu和第一数传模块，所述pmu电源输入端与所述供电系统连接，所述pmu电源输出端与所述fcu（飞行控制器）连接，所述姿态传感器、第一数传模块和动力系统与所述fcu连接；所述第一数传模块与第二数传模块通信连接，所述第二数传模块通过usb与地面站连接。
本实施例通过在测试平台上安装飞控系统，实时获取测试平台的姿态信息以及动力系统的转速等相关信息后通过第一数传模块、第二数传模块传送至地面站，由地面站进行显示和保存。另外，地面站能够输入对应电机的转速值，并控制对应电机的转速，使得与电机对应的桨叶在所设置的电机转速下形成相应的风场以供喷洒系统喷洒后由测试仪器测得喷洒效果。本实施例提供的风场测试系统能够快捷且有效地对植保无人机的动力系统进行喷洒测试，无需针对整个植保无人机进行安装，结构简单，安装方便。其中，飞控系统、喷洒系统、供电系统和地面站可以适用于各待测动力系统，只需将待测动力系统直接安装于测试平台上，并连接设备后即可进行测试，不受植保无人机大小限制，通用性较高，适于广泛推广和应用。
实施例二
本实施例在实施例一的基础上，提供了采用上述的植保无人机喷洒作业风场测试系统的测试方法，包括如下步骤：
s101、将飞控系统、动力系统和喷洒系统安装于所述测试平台，并建立飞控系统与地面站的通信连接；
将飞控系统的姿态传感器、pmu（电源管理模块）、fcu（飞行控制器）和第一数传模块连接，所述pmu电源输入端与供电系统连接，pmu电源输出端与fcu连接，姿态传感器、第一数传模块和动力系统与fcu连接；第一数传模块与第二数传模块通信连接，所述第二数传模块通过usb与地面站连接。
将动力系统固定于安装支架的自由端，其中，电机输出轴与桨叶连接，电机与电调连接，电调与fcu连接。
将喷洒系统的药箱装满水或药液后固定在吊顶装置的连接柱上，药箱的出液口通过出液管与水泵进液口连接，水泵的出液口与总喷管连接，总喷管与多个分支喷管连接，分支喷管的末端连接喷头。水泵可以固定在吊顶装置上，喷头17安装于桨叶7的下方，在桨叶转动所形成的风场下完成喷洒，其中桨叶固定于安装支架的自由端。
s102、将供电系统分别与飞控系统、动力系统、喷洒系统和测试平台连接；
若测试动力电压是6s，则直接将单块电池正负极对应连接到分电板输入口，即电池负极对应连接分电板输入端的负极；电池正极对应连接分电板输入端的正极。若测试动力电压是12s，需要用到串联线（负极-正极），即一块电池（a#）负极对应连接串联线的一端，串联线的另一端连接另一块电池（b#）的正极，两块电池串联成了12s电源。再将电池（b#）负极对应连接供电系统输入端的负极，将电池（a#）正极对应连接供电系统输入端的正极，分电板输入有正负两极端口，对应连接电源正负极，输出由10路xt90插头组成，分别为各系统供电。
s103、根据待测的动力系统在地面站设置对应动力参数；
具体地，根据待测动力系统设置轴数、电压、电机kv、电机极对数、桨叶尺寸、最小转速、最大转速等参数。
s104、将测试平台调整至预设高度处并进行喷洒测试：通过地面站操控后启动喷洒系统和动力系统并动态调整测试平台姿态，使得喷洒系统在动力系统所形成的风场下完成喷洒测试；
姿态调整与动力系统控制是相互独立的，动力系统启动后，桨叶带动运动平台相对支撑柱1进行旋转运动，模拟无人机使得喷洒系统在桨叶所形成的风场下完成喷洒。可选地，测试过程中可以通过姿态调节机构改变运动平台姿态（俯仰和滚转角），姿态信息由飞控系统中的姿态传感器测得后传送至地面站进行处理和保存，能够模拟无人机在不同姿态下的风场喷洒效果。
s105、喷洒测试完成后，所形成的数据保存在地面站并由地面站生成数据报告。喷洒测试过程中所获得的各种数据都会保存在地面站，便于后续查看和分析。
多旋翼无人机的相邻翼的旋转方向需相反，因此，在多旋翼无人飞行器安装中，必须保证每个电机旋转方向正确，否则无人飞行器将无法起飞，用户在飞行器飞行前，需要检查电机安装方向，以免出现飞机一起飞就摔机的状况。而本喷洒测试中如果电机旋转方向有误，势必会影响所产生的风场，从而造成测试效果不准确，为了克服该问题，本本实施例中，所述s104在进行喷洒测试前还需对电机进行自检，所述电机自检的步骤如下：
在没有安装桨叶的情况下启动电机；
使得对应通道的电机按照固定怠速值运行；
电机运行过程中检查电路有无异常，电机有无异响、卡顿现象；
判断每个电机转向是否正确；如果电机转向有误，则手动改变线序调节电机正反转
确认无误后断开电源，安装桨叶以进行后续喷洒测试。
本实施例中，进一步地，为了避免由于电压、油门过高，或者运动平台震动过大而造成设备损坏，还设有报警保护机制，具体地，本实施例中步骤s104中的喷洒测试过程还包括如下步骤：
所述飞控系统实时获取电源电压、油门以及测试平台震动数据，并发送给地面站；
当电源电压、油门或者测试平台震动数据超过飞控系统中所设定的报警阈值时，飞控系统反馈相应的报警代码至地面站显示并控制动力系统停止运行。
具体地，若检测震动过大，或者电压过低或者油门过高，则由飞控系统控制电机停转，并反馈相应的报警代码于地面站显示；可知地，只要有一个电机油门过大就报警保护，低压报警阀值、震动报警阀值以及油门报警阈值可根据实际情况进行调节。
本实施例所提供的植保无人机喷洒作业风场测试方法，通过飞控系统实时监测测试平台的姿态以及动力系统转速等信息，并反馈给地面站。同时，地面站将转速等控制信息实时处理，发给动力系统，使得动力系统达到相应转速后形成风场，完成对应风场下的喷洒效果测试，与飞控系统无线通信的地面站能够实时监控相关参数信息，并保存测试数据供后续参阅。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。