具有导流侧喷机构的无人机参数优化方法及导流侧喷机构

本发明涉及农业航空植保及计算机仿真模拟，具体地说，涉及具有导流侧喷机构的无人机参数优化方法及导流侧喷机构。

背景技术：

1、近年来，植保无人机在精准农业中的应用日益广泛。然而，在针对如篱架式葡萄园等立体冠层作物进行施药时，传统植保无人机的下喷作业模式往往导致冠层中下部雾滴沉积不均、穿透性差，且易受外部环境风场影响产生漂移，引发农药浪费及环境污染等问题。

2、针对这些问题，现有研究开始尝试引入侧向喷雾机构，但针对导流结构如何引导并改变旋翼下洗流场动量的物理机理缺乏深度的量化解算。由于缺乏对气流约束与动量转化过程的数值模拟，导致目前的导流风道多依赖于经验，缺乏机理支撑，难以实现结构参数的精准优化。

3、另外，环境侧风对侧喷雾滴的沉降轨迹具有显著干扰，现有的仿真评估手段往往仅停留在定性的云图展示，缺乏对环境风速与雾滴沉积偏移量之间定量映射关系的解析建模。这使得无人机在田间复杂风场作业时，难以实现基于仿真数据的实时漂移补偿，制约了精准变量施药技术的发展。

技术实现思路

1、针对现有技术中存在的缺陷，本发明提供了具有导流侧喷机构的无人机参数优化方法及导流侧喷机构，能准确模拟复杂下洗气流与侧喷机构作用下的雾滴运动规律，解决传统下喷作业导致冠层雾滴沉积不均的问题，并为无人机变量施药控制系统的参数整定提供可靠的仿真数据支撑。

2、为了解决上述技术问题，本发明通过下述技术方案得以解决：

3、具有导流侧喷机构的无人机参数优化方法及导流侧喷机构，其包括：

4、构建仿真分析模型；仿真分析模型包括无人机三维模型和作物植株冠层模型，无人机三维模型包括多旋翼无人机模型以及导流侧喷机构模型；

5、基于仿真分析模型构建多相流仿真模型，以边界条件和无人机参数为设计变量进行仿真计算，获得多相流仿真数据集；无人机参数包括无人机结构参数、导流侧喷机构结构参数以及无人机作业参数，多相流仿真数据集包括雾滴在作物植株冠层各层的沉积分布数据；

6、基于多相流仿真数据集，通过二次回归拟合得到环境风速与雾滴沉积中心偏移量的函数关系，构建雾滴漂移模型；

7、以雾滴在目标作物冠层的沉积均匀性变异系数最小化和平均沉积密度最大化为优化目标，通过响应面法，在基于雾滴漂移模型的漂移约束下对无人机参数进行迭代寻优，获得最佳参数组合，具体公式为：

8、；

9、其中，为沉积均匀性变异系数，为平均沉积密度，为飞行高度，为飞行速度，为施药流量，为雾滴粒径，为环境风速下的雾滴沉积中心横向偏移量，为允许的最大偏移阈值。

10、作为优选，构建仿真分析模型具体包括：

11、建立包括多旋翼无人机模型、导流侧喷机构模型以及作物植株冠层模型的仿真计算域；

12、在仿真计算域内，将多旋翼无人机的各旋翼周围区域划分为旋转域，并将导流侧喷机构的喷头内部区域划分为内流场；

13、对仿真计算域内的几何模型进行简化处理，并进行网格区域划分；

14、将作物植株冠层模型划分为多层结构，每一层均设为多孔介质模型；

15、根据作物植株高度、叶面积指数和叶片数量设定所述多孔介质模型的阻力参数，阻力参数包括渗透率和惯性阻力系数，多孔介质模型的阻力源项满足：

16、；

17、其中，表示坐标方向，取值为或为方向上的动量源项，单位为为空气的动力粘度，单位为为多孔介质的渗透率，单位为 为方向上的流速分量，单位为为惯性阻力系数，单位为为空气密度，单位为为速度矢量的模，单位为。

18、作为优选，采用欧拉-拉格朗日框架构建多相流模型，以欧拉法描述连续性相的空气流场，以拉格朗日法追踪离散相的施药雾滴，连续相与离散相之间采用双向耦合，并设置以下参数：

19、连续相参数，至少包括环境气体类型、环境风速、旋转域的旋转中心和旋转速度、计算域边界条件、内流场边界条件，以及无人机飞行参数；

20、离散相参数，采用离散相模型进行雾滴追踪，设定雾化模型为线性化不稳定破碎模型、二次破碎模型为tab模型，并设定喷雾压力、颗粒类型、喷射流量和喷雾颗粒粒径。

21、作为优选，边界界条件包括环境风速、温度条件和作物植株发育情况中的至少一种；无人机参数包括导流侧喷机构的结构尺寸参数、喷头喷射角度参数、喷杆倾斜角度参数、无人机飞行速度和无人机飞行高度。

22、作为优选，基于多相流仿真数据集，提取在不同环境风速下喷头在近风口与远风口的雾滴轨迹坐标数据；

23、以环境风速为自变量，以根据雾滴轨迹坐标数据确定的雾滴沉积中心横向偏移量为因变量，采用最小二乘法进行二次回归拟合，构建雾滴漂移模型：

24、；

25、其中，为环境风速，单位为 ；为雾滴沉积中心横向偏移量，单位为；为回归系数；

26、对于左喷头，近风口条件下的漂移模型为：

27、；

28、远风口条件下的漂移模型为：

29、；

30、对于右喷头，近风口条件下的漂移模型为：

31、；

32、远风口条件下的漂移模型为：

33、；；

34、其中，的单位均为 的单位为。

35、作为优选，以雾滴在目标作物冠层的沉积均匀性变异系数最小化和平均沉积密度最大化作为优化目标，其中，沉积均匀性变异系数为目标作物冠层各采样点沉积量的标准差与平均沉积量的比值，平均沉积密度为单位面积内的雾滴沉积质量或数量；

36、从无人机参数中选取设计变量，并设定所选取的各设计变量的取值范围；

37、采用box-behnken设计方法生成由多组设计变量参数组合构成的试验方案，利用多相流仿真模型对各组设计变量参数组合分别进行仿真计算，并从仿真计算得到的仿真结果中提取各组设计变量参数组合对应的沉积均匀性变异系数和平均沉积密度；

38、以设计变量为自变量，以沉积均匀性变异系数和平均沉积密度为响应变量，通过二次回归拟合建立二次回归数学模型，

39、；

40、其中，为第个设计变量的编码值；为沉积均匀性变异系数的回归系数；为平均沉积密度的回归系数；为设计变量的个数；并对该二次回归数学模型进行显著性检验和拟合优度检验；

41、在沉积均匀性变异系数最小化和平均沉积密度最大化的优化目标下，对经检验有效的二次回归数学模型进行多目标优化求解，获得无人机参数最优组合；

42、将无人机参数最优组合重新输入多相流仿真模型进行验证性仿真，将验证仿真结果与二次回归数学模型的预测值进行对比，确认优化结果的可靠性，得到最终的最佳参数组合。

43、一种导流侧喷机构，其设于多旋翼无人机的旋翼下方，用于多旋翼无人机的喷液作业，其由上述方法优化得到，包括：

44、包括机构本体，机构本体通过安装支架悬挂于旋翼下方的导流管，导流管的远离旋翼方向的端部设有喷头；导流管的下方沿其长度方向设有导流板，导流板内沿长度方向设有内凹的导流槽；导流板包括直段和弯折段，直段的端部位于喷头的下方，弯折段的端部向靠近旋翼方向延伸至旋翼下方且向上弯折，导流板的弯折段用于捕获旋翼下洗气流并将其引导为水平于直段的侧向气流。

45、作为优选，导流管的另一端通过支承调节架连接于旋翼下方；支承调节架包括用于固定导流管的导流管安装板，和用于固定于多旋翼无人机上的固定板，固定板与导流管安装板固定连接且二者之间的夹角可调节。

46、作为优选，导流管与导流板之间设有连接件，连接件的上下两端分别套设在导流管和导流板上；连接件套设于导流板的一端设有用于可供导流板引导的气流通过的导流通孔；导流管与导流板之间的夹角可调节。