无人直升机在茶园防霜中的应用研究

摘要

防霜风机在茶果园中得到了一定范围的推广应用，但因其固定的安装方式和固定的防霜范围，使丘陵山区大规模灵活应用受到一定的限制。为探索一种可移动、大范围防霜方法，本论文将小型农用无人直升机应用于茶园防霜，通过田间试验研究，优化飞行防霜参数，为防霜实践提供参数依据。在仿真分析无人直升机气流扰动防霜原理基础上，进行飞行防霜预试验;试验研究飞行防霜效果与飞行高度、飞行速度和飞行间隔时间等参数的相互关系，以此优化防霜飞行参数组合;开发一套霜冻气象参数无线报警系统，用于指导直升机防霜飞行区域的选择。主要研究内容与结果如下:
　　(1)无人直升机飞行防霜过程分析
　　在分析无人直升机飞行防霜影响因素的基础上，采用计算流体动力学，对飞行防霜过程进行了仿真。影响飞行防霜效果的主要因素有:飞行高度、飞行速度和飞行间隔时间。
　　仿真结果表明:无人直升机悬停高度一定时，使近地温升先随离地高度的增加而增大，而后逐渐减少;在茶树冠层水平截面上，温度分布由内向外逐渐减小。当飞行高度为8m时，最大温升出现在离地1.2m处即茶树冠层位置;该位置水平截面温度分布由内向外逐渐升高，中心区域温升最高，其平均值为5.0℃。
　　(2)无人直升机茶园飞行防霜预试验
　　在有霜天气的夜间，实施了无人直升机悬停对地面扰动情况和飞行防霜的预试验，确定了无人直升机悬停高度对地面扰动大小，以及初步的防霜效果。结果表明:在5～10m悬停高度范围内，直升机对其旋翼外缘下方地表的气流扰动最大，但此处气流扰动的增幅随悬停高度增加而减弱;飞行后茶树冠层温度平均提高3.34℃。
　　(3)防霜飞行参数的优化
　　首先，试验测试了不同飞行高度和飞行速度对茶树冠层扰动的影响;然后，通过回归正交试验设计，建立了防霜效果与飞行高度、飞行速度和飞行间隔时间之间的关系模型，并优化出最佳的飞行参数组合。
　　结果表明:飞行速度一定时，随着飞行高度的增加，冠层的风速有减小的趋势;
　　当飞行高度为4.0m、飞行速度为6m·s-1时，扰动后茶树冠层的风速最大，为1.45m·s-1;飞行参数对防霜效果影响的主次顺序依次为飞行间隔时间、飞行高度、飞行速度;基于建立的回归方程，采用多元黄金分割法优化得到的最佳防霜飞行参数组合为:飞行高度为4.0m、飞行速度为6.0m·s-1及飞行间隔时间20min。
　　(4)飞行防霜用气象参数无线报警系统开发
　　基于ZigBee开发了气象参数无线采集器，设计了Android监测报警软件。监测的气象参数为风速和逆温层上下气温。以风速临界值为前提条件，基于临界低温的逆温差判定防霜区域。在茶园中实测该系统的无线传输特性和报警的可靠性，结果表明:该系统运行稳定，可实现不同区域防霜报警，从而为无人直升机选择不同的待防霜区域提供决策依据。
　　本论文采用无人直升机在茶园中进行飞行防霜应用研究，在田间试验条件下优化出防霜飞行参数组合，为实现大范围移动防霜提供了参数依据，适用于丘陵山区茶园晚霜冻害的防除。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 研究目的和意义

1．2 直升机防霜研究现状

1．2．1 国外研究现状

1．2．2 国内研究现状

1．3 研究内容与方法

1．3．1 研究内容

1．3．2 研究方法

1．4 本章小结

第2章 无人直升机茶园飞行防霜过程分析

2．1 无人直升机飞行防霜原理的分析

2．2 无人直升机模型重构

2．2．1 无人直升机云点信息的获取

2．2．2 数据处理

2．2．3 模型重构

2．2．4 重构模型误差检测

2．3 无人直升机飞行防霜过程

2．3．1 计算模型的建立

2．3．2 边界条件的设定

2．3．3 仿真结果的处理与分析

2．4 本章小结

第3章 无人直升机茶园飞行防霜预试验

3．1 近地高空动态逆温变化测试

3．1．1 试验材料与方法

3．1．2 试验结果与分析

3．2 无人直升机气流扰动试验

3．2．1 试验材料

3．2．2 试验方法

3．2．3 试验结果与分析

3．3 无人直升机茶园飞行防霜预试验

3．3．1 试验材料与方法

3．3．2 试验结果与分析

3．4 本章小结

第4章 无人直升机茶园防霜飞行参数试验研究

4．1 茶树冠层飞行扰动试验

4．1．1 试验材料与方法

4．1．2 茶树冠层飞行扰动试验结果与分析

4．2 回归正交试验设计

4．2．1 回归正交试验的应用

4．2．2 无人直升机飞行防霜的回归正交试验设计

4．3 无人直升机飞行防霜回归正交试验的实施

4．3．1 试验材料与方法

4．3．2 试验结果

4．3．3 防霜飞行时逆温动态变化分析

4．3．4 防霜飞行试验分析

4．3．5 无人直升机防霜回归方程的优化求解

4．4 本章小结

第5章 无人直升机茶园防霜报警系统开发

5．1 系统总体设计

5．2 气象参数无线报警系统硬件开发

5．2．1 传感器选型

5．2．2 数据采集与传输

5．2．3 防霜报警系统集成

5．3 系统软件开发

5．3．1 开发环境与软件配置

5．3．2 软件结构

5．3．3 软件界面及功能测试

5．4 系统运行调试

5．4．1 系统传输特性测试

5．4．2 系统报警的可靠性测试

5．5 本章小结

第6章 总结与展望

6．1 研究总结

6．2 研究展望

致谢

参考文献

硕士期间发表论文、专利申请及参与科研工作