鄭凱仁，宋瑜清，饒衛(wèi)航，林敘彬

（廣東省農(nóng)業(yè)技術(shù)推廣中心，廣東 廣州 510515）

0 引言

近年來，我國農(nóng)業(yè)航空產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅速，其重要組成部分之一的植保無人機由于工作效率高，不受地形、地勢限制，可定點懸停精準作業(yè)等優(yōu)勢引起了廣泛關(guān)注，成為如今農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的熱點[1-3]。然而，植保無人機在農(nóng)田等戶外作業(yè)，對外殼的防水性能有著較高的要求，以確保其作業(yè)安全和性能穩(wěn)定，特別是在雨水環(huán)境下，植保無人機的飛控系統(tǒng)必須有效防止水或者霧化進入，以避免機器損壞和失控墜落等嚴重事故的發(fā)生[4]。

目前，現(xiàn)有的防水檢測設(shè)備多數(shù)只適用于小型電子產(chǎn)品或元器件的檢測，試驗空間較小，對試件體積限制較多，檢測手段相對落后，水流量一般采取手動控制，自動化程度較低，且難以自動調(diào)節(jié)。對于植保無人機這樣外形尺寸較大的電子設(shè)備，現(xiàn)有設(shè)備不能提供模擬淋雨的環(huán)境，因此亟需開發(fā)一種新型的檢測系統(tǒng)，用于測試植保無人機的防水性能[5]。該系統(tǒng)應(yīng)擁有較大的試驗空間，具備自動化程度高、水流量可以自動控制且易于自動調(diào)節(jié)等特點，以滿足植保無人機這類大型電子設(shè)備的防水性能測試所需。

1 設(shè)計要求

根據(jù)農(nóng)業(yè)機械推廣鑒定大綱DG/T 247-2021《植保無人駕駛航空器》的規(guī)定，植保無人機須通過防水試驗，防水等級應(yīng)達到IPX5 以上，并按照國標GB/T 4208 的規(guī)定進行測試[6-7]。這是為了防止人體觸及外殼內(nèi)的危險部件、防止固體異物進入設(shè)備內(nèi)以及水進入設(shè)備內(nèi)對設(shè)備造成有害影響[8]。

因此，需要設(shè)計一種自動化控制和靈活水流量控制的檢測系統(tǒng)，以模擬不同的淋雨條件對植保無人機進行測試。該系統(tǒng)能夠?qū)χ脖o人機不同部位進行防水性能測試，并具有高效的數(shù)據(jù)處理和分析能力，以便對測試結(jié)果進行準確的評估和分析。同時，設(shè)計的檢測設(shè)備需要能夠檢測植保無人機的防水等級IPX5 和IPX6，并符合國標（GB/T 4208）對參數(shù)要求，具體見表1。

表1 GB/T 4208-2017規(guī)定IPX5、IPX6的試驗項目

為了滿足設(shè)計要求，該試驗設(shè)備應(yīng)該符合以下要求：第一，防水箱體應(yīng)為可拆卸結(jié)構(gòu)、具備良好密封性和合理的排水進水裝置，能根據(jù)實際需求拆卸和向四周擴展；第二，試驗箱體由玻璃墻（可拆卸）和玻璃門（可拆卸）組成，玻璃墻和玻璃門之間采用可拆卸的鉚接結(jié)構(gòu)，具有良好密封性和合理的排水進水裝置；第三，試驗臺應(yīng)具有可調(diào)節(jié)高度和旋轉(zhuǎn)速度的功能,以保證噴嘴與試件表面之間的距離符合試驗要求；第四，噴水試驗時，系統(tǒng)應(yīng)具備最大噴水量的覆蓋面，試驗用噴頭架應(yīng)能自由移動，可根據(jù)需求進行上下、左右位置的靈活調(diào)節(jié)；第五，該系統(tǒng)的噴嘴應(yīng)具有大小調(diào)節(jié)裝置，以確保試驗用水壓滿足試驗要求。

2 系統(tǒng)概述

可拆卸式IPX5-6 級防水檢測系統(tǒng)是一種高效、可靠的檢測系統(tǒng)，可以同時進行IPX5 和IPX6 防水等級測試。該系統(tǒng)由控制系統(tǒng)、箱體、噴嘴裝置、水流量調(diào)整與測量系統(tǒng)和試驗臺組成，如圖1 所示。其中，控制系統(tǒng)負責控制整個檢測系統(tǒng)的運行，并顯示當前的檢測數(shù)據(jù)，如水流量和噴射角度等。箱體采用可拆卸式設(shè)計，包括玻璃墻（可拆卸）、玻璃門（可拆卸）和底部的柵格網(wǎng)，確保系統(tǒng)密封，并可根據(jù)需要進行大小的擴展。箱體具有可移動性，便于用戶在不同地點進行測試。噴嘴裝置是該系統(tǒng)的核心部分，包括一個噴頭架和兩個內(nèi)徑分別為φ6.3 mm 和φ12.5 mm 的噴嘴。噴射角度和噴頭架可根據(jù)需要進行機械調(diào)節(jié)，以實現(xiàn)對試驗臺上的植保無人機的全方位噴水。水流量調(diào)整與測量系統(tǒng)具有水流量調(diào)整和測量功能，確保水流量的準確度為流量±5%。試驗臺用于放置植保無人機，可根據(jù)不同的需求進行調(diào)節(jié)，以適應(yīng)不同型號和尺寸的植保無人機。

圖1 系統(tǒng)基本布置圖

2.1 箱體設(shè)計

目前，IPX5 和IPX6 的防水等級的箱體通常用于考核電工電子產(chǎn)品在運輸或使用過程中可能受到淋水影響的情況。由于電子產(chǎn)品尺寸較小，因此箱體的有效測試空間也有所限制。當前普遍使用的植保無人機外形尺寸相對較大，一般為長2 m，寬2 m，高0.8 m。因此，為了滿足實際測試需求，考慮到試驗臺與噴頭的距離需要保持在2.5 m 至3 m 之間，防水箱體的測試空間至少應(yīng)為長5 m，寬2 m，高0.8 m 的長方體。為了方便測試操作并滿足更廣泛的測試范圍，我們設(shè)計的箱體由玻璃墻、玻璃門和底部的不銹鋼地板、塑料柵格網(wǎng)組成。為了方便操作，箱體的外形尺寸為長6 m，寬4 m，高3 m（方便人進入），有效容積為72 m3。其中，玻璃門的門洞尺寸為2.4 m×2.2 m（長×高），方便將外形尺寸較大的植保無人機（被測物體）置于箱體內(nèi)的測試臺上。同時考慮可能有更大尺寸的植保無人機測試需求，特意將玻璃墻和玻璃門設(shè)計成可拆卸的鉚合結(jié)構(gòu)，這樣根據(jù)實際測試需求，箱體可以被拆卸并進行快速組裝，其外形大小可以向上下和左右擴展，以滿足未來的測試擴展需要[9]。

2.2 噴嘴裝置設(shè)計

根據(jù)國標的要求，IPX5 和IPX6 的噴嘴噴水口是一個內(nèi)表面光滑無故障的圓錐體，內(nèi)徑大小分別為φ6.3 mm 和φ12.5 mm 的噴嘴，噴嘴結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

圖2 噴嘴結(jié)構(gòu)圖

雖然國標規(guī)定了噴嘴產(chǎn)生的水流從機殼（植保無人機）的所有方向噴濺，但該標準并沒有對噴嘴裝置與試品的噴射角度和方向做出明確的規(guī)定[10]。實際上，植保無人機的外殼具有不規(guī)則形狀，其孔隙和接縫的方向可能是上、下、左、右等任意方向。因此，在測試過程中，噴嘴的噴射角度、方向、距離以及植保無人機外殼測試面的不規(guī)則形狀會導(dǎo)致產(chǎn)生很大的進水差異，從而影響試驗結(jié)果[11]。為解決這個問題，需要在箱體內(nèi)固定噴嘴的位置和方向，并且試驗臺應(yīng)該能夠根據(jù)需求調(diào)整轉(zhuǎn)速，以實現(xiàn)對植保無人機（被測物體）所有方向的噴濺。經(jīng)過不斷測試和調(diào)整，我們確定了以下方案：在距試驗臺2.5～3.0 m 的方向設(shè)置一個移動噴嘴架的噴嘴裝置，該噴嘴架上有2 個噴嘴，分別對應(yīng)著IPX5 和IPX6的防水等級試驗，其內(nèi)徑大小分別為φ6.3 mm 和φ12.5 mm。該噴嘴架可以通過調(diào)整架子上的螺栓高度來調(diào)整噴嘴的高度，并且可以通過調(diào)整噴嘴與噴嘴架的螺絲來調(diào)整噴嘴的噴射角度，從而實現(xiàn)了對植保無人機全方位的噴濺要求。

2.3 試驗臺設(shè)計

試驗臺是根據(jù)試驗標準的要求進行設(shè)計和安裝的。試驗臺位于箱體內(nèi)，底部設(shè)置4 個萬向輪，并配備鎖死機構(gòu)，可在箱體內(nèi)移動并停止，以保證噴嘴與放置在試驗臺上的被測物體之間的水平距離在2.5～3.0 m 之間。試驗臺的高度可根據(jù)實際需要進行機械升降。轉(zhuǎn)盤直徑為1 000 mm，采用不銹鋼材質(zhì)制作。轉(zhuǎn)盤旋轉(zhuǎn)采用PLC 可編程控制器輸出，并由電機帶動渦輪減速旋轉(zhuǎn)，從而控制旋轉(zhuǎn)速度。轉(zhuǎn)盤的調(diào)速輸出范圍為0～100 rad/min，可在控制柜上根據(jù)需要調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)盤的轉(zhuǎn)速，從而實現(xiàn)植保無人機（被測物體）所有方向的噴濺。試驗臺具有安全性能良好的特點，試驗箱體采用優(yōu)質(zhì)不銹鋼材料制作，結(jié)構(gòu)緊湊，密封性好，能夠有效地避免液體和氣體泄漏。試驗臺配備了安全保護裝置，包括緊急停止按鈕和過載保護裝置，可以在緊急情況下迅速停止試驗，保障人員和設(shè)備的安全。

2.4 試驗水輸入和排出設(shè)計

試驗水輸入和排出的設(shè)計是為了確保試驗過程中的水源供應(yīng)和污水排放，該系統(tǒng)主要由水箱、抽水泵和排水口組成。水箱用于儲存試驗用水，在試驗前，自來水通過進水閥流入水箱中。水箱內(nèi)設(shè)有兩個電浮子，一個表示“最高”控制水位，另一個表示“缺水”控制水位。試驗過程中，水泵會自動將水從水箱中抽取并送往噴嘴處噴灑，以進行試驗。在水箱側(cè)壁靠近箱底部的位置設(shè)置有排水口，其傾斜角度確保試驗結(jié)束后和清潔水箱時能有效地排放污水，保障試驗的順利進行。

2.5 水流量調(diào)整與測量系統(tǒng)

水流量調(diào)整與測量系統(tǒng)主要由PLC 可編程控制器、水泵電機、流量變送器和變頻器等組成。該系統(tǒng)的主要功能是根據(jù)試驗要求自動調(diào)節(jié)噴嘴出水的壓力，以實現(xiàn)指定的流量速率，從而保證試驗結(jié)果的準確性。水泵電機是該系統(tǒng)的核心部件，通過PLC 控制系統(tǒng)對水流量傳感器進行采集，實時控制算法分析來自通信接口的數(shù)據(jù)信息，并通過變頻器對水泵電機進行控制，從而實現(xiàn)對水流量的控制。變頻器是一個可實現(xiàn)對水泵電機轉(zhuǎn)速控制的單元，其跟蹤控制器發(fā)送控制信號，改變水泵電機的轉(zhuǎn)速，從而控制水流量。

水流量調(diào)整與測量系統(tǒng)的主要功能是對進入噴嘴前的水流進行局部分流，并通過調(diào)節(jié)分流水量的大小，使其達到試驗規(guī)定的要求。水流量由安裝在噴嘴前管道中的流量計來完成測量，并在流量計上顯示實測數(shù)值。該系統(tǒng)的主要作用是確保試驗中的水流量和水壓達到規(guī)定要求，從而保證試驗結(jié)果的準確性。

2.6 控制系統(tǒng)設(shè)計

控制系統(tǒng)主要采用PLC 控制器進行控制，這是可拆卸式IPX5-6 級防水檢測系統(tǒng)的核心，系統(tǒng)的所有輸入和輸出控制點都接入PLC 中，通過編程來實現(xiàn)各種操作和控制。PLC 控制系統(tǒng)包括CPU 模塊、I/O 模塊和電源模塊等組成部分[12]。同時，為了方便日后的檢測系統(tǒng)升級，保留了外部設(shè)備端口，例如監(jiān)控顯示設(shè)備和通信聯(lián)網(wǎng)接口等。

PLC 可編程控制器和I/O 接口模塊安裝在控制柜內(nèi)，PLC 控制系統(tǒng)的核心是中央處理單元CPU，CPU 從用戶程序存儲器中逐條讀取指令，經(jīng)分析后再按照指令規(guī)定的任務(wù)產(chǎn)生相應(yīng)的控制信號，去指揮有關(guān)的控制電路。PLC 的對外功能，主要通過各種I/O 接口模塊與外界聯(lián)系[13]。

該系統(tǒng)共有兩個I/O 模塊：模塊1 是輸入接口，用于接收各種報警信號；模塊2 是輸出接口，用于各種控制信號的發(fā)送，以實現(xiàn)對水流量的控制、試驗臺旋轉(zhuǎn)、IPX5 試驗噴水、IPX6 試驗噴水以及報警等各種功能。同時，如果出現(xiàn)故障等問題，PLC 控制器會啟動輔助功能，發(fā)出警告或執(zhí)行應(yīng)急停機等。

3 測試及結(jié)果分析

可拆卸式IPX5-6 級防水檢測系統(tǒng)具有以下優(yōu)點：①高度集成：將IPX5 和IPX6 防水等級試驗集成在一個箱體內(nèi)，大大提高了檢測效率和準確性。②可拆卸、可移動：箱體和噴嘴裝置均采用可拆卸式設(shè)計，方便用戶進行維護和清洗。此外，箱體具有可移動性，便于用戶在不同地點進行測試。③多功能性：除了用于植保無人機的防水測試外，該系統(tǒng)還可用于其他各種需要防水測試的設(shè)備。④可擴展性：箱體可根據(jù)需要擴展大小，以適應(yīng)不同大小的設(shè)備測試。這種可擴展性使得該系統(tǒng)能夠靈活應(yīng)對多種設(shè)備測試需求，并能夠為未來的新型設(shè)備提供支持。

該系統(tǒng)已完成對植保無人機的防水性能測試。測試條件包括噴嘴內(nèi)徑、與外殼的最大距離、測試時間等，按照表1 中的要求進行設(shè)置。防水性能測試主要考核如下內(nèi)容：①進行IPX5 防水等級試驗時，噴頭噴出來的水流量是否在（12.5±0.625）L/min 范圍內(nèi)。②進行IPX6 防水等級試驗時，噴頭噴出來的水流量是否在（100±0.625）L/min 范圍內(nèi)；在進行IPX5 或IPX6防水等級試驗時，采用稱重法測量水流量參數(shù)；使用計量過的電子天平收集噴頭在設(shè)定值12.5 L/min（IPX5 防水等級測試）或100 L/min（IPX6 防水等級測試）時噴出的水的容積。測試結(jié)果如表2 所示。

表2 防水性能測試 單位：L/min

測試數(shù)據(jù)顯示，進行IPX5 和IPX6 防水等級試驗時，噴頭噴出的水流量均在（12.5±0.625）L/min和（100±0.625）L/min 范圍內(nèi)，符合試驗要求。在不同水流量值下，水流量準確度的測試結(jié)果在-2.8%～3.7%之間，滿足水流量準確度±5%的要求，符合試驗要求。該系統(tǒng)可通過改變不同的水流量值，模擬不同的環(huán)境測試條件，對植保無人機或其他中大型設(shè)備的外殼各方位不同程度地濺水，以檢測其防水能力。

4 結(jié)論

本文介紹的可拆卸式IPX5-6 級防水檢測系統(tǒng)是一種新型試驗設(shè)備，其箱體具有較大的有效容積，適用于對大型裝備如植保無人機進行試驗研究。該系統(tǒng)采用合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計和先進的技術(shù)，各項技術(shù)指標均滿足試驗要求，其玻璃門和玻璃墻壁為獨立單元設(shè)計，可快速拆卸并擴展尺寸以適應(yīng)不同測試條件和外形尺寸。該系統(tǒng)的研制成功，為植保無人機的環(huán)境適應(yīng)性和產(chǎn)品可靠性的考核提供了科學的試驗手段，有助于提高植保無人機的技術(shù)水平和性能表現(xiàn)，為植保無人機的安全和穩(wěn)定作業(yè)提供重要保障。