鑒于目前全球疫情防控形勢依然嚴(yán)峻，長期“戰(zhàn)疫”任務(wù)不可避免，為了在確保我國的植被免受外來物種的侵害、國門關(guān)口安全和通暢的同時，有效防控疫情傳播，保護(hù)現(xiàn)場作業(yè)關(guān)員不受病毒傷害，通過創(chuàng)新研發(fā)遠(yuǎn)程監(jiān)測取樣機(jī)器，使用遠(yuǎn)程控制,操作采樣作業(yè),杜絕與境外人員的接觸，大幅度降低關(guān)員感染病毒的風(fēng)險，切實保障關(guān)員的身體健康。

　　一、課題研究背景

　　隨著進(jìn)口糧食貿(mào)易的增長，對進(jìn)境散糧進(jìn)行檢驗檢疫的工作量日益繁重。檢驗檢疫部門在對進(jìn)境散糧進(jìn)行檢驗取樣時，當(dāng)散糧重量大于500噸，需在船艙表層設(shè)點，抽取第一小批樣品后，掌握每裝卸1000噸抽一份小批樣品，不足1000噸按1000噸計算。每個小批樣品需從30-50個點抽取。目前，海滄海關(guān)所屬海隆碼頭靠泊的散糧船舶噸位多為7萬噸，裝載糧食6萬噸左右。每次對進(jìn)境散糧實施檢驗檢疫時，需抽取檢驗樣多達(dá)60份之多，耗費時間久，需要人力多。

　　現(xiàn)階段散糧檢驗取樣采用傳統(tǒng)的鋼針取樣器，效率低下（圖1），尤其是工作人員還要面臨船高水深、艙內(nèi)行走糧食“塌方”被埋的安全隱患，使得取樣檢疫成為影響高效生產(chǎn)的重大安全問題（圖2）。

　　這種取樣方式勞動強(qiáng)度大、工作條件艱苦、檢疫效率低，并且危險度高，已不能滿足大批量貨物檢疫采樣的發(fā)展和安全運行的需求。

　　二、課題研究內(nèi)容

　　目前，國內(nèi)外較少采用無人機(jī)+采樣裝置進(jìn)行無人機(jī)檢驗取樣系統(tǒng)的開發(fā)方式，以實現(xiàn)對船艙谷物實現(xiàn)安全快速取樣。結(jié)合港口環(huán)境、無人機(jī)載重量及采樣需求等方面約束綜合考量，主要分為三個研究內(nèi)容：

1. 無人機(jī)選型及掛載方式研究結(jié)合港口風(fēng)況、取樣重量、飛行距離、續(xù)航要求、控制精度及工作范圍等條件，調(diào)研可用于自主或半自主開發(fā)的無人機(jī)平臺，并研究各無人機(jī)平臺的飛行參數(shù)、性能參數(shù)和改裝冗余度。

   

　　基于國內(nèi)外先進(jìn)技術(shù)方案和現(xiàn)有的技術(shù)能力，研究檢驗取樣系統(tǒng)與無人機(jī)間的掛載連接方式，包括軟連接方案和硬連接方案。

　　通過三維建模得到無人機(jī)和采樣系統(tǒng)的掛載方式，并完成掛載對無人機(jī)的受力分析和運動分析。

　　2.取樣方式的研究及取樣裝置開發(fā)

　　基于現(xiàn)有取樣機(jī)構(gòu)的特點，分析并提出多種適用于無人機(jī)單次飛行多點取樣的采樣系統(tǒng)。

　　比較潛在可行方案的優(yōu)缺點，綜合評估并優(yōu)選最佳的取樣裝置機(jī)構(gòu)方案和存儲方案。

　　通過三維建模完成取樣裝置部件及整機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計、加工、測試和試驗。

　　3.取樣系統(tǒng)工作流程的研究及電氣系統(tǒng)開發(fā)

　　研究取樣系統(tǒng)的全自動方案，并完成其傳感器、電氣系統(tǒng)和控制器設(shè)計、搭建和調(diào)試。

　　結(jié)合無人機(jī)的工作方式，研究并搭建無人機(jī)和取樣裝置間的電氣系統(tǒng)和控制系統(tǒng)。

　　研究無人機(jī)檢驗取樣系統(tǒng)整機(jī)測試試驗和取樣試驗，編制無人機(jī)飛行器系統(tǒng)的工作方式和操縱方式。

　　三、課題研究的試驗方法和技術(shù)路線

　　1.方案基于多旋翼遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行開發(fā)，從而使得設(shè)備具有穩(wěn)定性高，智能化更高，更靈活高效，大負(fù)載等優(yōu)點；

　　2．在遠(yuǎn)程監(jiān)控平臺的基礎(chǔ)上，搭載如下系統(tǒng)：

　?。?）智能勘測與控制系統(tǒng)：遠(yuǎn)程監(jiān)測取樣機(jī)器的核心計算控制單元，通過智能終端匯集各類傳感器信息，實現(xiàn)數(shù)據(jù)記錄和動態(tài)分析，并向各個機(jī)械單元發(fā)送控制指令和接收反饋信息。完成取樣機(jī)器運動控制、倉內(nèi)空間勘測、取樣點規(guī)劃、局部區(qū)間定位、取樣系統(tǒng)觸發(fā)與控制等功能。

　?。?）取樣系統(tǒng)：核心機(jī)械單元，在取樣機(jī)器到達(dá)任務(wù)點后，根據(jù)觸發(fā)信號實現(xiàn)自動取樣并存儲樣料。

　　（3）定位與避障系統(tǒng)：實時獲取取樣機(jī)器工作環(huán)境尺度信息，輔助實現(xiàn)倉內(nèi)空間勘測，確保取樣機(jī)器安全。

　?。?）視覺系統(tǒng)：實現(xiàn)取樣機(jī)器工作流程實時監(jiān)測，輔助實現(xiàn)視覺導(dǎo)航工作模式，輔助實現(xiàn)檢疫取樣模式下的異物精準(zhǔn)識別。

　?。?）地面站系統(tǒng)：取樣機(jī)器任務(wù)規(guī)劃，工作流程遠(yuǎn)程監(jiān)測。

　?。?）通訊系統(tǒng)：建立取樣機(jī)器與地面站系統(tǒng)通訊鏈路。

　?。?）供電系統(tǒng)：為各系統(tǒng)供電。

　　3.設(shè)備采用模塊化結(jié)構(gòu)，任意機(jī)構(gòu)可使用或屏蔽，甚至可以更換組件，達(dá)到客戶所需要的其它功能；

　　取樣簡易流程描述：首先先利用監(jiān)控地面站設(shè)置規(guī)劃航線與取樣點，然后派出遠(yuǎn)程監(jiān)測取樣設(shè)備。

　　在GPS信號良好的情況下，采用GPS模式，按照規(guī)劃好的航線進(jìn)行飛行和懸停取樣；在GPS信號較差的情況下（進(jìn)入倉內(nèi)），設(shè)備自動切換到視覺導(dǎo)航模式，根據(jù)視覺導(dǎo)航系統(tǒng)和避障系統(tǒng)指引自動飛到任務(wù)點進(jìn)行懸停取樣。

　　在檢驗取樣過程中：設(shè)備會首先通過氣體檢測吊艙進(jìn)行氣體濃度檢測--硫化氫、溴甲烷、硫酰氟（氧氣進(jìn)行對照），測試貨艙內(nèi)是否有有害氣體威脅相關(guān)作業(yè)人員安全。然后自主飛到船艙上方根據(jù)預(yù)先設(shè)置的30個/50個點位或?qū)崟r計算得到的航線和取樣點位對各個大小不一的糧倉進(jìn)行取作業(yè)，首先飛行到第一個點位，通過取樣機(jī)構(gòu)自重將自身扎到谷物堆中，通過步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動帶動螺旋機(jī)構(gòu)旋轉(zhuǎn)，將糧食提升到儲料倉內(nèi)。循環(huán)往復(fù)直到全部取樣結(jié)束。取樣過后，設(shè)備攜帶樣品回到初始點位，由采樣人員進(jìn)行卸料。

　　四、課題研究效益分析

　　1.項目創(chuàng)新點

　?。?）深入論證基于港口船舶的無人機(jī)糧食檢驗取樣系統(tǒng)的采樣無人機(jī)選型及掛載方式。開創(chuàng)性的研究應(yīng)用于港口復(fù)雜工況的無人機(jī)軟掛載方案以及其改裝方案，創(chuàng)造性的提出旋鉆抽取的方法，并開發(fā)樣機(jī)工作。

　?。?）創(chuàng)造性的提出基于多傳感器的全自動取樣系統(tǒng)方案，并完成樣機(jī)部件及整機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計、加工、測試和試驗。

　?。?）該設(shè)備一旦應(yīng)用到進(jìn)境散糧的通關(guān)的檢驗取樣工作，將創(chuàng)造性改變通關(guān)方式、生產(chǎn)流程和作業(yè)規(guī)范。

　　2．建設(shè)的意義和社會效益

　?。?）建設(shè)的意義

　　無人機(jī)檢驗取樣系統(tǒng)是利用無人機(jī)機(jī)動性強(qiáng)、成本低、自動化程度高等優(yōu)勢開發(fā)而成的。能夠通過其響應(yīng)速度快、飛行范圍廣、地形干擾小等特點，提高對進(jìn)境散糧的檢驗取樣全自動化程度，實現(xiàn)增效降本，切實提高口岸查驗技術(shù)水平和能力，因此引入無人機(jī)安裝采樣系統(tǒng)意義重大。

　?。?）建設(shè)的社會效益

　　經(jīng)濟(jì)效益：無人機(jī)檢驗取樣系統(tǒng)可以對進(jìn)境散糧進(jìn)行全自動化檢驗取樣，在減少取樣人員的同時，降低取樣檢疫人員的安全事故率，還可大大提升查驗的速度和準(zhǔn)確度，降低進(jìn)境散糧和企業(yè)的通關(guān)時間，避免了通關(guān)時間過長造成的經(jīng)濟(jì)損失，從而促進(jìn)社會經(jīng)濟(jì)效益的實現(xiàn)。

　　社會效益：我國是糧食產(chǎn)量大國，也是個糧食進(jìn)口大國。自我國加入WT0后，糧食進(jìn)出口貿(mào)易逐漸放開，進(jìn)口糧食貿(mào)易量不斷增加，在對進(jìn)境散糧實施檢驗檢疫時，落后的查驗設(shè)施一定程度阻礙了通關(guān)便利，而本項目可以極大提高對進(jìn)境散糧的檢驗取樣自動化程度，縮短檢驗取樣時間，提高工作效率，壓縮通關(guān)時長。