鑒于目前全球疫情防控形勢依然嚴峻，長期“戰疫”任務不可避免，為了在確保我國的植被免受外來物種的侵害、國門關口安全和通暢的同時，有效防控疫情傳播，保護現場作業關員不受病毒傷害，通過創新研發遠程監測取樣機器，使用遠程控制,操作采樣作業,杜絕與境外人員的接觸，大幅度降低關員感染病毒的風險，切實保障關員的身體健康。

　　一、課題研究背景

　　隨著進口糧食貿易的增長，對進境散糧進行檢驗檢疫的工作量日益繁重。檢驗檢疫部門在對進境散糧進行檢驗取樣時，當散糧重量大于500噸，需在船艙表層設點，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。每次對進境散糧實施檢驗檢疫時，需抽取檢驗樣多達60份之多，耗費時間久，需要人力多。

　　現階段散糧檢驗取樣采用傳統的鋼針取樣器，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的重大安全問題（圖2）。

　　這種取樣方式勞動強度大、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展和安全運行的需求。

　　二、課題研究內容

　　目前，國內外較少采用無人機+采樣裝置進行無人機檢驗取樣系統的開發方式，以實現對船艙谷物實現安全快速取樣。結合港口環境、無人機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容：

1. 無人機選型及掛載方式研究結合港口風況、取樣重量、飛行距離、續航要求、控制精度及工作范圍等條件，調研可用于自主或半自主開發的無人機平臺，并研究各無人機平臺的飛行參數、性能參數和改裝冗余度。

   

　　基于國內外先進技術方案和現有的技術能力，研究檢驗取樣系統與無人機間的掛載連接方式，包括軟連接方案和硬連接方案。

　　通過三維建模得到無人機和采樣系統的掛載方式，并完成掛載對無人機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

　　基于現有取樣機構的特點，分析并提出多種適用于無人機單次飛行多點取樣的采樣系統。

　　比較潛在可行方案的優缺點，綜合評估并優選最佳的取樣裝置機構方案和存儲方案。

　　通過三維建模完成取樣裝置部件及整機的結構設計、加工、測試和試驗。

　　3.取樣系統工作流程的研究及電氣系統開發

　　研究取樣系統的全自動方案，并完成其傳感器、電氣系統和控制器設計、搭建和調試。

　　結合無人機的工作方式，研究并搭建無人機和取樣裝置間的電氣系統和控制系統。

　　研究無人機檢驗取樣系統整機測試試驗和取樣試驗，編制無人機飛行器系統的工作方式和操縱方式。

　　三、課題研究的試驗方法和技術路線

　　1.方案基于多旋翼遠程監控系統進行開發，從而使得設備具有穩定性高，智能化更高，更靈活高效，大負載等優點；

　　2．在遠程監控平臺的基礎上，搭載如下系統：

　　（1）智能勘測與控制系統：遠程監測取樣機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，實現數據記錄和動態分析，并向各個機械單元發送控制指令和接收反饋信息。完成取樣機器運動控制、倉內空間勘測、取樣點規劃、局部區間定位、取樣系統觸發與控制等功能。

　　（2）取樣系統：核心機械單元，在取樣機器到達任務點后，根據觸發信號實現自動取樣并存儲樣料。

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

　　（4）視覺系統：實現取樣機器工作流程實時監測，輔助實現視覺導航工作模式，輔助實現檢疫取樣模式下的異物精準識別。

　　（5）地面站系統：取樣機器任務規劃，工作流程遠程監測。

　　（6）通訊系統：建立取樣機器與地面站系統通訊鏈路。

　　（7）供電系統：為各系統供電。

　　3.設備采用模塊化結構，任意機構可使用或屏蔽，甚至可以更換組件，達到客戶所需要的其它功能；

　　取樣簡易流程描述：首先先利用監控地面站設置規劃航線與取樣點，然后派出遠程監測取樣設備。

　　在GPS信號良好的情況下，采用GPS模式，按照規劃好的航線進行飛行和懸停取樣；在GPS信號較差的情況下（進入倉內），設備自動切換到視覺導航模式，根據視覺導航系統和避障系統指引自動飛到任務點進行懸停取樣。

　　在檢驗取樣過程中：設備會首先通過氣體檢測吊艙進行氣體濃度檢測--硫化氫、溴甲烷、硫酰氟（氧氣進行對照），測試貨艙內是否有有害氣體威脅相關作業人員安全。然后自主飛到船艙上方根據預先設置的30個/50個點位或實時計算得到的航線和取樣點位對各個大小不一的糧倉進行取作業，首先飛行到第一個點位，通過取樣機構自重將自身扎到谷物堆中，通過步進電機驅動帶動螺旋機構旋轉，將糧食提升到儲料倉內。循環往復直到全部取樣結束。取樣過后，設備攜帶樣品回到初始點位，由采樣人員進行卸料。

　　四、課題研究效益分析

　　1.項目創新點

　　（1）深入論證基于港口船舶的無人機糧食檢驗取樣系統的采樣無人機選型及掛載方式。開創性的研究應用于港口復雜工況的無人機軟掛載方案以及其改裝方案，創造性的提出旋鉆抽取的方法，并開發樣機工作。

　　（2）創造性的提出基于多傳感器的全自動取樣系統方案，并完成樣機部件及整機的結構設計、加工、測試和試驗。

　　（3）該設備一旦應用到進境散糧的通關的檢驗取樣工作，將創造性改變通關方式、生產流程和作業規范。

　　2．建設的意義和社會效益

　　（1）建設的意義

　　無人機檢驗取樣系統是利用無人機機動性強、成本低、自動化程度高等優勢開發而成的。能夠通過其響應速度快、飛行范圍廣、地形干擾小等特點，提高對進境散糧的檢驗取樣全自動化程度，實現增效降本，切實提高口岸查驗技術水平和能力，因此引入無人機安裝采樣系統意義重大。

　　（2）建設的社會效益

　　經濟效益：無人機檢驗取樣系統可以對進境散糧進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確度，降低進境散糧和企業的通關時間，避免了通關時間過長造成的經濟損失，從而促進社會經濟效益的實現。

　　社會效益：我國是糧食產量大國，也是個糧食進口大國。自我國加入WT0后，糧食進出口貿易逐漸放開，進口糧食貿易量不斷增加，在對進境散糧實施檢驗檢疫時，落后的查驗設施一定程度阻礙了通關便利，而本項目可以極大提高對進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，壓縮通關時長。