鉴于目前全球疫情防控形势依然严峻，长期“战疫”任务不可避免，为了在确保我国的植被免受外来物种的侵害、国门关口安全和通畅的同时，有效防控疫情传播，保护现场作业关员不受病毒伤害，通过创新研发远程监测取样机器，使用远程控制,操作采样作业,杜绝与境外人员的接触，大幅度降低关员感染病毒的风险，切实保障关员的身体健康。

　　一、课题研究背景

　　随着进口粮食贸易的增长，对进境散粮进行检验检疫的工作量日益繁重。检验检疫部门在对进境散粮进行检验取样时，当散粮重量大于500吨，需在船舱表层设点，抽取第一小批样品后，掌握每装卸1000吨抽一份小批样品，不足1000吨按1000吨计算。每个小批样品需从30-50个点抽取。目前，海沧海关所属海隆码头靠泊的散粮船舶吨位多为7万吨，装载粮食6万吨左右。每次对进境散粮实施检验检疫时，需抽取检验样多达60份之多，耗费时间久，需要人力多。

　　现阶段散粮检验取样采用传统的钢针取样器，效率低下（图1），尤其是工作人员还要面临船高水深、舱内行走粮食“塌方”被埋的安全隐患，使得取样检疫成为影响高效生产的重大安全问题（图2）。

　　这种取样方式劳动强度大、工作条件艰苦、检疫效率低，并且危险度高，已不能满足大批量货物检疫采样的发展和安全运行的需求。

　　二、课题研究内容

　　目前，国内外较少采用无人机+采样装置进行无人机检验取样系统的开发方式，以实现对船舱谷物实现安全快速取样。结合港口环境、无人机载重量及采样需求等方面约束综合考量，主要分为三个研究内容：

1. 无人机选型及挂载方式研究结合港口风况、取样重量、飞行距离、续航要求、控制精度及工作范围等条件，调研可用于自主或半自主开发的无人机平台，并研究各无人机平台的飞行参数、性能参数和改装冗余度。

   

　　基于国内外先进技术方案和现有的技术能力，研究检验取样系统与无人机间的挂载连接方式，包括软连接方案和硬连接方案。

　　通过三维建模得到无人机和采样系统的挂载方式，并完成挂载对无人机的受力分析和运动分析。

　　2.取样方式的研究及取样装置开发

　　基于现有取样机构的特点，分析并提出多种适用于无人机单次飞行多点取样的采样系统。

　　比较潜在可行方案的优缺点，综合评估并优选最佳的取样装置机构方案和存储方案。

　　通过三维建模完成取样装置部件及整机的结构设计、加工、测试和试验。

　　3.取样系统工作流程的研究及电气系统开发

　　研究取样系统的全自动方案，并完成其传感器、电气系统和控制器设计、搭建和调试。

　　结合无人机的工作方式，研究并搭建无人机和取样装置间的电气系统和控制系统。

　　研究无人机检验取样系统整机测试试验和取样试验，编制无人机飞行器系统的工作方式和操纵方式。

　　三、课题研究的试验方法和技术路线

　　1.方案基于多旋翼远程监控系统进行开发，从而使得设备具有稳定性高，智能化更高，更灵活高效，大负载等优点；

　　2．在远程监控平台的基础上，搭载如下系统：

　　（1）智能勘测与控制系统：远程监测取样机器的核心计算控制单元，通过智能终端汇集各类传感器信息，实现数据记录和动态分析，并向各个机械单元发送控制指令和接收反馈信息。完成取样机器运动控制、仓内空间勘测、取样点规划、局部区间定位、取样系统触发与控制等功能。

　　（2）取样系统：核心机械单元，在取样机器到达任务点后，根据触发信号实现自动取样并存储样料。

　　（3）定位与避障系统：实时获取取样机器工作环境尺度信息，辅助实现仓内空间勘测，确保取样机器安全。

　　（4）视觉系统：实现取样机器工作流程实时监测，辅助实现视觉导航工作模式，辅助实现检疫取样模式下的异物精准识别。

　　（5）地面站系统：取样机器任务规划，工作流程远程监测。

　　（6）通讯系统：建立取样机器与地面站系统通讯链路。

　　（7）供电系统：为各系统供电。

　　3.设备采用模块化结构，任意机构可使用或屏蔽，甚至可以更换组件，达到客户所需要的其它功能；

　　取样简易流程描述：首先先利用监控地面站设置规划航线与取样点，然后派出远程监测取样设备。

　　在GPS信号良好的情况下，采用GPS模式，按照规划好的航线进行飞行和悬停取样；在GPS信号较差的情况下（进入仓内），设备自动切换到视觉导航模式，根据视觉导航系统和避障系统指引自动飞到任务点进行悬停取样。

　　在检验取样过程中：设备会首先通过气体检测吊舱进行气体浓度检测--硫化氢、溴甲烷、硫酰氟（氧气进行对照），测试货舱内是否有有害气体威胁相关作业人员安全。然后自主飞到船舱上方根据预先设置的30个/50个点位或实时计算得到的航线和取样点位对各个大小不一的粮仓进行取作业，首先飞行到第一个点位，通过取样机构自重将自身扎到谷物堆中，通过步进电机驱动带动螺旋机构旋转，将粮食提升到储料仓内。循环往复直到全部取样结束。取样过后，设备携带样品回到初始点位，由采样人员进行卸料。

　　四、课题研究效益分析

　　1.项目创新点

　　（1）深入论证基于港口船舶的无人机粮食检验取样系统的采样无人机选型及挂载方式。开创性的研究应用于港口复杂工况的无人机软挂载方案以及其改装方案，创造性的提出旋钻抽取的方法，并开发样机工作。

　　（2）创造性的提出基于多传感器的全自动取样系统方案，并完成样机部件及整机的结构设计、加工、测试和试验。

　　（3）该设备一旦应用到进境散粮的通关的检验取样工作，将创造性改变通关方式、生产流程和作业规范。

　　2．建设的意义和社会效益

　　（1）建设的意义

　　无人机检验取样系统是利用无人机机动性强、成本低、自动化程度高等优势开发而成的。能够通过其响应速度快、飞行范围广、地形干扰小等特点，提高对进境散粮的检验取样全自动化程度，实现增效降本，切实提高口岸查验技术水平和能力，因此引入无人机安装采样系统意义重大。

　　（2）建设的社会效益

　　经济效益：无人机检验取样系统可以对进境散粮进行全自动化检验取样，在减少取样人员的同时，降低取样检疫人员的安全事故率，还可大大提升查验的速度和准确度，降低进境散粮和企业的通关时间，避免了通关时间过长造成的经济损失，从而促进社会经济效益的实现。

　　社会效益：我国是粮食产量大国，也是个粮食进口大国。自我国加入WT0后，粮食进出口贸易逐渐放开，进口粮食贸易量不断增加，在对进境散粮实施检验检疫时，落后的查验设施一定程度阻碍了通关便利，而本项目可以极大提高对进境散粮的检验取样自动化程度，缩短检验取样时间，提高工作效率，压缩通关时长。