【摘 要】
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针对复杂地理环境下植物接触式取样自动化程度低、作业安全性难以保障等问题,课题基于小型旋翼无人机平台,设计开发了一款集接触式植物样本取样与非接触式植物信息采集于一体的植物取样系统。基于植物取样系统的需求分析与设计技术指标,提出了基于无人机平台的植物取样系统方法,设计了由植物样本取样机械手、植物信息采集分系统、安全保护分系统等组成的系统总体设计方案;进行了无人机平台的选型设计和系统开发的关键技术分析。
【基金项目】
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浙江省公益技术研究项目:复杂地理环境下植物样本采集系统研发（项目编号:LGN20E050004）；
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针对复杂地理环境下植物接触式取样自动化程度低、作业安全性难以保障等问题,课题基于小型旋翼无人机平台,设计开发了一款集接触式植物样本取样与非接触式植物信息采集于一体的植物取样系统。基于植物取样系统的需求分析与设计技术指标,提出了基于无人机平台的植物取样系统方法,设计了由植物样本取样机械手、植物信息采集分系统、安全保护分系统等组成的系统总体设计方案;进行了无人机平台的选型设计和系统开发的关键技术分析。根据接触式植物取样的功能需求,构型设计了一种滚珠丝杠驱动副与对称偏置滑块摇杆串联取样机械手,以实现植物样本抓取、切割、贮藏一体化的设计目标;应用机构运动学理论,开展了机械手机构设计参数的优化设计,并进行了取样机械手动力学及结构力学的校核分析;基于高灵敏度超外差接收技术,设计了由电机控制器、行程开关与远程遥控等模块组成的远程控制器,实现了取样机械手在复杂地理环境下的远程操控。基于STM32单片机控制,设计了由拉力传感器为反馈的机械手与无人机平台的电子连接分离两级安全保护装置;通过构型设计与多体动力学仿真分析,设计了可调式力控机械连接分离装置,从而实现了系统的三级安全保护。通过选用DJI Zenmuse X3型一体式云台相机及基于载波相位差分技术（RTK）的D-RTK测量仪,设计集成了系统植物图像信息、地理信息等非接触式植物信息采集分系统,实现了接触式植物样本取样与非接触式植物信息采集的一体化。进行了植物取样系统样机研制;开展了机械手切割力测试、安全保护装置测试及平台系统取样等实验。测试与实验表明:取样机械手切割力为214.3N,达到设计指标要求;电子连接分离器与机械式连接分离器实现了预设的安全保护功能;系统通过远程操控,具备设计植物样本接触式取样和图像信息与地理位置信息采集于一体的功能,且能满足样本净重达1kg,样本植物茎秆直径达5mm等指标需求。本文设计开发的基于无人机平台的植物取样系统,具备远程操控、样本取样与信息采集于一体等功能特点,可解决复杂地理环境下的农林业植物取样的现实困难,具有重要的社会价值和应用价值。
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