عند شراء طائرات بدون طيار زراعية للمزارع ذات التضاريس المعقدة، كيف يجب أن أختار طائرة بدون طيار تتمتع بقدرات تتبع التضاريس؟

رؤية العملاء يعانون من تحطم طائراتهم بدون طيار على التلال شديدة الانحدار يكسر قلبي، خاصة عندما يكشف تحليل بيانات رحلاتنا غالبًا أن هذه الحوادث كانت يمكن تجنبها تمامًا باستخدام تكوين المستشعر الصحيح.

لاختيار طائرة بدون طيار للتضاريس المعقدة، قم بإعطاء الأولوية للنماذج المجهزة برادار الموجات المليمترية أو LiDAR المصممة خصيصًا لمحاكاة الأرض. تأكد من أن النظام يستخدم تحديد المواقع RTK لدقة رأسية بمستوى السنتيمتر وتحقق من أن وحدة التحكم في الطيران تدعم نماذج التضاريس ثلاثية الأبعاد المعدة مسبقًا للتعامل بأمان مع المنحدرات التي تزيد عن 30 درجة.

دعنا نقسم مواصفات الأجهزة وميزات البرامج المحددة التي تحتاجها للتعامل مع هذه البيئات الصعبة بفعالية.

ما هي تقنيات الرادار المحددة التي يجب أن أبحث عنها لضمان تتبع دقيق للتضاريس على المنحدرات الشديدة؟

عندما نختبر وحدات رادار جديدة في منشأتنا في تشنغدو، نطير عمدًا فوق الصخور المتعرجة والشجيرات الكثيفة لمعرفة ما إذا كانت الإشارة ثابتة أم مرتبكة بسبب الغطاء النباتي.

يجب عليك إعطاء الأولوية للطائرات بدون طيار التي تستخدم رادار التصوير رباعي الأبعاد (4D Imaging Radar) أو رادار الموجات المليمترية (Millimeter-wave radar) بمعدل تحديث عالٍ. تخترق هذه التقنيات الغبار والأوراق الكثيفة بشكل أفضل من المستشعرات المرئية، مما يوفر تعديلات ارتفاع في الوقت الفعلي على المنحدرات الشديدة حيث تفشل المستشعرات البارومترية غالبًا بسبب التغيرات السريعة في الضغط الجوي أثناء الصعود.

فهم أنواع الرادار للزراعة

في عالم الطائرات بدون طيار الصناعية، ليست كل "مستشعرات الارتفاع" متساوية. لقد وجدنا أن العديد من الطائرات بدون طيار للمبتدئين تعتمد بشكل كبير على البارومترات. تعتمد بشكل كبير على البارومترات ¹ في حين أن البارومترات جيدة للحقول المسطحة في كانساس، إلا أنها كارثية للتضاريس الجبلية. عندما تتسلق طائرة بدون طيار منحدرًا، يتغير ضغط الهواء. قد يعتقد البارومتر أن الطائرة بدون طيار قد اكتسبت ارتفاعًا عندما يكون الأرض قد ارتفعت بالفعل لمقابلتها. هذا التأخير يسبب حوادث.

بالنسبة للتضاريس المعقدة، تحتاج إلى استشعار نشط. هذا هو المكان الذي يتألق فيه رادار الموجات المليمترية (mmWave). على عكس الكاميرات البصرية، التي يمكن أن تعميها أشعة الشمس الساطعة أو تربكها الظلال في الوادي، يرسل رادار mmWave موجات راديو ترتد عن الأرض. يحسب الوقت الذي تستغرقه الموجة للعودة. يحدث هذا آلاف المرات في الثانية.

أهمية محاكاة الأرض

"محاكاة التضاريس" هو مصطلح محدد نستخدمه في الهندسة. ويعني أن الطائرة بدون طيار تحاكي شكل التضاريس الموجودة أسفلها. تطير الطائرة بدون طيار القياسية في خط مستقيم (من أ إلى ب). تطير الطائرة بدون طيار التي تتبع التضاريس في منحنى يتطابق مع التل. للقيام بذلك، يجب أن يحتوي الرادار على شعاع ضيق للدقة ولكن مجال رؤية واسع بما يكفي لرؤية المنحدر القادم قبل وصوله.

نوصي بالبحث عن أنظمة رادار "مصفوفة الطور". مصفوفة الطور ² أنظمة رادار "مصفوفة". يمكن لهذه الأنظمة توجيه شعاع الرادار إلكترونيًا بدون أجزاء متحركة. هذا يسمح للطائرة بدون طيار بالنظر إلى الأمام قليلاً، وليس فقط إلى الأسفل مباشرة. إذا نظرت الطائرة بدون طيار إلى الأسفل مباشرة فقط، فقد يكون الأوان قد فات للصعود بحلول الوقت الذي تكتشف فيه واجهة جرف.

مقارنة المستشعرات لمديري المشتريات

إذا كنت تقوم بتوريد طائرات بدون طيار لبيئات متنوعة، فإن هذا الجدول يقارن موثوقية المستشعرات المختلفة التي قمنا بدمجها على مر السنين.

عامل الغبار

تفصيل حاسم غالبًا ما يتم تجاهله في المواصفات هو التداخل البيئي. أثناء الحصاد أو المواسم الجافة، تثير الطائرة بدون طيار الكثير من الغبار. المستشعرات البصرية (الكاميرات) تتسخ أو تُحجب. يعمل الرادار على طول موجي يمر عبر سحب الغبار. عندما نصمم وحدات SkyRover الخاصة بنا للتصدير إلى المناطق المتربة، فإننا نختار دائمًا الرادار لهذا السبب المحدد. يضمن ذلك أن الطائرة بدون طيار تعرف بالضبط مكان الأرض، حتى لو لم يتمكن الطيار من الرؤية عبر الغبار.

كيف أحدد ما إذا كانت سرعة استجابة الطائرة بدون طيار سريعة بما يكفي للتضاريس المعقدة في مزرعتي؟

أثناء اختبارات استقرار الرحلة، نقيس عدد المللي ثانية التي تستغرقها المحركات للاستجابة فعليًا لارتفاع مفاجئ في مستوى الأرض اكتشفه الكمبيوتر الموجود على متن الطائرة.

تحقق من تحكم الطائرة بدون طيار زمن استجابة حلقة التحكم ³ زمن استجابة الحلقة، والذي يجب أن يكون مثاليًا أقل من 20 مللي ثانية للتضاريس شديدة الانحدار. بالإضافة إلى ذلك، قم بمراجعة نسبة الدفع إلى الوزن؛ تضمن النسبة الأعلى أن نظام الدفع لديه طاقة كافية للصعود فورًا عندما يكتشف الرادار انحدارًا مفاجئًا، مما يمنع الاصطدام بالأرض أثناء العمليات عالية السرعة.

فيزياء وقت رد الفعل

لا يكفي أن تتمكن الطائرة بدون طيار من انظر التل؛ يجب أن تكون قادرة على التحرك بسرعة كافية لتجنبه. هذه نقطة ألم شائعة نراها في الموديلات الأرخص. يرى المستشعر الأرض ترتفع، لكن الطائرة بدون طيار ثقيلة جدًا أو الكمبيوتر بطيء جدًا بحيث لا يمكن رفعه في الوقت المناسب.

بالمصطلحات الهندسية، نسمي هذا "زمن استجابة حلقة التحكم". هذا هو التأخير الزمني بين رؤية المستشعر للعائق ودوران المحركات. بالنسبة للأرض المستوية، فإن تأخير 100 مللي ثانية مقبول. بالنسبة لمنحدر بزاوية 45 درجة، فإن 100 مللي ثانية هي الفرق بين رحلة ناجحة ومروحة مكسورة.

تحليل نسبة الدفع إلى الوزن

عندما تنظر إلى ورقة المواصفات، انظر إلى الحد الأقصى لوزن الإقلاع مقابل الحد الأقصى للدفع. الوزن الأقصى للإقلاع ⁴ إذا كانت الطائرة بدون طيار محملة بالكامل بـ 40 لترًا من المبيدات الحشرية، فهي ثقيلة. إذا احتاجت إلى تسلق تل، فيجب عليها محاربة الجاذبية بالإضافة إلى الزخم الهابط.

نوصي بنسبة دفع إلى وزن لا تقل عن 1.8 إلى 1 نسبة الدفع إلى الوزن ⁵ للتضاريس الجبلية. هذا يعني أن المحركات يمكنها توليد ضعف قوة الدفع اللازمة للتحويم تقريبًا. هذه القوة الزائدة هي ما يسمح للطائرة بدون طيار "بالاندفاع" والتسلق عموديًا عندما تتغير التضاريس بشكل مفاجئ.

سرعة الطيران مقابل تعقيد التضاريس

هناك مفاضلة بين السرعة والسلامة. حتى أفضل طائرة بدون طيار SkyRover لا يمكنها تسلق جدار عمودي بسرعة 10 أمتار في الثانية. يجب أن يكون متحكم الطيران ذكيًا بما يكفي للتباطؤ.

نقوم ببرمجة وحدات التحكم في الطيران لدينا لحساب "تدرج المنحدر". إذا كان المنحدر شديدًا، فإن الطائرة بدون طيار تقلل تلقائيًا من سرعتها الأمامية. هذا يمنح المحركات مزيدًا من الوقت لرفع الطائرة بدون طيار. عند تقييم مورد، اسأل عما إذا كان برنامجهم يحتوي على "التحكم التكيفي في السرعة" بناءً على بيانات التضاريس.

سرعات التشغيل الموصى بها

نقدم هذا الدليل لموزعينا لمساعدتهم على تحديد التوقعات للمستخدمين النهائيين.

آثار استنزاف البطارية

يجب على مديري المشتريات أيضًا ملاحظة أن تتبع التضاريس يستنزف البطاريات بشكل أسرع. يستهلك التسلق طاقة أكبر بكثير من التحليق. عندما نحسب أوقات الطيران للعملاء في المناطق الجبلية، فإننا عادةً ما نقلل وقت الطيران المقدر بنسبة 20% مقارنة بمواصفات الأراضي المسطحة. يجب عليك أخذ ذلك في الاعتبار عند شراء بطاريات احتياطية. إذا كنت تحتاج عادةً إلى أربع بطاريات لمهمة ما، فقد تحتاج إلى خمس أو ست بطاريات على تل.

هل ستتمكن طائرة بدون طيار ذات قدرات تتبع التضاريس من إدارة تجنب العوائق في البساتين بفعالية أيضًا؟

غالبًا ما نسمع من أصحاب البساتين الذين يفترضون خطأً أن رادار التضاريس يمنع الطائرة بدون طيار تلقائيًا من الاصطدام بغصن شجرة، ولكن هذا نادرًا ما يكون هو الحال في الواقع.

تتبع التضاريس وتجنب العوائق هما وظيفتان منفصلتان؛ مستشعرات التضاريس تنظر إلى الأسفل، بينما مستشعرات التجنب تنظر إلى الأمام. بالنسبة للبساتين، تحتاج إلى نظام رادار متعدد الاتجاهات أو مستشعرات رؤية ثنائية تعمل في وقت واحد مع وحدة التضاريس للكشف عن الأغصان البارزة والأعمدة وأسلاك التثبيت.

نظامان مختلفان يعملان معًا

من الضروري فهم أن "الارتفاع" و "العوائق" تتم معالجتهما بشكل مختلف.

1. تتبع التضاريس (الارتفاع): يستخدم رادارًا متجهًا للأسفل للحفاظ على الطائرة بدون طيار على ارتفاع 3 أمتار فوق سطح الأرض.
2. تجنب العوائق (السلامة): يستخدم مستشعرات أمامية أو بزاوية 360 درجة لمنع الطائرة بدون طيار من الاصطدام بجدار أو شجرة.

في بستان، قد تكون الأرض مستوية، لكن الأشجار تمثل عوائق. أو قد تكون الأرض منحدرة و توجد أشجار. إذا اشتريت طائرة بدون طيار مع خاصية تتبع التضاريس فقط، فستحافظ على ارتفاع مثالي حتى تطير جانبيًا في جذع شجرة.

مشكلة "المظلة"

البساتين صعبة لأن "الأرض" ليست واضحة دائمًا. إذا اصطدم الرادار المتجه للأسفل بأعلى شجرة تفاح كثيفة، فقد يعتقد أن قمة الشجرة هي الأرض. قد تقفز الطائرة بدون طيار فجأة 4 أمتار لتجاوز "الأرض"، مما يتسبب في رش غير متناسق.

لحل هذه المشكلة، نستخدم خوارزميات متقدمة تقوم بتصفية "ضوضاء النباتات". تحتاج الطائرة بدون طيار إلى معرفة الفرق بين التربة الصلبة والمظلة الناعمة. يتطلب هذا عادةً رسم خرائط مسبق للحقل.

رسم الخرائط المسبق مقابل الاستشعار في الوقت الفعلي

بالنسبة للبساتين المعقدة، ننصح بشدة بعدم الاعتماد فقط على الاستشعار في الوقت الفعلي. يمكن للمستشعرات في الوقت الفعلي أن تفوت الأسلاك الرفيعة أو الفروع العارية في الشتاء.

أفضل سير عمل نراه من عملائنا الناجحين في الولايات المتحدة يتضمن خطوتين:

1. مهمة رسم الخرائط: قم بتشغيل طائرة بدون طيار مسحية صغيرة (أو الطائرة بدون طيار الزراعية بدون خزان) لإنشاء خريطة ثلاثية الأبعاد عالية الدقة للبستان.
2. تخطيط المسار: يقوم البرنامج بإنشاء مسار طيران يتلوى بين الأشجار ويتبع المنحدر.

أنواع مستشعرات تجنب العوائق

عند قراءة الكتيب، تحقق من استشعار "متعدد الاتجاهات". الطائرات بدون طيار القديمة كانت تنظر إلى الأمام فقط. إذا انحرفت الطائرة بدون طيار جانبًا بسبب الرياح في صف كروم ضيق، فلن ينقذها مستشعر يواجه الأمام.

تكامل الأنظمة

تهديد "الأسلاك"

ملاحظة أخيرة حول السلامة: الرادار رائع للأشجار، ولكن أسلاك المرافق الرفيعة هي عدو جميع الطائرات بدون طيار. حتى أفضل رادار موجات المليمتر يمكن أن يفوت سلكًا رفيعًا واحدًا. ننصح المشغلين دائمًا بتحديد الأعمدة والأسلاك يدويًا كـ مناطق حظر الطيران ⁶ "مناطق ممنوعة الطيران" مناطق حظر الطيران ⁷ في التطبيق قبل الطيران. لا تثق في الروبوت لرؤية سلك 5 مم على بعد 50 مترًا.

ما مدى تأثير جودة وحدة تتبع التضاريس على انتظام رش المحاصيل؟

قام فريق الزراعة لدينا بتحليل أنماط الرش بشكل مكثف ووجد أن خطأً في الارتفاع بمقدار متر واحد فقط أنماط الرش ⁸ يمكن أن يفسد تغطية التطبيق على منحدر، مما يؤدي إلى ظهور خطوط وهدر.

تحدد جودة وحدة التضاريس بشكل مباشر اتساق عرض الرش؛ إذا ارتفعت الطائرة بدون طيار كثيرًا، يتبخر الرذاذ أو ينجرف، وإذا انخفضت كثيرًا، فإنها تسبب حروقًا كيميائية. يضمن تتبع التضاريس عالي الدقة بقاء ارتفاع الفوهة ثابتًا بالنسبة لغطاء المحصول، مما يضمن ترسيبًا موحدًا للقطرات عبر الحقول غير المستوية.

تأثير الأكورديون

تخيل طلاء جدار بعبوة رذاذ. إذا حركت يدك أقرب، يصبح الطلاء سميكًا ويتساقط. إذا تراجعت، يكون الطلاء رقيقًا وينتشر في كل مكان.

تعمل الطائرات بدون طيار بنفس الطريقة. يتم تحديد عرض الرش بواسطة الفيزياء. إذا تم ضبط الطائرة بدون طيار لرش عرض 5 أمتار على ارتفاع 3 أمتار، فإن هذه الهندسة ثابتة.

• الانجراف العالي (4 متر): يتسع عرض الرش، لكن الكثافة تنخفض. تلتقط الرياح القطرات، فتنقلها إلى المحاصيل المجاورة (الانجراف).
• انجراف منخفض (2 متر): يتقلص عرض الرش. تحصل على "تخطيط" - نطاقات من المواد الكيميائية الكثيفة ونطاقات من عدم وجود مواد كيميائية. هذا يحرق المحصول ويترك الآفات على قيد الحياة في الفجوات.

على تل، إذا تأخرت الطائرة بدون طيار في تتبع التضاريس، فستكون دائمًا مرتفعة جدًا (عندما تنخفض الأرض) أو منخفضة جدًا (عندما ترتفع الأرض). هذا يخلق نمط "أكورديون" من التطبيق غير المتساوي.

التطبيق بمعدل متغير (VRA)

يسمح تتبع التضاريس المتقدم بـ تطبيق بمعدل متغير ⁹ تطبيق بمعدل متغير. على تل، تتباطأ الطائرة بدون طيار بشكل طبيعي للتسلق. إذا استمرت المضخة في الرش بنفس السرعة، فستفرط في جرعة المحصول عند التسلق صعودًا لأن الطائرة بدون طيار تتحرك ببطء أكبر.

الطائرات بدون طيار الذكية تربط سرعة الطيران بمعدل تدفق المضخة.

• التسلق (بطيء): تتباطأ المضخة.
• الهبوط (سريع): تتسارع المضخة.

يجب مزامنة التحكم في التدفق هذا مع رادار التضاريس. إذا كان الرادار متأخرًا، فإن تصور السرعة خاطئ، وسيكون معدل التدفق خاطئًا.

التأثير الاقتصادي لتتبع التضاريس السيئ

غالبًا ما نناقش عائد الاستثمار مع مديري المشتريات. توفر الطائرة بدون طيار الرخيصة المال مقدمًا ولكنها تكلف المال في المواد الكيميائية.

تقنية الفوهة والارتفاع

نوع الفوهة التي تستخدمها يحدد أيضًا مدى جودة نوع الفوهة ¹⁰ يجب أن يكون تتبعك للتضاريس.

• فوهات الطرد المركزي: هذه شائعة الآن. إنها تخلق رذاذًا. إنها حساسة جدًا للارتفاع. إذا كنت مرتفعًا جدًا، فإن الرذاذ يطفو بعيدًا.
• فوهات الضغط: هذه تخلق قطرات أثقل. إنها أكثر تساهلاً، ولكنها لا تزال تتطلب الاتساق.

معايرة البرامج

أخيرًا، عند استلام طائراتك بدون طيار، تحقق مما إذا كانت الشركة المصنعة تسمح بـ "معايرة الارتفاع". في برنامج SkyRover الخاص بنا، نسمح للمستخدم بتصفير مستشعر الارتفاع على مظلة المحصول الفعلية، وليس فقط على الأرض العارية. هذا أمر بالغ الأهمية للمحاصيل مثل الذرة أو قصب السكر، والتي تضيف 2 متر إلى ارتفاع الأرض. يحتاج الرادار إلى معرفة ما إذا كان يجب عليه تتبع التربة أو الشرابات.

الخاتمة

يتطلب اختيار الطائرة بدون طيار المناسبة للتضاريس المعقدة أكثر من مجرد قوة المحرك؛ فهو يتطلب تآزرًا بين رادار mmWave سريع الاستجابة، ودفع عالي العزم، وبرنامج ذكي يمكنه التمييز بين الأرض والمظلة. من خلال إعطاء الأولوية لتقنيات المستشعرات المحددة هذه والتحقق من زمن استجابة حلقة التحكم، فإنك تضمن تشغيل أسطولك بأمان وتلقي محاصيلك علاجًا موحدًا.

الحواشي

1. معلومات عامة عن وظيفة وحدود المستشعرات البارومترية. ︎

2. مواصفات المنتج لطائرة زراعية رئيسية بدون طيار تستخدم أنظمة رادار المصفوفة المرحلية. ︎

3. مورد تعليمي من MIT يشرح أنظمة التحكم في التغذية الراجعة وزمن الاستجابة في الهندسة. ︎

4. الإطار التنظيمي لوكالة سلامة الطيران الأوروبية (EASA) الذي يحدد فئات الطائرات بدون طيار بناءً على مواصفات الوزن. ︎

5. تعريف فيزيائي موثوق من وكالة ناسا فيما يتعلق بالرفع والجاذبية. ︎

6. معلومات رسمية من إدارة الطيران الفيدرالية (FAA) بشأن سلامة الطائرات بدون طيار والمناطق المحظورة. ︎

7. موارد إدارة الطيران الفيدرالية (FAA) فيما يتعلق بقيود المجال الجوي ومناطق السلامة لمشغلي الطائرات بدون طيار. ︎

8. إرشادات وكالة حماية البيئة (EPA) بشأن العوامل المؤثرة على الانجراف والترسب لمبيدات الآفات. ︎

9. مورد تعليمي يشرح تقنية الزراعة الدقيقة. ︎

10. دليل تمديد جامعي حول اختيار فوهات الرش. ︎