كيف أقوم بتقييم استقرار نظام التحكم في طيران طائرة زراعية بدون طيار؟

عندما نختبر نماذجنا الأولية الأحدث من SkyRover في الحقول العاصفة خارج شيان، غالبًا ما نرى كيف يمكن لرياح قوية واحدة أن تفسد نمط الرش. حلقة PID (التناسبية-التكاملية-التفاضلية) ¹. إذا انحرفت طائرتك بدون طيار قليلاً، فإنك تخاطر بحروق كيميائية على المحاصيل أو تغطية مفقودة. حروق كيميائية على المحاصيل ², ، مما يؤثر بشكل مباشر على هوامش ربح مزرعتك.

لتقييم الاستقرار، يجب عليك إجراء اختبارات ميدانية موحدة مثل رحلات الطيران المستقيمة لمسافة 1000 متر وتحليق لمدة 60 ثانية تحت حمولة كاملة. قم بتحليل سجلات القياس عن بعد لانحرافات الدوران والميل ضمن ±0.1 درجة وتحقق من اتساق الارتفاع عبر بيانات RTK لضمان تغطية رش دقيقة دون انحراف خطير.

دعنا نلقي نظرة على الأساليب المحددة التي نوصي بها للتحقق من هذه الأنظمة في الميدان. فقدان الاتصال ³.

ما هي الاختبارات الميدانية المحددة التي يمكنني إجراؤها للتحقق من دقة مسار الطيران؟

غالبًا ما ينصح مهندسونا العملاء في الولايات المتحدة بالنظر إلى ما هو أبعد من ورقة المواصفات وإجراء فحوصات مادية صارمة. إذا لم تتمكن الطائرة بدون طيار من الحفاظ على خط مستقيم، فإن الأضرار التي تلحق بالمحاصيل الناتجة ستكلف أكثر بكثير من الأجهزة نفسها.

يجب عليك تنفيذ اختبارات تتبع الخط المستقيم بسرعة 4 أمتار في الثانية لمسافات 1000 متر وقياس الانحراف الجانبي باستخدام سجلات RTK. قم بإجراء اختبارات طيران مدارية بنصف قطر 50 مترًا ومناورات كبح مفاجئة للتحقق من عودة الطائرة بدون طيار إلى مسارها في حدود سنتيمترات من التفاوت المبرمج.

لفهم ما إذا كان نظام التحكم في الطيران مناسبًا للمهمة حقًا، تحتاج إلى محاكاة ظروف زراعية واقعية. في ساحات اختبار المصنع لدينا، لا نقوم فقط بتشغيل طائرات بدون طيار فارغة؛ بل نقوم بتحميلها إلى أقصى سعتها. تتصرف الطائرة بدون طيار بشكل مختلف تمامًا عندما تحمل 30 أو 50 لترًا من السائل مقارنةً بحالتها الفارغة. القصور الذاتي هائل، ويجب على وحدة التحكم في الطيران التنبؤ بهذا الزخم.

اختبار الانحراف في خط مستقيم

أهم مقياس لطائرة زراعية بدون طيار هو قدرتها على الطيران في خط مستقيم تمامًا. نسمي هذا "اتساق المسار". عند رش حقل، تقوم بإعداد خطوط متوازية. إذا تذبذبت الطائرة بدون طيار، تحصل على فجوات (تنمو الأعشاب الضارة) أو تداخلات (احتراق المحاصيل).

لاختبار ذلك، قم بإعداد خطة مهمة بساق مستقيمة بطول 1000 متر. اضبط السرعة على معدل عمل قياسي، عادة ما بين 4 م/ث و 6 م/ث. لا تستخدم عصي التحكم عن بعد لهذا الغرض؛ دع النظام المستقل يطير المسار. بعد ذلك، تحتاج إلى سحب سجلات الرحلة. أنت تبحث عن "خطأ المسار المتقاطع" (XTE). خطأ المسار المتقاطع ⁴ في وحدة تحكم طيران صناعية عالية الجودة، نادرًا ما يتجاوز XTE 20 إلى 30 سم، بشرط استخدام تحديد المواقع RTK. إذا رأيت انحرافات بمقدار متر واحد أو أكثر، فإن حلقات التحكم الداخلية غير مضبوطة بشكل صحيح لهذا الهيكل الجوي.

التحويم تحت الحمل

يبدو التحويم سهلاً، ولكنه الاختبار النهائي لضوضاء المستشعر. نوصي بـ "اختبار التحويم لمدة 60 ثانية". قم بإطلاق الطائرة بدون طيار بخزان ممتلئ. اجعلها تحوم على ارتفاع 3 أمتار. راقب أذرع الطائرة بدون طيار. هل ترتعش؟ هل "تبحث" الطائرة بدون طيار عن موقعها، وتتحرك في دوائر صغيرة؟

غالبًا ما يشير هذا السلوك إلى أن الاهتزاز من المحركات يتداخل مع وحدة القياس بالقصور الذاتي (IMU). وحدة القياس بالقصور الذاتي ⁵ في عملية التجميع لدينا، نستخدم مخمدات التثبيت الناعم لعزل وحدة التحكم في الطيران. إذا رأيت الطائرة بدون طيار تنجرف عموديًا أو تكافح للحفاظ على الارتفاع ضمن ± 10 سم، فإن مقياس الضغط الجوي أو خوارزمية دمج الارتفاع تفشل.

الجدول 1: بروتوكولات اختبار ميداني أساسية

نستخدم قائمة التحقق التالية لكل وحدة قبل شحنها إلى أوروبا أو أمريكا الشمالية. يمكنك تكرار هذا في حقلك الخاص.

تحليل الدقة المدارية

بينما الخطوط المستقيمة شائعة، فإن الانعطاف هو ما تحدث فيه الأعطال. أثناء "دوران على شكل حرف U" في نهاية صف، تغير الطائرة بدون طيار سرعتها واتجاهها. نستخدم اختبارًا مداريًا (الطيران في دائرة) للتحقق مما إذا كان مقياس المغناطيسية معايرًا بشكل صحيح. إذا طارت الطائرة بدون طيار بشكل بيضاوي بدلاً من دائرة، فهذا يعني عادةً أن البوصلة تعاني من تداخل أو أن تعويض تأخير نظام تحديد المواقع العالمي (GPS) غير صحيح.

كيف يحافظ النظام على الاستقرار أثناء الرياح القوية أو التداخل المغناطيسي؟

نحن نعلم أن المزارعين لا يمكنهم دائمًا انتظار يوم هادئ ومثالي لعلاج محاصيلهم. تصمم فرقنا أنظمة دفع لمقاومة العواصف المفاجئة، ولكن يجب أن يتفاعل دماغ الطائرة بدون طيار - وحدة التحكم في الطيران - بشكل أسرع من الرياح.

تحافظ الأنظمة على الاستقرار باستخدام خوارزميات دمج المستشعرات مثل مرشحات كالمان الموسعة (EKF) التي تزن بيانات نظام تحديد المواقع العالمي (GPS) ووحدة القياس بالقصور الذاتي (IMU) مقابل الضوضاء المغناطيسية. تعمل المحركات ذات عزم الدوران العالي واستجابة وحدات التحكم الإلكترونية السريعة على مواجهة عواصف الرياح التي تصل إلى 10 أمتار في الثانية بشكل فعال من خلال تعديل سرعات المروحة فورًا.

الاستقرار ليس مجرد قوة؛ إنه يتعلق بثقة البيانات. عندما تطير طائرة بدون طيار، فإنها تتلقى معلومات متضاربة. قد يقول نظام تحديد المواقع العالمي (GPS) "أنت تتحرك إلى اليسار"، لكن مقياس التسارع يقول "أنت تميل إلى اليمين". تستخدم وحدة التحكم في الطيران عملية رياضية تسمى مرشح كالمان الموسع (EKF) لاتخاذ القرار مرشح كالمان الموسع ⁶ مرشح كالمان الموسع (EKF) ⁷ أي مستشعر يجب الوثوق به.

آليات مقاومة الرياح

في البيئات الزراعية، الرياح ليست ثابتة؛ إنها مضطربة. عندما تضرب عاصفة جانب طائرة SkyRover بدون طيار، ستميل الطائرة بشكل طبيعي مع الرياح. يكتشف جهاز التحكم في الطيران المستقر هذا الدوران غير المخطط له عبر جيروسكوب.

يحدث رد الفعل في أجزاء من الثانية. يرسل المتحكم إشارة إلى وحدات التحكم الإلكترونية في السرعة (ESC) لزيادة سرعة دوران المحركات على الجانب "المواجه للرياح" للدفع للخلف. يمكنك تقييم ذلك عن طريق الطيران في رياح بسرعة 5 م/ث. راقب وضع الطائرة بدون طيار (الزاوية). سيميل النظام الجيد نحو الرياح للحفاظ على موضعه، ولكن يجب أن تظل كاميرا المثبت والإطار ثابتين نسبيًا. إذا رأيت الطائرة بدون طيار تتذبذب (تتمايل) بسرعة، فمن المحتمل أن يكون "كسب P" (الكسب النسبي) في البرنامج مرتفعًا جدًا، أو تفتقر المحركات إلى عزم الدوران للتفاعل بسرعة كافية.

التعامل مع الضوضاء المغناطيسية

التداخل المغناطيسي هو القاتل الصامت للطائرات بدون طيار. المضخات وخطوط الطاقة عالية الجهد وحتى الأسلاك عالية التيار للطائرة بدون طيار نفسها تولد مجالات مغناطيسية. نضع بوصلاتنا على سيقان طويلة أو بعيدًا على الأجنحة لتجنب ذلك.

إذا كنت تطير بالقرب من هيكل معدني (مثل حظيرة أو جرار) وبدأت الطائرة بدون طيار فجأة في الطيران في خط منحني عندما تدفع العصا بشكل مستقيم، فهذا هو "التدحرج المرحاضي". يحدث هذا لأن اتجاه البوصلة خاطئ. تستخدم الأنظمة المستقرة الحديثة وحدات GPS مزدوجة (أمامية وخلفية) وحدات GPS مزدوجة ⁸ لحساب الاتجاه بناءً على الحركة، بدلاً من الاعتماد فقط على البوصلة المغناطيسية. هذه ميزة نوصي بها بشدة لأي شخص يطير بالقرب من البنية التحتية.

الجدول 2: مقاييس أداء الرياح والتداخل

عند تقييم طائرة بدون طيار، اطلب من المورد بيانات نفق الرياح أو البيانات الواقعية. قارنها بالمعايير.

انخفاض الجهد أثناء تصحيحات الاستقرار

أحد العوامل المخفية هو البطارية. عندما تقاوم وحدة التحكم في الطيران الرياح، فإنها تتطلب زيادة هائلة في التيار. إذا انخفض جهد البطارية بشكل كبير، فقد تقلل وحدات التحكم الإلكترونية في السرعة (ESCs) الطاقة لحماية البطارية، مما يتسبب في فقدان الطائرة بدون طيار للاستقرار والانجراف. عند تقييم الاستقرار، تحقق دائمًا من سجلات الجهد أثناء رحلات الطقس العاصف. يتطلب النظام المستقر بطارية ذات "تصنيف C" عالٍ (معدل التفريغ) لدعم هذه المطالبات الفورية للطاقة دون انخفاض الجهد.

ما هي ميزات تكرار الأجهزة التي يجب أن أعطيها الأولوية لمنع الأعطال؟

في تجربتنا في التصدير إلى أسواق صارمة مثل ألمانيا، نجد أن التكرار هو الفارق الرئيسي بين لعبة وأداة. نقوم بتركيب أنظمة احتياطية لأنه في الزراعة، يعني التحطم انسكاب المواد الكيميائية وضياع الوقت.

إعطاء الأولوية لوحدات IMU المزدوجة والبوصلات الثلاثية المتكررة للتحقق المتبادل من بيانات المستشعرات بحثًا عن التناقضات. تأكد من أن الطائرة بدون طيار تتميز بوحدات GPS مزدوجة لتحديد المواقع الاحتياطي وحماية فقدان الإشارة، إلى جانب إعدادات توزيع الطاقة المتكررة لمنع الفشل الكامل أثناء عطل بطارية واحدة أو ESC.

التكرار لا يتعلق فقط بوجود شيئين من كل شيء؛ بل يتعلق بمنطق "التصويت". يقوم كمبيوتر الطيران باستمرار بمقارنة البيانات من المستشعر A والمستشعر B، وأحيانًا المستشعر C. إذا أصبح المستشعر A غير طبيعي، يجب على النظام تجاهله والاستماع إلى الآخرين.

تكرار المستشعرات: وحدة القياس بالقصور الذاتي والبوصلة

تحتوي وحدة القياس بالقصور الذاتي (IMU) على الجيروسكوب ومقياس التسارع. إنها الأذن الداخلية للطائرة بدون طيار. إذا فشلت، تنقلب الطائرة بدون طيار رأسًا على عقب على الفور. نحن نعطي الأولوية لوحدات التحكم في الطيران مع وحدات قياس بالقصور الذاتي مكررة ثلاث مرات. هذا يعني أن هناك ثلاثة مستشعرات منفصلة داخل الصندوق الأسود. يقوم البرنامج بمقارنة الثلاثة. إذا اختلف أحدها بشكل كبير بسبب الاهتزاز أو الحرارة، يتم "التصويت عليه للخروج"."

وبالمثل، فإن البوصلة عرضة للخطر. كما ذكرنا سابقًا، نستخدم بوصلات خارجية. ولكن الأسلاك تنكسر، والموصلات تفقد اتصالها. يجب أن يحتوي النظام المستقر على بوصلتين على الأقل. إذا فشلت البوصلة الخارجية، فيجب أن تتحول بسلاسة إلى البوصلة الداخلية (مع تحذير الطيار) بدلاً من الدخول في حالة "طيران بعيد" غير خاضعة للرقابة.

سلامة الطاقة والإشارة

السبب الأكثر شيوعًا للحوادث التي نراها في الموديلات الأرخص هو فشل الطاقة. ليس نفاد البطارية، بل انقطاع سلك الإشارة. نستخدم خطي إشارة مزدوجين للتحكم في المحركات (إشارات PWM). إذا اهتز أحد الأسلاك وفقد اتصاله، فإن السلك الثاني يحمل الأمر.

علاوة على ذلك، ابحث عن نظام تحديد المواقع العالمي المزدوج (GPS) . هذا قياسي في حمولاتنا الأكبر. إذا كنت تطير تحت الأشجار أو بالقرب من تل، فقد يفقد أحد هوائيات نظام تحديد المواقع العالمي (GPS) قفل الأقمار الصناعية. قد يظل الهوائي الثاني، الموجود على الجانب الآخر من الإطار، يتمتع برؤية واضحة. هذا يضمن أن الطائرة بدون طيار لا تسقط فجأة في "وضع الاتجاه" (التسوية اليدوية فقط)، وهو أمر صعب للغاية على معظم المشغلين التحكم فيه يدويًا، خاصة على بعد 500 متر.

الجدول 3: قائمة فحص التكرار للمشترين

قبل شراء طائرة بدون طيار زراعية، افحص ورقة المواصفات لمعرفة هذه التكرارات.

لماذا تفشل تقنية "المستهلك" في الزراعة

تعتمد الطائرات بدون طيار الاستهلاكية غالبًا على المستشعرات المرئية (الكاميرات) لتحقيق الاستقرار. في الزراعة، غالبًا ما تفشل هذه. لماذا؟ لأن المحاصيل تتحرك. حقل قمح تهب فيه الرياح يبدو كأرض متحركة لمستشعر مرئي، مما يتسبب في انحراف الطائرة بدون طيار. لهذا السبب، فإن التكرار في الأجهزة في القصور الذاتي و الأقمار الصناعية الأنظمة (IMU و GPS) أكثر أهمية بكثير بالنسبة لنا من تحديد المواقع المرئية عند التصميم للمزارعين.

كيف يمكنني تقييم موثوقية خوارزميات برامج التحكم في الطيران؟

نقضي شهورًا في ضبط الكود قبل أن يغادر نموذج جديد خط الإنتاج. موثوقية البرامج لا تتعلق فقط بعدم الانهيار؛ بل تتعلق بالتعامل مع فيزياء حمولة سائلة متحركة دون ذعر.

قم بتقييم الموثوقية من خلال مراجعة سجلات الطيران لأداء حلقة PID، والتحقق من التذبذبات أثناء تغييرات الحمولة السريعة. تحقق من أن البرنامج يتعامل مع تحولات مفاجئة في مركز الثقل الناتجة عن تمايل السائل وينفذ بروتوكولات الأمان بنجاح مثل العودة إلى المنزل أثناء انقطاعات الإشارة المحاكاة.

البرنامج الموجود داخل وحدة التحكم في الطيران (غالبًا ما يعتمد على ArduPilot أو PX4 في الطائرات بدون طيار الصناعية PX4 ⁹ ArduPilot ¹⁰, ، أو كود خاص مثل كودنا) يستخدم حلقة PID (التناسبية-التكاملية-التفاضلية). تحسب هذه الحلقة الأخطاء باستمرار. "أريد أن أكون على ارتفاع 5 أمتار، لكنني على ارتفاع 4.9 متر. أحتاج إلى تسريع المحركات."

ضبط حلقة PID والاستجابة

يمكنك تقييم ذلك من خلال النظر إلى رسوم بيانية "المرغوب فيه مقابل الفعلي" في سجلات الطيران.

• الانعراج المرغوب فيه: الزاوية التي أرادها الكمبيوتر أن تكون عليها.
• الانعراج الفعلي: الزاوية التي حققتها الطائرة بدون طيار بالفعل.

في نظام موثوق، يجب أن تتداخل هذان الخطان بشكل مثالي تقريبًا. إذا رأيت الخط "الفعلي" يتأخر عن الخط "المرغوب فيه"، فإن الطائرة بدون طيار تبدو بطيئة. إذا رأيت الخط "الفعلي" يتجاوز الخط "المرغوب فيه" صعودًا وهبوطًا بسرعة، فإن الطائرة بدون طيار تتذبذب.

بالنسبة للطائرات بدون طيار الزراعية، "I" (التكاملي) أمر بالغ الأهمية. هذا الجزء من الرياضيات ينظر إلى الخطأ طويل الأمد. على سبيل المثال، إذا كان الخزان غير متوازن والطائرة بدون طيار تميل باستمرار إلى اليسار، فإن مصطلح "I" يتعلم ذلك ويصححه. لاختبار ذلك، قم بالطيران بحمولة خارج المركز (بأمان). ستقوم خوارزمية جيدة بإعادة تسوية الطائرة بدون طيار في غضون ثوانٍ.

التعامل مع تمايل السائل

تمايل السائل فريد من نوعه في صناعتنا. عندما تتوقف الطائرة بدون طيار بقوة، يندفع السائل في الخزان إلى الأمام. هذا يغير مركز الثقل (CoG) على الفور. ستصاب خوارزمية طائرة بدون طيار قياسية بالذعر وقد تقلب الطائرة بدون طيار.

يتضمن برنامج التحكم في الطيران الزراعي التغذية الأمامية المنطق. يعرف الكمبيوتر: "لقد طلبت للتو توقفًا قويًا، لذا أتوقع أن ينخفض الأنف". يقوم بتقوية المحركات الأمامية بشكل استباقي لالتقاط نقل الوزن. يمكنك اختبار ذلك عن طريق الطيران بسرعة إلى الأمام وإفلات العصا.

• برنامج سيء: تنحرف الطائرة بدون طيار للخلف، ثم يغوص الأنف (بسبب التمايل)، ثم تنحرف للخلف مرة أخرى. تبدو وكأنها قارب يتأرجح.
• برنامج جيد: تنحرف الطائرة بدون طيار للخلف للتوقف، وتستقر، وتحافظ على استوائها. الحركة قوية ومتحكم بها.

تنفيذ إجراءات السلامة

أخيرًا، تتعلق موثوقية البرامج بشبكات الأمان. نخبر عملائنا باختبار إجراء السلامة "فقدان الاتصال" بأمان. قم بإزالة المراوح (أو قم بذلك على الأرض أولاً). قم بتشغيل الطائرة بدون طيار وزد السرعة. ثم قم بإيقاف تشغيل جهاز التحكم عن بعد الخاص بك.
البرنامج يجب يكتشف فقدان الإشارة على الفور. في السجلات، يجب أن ترى الوضع يتحول إلى "RTL" (العودة إلى نقطة الإقلاع) أو "الهبوط" في غضون 2-3 ثوانٍ. إذا انتظرت الطائرة بدون طيار 10 ثوانٍ، فهذا يعني 10 ثوانٍ من الطيران غير المتحكم فيه والذي يمكن أن ينحرف إلى طريق سريع. الموثوقية تعني سلوكًا يمكن التنبؤ به عندما تسوء الأمور.

التحسين المستمر عبر البرامج الثابتة

نقوم أيضًا بتقييم الموثوقية من خلال سجل تحديثات الشركة المصنعة. نادرًا ما يكون النظام المستقر مثاليًا في اليوم الأول. نقوم باستمرار بإصدار تحديثات البرامج الثابتة لتحسين كيفية تعامل EKF مع الاهتزازات أو أنواع البطاريات الجديدة. إذا لم يحصل النظام على تحديث للبرامج الثابتة في عامين، فمن المحتمل أنه يفتقر إلى الترشيح الحديث اللازم للتعامل مع ضوضاء المحركات والمراوح المتقادمة.

الخاتمة

يتطلب تقييم استقرار الطائرة بدون طيار الزراعية تجاوز الكتيبات والدخول إلى الميدان. من خلال إجراء اختبارات فيزيائية موحدة - مثل التحويم المحمل وتتبع الخط المستقيم لمسافة 1000 متر - وتحليل البيانات المخفية في سجلات الطيران، يمكنك التحقق مما إذا كانت التكرار في الأجهزة وخوارزميات البرامج ذات جودة صناعية حقيقية. يضمن الطيران المستقر التطبيق الدقيق للمواد الكيميائية، ويحمي استثمارك، ويؤمن في النهاية إنتاجية مزرعتك.

الحواشي

1. مصدر موثوق يشرح آلية حلقة التحكم المستخدمة في برامج الطيران. ︎

2. إرشادات حكومية حول منع انجراف المبيدات الحشرية والأضرار الناتجة للمحاصيل. ︎

3. السياق التنظيمي لمتطلبات الإغلاق الآمن أثناء فقدان الإشارة. ︎

4. يحدد المقياس القياسي لقياس انحراف مسار الطيران الجانبي في الأنظمة المستقلة. ︎

5. يوفر تعريفًا تقنيًا لمكون المستشعر الحاسم لاستقرار الطيران. ︎

6. خلفية عامة حول خوارزمية دمج المستشعرات المستخدمة في الطائرات بدون طيار. ︎

7. يشرح خوارزمية دمج المستشعرات المستخدمة لتقدير حالة الطائرة. ︎

8. يشرح كيف تحسب هوائيات GNSS المزدوجة الاتجاه دون تداخل مغناطيسي. ︎

9. الموقع الرسمي لمعيار الطيار الآلي مفتوح المصدر PX4. ︎

10. التوثيق الرسمي لبرنامج التحكم في الطيران مفتوح المصدر المذكور. ︎