عباس گرجی
پژوهشگر بخش مکانیزاسیون، موسسه تحقیقات جنگل ها و مراتع کشور
معرفی وسایل پروازی بدون سرنشین (Unmanned Aerial Vehicle)
همانطور که در مقاله اول از مجموعه نوشتار فناوری های نوین در کشاورزی و منابع طبیعی، آورده شد، با رشد جمعیت، بشر بیش از پیش نیازمند افزایش تولیدات غذایی و حفظ ذخائر ژنتیکی در بخش کشاورزی و منابع طبیعی می باشد (سیلوستر، ۲۰۱۸). بر همین اساس یکی از راهکارها به منظور کاهش هزینه ها و افزایش دقت عملکرد، استفاده از علم سنجش از دور معرفی شد. در همین راستا در این مقاله به معرفی و شناخت فناوری وسایل پروازی بدون سرنشین (UAV)، به عنوان یکی از فناوری های نوین مورد استفاده در تحقیقات سنجش از دور می پردازیم. از آنجایی که کاربرد سنجش از دور در کشاورزی دقیق (Precision Agriculture) نسبت به منابع طبیعی، نیاز به دقت کنترل و پایش بالاتری دارد، درنتیجه تصاویر ماهواره ای، بخصوص در زمین های کشاورزی با وسعت کم و در شرایط آب و هوایی نامناسب، دقت لازم را جهت پایش وضعیت دارا نمی باشند. از سوی دیگر استفاده از هواپیماهای با سرنشین (Human-crewed aircraft) ضمن ایجاد خطر احتمالی برای سرنشین، هزینه بالایی را طلب می نماید (گراماتیکیس و همکاران، ۲۰۲۰). در نتیجه استفاده از UAV به عنوان یک راه حل دقیق تر و اقتصادی تر می تواند مورد توجه قرار گیرد. امکان استفاده از انواع دوربین های چند طیفی (Multispectral) و یا فراطیفی (Hyperspectral) و کنترل اتومات یا دستی وسیله، می تواند داده های مناسب تری را جهت تجزیه و تحلیل در اختیار کاربر قرار دهد که از آنها در موارد مختلفی مانند تعیین شاخص پوشش گیاهی (NDVI)، تشخیص بیماری های گیاهی، تنش آبی، آلودگی آفات و کمبود مواد مغذی می تواند استفاده نماید (ژیو و سو، ۲۰۱۷). یک کاربرد پر اهمیت این وسایل که اخیراً توسعه گسترده ای نیز پیدا کرده است، استفاده از آنها در عملیات های سم پاشی یا محلول پاشی می باشد. در چنین عملیات هایی در واقع یک کار ترکیبی صورت می گیرد که از یک سو فرآیند پایش زمین و محصول مطابق با نقشه باید صورت گیرد و از سوی دیگر کنترل دبی مایع خروجی از مخزن باید بررسی شود. چنین رویکردی ضمن کاهش مصرف سموم و تولید محصولات سالم تر، به حفظ محیط زیست نیز کمک می نماید (تیلاچی و همکاران، ۲۰۰۸). در کشور آلمان ۴۰۰۰۰۰ دستگاه UAV در سال ۲۰۱۷ به فروش رفته و پیش بینی شده بود که این تعداد به یک میلیون در سال ۲۰۲۰ خواهد رسید. همچنین به طور مشابه گروه NPD تعداد دو برابر این مقدار را در سال ۲۰۱۷ برای ایالات متحده به ثبت رسانده که نسبت به سال گذشته آن ۱۱۷ درصد افزایش داشته است (سیلوستر، ۲۰۱۸). علاوه بر اینها مطابق با آمار انجمن بین المللی سامانه های بدون سرنشین (AUVSI) هشتاد درصد پهپاد ها در آینده نزدیک برای اهداف کشاورزی مورد استفاده قرار خواهند گرفت.
انواع وسایل پروازی بدون سرنشین (UAV)
وسایل پروازی بدون سرنشین، اولین بار با اهداف نظامی و توسط شرکت هواپیمایی Dayton-Wright در جنگ جهانی اول مورد استفاده قرار گرفت که قادر بود در یک زمان از پیش تعیین شده منفجر شود. متاسفانه سیر تکاملی این وسایل در ابتدا با اهداف نظامی همراه بود که به طور گسترده توسط کشورهایی مانند امریکا و اسرائیل در جنگ علیه سوریه، افغانستان، عراق، لبنان و … مورد استفاده قرار گرفتند. نمونه ای از این پرنده ها در تصویر ۱ دیده می شوند. رفته رفته و با پیشرفت سریع فناوری هایی مانند حسگرهای تصویربرداری، واحد اندازه گیری اینرسی (IMU)، فناوری سار (SAR) و سامانه ماهواره‌ای ناوبری جهانی (GNSS)، استفاده از وسایل پروازی بدون سرنشین در مواردی مانند، کشاورزی دقیق، ژئوماتیک، حمل و نقل و پایش وضعیت رواج یافت. پهپادهای غیر نظامی به دو دسته کلی بال ثابت (Fixed-wing) و بال دورانی (Rotary-wing) یا چند محوره (Multirotor) تقسیم می شوند. دو شرکت پیشرو در حوزه انواع پرنده های بال ثابت و دورانی به ترتیب Sensefly و Microdrones می باشند (گنزالس و همکاران، ۲۰۱۷). به طور کلی UAV ها را می توان در چهار زمینه دسته بندی کرد: مشخصات آیرودینامیکی، میزان خودکار بودن وسیله، اندازه و وزن، منبع تغذیه.
انواع UAV بر اساس مشخصات آیرودینامیکی
از نظر مشخصات آیرودینامیکی، UAV ها در سه دسته قرار می گیرند: ۱- نوع بال ثابت، نوع بال دورانی یا چرخشی، نوع ترکیبی. مدل بال ثابت دارای یک ایرفویل (Airfoil) از پیش تعریف شده می باشد که باعث بلند شدن پرنده بر اساس سرعت هوای نسبی (سرعت پرنده نسبت به هوا) می شود. اجزای دیگر این مدل که در کنترل پرنده نقش دارند شامل: بالابر ها (Elevators)، شهپرها (Ailerons) و رادر (Ruder) می باشد که به ترتیب چرخش حول محور طولی (Roll Axis)، حول محور عرضی (Pitch Axis) و محور قائم (Yaw Axis) موجب می شوند (تصویر ۲).
نوع بال دورانی از چند روتور تشکیل شده که امکان بلند شدن را برای پرنده فراهم می کنند برخلاف نوع اول، این مدل برای بلند شدن نیازی به سرعت هوای روبه جلو نداشته و کنترل آن تنها بر اساس گشتاور و نیروی پرتابی روتورها می باشد. یک UAV بال دورانی، بسته به تعداد روتورها، می تواند در چهار دسته، سه موتور (Tricopter)، چهار موتور (Quadcopter)، شش موتور (Hexacopter) و هشت موتور (Octocopter) قرار گیرد (تصویر ۳). نوع سوم از نظر آیرودینامیکی، مدلهای ترکیبی بوده که هم دارای بال های ثابت بوده و هم شامل چند روتور است و ضمن راحت تر شدن عملیات بلند شدن می تواند مناطق وسیعتری را جهت داده برداری پوشش دهد.
مدل های بال ثابت و روتوری هر کدام دارای معایب و مزایای متفاوتی هستند که مقایسه آنها در جدول زیر آورده شده است.
| انواع مدل های وسایل پروازی بدون سرنشین از نظر مشخصات آیرودینامیکی | |
| مدل بال ثابت | مدل بال چرخشی (روتوری) |
| نیاز به آموزش حرفه ای | کنترل بهتر و آسانتر |
| توانایی حمل بار در اندازه کوچک | حمل بار بیشتر |
| ساختار ساده تر و هزینه تعمیرات و نگهداری کمتر | ساختار پیچیده تر و هزینه تعمیرات و نگهداری بالاتر |
| زمان پرواز طولانی تر (بیش از ۶۰ دقیقه) | زمان پرواز کوتاه تر (۱۵ الی ۳۰ دقیقه) |
| سرعت پرواز بیشتر | سرعت پرواز کمتر |
| پوشش جغرافیایی بیشتر، عملیات در ارتفاع بالاتر | پوشش جغرافیایی محدودتر، جمع آوری ساده تر داده |
| نیاز به محدوده بزرگ برای بلند شدن و فرود آمدن | توانایی پرواز عمودی و فرود در محدوده کوچک |
| نیاز به زمان زیاد برای تنظیمات اولیه | اعزام به مأموریت به صورت فوری |
| هزینه بالاتر | هزینه کمتر |
