不同固封無人機對牽張場地圖像采集的影響及數據提取

摘要：為確保無人機穩定運行，試驗使用雙組分硅橡膠膠粘劑粘接無人機主控芯片，然后研究在雙組分硅橡膠膠粘劑粘接作用下，無人機對牽張場地圖像采集的數據提取效果。結果表明，在雙組分硅橡膠膠粘劑中，當補強填料氣相納米二氧化硅的添加量為20%、增粘劑為0.5%羥基硅油復配0.5%KH550硅烷偶聯劑時，膠粘劑拉伸強度為2.24 MPa，粘接拉伸剪切強度為1.18 MPa，具有良好的拉伸性能、粘接性能和熱穩定性；雙組分硅橡膠膠粘劑可穩定粘接無人機主控芯片，結合Slic圖像分割算法可使無人機對牽張場地的面積數據提取精度達到96.52%，道路長度數據提取精度達到97.79%，無人機運行和圖像采集穩定性良好。

關鍵詞：膠粘劑；增粘劑；粘接性能；圖像采集；數據提取精度

中圖分類號：TQ437+.4文獻標志碼：A文章編號：1001-5922（2025）01-0113-04

The influence and data extraction of different sealed droneson the collection of traction field map images

CUI Xia1，JIA Xiaoling1，SUN Changpeng1，MENG Lingli1

（State Grid Tianjin Electric Power Company Co.，Ltd.，Tianjing 300010，China）

Abstract：To ensure the stable operation of the drone，a two-component silicone rubber adhesive was used to bond the drone control chip in this experiment，and then the data extraction effect of the UAV on the image acquisition of the stretching site under the action of two-component silicone rubber adhesive was studied.The results showed that in the two-component silicone rubber adhesive，when the addition amount of reinforcing filler gas-phase nano silica was 20%，and the thickening agent was 0.5%hydroxysilicone oil combined with 0.5%KH550 silane coupling agent，the adhesive had a tensile strength of 2.24 MPa，a tensile shear strength of 1.18 MPa，showing good tensile，adhesive，and thermal stability.The two-component silicone rubber adhesive could stably bond the drone control chip.Combined with the Slic image segmentation algorithm，the accuracy of extracting the area data of the traction site and the road length data of the drone could reach 96.52%and 97.79%，respectively.The stability of drone oper?ation and image acquisition is good.

Key words：adhesive；thickener；adhesive performance；image acquisition；data extraction accuracy

在無人機運行過程中，主控芯片等硅橡膠粘接元件可能會因震動出現松脫現象，從而影響到無人機圖像采集和數據提取。提高硅橡膠膠粘劑粘接性能對發展無人機成像技術具有重要意義。為提高硅橡膠膠粘劑粘接性能，許多學者進行了研究。如利用有機硅烷對硅橡膠膠粘劑的粘接界面進行改性[1]。將α，ω-聚二甲基硅氧烷作為基膠，制備一種α-氨基硅烷改性硅橡膠，并研究其力學和粘接性能[2]。以端側含氫硅油XL-1341、KH570硅烷偶聯劑等為原料，研制了一種具有高粘接性能的有機硅增粘劑，并考察這種增粘劑對硅橡膠的影響[3]。為進一步發展無人機成像技術，使無人機運行更加穩定，無人機中的主控芯片粘接更加穩定，試驗優化了雙組分硅橡膠膠粘劑。使用優化后的雙組分硅橡膠膠粘劑粘接無人機主控芯片，并結合SLIC算法研究無人機牽張場地圖像采集和數據提取效果。

1試驗部分

1.1材料與設備

主要材料：107硅橡膠（工業純，濟南贏裕化工）；氣相納米二氧化硅（工業純，壽光市昌泰新材料）；正硅酸四乙酯（AR，廣東翁江化學試劑）；二月桂酸二丁基錫（AR，濟南宏博利化）；氨丙基三乙氧基硅烷（AR，山東悅陽新材料KH550）；羥基硅油（工業純，濟南潤本祥化工）；γ-（2，3-環氧丙氧）丙基三甲氧基硅烷（AR，山東悅陽新材料KH560）；γ-疏丙基三甲基硅烷（AR，山東悅陽新材料KH570）。

主要設備：SX2-2.5-10N型馬弗爐（上海鰲珍儀器制造）；DHG-9075AE型鼓風干燥箱（無錫瑪瑞特科技）；BOS3003型電子天平（廈門搏仕檢測設備）；H01-2G型恒溫磁力攪拌器（上海梅利浦儀器儀表）；ST-S5000型電子萬能試驗機（東莞市思泰儀器）。

1.2試驗方法

1.2.1硅橡膠膠粘劑配方設計

以107硅橡膠為基礎聚合物，添加補強填料、交聯劑、催化劑等，制備一種雙組分硅橡膠膠粘劑。參考相關文獻[4-7]，選擇氣相納米二氧化硅作為補強填料，催化劑為二月桂酸二丁基錫，交聯劑為正硅酸四乙酯。同時將羥基硅油分別與KH550、KH560、KH570硅烷偶聯劑復配，作為增粘劑。這種雙組分硅橡膠膠粘劑初步配方設計如表1所示。

1.2.2硅橡膠膠粘劑的制備

本試驗中使用的硅橡膠膠粘劑由A、B組分組成，各組分制備步驟如下：

（1）A組分的制備。先將適量107硅橡膠和氣相納米二氧化硅分別干燥，再通過研磨機將107硅橡膠和氣相納米二氧化硅混勻，取出密封，得硅橡膠膠粘劑A組分；

（2）B組分的制備。按照質量比1∶1將羥基硅油與硅烷偶聯劑混合，添加適量水和乙醇，加熱至65℃并攪拌。然后添加適量二月桂酸二基丁錫，加熱至75℃并攪拌。再對產物進行真空處理得增粘劑。將增粘劑與適量二月桂酸二基丁錫、正硅酸四乙酯混合，得硅橡膠膠粘劑B組分。

1.2.3膠粘劑試樣的制備

為考察硅橡膠膠粘劑的性能，將硅橡膠膠粘劑硫化并制成試樣。將硅橡膠膠粘劑B組分添加到A組分中，充分攪拌混合4 min。然后，將材料倒入模具中室溫固化7d，得硅橡膠膠粘劑試樣。

1.3性能測試

1.3.1拉伸性能

先將硅橡膠膠粘劑試樣制成正方形板，然后沖裁成啞鈴型。再使用萬能試驗機，在500 mm/s的拉伸速率條件下測試硅橡膠膠粘劑試樣，分析材料拉伸強度。

1.3.2粘接性能

將鋁合金板材作為基材，規格為25 mm×10 mm。先用100目砂紙打磨鋁合金，然后用丙酮清洗干凈，自然烘干。再將硅橡膠膠粘劑涂到鋁合金板材上，并搭接另一鋁合金板材，同時施加一定壓力。室溫固化一定時間后，使用萬能試驗機測試粘接試樣，分析硅橡膠膠粘劑粘接性能。

1.3.3熱穩定性

通過馬弗爐，對硅橡膠膠粘劑試樣進行不同溫度熱處理。同時結合萬能試驗機，對熱處理前后的硅橡膠膠粘劑試樣拉伸強度進行測試。根據材料拉伸強度變化情況分析其熱穩定性。

2結果與分析

2.1芯片粘接膠粘劑基本性能

2.1.1力學性能

圖1為在不同補強填料氣相納米二氧化硅添加量條件下，各膠粘劑拉伸強度。

由圖1可知，隨著補強填料氣相納米二氧化硅添加量增多，硅橡膠膠粘劑拉伸強度提高。未添加補強填料的膠粘劑拉伸強度最小，為0.43 MPa。當添加5%補強填料時，膠粘劑拉伸強度提高到0.72 MPa，提高幅度達到67.44%。當添加20%及以上補強填料時，膠粘劑拉伸強度均已超過2 MPa。其中添加20%、25%、30%補強填料的膠粘劑拉伸強度分別是2.24、2.39、2.75 MPa，對比未添加補強填料的膠粘劑大幅度提高。而在硅橡膠膠粘劑制備過程中，硅橡膠與氣相納米二氧化硅充分混合，因此硅橡膠主鏈上的氧原子與氣相納米二氧化硅表面的硅羥基充分接觸，形成數量較多且穩定的氫鍵結構[8-12]。考慮氣相納米二氧化硅成本等因素，同時為確保制備的硅橡膠膠粘劑具備良好的力學性能，選擇20%氣相納米二氧化硅添加量來制備硅橡膠膠粘劑。

2.1.2粘接性能

在不同增粘劑作用下，各膠粘劑粘接試樣的粘接拉伸剪切強度如圖2所示。

由圖2可知，當增粘劑為0.5%羥基硅油復配0.5%KH550硅烷偶聯劑時，膠粘劑粘接試樣的粘接拉伸剪切強度最大，為1.18 MPa。當增粘劑為0.5%羥基硅油復配0.5%KH560硅烷偶聯劑時，膠粘劑粘接試樣的粘接拉伸剪切強度最小，僅為0.47 MPa。而當增粘劑為0.5%羥基硅油復配0.5%KH570硅烷偶聯劑時，膠粘劑粘接試樣的粘接拉伸剪切強度也較小，為0.68 MPa。

2.1.3熱穩定性

在氣相納米二氧化硅添加量為20%、增粘劑類型為0.5%羥基硅油復配0.5%KH550硅烷偶聯劑的條件下，以不同熱處理溫度對硅橡膠膠粘劑進行熱穩定性測試，試驗結果如圖3所示。

由圖3可知，隨著熱處理溫度升高，硅橡膠膠粘劑的拉伸強度整體呈下降趨勢。當熱處理溫度為25℃時，相當于對膠粘劑進行常溫處理，此時拉伸強度較大，為2.24 MPa。當熱處理溫度升高至100℃時，膠粘劑試樣拉伸強度變化微小，為2.25 MPa。當熱處理溫度為200℃時，膠粘劑試樣拉伸強度略微下降，為2.19 MPa，拉伸強度保留率達到97.77%。當熱處理溫度繼續升高至300℃時，膠粘劑試樣拉伸強度下降至1.84 MPa，此時的拉伸強度保留率為82.14%。

2.2應用分析

2.2.1研究方法

研究方法包括：（1）對預處理后的無人機采集圖像進行分割；（2）根據無人機采集的圖像制作不同類別標簽數據，并拆分為測試集和驗證集，然后進行特征構建與特征匹配；（3）利用隨機森林分類法分類，提取牽張場地和道路范圍；（4）分割牽張場地和道路，并提取道路中心線，然后核算牽張場地面積和道路長度。具體技術路線如圖4[13-15]。

2.2.2圖像分割

圖像分割是面向對象處理的關鍵一步，目前圖像分割算法主要有分水嶺、SLIC、quickshift及經典圖割（Graphcut）等。試驗選用SLIC算法對無人機采集的圖像進行處理。以下為SLIC算法的主要步驟[16-18]。

（1）初始化種子點：根據超像素個數，在無人機采集的圖像中均勻分配種子點；

（2）聚類：利用空間距離、顏色距離等距離度量，結合每個搜索到的像素點，計算這些像素點與種子點之間的距離。之后將圖像像素分配給最鄰近的種子點，構建初始超像素；

（3）更新種子點：對每個超像素的中心點進行計算、分析，并更新種子點；

（4）重復迭代：重復步驟（2）和步驟（3），直到收斂或達到最大迭代次數。

2.2.3隨機森林分類法

隨機森林分類法是一種集成學習算法（Ensem?ble Learning），可使整體模型結果具有較高精確度和泛化性能[19-20]。當數據集因變量為連續性數值時，該算法為一個回歸樹，預測值可用葉節點觀察的均值進行表征；當數據集因變量為離散型數值時，該算法為一個分類樹，具有良好的分類效果，可解決分類問題。

2.2.4數據提取效果分析

對無人機提取的牽張場地面積與道路長度進行精度評價，結果見表2、表3。

由表2、表3可知，與實測的牽張場地和道路范圍相比，基于Slic圖像分割的道路長度數據提取結果精度可達到97.79%，牽張場地面積提取結果精度可達到96.52%。由此可見，使用雙組分硅橡膠膠粘劑粘接無人機主控芯片后，無人機對牽張場地面積與道路長度的數據提取結果精確度良好。

3結語

（1）氣相納米二氧化硅對硅橡膠膠粘劑力學性能的增強效果顯著。但基于氣相納米二氧化硅成本等因素，選擇的氣相納米二氧化硅添加量為20%，此時膠粘劑拉伸強度為2.24 MPa；

（2）當增粘劑為0.5%羥基硅油復配0.5%KH550硅烷偶聯劑時，膠粘劑粘接試樣的粘接拉伸剪切強度最大，為1.18 MPa。膠粘劑粘接性能良好；

（3）在熱處理溫度25～200℃范圍內，膠粘劑拉伸強度保留率超過97%，且熱處理溫度為300℃時膠粘劑拉伸強度保留率超過80%。膠粘劑具有良好的熱穩定性；

（4）當使用這種雙組分硅橡膠膠粘劑粘接無人機主控芯片時，無人機基于SLIC算法的牽張場地面積提取精度為96.52%，道路長度數據提取精度為97.79%，無人機穩定運行且數據提取效果良好。

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（責任編輯：蘇幔，平海）