一種用于無人機(jī)的懸掛式水質(zhì)采樣器系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】一種用于無人機(jī)的懸掛式水質(zhì)采樣器系統(tǒng)，包括無人飛行器、采樣控制系統(tǒng)、采樣杯，其中采樣控制系統(tǒng)包括電機(jī)固定板、卷線軸、中控板、自鎖電機(jī)、聯(lián)軸器、轉(zhuǎn)速編碼器、采樣電機(jī)、回位擋板、回位緩沖器、水位定高探頭、自鎖齒輪、采樣杯拉繩和回位開關(guān)。通過定高使無人機(jī)穩(wěn)定的停留在水面上特定高度，然后通過控制卷線軸的轉(zhuǎn)動圈數(shù)使采樣杯精確的到達(dá)水面下指定位置，最后通過回位感應(yīng)和自鎖機(jī)制確保采滿水樣的采樣杯牢固的停留在無人機(jī)的底部中心位置。整個(gè)水樣采集過程能夠通過編程自動完成和返航，無需人工干預(yù)。這個(gè)系統(tǒng)的最大優(yōu)點(diǎn)就是可靠穩(wěn)定、智能簡便、符合標(biāo)準(zhǔn)的采樣流程。
【專利說明】
-種用于無人機(jī)的懸控式水質(zhì)采樣器系統(tǒng)
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明設(shè)及水質(zhì)采樣設(shè)備的技術(shù)領(lǐng)域，特別設(shè)及到用于無人機(jī)的懸掛式水質(zhì)采樣 器系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002] 隨著中國政府對環(huán)境問題的日益重視，系統(tǒng)推進(jìn)水污染防治、水生態(tài)保護(hù)和水資 源管理的工作迫在眉睫，高效全面的獲取水質(zhì)信息是水污染防治工作的先決條件，水質(zhì)采 樣工作則是獲取水質(zhì)信息的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。為了提高運(yùn)個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)的工作效率W及在應(yīng)急情況 和復(fù)雜環(huán)境下快速完成水樣采集任務(wù)，發(fā)明一種能快速、高效、全智能的水樣采集工具是十 分有必要的。目前大部分的采樣工作是由人來完成的，人工采樣的缺點(diǎn)是：1成本高、效率 低、費(fèi)時(shí)費(fèi)力。2無法適應(yīng)復(fù)雜陌生環(huán)境。也有用無人機(jī)才完成采樣的，例如專利[CN 203975222 U]提出了一種采用水累和吸管高空抽取水樣的采樣無人機(jī)，運(yùn)種方法的優(yōu)點(diǎn)是 采樣機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)相對簡單，載荷相對較輕，但缺點(diǎn)是：1采用累抽取方式，當(dāng)水體污染物較多 時(shí)，采樣管路容易堵塞，如果發(fā)生堵塞無法及時(shí)檢測。2采樣管路長時(shí)間容易滋生各種微生 物，需要定期清洗或更換軟管。3某些測量指標(biāo)如溶解氧在抽取過程中會發(fā)生顯著變化，造 成測量誤差。針對上述兩種采樣方式的不足，本發(fā)明設(shè)計(jì)的用于無人機(jī)的懸掛式水質(zhì)采樣 器系統(tǒng)可W遠(yuǎn)程操控?zé)o人機(jī)，自動導(dǎo)航到指定地點(diǎn)進(jìn)行水樣的采集，整個(gè)采樣過程高效省 時(shí)，無需人為干預(yù)，極大的提高了采樣的效率和廣度。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 為了克服目前水質(zhì)采樣技術(shù)的不足，本發(fā)明提出了一種智能高效的用于無人機(jī)的 懸掛式水質(zhì)采樣器系統(tǒng)，該系統(tǒng)通過無人飛行器懸掛采樣控制系統(tǒng)和采樣器，無人飛行器 通過采樣控制系統(tǒng)的高度信號保持在水面上特定高度，采樣控制系統(tǒng)再控制采樣器下降和 上升，水樣采集完成后采樣控制系統(tǒng)通知無人飛行器返航，整個(gè)過程簡便迅速、全自動控 制。
[0004] -種用于無人機(jī)的懸掛式水質(zhì)采樣器系統(tǒng)，包括采樣控制系統(tǒng)和采樣杯；
[0005] 其中采樣控制系統(tǒng)包括定高子系統(tǒng)、收放繩子系統(tǒng)、電機(jī)圈數(shù)計(jì)算子系統(tǒng)、回位子 系統(tǒng)、中央控制子系統(tǒng)W及裝配子系統(tǒng)；
[0006] 收放繩子系統(tǒng)包括采樣電機(jī)、聯(lián)軸器、卷線軸和采樣杯拉繩；
[0007] 電機(jī)圈數(shù)計(jì)算子系統(tǒng)包括轉(zhuǎn)速編碼器；
[000引回位子系統(tǒng)包括回位緩沖器，回位開關(guān)，自鎖齒輪和自鎖電機(jī)；
[0009] 中央巧制子系統(tǒng)包括中巧板；
[0010] 裝配子系統(tǒng)包括電機(jī)固定板和回位擋板;采樣電機(jī)和自鎖齒輪固定在電機(jī)固定板 上，回位緩沖器、回位開關(guān)固定在回位擋板上。
[0011] 回位緩沖器包括彈黃W及彈黃兩邊的圓盤。
[0012] 自鎖齒輪固定在采樣電機(jī)的轉(zhuǎn)軸上。
[0013] 采樣杯連接采樣杯拉繩，采樣杯拉繩纏繞在卷線軸上，卷線軸通過聯(lián)軸器和采樣 電機(jī)連接在一起。
[0014] 自鎖電機(jī)的自鎖頭和自鎖齒輪咬合能夠使卷線軸保持靜止鎖定狀態(tài)。
[0015] 中控板上有和定高子系統(tǒng)、收放繩子系統(tǒng)、電機(jī)圈數(shù)計(jì)算子系統(tǒng)W及回位子系統(tǒng) 的電氣控制接口；中控板和無人飛行器的數(shù)據(jù)通信接口為RS232或RS485。
[0016] 電機(jī)固定板固定在無人機(jī)的底盤，回位擋板固定在無人機(jī)的支腳上;采樣杯回位 時(shí)的底部應(yīng)該高于無人機(jī)的支腳底部。
[0017] 定高子系統(tǒng)包括超聲波液位探頭。
[0018] 無人飛行器是無人直升機(jī)或無人旋翼機(jī)。
[0019] 所述轉(zhuǎn)速編碼器包括磁角度傳感器和兩極圓形磁鐵。
[0020] 本發(fā)明的發(fā)明點(diǎn)是：
[0021] 在符合現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)的情況下，能夠利用無人機(jī)自動進(jìn)行遠(yuǎn)距離水樣采集；
[0022] 具有回位緩沖器及相關(guān)機(jī)構(gòu)，防止采樣杯收回時(shí)碰撞導(dǎo)致樣品傾灑，減少對無人 機(jī)的沖擊，也能使限位開關(guān)的閉合更加可靠彈片不會來回碰撞；
[0023] 具有自鎖電機(jī)及相關(guān)機(jī)構(gòu)，防止飛行過程中采樣杯掉落；
[0024] 具有電機(jī)圈數(shù)計(jì)算子系統(tǒng)，可W準(zhǔn)確獲知采樣杯下放高度，及采樣深度。
[0025] 具有定高系統(tǒng)，能夠準(zhǔn)確定位無人機(jī)與水面的距離，方便采樣。
[0026] 具有無人機(jī)支腳，且采樣杯回位時(shí)的底部應(yīng)該高于無人機(jī)的支腳底部，防止損害 無人機(jī)。
[0027] 本發(fā)明的有益效果是：1和人工采樣方式基本一樣，符合現(xiàn)有的標(biāo)準(zhǔn)水質(zhì)采樣流 程;2整個(gè)采樣過程操作簡單、高效智能;3與無人船采樣方式相比，無人飛行器可W從離河 岸更遠(yuǎn)的地方起飛和降落，無需人工將無人船放下水和拉上岸，節(jié)省了人力，并且更能適應(yīng) 復(fù)雜環(huán)境。4不存在采樣管路，采樣管路不會滋生微生物對水樣造成污染，采樣過程不會發(fā) 生堵塞。5采樣過程不引入誤差，所有測量指標(biāo)在采樣完成后和在水體中保持一致。
【附圖說明】
[002引圖1是本發(fā)明整體組成示意圖。
[0029] 圖2是采樣控制系統(tǒng)組成示意圖。
[0030] 圖3是采樣控制系統(tǒng)回位開關(guān)示意圖。
[0031] 1是無人飛行器，2是采樣控制系統(tǒng)，3是采樣杯，4是電機(jī)固定板，5是卷線軸、6是中 控板，7是自鎖電機(jī)，8是聯(lián)軸器，9是轉(zhuǎn)速編碼器，10是采樣電機(jī)，11是回位擋板，12是回位緩 沖器，13是水位定高探頭，14是自鎖齒輪，15是采樣杯拉繩，16是回位開關(guān)。
【具體實(shí)施方式】
[0032] 下面結(jié)合附圖對本發(fā)明做進(jìn)一步的詳述。
[0033] 如附圖所示，該裝置由無人飛行器1、采樣控制系統(tǒng)2和采樣杯3Ξ部分組成。采樣 控制系統(tǒng)2通過電機(jī)固定板4固定到無人飛行器1的底部安裝板，通過回位擋板11固定到無 人飛行器1的支腳上，采樣杯3通過采樣杯拉繩15懸掛在卷線軸5上。其中對于采樣控制系統(tǒng) 2,卷線軸5、自鎖電機(jī)7、聯(lián)軸器8、轉(zhuǎn)速編碼器9、采樣電機(jī)10和自鎖齒輪14固定在電機(jī)固定 板4上，中控板6、回位緩沖器12、水位定高探頭13、采樣杯拉繩15和回位開關(guān)16固定在回位 擋板11上。
[0034] 本發(fā)明的動力系統(tǒng)是無人飛行器1，基本要求是能夠懸停，載荷在5KgW上，續(xù)航在 15分鐘W上。本系統(tǒng)采用北京天途航空的M8A農(nóng)業(yè)植保機(jī)，在原機(jī)型的基礎(chǔ)上機(jī)型改裝，加 裝我們的采樣控制系統(tǒng)和采樣器，采樣控制系統(tǒng)和采樣器空瓶的總重量小于1.5Kg。當(dāng)載荷 為1 OKg時(shí)，M8A懸停可W達(dá)到15分鐘W上，整個(gè)續(xù)航時(shí)間在30分鐘W上，飛行狀況良好。
[0035] 采樣控制系統(tǒng)2為本系統(tǒng)的核屯、組件，該系統(tǒng)主要由定高子系統(tǒng)、收放繩子系統(tǒng)、 電機(jī)圈數(shù)計(jì)算子系統(tǒng)、回位子系統(tǒng)、中央控制子系統(tǒng)W及裝配子系統(tǒng)六個(gè)部分組成。定高子 系統(tǒng)負(fù)責(zé)收集無人機(jī)離水面的高度信息，收放繩子系統(tǒng)負(fù)責(zé)采樣杯拉繩15的放出和收回， 電機(jī)圈數(shù)計(jì)算子系統(tǒng)負(fù)責(zé)計(jì)算采樣電機(jī)的轉(zhuǎn)動圈數(shù)進(jìn)而計(jì)算采樣杯拉繩15的放出長度，回 位子系統(tǒng)負(fù)責(zé)采樣杯3準(zhǔn)確的回到出發(fā)前的位置，中央控制子系統(tǒng)負(fù)責(zé)前面四個(gè)子系統(tǒng)的 協(xié)調(diào)統(tǒng)一工作W及與無人飛行器的通信，裝配子系統(tǒng)將所有器件合理安排和無人飛行器結(jié) 合在一起。
[0036] 定高子系統(tǒng)的器件包括超聲波液位探頭，本系統(tǒng)選用的是4-20SC-MaxSonar@-W護(hù)Μ 系列探頭，最大量程5米，最小量程50cm，分辨率1.6mm，數(shù)據(jù)刷新率0.6Ηζ，10~32V區(qū)間供 電，數(shù)據(jù)接口為4~20mA電流信號。
[0037] 收放繩子系統(tǒng)的器件包括采樣電機(jī)10、聯(lián)軸器8、卷線軸5和采樣杯拉繩15。采樣電 機(jī)10采用化ulhaber 2342L012直流減速電機(jī)，工作電壓12V，空載轉(zhuǎn)速:8100RPM，減速后轉(zhuǎn) 速120RPM，輸出功率:17W。采樣電機(jī)10的軸通過聯(lián)軸器8和卷線軸5的中軸連接在一起，采樣 杯拉繩15纏繞在卷線軸5上，采樣杯拉繩15采用魚線。采樣電機(jī)10工作帶動卷線軸5轉(zhuǎn)動，采 樣開始時(shí)卷線軸5放線，采樣杯3從高空下降到水面之下，采樣完成后采樣電機(jī)10反向轉(zhuǎn)動， 卷線軸5收線，采樣杯3從水面之下上升回到無人飛行器1。
[0038] 電機(jī)圈數(shù)計(jì)算子系統(tǒng)包括轉(zhuǎn)速編碼器9,轉(zhuǎn)速編碼器9由磁角度傳感器AS5600和兩 極圓形磁鐵組成，磁編碼器體積小價(jià)格便宜精度高，可配置模擬電壓輸出或位置角度PWM輸 出，適合計(jì)算電機(jī)轉(zhuǎn)數(shù)的需求。安裝時(shí)AS5600與磁鐵中屯、對稱，AS5600便可根據(jù)磁鐵位置， 輸出磁鐵所處角度對應(yīng)的電壓值。通過轉(zhuǎn)速編碼器9可W實(shí)時(shí)獲取采樣電機(jī)的轉(zhuǎn)動圈數(shù)，轉(zhuǎn) 動圈數(shù)乘W卷線軸的卷線周長即可得到放線的長度，從而控制采樣杯3的下降高度。
[0039] 回位子系統(tǒng)包括回位緩沖器12,回位開關(guān)16,自鎖齒輪14和自鎖電機(jī)7?；匚痪彌_ 器12是由彈黃W及彈黃兩邊的圓盤構(gòu)成的，回位開關(guān)16是限位開關(guān)。當(dāng)采樣杯3上升碰到回 位緩沖器12的下圓盤，下圓盤擠壓彈黃，彈黃擠壓上圓盤，上圓盤最后擠壓限位開關(guān)，當(dāng)彈 黃的壓力達(dá)到一定程度時(shí)，限位開關(guān)閉合，閉合信號傳到中央控制子系統(tǒng)，中央控制子系統(tǒng) 知道采樣杯3已經(jīng)回位，停止采樣杯3的上升。通過回位緩沖器12,能夠減少采樣杯3上升對 無人飛行器1底部的壓力沖擊，也能使限位開關(guān)的閉合更加可靠彈片不會來回碰撞。在采樣 電機(jī)10停止運(yùn)行后，為防止采樣電機(jī)10的自鎖扭矩不夠，中央控制子系統(tǒng)會控制自鎖電機(jī)7 推動自鎖頭和自鎖齒輪進(jìn)行咬合，使自鎖齒輪無法旋轉(zhuǎn)，由于自鎖齒輪固定在采樣電機(jī)的 轉(zhuǎn)軸上，采樣電機(jī)10的轉(zhuǎn)軸因此被鎖死，再下次采樣開始前中央控制子系統(tǒng)會控制自鎖電 機(jī)7遠(yuǎn)離自鎖齒輪14,自鎖頭與自鎖齒輪14松開，自鎖電機(jī)7的轉(zhuǎn)軸可W自由轉(zhuǎn)動。
[0040] 中央控制子系統(tǒng)包括中控板6。中控板6上有和定高子系統(tǒng)、收放繩子系統(tǒng)、電機(jī)圈 數(shù)計(jì)算子系統(tǒng)W及回位子系統(tǒng)的電氣控制接口。中控板上的MCU選用意法半導(dǎo)體的STM32F1 系列忍片，該系列CPU頻率最高到72MHz，F(xiàn)LA甜最高IM容量，RAM最高96K，功耗低，有大量的 常見外設(shè)，能夠滿足系統(tǒng)控制的需要。
[0041] 裝配子系統(tǒng)包括電機(jī)固定板4和回位擋板11，裝配子系統(tǒng)是采樣控制系統(tǒng)2和無人 飛行器1連接的紐帶。卷線軸5、自鎖電機(jī)7、聯(lián)軸器8、轉(zhuǎn)速編碼器9、采樣電機(jī)10和自鎖齒輪 14等電機(jī)相關(guān)器件固定在電機(jī)固定板4上，電機(jī)固定板4通過頂部安裝板和無人機(jī)的底板連 接在一起，中控板6、回位緩沖器12、水位定高探頭13、采樣杯拉繩15和回位開關(guān)16固定在回 位擋板11上，回位擋板11通過側(cè)面兩塊安裝板和無人飛行器1的支腳連接在一起?；匚粨醢?11還有一個(gè)功能就是限制采樣杯3和無人飛行器1之間的距離，采樣杯3不會直接接觸到無 人飛行器1，采樣杯3回位時(shí)的底部應(yīng)該高于無人飛行器1的支腳底部，運(yùn)樣無人飛行器1降 落時(shí)才不受采樣杯3的影響。
[0042] 其動態(tài)工作過程是:開始采樣前，先在地圖上或現(xiàn)場確定需要采樣的具體地點(diǎn)，將 整個(gè)裝置放在采樣點(diǎn)的航程內(nèi)。如果無人飛行器1是自動導(dǎo)航，無人飛行器根據(jù)路線規(guī)劃起 飛前往采樣地點(diǎn)；否則飛行人員在地面控制無人飛行器1前往采樣地點(diǎn)。當(dāng)無人飛行器1到 達(dá)采樣點(diǎn)上空后，飛行人員在地面控制軟件上點(diǎn)擊"開始采樣"，采樣過程開始。首先，無人 飛行器1讀取采樣控制系統(tǒng)2傳來的水面高度信息，根據(jù)當(dāng)前高度無人飛行器1自動調(diào)整垂 直高度直到穩(wěn)定到預(yù)設(shè)高度，然后無人機(jī)飛行器1通知采樣控制系統(tǒng)2定高完成，采樣控制 系統(tǒng)2首先控制自鎖電機(jī)7解除對自鎖齒輪14的鎖定，然后啟動采樣電機(jī)10,卷線軸5開始放 線，同時(shí)采樣控制系統(tǒng)2不斷讀取轉(zhuǎn)速編碼器9的數(shù)值計(jì)算最新的放線長度，當(dāng)計(jì)算到采樣 杯3已經(jīng)浸入到水下特定深度時(shí)，采樣控制系統(tǒng)2停止采樣電機(jī)10,并等待一段時(shí)間讓采樣 杯3充滿水樣，之后采樣控制系統(tǒng)2再次啟動采樣電機(jī)10反向轉(zhuǎn)動，卷線軸5開始收線，當(dāng)采 樣杯3到達(dá)回位擋板11，采樣杯3抵住回位緩沖器11讓回位開關(guān)16閉合，閉合信號傳到采樣 控制系統(tǒng)2,采樣控制系統(tǒng)2停止采樣電機(jī)10,自鎖電機(jī)7啟動對自鎖齒輪14進(jìn)行鎖定，并通 知無人飛行器1返航，無人飛行器1自動返航或者有飛行人員地面遙控返航。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種用于無人機(jī)的懸掛式水質(zhì)采樣器系統(tǒng)，其特征在于： 包括采樣控制系統(tǒng)和采樣杯； 其中采樣控制系統(tǒng)包括定高子系統(tǒng)、收放繩子系統(tǒng)、電機(jī)圈數(shù)計(jì)算子系統(tǒng)、回位子系 統(tǒng)、中央控制子系統(tǒng)以及裝配子系統(tǒng)； 收放繩子系統(tǒng)包括采樣電機(jī)、聯(lián)軸器、卷線軸和采樣杯拉繩； 電機(jī)圈數(shù)計(jì)算子系統(tǒng)包括轉(zhuǎn)速編碼器； 回位子系統(tǒng)包括回位緩沖器，回位開關(guān)，自鎖齒輪和自鎖電機(jī)； 中央控制子系統(tǒng)包括中控板； 裝配子系統(tǒng)包括電機(jī)固定板和回位擋板;采樣電機(jī)和自鎖齒輪固定在電機(jī)固定板上， 回位緩沖器、回位開關(guān)固定在回位擋板上。2. 如權(quán)利要求1所述的用于無人機(jī)的懸掛式水質(zhì)采樣器系統(tǒng)，其特征在于：回位緩沖器 包括彈簧以及彈簧兩邊的圓盤。3. 如權(quán)利要求1所述的用于無人機(jī)的懸掛式水質(zhì)采樣器系統(tǒng)，其特征在于：自鎖齒輪固 定在采樣電機(jī)的轉(zhuǎn)軸上。4. 如權(quán)利要求1所述的用于無人機(jī)的懸掛式水質(zhì)采樣器系統(tǒng)，其特征在于:采樣杯連接 采樣杯拉繩，采樣杯拉繩纏繞在卷線軸上，卷線軸通過聯(lián)軸器和采樣電機(jī)連接在一起。5. 如權(quán)利要求1所述的用于無人機(jī)的懸掛式水質(zhì)采樣器系統(tǒng)，其特征在于：自鎖電機(jī)的 自鎖頭和自鎖齒輪咬合能夠使卷線軸保持靜止鎖定狀態(tài)。6. 如權(quán)利要求1所述的用于無人機(jī)的懸掛式水質(zhì)采樣器系統(tǒng)，其特征在于：中控板上有 和定高子系統(tǒng)、收放繩子系統(tǒng)、電機(jī)圈數(shù)計(jì)算子系統(tǒng)以及回位子系統(tǒng)的電氣控制接口；中控 板和無人飛行器的數(shù)據(jù)通信接口為RS232或RS485。7. 如權(quán)利要求1所述的用于無人機(jī)的懸掛式水質(zhì)采樣器系統(tǒng)，其特征在于：電機(jī)固定板 固定在無人機(jī)的底盤，回位擋板固定在無人機(jī)的支腳上;采樣杯回位時(shí)的底部應(yīng)該高于無 人機(jī)的支腳底部。8. 如權(quán)利要求1所述的用于無人機(jī)的懸掛式水質(zhì)采樣器系統(tǒng)，其特征在于:定高子系統(tǒng) 包括超聲波液位探頭。9. 如權(quán)利要求1所述的用于無人機(jī)的懸掛式水質(zhì)采樣器系統(tǒng)，其特征在于:無人飛行器 是無人直升機(jī)或無人旋翼機(jī)。10. 如權(quán)利要求1所述的用于無人機(jī)的懸掛式水質(zhì)采樣器系統(tǒng)，其特征在于:所述轉(zhuǎn)速 編碼器包括磁角度傳感器和兩極圓形磁鐵。
【文檔編號】B64C39/02GK205483662SQ201620180399
【公開日】2016年8月17日
【申請日】2016年3月9日
【發(fā)明人】蔡競春, 胡進(jìn)
【申請人】武漢博感空間科技有限公司