CN102249002B - 一种空气采样飞行器及空气采样的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种空气采样飞行器，包括飞行主体、装置于飞行主体上的控制装置和采样装置，其中控制装置包括智能控制模块、与智能控制模块连接的用于控制和调整飞行主体飞行方向和定位采样位置的方向定位模块、与智能控制模块连接的用于驱动飞行主体运行的动力驱动模块，其中的动力驱动模块包括第一级舵机、第二级舵机、驱动电机及螺旋桨、驱动装置。由于巧妙地采用飞行主体与控制装置及空气采样装置相结合的结构，既能自动化地采集空气样品，又能突破时间、地域的限制，更重要地，通过这种自动化的技术，既方便了采样技术人员采集空气，在某些特定条件下，如到地形险要或是含有大量有毒气体的地区进行空气采样，还能保护采样人员的生命安全。

Description

一种空气采样飞行器及空气采样的方法

技术领域

本发明涉及空气采样器，尤其涉及一种用于高空空气采样的空气采样器及采样方法，以便检测和测量高空中可能存在的污染物。

背景技术

空气采样器在本领域是已知的，目前的常规空气采样方法主要是由工作人员携带大气采样仪进行现场采样，或者是在指定地点设定采样点，安放高科技分析仪器，直接将分析所得的数据并通过网络发送给环保，这两种采样方式各有利弊，前者灵活性高，但耗费大量时间以及人力物力，后者虽然精度高，速度快，但移动不灵活，采集范围有限，最重要的是它高昂的成本，基本都在百万人民币以上。而在对险要地形与恶劣环境如有毒化学气体泄漏，或是悬崖峭壁等特殊场合所进行的空气采样方面，如果由采样人员手动操作，必须亲身涉险，不但有人生危险，而且心里压力大，影响采样工作。

能否利用自动化技术对前者进行修改，使其既能自动化地采集空气样品，又能突破时间、地域的限制呢？更重要地，通过这种自动化的技术，既方便了采样技术人员采集空气，在某些特定条件下，如到地形险要或是含有大量有毒气体的地区进行空气采样，还能保护采样人员的生命安全。对其进行改装后，是否还能实现航拍、携带实验仪器进行各种实验甚至军事上的用途呢？根据这些问题，本申请人最先考虑的是制作一种可携带空气采样仪的固定翼式或旋翼式飞机模型，在飞行途中对空气进行同步采样，但很快发现这个方案也存在问题，原因主要来自于两个方面。

（1）空气采样对周围的风速有着很严格的要求，一般风速需要低于3级，风速过快会对采样造成影响，使采样分析后所获得的数据失去其精确性。因此无法悬停或低速飞行的固定翼式飞机模型不能满足要求，而旋翼式飞机周围又有着强烈的气流，因此同样无法用于此项目的研究。

（2）目前飞机模型的飞行需要很强的电能提供支持，以常用的航空模型电池作为电源，飞行时间无法超过15分钟，而目前太阳能电池板的转换效率又过低，无法满足普通飞机模型的高耗能，在没有碳纤维等高科技材料的前提下，利用电池无法满足此项目的要求。目前飞机模型一般采用燃烧专用煤油以获得足够动力，这同样也是问题所在。燃烧煤油的同时必然产生污染物质，如硫氧化物，对于污染物质极为敏感的采样试剂必定会与煤油燃烧产生的废气反应形成二次污染，这样采样的工作就无法进行了。

发明内容

本发明的目的是针对上述问题的存在，提供一种可在人员无法到达的区域进行自动化的移动式的高空空气采样的、结构简单可靠、携带方便的、采样数据准确的空气采样飞行器及空气采样方法。在此基础上，本发明的进一步目的是提供一种以蓄电池为主，太阳能供电为辅的清洁能源，具备比较长的续航能力，同时在空气采样过程中不会对采样空气产生二次污染，进一步确保数据准确可靠的并拥有更好的灵活性、机动性的空气采样飞行器及空气采样方法。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种空气采样飞行器，其特点是包括飞行主体、装置于飞行主体上的控制装置和采样装置，其中所述控制装置包括小型AT91型单片机、与小型AT91型单片机连接的用于控制和调整飞行主体飞行方向和定位采样位置的方向定位模块、与小型AT91型单片机连接的用于驱动飞行主体运行的动力驱动模块，其中所述的动力驱动模块包括用于驱动飞行主体进行水平方向的角度旋转的第一级舵机、连接于第一舵机上的用于负责垂直方向角度旋转的第二级舵机、连接于第二级舵机上的可正转、反转及变速的驱动电机及装置于驱动电机上的螺旋桨、用于控制驱动电机进行正转、反转及变速的驱动装置。

其中，为方便可靠地使本发明所述的空气采样飞行器既能准确可靠地到达待采样的目标位置，又使其在低速飞行状态下拥有更好的灵活性、机动性，上述方向定位模块包括用于控制飞行主体进行自动飞行和定位模式状态的方向定位模块A和用于控制飞行主体进行受控飞行和定位模式状态的方向定位模块B及用于进行飞行模式状态选择的模式选择开关，其中方向定位模块A由GPS模块、电子罗盘和加速度传感器组成，其中GPS模块通过外置天线接收卫星信息，获得当前的时间、经度、纬度、海拔高度的数据，并通过内置的集成块将信息编译成一条小型AT91型单片机可识别的数串，并通过接口将其发送给小型AT91型单片机；电子罗盘则通过磁场锁定一个正方向，并记录罗盘在正方向的基础上所转动的角度，小型AT91型单片机将接受的GPS数据和电子罗盘参数与设定值相比较，从而调整两级舵机的角度使飞行主体朝着目标方向飞行；加速度传感器实时测定飞行主体的三轴方向的状态参数，小型AT91型单片机通过状态参数调整舵机保证飞行主体不会因为倾斜而发生事故，方向定位模块B包括分别装置于飞行主体和地面操控平台的无线通信模块；为进一步确保采样数据的准确率，避免在空气采样过程中产生二次污染，上述飞行主体包括充气飞艇及装置于该充气飞艇上的用于对所述空气采样飞行器进行供电的太阳能收集和储能模块，其中充气飞艇采用小型广告空飘飞艇，其所充气体为氦气，太阳能收集和储能模块包括装置于充气飞艇顶部的多块太阳能电池板及与之相匹配的环保镍氢蓄电池。

本发明所述的利用上述采样飞行器进行空气采样的方法，包括以下步骤：

a、在充气飞艇中充入氦气，并通过增加或减少负重模块来调节充气飞艇的浮力，保证充气飞艇可悬浮在空中，开启采样飞行器的各组成部分；

b、利用模式选择开关，选择飞行模式，如选择自动飞行和定位模式状态，则转到执行步骤e，否则，

c、开启无线通信模块，启动和控制两级舵机和驱动电机工作，

d、判断充气飞艇是否到达待采样的目标位置，确认已到达待采样的目标位置后启动采样装置工作，采样完毕后控制飞艇浮力控制阀使充气飞艇返航到地面，完成本次采样任务；

e、输入待采样的目标位置坐标，启动和控制两级舵机和驱动电机工作，

f、启动GPS模块和电子罗盘，判断充气飞艇是否到达待采样的目标位置，如未到达目标位置则根据坐标误差对应控制两级舵机和驱动电机的工作状态，

g、确认已到达待采样的目标位置后启动采样装置工作，采样完毕后控制飞艇浮力控制阀使充气飞艇返航到地面，完成本次采样任务。

本发明由于巧妙地采用飞行主体与控制装置及空气采样装置相结合的结构，既能自动化地采集空气样品，又能突破时间、地域的限制，更重要地，通过这种自动化的技术，既方便了采样技术人员采集空气，在某些特定条件下，如到地形险要或是含有大量有毒气体的地区进行空气采样，还能保护采样人员的生命安全；而且，飞行主体可同时携带多组空气采样容器一次性对多种空气成份进行采样，同时，以蓄电池和太阳能供电相结合的清洁能源，既具备较长的续航能力，又不会对采样空气产生二次污染，进一步确保了采样数据的准确可靠，而且独创的二级舵机和螺旋桨相结合的结构，在低速飞行状态下可拥有优良的机动性和推动力；且本发明结构简单可靠、携带方便、实用性强。

下面结合附图详细描述本发明的实现：

附图说明

图1是本发明所述空气采样飞行器的结构示意图。

图2是本发明所述空气采样飞行器的组成方框示意图。

图3是本发明所述空气采样飞行器的动力驱动模块的立体结构示意图。

图4是本发明所述空气采样飞行器的动力驱动模块的平面结构示意图。

图5是本发明所述空气采样飞行器的空气采样管的结构示意图。

图6是本发明所述的空气采样方法的流程图。

具体实施方式

如图1至图5所示，本发明所述的空气采样飞行器，包括飞行主体1、装置于飞行主体1上的控制装置和采样装置，其中所述控制装置包括智能控制模块QRCU、与智能控制模块QRCU连接的用于控制和调整飞行主体1飞行方向和定位采样位置的方向定位模块、与智能控制模块QRCU连接的用于驱动飞行主体1运行的动力驱动模块，本实施例所述的空气采样飞行器由智能控制模块QRCU来协调控制并完成各项工作，该智能控制模块QRCU是一块小型AT91型单片机，拥有强大的功能，具有采集、分析、运算和发送数据等多种功能，其具有速度快，精度高，稳定性好等特点，一般采用AT91SAM9260、LM359B96、A07026、LPC2466。其中所述的动力驱动模块包括用于驱动飞行主体1进行水平方向的角度旋转的第一级舵机21、连接于第一舵机21上的用于负责垂直方向角度旋转的第二级舵机22、连接于第二级舵机22上的可正转、反转及变速的驱动电机231及装置于驱动电机231上的螺旋桨232、用于控制驱动电机231进行正转、反转及变速的驱动装置23。本实施例中第一级舵机21通过一架体212固定于飞行主体1下方，第二级舵机22通过一架体222固定于第一级舵机21的输出轴上，两级舵机可采用MG-995、MD993或ES08、MD，驱动电机采用有刷电机，该有刷电机通过架体233装置于第二级舵机22的输出轴上，通过两级舵机和有刷电机的结合可简单方便而又灵活地驱动飞行主体1朝三维的任一角度飞行；其中：①、当需要控制飞艇垂直向上（或向下）飞行时，第一级舵机21处于0°，第二级舵机22处于90°（或-90°）；②、当需要控制飞艇水平前进（或后退）飞行时，第一级舵机21处于0°，第二级舵机22处于0°（或180°）；③、当需要控制飞艇往左上方（或右下方）斜飞行时，第一级舵机21处于90°～180°（或0°～-90°），第二级舵机22处于90°（或-90°）；④、当需要控制飞艇水往右上方（或左下方）斜飞行时，第一级舵机21处于0°～90°（或-180°～-90°），第二级舵机22处于0°（或180°）。

其中，为方便可靠地使本发明所述的空气采样飞行器既能准确可靠地到达待采样的目标位置，又使其在低速下拥有更好的灵活性、机动性，上述方向定位模块包括用于控制飞行主体1进行自动飞行和定位模式状态的方向定位模块A和用于控制飞行主体1进行受控飞行和定位模式状态的方向定位模块B及用于进行飞行模式状态选择的模式选择开关，其中方向定位模块A由GPS模块、电子罗盘和加速度传感器组成，其中GPS模块通过外置天线接收卫星信息，获得当前的时间、经度、纬度、海拔高度等数据，并通过内置的集成块将信息编译成一条智能控制模块QRCU可识别的数串，该数串一般为52字节的数串，并通过接口将其发送给智能控制模块QRCU；电子罗盘则通过磁场锁定一个正方向，并记录罗盘在正方向的基础上所转动的角度，智能控制模块QRCU将接受的GPS数据和电子罗盘参数与设定值相比较，从而调整两级舵机21、22的角度使飞行主体1朝着目标方向飞行；加速度传感器实时测定飞行主体1的三轴方向的状态参数，智能控制模块QRCU通过状态参数调整舵机21、22保证飞行主体1不会因为倾斜而发生事故，本实施例中，GPS模块可采用HOLUX GR-83、GARMIN G15L或GSTARGS-87，电子罗盘可采用HQ6231、CMPS05-12C或S D S-102，加速度传感器可采用MMA7455、MMA7260或ADXL345，方向定位模块B包括分别装置于飞行主体1和地面操控平台的无线通信模块，无线通信模块可采用现有的GSM模块、CDMA模块、WiFi模块或ZipBee模块等通信模块。为进一步确保采样数据的准确率，避免在空气采样过程中产生二次污染，上述飞行主体1包括充气飞艇及装置于该充气飞艇上的用于对所述空气采样飞行器进行供电的太阳能收集和储能模块，其中充气飞艇采用小型广告空飘飞艇，其所充气体为氦气，太阳能收集和储能模块包括装置于充气飞艇顶部的多块太阳能电池板及与之相匹配的环保镍氢蓄电池。本实施例中，共采用20块太阳能电池板，其中单块太阳能电池板有效采光面积为300平方厘米，能提供9V电压、150mA的电流，提供的总电流可达3A，太阳能转换率约为10%。收集到的太阳能通过导线直接存入与之匹配的环保镍氢蓄电池，其容量为2000mAh，额定电流为10A。通过这种太阳能供电的方式，不仅清洁环保，而且使飞艇的巡航能力大大提升，理论上只要有足够的光照，飞艇就能一直飞下去。上述飞行主体1上装置有用于调节充气飞艇浮力的飞艇浮力控制阀。上述采样装置包括与智能控制模块QRCU连接的采样控制电路、及至少一组依序连接的抽气泵、流量计和空气采样管31，其中抽气泵由9V太阳能电池板或蓄电池供电，抽气泵的进气口与空气采样管31的一个出口相连，空气采样管31当中装有试剂，类似U形管，一半直径较细，一半直径较粗，抽气泵降低了与之相连的一半空气采样管31内的气压，使空气进入空气采样管31与其中的试剂反应。试剂瓶一共分为两组，其中一组携带氮氧化物反应试剂，为棕色透明空气采样管31，防止反应后所产生的化学成分见光分解；另一组携带硫氧化物的反应试剂，为无色透明空气采样管31，两组空气采样管31分别采集对应的空气污染物，而流量计则介于抽气泵与空气采样管31之间，能通过旋钮来调节空气流量，控制采样速率并使其相对平稳，三者通过橡胶导管实现连接，拥有较强的气密性。

如图6所示，本发明所述利用上述空气采样飞行器进行空气采样的方法，包括以下步骤：

a、在充气飞艇中充入氦气，并通过增加或减少负重模块来调节充气飞艇的浮力，保证充气飞艇可悬浮在空中，开启采样飞行器的各组成部分；

b、利用模式选择开关，选择飞行模式，如选择自动飞行和定位模式状态，则转到步骤e，否则，

c、开启无线通信模块，启动和控制两级舵机和驱动电机231工作，

d、判断充气飞艇是否到达待采样的目标位置，确认已到达待采样的目标位置后启动采样装置工作，采样完毕后控制飞艇浮力控制阀使充气飞艇返航到地面，完成本次采样任务；

e、输入待采样的目标位置坐标，启动和控制两级舵机和驱动电机231工作，

f、启动GPS模块和电子罗盘，判断充气飞艇是否到达待采样的目标位置，如未到达目标位置则根据坐标误差对应控制两级舵机和驱动电机231的工作状态，此时：①、当需要控制飞艇垂直向上（或向下）飞行时，第一级舵机21处于0°，第二级舵机22处于90°（或-90°）；②、当需要控制飞艇水平前进（或后退）飞行时，第一级舵机21处于0°，第二级舵机22处于0°（或180°）；③、当需要控制飞艇往左上方（或右下方）斜飞行时，第一级舵机21处于90°～180°（或0°～-90°），第二级舵机22处于90°（或-90°）；④、当需要控制飞艇水往右上方（或左下方）斜飞行时，第一级舵机21处于0°～90°（或-180°～-90°），第二级舵机22处于0°（或180°）；

g、确认已到达待采样的目标位置后启动采样装置工作，采样完毕后控制飞艇浮力控制阀使充气飞艇返航到地面，完成本次采样任务。

尽管本发明是参照具体实施例来描述，但这种描述并不意味着对本发明构成限制。参照本发明的描述，所公开的实施例的其他变化，对于本领域技术人员都是可以预料的，这种的变化应属于所属权利要求所限定的范围内。

Claims (5)

1.一种空气采样飞行器，其特征在于包括飞行主体、装置于飞行主体上的控制装置和采样装置，其中所述控制装置包括小型AT91型单片机、与小型AT91型单片机连接的用于控制和调整飞行主体飞行方向和定位采样位置的方向定位模块、与小型AT91型单片机连接的用于驱动飞行主体运行的动力驱动模块，其中所述的动力驱动模块包括用于驱动飞行主体进行水平方向的角度旋转的第一级舵机、连接于第一舵机上的用于负责垂直方向角度旋转的第二级舵机、连接于第二级舵机上的可正转、反转及变速的驱动电机及装置于驱动电机上的螺旋桨、用于控制驱动电机进行正转、反转及变速的驱动装置，所述方向定位模块包括用于控制飞行主体进行自动飞行和定位模式状态的方向定位模块A和用于控制飞行主体进行受控飞行和定位模式状态的方向定位模块B及用于进行飞行模式状态选择的模式选择开关，其中方向定位模块A由GPS模块、电子罗盘和加速度传感器组成，其中GPS模块通过外置天线接收卫星信息，获得当前的时间、经度、纬度、海拔高度的数据，并通过内置的集成块将信息编译成一条小型AT91型单片机可识别的数串，并通过接口将其发送给小型AT91型单片机；电子罗盘则通过磁场锁定一个正方向，并记录罗盘在正方向的基础上所转动的角度，小型AT91型单片机将接受的GPS数据和电子罗盘参数与设定值相比较，从而调整两级舵机的角度使飞行主体朝着目标方向飞行；加速度传感器实时测定飞行主体的三轴方向的状态参数，小型AT91型单片机通过状态参数调整舵机保证飞行主体不会因为倾斜而发生事故，方向定位模块B包括分别装置于飞行主体和地面操控平台的无线通信模块。

2.根据权利要求1所述的空气采样飞行器，其特征在于上述采样装置包括与小型AT91型单片机连接的采样控制电路、及至少一组依序连接的抽气泵、流量计和空气采样管。

3.根据权利要求1所述的空气采样飞行器，其特征在于上述飞行主体包括充气飞艇及装置于该充气飞艇上的用于对所述空气采样飞行器进行供电的太阳能收集和储能模块，其中充气飞艇采用小型广告空飘飞艇，其所充气体为氦气，太阳能收集和储能模块包括装置于充气飞艇顶部的多块太阳能电池板及与之相匹配的环保镍氢蓄电池。

4.根据权利要求3所述的空气采样飞行器，其特征在于上述飞行主体上装置有用于调节充气飞艇浮力的飞艇浮力控制阀。

5.一种根据上述任一权项要求所述空气采样飞行器进行空气采样的方法，其特征在于包括以下步骤：

a、在充气飞艇中充入氦气，并通过增加或减少负重模块来调节充气飞艇的浮力，保证充气飞艇可悬浮在空中，开启采样飞行器的各组成部分；

b、利用模式选择开关，选择飞行模式，如选择自动飞行和定位模式状态，则转到执行步骤e，否则，

c、开启无线通信模块，启动和控制两级舵机和驱动电机工作，

d、判断充气飞艇是否到达待采样的目标位置，确认已到达待采样的目标位置后启动采样装置工作，采样完毕后控制飞艇浮力控制阀使充气飞艇返航到地面，完成本次采样任务；

e、输入待采样的目标位置坐标，启动两级舵机和驱动电机工作，

f、启动GPS模块和电子罗盘，判断充气飞艇是否到达待采样的目标位置，如未到达目标位置则根据坐标误差对应控制两级舵机和驱动电机的工作状态，

g、确认已到达待采样的目标位置后启动采样装置工作，采样完毕后控制飞艇浮力控制阀使充气飞艇返航到地面，完成本次采样任务。

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