CN105424409A - 基于无人机的水面单点漂浮式自动采集系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于无人机的水面单点漂浮式自动采集系统，旨在提供一种耗能低、效率高，能够对不同水域进行多次定点水样采集的基于无人机的自动采集系统。它包括自动采水装置，自动采水装置包括机架，设置在机架上部的浮力装置及由左往右分布在机架上的一排采水筒，所述采水筒上设有进水结构及引信装置，各采水筒上端面设有竖直挡板，相邻两竖直挡板之间均设有触发装置。

Description

基于无人机的水面单点漂浮式自动采集系统

技术领域

本发明涉及一种水样采样设备，具体涉及一种基于无人机的水面单点漂浮式自动采集系统。

背景技术

目前，我国水环境监测主要包括在线监测和人工采样监测。在线监测是依靠建立固定的在线监测站，进行实时的水质数据监测，成本较高，且无法在大范围广泛应用；因而人工采样监测是目前主要的监测方式。人工采样监测主要是通过现场采样，然后试验人员通过采集的水样进行水质检测，人工采样监测灵活性高、可操作范围广。

传统的人工水样采样方法主要是通过调研船等驶入采样水域内，通过现有的采水器进行人工采样；但传统的人工水样采样方法的效率低，而且由于采样环境多样，往往会给人工采样带来极大的不便；尤其是在一些特殊的环境下，甚至无法进行人工采样。

目前，为解决传统人工水样采样方法存在的不足，无人采样设备应运而生。无人机采样是无人采样的一种，目前的无人机水样采集是通过在无人机上设置升降系统，并通过升降系统来升降采水器实现水样采集。目前的无人机水样采集虽然水样采集方便，但无人机水样采集的采水器往往只能够进行一次水样采集，这导致无人机水样采集的效率难以提高。

例如，中国专利公开号CN104458329A，公开日2015年3月25日，发明创造的名称为无人机水面定点自动采样系统，包括采水器、升降机构和控制电路部分。该申请案的无人机水面定点自动采样系统的采水器同样只能够进行一次水样采集。

发明内容

本发明的目的是为了克服现有技术中存在的不足，提供一种耗能低、效率高，能够对不同水域进行多次定点水样采集的基于无人机的水面单点漂浮式自动采集系统。

本发明的技术方案是：

一种基于无人机的水面单点漂浮式自动采集系统，包括自动采水装置，所述自动采水装置包括机架，设置在机架上部的浮力装置及由左往右分布在机架上的一排采水筒，所述采水筒上设有进水结构及引信装置，所述引信装置包括设置在采水筒内设有浮力筒，设置在采水筒上端的第一竖直导套，可滑动设置在第一竖直导套内的引信导杆，且引信导杆的下端与浮力筒的上端相连接；所述进水结构包括采水筒上端并与采水筒内腔连通的竖直进水圆管，同轴设置在竖直进水圆管内的第二竖直导套，设置在第二竖直导套内的第二导杆及同轴设置在第二导杆下端的用于封堵竖直进水圆管的柱状阀芯，所述第二导杆外侧面上并位于第二竖直导套上方设有限位挡块；所述进水结构位于引信导杆左侧；各采水筒上端面设有竖直挡板，且竖直挡板位于引信导杆的右侧，相邻两竖直挡板之间均设有触发装置；所述触发装置包括左右延伸的水平缸体，设置在水平缸体外侧面上的进水接口，设置水平缸体内用于控制进水接口启/闭的活塞体及设置在活塞体左端的活塞杆，所述水平缸体通过连接件固定在机架或采水筒上，位于相邻两竖直挡板之间的进水接口与竖直进水圆管之间通过连接管相连接；所述水平缸体的右端开口，左端封闭，且水平缸体的右端设有穿杆通孔，所述活塞杆穿过穿杆通孔，位于水平缸体外侧的活塞杆上设有环形挡板，活塞杆上并位于环形挡板与水平缸体右端之间设有压缩弹簧，所述竖直挡板的上端设有穿杆缺口，且穿杆缺口与活塞杆相对设置，所述活塞杆的端部铰接有触发杆，且触发杆的端部往左穿过相邻竖直挡板上端的穿杆缺口，所述触发杆上设有触动卡块。

本方案的基于无人机的水面单点漂浮式自动采集系统耗能低，能够对不同水域进行多次定点水样采集，从而有效提高采样效率。

作为优选，还包括设置在无人机上的升降装置，所述升降装置包括机座，可转动设置在机座上的绕线轮，卷绕在绕线轮上的牵引绳及用于转动绕线轮的驱动电机。

作为优选，机架上设有竖直导杆及浮动板，所述浮动板上设有浮动导套，且浮动导套套设在竖直导杆上，所述竖直导杆上设有上定位块及下定位块，且浮动导套位于上定位块与下定位块之间；所述牵引绳的端部与浮动导套的中部相连接；所述触发装置还包括竖直限位杆，且竖直限位杆位于活塞杆的正上方，所述竖直限位杆的上端与浮动板相连接；当浮动导套抵靠在上定位块时，所述竖直限位杆位于环形挡板上方，当浮动导套抵靠在下定位块时，所述竖直限位杆下端与活塞杆轴线之间的间距小于环形挡板的外径；当触发杆上的触动卡块位于相应竖直挡板的右侧，且触动卡块抵靠在相应的竖直挡板的穿杆缺口边缘时，所述竖直限位杆位于环形挡板的左侧，且竖直限位杆靠近环形挡板。本方案结构可以保证自动采水装置的工作稳定性。

作为优选，柱状阀芯的外侧面下边缘设有环形下磁力块，所述采水筒内腔的顶面上设有与环形下磁力块相对应的环形上磁力块，且所述竖直进水圆管的下端口位于环形上磁力块内。

作为优选，引信导杆的上端设有触发平板。

作为优选，采水筒呈圆柱状，且采水筒竖直设置。

本发明的有益效果是：具有耗能低、效率高，能够对不同水域进行多次定点水样采集的特点。

附图说明

图1是本发明的基于无人机的水面单点漂浮式自动采集系统的一种结构示意图。

图2是图1中A处的局部放大图。

图3是图1中B处的局部放大图。

图中：机架1、竖直导杆11、浮动板12、下定位块13、浮动导套14、上定位块15、浮力装置16、牵引绳17；采水筒2；引信装置3、浮力筒31、引信导杆32、第一竖直导套33、触发平板34；进水结构4、竖直进水圆管41、限位挡块42、第二竖直导套43、环形上磁力块44、第二导杆45、柱状阀芯46、环形下磁力块47；连接管5；竖直挡板6、穿杆缺口61；触发装置7、前密封圈71、进水接口72、活塞体73、后密封圈74、水平缸体75、活塞杆76、压缩弹簧77、环形挡板78、竖直限位杆79、铰接轴710、触发杆711、触动卡块712。

具体实施方式

下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述：

如图1所示，一种基于无人机的水面单点漂浮式自动采集系统包括自动采水装置及设置在无人机上用于升降自动采水装置的升降装置。升降装置包括机座，可转动设置在机座上的绕线轮，卷绕在绕线轮上的牵引绳17及用于转动绕线轮的驱动电机。

自动采水装置包括机架1，设置在机架上部的浮力装置16及由左往右依次分布在机架上的一排采水筒2。机架上设有竖直导杆11及浮动板12。浮动板上设有浮动导套14，且浮动导套套设在竖直导杆上。浮动板与竖直导杆相垂直。浮动板上表面中部设有竖直连接杆。竖直导杆上设有上定位块15及下定位块13，且浮动导套位于上定位块与下定位块之间。牵引绳的端部与浮动导套的中部相连接；本实施例中牵引绳的端部与竖直连接杆的上端相连接。浮力装置的浮力大于自动采水装置的重力。浮力装置位于采水筒的上方。采水筒位于浮动板下方。采水筒通过连接件固定在竖直导杆上。

如图1、图2所示，本实施例中的一排采水筒的数量为三个。采水筒2上设有进水结构4及引信装置3。采水筒呈圆柱状，且采水筒的轴线竖直设置。引信装置包括设置在采水筒内设有浮力筒31，设置在采水筒上端的第一竖直导套33，可滑动设置在第一竖直导套内的引信导杆32，且引信导杆的下端与浮力筒的上端相连接。第一竖直导套与引信导杆之间为硬密封配合结构。浮力筒呈圆柱状。浮力筒上下两端面水平设置。引信导杆的上端设有触发平板34。

进水结构4位于引信导杆32的左侧。进水结构包括采水筒上端并与采水筒内腔连通的竖直进水圆管41，同轴设置在竖直进水圆管内的第二竖直导套43，设置在第二竖直导套内的第二导杆45及同轴设置在第二导杆下端的用于封堵竖直进水圆管的柱状阀芯46。第二竖直导套与竖直进水圆管内壁之间通过连接件相连接。柱状阀芯位于浮力筒的上端面的正上方。柱状阀芯的外侧面下边缘设有环形下磁力块47。采水筒内腔的顶面上设有与环形下磁力块相对应的环形上磁力块44，且竖直进水圆管的下端口位于环形上磁力块内。环形上磁力与环形下磁力之间相互吸引。第二导杆外侧面上并位于第二竖直导套上方设有限位挡块42。柱状阀芯的上端面边缘设有倒角。当限位挡块抵靠在第二竖直导套上时，柱状阀芯位于竖直进水圆管的下方。当柱状阀芯的上端与竖直进水圆管下端口之间的间距小于2毫米时，在环形上磁力与环形下磁力之间的吸力作用下，环形下磁力将带动柱状阀芯往上移动，直至环形下磁力与环形上磁力贴合为止；此时柱状阀芯的上端伸入竖直进水圆管。当柱状阀芯的上端伸入竖直进水圆管时，柱状阀芯封堵竖直进水圆管，柱状阀芯与竖直进水圆管之间为硬密封配合结构。

如图1、图3所示，各采水筒上端面设有竖直挡板6，且竖直挡板位于引信导杆的右侧。相邻两竖直挡板之间均设有触发装置7。触发装置包括左右延伸的水平缸体75，设置在水平缸体外侧面上的进水接口72，设置水平缸体内用于控制进水接口启/闭的活塞体73，设置在活塞体左端的活塞杆76及竖直限位杆79。水平缸体通过连接件固定在机架或采水筒上。水平缸体的轴线与竖直挡板相垂直。引信导杆与活塞杆轴线位于同一平面内。竖直限位杆位于活塞杆的正上方。竖直限位杆位于浮动板下方。竖直限位杆的上端与浮动板12相连接。活塞体上设有前、后两道密封圈71、74。位于相邻两竖直挡板之间的进水接口与竖直进水圆管之间通过连接管5相连接，且位于相邻两竖直挡板之间的进水接口与竖直进水圆管正对设置，连接管竖直设置。

水平缸体的右端开口，左端封闭，且水平缸体的右端设有穿杆通孔。活塞杆穿过穿杆通孔。位于水平缸体外侧的活塞杆上设有环形挡板78。活塞杆上并位于环形挡板与水平缸体右端之间设有压缩弹簧77。活塞杆的端部铰接有触发杆711，活塞杆与触发杆之间的铰接轴710水平设置，且活塞杆与触发杆之间的铰接轴与活塞杆轴线相垂直。竖直挡板的上端设有穿杆缺口61，且穿杆缺口与活塞杆相对设置。触发杆的端部往左穿过相邻竖直挡板上端的穿杆缺口。触发杆上设有触动卡块712。

如图1所示，当浮力筒下端抵靠在采水筒内底面时，浮力筒上端面至竖直进水圆管下端口的间距与柱状阀芯的轴向长度之差大于引信导杆上端与活塞杆轴线之间的间距。

如图3所示，当触发杆上的触动卡块712位于相应竖直挡板的右侧，且触动卡块抵靠在相应的竖直挡板的穿杆缺口边缘时，进水接口位于前、后两道密封圈之间；当活塞体抵靠在水平缸体左端时，进水接口位于前、后两道密封圈的同一侧。

如图1、图3所示，当浮动导套抵靠在上定位块时，竖直限位杆位于环形挡板上方。当浮动导套抵靠在下定位块时，竖直限位杆下端与活塞杆轴线之间的间距小于环形挡板的外径。当触发杆上的触动卡块位于相应竖直挡板的右侧，且触动卡块抵靠在相应的竖直挡板的穿杆缺口边缘时，竖直限位杆位于环形挡板的左侧，且竖直限位杆靠近环形挡板。

本实施例的基于无人机的水面单点漂浮式自动采集系统的具体工作过程如下：

第一，如图1所示，在无人机起飞前将触动卡块抵靠在相应的竖直挡板的穿杆缺口边缘，且触动卡块位于相应竖直挡板的右侧；此时，位于最左侧的采水筒的竖直进水圆管处于开启状态，而其余采水筒的竖直进水圆管处于关闭状态。

第二，通过无人机带动自动采水装置飞行至指定的采样海域。

第三，通过升降装置的牵引绳将自动采水装置下放到指定海面上。当自动采水装置位于海面后将通过浮力装置漂浮在海面上；接着，牵引绳继续下放，从而使浮动板在重力作用下往下移动直至浮动导套抵靠在下定位块上（如图1所示）；再接着牵引绳停止下放。

同时，如图1所示，海水将通过“处于开启状态的竖直进水圆管进入对应的采水筒内”，随着海水不断的进入采水筒，在浮力筒的浮力作用下浮力筒将带动引信导杆上浮。

在浮力筒带动引信导杆上浮一段距离后将带动柱状阀芯一同上移。接着，浮力筒带动引信导杆及柱状阀芯继续上移，并通过引信导杆将其上方的触发杆往上顶起，从而使触动卡块脱钩；如图1、图3所示，当触动卡块脱钩后，在压缩弹簧的作用下将带动活塞杆及活塞体一同往左移动，直至环形挡板抵靠在竖直限位杆上为止，从而避免活塞体开启进水接口。

再接着，浮力筒带动引信导杆及柱状阀芯继续上移，并使柱状阀芯靠近竖直进水圆管下端口，当柱状阀芯的上端与竖直进水圆管下端口之间的间距小于2毫米时，在环形上磁力与环形下磁力之间的吸力作用下，环形下磁力将带动柱状阀芯往上移动，使柱状阀芯的上端伸入竖直进水圆管；从而将竖直进水圆管关闭，完成该采水筒的水样采集，即完成一次水样采集。

第四，通过升降装置的牵引绳将自动采水装置往上提起复位，在这个过程中，牵引绳首先将浮动板提起，直至浮动导套抵靠在上定位块为止；接着牵引绳将整个自动采水装置往上提起复位。

当浮动导套抵靠在上定位块时，竖直限位杆将位于环形挡板上方；此时，触动卡块脱钩的触发装置上的活塞杆及活塞体在压缩弹簧的作用下，将继续往左移动，直至活塞体抵靠在水平缸体左端；此时进水接口开启，从而使位于完成水样采集的采水筒的相邻右侧的采水筒的竖直进水圆管处于开启状态，而其余采水筒的竖直进水圆管处于关闭状态（即当一个采水筒完成水样采集后，将触发相邻右侧的采水筒的触发装置，使该触发装置的触动卡块脱钩；因而当牵引绳将自动采水装置往上提起后，位于完成水样采集的采水筒的相邻右侧的采水筒的竖直进水圆管将处于开启状态）。

第五，返回第二步继续操作，直至所有的采水筒都完成水样采集后；无人机带动自动采水装置返航。因而本实施例的基于无人机的水面单点漂浮式自动采集系统的耗能低，并能够对不同水域进行多次定点水样采集，从而有效提高采样效率。

Claims (6)

1.一种基于无人机的水面单点漂浮式自动采集系统，包括自动采水装置，其特征是，所述自动采水装置包括机架，设置在机架上部的浮力装置及由左往右分布在机架上的一排采水筒，所述采水筒上设有进水结构及引信装置，所述引信装置包括设置在采水筒内设有浮力筒，设置在采水筒上端的第一竖直导套，可滑动设置在第一竖直导套内的引信导杆，且引信导杆的下端与浮力筒的上端相连接；

所述进水结构包括采水筒上端并与采水筒内腔连通的竖直进水圆管，同轴设置在竖直进水圆管内的第二竖直导套，设置在第二竖直导套内的第二导杆及同轴设置在第二导杆下端的用于封堵竖直进水圆管的柱状阀芯，所述第二导杆外侧面上并位于第二竖直导套上方设有限位挡块；所述进水结构位于引信导杆左侧；

各采水筒上端面设有竖直挡板，且竖直挡板位于引信导杆的右侧，相邻两竖直挡板之间均设有触发装置；所述触发装置包括左右延伸的水平缸体，设置在水平缸体外侧面上的进水接口，设置水平缸体内用于控制进水接口启/闭的活塞体及设置在活塞体左端的活塞杆，所述水平缸体通过连接件固定在机架或采水筒上，位于相邻两竖直挡板之间的进水接口与竖直进水圆管之间通过连接管相连接；所述水平缸体的右端开口，左端封闭，且水平缸体的右端设有穿杆通孔，所述活塞杆穿过穿杆通孔，位于水平缸体外侧的活塞杆上设有环形挡板，活塞杆上并位于环形挡板与水平缸体右端之间设有压缩弹簧，所述竖直挡板的上端设有穿杆缺口，且穿杆缺口与活塞杆相对设置，所述活塞杆的端部铰接有触发杆，且触发杆的端部往左穿过相邻竖直挡板上端的穿杆缺口，所述触发杆上设有触动卡块。

2.根据权利要求1所述的基于无人机的水面单点漂浮式自动采集系统，其特征是，还包括设置在无人机上的升降装置，所述升降装置包括机座，可转动设置在机座上的绕线轮，卷绕在绕线轮上的牵引绳及用于转动绕线轮的驱动电机。

3.根据权利要求2所述的基于无人机的水面单点漂浮式自动采集系统，其特征是，所述机架上设有竖直导杆及浮动板，所述浮动板上设有浮动导套，且浮动导套套设在竖直导杆上，所述竖直导杆上设有上定位块及下定位块，且浮动导套位于上定位块与下定位块之间；所述牵引绳的端部与浮动导套的中部相连接；

所述触发装置还包括竖直限位杆，且竖直限位杆位于活塞杆的正上方，所述竖直限位杆的上端与浮动板相连接；当浮动导套抵靠在上定位块时，所述竖直限位杆位于环形挡板上方，当浮动导套抵靠在下定位块时，所述竖直限位杆下端与活塞杆轴线之间的间距小于环形挡板的外径；当触发杆上的触动卡块位于相应竖直挡板的右侧，且触动卡块抵靠在相应的竖直挡板的穿杆缺口边缘时，所述竖直限位杆位于环形挡板的左侧，且竖直限位杆靠近环形挡板。

4.根据权利要求1所述的基于无人机的水面单点漂浮式自动采集系统，其特征是，所述柱状阀芯的外侧面下边缘设有环形下磁力块，所述采水筒内腔的顶面上设有与环形下磁力块相对应的环形上磁力块，且所述竖直进水圆管的下端口位于环形上磁力块内。

5.根据权利要求1所述的基于无人机的水面单点漂浮式自动采集系统，其特征是，所述引信导杆的上端设有触发平板。

6.根据权利要求1所述的基于无人机的水面单点漂浮式自动采集系统，其特征是，所述采水筒呈圆柱状，且采水筒竖直设置。