CN108051246A - 无人机大面积水域水质取样系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及无人机大面积水域水质取样系统，包括机体及控制平台；机体具有控制器、定位模块、信息采集模块、障碍采集模块、图像采集装置及电源模块；定位模块、信息采集模块、障碍采集模块、图像采集装置及电源模块均与控制器电性连接和/或通信连接；机体上设置有取样装置及多个样品放置舱，所述取样装置上设置有读取装置，所述样品放置舱上设置有样品舱信息，所述读取装置用于读取所述样品舱信息打开所述样品放置舱门；控制器控制取样装置取样或测量，及将取样后的样品对应放置于样品放置舱内；控制器通过收发模块无线连接控制平台，用于发送样品信息和/或接收控制平台控制。

Description

无人机大面积水域水质取样系统

技术领域

本发明涉及无人机环保技术领域，更具体的说是涉及无人机大面积水域水质取样系统。

背景技术

随着我国经济的发展，水资源污染情况越来越严重，水资源的防治和保护也越来越受到重视，如何高效获得水质信息是水污染防治的前提，水质采样则是获取水质信息的关键环节。现有的无人机水质采样，相对于传统的人工采样和自动采样的方式，不仅具有效率高、人员安全性高等优点，而且可在复杂环境或者人船难以到达的地方采样。

由于多旋翼无人机技术基本成熟，实现水质采样无人机的关键是挂载在无人机上的水质自动采样器，在实现功能的同时尽量减轻本身的重量，提高水质采样无人机的工作时间；为了保证采样无人机的安全，自动采样装置的取水部件应具备升降功能。在申请号为201420430386.5的中国实用新型专利申请中，在取水部件吸水管的末端需要增加额外的重锤保证吸水管能下沉到水面以下，增加了整个采样装置的重量；虽然整个采样无人机装配有定高传感器，能测量无人机距离水面的高度，但是没有测量吸水管的下放长度，无法获知采样水质的深度及定深度采样的功能；另外，由于其没有设计吸水管的收管装置，在采样完成后，吸水管不能收起，会给无人机飞行带来较大的安全隐患，从而不能进行超视距采样，多点取样，取样后也无法将取样时刻内的同步信息记录下，后台处理与存储，形成长时间观察某一区域内的水样变化情况。

因此，如何提供一种克服上述问题的系统是本领域技术人员亟需解决的问题。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种无人机大面积水域水质取样系统，实现了无人机大面积水域多点取样、并将取样时刻内的同步信息记录，传给控制平台，方便后台处理与存储，形成长时间对某一区域内水样的变化检测。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

本发明提供的无人机大面积水域水质取样系统，包括机体及控制平台；

机体具有控制器、定位模块、信息采集模块、障碍采集模块、图像采集装置及电源模块；定位模块、信息采集模块、障碍采集模块、图像采集装置及电源模块均与控制器电性连接和/或通信连接；

机体上设置有取样装置及多个样品放置舱，所述取样装置上设置有读取装置，所述样品放置舱上设置有样品舱信息，所述读取装置用于读取所述样品舱信息打开所述样品放置舱门；

控制器控制取样装置取样或测量，及将取样后的样品对应放置于样品放置舱内；

控制器通过收发模块无线连接控制平台，用于发送样品信息和/或接收控制平台控制。

经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本发明公开提供了无人机大面积水域水质取样系统，由于定位模块、信息采集模块、障碍采集模块、图像采集装置及电源模块均与控制器电性连接和/或通信连接；各个模块在无人机取样时，提供定位、外界环境信息、是否有障碍物信息、实时图像采集信息等，使控制器接收到上述信息并控制取样装置实施取样或测量，及取样后放置样品进入样品放置舱，并将样品对应的信息及同步信息通过取样装置读取样品放置舱舱门信息，直接反馈给控制平台，提高了样品采集数据的及时性、全面性；本发明具有多次取样能力，并且样品放置舱分开设置，杜绝了样品的污染，保证了取样的客观性，提高了对于大面积水域水质的检测能力。

优选地，取样装置包括长度可伸缩的取样臂及长度可伸缩的测量臂，取样臂与测量臂均由控制器控制工作，且不工作状态收纳于机体底部的收纳舱内；取样臂上具有多关节功能，能够实现任意方向、任意角度的运动；测量臂与取样臂均由电机带动工作，电机与控制器电性连接。控制器可以控制取样臂单独取样工作，或者使用测量臂直接在线读取水质信息，直接反馈给控制平台。

采用此方案的有益效果为：需要取样时，通过取样臂取样，无需取样时，直接实现在线测量水质，降低了无人机的取样难度。

优选地，取样臂包括外管臂、外管臂内设置有可伸缩且可旋转的内管臂，内管臂尾部具有机械手。其中，内外管壁均采用铝镁合金制成，外壁均具有防腐漆层，不仅质量轻，强度高，而且防止取样臂被水质腐蚀；机械手的设置便于实现各种抓取动作，方便取样。

优选地，机械手掌背处设有读取装置，所述读取装置为微型摄像头；所述微型摄像头用于扫描或读取所述样品放置舱舱门的身份信息；每一个样品放置舱舱门上均设置有二维码、条形码或不同图形，微型摄像头第一次读取舱门信息为打开舱门，取样臂取样后，第二次读取对应舱门信息打开舱门，并将对应的样品信息反馈给控制器，控制器通过收发模块发送给控制平台；本发明所描述的控制平台为控制飞行器与存储数据、处理数据、在线等功能于一体的综合平台，该平台可以与网络云平台通讯。

优选地，测量臂包括外部支撑臂、外部支撑臂内设置有测量内臂，测量内臂尾部具有水质探测仪；其中，测量臂采用铝镁合金制成，外壁面具有防腐漆层；水质探测仪包括pH计与溶氧度测量仪，通过直接测量对应区域内的水质的pH值及溶氧度即可反应对应位置的水质情况。

本发明提供的无人机大面积水域水质取样系统，样品放置舱为3-5个，每一个样品放置舱内均设置有样品台，样品台用于放置样品。样品台与样品放置舱可拆卸连接，方便更换新的样品台；样品台上具有编号标识，用于后期样品的存放和检测。

优选地，样品台上设置有柱状的放置孔，放置孔与样品取样瓶适配，两者可以通过螺纹连接或者卡接，具有一定的密封功能，防止样品瓶内的水分蒸发。

优选地，样品瓶包括抓取区及取样区，抓取区与机械手适配，取样区连接抓取区；抓取区方便机械手抓起样品瓶，可以为圆柱形或者方形体。

优选地，取样区采用滤纸管或吸水棉。滤纸管能够吸附水面内的油脂层及水域监测区域内杂质；吸水棉为纯净滤棉，不仅能够储存一定的水分，同时还能够吸附油膜及杂质。取样瓶与放置孔安装密封性好，防止水分蒸发，影响样品客观性。

优选地，机体上还设置有太阳能电池板，太阳能电池板连接电源模块，太阳能电池板能够收集太阳光能，并将其转换成电能存储在电源模块内，为整个无人机供电。

本发明提供的控制平台可以为移动式远程控制车平台或其他飞行器控制平台，无人机将样品取回后，回至控制平台内，提交样品。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1附图为本发明的提供的无人机大面积水域水质取样系统中的无人机结构示意图；

图2附图为本发明的提供的无人机大面积水域水质取样系统中的无人机测量臂与取样臂伸出收纳舱的结构示意图；

图3附图为本发明的提供的无人机大面积水域水质取样系统中的无人机取样臂取出样品和/或放置样品的示意图；

图4附图为本发明的提供的无人机大面积水域水质取样系统中的无人机控制原理框图；

图5附图为本发明的提供的无人机大面积水域水质取样系统中的无人机信息采集模块框图；

图6附图为本发明的提供的无人机大面积水域水质取样系统中的无人机控制器控制取样臂与测量臂原理框图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明实施例公开了一种无人机大面积水域水质取样系统，实现了无人机大面积水域多点取样、并将取样时刻内的同步信息记录，传给控制平台，方便后台处理与存储数据，有利于长时间对某一区域内水样变化的检测。

实施例

本发明提供的无人机大面积水域水质取样系统，包括机体及控制平台；

机体具有控制器、定位模块、信息采集模块、障碍采集模块、图像采集装置及电源模块；定位模块、信息采集模块、障碍采集模块、图像采集装置及电源模块均与控制器电性连接和/或通信连接；

机体上设置有取样装置及多个样品放置舱1，所述取样装置上设置有读取装置，所述样品放置舱1上设置有样品舱信息11，所述读取装置用于读取所述样品舱信息11打开所述样品放置舱门；

控制器控制取样装置取样或测量，及将取样后的样品对应放置于样品放置舱内；

控制器通过收发模块无线连接控制平台，用于发送样品信息和/或接收控制平台控制。

本发明公开提供了无人机大面积水域水质取样系统，由于定位模块、信息采集模块、障碍采集模块、图像采集装置及电源模块均与控制器电性连接和/或通信连接；各个模块在无人机取样时，提供定位、外界环境信息、是否有障碍物信息、实时图像采集信息等，使控制器接收到上述信息并控制取样装置实施取样或测量，及取样后放置样品进入样品放置舱1，并将样品对应的信息及同步信息通过取样装置读取样品放置舱1舱门信息，反馈给控制平台，提高了样品采集数据的实时性、全面性；本发明具有多次取样能力，并且样品放置舱1分开设置，杜绝了样品的污染，保证了取样的客观性，提高了无人机对于大面积水域水质的检测能力。

有利的，取样装置包括长度可伸缩的取样臂2及长度可伸缩的测量臂3，取样臂2与测量臂3均由控制器控制工作，且不工作状态收纳于机体底部的收纳舱4内。取样臂2上具有多关节功能，能够实现任意方向、任意角度的运动；测量臂3与取样臂2均由电机带动工作，电机与控制器电性连接。控制器可以控制取样臂2单独取样工作，或者使用测量臂3直接在线读取水质信息，直接反馈给控制平台。需要取样时，通过取样臂取样，无需取样时，直接实现在线测量水质，降低了无人机的取样难度。

其中，控制器通过第一电机控制取样臂2；通过第二电机控制测量臂3。

有利的，取样臂2包括外管臂、外管臂内设置有可伸缩且可旋转的内管臂，内管臂尾部具有机械手21。其中，内外管壁均采用铝镁合金制成，外壁均具有防腐漆层，不仅质量轻，强度高，而且防止取样臂被水质腐蚀；机械手21的设置便于实现各种抓取动作，方便取样。

有利的，机械手21掌背处设有微型摄像头211；样品放置舱1舱门上有可识别样品舱信息11，微型摄像头211用于扫描或读取舱门的身份信息。每一个样品放置舱1舱门上均设置有二维码、条形码或不同图形，微型摄像头211第一次读取舱门信息为打开舱门，取样臂2取样后，第二次读取对应舱门信息打开舱门，并将对应的样品信息反馈给控制器，控制器发送给控制平台；本发明所描述的控制平台为控制飞行器与存储数据、处理数据、在线等功能于一体的综合平台。

有利的，测量臂3，包括外部支撑臂、外部支撑臂内设置有测量内臂，测量内臂尾部具有水质探测仪31；水质探测仪31包括pH计与溶氧度测量仪，通过直接测量对应区域内的水质的pH值及溶氧度即可反应对应位置的水质情况。

本发明提供的无人机大面积水域水质取样系统，样品放置舱1为3-5个，每一个样品放置舱1内均设置有样品台5，样品台用于放置样品。样品台5与样品放置舱1可拆卸连接，方便更换新的样品台5；样品台5上具有编号标识，用于后期样品的存放和检测。

有利的，样品台5上设置有柱状的放置孔，放置孔与样品取样瓶6适配，两者可以通过螺纹连接或者卡接，具有一定的密封功能，防止样品瓶6内的水分蒸发。

有利的，样品瓶6包括抓取区61及取样区62，抓取区61与机械手21适配，取样区62连接抓取区61；抓取区61方便机械手21抓起样品瓶6，可以为圆柱形或者方形体。

有利的，取样区62采用滤纸管或吸水棉。滤纸管能够吸附水面内的油脂层及水域监测区域内杂质；吸水棉为纯净滤棉，不仅能够储存一定的水分，同时还能够吸附油膜及杂质。取样瓶6与放置孔安装密封性好，防止水分蒸发，影响样品客观性。

更有利的，机体上还设置有太阳能电池板，太阳能电池板连接电源模块，太阳能电池板能够收集太阳光能，并将其转换成电能存储在电源模块内，为整个无人机供电。本发明提供的控制平台可以为移动式远程控制车平台或其他飞行器控制平台，无人机将样品取回后，回至控制平台内，提交样品。

本发明提供的无人机大面积水域水质取样系统，具体工作过程如下：

无人机到达指定海域进行取样或者测量工作；当区域内水质仅需要测量时，无人机通过控制平台到指定目标点，控制器收集测量样品时刻的的环境信息（温湿度）、风速、海域是否有大浪，是否有障碍物，采集时时画面信息等信息反馈给控制器，控制器根据程序指令判断能否进行测量，如能够进行测量，测量臂在电机的驱动下伸长，进入水内，测量深度由控制器控制测量臂伸长，测量臂尾部的探测仪，将实时测量数据反馈给控制器，由收发模块发送给控制平台；如需重复测量，控制平台反馈重复测量指令，完成单点多次测量任务；或者单点测量后，飞至下一目标位置，继续测量或取样。

如需取样时，控制器控制电机使取样臂伸长、旋转，先利用机械手掌背上的微型摄像头读取第一舱门信息，打开舱门，取出取样瓶，取样瓶拿出后舱门自动关闭，机械手抓取取样瓶的抓取区进入水内取样，取样后通过二次扫描对应的舱门标识才能打开舱门，使样品具有唯一的ID，并将对应数据反馈给控制器经收发模块发送给控制平台；然后进行下一目标点的取样或测量。

本发明样品放置区舱室具有3-5个，可实现多次连续取样，并且样品区分开，防止污染样品；同时由于具有在线测量功能，能够将实时测量数据直接反馈给控制平台，非常便捷。本发明通过无人机的机械结构设置及与控制平台远程连接，实现了对大面积水域水质的在线测量或取样，后台存储数据及对数据进一步处理，长期累积，实现了对某一区域内水质的连续监测，达到了预防水污染的目的。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (10)

1.无人机大面积水域水质取样系统，其特征在于，包括机体及控制平台；所述机体具有控制器、定位模块、信息采集模块、障碍采集模块、图像采集装置及电源模块；

所述定位模块、所述信息采集模块、所述障碍采集模块、所述图像采集装置及所述电源模块均与所述控制器电性连接和/或通信连接；

所述机体上设置有取样装置及多个样品放置舱，所述取样装置上设置有读取装置，所述样品放置舱上设置有样品舱信息，所述读取装置用于读取所述样品舱信息打开所述样品放置舱门；

所述控制器控制所述取样装置取样或测量，及将取样后的样品对应放置于所述样品放置舱内；

所述控制器通过收发模块无线连接所述控制平台，用于发送样品信息和/或接收所述控制平台控制。

2.根据权利要求1所述的无人机大面积水域水质取样系统，其特征在于，所述取样装置包括长度可伸缩的取样臂及长度可伸缩的测量臂，所述取样臂与所述测量臂均由所述控制器控制工作，且不工作状态收纳于所述机体底部的收纳舱内。

3.根据权利要求2所述的无人机大面积水域水质取样系统，其特征在于，所述取样臂包括外管臂、所述外管臂内设置有可伸缩且可旋转的内管臂，所述内管臂尾部具有机械手。

4.根据权利要求3所述的无人机大面积水域水质取样系统，其特征在于，所述机械手掌背处设有读取装置，所述读取装置为微型摄像头；所述微型摄像头用于扫描或读取所述样品放置舱舱门的身份信息。

5.根据权利要求2所述的无人机大面积水域水质取样系统，其特征在于，所述测量臂，包括外部支撑臂、所述外部支撑臂内设置有测量内臂，所述测量内臂尾部具有水质探测仪。

6.根据权利要求1-5任一项所述的无人机大面积水域水质取样系统，其特征在于，所述样品放置舱为3-5个，每一个所述样品放置舱内均设置有样品台，所述样品台用于放置样品。

7.根据权利要求6所述的无人机大面积水域水质取样系统，其特征在于，所述样品台上设置有柱状的放置孔，所述放置孔与样品取样瓶适配。

8.根据权利要求7所述的无人机大面积水域水质取样系统，其特征在于，所述样品瓶包括抓取区及取样区，所述抓取区与所述机械手适配，所述取样区连接所述抓取区。

9.根据权利要求8所述的无人机大面积水域水质取样系统，其特征在于，所述取样区采用滤纸管或吸水棉。

10.根据权利要求1-5、7-9任一项所述的无人机大面积水域水质取样系统，其特征在于，所述机体上还设置有太阳能电池板，所述太阳能电池板连接所述电源模块。