CN109000982A - 一种无人机平台水面取样装置、系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种无人机平台水面取样装置、系统及方法，通过地面控制终端给定无人机在水面待采样点的经度、维度和悬停高度，确定无人机的起始位置和悬停点的距离；无人机接收飞行指令并根据飞行指令前往至采样点；根据地面控制终端接收的无人机实时位置坐标，获取无人机实时位置与采样点距离，当无人机到达采样点后下降至悬停高度进行定点悬停；对取样的采集管进行展开，采集管伸入采样点的水体内部进行水体取样；取样完毕，电磁阀和负压泵关闭，采集管收卷，无人机返航。本发明适用于水域情况比较复杂或者禁止入内的地区进行水取样工作，能到达指定水域上空悬停，执行水取样作业，并返回陆地由水质检测人员对该水样品进行水质化验。

Description

一种无人机平台水面取样装置、系统及方法

技术领域

本发明涉及一种无人机平台水面取样装置、系统及方法，特别是涉及一种环保监测用无人机水面定点取样装置、系统及方法。

背景技术

无人机是利用无线电遥控设备和自备的程序控制装置操纵的不载人飞行器。民用领域中，无人机广泛应用在城市管理、农业、地质、气象、电力、抢险救灾、视频拍摄等行业。随着环境污染越来越严重，环境监测技术也变得尤为重要，其中最重要的一项工作就是对水质的监测。目前我国的水质监测领域主要依靠人工监测和无人船监测以及用卫星进行遥感拍摄来完成，人工监测需要实地采样，周期长，工作效率低，需要消耗大量人力物力；无人船监测在水面受到严重污染或有大量漂浮物时也会使无人船受到阻碍和污染，在水域环境上有一定的局限性；卫星遥感拍摄分辨率比较低，受大气影响比较严重。现有的监测手段大多停留在肉眼观察或借助人工取样后再进行仪器化验方式。但是在一些水域情况比较复杂或者禁止入内的地区，无法实现人为取样。

发明内容

本发明针对现有技术存在的不足，提供一种无人机平台水面取样装置、系统及方法，可以在一些水域情况比较复杂或者禁止入内的地区，进行水取样的工作，可以到达指定水域上空悬停，执行该区域的水取样作业，之后返回陆地由水质检测人员对该水样品进行水质化验。

本发明解决上述技术问题的技术方案如下：一种无人机平台水面取样装置，所述取样装置包括控制器、电磁阀、导水管、收集容器、负压泵、采集管和收卷电机；所述控制器与所述电磁阀建立连接关系，所述电磁阀连接在所述导水管上；所述导水管连接在所述收集容器和负压泵之间；所述负压泵连接所述采集管；所述采集管一端连接所述负压泵，采集管缠绕在所述收卷电机上；所述收卷电机与所述控制器建立连接关系，收卷电机用于驱动所述采集管展开或收卷。

如上所述的一种无人机平台水面取样装置，所述采集管末端设有配重体，配重体位于采集管末端管口的外围。采集管采用韧性好能够收卷的低密度高压聚乙烯软管，配重体使采集管末端下垂，方便进入水面以下进行取水操作。

如上所述的一种无人机平台水面取样装置，所述收集容器呈圆筒状，收集容器采用有机玻璃材质。收集容器用于对采集管采集的水样进行存储。

本发明还提供一种无人机平台水面取样系统，所述取样系统包括取样装置和地面控制终端，所述取样装置与所述地面控制终端建立连接关系，所述取样装置包括控制器、水体取样模块、水管收卷模块、无线通信模块和卫星定位模块；所述水体取样模块与所述控制器连接，水体取样模块用于进行水体取样，水体取样模块配置有电磁阀和负压泵；所述水管收卷模块与所述控制器连接，水管收卷模块用于对取样的采集管进行展开或收卷，水管收卷模块配置有收卷电机；所述无线通信模块与所述控制器连接，无线通信模块用于取样装置与所述地面控制终端进行数据通信；所述卫星定位模块与所述控制器连接，卫星定位模块用于为取样装置提供位置坐标。

如上所述的一种无人机平台水面取样系统，所述取样系统还包括视频采集模块，所述视频采集模块与所述控制器连接，视频采集模块用于采集水面定点取样过程中的环境信息。无人机飞行时，视频采集模块搭载的高清相机，可实现高清晰全景影像，地面站操控人员可全方位实时的掌握周围环境。

如上所述的一种无人机平台水面取样系统，所述取样系统还包括数据分析模块，所述数据分析模块与所述地面控制终端建立连接关系，数据分析模块用于根据地面控制终端接收的无人机实时位置坐标获取无人机实时位置与采样点距离。在已知无人机实时位置坐标和采样点坐标的前提下，根据现有的已知两点坐标求两点距离公式可以获得无人机实时位置与采样点距离。

本发明还提供一种无人机平台水面取样方法，所述取样方法采用上述的取样装置，通过上述的取样系统实现，所述取样方法包括以下步骤：

步骤一：通过地面控制终端给定无人机在水面待采样点的经度、维度和悬停高度，确定无人机的起始位置和悬停点的距离；

步骤二：无人机接收飞行指令并根据飞行指令前往至采样点，卫星定位模块实时获取无人机的位置信息并通过无线传输模块发送到地面控制终端；

步骤三：数据分析模块根据地面控制终端接收的无人机实时位置坐标，获取无人机实时位置与采样点距离，当无人机到达采样点后下降至悬停高度进行定点悬停；

步骤四：水管收卷模块对取样的采集管进行展开，采集管伸入采样点的水体内部，水体取样模块的电磁阀和负压泵启动进行水体取样；

步骤五：取样完毕，水体取样模块的电磁阀和负压泵关闭停止水体取样，控制器控制水管收卷模块对取样的采集管进行收卷，无人机返航。

如上所述的一种无人机平台水面取样方法，所述步骤二、步骤三、步骤四和步骤五中，无人机通过视频采集模块采集水面定点取样过程中的环境信息，所述环境信息包括无人机往返途中和悬停后采用过程中的视频信息。

如上所述的一种无人机平台水面取样方法，所述步骤四中，水体取样模块的电磁阀和负压泵启动后将取样的水体输送到收集容器内部，收集容器通过无人机的机械臂固定。

本发明的有益效果是：可以根据指令到达指定水域上空悬停，然后执行该区域的水取样作业，并返回陆地由水质检测人员对该水样品进行水质化验。只需要陆地操控人员，可以在一些水域情况比较复杂或者禁止入内的地区，进行水取样的工作，取样装置具有体积小、造价低、使用方便、对环境要求低、生存能力强等优点，可以完全取代传统的人工水取样方式。

附图说明

图1为一种无人机平台水面取样装置结构示意图；

图2为一种无人机平台水面取样系统示意图；

图3为一种无人机平台水面取样方法流程图。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明。但是本发明能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似改进，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施方式的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“和/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

如图1所示，一种无人机平台水面取样装置，所述取样装置包括控制器1、电磁阀2、导水管3、收集容器4、负压泵5、采集管6和收卷电机7；所述控制器1与所述电磁阀2建立连接关系，所述电磁阀2连接在所述导水管3上；所述导水管3连接在所述收集容器4和负压泵5之间；所述负压泵5连接所述采集管6；所述采集管6一端连接所述负压泵5，采集管6缠绕在所述收卷电机7上；所述收卷电机7与所述控制器1建立连接关系，收卷电机7用于驱动所述采集管6展开或收卷。

一种无人机平台水面取样装置的一个实施例中，所述采集管6末端设有配重体8，配重体8位于采集管6末端管口的外围。采集管6采用韧性好能够收卷的低密度高压聚乙烯软管，配重体8使采集管6末端下垂，方便进入水面以下进行取水操作。所述收集容器4呈圆筒状，收集容器4采用有机玻璃材质。收集容器4用于对采集管6采集的水样进行存储。

参见图2，本发明还提供一种无人机平台水面取样系统，所述取样系统包括取样装置和地面控制终端14，所述取样装置与所述地面控制终端14建立连接关系，所述取样装置包括控制器1、水体取样模块9、水管收卷模块10、无线通信模块11和卫星定位模块12；所述水体取样模块9与所述控制器1连接，水体取样模块9用于进行水体取样，水体取样模块9配置有电磁阀2和负压泵5；所述水管收卷模块10与所述控制器1连接，水管收卷模块10用于对取样的采集管6进行展开或收卷，水管收卷模块10配置有收卷电机7；所述无线通信模块11与所述控制器1连接，无线通信模块11用于取样装置与所述地面控制终端14进行数据通信；所述卫星定位模块12与所述控制器1连接，卫星定位模块12用于为取样装置提供位置坐标。

一种无人机平台水面取样系统的一个实施例中，所述取样系统还包括视频采集模块13，所述视频采集模块13与所述控制器1连接，视频采集模块13用于采集水面定点取样过程中的环境信息。无人机飞行时，视频采集模块13搭载的高清相机，可实现高清晰全景影像，地面站操控人员可全方位实时的掌握周围环境。

一种无人机平台水面取样系统的一个实施例中，所述取样系统还包括数据分析模块15，所述数据分析模块15与所述地面控制终端14建立连接关系，数据分析模块15用于根据地面控制终端14接收的无人机实时位置坐标获取无人机实时位置与采样点距离。在已知无人机实时位置坐标和采样点坐标的前提下，根据现有的已知两点坐标求两点距离公式可以获得无人机实时位置与采样点距离。比如已知点A(x1、y1、z1)，B(x2、y2、z2)，则AB两点的距离为：

一种无人机平台水面取样系统通过取样装置进行取样时，首先在地面控制终端14中设置好具体采样点，包括经度、纬度和水面的悬停高度；计算好起始点和悬停点的距离。将指令传输到无人机，无人机自动起飞，飞行至采样点，下降至采样高度，定点悬停；无人机的收卷电机7启动，将采集管6释放到水面下的位置，控制器1控制负压泵5工作，同时控制打开导水管3上的电磁阀2，采集管6采集的水样通过负压泵5输送到收集容器4中进行存储，取样完毕，负压泵5停止工作，电磁阀2关闭，收卷电机7将采集管6收卷起来，然后无人机返航。无人机飞行时，视频采集模块13搭载的高清相机，可实现高清晰全景影像，地面站操控人员可全方位实时的掌握周围环境。本发明借助无人机平台，通过远程控制实现对监测水域的定点采样，可以完全取代传统的人工取样方式，使水取样变得更快捷、高效和智能。

参见图3，本发明还提供一种无人机平台水面取样方法，所述取样方法采用上述的取样装置，通过上述的取样系统实现，所述取样方法包括以下步骤：

S1：通过地面控制终端给定无人机在水面待采样点的经度、维度和悬停高度，确定无人机的起始位置和悬停点的距离；

S2：无人机接收飞行指令并根据飞行指令前往至采样点，卫星定位模块实时获取无人机的位置信息并通过无线传输模块发送到地面控制终端；

S3：数据分析模块根据地面控制终端接收的无人机实时位置坐标，获取无人机实时位置与采样点距离，当无人机到达采样点后下降至悬停高度进行定点悬停；

S4：水管收卷模块对取样的采集管进行展开，采集管伸入采样点的水体内部，水体取样模块的电磁阀和负压泵启动进行水体取样；

S5：取样完毕，水体取样模块的电磁阀和负压泵关闭停止水体取样，控制器控制水管收卷模块对取样的采集管进行收卷，无人机返航。

一种无人机平台水面取样方法中，所述S2、S3、S4和S5中，无人机通过视频采集模块采集水面定点取样过程中的环境信息，所述环境信息包括无人机往返途中和悬停后采用过程中的视频信息。所述S4中，水体取样模块的电磁阀和负压泵启动后将取样的水体输送到收集容器内部，收集容器通过无人机的机械臂固定。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (9)

1.一种无人机平台水面取样装置，其特征在于：所述取样装置包括控制器、电磁阀、导水管、收集容器、负压泵、采集管和收卷电机；所述控制器与所述电磁阀建立连接关系，所述电磁阀连接在所述导水管上；所述导水管连接在所述收集容器和负压泵之间；所述负压泵连接所述采集管；所述采集管一端连接所述负压泵，采集管缠绕在所述收卷电机上；所述收卷电机与所述控制器建立连接关系，收卷电机用于驱动所述采集管展开或收卷。

2.根据权利要求1所述的一种无人机平台水面取样装置，其特征在于：所述采集管末端设有配重体，配重体位于采集管末端管口的外围。

3.根据权利要求1所述的一种无人机平台水面取样装置，其特征在于：所述收集容器呈圆筒状，收集容器采用有机玻璃材质。

4.一种无人机平台水面取样系统，其特征在于：所述取样系统包括取样装置和地面控制终端，所述取样装置与所述地面控制终端建立连接关系，所述取样装置包括控制器、水体取样模块、水管收卷模块、无线通信模块和卫星定位模块；所述水体取样模块与所述控制器连接，水体取样模块用于进行水体取样，水体取样模块配置有电磁阀和负压泵；所述水管收卷模块与所述控制器连接，水管收卷模块用于对取样的采集管进行展开或收卷，水管收卷模块配置有收卷电机；所述无线通信模块与所述控制器连接，无线通信模块用于取样装置与所述地面控制终端进行数据通信；所述卫星定位模块与所述控制器连接，卫星定位模块用于为取样装置提供位置坐标。

5.根据权利要求4所述的一种无人机平台水面取样系统，其特征在于：所述取样系统还包括视频采集模块，所述视频采集模块与所述控制器连接，视频采集模块用于采集水面定点取样过程中的环境信息。

6.根据权利要求4所述的一种无人机平台水面取样系统，其特征在于：所述取样系统还包括数据分析模块，所述数据分析模块与所述地面控制终端建立连接关系，数据分析模块用于根据地面控制终端接收的无人机实时位置坐标获取无人机实时位置与采样点距离。

7.一种无人机平台水面取样方法，所述取样方法采用如权利要求1至3任一项所述的取样装置，通过如权利要求4至6任一项所述的取样系统实现，其特征在于：所述取样方法包括以下步骤：

步骤一：通过地面控制终端给定无人机在水面待采样点的经度、维度和悬停高度，确定无人机的起始位置和悬停点的距离；

步骤二：无人机接收飞行指令并根据飞行指令前往至采样点，卫星定位模块实时获取无人机的位置信息并通过无线传输模块发送到地面控制终端；

步骤三：数据分析模块根据地面控制终端接收的无人机实时位置坐标，获取无人机实时位置与采样点距离，当无人机到达采样点后下降至悬停高度进行定点悬停；

步骤四：水管收卷模块对取样的采集管进行展开，采集管伸入采样点的水体内部，水体取样模块的电磁阀和负压泵启动进行水体取样；

步骤五：取样完毕，水体取样模块的电磁阀和负压泵关闭停止水体取样，控制器控制水管收卷模块对取样的采集管进行收卷，无人机返航。

8.根据权利要求1所述的一种无人机平台水面取样方法，其特征在于：所述步骤二、步骤三、步骤四和步骤五中，无人机通过视频采集模块采集水面定点取样过程中的环境信息，所述环境信息包括无人机往返途中和悬停后采用过程中的视频信息。

9.根据权利要求1所述的一种无人机平台水面取样方法，其特征在于：所述步骤四中，水体取样模块的电磁阀和负压泵启动后将取样的水体输送到收集容器内部，收集容器通过无人机的机械臂固定。