CN110979677A - 一种多区域空气采集一体化无人机及工作方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于空气采集检测技术，为多区域空气采集一体化无人机及工作方法，包括主机身、控制器及多个采集装置，每个采集装置包括集气管、吸气管、云台、第一微型气泵、用于排气的第一输气管、第二微型气泵和用于吸气的第二输气管；第二微型气泵与第一输气管连接；每个采集装置中的集气管同时构成无人机的空心机臂，集气管内通过转盘分成多个采集单元，转盘的旋转角度可控使转盘处于打开或关闭状态；云台与集气管相连；第一微型气泵为吸气泵，吸气管靠近主机身的一端与第二输气管连接，安装在云台上；吸气管通过以云台为球心、其自身长度为球半径的球面运动执行空气采集任务。本发明可实现对待测区域空气样本的快速和定点收集。

Description

一种多区域空气采集一体化无人机及工作方法

技术领域

本发明涉及空气采集检测技术，具体涉及一种多区域空气采集一体化无人机及工作方法。

背景技术

随着人类文明的发展，我们越来越关注到人与自然和谐发展的重要性，对空气质量的关注度也与日递增。空气采集是研究空气质量和安全的一个重要手段。当前国内对于空气采集的范围集中于低空领域，同时运用的方法通常为直接采样法(如：注射器采样、塑料袋采样、采气管采样等)和富集采样法(溶液洗吸收法等)，不仅采集效率低，且空气样品的采集范围有限。

在土壤分析、肥料农业的靶向施用、风暴追踪、安全监测、污染控制以及空气监测等领域，无人机均有用武之地。无人机是科技行业的发展趋向，具有快捷、安全和灵活等优良特点。在国内，无人机应用于多个领域，如航拍、国土安全和建筑行业等，越来越多的无人机投入到了生产行业，大大提高了生产水平，但是无人机运用于空气的采集案例比较少。

在农业生产领域，有研究表明一些普通植物病原体传播的距离比人类以前所认为的还要远，若能将种植地高空的空气收集起来研究，以此察觉、监视、预测和控制病原体的传播，则可以避免大范围植物病害现象的发生；在气象变化方面，收集起来的高空空气样本可用于预测近期天气的变化情况；在空气质量安全方面，若在被不法分子排放毒气的高空领域内采集空气样本，将能掌控犯罪证据；在环境保护方面，若在指定检测的危险高空领域(如工业区烟囱的上空等)实行多点空气的收集，将可以达到察觉、监视污染气体的排放和阻止空气污染的程度，避免污染空气进一步扩散而给人类带来不必要危害；在科学研究方面，将收集到的空气样本送到实验室，对其构成成分进行分析，可实现对空气构成的更深认知。

然而，目前大多数的空气检测范围仅仅停留于距离地面的数十米内，而通过使用无人机，会有一个更优的途径去探索这个更广阔的大气领域。

发明内容

为了克服现有空气收集方案的不足，本发明提供一种多区域空气采集一体化无人机及工作方法，通过将采集装置和无人机机臂的融合，完成高空多点空气连续采集的任务；除了扩展目前气体采集的样本空间之外，还结合无人机航线规划及GPS定位功能，远程控制无人机机臂上微型气泵的开启、关闭及机臂内转盘的工作等，可实现对待测区域空气样本的快速和定点收集，具有灵活快捷、易操控的特点。

根据本发明的多区域空气采集一体化无人机，包括主机身、控制器及采集装置，控制器与主机身固定连接；

采集装置设有多个，每个采集装置均包括集气管、吸气管、云台、第一微型气泵、用于排气的第一输气管、第二微型气泵和用于吸气的第二输气管；第二微型气泵与第一输气管连接，用于将集气管内空气抽出；

每个采集装置中的集气管同时构成无人机的空心机臂，集气管内通过转盘分成多个采集单元，转盘的旋转角度可控使转盘处于打开或关闭状态；集气管远离主机身的一端通过两根通气管分别与第一输气管、第二输气管连接；云台位于空心机臂的延伸线上，与集气管相连；第一微型气泵为吸气泵且安装在吸气管远离主机身的一端；吸气管靠近主机身的一端与第二输气管连接，并安装在云台上；吸气管根据控制器所发出的指令，通过以云台为球心、其自身长度为球半径的球面运动执行空气采集任务。

优选地，所述吸气管采用最低耗能的方式工作：吸气工作开始，当工作的吸气管在垂直无人机机身的面上旋转，与水平面形成一个角度为β的角时，与工作的吸气管成轴对称的吸气管相应地也在垂直无人机机身的面上旋转，与水平面形成一个角度为-β的角，其余不工作的吸气管与无人机主机身保持在同一水平面上。

集气管远离主机身的一端固定有无人机的旋翼，旋翼所处位置离集气管末端的距离为L；两根通气管的长度均小于L。

本发明多区域空气采集一体化无人机的工作方法基于上述无人机，所述多个采集单元被转盘分成1号、2号、3号……n号采集单元，n为自然数，所述工作方法包括如下步骤：

步骤S1、当两个微型气泵接收到工作信息时，第二微型气泵和第一微型气泵同时开始工作，转盘为打开状态，集气管内的多个采集单元连通；第二微型气泵通过第一输气管将集气管内空气抽出，第一微型气泵通过吸气管和第二输气管将空气吸进集气管内；

步骤S2、无人机接收控制器的信号到达第一个任务点，吸气管通过以云台为球心、其自身长度为球半径的球面运动执行空气采集任务；

步骤S3、第二微型气泵和第一微型气泵停止工作，控制用于分隔1号采集单元和2号采集单元的转盘旋转，将转盘关闭，以将1号采集单元和2号采集单元分隔开，此时1号采集单元所收集的空气定义为第一个任务点的空气；

步骤S4、无人机接收控制器的信号到达第二个任务点，重复步骤S2，将除去1号采集单元的剩余空间空气更新成为第二个任务点的空气，然后控制用于分隔2号采集单元和3号采集单元的转盘旋转，将转盘关闭，以将2号采集单元和3号采集单元分隔开，此时2号采集单元所收集的空气定义为第二个任务点的空气；

步骤S5、无人机接收控制器的信号到达下一个任务点，采用步骤S4所述方式实现多个任务点的空气采集。

优选地，所述工作方法还包括以下无人机航线的控制过程：

步骤T1、将任务数据输入到控制器，调试好无人机的工作性能后起飞；

步骤T2、到达第一个任务点后，和1号地面站进行信息的交互，无人机悬停，采集装置开始工作，将1号采集单元内空气定义为第一任务点空气；

步骤T3、接收控制器的信号后，到达第二任务点，和2号地面站进行信息的实时交互，无人机悬停，采集装置开始工作，将2号采集单元内空气定义为第二任务点空气；

步骤T4、采用步骤T2的工作方式对后续任务点进行气体采集；实现全部任务点的空气采集之后，无人机返航。

本发明与现有技术相比具有以下的有益效果：

1、在收集空气样本的空间上，本发明不仅能够对低空或者地面的空气进行收集，同时在可控制的范围内，还可前往人类无法到达的高空领域进行空气的收集；

2、在空气收集的过程中，本发明无人机可以在提前设置航线的情况下，实现多个样品点的定点空气收集，具有高效率的特点；

3、在定点收集的空气样品中，收集的样品空间不仅仅在一个水平面上，还可针对围绕无人机的曲面收集空气；

4、本发明中的空气收集容器创新性地和无人机机臂融合，实现结构的最大利用。无人机的空心机臂管内被分割成几个采集单元，很大程度地提升了收集任务点的数量；

5、本发明无人机的成本低，易操控，易携带，具有更高的性价比。

附图说明

图1是多区域空气采集一体化无人机的整体结构示意图；

图2是多区域空气采集一体化无人机的俯视图；

图3是多区域空气采集一体化无人机的正视图/侧视图；

图4是空心机臂(即集气管)的结构示意图；

图5是控制装置结构示意图；

图6是采集装置零件的结构示意图；

图7是集气管内部双层紧贴优弧转盘的结构示意图；

图中：1-主机身；2-采集装置；3-控制装置；4-飞控装置；5-集气管(空心机臂)；6-双层紧贴优弧转盘；7-舵机；8-第一输气管(用于排气、集气管和主机身微型气泵相连)；9-无人机旋翼；10-云台；11-吸气管；12-第一微型气泵(位于吸气管上)；13-控制器；14-螺丝(微型气泵和主机身的螺丝)；15-采集单元；16-扁平钢片；17-螺丝(扁平钢片和集气管的螺丝)；18-第二微型气泵(位于机身中央)；19-气阀；20-第二输气管(用于吸气管和集气管相连)；21-通气管(集气管末端和输气管相连的突起管状体)。

具体实施方式

下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。

实施例

如图1-7所示，本实施例的多区域空气采集一体化无人机，包括主机身1、控制装置3、多个采集装置2、飞控装置4。主机身1由普通无人机构成，与普通四轴或六轴无人机相似；控制装置3主要包括控制器13，此控制器和普通无人机控制器相似，通过魔术贴或者螺丝固定在无人机主机身的下方。采集装置2包括集气管5、吸气管11、云台10、第一微型气泵12、、用于排气的第一输气管8、第二微型气泵18和用于吸气的第二输气管20；其中，第二微型气泵18通过螺丝14固定在主机身1内，与第一输气管8连接，用于将集气管5内空气抽出。

每个采集装置2中的集气管同时构成无人机的空心机臂，空心机臂内通过双层紧贴优弧转盘6分成多个采集单元15，从靠近主机身一端开始编号，分别为1号、2号、3号……n号采集单元，n为自然数，双层紧贴优弧转盘6由安装在转盘上的舵机7控制旋转的角度。集气管5靠近主机身的一端密封，远离主机身的一端通过两根通气管分别与第一输气管8、第二输气管20连接，然后与外界进行气体交换。

采集装置2中的云台10位于无人机机臂的延伸线上，通过扁平钢片16与集气管5相连，扁平钢片16与集气管通过螺丝17固定。第一微型气泵12为吸气泵，吸气管11与第一微型气泵12之间通过气阀19连接，并且通过安装在吸气管远离主机身一端的微型气泵12，从机体外将空气吸进机体内。吸气管11靠近主机身的一端通过热熔胶与第二输气管20连接，并安装在云台上。吸气管11根据控制装置所发出的指令，通过以云台为球心、其自身长度为球半径的球面运动执行空气采集任务。

本实施例中设计了一种吸气管的最低耗能工作方式：吸气工作开始，当工作的吸气管在垂直无人机机身的面上旋转，与水平面形成一个角度为β的角时(以工作的吸气管的旋转角度为正)，与工作的吸气管成轴对称的吸气管相应地也在垂直无人机机身的面上旋转，与水平面形成一个角度为-β的角，其余不工作的吸气管与无人机主机身保持在同一水平面上，使整个机体所受平均合力最小，耗能最低。上述工作吸气管的旋转角度仅为举例说明，β可以为与任意平面形成大于-360°且小于360°的角，即-360°＜β＜360°。

无人机旋翼9固定于集气管5远离主机身的一端，旋翼所处位置离集气管末端的距离为L。通气管21为集气管末端和输气管相连的突起管状体，设置有两根，两根通气管21的长度分别都小于L，旋翼与集气管之间通过柱子焊接在一起，用于吸气的第二输气管20由下接入通气管，用于排气的第一输气管8由上接入通气管，以避免输气管对旋翼工作造成干扰。

可见，本发明在每个机臂远离主机身的一端装上微型气泵，将无人机机臂作为吸气管和空气集气管；利用舵机控制转盘旋转，将每个机臂分隔成多个可连通的采集单元；加装云台使吸气管可以任意角度旋转；同时结合无人机航线规划及GPS定位和地面站的实时信息交互功能，远程控制无人机的工作，实现对待测区域空气样本快速、多样和定点的采集。

本实施例中无人机采集气体的工作方法，包括如下步骤：

步骤S1、当两个微型气泵接收到工作信息时，第二微型气泵18和第一微型气泵12同时开始工作，此时双层紧贴优弧转盘6为打开状态，集气管内的多个采集单元15连通。第二微型气泵18通过安插在集气管末端的第一输气管8将集气管内空气抽出，第一微型气泵12通过吸气管11和安插在集气管末端的第二输气管20将空气吸进集气管内。此时两个微型气泵同时工作时，将空心机臂(即集气管)内的空气更新。

步骤S2、无人机接收控制器的信号到达第一个任务点，吸气管11通过以云台为球心、其自身长度为球半径的球面运动执行空气采集任务，此球面运动路径随吸气管11的倾斜角度和云台控制的旋转角度而改变。

步骤S3、上述工作结束后，第二微型气泵18和第一微型气泵12停止工作，舵机控制用于分隔1号采集单元和2号采集单元的双层紧贴优弧转盘旋转，将双层紧贴优弧转盘关闭，以将1号采集单元和2号采集单元分隔开，此时1号采集单元所收集的空气定义为第一个任务点的空气。

步骤S4、无人机接收控制器的信号到达第二个任务点，重复步骤S2，将除去1号采集单元的剩余空间空气更新成为第二个任务点的空气，然后舵机控制用于分隔2号采集单元和3号采集单元的双层紧贴优弧转盘旋转，将双层紧贴优弧转盘关闭，以将2号采集单元和3号采集单元分隔开，此时2号采集单元所收集的空气定义为第二个任务点的空气。

步骤S5、无人机接收控制器的信号到达下一个任务点，采用步骤S4所述方式实现多个任务点的空气采集。

本实施例中对无人机航线的控制过程如下：

步骤T1、将任务数据输入到控制器，调试好无人机的工作性能后起飞；

步骤T2、到达第一个任务点后，和1号地面站进行信息的交互，无人机悬停，采集装置开始工作，如采集气体的工作方法所述，将1号采集单元内空气定义为第一任务点空气；

步骤T3、接收控制器的信号后，到达第二任务点，和2号地面站进行信息的实时交互，无人机悬停，采集装置开始工作，如采集气体的工作方法所述，将2号采集单元内空气定义为第二任务点空气；

步骤T4、采用步骤T2的工作方式对后续任务点进行气体采集；实现全部任务点的空气采集之后，无人机返航。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种多区域空气采集一体化无人机，其特征在于，包括主机身、控制器及采集装置，控制器与主机身固定连接；

采集装置设有多个，每个采集装置均包括集气管、吸气管、云台、第一微型气泵、用于排气的第一输气管、第二微型气泵和用于吸气的第二输气管；第二微型气泵与第一输气管连接，用于将集气管内空气抽出；

每个采集装置中的集气管同时构成无人机的空心机臂，集气管内通过转盘分成多个采集单元，转盘的旋转角度可控使转盘处于打开或关闭状态；集气管远离主机身的一端通过两根通气管分别与第一输气管、第二输气管连接；云台位于空心机臂的延伸线上，与集气管相连；第一微型气泵为吸气泵且安装在吸气管远离主机身的一端；吸气管靠近主机身的一端与第二输气管连接，并安装在云台上；吸气管根据控制器所发出的指令，通过以云台为球心、其自身长度为球半径的球面运动执行空气采集任务。

2.根据权利要求1所述的多区域空气采集一体化无人机，其特征在于，所述吸气管采用最低耗能的方式工作：吸气工作开始，当工作的吸气管在垂直无人机机身的面上旋转，与水平面形成一个角度为β的角时，与工作的吸气管成轴对称的吸气管相应地也在垂直无人机机身的面上旋转，与水平面形成一个角度为-β的角，其余不工作的吸气管与无人机主机身保持在同一水平面上。

3.根据权利要求2所述的多区域空气采集一体化无人机，其特征在于，所述β的取值范围为：-360°＜β＜360°。

4.根据权利要求1所述的多区域空气采集一体化无人机，其特征在于，集气管远离主机身的一端固定有无人机的旋翼，旋翼所处位置离集气管末端的距离为L；两根通气管的长度均小于L。

5.根据权利要求1所述的多区域空气采集一体化无人机，其特征在于，通气管为集气管末端和第一输气管、第二输气管相连的突起管状体。

6.根据权利要求1所述的多区域空气采集一体化无人机，其特征在于，用于吸气的第二输气管由下接入通气管，用于排气的第一输气管由上接入通气管。

7.根据权利要求1所述的多区域空气采集一体化无人机，其特征在于，所述吸气管与第一微型气泵之间通过气阀连接。

8.基于权利要求1所述多区域空气采集一体化无人机的工作方法，其特征在于，所述多个采集单元被转盘分成1号、2号、3号……n号采集单元，n为自然数，所述工作方法包括如下步骤：

步骤S1、当两个微型气泵接收到工作信息时，第二微型气泵和第一微型气泵同时开始工作，转盘为打开状态，集气管内的多个采集单元连通；第二微型气泵通过第一输气管将集气管内空气抽出，第一微型气泵通过吸气管和第二输气管将空气吸进集气管内；

步骤S2、无人机接收控制器的信号到达第一个任务点，吸气管通过以云台为球心、其自身长度为球半径的球面运动执行空气采集任务；

步骤S3、第二微型气泵和第一微型气泵停止工作，控制用于分隔1号采集单元和2号采集单元的转盘旋转，将转盘关闭，以将1号采集单元和2号采集单元分隔开，此时1号采集单元所收集的空气定义为第一个任务点的空气；

步骤S4、无人机接收控制器的信号到达第二个任务点，重复步骤S2，将除去1号采集单元的剩余空间空气更新成为第二个任务点的空气，然后控制用于分隔2号采集单元和3号采集单元的转盘旋转，将转盘关闭，以将2号采集单元和3号采集单元分隔开，此时2号采集单元所收集的空气定义为第二个任务点的空气；

步骤S5、无人机接收控制器的信号到达下一个任务点，采用步骤S4所述方式实现多个任务点的空气采集。

9.根据权利要求8所述的工作方法，其特征在于，所述球面运动的路径随吸气管的倾斜角度和云台控制的旋转角度而改变。

10.根据权利要求8所述的工作方法，其特征在于，所述工作方法还包括以下无人机航线的控制过程：

步骤T1、将任务数据输入到控制器，调试好无人机的工作性能后起飞；

步骤T2、到达第一个任务点后，和1号地面站进行信息的交互，无人机悬停，采集装置开始工作，将1号采集单元内空气定义为第一任务点空气；

步骤T3、接收控制器的信号后，到达第二任务点，和2号地面站进行信息的实时交互，无人机悬停，采集装置开始工作，将2号采集单元内空气定义为第二任务点空气；

步骤T4、采用步骤T2的工作方式对后续任务点进行气体采集；实现全部任务点的空气采集之后，无人机返航。

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