CN111551401A - 一种多点取样装置及搭载该多点取样装置的无人机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多点取样装置及搭载该多点取样装置的无人机，其中取样装置包括取样机构、第一驱动机构、第二驱动机构、安装架；第一驱动机构通过动力输出轴驱动转盘转动，使采样器位于第二驱动机构下方，第二驱动机构通过动力输出杆向下推动采样器进入水中进行采样；本发明采用活动连接的采样器与第一、二驱动机构配合实现多点采样，该结构相比于现有技术结构更简单，同时与无人机结合时控制更加容易。

Description

一种多点取样装置及搭载该多点取样装置的无人机

技术领域

本发明涉及污水采样检测领域，尤其涉及一种污水多点取样装置及搭载该多点取样装置的无人机。

背景技术

随着我国水资源缺失、水体污染越来越严重，国家环保部对水体治理越来越重视。检测系统检测数值将作为国家环保部衡量污水处理厂处理水质是否稳定达标的重要依据。

目前，污水处理厂活性污泥微生物镜检化验分析主要依赖人工采样，这种检测方式需要现场采样，操作人员直接接触污水，存在生物安全运行风险，同时采样频次低，偶然性大，采样点重复。加密采样频次一定程度上可以减少取样偶然性风险，但是人工采样需要消耗大量人力物力。但污水取样数据不但对污水处理厂工艺调控、工艺稳定运行起十分重要作用，而且为污水处理厂进行排污申报核定、排污许可证发放、环境统计、排污费征收和现场环境执法等环境监督管理提供依据。在疫情常态化的情况下，人工取样的风险增加。

为解决上述问题，近几年出现了采用无人机完成才能完成采样的技术，例如申请号为201911292020.X的专利提出了一种水质采样环保无人机，其通过采用设置于采样桶内设置活塞，通过真空抽取的方式将污水抽取至采样桶内。其采样装置结构复杂，例如通过轴销与销轴与回形缺口配合实现可拆卸卡接，以使第一转动装置与连接座自动配合，将采样筒从转动盘上取出并下降至采样水面，其中卡接方式对操作精度需求较高；同时采用单向阀易造成堵塞，堵塞后其疏通或替换时间和经济成本较高，为解决上述技术问题，本领域亟待一种能够比现有技术更简单更可靠的实现污水采样的装置。

发明内容

本发明目的主要是提供能够至少解决上述现有所存在的技术问题之一的一种多点取样装置及搭载该多点取样装置的无人机。

为了实现上述目的，本发明提供了一种多点取样装置，包括取样机构、第一驱动机构、第二驱动机构、安装架，其中：

取样机构设置在安装架的下方，与第一驱动机构通过驱动连接，取样机构包括一转盘，转盘上设有多个用于放置采样器的安装孔，采样器在安装孔内可被推拉上下移动；

第一驱动机构、第二驱动机构设置在安装架的上方，其中：

第一驱动机构设有动力输出轴，动力输出轴穿过安装架与转盘驱动连接，以驱动转盘转动；当转盘被驱动转动时，采样器随转盘一起转动；

第二驱动机构设有动力输出杆，动力输出杆垂直于所述转盘旋转方向设置且可以被第二驱动机构驱动相对转盘的垂直距离发生改变，当转盘将采样器旋转到与动力输出杆上下对应的位置时，动力输出杆被驱动向采样器施加推力以使该采样器能够向转盘下方伸出行使采样工作；

当需要多点取样时，第一驱动机构驱动转盘旋转使多个采样器按照预设的顺序旋转到与动力输出杆对应的位置被相继推出，通过动力输出杆驱动安装在转盘上的取样机构直接进入水面进行采样。

可选的，所述采样器包括底壁和侧壁，底壁和侧壁围成一样本容器，其中侧壁环设有多个样本取样孔使样本可以进入样本容器中，侧壁和/或底壁与安装孔之间设置有弹性件，使所述采样器完成采样后可以在弹性件的拉力下向采样孔方向退回。

可选的，采样器包括顶壁、底壁和侧壁，顶壁、底壁和侧壁围成一样本容器，其中侧壁环设有多个样本取样孔，使样本可以进入样本容器中；顶壁和/或底壁和/或侧壁与安装孔之间设置有弹性件，使所述采样器完成采样后可以在弹性件的拉力下向采样孔方向退回。

进一步优化的，多点取样装置还包括底盘，底盘与转盘轴连，底盘设有与安装孔上下对应的限定孔，所述采样器置于所述限定孔内部。

可选的，取样机构还设置有一两端开口的导筒，所述导筒固定在转盘下部，与安装孔形成中空通道，采样器弹性设置于导筒内，在所述动力输出杆(31)作用下上下移动。

进一步优化的，多点取样装置还包括底盘，底盘与转盘轴连，底盘设有与安装孔上下对应的限定孔，限定孔与所述导筒连接形成中空通道。

进一步优化的，所述第一驱动机构还包括第一驱动电机、主动齿轮、从动齿轮，主动齿轮与第一驱动电机驱动连接，主动齿轮与从动齿轮啮合连接，从动齿轮与动力输出轴固定连接或一体形成；动力输出轴穿过安装架与转盘驱动连接。

进一步优化的，第二驱动机构包括：第二驱动电机、蜗杆、蜗轮，第二驱动电机驱动蜗轮转动，蜗杆通过与蜗轮齿轮啮合可被驱动垂直于转盘上下移动，蜗杆与动力输出杆传动连接或一体形成，动力输出杆朝向转盘的一端为自由端，当动力输出杆被驱动向采样器移近时，其通过自由端作用在采样器上向采样器施加推力以使该采样器能够向转盘下方移动行使采样工作。

进一步优化的，蜗杆包含螺纹部和非螺纹部，螺纹部用于与蜗轮配合；非螺纹部位于螺纹部的上端，其直径大于螺纹部直径。

进一步优化的，安装架包括底板、左侧板和右侧板；左、右侧板与底板构成U形，左、右侧板向外部弯折形成连接部，用于与载运装置连接。

进一步优化的，安装架上安装有向下的单目摄像头和/或超声波测距雷达。

为了实现上述目的，本发明提供了一种搭载所述多点取样装置的无人机，包括机体、起落架，起落架与多点取样装置的安装架连接，起落架高度高于安装与无人机的多点取样装置。

进一步优化的，所述机体顶部设有二维激光雷达。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于，提供了一种结构简单的多点取样装置，通过动力输出机构与取样装置的非连接驱动，对结构实现了简化，同时实现取样装置上下移动实现采样。

附图说明

图1是本发明中搭载所述多点取样装置的无人机的结构示意图；

图2是多点取样装置结构示意图；

图3是图2中取样机构相关结构示意图；

图4是图2中取样机构和第一驱动机构连接局部放大示意图；

图5是图2中第二驱动机构局部放大示意图；

图6是图2中采样器局部放大示意图。

图中：1-取样机构，2-第一驱动机构，3-第二驱动机构，4-安装架，11-转盘，12-采样器，13安装孔，21-动力输出轴，31-动力输出杆，14-限定孔，15-底盘，121-底壁，122-侧壁，123-取样孔，5-弹性件，124-顶壁，6-单目摄像头，7-超声波测距雷达，22-第一驱动电机，23-主动齿轮，24-从动齿轮，32-第二驱动电机，33-蜗杆，34-蜗轮，331-螺纹部，332-非螺纹部，41-底板，42-左侧板，43-右侧板，44-连接部，8-起落架，81-预留孔，9-机体，10-二维激光雷达，17-导筒

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

第一实施例：

本实施例提供了一种多点取样装置，请参考图1-图6，包括取样机构1、第一驱动机构2、第二驱动机构3、安装架4，其中取样机构1设置在安装架4的下方，其包括一转盘11，转盘11上设有多个安装孔13以用于放置采样器12，当转盘11被驱动转动时，采样器12随转盘11一起转动，且可在力的作用下相对转盘11的安装孔13上下移动。第一驱动机构2、第二驱动机构3设置在安装架4的上方，其中第一驱动机构2用于驱动转盘11转动使采样器12被旋转到与第二驱动机构3对应的位置，第二驱动机构3用于向与其位置对应的采样器12施加推力以使采样器12向转盘11下方伸出行使采样工作。当需要取样时，第一驱动机构2驱动转盘11按照预设角度将需要采样的采样器12旋转到第二驱动机构3的下方，使多个采样器按照预设的顺序被相继推出实现多点采样。

具体的，采样器12可选择一至少带有底壁121和侧壁122、侧壁122上开有取样孔123的试剂瓶，当然为保证试剂瓶被向下推时的承压能力，还可进一步优化采样器带有顶壁或顶盖，且可优选耐腐蚀美铝合金筒状试剂瓶。进一步的为保证试剂瓶被向下推时不被推出脱落和采样后采样器12能够自动复位，在转盘11与采样器12之间还设置有弹性件5连接，具体的，弹性件5采用弹簧，一端连接在转盘11的下端面上，另一端连接在采样器12的顶壁上或底壁上或侧壁的周向侧沿上。优选的，转盘11的下方还设置一两端开口的导筒17，导筒17固定连接在安装孔13的下方，与安装孔13形成一中空通道，采样器12弹性连接于导筒17内部。进一步的，多点取样装置还可优化进一步包括底盘15，并使其底盘15与转盘11可同轴转动连接，与转盘安装孔13对应的，底盘15设有与安装孔13上下对应的限定孔14，并且限定孔14与导筒17对接形成中空通道，优选的底盘限定孔14直径略大于采样器12直径，采样器12下端置于底盘限定孔14内，在采样器12上下运动过程中起导向作用。由此，采样器12不但能够在不用时能够很好的被保护在导筒17中，在使用时可以被沿着导筒17上下移动，为了进一步使试剂瓶的控制变得更加可视化，导筒优化为透明的且带有刻度，以便于操作人员直观观测采样器12被驱动情况以及采样情况。进一步优化的，导筒17可拆卸的连接在转盘11的安装孔13下方，且底盘15的限定孔14处形成对应导筒底端的定位座，转盘11和底盘15为可拆卸连接，具体的两者之间可以是直接的可拆卸连接，还可以是通过导筒17实现可拆卸连接，比如导筒17两端一端与转盘安装孔螺纹连接，另一端与底盘限定孔处的定位座螺纹连接。采样器12的外径小于安装孔、限定孔的内径，安装孔、限定孔的内径均小于导筒的内径。为便于弹性件5的设置，一种优选实施方式是弹性件5一端连接在采样器12的底壁上另一端穿过导筒17与底盘15下端面连接。另一种优选的方式是，导筒17内沿周向分布有多个沿平行轴向方向延伸的导向槽，弹簧5被限位在导向槽内，且一端连接在采样器侧壁的周向侧沿上，另一端穿过导筒17与转盘11底壁连接。

进一步的，本实施例中优选的转盘11为圆盘，且安装孔13以转盘11中心为圆心均匀的分布在转盘11上，以更精准的通过转盘11的转动角度控制实现取样器位置的调整。

下面具体描述第一驱动机构2、第二驱动机构3的实施示例。

本实施例中，为实现驱动转盘11的转动，第一驱动机构1设有动力输出轴21，并使动力输出轴21与转盘11驱动连接，以驱动转盘11转动；进一步的，第一驱动机构2还设有第一驱动电机22、主动齿轮23、从动齿轮24。动力输出轴21穿过安装架4与转盘11驱动连接，动力输出轴31与从动齿轮24可固定连接或一体成型，在本实施例中采用一体成型。当需要采样时，第一驱动电机22工作，驱动主动齿轮23转动，主动齿轮23带动从动齿轮24转动，从而带动动力输出轴21转动，进而动带动取样机构1转动，实现采样器12位置的调整，使需要采样的采样器12位于第二驱动机构3的动力输出杆31下方。

进一步的，为实现第二驱动机构3使采样器12可以被推动向下伸出，其优选的设有动力输出杆31、动力输出杆31垂直于转盘11旋转方向设置且可以被第二驱动机构3驱动相对转盘11的垂直距离发生改变，进一步的，第二驱动电机32还设有蜗杆33、蜗轮34，本实施例蜗杆33与动力输出杆31一体成型(当然也可以采取驱动连接)；当采样器12位于第二驱动机构3的动力输出杆31下方时，第二驱动电机3正向工作，驱动蜗轮34转动，蜗轮34带动一体成型的蜗杆33和动力输出杆31向下移动；动力输出杆31穿过安装孔4，作用于采样器12上方，推动采样器12向下移动行使采样工作。优选的，蜗杆33包含螺纹部331和非螺纹部332，螺纹部331用于与蜗轮34配合；非螺纹部332位于螺纹部331的上端，其直径大于螺纹部331直径。该结构可在蜗杆33向下移动时不至于脱离蜗轮34。

进一步的，本实施例转盘安装孔13直径大于第二驱动机构3的动力输出杆31直径，从而使动力输出杆31可穿过安装孔13进而对采样器12施加向下的压力。该种连接方式只需动力输出杆31直径小于安装孔即可对采样器12形成向下的推力，该结构对精度要求较低，进一步的动力输出杆21内径大于采样器外径，这样无论是动力输出杆31正常工作还是采样器12顶部有破损都不会伸入采样器12内部，造成采样样品的污染和采样瓶的内部撞机。优选的，采样器12侧壁设置有多个取样孔123，本实施例中采用4个取样孔123，同时本实施例中采样器尺寸为15mm×l00mm，对应上述即为特定高度，若采样器12顶部开口，采样器12开孔处位于距离采样器瓶口1/3处。当需要采样时，采样器12向下移动过程中取样孔123进入水中，从而对水样进行采集。采样完毕后，所述第二驱动电机3反向工作，带动动力输出杆31向上移动，直至所述动力输出杆31下端位于所述转盘11上表面上；采样器12在弹性件5的作用下回到原来位置，采样完成。

优选的，安装架4包括底板41、左侧板42和右侧板43；左、右侧板与底板41构成U形，左、右侧板向外部弯折形成连接部44，用于与载运装置连接。优选的，安装架4上安装有向下的单目摄像头6和/或超声波测距雷达7。设置了单目摄像头6和超声波测距雷达7组成的取样定位系统，单目摄像头6可以清晰观测到采样过程，超声波测距雷达7能够保证采样器12充分伸入污水中进行采样，完成采样。

第二实施例：

本实施例提供一种安装上述多点取样装置的无人机，本实施例中以现有大疆M-600植保无人机进行改进，包括机体9、起落架8，起落架8与多点取样装置的安装架4连接，无人机搭载取样装置飞行过程中产生的震动可能导致取样装置偏离预设定的工作状态，本发明多点取样装置只需动力输出杆31直径小于安装孔即可对采样器形成向下的推力，搭载于无人机上容错率也更高。优选的，起落架8高度高于安装于无人机的多点取样装置。取样结束后卸载时，方便无人机降落于平地，有效保护多点取样装置。

优选的，起落架8上设有预留孔81，起落架8与多点取样装置卡扣连接。

优选的，机体9顶部设有二维激光雷达10。且在现有无人机基础上对其传感器进行升级，设置一部二位激光雷达10，一部向下的单目摄像头6，一部向下的超声波测距雷达7，使得无人机在飞行过程中构建激光点云地图，配合无人机本身携带的GPS、IMU构建取样目的地精确地图，每次任务后进行标记，避免同一位置的重复取样。

所述无人机搭载多点取样装置进行采样时包含如下步骤：

步骤一：在距离污染物取样点的特定距离范围内设立无人机起飞点，其中特定距离为无人机有效往返航程。

步骤二：飞行过程中全程开启二维激光雷达，基于ROS(kinetic)机器人操作系统，rviz可视化点云工具在线形成污水厂污水取样点全局点云地图，每次采样后在地图上标记采样点位置，采样过程中只需要根据点云地图上已确定采样点位置准确飞行，将无人机平台下方的多点取样装置集成到无人机上形成一种基于激光点云的在线污染物取样装置。

步骤三：无人机根据卫星导航定位、激光点云地图自起飞点飞往多个污染物取样点进行取样，无人机到达污染物取样点后进入依据携带的超声波测距雷达和单目摄像头使无人机处于特定高度的悬停状态，然后控制所携带的多点取样装置，配合集成的摄像头、超声波测距雷达向下伸出采样器，连杆牵引下垂直向下降落并陷入污水中进行取样。特定高度由多点取样装置采样试剂瓶顺利完成采样为准，即无人机所处悬停高度使得采样器进水口完全浸入污水中，同时此高度达到蜗杆向下伸出的最大长度并不影响无人机稳定飞行。

步骤四：待取样瓶沉入污水中一定时间后，控制电动升降结构对采样器牵拉实行收回，收回时间等于蜗杆下降上述特定高度除以升降结构的电机的转速，此收回时间和采样时间为无人机单次采样过程的悬停时间。

步骤五：完成收回后，通过控制旋转机构自动切换出下一个采样器。无人机起飞后依据卫星导航定位、点云地图携带多点取样装置飞至下一个待取样点进行上述过程取样。

步骤六：依据卫星导航定位、点云地图重复取样四次，完成多点取样装置全部采样器取样后回到起飞点，完成一次取样，将此次取样的全部四次取样样品经过化验后所获得的数据输入计算机，作为一组时间序列分析的样本数据。

步骤七：按照无人机续航能力和污水厂取样需求核算采样频率，依据点云地图为未标记点定期在起飞点和污染物取样点之间重复一次步骤二到步骤五，完成一次多点污染物取样，累计获得的污泥化验后的数据，形成一个该污染物取样点的时间序列分析样本数据库，能够通过时间序列分析方法预测该污染物取样点的污水处理情况变化。

因此，本发明采用上述多点取样装置及搭载该多点取样装置的无人机能够解决现有技术中存在的至少一个问题。

以上是本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围不应局限于此。任何熟悉本领域的技术人员在本发明所揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内，因此本发明的保护范围应以权利要求书所限定的保护范围为准。

Claims (13)

1.一种多点取样装置，其特征在于：包括取样机构(1)、第一驱动机构(2)、第二驱动机构(3)、安装架(4)，其中：

所述取样机构(1)设置在所述安装架(4)的下方，其设有一转盘(11)，所述转盘(11)上设有多个用于放置采样器(12)的安装孔(13)，所述采样器(12)在安装孔(13)内可被推拉上下移动；

所述第一驱动机构(2)、第二驱动机构(3)设置在所述安装架(4)的上方，其中：

所述第一驱动机构(2)设有动力输出轴(21)，所述动力输出轴(21)与所述转盘(11)驱动连接，以驱动所述转盘(11)转动；当所述转盘(11)被驱动转动时，所述采样器(12)随转盘(11)一起转动；

所述第二驱动机构(3)设有动力输出杆(31)，所述动力输出杆(31)垂直于所述转盘(11)旋转方向设置且可以被第二驱动机构(3)驱动相对转盘(11)的垂直距离发生改变，当所述转盘(11)将采样器(12)旋转到与动力输出杆(31)上下对应的位置时，所述动力输出杆(31)被驱动向所述采样器(12)施加推力以使该采样器(12)能够向所述转盘(11)下方伸出行使采样工作；

当需要多点取样时，所述第一驱动机构(2)驱动转盘(11)旋转使所述多个采样器(12)按照预设的顺序旋转到与动力输出杆(31)对应的位置被相继推出，实现多点采样。

2.根据权利要求1所述的多点取样装置，其特征在于：所述采样器(12)包括底壁(121)和侧壁(122)，所述底壁(121)和侧壁(122)围成一样本容器，其中所述侧壁环设有多个样本取样孔(123)使样本可以进入所述样本容器中，所述侧壁和/或底壁与所述安装孔(13)之间设置有弹性件(5)，使所述采样器(12)完成采样后可以在弹性件(5)的拉力下向采样孔方向退回。

3.根据权利要求1所述的多点取样装置，其特征在于：所述采样器(12)包括顶壁(124)、底壁(121)和侧壁(122)，所述顶壁(124)、底壁(121)和侧壁(122)围成一样本容器，其中所述侧壁(122)环设有多个样本取样孔(123)使样本可以进入所述样本容器中；所述顶壁和/或底壁和/或侧壁与所述安装孔(13)之间设置有弹性件(5)，使所述采样器(12)完成采样后可以在弹性件(5)的拉力下向采样孔方向退回。

4.根据权利要求2或3所述的多点取样装置，其特征在于：所述多点取样装置还包括底盘(15)，所述底盘(15)与所述转盘(11)轴连，所述底盘(15)设有与所述安装孔(13)上下对应的限定孔(14)，所述采样器的下部置于所述限定孔(14)内。

5.根据权利要求1所述的多点取样装置，其特征在于：所述取样机构还设置有一两端开口的导筒(17)，所述导筒(17)固定在所述转盘下部，与所述安装孔形成中空通道，所述采样器(12)于所述导筒(17)内在所述动力输出杆(31)作用下上下移动。

6.根据权利要求5所述的多点取样装置，其特征在于：所述多点取样装置还包括底盘(15)，所述底盘(15)与所述转盘(11)轴连，所述底盘设有与所述安装孔(13)上下对应的限定孔(14)，所述限定孔(14)与所述导筒(17)连接形成中空通道。

7.根据权利要求1、2、3、5、6任一项所述的多点取样装置，其特征在于：所述第一驱动机构(2)还包括第一驱动电机(22)、主动齿轮(23)、从动齿轮(24)，所述主动齿轮(23)与第一驱动电机(22)驱动连接，所述主动齿轮(23)与从动齿轮(24)啮合连接，所述从动齿轮(24)与所述动力输出轴(21)固定连接或一体形成；所述动力输出轴(21)穿过所述安装架(4)与所述转盘(11)驱动连接。

8.根据权利要求1、2、3、5、6任一项所述的多点取样装置，其特征在于：所述第二驱动机构(3)包括：第二驱动电机(32)、蜗杆(33)、蜗轮(34)，所述第二驱动电机(32)驱动蜗轮(34)转动，所述蜗杆(33)通过与蜗轮(34)齿轮啮合可被驱动垂直于转盘(11)上下移动，所述蜗杆(33)与动力输出杆(31)传动连接或一体形成，所述动力输出杆(31)朝向转盘(11)的一端为自由端，当所述动力输出杆(31)被驱动向所述采样器(12)移近时，其通过自由端作用在采样器(12)上向采样器(12)施加推力以使该采样器(12)能够向所述转盘(11)下方伸出行使采样工作。

9.根据权利要求8所述的多点取样装置，其特征在于：所述蜗杆包含螺纹部(331)和非螺纹部(332)，所述螺纹部(331)用于与蜗轮(34)配合，所述非螺纹部(332)位于所述螺纹部(331)的上端，其直径大于螺纹部(331)直径。

10.根据权利要求1所述的多点取样装置，其特征在于：所述安装架(4)包括底板(41)、左侧板(42)和右侧板(43)；所述左、右侧板与底板(41)构成U形，所述左、右侧板向外部弯折形成连接部(44)，用于与载运装置连接。

11.根据权利要求1所述的多点取样装置，其特征在于：所述安装架(4)上安装有向下的单目摄像头(6)和/或超声波测距雷达(7)。

12.一种搭载上述多点取样装置的无人机，其特征在于：包括机体(9)、起落架(8)，所述起落架(8)与多点取样装置的安装架(4)连接，所述起落架(8)高度高于安装于无人机的多点取样装置。

13.根据权利要求10和11所述的无人机，其特征在于所述机体(9)顶部设有二维激光雷达(10)。

Images