CN112389657B - 基于无人机平台的抛投式取液装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种基于无人机平台的抛投式取液装置，其包括无人机和抛投式取液器；所述无人机包括无人机主架和抓取装置；所述抓取装置包括伸缩杆、机械爪以及旋转杆；所述抛投式取液器主要包括浮子、外框架、集液仓、缓冲配重仓及线盒等附属部件。相较于传统人工采样，本装置单次采样人工成本低，样品实时性强；相较于长时间悬停抽取采样的无人机采样装置，本装置对无人机平衡能力、续航能力、负重能力等性能要求较低，且结构简单，装置制造成本低，所取样品代表性高。同时，该抛投式结构设计，只需投下取液装置，间隔一定时间再去抛投点夹取取液装置即可，过程简单，对无人机性能要求不高，可实施性较强。
Description
技术领域
本发明涉及环境监测技术领域，尤其涉及一种基于无人机平台的抛投式取液装置。
背景技术
水质的检测通常需要在不同水域、不同水深处进行定量取样。目前，常规的采样方法是携带定位设备乘坐水上交通工具进行人工采样，采样工具一般为便携式蠕动泵，采样过程繁琐，极大耗费人力物力。无人机采样具有工作效率高、实时性强、节约采样成本等优点，在水样采集中的应用越来越受到重视。目前利用无人机进行水样采集是一个较热门的研究，但是多数研究偏向于无人机长时间悬停抽取采样，忽略水面上方空气密度波动较大和风浪等因素，对无人机长时间悬停水面采样发生侧翻的可能性考虑不足，采样深度的稳定性也会受到上述因素的影响；多数设计的设备结构复杂，对无人机性能要求较高。
申请号为CN201621096532.0的实用新型专利公开了一种无人机采样装置。该装置包括无人飞行器、采样瓶、置物架以及卷扬机构，所述采样瓶置放在所述置物架的下方，所述置物架与所述采样瓶可拆卸连接，所述置物架的顶部设置有防水电磁铁，所述采样瓶的瓶塞上安装有铁片，所述防水电磁铁与所述铁片对应设置，所述置物架与所述卷扬机构连接。
申请号为CN201810878900.4的发明专利公开了一种无人水质取样检测系统及方法。该系统包括无人机、控制箱、拉线和取样筒。其中控制箱内设置有电池、电路控制模块、升降电机、电机支架和卷筒；还设计了一种取样筒，顶部无盖，底部为圆锥形，内部包含传感器组、水压计、密封电机以及密封盖，通过控制密封电机打开关闭密封盖来实现水质的取样。
申请号为CN201920467605.X的实用新型专利公开了一种适用于开放水域的取水装置。该装置包括无人机、与无人机匹配的无线电遥控器、安装于无人机底部的装配式取水装置；所述装配式取水装置包括从上往下依次设置的盖子、若干储水腔体、进水腔体、若干配重块，所述进水腔体内设有底层板、带有限位杆的浮块、限位板，所述底层板中部设有与浮块相匹配的进水口，所述限位板上还设有若干过水孔，所述浮块置于进水口处，其顶部的限位杆可在限位板的通孔内上下移动。
但是，上述悬停抽取式的采样装置存在如下缺陷：在进行采样作业时无人机需要保持在某一固定高度以确保样品采集高度的准确性，但随着样品的积累，无人机的负重会逐渐增加，无人机因此需要不断调整自生的平衡能力，对无人机控制调节性能要求较高；且液体流动性较强，水面有风浪时储液箱内未满的液体会加剧无人机的晃动，且无人机在水面风浪较大的情况下不易长时间悬停。同时，无人机还需要携带防水电磁设备，增加了无人机负重，且增加了无人机防护及维护成本。而无人机抛投式取样装置只需投下取样器，间隔一段时间再去抛投点夹取取样器即可，过程简单，对无人机性能要求不高，可实施性较强。有鉴于此，有必要设计一种改进的基于无人机的抛投式取液装置，以解决上述问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于无人机平台的抛投式取液装置。
为实现上述发明目的，本发明提供了一种基于无人机平台的抛投式取液装置，其包括无人机和抛投式取液器；
所述无人机包括无人机主架和固定连接于所述无人机主架下方且用于抓取和抛投所述抛投式取液器的抓取装置；
所述抓取装置包括一端与所述无人机主架固定连接的伸缩杆、安装在所述伸缩杆上的机械爪以及套设于所述伸缩杆内部并用于调节所述机械爪爪指间距和驱动所述机械爪旋转的旋转杆；
所述抛投式取液器包括与所述机械爪配合的浮子和套设在所述浮子外周的外框架。
作为本发明的进一步改进，所述伸缩杆的另一端设置有磁性对接头；所述浮子的顶部设置有与所述对接头匹配的收线旋转头。
作为本发明的进一步改进，所述旋转杆包括用于调节所述机械爪爪指间距的外转杆和穿设于所述外转杆的内部通孔并用于驱动所述机械爪旋转的内转杆。
作为本发明的进一步改进，所述机械爪包括用于抓取所述浮子的内爪和用于抓取所述外框架的外爪。
作为本发明的进一步改进，所述浮子为凹陷球形结构，其还包括设置于所述收线旋转头下方并与所述机械爪配合的抓槽和设置于所述浮子底部的控高线盒。
作为本发明的进一步改进，所述外框架的顶部设置有与所述浮子平齐且便于所述机械爪抓取的圆框。
作为本发明的进一步改进，所述外框架还包括设置于所述浮子下方并固定安装在所述外框架上的控量层架。
作为本发明的进一步改进，所述收线旋转头上镶嵌连接有永磁铁。
作为本发明的进一步改进，所述无人机还包括对称设置于所述无人机主架左右两端的摄像头。
作为本发明的进一步改进，所述抛投式取液器还包括设置于所述浮子下方并与所述浮子活动连接的取液舱和设置于所述取液舱尾部的缓冲配重舱。
本发明的有益效果是：
1、本发明提供的基于无人机平台的抛投式取液装置，相较于传统人工采样，本装置单次采样成本低，样品实时性强；相较于长时间悬停抽取采样的无人机采样装置，本装置对无人机平衡能力、续航能力、负重能力等性能要求较低，且结构简单，装置制造成本低，所取样品代表性高。
2、本发明提供的基于无人机平台的抛投式取液装置，其采用的是抛投式结构设计，无需无人机长时间在水面停留因此无需较强续航能力；无人机没有各种复杂昂贵的电子传感器以及蠕动泵等负重，且取较深区域水样时没有加长吸水管的负担，所以能够减轻负重，降低装置制造成本。同时，该抛投式结构设计，只需投下取液装置，间隔一定时间再去抛投点夹取取液装置即可，过程简单，对无人机性能要求不高，可实施性较强。
3、本发明提供的基于无人机平台的抛投式取液装置，采用抓取装置、浮子与外框架三者相互配合的结构设计，实现取液器高效地抓取回收和抛投过程。在抓取装置中，伸缩杆通过长度的伸缩调节和旋转杆通过内转杆和外转杆的相互旋转配合，实现机械爪的可伸缩式抓取抛投和驱动浮子收线的功能。本发明通过抓取装置的内爪与浮子的配合抓取、抛投以及内爪和外爪与外框架顶部圆框的配合，采用了双重机械爪的结构设计，使得无人机与抛投式取液器之间实现稳定的抓取和抛投功能，其工作原理在于：无人机利用抓取装置的内爪抓住抛投式取液器的外框架顶部圆框，起飞，到达取样点后，内爪张开，实现抛投；取完样后，无人机飞回指定取样点后，张开内爪，先用磁铁对接，然后用内爪抓取浮子，旋转收线，提升取液舱和外框架，待收线完毕后，外框架顶部与浮子持平，通过旋转杆的配合，微微张开外爪，使用外爪固定住外框架顶部圆框，抓取完后无人机飞回。
附图说明
图1为本发明提供的基于无人机平台的抛投式取液装置的结构示意图。
附图标记
100-基于无人机平台的抛投式取液装置；10-无人机；11-无人机主架；12-伸缩杆；13-机械爪；131-内爪；132-外爪；14-旋转杆；141-外转杆；142-内转杆；15-磁性对接头；16-摄像头；20-抛投式取液器；21-浮子；211-收线旋转头；2111-永磁铁；212-抓槽；213-控高线盒；214-控高线；22-取液舱；221-吊架；222-进液口；223-取液舱主体；224-活塞胶头；225-活塞杆；2251-活塞空心通路；2252-取液通路；2253-封盖；226-支架；23-缓冲配重舱；231-配重区；232-缓冲气舱；24-外框架；241-圆框；242-控量层架。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面具体实施例对本发明进行详细描述。
在此，还需要说明的是，为了避免因不必要的细节而模糊了本发明，在附图中仅仅示出了与本发明的方案密切相关的结构和/或处理步骤，而省略了与本发明关系不大的其他细节。
另外，还需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。
请参阅图1所示，本发明提供了一种基于无人机平台的抛投式取液装置100，其包括无人机10和抛投式取液器20。
在本实施方式中，所述无人机10包括无人机主架11、固定连接于所述无人机主架11下方且用于抓取和抛投所述抛投式取液器20的抓取装置以及对称设置于所述无人机主架11左右两端的摄像头16。
所述抓取装置包括一端与所述无人机主架11固定连接的伸缩杆12、设置于所述伸缩杆12另一端上的磁性对接头15、安装在所述伸缩杆12上的机械爪13以及套设于所述伸缩杆12内部并用于调节所述机械爪13爪指间距和驱动所述机械爪13旋转的旋转杆14。
所述旋转杆14包括用于调节所述机械爪13爪指间距的外转杆141和穿设于所述外转杆141的内部通孔并用于驱动所述机械爪13旋转的内转杆142。所述机械爪13包括用于抓取所述浮子21的内爪131和用于抓取所述外框架24的外爪132。
具体来讲，本发明中，无人机10的左右对称设置有两个固定的摄像头16，该结构既有利于无人机10的平衡，也有利于抓取所述抛投式取液器20时的视觉对焦。
上述结构设计的工作原理在于：在无人机10的抓取装置上，通过长度可伸缩的伸缩杆12，实现机械爪13的可伸缩式抓取功能，且该机械爪13上设置有复数个对称设置的爪指(图中未标记)，可通过伸缩杆12内的外转杆141的旋转，调节所述机械爪13爪指之间的间距，调整机械爪13与待抓取浮子21之间的水平距离，成功实现抓取动作。
无人机10在进行抓取工作时，首先，需要飞到抛投式取液器20上方，通过双摄像头16远程视觉对焦，控制伸缩杆12端部的磁性对接头15与抛投式取液器20上浮子21顶部的收线旋转头中的磁铁211对接；然后，外转杆141进行正向旋转，机械爪13上的内爪131对浮子21上的抓槽212进行抓取动作，以固定浮子21；接着，伸缩杆12内的内转杆142旋转，驱动所述机械爪13旋转，用以带动所述收线旋转头211转动，实现收线功能，提升取液仓22及外框架24，然后，取液舱主体223被控量层架242限制；最后，待收线完毕，外转杆141进行反向旋转，调整机械爪13与外框架24的距离，使得所述外爪132刚好在外框架24内，以使所述外爪132钩住外框架24，伸缩杆12收缩长度，完成抓取回收动作。
如果在操作过程中，遇到机械爪13被外框架24竖向架挡住的情况，可通过固定摄像头16对机械爪13的位置进行对焦，并利用旋转杆14进行调整后，再实现勾取动作。
请参阅图1所示，所述抛投式取液器20包括与所述机械爪13配合的浮子21、设置于所述浮子21下方并与所述浮子21活动连接的取液舱22、设置于所述取液舱22尾部的缓冲配重舱23以及套设在所述浮子21外周的外框架24。
在本实施方式中，所述浮子21为凹陷球形结构，其包括设置于其顶部并与所述磁性对接头15匹配的收线旋转头211、设置于所述收线旋转头211下方并与所述机械爪13配合的抓槽212、设置于所述浮子21底部的控高线盒213以及设置于所述控高线盒213并与所述取液舱22连接的控高线214。
上述结构设计的工作原理在于：浮子21的凹陷球形设计，球形结构能保持良好的平衡性，便于无人机10的抓取回收，即，便于所述抛投式取液器20在取液工作时，浮子21的抓槽212露出水面；同时，圆滑的外形结构还能够便于浮子21在水体中快速脱离外框架24。浮子21顶部的收线旋转头211在旋转时，可收起浮子21下方控高线盒213内的控高线214；在收线旋转头211上镶嵌连接有永磁铁2111，其结构设计是为了便于收线旋转头211和无人机10底部的磁性对接头15对接。同时，浮子21的抓槽212为环形凹槽设计，能够便于无人机10投放时浮子21的快速脱落，也有利于无人机10抓取作业时对浮子21的快速抓取。另外，浮子21底部设有控高线盒213，用来控制所述抛投式取液器20的取液高度，且控高线盒213放线时阻力较小，可忽略不计。
请参阅图1所示，所述取液舱22包括设置于其顶部并用于连接所述控高线盒213内部控高线214的“M”型结构的吊架221、与所述吊架221固定连接的取液舱主体223、设置于所述吊架221下方并与所述取液舱主体223管道连接的进液口222、与所述取液舱主体223滑动连接的活塞胶头224、与所述活塞胶头224固定连接的活塞杆225以及设置于所述取液舱22底部的支架226。
在本实施方式中，所述活塞杆225包括一端垂直穿设所述活塞胶头224中心通孔的活塞空心通路2251、沿着所述活塞空心通路2251的另一端垂直弯折延伸的取液通路2252以及套设于所述取液通路2252端部的封盖2253。所述活塞杆225与所述缓冲配重舱23固定连接。
所述活塞空心通路2251的一端设置有凸状橡胶薄瓣；所述进液口222内也设置有凸状橡胶薄瓣。
上述结构设计的工作原理在于：取液舱22整体类似活塞结构，设置于其顶部的吊架221，用来连接控高线214，此吊架221的“M”型结构设计，使得其在相同强度材质下可吊起更重的物体。设置于所述吊架221下方的进液口222内设置有凸状橡胶薄瓣，实现所述进液口222在集液和取液状态下可打开，其他状态下闭合的功能，能够阻止取液舱22内液体与外界液体交流。
取液舱22内的活塞结构(活塞胶头224和活塞杆225)与设置于所述取液舱22底部的缓冲配重舱23固定连接，为一个整体；其中，活塞杆225为空心结构，取液时直接打开活塞杆225底部取液通路2252上的封盖2253抽取即可实现取液，且在活塞空心通路2251顶部也设置有凸状橡胶薄瓣，如此设置，使得取液时打开底部封盖2253后，液体不会因为重力而自动流出，能够有效阻止取液时打开底部封盖2253会导致液体随即流出的技术缺陷。
请参阅图1所示，所述缓冲配重舱23为不平衡结构设计，其包括左右相对设置的配重区231和缓冲气舱232。
上述结构设计的工作原理在于：该缓冲配重舱23的不平衡缓慢下沉结构设计，一边的配重区231上配有重块，在液体中能够在重力作用下拉动活塞杆225，使得活塞胶头224发生滑动；另一边是分布少量小孔的缓冲气舱232，能够保证缓冲配重舱23落水后比取液舱22后下沉；该不平衡设计是为了防止所述抛投式取液器20落水后不发生倾斜。
请参阅图1所示，所述外框架24包括设置于其顶部并与所述浮子21平齐且便于所述机械爪13外爪132抓取的圆框241、设置于所述浮子21和所述取液舱22之间并固定安装在所述外框架24上用于控制取液量的控量层架242以及用于支地的脚架(图中未标记)。所述外框架24与所述缓冲配重舱23固定连接。
本发明中，在基于无人机平台的抛投式取液装置100进行操作作业时，无人机10机械爪13的内爪131抓住外框架24顶部的圆框241，飞到指定取样水域，通过旋转杆14驱动机械爪13的内爪131张开，脱离所述圆框241，抛下抛投式取液器20，然后飞回。抛投式取液器20落水后，由于缓冲作用，浮子21从外框架24内浮出脱离；由于缓冲配重舱23的不平衡设计，抛投式取液器20会发生倾斜，取液舱22内底部的支架226为镂空设计，且由于取液舱22头部较重，活塞杆225与缓冲配重舱23固定连接，取液舱22会先头部下沉；缓冲配重舱23由于缓冲气舱232的存在，会在取液舱22头部下沉后才沉入水中；取液舱22与缓冲配重舱23的配重区231一块下沉时，由于初速度一致，受到重力一致，故下沉速度一致。
在这个过程中，控高线盒213内的控高线214不断释放，直到达到预设的最大长度，即，定深的取液高度处后，取液舱22停止下沉。而缓冲配重舱23由于受到的重力大于活塞胶头224提供的摩擦阻力，带动活塞杆225继续下沉，进行液体样品的抽取；待取液舱22与控量架242接触时，由于缓冲配重舱23与外框架24是固定连接的一个整体结构，致使缓冲配重舱23不再下沉，完成定量的取液过程。由此，上述过程协同，实现了抛下抛投式取液器20定深定量的取液过程。
取液完毕后，无人机10飞到抛投式取液器20浮子21所在位置的水面上方，伸长底部的伸缩杆12，调整抓取装置和负载21之间的距离和位置，由于浮子21顶部嵌有永磁铁2111，浮子21顶部收线旋转头211会主动与无人机10伸缩杆12底端的对接头15对接，随即无人机10的机械爪13内爪131收爪抓取固定浮子21，内转杆142转动收线。待收线完毕，外框架24顶部的圆框241将与浮子21顶部保持持平，然后外转杆141反向转动，使无人机10机械爪13的外爪132勾住圆框241，抓取完毕，拉起飞回，实现样品采集。由于活塞胶头224的摩擦力大于取液舱22的重力，故放下后取液舱22舱内液体不会溢出，因此，取液需打开封盖2253进行抽取。
综上所述，本发明提供了一种基于无人机平台的抛投式取液装置，其包括无人机和抛投式取液器；所述无人机包括无人机主架和抓取装置；所述抓取装置包括伸缩杆、机械爪以及旋转杆；所述抛投式取液器主要包括浮子、外框架、集液仓、缓冲配重仓及线盒等附属部件。相较于传统人工采样，本装置单次采样人工成本低，样品实时性强；相较于长时间悬停抽取采样的无人机采样装置，本装置对无人机平衡能力、续航能力、负重能力等性能要求较低，且结构简单，装置制造成本低，所取样品代表性高。同时，该抛投式结构设计，只需投下取液装置，间隔一定时间再去抛投点夹取取液装置即可，过程简单，对无人机性能要求不高，可实施性较强。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围。
Claims (5)
1.一种基于无人机平台的抛投式取液装置，其特征在于：所述基于无人机平台的抛投式取液装置(100)包括无人机(10)和抛投式取液器(20)；
所述无人机(10)包括无人机主架(11)和固定连接于所述无人机主架(11)下方且用于抓取和抛投所述抛投式取液器(20)的抓取装置；
所述抓取装置包括一端与所述无人机主架(11)固定连接的伸缩杆(12)、安装在所述伸缩杆(12)上的机械爪(13)，以及套设于所述伸缩杆(12)内部的旋转杆(14)；
所述旋转杆(14)用于调节所述机械爪(13)的爪指间距和驱动所述机械爪(13)旋转；
所述抛投式取液器(20)包括与所述机械爪(13)配合的浮子(21)和套设在所述浮子(21)外周的外框架(24)；
所述旋转杆(14)包括用于调节所述机械爪(13)爪指间距的外转杆(141)、穿设于所述外转杆(141)的内部通孔的内转杆(142)；
所述内转杆(142)用于驱动所述机械爪(13)旋转；
所述机械爪(13)包括用于抓取所述浮子(21)的内爪(131)和用于抓取所述外框架(24)的外爪(132)；
所述伸缩杆(12)的另一端设置有磁性对接头(15)；所述浮子(21)的顶部设置有与磁性对接头(15)匹配的收线旋转头(211)；
所述浮子(21)为凹陷球形结构，其还包括设置于所述收线旋转头(211)下方并与所述机械爪(13)配合的抓槽(212)；
所述外框架(24)的顶部设置有与所述浮子(21)平齐且便于所述机械爪(13)抓取的圆框(241)。
2.根据权利要求1所述的基于无人机平台的抛投式取液装置，其特征在于：所述外框架(24)还包括设置于所述浮子(21)下方并固定安装在所述外框架(24)上的控量层架(242)。
3.根据权利要求1所述的基于无人机平台的抛投式取液装置，其特征在于：所述收线旋转头(211)上镶嵌连接有永磁铁(2111)。
4.根据权利要求1所述的基于无人机平台的抛投式取液装置，其特征在于：所述无人机(10)还包括对称设置于所述无人机主架(11)左右两端的摄像头(16)。
5.根据权利要求1所述的基于无人机平台的抛投式取液装置，其特征在于：所述抛投式取液器(20)还包括设置于所述浮子(21)下方并与所述浮子(21)活动连接的取液舱(22)和设置于所述取液舱(22)尾部的缓冲配重舱(23)。
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