CN112478158B - 一种自动土质采样无人机及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种自动土质采样无人机及其控制方法，包括机体和四个设于机体上并成对称分布的螺旋桨、电机和分布在其周围的圆柱型保护罩，还包括安装在机体上的采样装置、自扶水平防倒装置和防缠绕装置；机体内安装有三轴陀螺仪、电源模块、主控模块、GPS模块、信号处理模块、图像处理模块、避障模块、天线。本发明利用取样装置可以采取完整的柱形土样，从而解决了土壤样品完整性低，易混入大量腐殖质和碎石的问题；本发明使用了防缠绕装置，解决了易被草、藤类植物缠绕，无法返航和在运行或返航过程中避障装置未能成功避障，导致卡在树上无法行动的问题；本发明使用了一种自动控制无人机进行土质采样的方法，解决了需要人工操作的问题。

Description

一种自动土质采样无人机及其控制方法

技术领域

本发明涉及无人机技术领域，尤其涉及一种自动土质采样无人机及其控制方法。

背景技术

近年来，人们对于资源探索和土地开发的需求日益增加，在判断一块土地是否可以开发利用时需针对不同需求对土壤进行采样检测。采样工作费时费力，并且人工在野外采样容易发生意外。与此同时，无人机技术不断发展提高，扩张了无人机的应用领域，使之可以处理麻烦、危险的工作，节约人力。但大多数无人机在土壤取样领域，飞行一次只能取一次土样，效率低下。

为了解决上述问题，如公开号为CN209148322U 的中国专利公开了一种可采集土质样品的勘测无人机，包括无人机本体、取样壳体、取样片、取样杆、集土槽、微型电机、钻头。工作时，钻头钻入土壤，取样杆将土壤带出，通过取样片刮取钻出洞孔壁表面的土壤，将土壤存储在集土槽中。该装置可以多次取样，但是取样片刮土时容易带进腐殖质和碎石，且采集的土壤样品不够完整，检测和实际情况容易出现偏差，并且仍需要人工操纵，且操控时容易被地面的草、藤类植物缠绕。

发明内容

针对上述现有技术存在的问题，本发明提供一种自动土质采样无人机及其控制方法，利用取样装置取完整的柱形土样，从而解决了土壤样品完整性低，易混入大量腐殖质和碎石的问题；同时发明了一种自动控制无人机进行土质采样的方法，解决了需要人工操作的问题；采用了防缠绕装置，解决了易被草、藤类植物缠绕，无法返航的问题。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种自动土质采样无人机，包括机体和四个设于机体上并成对称分布的螺旋桨、电机和分布在其周围的圆柱型保护罩，还包括安装在机体上的采样装置、自扶水平防倒装置和防缠绕装置；所述机体内安装有三轴陀螺仪、电源模块、主控模块、GPS模块、信号处理模块、图像处理模块、避障模块、天线；

所述主控模块分别与三轴陀螺仪、电源模块、主控模块、GPS模块、信号处理模块、图像处理模块、避障模块、天线、电机以及自扶水平防倒装置连接；

所述采样装置包括推杆电机、托板、采样器，所述采样器通过螺纹与推杆电机连接，所述推杆电机设于托板上；

所述推杆电机由板、壳体、推杆、推杆套、推杆套座、限位台、电机、主动齿轮、从动齿轮组成，所述推杆通过键与从动齿轮连接，所述推杆套与推杆套座通过圆柱销连接，所述推杆套座内设有螺纹与推杆进行螺纹配合，所述限位台由螺钉固定于壳体上；

所述自扶水平防倒装置设有伺服电机和支脚，所述伺服电机通过缆线与主控模块连接，所述缆线设于托板上，通过托板中间，由固定槽固定；

所述防缠绕装置设有微型电动伸缩杆，所述自动杆末端装有可旋转刀具。

进一步的，所述采样器由柱体盛土器和偏向盛土器内的四片瓣状薄片组成，所述瓣状薄片采用弹性好的耐磨材料制备。

进一步的，所述机体还搭载图像识别相机、所述主控模块和图像识别模块与图像识别相机连接。

进一步的，所述自扶水平防倒装置的支脚底部采用耐磨橡胶制备。

一种自动土质采样无人机的控制方法，包括平地模式、斜坡模式、草地模式，

所述平地模式通过图像识别相机将图像传到图像识别模块，判断降落点无草或草稀少，主控模块控制机体下降，三轴陀螺仪判定此时位置处于水平，将信号传到主控模块，主控模块控制推杆电机带动采样器开始下压，同时螺旋桨启动，维持机体平衡，取样完成后，推杆电机回到原位；

所述斜坡模式通过图像识别相机将图像传到图像识别模块，判断降落点无草或草稀少，主控模块控制机体下降，三轴陀螺仪判定此时位置处于斜坡，将信号传到主控模块，主控模块控制伺服电机调整支脚直至机体处于水平，执行平地模式；

所述草地模式，通过图像识别相机将图像传到图像识别模块，判断降落点草地茂盛，主控模块控制机体下降，实时通过GPS判断机体离地面的距离，当距离等于或者小于阈值时，控制微型电动伸缩杆竖直向下伸长，同时启动刀具，当支脚触地时，刀具停止运作，自动伸缩杆收起，执行无人机位置调整模式；

无人机位置调整模式：

S1：主控模块根据三轴陀螺仪判断当前机体处于斜坡处还是平地处。

S2：若机体处于平地处，则采用平地模式采样。

S3： 若机体处于斜坡处，则主控模块控制伺服电机调整支脚，直至主控模块判定机体处于水平，执行S2。

进一步的，所述机体进入飞行状态时，实时通过GPS 模块检测当前位置，并发送给主控模块，主控模块判断机体是否在同一位置持续停滞，若是，主控模块启动刀具，控制微型电动伸缩杆伸缩，结束后通过三轴陀螺仪判定是否处于水平状态，若水平，则进入飞行状态，若不水平，则扶正后进入飞行状态；反之，维持当前状态。

进一步的，所述所述主控模块判断机体电量是否低于阈值，若低于阈值，则优先执行自动返航模式；反之，则继续采样。

本发明的上述技术方案相比现有技术具有以下优点：

1、本发明利用取样装置可以采取完整的柱形土样，从而解决了土壤样品完整性低，易混入大量腐殖质和碎石的问题；

2、本发明使用了防缠绕装置，解决了易被草、藤类植物缠绕，无法返航和在运行或返航过程中避障装置未能成功避障，导致卡在树上无法行动的问题；

3、本发明使用了一种自动控制无人机进行土质采样的方法，解决了需要人工操作的问题。

附图说明

图1为本发明一实施例中提供的一种自动土质采样无人机的整体结构图；

图2为本发明一实施例中提供的推杆电机结构示意图；

图3为本发明一实施例中提供的推杆电机的爆炸图；

图4为本发明一实施例中提供的采样器的形态图。

图中：1、机体，2、采样装置，3、自扶水平防倒装置，4、防缠绕装置，5、螺旋桨，6、电机，7、圆柱型保护罩，8、微型电动伸缩杆，9、刀具，10、支脚，11、伺服电机，12、推杆电机，13、板，14、壳体，15、采样器，16、柱体盛土器，17、瓣状薄片，18、托板，19、缆线，20、固定槽，21、推杆，22、杆套，23、限位台，24、电机，25、主动齿轮，26、从动齿轮，27、键，28、推杆套座，29、圆柱销。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面通过附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。但是应该理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限制本发明的范围。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术术语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例的目的，不是旨在于限制本发明。

如图1所示，本发明公开了一种自动土质采样无人机装置，包含机体1和四个设于机体上并成对称分布的螺旋桨5、电机6和分布在其周围的圆柱型保护罩7，及采样装置2、自扶水平防倒装置3、和防缠绕装置4。

所述机体1、螺旋桨5、圆柱型保护罩7、自扶水平防倒装置3均采用轻质耐摔高分子材料制成。

进一步地，机体1内安装有三轴陀螺仪、电源模块、主控模块、GPS模块、信号处理模块、图像处理模块、避障模块、天线。

进一步地，采样装置2安装于机体1的底部，所述采样装置2包含有推杆电机和采样器15，推杆电机通过螺钉固定在托板18四角上并通过电线与主控模块进行连接，电线设于采样装置内，推杆穿过杆孔，端部通过螺纹与采样器15进行连接，采样器15位于托板下部，托板18设有板壁，板壁与托板转角上部设有四个供支脚通过的孔，板壁顶端焊接于机体1上。

如图4，本发明公开了一种柱体盛土器16和偏向盛土器内的四片瓣状薄片17组成，所述瓣状薄片17采用弹性好的耐磨材料制备。

本实施例，自扶水平防倒装置同样设于托板18上，伺服电机11设于板壁支脚孔内并固定在托板18上并通过电线与主控模块进行连接，支脚10装配在伺服电机11上，通过支脚孔伸出机体1，通过三轴陀螺仪和主控模块的指令，起到起飞降落架和维持机体1水平的作用。

本实施例，防缠绕装置4设于螺旋桨保护罩内，包括电机、微型电动伸缩杆8、刀具9，电机固定在机翼下部，微型电动伸缩杆8与电机配合，通过电机带动固定在杆端的刀具9一起同轴转动，电机、微型电动伸缩杆8通过铺设于机翼下的电线与主控模块进行连接。

本实施例优选的，所述天线通过缆线和信号处理模块连接，处理接收到的控制命令。

本实施例优选的，所述图像处理模块与信号处理模块和主控模块进行连接，用于无人机的自动识别地面状况。

本实施例优选的，所述GPS模块与主控模块进行连接，用于无人机的定位以及自动返航。

本实施例优选的，所述机体1还搭载外接设备，所述外接设备为图像识别用的摄像头。

本实施例优选的，所述机体1内还设有Stm32H743，实时计算无人机的电量，若电量低于阈值，则放弃采样命令，采用自动返航模式；反之，则继续采样。

本发明的实施例还提供了一种自动土质采样无人机装置的控制方法，包括平地模式、斜坡模式、草地模式，

控制方法具体包括未起飞时通过数据线或者天线向主控模块传输采样地点，无人机通过GPS模块确定地点并飞行到采样地点实习采样，采样结束后自动返航回到起飞点。

平地模式通过图像识别相机将图像传到图像识别模块，判断降落点无草或草稀少，主控模块控制机体1下降，三轴陀螺仪判定此时位置处于水平，将信号传到主控模块，主控模块控制推杆电机带动采样器开始下压，同时螺旋桨5启动，维持机体1平衡，取样完成后，推杆电机回到原位。主控模块判断是否完成采样，若未完成，则飞到下一个采样点；若完成采样，则实行返航命令。

斜坡模式通过图像识别相机将图像传到图像识别模块，判断降落点无草或草稀少，主控模块控制机体1下降，三轴陀螺仪判定此时位置处于斜坡，将信号传到主控模块，主控模块控制伺服电机11调整支脚10直至机体1处于水平，执行平地模式。主控模块判断是否完成采样，若未完成，则飞到下一个采样点；若完成采样，则实行返航命令。

草地模式通过图像识别相机将图像传到图像识别模块，判断降落点草地茂盛，主控模块控制机体1下降，实时通过GPS判断机体1离地面的距离，当距离等于或者小于阈值时，控制微型电动伸缩杆8竖直向下伸长，同时启动刀具9，当支脚10触地时，刀具9停止运作，自动伸缩杆8收起，执行无人机位置调整模式。

无人机位置调整模式：

S1：主控模块根据三轴陀螺仪判断当前机体1处于斜坡处还是平地处。

S2：若机体1处于平地处，则采用平地模式采样。

S3： 若机体1处于斜坡处，则主控模块控制伺服电机11调整支脚10，直至主控模块判定机体1处于水平，执行S2。

自动脱困模式：

机体1进入飞行状态时，实时通过GPS 模块检测当前位置，并发送给主控模块，主控模块判断机体1是否在同一位置持续停滞，若是，主控模块启动刀具6，控制微型电动伸缩杆8伸缩，结束后通过三轴陀螺仪判定是否处于水平状态，若水平，则进入飞行状态，若不水平，则通过水平自扶防倒装置3扶正后进入飞行状态；反之，维持当前状态。

自动返航模式：

主控模块通过Stm32H743判断机体电量是否低于阈值，若低于阈值，则优先执行自动返航模式；反之，则继续采样。

本发明利用取样装置可以采取完整的柱形土样，从而解决了土壤样品完整性低，易混入大量腐殖质和碎石的问题；本发明使用了防缠绕装置，解决了易被草、藤类植物缠绕，无法返航和在运行或返航过程中避障装置未能成功避障，导致卡在树上无法行动的问题；本发明使用了一种自动控制无人机进行土质采样的方法，解决了需要人工操作的问题。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换或改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种自动土质采样无人机，包括机体（1）和四个设于机体上并成对称分布的螺旋桨（5）、电机（6）和分布在其周围的圆柱型保护罩（7）；其特征在于，还包括安装在机体（1）上的采样装置（2）、自扶水平防倒装置（3）和防缠绕装置（4）；所述机体内安装有三轴陀螺仪、电源模块、主控模块、GPS模块、信号处理模块、图像处理模块、避障模块、天线；

所述主控模块分别与三轴陀螺仪、电源模块、主控模块、GPS模块、信号处理模块、图像处理模块、避障模块、天线、电机（6）以及自扶水平防倒装置（3）连接；

所述采样装置（2）包括推杆电机（12）、托板（18）、采样器（15），所述采样器（15）通过螺纹与推杆电机连接，所述推杆电机（12）设于托板（18）上；

所述推杆电机（12）由板（13）、壳体（14）、推杆（21）、推杆套（22）、推杆套座（28）、限位台（23）、电机（24）、主动齿轮（25）、从动齿轮（26）组成，所述推杆（21）通过键（27）与从动齿轮（26）连接，所述推杆套（22）与推杆套座（28）通过圆柱销（29）连接，所述推杆套座（28）内设有螺纹与推杆（21）进行螺纹配合，所述限位台（23）由螺钉（30）固定于壳体（14）上；

所述自扶水平防倒装置（3）设有伺服电机（11）和支脚（10），所述伺服电机（11）通过缆线（19）与主控模块连接，所述缆线设于托板（18）上，通过托板（18）中间，由固定槽（20）固定；

所述防缠绕装置（4）设有微型电动伸缩杆（8），自动杆末端装有可旋转刀具（9）；

基于上述一种自动土质采样无人机的控制方法，包括平地模式、斜坡模式、草地模式，

所述平地模式通过图像识别相机将图像传到图像识别模块，判断降落点无草或草稀少，主控模块控制机体（1）下降，三轴陀螺仪判定此时位置处于水平，将信号传到主控模块，主控模块控制推杆电机带动采样器开始下压，同时螺旋桨（5）启动，维持机体（1）平衡，取样完成后，推杆电机回到原位；

所述斜坡模式通过图像识别相机将图像传到图像识别模块，判断降落点无草或草稀少，主控模块控制机体（1）下降，三轴陀螺仪判定此时位置处于斜坡，将信号传到主控模块，主控模块控制伺服电机（11）调整支脚（10）直至机体（1）处于水平，执行平地模式；

所述草地模式，通过图像识别相机将图像传到图像识别模块，判断降落点草地茂盛，主控模块控制机体（1）下降，实时通过GPS判断机体（1）离地面的距离，当距离等于或者小于阈值时，控制微型电动伸缩杆（8）竖直向下伸长，同时启动刀具（9），当支脚（10）触地时，刀具（9）停止运作，微型电动 伸缩杆（8）收起，执行无人机位置调整模式；

无人机位置调整模式：

S1：主控模块根据三轴陀螺仪判断当前机体（1）处于斜坡处还是平地处；

S2：若机体（1）处于平地处，则采用平地模式采样；

S3：若机体（1）处于斜坡处，则主控模块控制伺服电机（11）调整支脚（10），直至主控模块判定机体（1）处于水平，执行S2；

机体（1）进入飞行状态时，实时通过GPS 模块检测当前位置，并发送给主控模块，主控模块判断机体（1）是否在同一位置持续停滞，若是，主控模块启动刀具（9 ），控制微型电动伸缩杆（8）伸缩，结束后通过三轴陀螺仪判定是否处于水平状态，若水平，则进入飞行状态，若不水平，则扶正后进入飞行状态；反之，维持当前状态；

主控模块判断机体电量是否低于阈值，若低于阈值，则优先执行自动返航模式；反之，则继续采样。

2.根据权利要求1所述的一种自动土质采样无人机，其特征在于，所述采样器（15）由柱体盛土器（16）和偏向盛土器内的四片瓣状薄片（17）组成，所述瓣状薄片（17）采用弹性好的耐磨材料制备。

3.根据权利要求1所述的一种自动土质采样无人机，其特征在于，所述机体（1）还搭载图像识别相机、所述主控模块和图像识别模块与图像识别相机连接。

4.根据权利要求1所述的一种自动土质采样无人机，其特征在于，所述自扶水平防倒装置（3）的支脚（10）底部采用耐磨橡胶制备。

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