CN112697511A - 一种耦合无人机的飞艇水样采集平台 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种耦合无人机的飞艇水样采集平台，包括无人飞艇以及多旋翼无人机。多旋翼无人机顶部加载有水样采集舱，无人飞艇底部挂载对接组件；对接组件包括对接连接组件、抽水管路组件、电源输出口；水样采集舱包括储水槽、水样采集组件、无人机受电接口；多旋翼无人机的水样采集舱与无人飞艇的对接组件进行对接时，对接连接组件用于固定连接水样采集舱，抽水管路组件用于从储水槽中抽取水样，电源输出口用于与无人机受电接口对接进行无人机充电。本发明结合无人飞艇航程长、载重大，而多旋翼电动无人机飞行姿态稳定、机动灵活的特点，能用于大型浅水湖泊、水库及近岸浅水海域水样高效采集。

Description

一种耦合无人机的飞艇水样采集平台
技术领域
本发明涉及一种耦合无人机的飞艇水样采集平台。
背景技术
为修复严重富营养化的湖泊生态系统，我国近年来投入巨资对太湖、巢湖、滇池等大型湖泊开展生态治理。然而，水生态系统的复杂性决定了要成功实现湖泊生态修复并非一日之功。在长期的水体生态治理过程中，水环境监测是系统评估水污染治理成效，并准确制定后续针对性治理措施的关键。不过，水环境监测需要大量投入人力、物力、财力，主要流程包括由专业人员乘坐船只到指定水域，使用便携式水质检测设备现场测定pH、溶解氧、电导率、水温、透明度等常规理化指标，同时使用采水器采集水样带回实验室测定水体氮、磷、化学需氧量等指标。总体来看上述水环境监测工作存在以下几点问题：水上航行能耗大、耗时长，采样效率相对低下；采样所需时间较长，造成数据的空间差异易受采样时间差异的影响；在深水区域，人员安全风险大；而在浅水区域，驱动船只的马达难以正常工作，即使采到水样也易受航行干扰。为解决上述问题，已有的方案是构建永久性水环境监测台站，在台站中布设主要水质理化参数监测仪器设备，并通过数据传输设备实时获取各台站水环境数据。然而，该方案永久台站建设投入成本太高，而且每个台站都需要重复购置水质理化参数监测仪器设备，往往无法根据科学评估需要在监测水域布置足够数量的监测台站。
由于无人飞艇不需要专用起降跑道，具有飞行高度高、滞空时间长、可在空中悬停等优点，而且其载重大、易维护、寿命长，已被广泛用于旅游探险、航空摄影、环境监测等方面，然而无人飞艇一般航速较慢，且上升与下降过程需要重放氦气，机动性较差。与无人飞艇相比，多旋翼电动无人机飞行姿态稳定、机动灵活、安全性高、成本低，在上述三方面同样具有很大应用前景，不过，多旋翼电动无人机续航时间仅为30分钟左右，其航程较短的问题一直未能解决。为延长多旋翼电动无人机航程，在陆地上操作时，多旋翼电动无人机可采取中途降落到地面更换电池的方式，然而在大型湖泊、水库及近岸海域，中途更换电池操作难度较高，极大的限制了在相关领域的实际应用。
结合无人飞艇航程长、载重大，而多旋翼电动无人机飞行姿态稳定、机动灵活的特点，构建飞艇与无人机耦合系统可延长航程、提高机动性，在大型水域样品采集方面具有较大应用前景。
发明内容
发明目的：针对上述现有技术，提出一种耦合无人机的飞艇水样采集平台，具有滞空时间长、采样效率高的优点，能用于大型浅水湖泊、水库及近岸浅水海域水样高效采集。
技术方案：一种耦合无人机的飞艇水样采集平台，包括无人飞艇以及多旋翼无人机；所述多旋翼无人机顶部加载有水样采集舱，所述无人飞艇底部挂载对接组件；所述对接组件包括对接连接组件、抽水管路组件、电源输出口；所述水样采集舱包括储水槽、水样采集组件、无人机受电接口；所述多旋翼无人机的水样采集舱与所述无人飞艇的对接组件进行对接时，所述对接连接组件用于固定连接所述水样采集舱，所述抽水管路组件用于从所述储水槽中抽取水样，所述电源输出口用于与所述无人机受电接口对接进行无人机充电。
进一步的，所述无人飞艇上还设有水质分析模块，用于对所述抽水管路组件抽取的水样进行检测。
进一步的，所述无人飞艇上还设有水样储存模块，用于储存所述抽水管路组件抽取的水样。
进一步的，所述无人飞艇上还设有信号中继模块，用于所述多旋翼无人机飞离陆基台站监控范围时提供信号支撑服务。
进一步的，所述无人飞艇上还设有图像采集模块，用于对水面环境进行拍摄。
进一步的，所述无人飞艇上还设有数据传输系统，用于通过5G网络将所述水质分析模块测试结果远程传输至地面监测台站。
进一步的，所述水质分析模块包括基于探头的检测器，用于测试pH、溶解氧浓度、电导率、盐度、氧化还原点位、浊度、叶绿素浓度与总悬浮物指标；基于自动化取样比色的化学分析仪，用于测试氨氮、硝态氮、亚硝态氮、磷酸盐、硅酸盐、总氮与总磷指标；基于光学显微成像的浮游生物流式细胞仪，用于分析浮游生物组成与生物量。
进一步的，所述水样采集舱包括圆柱形壳体，所述圆柱形壳体内设有中央转轴，所述圆柱形壳体上套接储水槽，所述储水槽包括沿中央转轴周侧设置的多个舱室，所述圆柱形壳体底部设有驱动所述中央转轴旋转，并带动储水槽沿轴旋转的驱动机构，所述圆柱形壳体的侧壁上设有进水口；所述中央转轴顶部设有磁吸式受电接口，所述磁吸式受电接口与多旋翼无人机电池模块电连接；所述圆柱形壳体的顶部设有舱盖，所述中央转轴的顶部穿出所述舱盖。
进一步的，所述对接组件包括对接时固定所述圆柱形壳体的连接机构，从所述舱盖顶部伸入到所述储水槽的抽水机构，与所述磁吸式受电接口对接的电源输出口。
有益效果：本发明的一种耦合无人机的飞艇水样采集平台，结合无人飞艇航程长、载重大，而多旋翼电动无人机飞行姿态稳定、机动灵活的特点，能用于大型浅水湖泊、水库及近岸浅水海域水样高效采集。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为水样采集舱结构示意图；
图3为舱盖结构示意图；
图4为对接组件结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做更进一步的解释。
一种耦合无人机的飞艇水样采集平台，包括无人飞艇以及多旋翼无人机。
无人飞艇由充气式艇体、蓄电池组、太阳能电池板、电源管理系统、X型尾翼、载荷舱、对接组件组成。艇体呈流线形，采用半硬式的结构方案，艇体采用氦气囊和外蒙皮双重结构。飞艇飞行动力与控制及搭载设备所需电力由蓄电池组提供，并可由覆盖于飞艇顶部蒙皮的太阳能薄膜阵列补充。太阳能薄膜阵列是柔性薄膜电池，采用铜铟镓硒、碲化镉、砷化镓等材料制成，贴合在飞艇上表面，把太阳能转换成电能供艇上设备和推进装置使用，多余电能储存于蓄电池组内。电源管理系统可对蓄电池组电力的输入和输出进行优化控制。通过操纵X型尾翼四个舵面，控制飞艇航向，并保证飞艇的横向和纵向稳定性。
如图1所示，无人飞艇底部挂载对接组件，对接组件包括对接连接组件、抽水管路组件、电源输出口。多旋翼无人机为具有一定载荷的商用机，多旋翼无人机顶部加载有水样采集舱，水样采集舱包括储水槽、水样采集组件、无人机受电接口。多旋翼无人机的水样采集舱与无人飞艇的对接组件进行对接时，对接连接组件用于固定连接水样采集舱。抽水管路组件用于从储水槽中抽取水样。电源输出口用于与无人机受电接口对接进行无人机充电。
具体的，如图2所示，水样采集舱包括圆柱形壳体11，圆柱形壳体11外侧壁上设有固定式卡条9和收缩式卡块10，固定式卡条9用于与无人飞艇底部的对接组件精准对接，收缩式卡块10用于将水样采集舱固定在对接组件上。圆柱形壳体11内设有中央转轴6，圆柱形壳体11上套接储水槽7，储水槽7包括沿中央转轴6周侧设置的偶数个舱室，圆柱形壳体11底部设有驱动中央转轴6旋转的驱动机构，如电机，可带动包含多个舱室的储水槽7以中央转轴6为轴心转动。圆柱形壳体11的侧壁上设有进水口，通过管路连接到无人机底部的取水泵。中央转轴6顶部设有磁吸式受电接口12，磁吸式受电接口12与多旋翼无人机电池模块连接。圆柱形壳体11的顶部设有如图3所示的舱盖13，中央转轴6的顶部穿出舱盖13，舱盖13顶部还设有便于抽水管插入的开孔14。
无人飞艇底部的对接组件包括对接时固定圆柱形壳体11的连接机构，从舱盖13顶部伸入到储水槽7的抽水机构，与磁吸式受电接口12对接的电源输出口。具体的，如图4所示，连接机构由位于中央的对接杆201以及位于对接杆201周侧的对接环202组成，对接杆201的末端侧面设有两个卡扣203，用于与多旋翼无人机水样采集舱对接。对接环202上设有与固定式卡条9和收缩式卡块10配合的卡槽。对接环202内设有若干根能够从舱盖13顶部预留开孔14穿入的抽水管204。电源输出口205位于对接杆201顶端，与中央转轴6顶部的磁吸式受电接口12对接。对接组件整体倒扣固定在无人飞艇底部，根据需要可设置一个或多个对接组件。
无人飞艇载荷舱还搭载水质分析模块、水样储存模块、信号中继模块、图像采集模块、数据传输系统。水质分析模块用于对抽水管路组件抽取的水样进行检测，包括基于探头的检测器，用于测试pH、溶解氧浓度、电导率、盐度、氧化还原点位、浊度、叶绿素浓度、与总悬浮物等指标。此外，根据需要还可选配氮、磷和化学需氧量等大型自动化学分析测试模块，以及浮游生物流式细胞仪等大型自动光学显微成像模块。水样储存模块用于储存抽水管路组件抽取的水样，以便带回实验室进行后续深度分析或抽样核查。信号中继模块可在无人机飞离陆基台站监控范围时提供信号支撑服务。图像采集模块用于对采样区域进行高空拍摄，用于掌握调查水域水面环境状况，如水华、赤潮或绿潮面积，风浪大小等。图像采集模块还可用于无人飞艇与无人机对接过程监视，以及视距范围内无人机采样过程监视。数据传输系统可通过5G网络将测试结果远程传输至地面监测台站。
本发明的水样采集平台工作时，首先调取取样水域(如大型浅水湖泊、水库或近岸浅水海域)卫星图，按照GB/T 14581-1993湖泊和水库采样技术指导或GB 17378.3-2007海洋监测规范(第3部分：样品采集、贮存与运输)要求，设定采样点地理坐标，确定需要搭载无人机数目，并通过远程自动控制系统进行无人飞艇及其搭载无人机的航迹规划。
根据航迹规划无人机采样飞行的最优方案，待无人飞艇到达指定位置后在空中悬停，释放搭载的无人机，多旋翼无人机自动飞往第一采样点进行采集水样后返回对接，对接后将水样转存至水样储存模块后，无人机完成电量补充后进行下一预定位置的采样。
具体的，无人机飞至指定采样点后，调整高度至安全范围内，无人机底部的取水泵开始工作，通过释放连接的取水管采集水样，并从圆柱形壳体11的侧壁上的进水口输入储水槽7中舱室。为保证无人机飞行平衡，通过旋转中央转轴6带动包含多个舱室的储水槽7以中央转轴6为轴心低速转动，将所采集水样均匀储存在储水槽7的偶数个对称舱室内，保证储水槽平衡，提高无人机飞行安全性。储水槽7的舱室内设有水位传感器，达到设定水位后，取水泵自动停止。根据无人机剩余电量以及空载舱室数目，结合航迹规划，可开展邻近多站位连续水样采集。
无人飞艇与多旋翼无人机对接时，多旋翼无人机处于悬停状态，仅做水平方向位置微调，使得搭载的水样采集舱的中央轴6与无人飞艇对接组件中的对接杆201无限接近。当中央轴6与对接杆201成功对接后，中央转轴6顶部的磁吸式受电接口12与电源输出口205相连，无人飞艇电源管理系统可获取多旋翼无人机剩余电量数据，并可为其充电。同时，对接杆201上的卡扣203自动放下，锁紧水样采集舱。然后，对接成功的对接杆201与中央轴6带动水样采集舱外的固定式卡条9对准并进入对接环202上卡槽，待收缩式卡块10伸入卡槽后，无人机旋翼停止转动。同时，抽水管204将多旋翼无人机储水槽7中水样传输至无人飞艇载荷舱内的水质分析模块与储存模块。当水样传输完毕后，无人飞艇上储存的纯净水经抽水管204输入多旋翼无人机储水槽7各舱室，用于储水槽清洗，清洗完后从储水槽中抽回。当水样转运与储水槽清洗完成后，需要继续采集水样时，无人机旋翼恢复转动，对接杆带着无人机脱离对接环固定后，对接杆上卡扣收回，释放无人机。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种耦合无人机的飞艇水样采集平台，其特征在于，包括无人飞艇以及多旋翼无人机；所述多旋翼无人机顶部加载有水样采集舱，所述无人飞艇底部挂载对接组件；所述对接组件包括对接连接组件、抽水管路组件、电源输出口；所述水样采集舱包括储水槽、水样采集组件、无人机受电接口；所述多旋翼无人机的水样采集舱与所述无人飞艇的对接组件进行对接时，所述对接连接组件用于固定连接所述水样采集舱，所述抽水管路组件用于从所述储水槽中抽取水样，所述电源输出口用于与所述无人机受电接口对接进行无人机充电。
2.根据权利要求1所述的耦合无人机的飞艇水样采集平台，其特征在于，所述无人飞艇上还设有水质分析模块，用于对所述抽水管路组件抽取的水样进行检测。
3.根据权利要求1所述的耦合无人机的飞艇水样采集平台，其特征在于，所述无人飞艇上还设有水样储存模块，用于储存所述抽水管路组件抽取的水样。
4.根据权利要求1所述的耦合无人机的飞艇水样采集平台，其特征在于，所述无人飞艇上还设有信号中继模块，用于所述多旋翼无人机飞离陆基台站监控范围时提供信号支撑服务。
5.根据权利要求1所述的耦合无人机的飞艇水样采集平台，其特征在于，所述无人飞艇上还设有图像采集模块，用于对水面环境进行拍摄。
6.根据权利要求2所述的耦合无人机的飞艇水样采集平台，其特征在于，所述无人飞艇上还设有数据传输系统，用于通过5G网络将所述水质分析模块测试结果远程传输至地面监测台站。
7.根据权利要求2所述的耦合无人机的飞艇水样采集平台，其特征在于，所述水质分析模块包括基于探头的检测器，用于测试pH、溶解氧浓度、电导率、盐度、氧化还原点位、浊度、叶绿素浓度与总悬浮物指标；基于自动化取样比色的化学分析仪，用于测试氨氮、硝态氮、亚硝态氮、磷酸盐、硅酸盐、总氮与总磷指标；基于光学显微成像的浮游生物流式细胞仪，用于分析浮游生物组成与生物量。
8.根据权利要求1-7所述的耦合无人机的飞艇水样采集平台，其特征在于，所述水样采集舱包括圆柱形壳体(11)，所述圆柱形壳体(11)内设有中央转轴(6)，所述圆柱形壳体(11)上套接储水槽(7)，所述储水槽(7)包括沿中央转轴(6)周侧设置的多个舱室，所述圆柱形壳体(11)底部设有驱动所述中央转轴(6)旋转的驱动机构，所述圆柱形壳体(11)的侧壁上设有进水口；所述中央转轴(6)顶部设有磁吸式受电接口(12)，所述磁吸式受电接口(12)与多旋翼无人机电池模块电连接；所述圆柱形壳体(11)的顶部设有舱盖(13)，所述中央转轴(6)的顶部穿出所述舱盖(13)。
9.根据权利要求8所述的耦合无人机的飞艇水样采集平台，其特征在于，所述对接组件包括对接时固定所述圆柱形壳体(11)的连接机构，从所述舱盖(13)顶部伸入到所述储水槽(7)的抽水机构，与所述磁吸式受电接口(12)对接的电源输出口。
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