CN112985893B - 一种基于无人机的地表采样装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于无人机的地表采样装置。一种基于无人机的地表采样装置，包括设有卷线轮的装置主体，卷线轮上卷绕有卷扬绳；卷线轮具有供卷扬绳卷绕的绕线槽，卷线轮包括两个轮体，两个轮体通过各自的转轴转动设置；以卷线轮的轴向为左右方向，两个轮体沿左右方向排列，两个轮体对接形成绕线槽；两个轮体的至少一个沿左右方向活动设置在装置主体上，使得两轮体能够相互分离并形成放线间隔，放线间隔用于释放卷绕在卷线轮上的卷扬绳，使得取样器能够在自身重力的作用下被抛出，以抛投的方式实现放线；装置主体上设有用于驱动相应轮体左右运动的伸缩驱动装置。上述方案解决了取样效率低下的问题。

Description

一种基于无人机的地表采样装置

技术领域

本发明涉及一种基于无人机的地表采样装置。

背景技术

水资源是人类社会存在的基础要素，水环境监测为合理利用水资源、防范环境风险，稳妥处置突发水环境污染事件，提高执法管理的水平提供了基础性的技术支撑。对地表水体进行采样是水环境监测工作的起点。

近年来随着无人机的快速发展，基于无人机的地表水采样成为可能。与传统人工采样相比，无人机可以适应复杂的环境，能够深入人员无法到达的湖泊或是河流进行采样分析，有助于保证最后检测结果的全面性；与静态监测网络相比，无人机可以进行灵活的水样采集，加强重点区域巡检力度。然而需要注意的是，目前基于无人机的地表水体采样主要是利用通过电机转动实现取样器的下落和上升，需要多次采样时效率低下。

另外，在某些情况下，也需要通过无人机对地表的土壤进行取样。

现有的一种基于无人机的地表采样装置，例如授权公告号为CN104340364B的中国专利公开的一种农用多旋翼无人机，用于对土壤或水体进行取样，包括卷扬机构和取样器（即上述专利中的取样探头），取样器上设有配重，通过卷扬绳连接到卷扬机构中的卷线轮上，使用时卷线轮转动以上提和下放取样器。但是，在取样器下落时，需要利用探头自重来带动卷线轮转动，采样效率低下，特别是在需要多次采样时上述问题更加突出。再如授权公告号为CN208366671U的中国专利，采用将水管卷绕在水管收卷模块上的方式实现水管下端的提升和下放，并利用水泵抽水实现取样，水管的上提和下放的过程中同样存在上述采样效率低下的问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于无人机的地表采样装置，以解决取样器下放效率低下的问题。

为了解决上述问题，本发明中地表采样装置的技术方案为：

一种基于无人机的地表采样装置，包括装置主体，装置主体上设有卷线轮，卷线轮上卷绕有卷扬绳，卷扬绳的一端与卷线轮固定，另一端连接有取样器；

所述卷线轮上设有绕线槽，绕线槽供所述卷扬绳卷绕；

所述卷线轮包括两个轮体，以卷线轮的轴向为左右方向，两个轮体沿左右方向排列，所述绕线槽由两个轮体对接形成，两个轮体通过各自的转轴转动设置；

两个轮体的至少一个沿左右方向活动设置在装置主体上，使得两轮体能够相互分离并形成放线间隔，放线间隔用于释放卷绕在卷线轮上的卷扬绳以使取样器被抛出；

所述装置主体上设有用于驱动相应的轮体左右运动的伸缩驱动装置。

有益效果：卷线轮上的绕线槽由两个轮体对接形成，通过伸缩驱动装置的驱动能够实现绕线槽的分离和对接，两轮体相互分离时能够形成放线间隔，放线间隔用于释放卷绕在卷线轮上的卷扬绳，使得取样器能够在自身重力的作用下被抛出，以抛投的方式实现放线；相比于现有技术中通过卷线轮的转动实现取样器的下放，卷扬绳能够被取样器直接拉直、展开，而不是依靠卷线轮的转动以放卷的形式展开，下放速度快、效率高，有利于增加无人机的有效续航时间，并且便于取样器快速冲击取样，便于样品装入取样器内。

作为优选的技术方案，所述绕线槽的槽壁为倾斜槽壁，倾斜槽壁所形成的外圆面的直径由卷线轮的左右两侧向中间逐渐减小。

本发明的有益效果：在下放取样器时，采用倾斜槽壁更有利于卷扬绳的滑落，使取样器的下放更加顺利。

作为优选的技术方案，所述轮体用于形成绕线槽的部分为圆台形状，用于形成V形绕线槽。

有益效果：绕线槽结构简单，制造方便，更有利于卷扬绳的顺利滑落。

作为优选的技术方案，其中一个轮体为转动轮体，仅能够通过转轴转动，该转动轮体连接有驱动电机，驱动电机用于驱动轮体转动；另一个轮体为活动轮体，活动轮体沿左右方向可活动地设置。

有益效果：在采样完成进行拉升时，两个轮体封闭，转动轮体带动活动轮体转动，两个轮体一起转动，有利于提升收线时的可靠性，并且能够实现驱动电机和伸缩驱动装置的分开设置，合理利用空间，并有利于重心的平衡。

作为优选的技术方案，沿左右方向活动设置的轮体的转轴设置在所述伸缩驱动装置的输出端上。

有益效果：绕线槽采用该方案能够通过简单的结构实现轮体的左右运动。

作为优选的技术方案，所述伸缩驱动装置为电磁铁装置。

有益效果：电磁铁装置反应迅速，能够快速将两个轮体分离，更有利于提升放线时的效率。

作为优选的技术方案，所述装置主体包括无人机固定架，无人机固定架包括横向固定杆和纵向固定杆，纵向固定杆固定在两只横向固定杆之间；纵向固定杆的两端设有沿纵向延伸的长孔，横向固定杆的两端设有沿横向延伸的长孔。

有益效果：纵向固定杆的两端设有沿纵向延伸的长孔，横向固定杆的两端设有沿横向延伸的长孔，在安装无人机固定架时，长孔可以用来调节安装余量，用来适配不同大小的无人机。

作为优选的技术方案，所述纵向固定杆设有左右两只，各纵向固定杆上分别固定有一只固定支架，两固定支架沿左右方向排布，两轮体分别设置在两个固定支架上。

有益效果：采用固定支架的形式结构简单，有利于减轻重量。

作为优选的技术方案，所述卷扬绳固定在其中一个轮体上。

有益效果：卷扬绳固定在其中一个轮体上能够形成偏心结构，避免卷扬绳被夹到两个轮体之间，在采样完成进行拉升时，卷扬绳随一个轮体转动卷绕到轮体形成的绕线槽内，便于提升取样器。

作为优选的技术方案，所述轮体上设有卷扬绳连接螺钉，所述卷扬绳固定在卷扬绳连接螺钉上。

有益效果：将卷扬绳固定在连接螺钉上，不仅实现了卷扬绳的收放，而且在检修和维护时也能够方便地拆卸。

附图说明

图1为本发明中一种基于无人机的地表采样装置的一个实施例的整体示意图；

图2为无人机固定支架的结构示意图；

图3为下放提升装置抛投状态时的示意图；

图4为下放提升装置绕线状态时的示意图；

图5为轮体二的放大图；

图6为容器主体的示意图；

图7为容器连接座的剖视图；

图8为容器主体上盖板的示意图；

图9为容器连接座的俯视图；

图10为密封球的结构示意图。

附图中，1-无人机固定架；2-下放提升装置；3-连接环；4-容器主体；5-容器连接座；6-密封球；101-纵向固定杆；102-横向固定杆；103-安装孔一；104-安装孔二；105-长孔；106-安装孔三；201-固定支架一；202-固定支架二；203-轮体一；204-轮体二；205-电磁驱动装置；206-驱动电机；207-伸缩主轴；208-驱动转轴；209-紧固螺丝；210-卷扬绳；401-上盖板；402-安装孔；403-容器颈；404-连接环穿孔；405-顶部进水孔；406-扎带；500-滤片；501-转接螺纹一；502-转接螺纹二；503-底部进水孔；504-导向孔；601-提拉件；602-上半球；603-下半球。

具体实施方式

本发明中一种基于无人机的地表采样装置的一个实施例如图1至图10所示，包括无人机固定架1、下放提升装置2、连接环3及取样器。

下放提升装置2如图3至图5所示，包括固定支架一201、固定支架二202、轮体一203、轮体二204、电磁驱动装置205、驱动电机206、伸缩主轴207、驱动转轴208、紧固螺丝209和卷扬绳210。

固定支架一201上端固定在纵向固定杆101的安装孔一103上，固定支架二202上端固定在纵向固定杆101的安装孔二104上，固定支架一201右端上安装有电磁驱动装置205，电磁驱动装置205为电磁铁，构成伸缩驱动装置。伸缩主轴207固定在电磁驱动装置205上的铁芯上，跟随铁芯伸缩以驱动伸缩主轴207左右运动。伸缩主轴207右端转动装配有轮体一203，轮体一203为圆台形的盘状轮体。

固定支架二202左端设有驱动电机206，驱动电机206包括驱动转轴208，轮体二204固定在驱动转轴208上，驱动电机206转动带动驱动转轴208使轮体二204转动。图5为轮体二204的放大图，轮体二204同样为圆台形的盘状轮体。轮体二204的倾斜槽壁上安装有一个紧固螺丝209，紧固螺丝209形成卷扬绳连接螺钉，用于固定装卷扬绳210。

连接环3设置在下放提升装置2和取样器之间，用于连接卷扬绳210和提拉件601。本实施例中提拉件601为钢丝绳。

无人机固定架如图2所示，无人机固定架包括两根横向固定杆102和两根纵向固定杆101，两根横向固定杆102设置在两根纵向固定杆101的两端。所有固定杆的两端均设有沿固定杆轴线方向伸长的长孔105。两根横向固定杆102靠近长孔105位置还分别设置有两个安装孔三106，螺钉穿过两根横向固定杆102上的四个安装孔三106和两根纵向固定杆101上的四个长孔105将两根纵向固定杆101固定在两根横向固定杆102之间；两根纵向固定杆101中部分别设有安装孔一103和安装孔二104，用于连接采样装置的固定支架一201和固定支架二202。在安装无人机固定架时，长孔可以用来调节安装余量，用来适配不同大小的无人机。

取样器包括容器主体4、容器连接座5和密封球6，容器主体4的具体结构如图6所示，容器主体4的上部为圆柱形、下部为倒圆锥形。容器主体4的几何尺寸应保证容器主体4的高度和圆柱部分直径比例在2到2.6之间，以更好地实现取水容器的自扶正功能。容器主体4的倒圆锥形末端具有容器颈403，用于连接容器连接座5；容器主体4的顶端设有开口，开口处设有上盖板401。如图8所示，上盖板401中心设有提拉件穿孔404，连接环3直径大于提拉件穿孔404直径，形成挡止结构；提拉件穿孔404的四周还有若干底部进水孔405，上盖板401的边缘有若干根扎带406，穿过容器主体4的顶端的安装孔402，将上盖板401固定在容器主体4的顶部。

容器连接座5的具体结构如图7所示，容器连接座5供容器主体4底端的容器颈403连接，容器连接座5的中心设有轴向通孔，轴向通孔为台阶孔，包括位于上部的大径段和位于下部的小径段。大径段的内壁上设有内螺纹，形成转接螺纹一501；小径段的上半部分的内壁上设有内螺纹，形成转接螺纹二502，转接螺纹一501和转接螺纹二502分别用来连接容器颈403尺寸不同的容器主体4。小径段的下部开口形成底部进水口，取样时供水样进入取样器内。如图9所示，小径段的轴向中部固定有滤片500，滤片500的中心设有导向孔504，导向孔504形成提拉件穿孔，供提拉件601穿过。导向孔504的四周还有若干底部进水孔503，底部进水孔503能够供水样进入并能够过滤掉较大的异物。

密封球6的结构如图10所示，密封球6的外壳采用弹性材料，例如橡胶、硅胶等，密封球6由上半球602和下半球603构成，上半球602上端固定有转接环，转接环连接有上述提拉件601，为了避免转接环与导向孔504干涉，转接环的直径应小于导向孔504的直径。当然，其他实施例中，也可以不设置转接环，使提拉件601直接与密封球连接。上述提拉件601为钢丝绳，钢丝绳的上端穿过提拉件穿孔404和连接环3连接；下半球603和上半球602闭合时形成空腔，内部可以放置物体用来配重，保证使用时密封球6沉入水中，不阻挡水样流入容器主体4，并且能够拉直卷扬绳，使卷扬绳对取样容器起到逐渐扶正的作用，使水更快地装入容器主体内，提高取样速度。使用时，上半球602的顶部形成密封凸起，提拉件601拉动密封球6使上半球602的顶部与容器连接座5底部结合形成密封，封堵进水口，起到阀门的作用。

在使用时，使用者首先通过无人机固定架1将取样装置固定在无人机上。采样工作开始时采样人员通过远程控制器进行遥控，控制无人机飞行，在无人机到达目标区域后，悬停在水面上方，远程控制器发出采样指令，控制下放提升装置2中的电磁驱动装置205接通电源，伸缩主轴207随之收缩，将轮体一203和轮体二204分离，形成放线间隔x，原本缠绕在轮体一203和轮体二204形成的绕线槽上的卷扬绳210迅速滑落，以此实现取样器的快速抛投。待完成抛投后，控制电磁驱动装置205断电，伸缩主轴207处于伸出状态，轮体一203和轮体二204重新闭合构成绕线槽，如图4所示。当取样器开始取样时，密封球6带动连接环3下沉，连接环3所形成的挡止结构带动取水容器4下降进行取水，水样从取样器的底部进水孔503进入容器主体4，当水注满后，由于容器主体4的结构特性使得重心发生变化，容器主体4的位置调整为圆柱段在上，倒圆锥段在下的自扶正状态。采样完成后，采样人员利用远程控制器控制驱动电机206转动，带动卷扬绳210缠绕在绕线槽上，卷扬绳210带动密封球6上升，密封球6上半球602与容器连接座5底面的球形凹槽结合后形成密封配合，保证水样存储在容器主体4中。当容器主体4的顶端露出水面时，控制驱动电机206停止转动，无人机携带水样返回，完成一次水样采集。

在本实施例中，轮体的槽壁为倾斜槽壁，倾斜槽壁所形成的外圆面的直径由卷线轮的左右两侧向中间逐渐减小，两轮体组合形成V形绕线槽。在其他实施例中，也可以将绕线槽壁设置成弧形，使得两轮体组合成其他形状的绕线槽，如U形绕线槽。另外，在其他实施例中，绕线槽也可以完全采用圆柱形卷绕面，或者部分采用圆柱形卷绕面，以适应于较粗的卷扬绳、增加卷绕长度；此时，为了更好地使卷扬绳顺利滑落，可以适当增大轮体的移动行程，形成较大的放线间隔。

在本实施例中，只有左端的轮体可以沿轴线方向收缩和伸出。在其他实施例中，两端的轮体均可以设置为能够沿轴线方向收缩和伸出的形式，或者，仅将右端的轮体设置成能够沿轴线方向收缩和伸出的形式。

在本实施例中，通过电磁铁控制伸缩主轴207进行伸缩运动。在其他实施例中，可以通过其他方式来实现伸缩主轴207的伸缩，例如气缸。

在本实施例中，电磁驱动装置205与驱动电机206设置在两个轮体的两侧，分别用于实现伸缩主轴的伸缩以及卷线轮的转动，从而实现采样器的快速抛投和提升。在其他实施例中，也可以将电磁驱动装置205和驱动电机设置206在轮体的同一侧，对应于其中一只轮体设置，此时另一只轮体可以仅转动设置。

需要说明的是，上述实施例中的地表采样装置用于对水体进行取样，在其他实施例中，本发明中的地表采样装置也可以用于对土壤进行取样，通过卷线轮轮体的开合，能够实现取样器的“抛投”，从而更容易地取得土样。

Claims (10)

1.一种基于无人机的地表采样装置，包括装置主体，装置主体上设有卷线轮，卷线轮上卷绕有卷扬绳，卷扬绳的一端与卷线轮固定，另一端用于连接取样器；

其特征在于：

所述卷线轮上设有绕线槽，绕线槽供所述卷扬绳卷绕；

所述卷线轮包括两个轮体，以卷线轮的轴向为左右方向，两个轮体沿左右方向排列，所述绕线槽由两个轮体对接形成，两个轮体通过各自的转轴转动设置；

两个轮体的至少一个沿左右方向活动设置在装置主体上，使得两轮体能够相互分离并形成放线间隔，放线间隔用于释放卷绕在卷线轮上的卷扬绳以使取样器被抛出；

所述装置主体上设有用于驱动相应的轮体左右运动的伸缩驱动装置。

2.根据权利要求1所述的基于无人机的地表采样装置，其特征在于：所述绕线槽的槽壁为倾斜槽壁，倾斜槽壁所形成的外圆面的直径由卷线轮的左右两侧向中间逐渐减小。

3.根据权利要求2所述的基于无人机的地表采样装置，其特征在于：所述轮体用于形成绕线槽的部分为圆台形状，用于形成V形绕线槽。

4.根据权利要求1-3任一项所述的基于无人机的地表采样装置，其特征在于：其中一个轮体为转动轮体，仅能够通过转轴转动，该转动轮体连接有驱动电机，驱动电机用于驱动轮体转动；另一个轮体为活动轮体，活动轮体沿左右方向可活动地设置。

5.根据权利要求1-3任一项所述的基于无人机的地表采样装置，其特征在于：沿左右方向活动设置的轮体的转轴设置在所述伸缩驱动装置的输出端上。

6.根据权利要求5所述的基于无人机的地表采样装置，其特征在于：所述伸缩驱动装置为电磁铁装置。

7.根据权利要求1-3任一项所述的基于无人机的地表采样装置，其特征在于：所述装置主体包括无人机固定架，无人机固定架包括横向固定杆和纵向固定杆，纵向固定杆固定在两只横向固定杆之间；

纵向固定杆的两端设有沿纵向延伸的长孔，横向固定杆的两端设有沿横向延伸的长孔。

8.根据权利要求7所述的基于无人机的地表采样装置，其特征在于：所述纵向固定杆设有左右两只，各纵向固定杆上分别固定有一只固定支架，两固定支架沿左右方向排布，两轮体分别设置在两个固定支架上。

9.根据权利要求1-3任一项所述的基于无人机的地表采样装置，其特征在于：所述卷扬绳固定在其中一个轮体上。

10.根据权利要求9所述的基于无人机的地表采样装置，其特征在于：所述轮体上设有卷扬绳连接螺钉，所述卷扬绳固定在卷扬绳连接螺钉上。