CN113267369A - 一种地质勘探用环境监测设备及土壤采样方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种地质勘探用环境监测设备及土壤采样方法，属于地质环境监测领域，一种地质勘探用环境监测设备，包括机身、机翼，所述机身外壁且位于前侧和后侧的位置固定连接有机翼，所述机身底侧且位于靠近右侧的位置固定连接有温湿度传感器，它可以实现，通过第二伺服电机工作，第二伺服电机带动第二液压伸缩臂转动，同时第二液压伸缩臂伸出，同时第二液压伸缩臂带动钻刀转动并在采样点钻洞，钻刀转动的同时会将周围的的土样沿着钻刀向上输送进入采样管，当输送到输样管的位置时，会沿着输样管下滑落入采样瓶，这样可以实现在对高山和地势复杂的区域取样时，提高采样效率，降低采样人员采样时的人身风险。

Description

一种地质勘探用环境监测设备及土壤采样方法

技术领域

本发明涉及地质环境监测领域，更具体地说，涉及一种地质勘探用环境监测设备及土壤采样方法。

背景技术

地质环境监测是通过监测装置上设置的土壤元素检测器和温湿度传感器对土壤进行监测，通过设置土壤取样器对土壤进行采集、成分分析，现有的监测装置上的土壤取样器适合在地势较为平缓的区域进行取样，在高山和地势复杂的区域还是需要人工取样，这样一方面降低了工作效率，另一方面在对高山和地势复杂的区域取样时对工作人员的安全造成了影响。

发明内容

1.要解决的技术问题

针对现有技术中存在的问题，本发明的目的在于提供一种地质勘探用环境监测设备及土壤采样方法，它可以实现在对高山和地势复杂的区域取样时，提高采样效率，降低采样人员采样时的人身风险；此外，现有的地质采样无人机，采样挖取的方式取样，无法对坚硬岩石进行取样，例如 CN106516118A、CN206270075u、CN206615394U等；或者采样钻头进行取样，而缺乏固定装置，可能在寅自身重量将其而无法钻入坚硬岩石，例如 CN107235146A、CN110160824A

2.技术方案

为解决上述问题，本发明采用如下的技术方案。

一种地质勘探用环境监测设备，包括机身、机翼，所述机身外壁且位于前侧和后侧的位置固定连接有机翼，所述机身底侧且位于靠近右侧的位置固定连接有温湿度传感器，所述机身底侧且位于温湿度传感器左方的位置固定连接有雷达探索器，所述机身底侧且位于雷达探索器左方的位置固定连接有摄像头，所述机身底侧且位于紧靠外壁的位置均匀固定连接有支撑腿，所述支撑腿底部固定连接有固定装置，所述固定装置外壁均匀固定连接有支撑爪，所述机身外壁且位于前侧的位置固定连接有采样装置；所述地质勘探用环境监测设备具有岩石采样模式和泥土采样模式；

所述地质勘探用环境监测设备在降落过程中，机载的控制模块基于摄像头所拍摄的图像识别地表类型为岩石或土壤，进而选择岩石采样模式或泥土采样模式；所述雷达探索器在采样过程中持续监控与地表的距离，若选择泥土采样模式，在采样过程中，如果所述雷达探索器检测到机身与地表的距离增大超过预设的距离阈值，则自动切换为岩石采样模式。

进一步的，所述泥土采样模式具有以下步骤：S1.1，机身降落后，所述支撑爪向下抓合；S1.2，所述采样装置开始采样；S1.3，完成采样后，所述支撑爪张开；所述岩石采样模式具有以下步骤：S2.1，机身降落后，所述支撑爪向下抓合；S2.2，第一伺服电机和第一液压伸缩臂启动，驱动自攻微孔钻头钻入岩石；S2.3，机载的控制模块根据第一伺服电机的电特性曲线确定所述第一伺服电机所受的阻力转矩，当所有第一伺服电机的总阻力转矩达到预设的阈值，或自检测到阻力转矩，但在预设的时间阈值内，具体为5秒内，未达到预设的转矩阈值时，第一伺服电机和第一液压伸缩臂停止工作；S2.4，所述采样装置开始采样；S2.5，完成采样后，支撑爪张开，第一伺服电机反转，第一液压伸缩臂回缩。

进一步的，操作员可以手动选择泥土采样模式或岩石采样模式。

进一步的，所述固定装置包括固定柱、固定槽、第一伺服电机、第一液压伸缩臂、自攻微孔钻头，所述固定柱顶部与支撑腿底部固定连接，所述固定柱外壁均匀固定连接有支撑爪，所述固定槽开设在固定柱底层且位于中心处的位置，所述固定槽顶部内壁固定连接有第一伺服电机，所述第一伺服电机输出端固定连接有第一液压伸缩臂，所述第一液压伸缩臂的底端固定连接有自攻微孔钻头；所述自攻微孔钻头的根部直径为5-20mm，具体可以为5mm、 8mm、10mm、12mm。

进一步的，所述采样装置包括主管、采样管、输样管、采样瓶、第二伺服电机、第二液压伸缩臂、钻刀，所述采样管活动套接在主管内部，所述主管外壁且位于紧靠底侧的位置与输样管的左端固定连接，所述主管内部与输样管内部连通，所述输样管的右端与机身外壁且位于前侧的位置固定连接，所述输样管外壁且位于底侧的位置与采样瓶螺纹连接，所述采样瓶内部与输样管内部连通，所述主管顶部内壁固定连接有第二伺服电机，所述第二伺服电机的输出端与第二液压伸缩臂的顶端固定连接，所述第二液压伸缩臂的底端固定连接钻刀。

进一步的，操作员员可以根据需要选装平头钻刀、圆头钻刀或尖头钻刀。

进一步的，所述机身内部安装有信号传输模块，可将温湿度传感器、雷达探索器和摄像头探测的信号传输至外部接收设备中，这样可以远程采集数据。

进一步的，所述机身底部安装有红外线测距传感器，内部安装有控制模块，红外线测距传感器测距后将信号传送至控制模块中，当测量距离小于或者等于支撑爪底侧到机身之间的垂直距离时，控制模块先控制第一伺服电机工作，再控制第二伺服电机工作，这样可以通过控制模块控制第一伺服电机和第二伺服电机工作。

进一步的，所述钻刀外壁与采样管内壁接触，且钻刀的长度大于采样管的长度，可以防止土样掉落。

进一步的，所述第一液压伸缩臂完全伸出后的长度与自攻微孔钻头的长度之和大于支撑爪底侧到固定柱底侧垂直距离的长度，保证自攻微孔钻头有足够的长度钻到土中进行固定。

进一步的，所述输样管与水平面成30°夹角，便于土样滑动。

进一步的，所述第二液压伸缩臂完全伸出后的长度与钻刀的长度之和大于支撑爪底侧到主管底侧垂直距离的长度，保证钻刀有足够的长度钻到土中进行采样。

3.有益效果

相比于现有技术，本发明的优点在于：

(1)本方案在高山或者地势复杂的地方使用时，当无人机落到采样点时，温湿度传感器和雷达探索器将探测到的数据发送至接收设备，同时通过红外线测距传感器测定采样点与机身底部的距离，当这段距离等于或者小于支撑爪底侧到机身之间的垂直距离时，表明无人机已经落下，机身的控制模块控制第一伺服电机工作，第一伺服电机带动第一液压伸缩臂转动，同时第一液压伸缩臂伸出，同时第一液压伸缩臂带动自攻微孔钻头转动，对地面钻孔，使得无人机能够在采样点保持稳定，然后控制模块再控制第二伺服电机工作，第二伺服电机带动第二液压伸缩臂转动，同时第二液压伸缩臂伸出，同时第二液压伸缩臂带动钻刀转动并在采样点钻洞，钻刀转动的同时会将周围的的土样沿着钻刀向上输送进入采样管，当输送到输样管的位置时，会沿着输样管下滑落入采样瓶，这样可以实现在对高山和地势复杂的区域取样时，提高采样效率，降低采样人员采样时的人身风险。

(2)本方案通过不同的采样模式，包括泥土采样模式和岩石采样模式，通过不同的固定方式，可以实现快速可靠的固定，特别是对于岩石表面，通过支撑爪提供第一步的较小固定力，用于保证自攻微孔钻头能够有效钻入岩石，然后依靠自攻微孔钻头提供的较大固定力，保证采样装置可靠工作，克服了现有技术无法可靠固定的问题。

(3)依靠测距装置来判断机身是否稳定，当地表类型误判为泥土，而发生机身顶起时，自动切换为岩石采样模式；同时，根据电机转矩来判断自攻微孔钻头是否固定可靠，并在阻力转矩达到阈值时开始取样，同时，如果岩层风化松软，电机感受到阻力转矩但在一定时间内不能达到预定的阈值，则说明岩层出现崩裂，强度不高，可直接采样，此时第一伺服电机和第一液压伸缩臂停止工作，避免烧坏。

附图说明

图1为本发明的侧视图结构示意图；

图2为本发明固定装置的剖视图结构示意图；

图3为本发明采样装置的剖视图结构示意图。

图中标号说明：

1、机身；2、机翼；3、温湿度传感器；4、雷达探索器；5、摄像头；6、支撑腿；7、固定装置；71、固定柱；72、固定槽；73、第一伺服电机；74、第一液压伸缩臂；75、自攻微孔钻头；8、支撑爪；9、采样装置；91、主管； 92、采样管；93、输样管；94、采样瓶；95、第二伺服电机；96、第二液压伸缩臂；97、钻刀。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述；显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“内”、“外”、“顶/底端”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“设置有”、“套设/接”、“连接”等，应做广义理解，例如“连接”，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

实施例1：

请参阅图1-3，一种地质勘探用环境监测设备及土壤采样方法，包括机身 1、机翼2，所述机身1外壁且位于前侧和后侧的位置固定连接有机翼2，所述机身1底侧且位于靠近右侧的位置固定连接有温湿度传感器3，所述机身1 底侧且位于温湿度传感器3左方的位置固定连接有雷达探索器4，所述机身1 底侧且位于雷达探索器4左方的位置固定连接有摄像头5，机身1内部安装有信号传输模块，可将温湿度传感器3、雷达探索器4和摄像头5探测的信号传输至外部接收设备中，机身1底部安装有红外线测距传感器，内部安装有控制模块，红外线测距传感器测距后将信号传送至控制模块中，当测量距离小于或者等于支撑爪8底侧到机身1之间的垂直距离时，控制模块先控制第一伺服电机73工作，再控制第二伺服电机95工作，所述机身1底侧且位于紧靠外壁的位置均匀固定连接有支撑腿6，所述支撑腿6底部固定连接有固定装置7，所述固定装置7外壁均匀固定连接有支撑爪8，所述机身1外壁且位于前侧的位置固定连接有采样装置9；所述地质勘探用环境监测设备具有岩石采样模式和泥土采样模式；所述地质勘探用环境监测设备在降落过程中，机载的控制模块基于摄像头5所拍摄的图像识别地表类型为岩石或土壤，进而选择岩石采样模式或泥土采样模式；所述雷达探索器4在采样过程中持续监控与地表的距离，若选择泥土采样模式，在采样过程中，如果所述雷达探索器4 检测到机身与地表的距离增大超过预设的距离阈值，则自动切换为岩石采样模式。

所述第一伺服电机73所受的阻力转矩，也可以通过设置在钻刀97轴上的扭矩传感器，或应变贴片来检测。

固定装置7包括固定柱71、固定槽72、第一伺服电机73、第一液压伸缩臂74、自攻微孔钻头75，所述固定柱71顶部与支撑腿6底部固定连接，所述固定柱71外壁均匀固定连接有支撑爪8，所述固定槽72开设在固定柱71 底层且位于中心处的位置，所述固定槽72顶部内壁固定连接有第一伺服电机 73，所述第一伺服电机73输出端固定连接有第一液压伸缩臂74，所述第一液压伸缩臂的底端固定连接有自攻微孔钻头75，第一液压伸缩臂74完全伸出后的长度与自攻微孔钻头75的长度之和大于支撑爪8底侧到固定柱71底侧垂直距离的长度。

采样装置9包括主管91、采样管92、输样管93、采样瓶94、第二伺服电机95、第二液压伸缩臂96、钻刀97，所述采样管92活动套接在主管91内部，所述主管91外壁且位于紧靠底侧的位置与输样管93的左端固定连接，所述主管91内部与输样管93内部连通，所述输样管93的右端与机身1外壁且位于前侧的位置固定连接，输样管93与水平面成30°夹角，所述输样管 93外壁且位于底侧的位置与采样瓶94螺纹连接，所述采样瓶94内部与输样管93内部连通，所述主管91顶部内壁固定连接有第二伺服电机95，所述第二伺服电机95的输出端与第二液压伸缩臂96的顶端固定连接，所述第二液压伸缩臂96的底端固定连接钻刀97，钻刀97外壁与采样管92内壁接触，且钻刀97的长度大于采样管92的长度，第二液压伸缩臂96完全伸出后的长度与钻刀97的长度之和大于支撑爪8底侧到主管91底侧垂直距离的长度。

在使用时：通过外部遥控设备控制机翼2带动机身1起飞，在飞的过程中通过摄像头5观察位置，当飞到采样区域后，控制无人机下落，下落后，通过温湿度传感器3和雷达探索器4采集数据并通过信号传输模块将数据传输至外部接收设备中，同时通过红外线测距传感器测定采样点与机身1底部的距离，当这段距离等于或者小于支撑爪8底侧到机身1之间的垂直距离时，表明无人机已经落下，红外线测距传感器将数据传送给机身1中的控制模块，控制模块接收后控制第一伺服电机73工作，第一伺服电机73带动第一液压伸缩臂74转动，同时第一液压伸缩臂74伸出，同时第一液压伸缩臂74带动自攻微孔钻头75转动，对地面钻孔，使得无人机能够在采样点保持稳定，然后控制模块再控制第二伺服电机95工作，第二伺服电机95带动第二液压伸缩臂96转动，同时第二液压伸缩臂96伸出，同时第二液压伸缩臂96带动钻刀97转动并在采样点钻洞，钻刀97转动的同时会将周围的的土样沿着钻刀 97向上输送进入采样管92，当土样输送到输样管93与主管91连通的位置时，土样会沿着输样管93下滑落入采样瓶94，即可采集土样，这样可以实现在对高山和地势复杂的区域取样时，提高采样效率，降低采样人员采样时的人身风险。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式；但本发明的保护范围并不局限于此。任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其改进构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围内。

Claims (9)

1.一种地质勘探用环境监测设备，包括机身(1)、机翼(2)，其特征在于：所述机身(1)外壁且位于前侧和后侧的位置固定连接有机翼(2)，所述机身(1)底侧且位于靠近右侧的位置固定连接有温湿度传感器(3)，所述机身(1)底侧且位于温湿度传感器(3)左方的位置固定连接有雷达探索器(4)，所述机身(1)底侧且位于雷达探索器(4)左方的位置固定连接有摄像头(5)，所述机身(1)底侧且位于紧靠外壁的位置均匀固定连接有支撑腿(6)，所述支撑腿(6)底部固定连接有固定装置(7)，所述固定装置(7)外壁均匀固定连接有支撑爪(8)，所述机身(1)外壁且位于前侧的位置固定连接有采样装置(9)；

所述地质勘探用环境监测设备具有岩石采样模式和泥土采样模式；

所述地质勘探用环境监测设备在降落过程中，机载的控制模块基于摄像头(5)所拍摄的图像识别地表类型为岩石或土壤，进而选择岩石采样模式或泥土采样模式；所述雷达探索器(4)在采样过程中持续监控与地表的距离，若选择泥土采样模式，在采样过程中，如果所述雷达探索器(4)检测到机身与地表的距离增大超过预设的距离阈值，则自动切换为岩石采样模式。

2.根据权利要求1所述的一种地质勘探用环境监测设备，其特征在于：所述泥土采样模式具有以下步骤：

S1.1，机身降落后，所述支撑爪(8)向下抓合；

S1.2，所述采样装置(9)开始采样；

S1.3，完成采样后，所述支撑爪(8)张开；

S2.1，机身降落后，所述支撑爪(8)向下抓合；

S2.2，第一伺服电机(73)和第一液压伸缩臂(74)启动，驱动自攻微孔钻头(75)钻入岩石；

S2.3，机载的控制模块根据第一伺服电机(73)的电特性曲线确定所述第一伺服电机(73)所受的阻力转矩，当所有第一伺服电机(73)的总阻力转矩达到预设的转矩阈值，或自检测到阻力转矩开始计时，在预设的时间阈值内，具体为5秒内，未达到预设的转矩阈值，则第一伺服电机(73)和第一液压伸缩臂(74)停止工作；

S2.4，所述采样装置(9)开始采样；

S2.5，完成采样后，所述支撑爪(8)张开，所述第一伺服电机(73)反转，所述第一液压伸缩臂(74)回缩。

3.根据权利要求2所述的一种地质勘探用环境监测设备，其特征在于：所述固定装置(7)包括固定柱(71)、固定槽(72)、第一伺服电机(73)、第一液压伸缩臂(74)、自攻微孔钻头(75)，所述固定柱(71)顶部与支撑腿(6)底部固定连接，所述固定柱(71)外壁均匀固定连接有支撑爪(8)，所述固定槽(72)开设在固定柱(71)底层且位于中心处的位置，所述固定槽(72)顶部内壁固定连接有第一伺服电机(73)，所述第一伺服电机(73)输出端固定连接有第一液压伸缩臂(74)，所述第一液压伸缩臂的底端固定连接有自攻微孔钻头(75)。

4.根据权利要求1至3任一项所述的一种地质勘探用环境监测设备，其特征在于：所述采样装置(9)包括主管(91)、采样管(92)、输样管(93)、采样瓶(94)、第二伺服电机(95)、第二液压伸缩臂(96)、钻刀(97)，所述采样管(92)活动套接在主管(91)内部，所述主管(91)外壁且位于紧靠底侧的位置与输样管(93)的左端固定连接，所述主管(91)内部与输样管(93)内部连通，所述输样管(93)的右端与机身(1)外壁且位于前侧的位置固定连接，所述输样管(93)外壁且位于底侧的位置与采样瓶(94)螺纹连接，所述采样瓶(94)内部与输样管(93)内部连通，所述主管(91)顶部内壁固定连接有第二伺服电机(95)，所述第二伺服电机(95)的输出端与第二液压伸缩臂(96)的顶端固定连接，所述第二液压伸缩臂(96)的底端固定连接钻刀(97)。

5.根据权利要求1至4任一项所述的一种地质勘探用环境监测设备，其特征在于：所述机身(1)内部安装有信号传输模块，可将温湿度传感器(3)、雷达探索器(4)和摄像头(5)探测的信号传输至外部接收设备中。

6.根据权利要求1至5任一项所述的一种地质勘探用环境监测设备，其特征在于：所述机身(1)底部安装有红外线测距传感器，内部安装有控制模块，红外线测距传感器测距后将信号传送至控制模块中，当测量距离小于或者等于支撑爪(8)底侧到机身(1)之间的垂直距离时，控制模块先控制第一伺服电机(73)工作，再控制第二伺服电机(95)工作。

7.根据权利要求1-6任一项所述的一种地质勘探用环境监测设备，其特征在于：所述钻刀(97)外壁与采样管(92)内壁接触，且钻刀(97)的长度大于采样管(92)的长度。

8.根据权利要求1-7任一项所述的一种地质勘探用环境监测设备，其特征在于：所述第一液压伸缩臂(74)完全伸出后的长度与自攻微孔钻头(75)的长度之和大于支撑爪(8)底侧到固定柱(71)底侧垂直距离的长度。

9.根据权利要求1-8任一项所述的一种地质勘探用环境监测设备，其特征在于：所述输样管(93)与水平面成30°夹角；所述第二液压伸缩臂(96)完全伸出后的长度与钻刀(97)的长度之和大于支撑爪(8)底侧到主管(91)底侧垂直距离的长度。

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