CN113916585A - 一种可移动式土壤地球化学样品流转无人机工作站 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及无人机设备及地球化学勘查技术领域，具体地涉及一种可移动式土壤地球化学样品流转无人机工作站，包括可移动式车载控制台、无人机组和采样设备，样品流转步骤为：可移动式车载控制台获取无人机组和采样设备位置信息；每完成一次采样，由GPS射频触发模块完成采样点点位触发，可移动式车载控制台对无人机和触发点位进行匹配，无人机在导航下到达触发点位，通过电磁设备吸引样品磁吸片，完成样品回收，同时记录航迹信息。随着可移动式车载控制台的移动，相应的无人机和采样工作区域也发生变化，使控制范围同步移动，实现无人机组射频信号同步移动；本发明拓展了土壤地球化学样品采集及流转能力，监控了野外工作航迹，提高了工作效率。

Description

一种可移动式土壤地球化学样品流转无人机工作站
技术领域
本发明涉及无人机设备及地球化学勘查技术领域，具体地涉及一种可移动式土壤地球化学样品流转无人机工作站。
背景技术
随着勘查工作的逐渐深入，目前勘查工作主要转向西部恶劣条件下的矿产地球化学勘查和内陆地区土地质量地球化学调查领域。地球化学样品采集是地球化学调查评价数据采集的关键环节。目前，地球化学样品采集、流转工作主要依靠技术人员及辅助人员完成。按照《地球化学普查规范(DZ/T 0011-2015)》、《土壤测量地球化学测量规程(DZ/T0145-2017)》及《土地质量地球化学评价规范(DZ/T 0295-2016)》，一般野外采集的每件土壤样重量在1000g至1500g(含副样)，且样品采集需要严格的航迹监控要求，以保证样品的代表性。当野外采集若干件样品后，野外工作人员负重强度大、样品往返传送次数频繁、劳动效率低。而随着往返次数的增加，也直接造成了GPS航迹的紊乱，同时也减少了野外实地观测时间，严重影响了样品采集环节的原始地质编录；且在地形恶劣及交通繁忙地区往复流转样品过程中存在一定的安全隐患。因此，如何提高野外样品流转效率，并有效实施航迹监控是本发明着力解决的核心问题。
当前，无人机主要应用于生态环境领域的土壤调查、水环境调查、大气环境调查等领域的样品采集工作。生态环境领域采样任务量相对较少、采样部位技术条件约束不高，且无需航迹记录，因此可以广泛采用无人机代替人工。然而，勘查地球化学领域，对样品采样部位、样品代表性、样品重量及采样航迹等技术条件要求严苛，现行条件下，只能由地质勘查队员完成，无法用无人机替代；加之，勘查地球化学工作特点为点多、面广，以往所述及的各类无人机采样方式或无人机工作组难以借鉴并发挥其作用。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术存在的缺点，提出设计一种可移动式土壤地球化学样品流转无人机工作站，能够满足地球化学勘查土壤样品流转及航迹监控需求，特别针对中、大比例尺土地质量地球化学调查、土壤地球化学测量及恶劣环境条件下的地球化学勘查活动。
本发明解决其技术问题所采取的技术方案是：
本发明涉及一种可移动式土壤地球化学样品流转无人机工作站，包括可移动式车载控制台、无人机组和采样设备，所述工作站实现土壤地球化学样品流转的方法，包括以下步骤：
(1)通过可移动式车载控制台获取无人机组和采样设备的位置信息；
(2)以步骤(1)中获得的位置信息，采样设备每完成一次采样，由GPS射频触发模块完成采样点点位触发，可移动式车载控制台对无人机和触发点位进行匹配，并将触发点位信息发送至无人机的GPS差分导航定位模块，以保证无人机按正确位置到达GPS触发位置；
(3)无人机在GPS差分导航定位模块的导航下，到达样品袋的GPS触发点位，通过低空悬停，采用无人机上设置的强力电磁设备(如磁吸铁片)吸引样品袋上设置的样品磁吸片，完成样品回收，通过无人机的射频信号接收端向可移动式车载控制台发出定位信号重合指令，可移动式车载控制台反馈携带样品袋的无人机返航指令，进行样品的流转工作；
(4)携带样品袋的无人机返航，至设定位置，强力电磁设备停止工作，放下样品，实现一次样品流转，并记录相应航迹信息，不仅拓展了土壤地球化学样品采集及流转能力，同时监控了野外工作航迹，显著提高了土壤地球化学样品采集的工作效率。
进一步的，所述步骤(1)至步骤(4)视为一次可控制范围内的样品流转和航迹记录工作，随着可移动式车载控制台逐步在地质勘查区内按照网格形式或其他地形进行移动，相应的无人机和采样工作区域也发生变化，从而使控制范围同步移动，实现无人机组射频信号的同步移动。
进一步的，所述低空悬停的高度为1.0m±0.3m，便于无人机下部的电磁设备吸引样品袋上的电磁吸铁片，以实现样品吊装。
进一步的，所述航迹信息包含GPS触发点位和无人机往返航迹记录，航迹记录由每架无人机上设置的GPS差分导航定位模块进行记录，可作为野外原始航迹归档资料。
进一步的，所述工作站还包括：
射频信号控制端，用于可移动式车载控制台信号的发送、GPS射频触发信号的接收，并将二者进行匹配；
转换盒，用于将可移动式车载控制台信号转换为射频信号，以及接收GPS射频触发信号的转换。
进一步的，所述无人机组包括无人机，每架无人机设置有：
射频信号接收端，一方面，用于射频信号接收，负责可移动式车载控制台射频信号的匹配，以便流转样品；另一方面，当电磁设备吸引样品磁吸片后，发送定位信号重合指令至可移动式车载控制台；
摄像头，用于引导无人机的飞控路线；
GPS差分导航定位模块，用于接收可移动式车载控制台的指令，进行样品回收的位置导航、垂向悬停，及回收样品后返回可移动式车载控制台的位置导航，并记录相应航迹信息；
电磁设备，用于与样品袋上的样品磁吸片进行对接；
顶部模块集成板，用于集成所述射频信号接收端、摄像头、GPS差分导航定位模块和电磁设备。
进一步的，所述摄像头包含具有避险功能的避险模块，便于引导无人机在恶劣或者复杂条件下的飞控路线。
进一步的，所述采样设备包括：
GPS射频触发模块，用于生成GPS点位并将该点位GPS射频触发信号传输至可移动式车载控制台；
样品磁吸片，设置于样品袋顶部，其完成与无人机的电磁设备对接后，形成位置信息重合。
进一步的，所述可移动式车载控制台、无人机组和采样设备的具体位置显示在可移动式车载控制台的屏幕上，便于可移动式车载控制台进行实时管理。
本发明所述无人机组采用多旋翼式，垂直起降无人机，本发明对无人机型号等不做要求，功率和挂载量以满足地球化学样品流转需求为准；所述摄像头采用现有技术，本发明对摄像头具体结构不再赘述。
本发明所述可移动式，是指随着样品采集工作和无人机组样品流转的逐步推进，车载控制台逐步在地质勘查区内按照网格(如2km×2km)或者地形进行移动，从而使控制范围同步移动，实现无人机组射频信号的同步移动。
本发明的技术效果：
与现有技术相比，本发明的一种可移动式土壤地球化学样品流转无人机工作站，通过可移动式车载控制台、无人机组和采样设备之间的信息传输及协同配合，实现了样品流转；本发明首先将无人机与采样位置进行匹配，使无人机飞行至所匹配的样品位置，当无人机的电磁设备吸引样品袋的样品磁吸片后，通过射频信号接收端发送定位信号重合指令至可移动式车载控制台，从而将样品运输至厢式卡车的样品存放架上；随着车载可移动控制台的移动，工作控制范围发生变换，相应的无人机和采样小组工作区域也发生变化，样品采集工作和无人机组样品流转的逐步推进，车载控制台逐步在地质勘查区内进行移动，从而使控制范围同步移动，实现无人机组射频信号的同步移动，拓展了传统土壤地球化学样品采集及流转能力，同时监控了野外工作航迹，能够显著提高工作效率，减少地质勘查安全隐患、大幅降低野外施工费用，同时还能够满足地球化学勘查土壤样品流转及航迹监控需求，特别是能够满足针对中、大比例尺土地质量地球化学调查、土壤地球化学测量及恶劣环境条件下的地球化学勘查活动，应用范围广。
附图说明
图1为本发明一种可移动式土壤地球化学样品流转无人机工作站的主体结构示意图；
图2为本发明野外样品采集及GPS触发示意图；
图3为本发明无人机吊装样品示意图；
图4为本发明无人机顶部各功能模块组成示意图；
图5为本发明可移动式土壤地球化学样品流转无人机工作站工作原理示意图。
图中，无人机a1、无人机b2、无人机c3、无人机停机位4、厢式卡车5、样品存放架6、射频信号控制端7、转换盒8、控制台操作人员9、可移动式车载控制台10、采样人员11、样品磁吸片12、样品袋13、GPS射频触发模块14、射频信号接收端15、盖板16、电磁设备17、顶部模块集成板18、摄像头19、固定轴20、GPS差分导航定位模块21、工作范围22、采样方里网23、控制范围24、射频信号控制半径25、可移动控制台示意图26、无人机位置27、采样触发位置28。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合说明书附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。
实施例1：
如图1所示，本实施例涉及的一种可移动式土壤地球化学样品流转无人机工作站，包括射频信号控制端7、转换盒8、可移动式车载控制台10、无人机组和采样设备；所述射频信号控制端7、转换盒8和可移动式车载控制台10均设置在厢式卡车5上；所述厢式卡车5上还设有无人机停机位4和样品存放架6；所述无人机组包括三架无人机，即无人机a1、无人机b2和无人机c3；所述射频信号控制端7用于可移动式车载控制台10信号的发送、接收GPS射频触发信号，并将二者进行匹配；所述转换盒8用于可移动式车载控制台10信号转换为射频信号，以及接收的GPS射频触发信号的转换。
如图2所示，所述采样设备包括样品袋13、GPS射频触发模块14和样品磁吸片12；所述GPS射频触发模块14包括触发器和GPS定位模块，每完成一次采样，按下GPS射频触发模块14，同时生成GPS点位并将该点位GPS射频触发信号传输至可移动式车载控制台10；所述样品磁吸片12设置于样品袋13顶部，样品袋13用于盛放样品。
如图3和4所示，每架无人机设置有顶部模块集成板18，所述顶部模块集成板18上集成有射频信号接收端15、电磁设备17、摄像头19、GPS差分导航定位模块21；所述射频信号接收端15通过固定轴20安装在顶部模块集成板18，所述电磁设备17安装在盖板16底部，盖板16设置于顶部模块集成板18下方，所述电磁设备包括3个磁吸铁片，根据样品挂在需求进行设定，用于与样品袋13上的样品磁吸片12进行对接；所述射频信号接收端15，一方面，用于射频信号接收，与可移动式车载控制台10经转换盒8信号转换后的射频信号匹配，以便流转样品，另一方面，当电磁设备17吸引样品磁吸片12后，发送定位信号重合指令至可移动式车载控制台10；所述摄像头19，包含具有避险功能的避险模块，用于引导无人机在恶劣或者复杂条件下飞控路线；所述GPS差分导航定位模块21，用于接收可移动式车载控制台10的指令，进行样品回收的位置导航、垂向悬停，及回收样品后返回可移动式车载控制台10的位置导航，并记录相应航迹信息；所述电磁设备17采用磁吸铁片，可以设置为多个独立的(如1-5个，本实施例设置3个)磁吸铁片，也可以将磁吸铁片设置为环形，本发明对磁吸铁片的形状和个数不进行限制，可根据样品挂在需求进行设定，用于与样品袋13上的样品磁吸片12进行对接。
本实施例采用可移动式土壤地球化学样品流转无人机工作站，实现土壤地球化学样品流转的方法，具体包括以下步骤：
(1)同步开展可移动式车载控制台10、无人机组和采样设备的调试和连接，工作范围22展开图如图5所示，可移动式车载控制台10的射频信号控制半径25为R＝2km(地球化学勘查单元公里网范围)，控制范围24为以射频信号控制半径25为半径的圆，在控制范围24内实现可移动式车载控制台10、无人机组和采样设备连接，且三者的具体位置显示在可移动式车载控制台10的屏幕上，便于可移动式车载控制台10进行实时管理；
(2)采样人员11在控制范围24的采样方里网23内从事地球化学采样作业，样品采集完成后放入样品袋13，采样人员按下携带的GPS射频触发模块14，此时通过如图1所示的射频信号控制端7接收GPS射频触发信号，并经过转换盒8，将GPS射频触发信号转换到可移动式车载控制台10，控制台操作人员9在可移动式车载控制台10操作系统辅助下，完成GPS触发点位与无人机组配对，实现指定无人机与触发点位的一一对应，无人机位置27如图5所示；
(3)经过可移动式车载控制台10配对的指定无人机，在如图4所示的GPS差分导航定位模块21的导航下，飞往样品袋13的GPS触发点位，无人机飞行过程中采取低空飞行(1.0m±0.3m)，保证无人机下部的电磁设备可以吸引样品袋13上的样品磁吸片12，从而实现样品的吊装、回收，依靠带避险模块的摄像头19和GPS差分导航定位模块21实现对地形、植被或其他障碍物的避险操作，到达样品袋13所在位置，在样品袋13点附近，无人机依靠GPS差分导航定位模块21实现低空悬停(悬停高度为1.0m±0.3m，悬停高度在GPS差分导航定位模块21预置)，依靠下垂的无人机上的电磁设备17的强磁吸引力(磁吸力>3kg)，将样品袋13所自带的样品磁吸片12吸引至无人机，样品回收、磁铁相互吸引，并实现位置重合，并通过无人机的射频信号接收端15发出位置信号重合指令，在图5所示的控制范围24内，射频信号控制端7接收位置信号重合指令，经由转换盒8转换信号至可移动式车载控制台10，可移动式车载控制台10反馈携带样品袋13的无人机返航指令；
(4)携带样品袋13的无人机在GPS差分导航定位模块21的指引下，依靠带避险模块的摄像头19和GPS差分导航定位模块21实现对地形、植被或其他障碍物的避险操作，返回可移动式车载控制台10所在的厢式卡车5后部的无人机停机位4，无人机停稳，电磁设备17停止工作，样品袋13下落至厢式卡车5后部车厢，由样品管理人员将样品放置在厢式卡车5的样品存放架6上，由此，完成一次样品的转运工作；
本实施例步骤(1)至步骤(4)的航迹记录由指定携带样品袋13的无人机顶部模块集成板18中的GPS差分导航定位模块21实现；完整的航迹记录包括：无人机接受指令去往GPS射频触发模块14留下的样品位置的航迹记录，无人机回收样品后，形成记录点位，之后无人机返航至可移动式车载控制台10的航迹记录；该航迹记录可以视为野外原始航迹归档资料。
所述步骤(1)至步骤(4)视为一次可控制范围内的样品流转和航迹记录工作，随着可移动式车载控制台的移动，工作控制范围发生变换，相应的无人机和采样小组工作区域也发生变化。如图5所示，随着可移动控制台示意图26在工作范围22内的移动，始终可以控制射频信号控制半径25内的无人机组，对该区域内的采样触发位置28往复流转样品，并记录相应航迹。
上述具体实施方式仅是本发明的具体个案，本发明的专利保护范围包括但不限于上述具体实施方式的产品形态和式样，任何符合本发明权利要求书且任何所属技术领域的普通技术人员对其所做的适当变化或修饰，皆应落入本发明的专利保护范围。

Claims (10)

1.一种可移动式土壤地球化学样品流转无人机工作站，其特征在于：包括可移动式车载控制台、无人机组和采样设备，所述工作站实现土壤地球化学样品流转的方法，包括以下步骤：
(1)通过可移动式车载控制台获取无人机组和采样设备的位置信息；
(2)以步骤(1)中获得的位置信息，采样设备每完成一次采样，由GPS射频触发模块完成采样点点位触发，可移动式车载控制台对无人机和触发点位进行匹配，并将触发点位信息发送至无人机的GPS差分导航定位模块，以保证无人机按正确位置到达GPS触发位置；
(3)无人机在GPS差分导航定位模块的导航下，到达样品袋的GPS触发点位，通过低空悬停，采用无人机上设置的强力电磁设备吸引样品袋上设置的样品磁吸片，完成样品回收，通过无人机的射频信号接收端向可移动式车载控制台发出定位信号重合指令，可移动式车载控制台反馈携带样品袋的无人机返航指令，进行样品的流转工作；
(4)携带样品袋的无人机返航，至设定位置，强力电磁设备停止工作，放下样品，实现一次样品流转，并记录相应航迹信息。
2.根据权利要求1所述的移动式土壤地球化学样品流转无人机工作站，其特征在于：所述低空悬停的高度为1.0m±0.3m。
3.根据权利要求1所述的移动式土壤地球化学样品流转无人机工作站，其特征在于：所述航迹信息包含GPS触发点位和无人机往返航迹记录。
4.根据权利要求1所述的移动式土壤地球化学样品流转无人机工作站，其特征在于：所述工作站还包括：
射频信号控制端，用于可移动式车载控制台信号的发送、GPS射频触发信号的接收，并将二者进行匹配；
转换盒，用于将可移动式车载控制台信号转换为射频信号，以及接收GPS射频触发信号的转换。
5.根据权利要求4所述的移动式土壤地球化学样品流转无人机工作站，其特征在于：所述射频信号控制端、转换盒和可移动式车载控制台均设置在厢式卡车上，所述厢式卡车上设有无人机停机位和样品存放架。
6.根据权利要求1所述的移动式土壤地球化学样品流转无人机工作站，其特征在于：所述步骤(1)至步骤(4)视为一次可控制范围内的样品流转和航迹记录工作，随着可移动式车载控制台逐步在地质勘查区内按照网格形式进行移动，相应的无人机和采样工作区域也发生变化，从而使控制范围同步移动，实现无人机组射频信号的同步移动。
7.根据权利要求1所述的移动式土壤地球化学样品流转无人机工作站，其特征在于：所述无人机组包括无人机，每架无人机设置有：
射频信号接收端，一方面，用于射频信号接收，负责可移动式车载控制台射频信号的匹配；另一方面，当电磁设备吸引样品磁吸片后，发送定位信号重合指令至可移动式车载控制台；
摄像头，用于引导无人机的飞控路线；
GPS差分导航定位模块，用于接收可移动式车载控制台的指令，进行样品回收的位置导航、垂向悬停，及回收样品后返回可移动式车载控制台的位置导航，并记录相应航迹信息；
电磁设备，用于与样品袋上的样品磁吸片进行对接；
顶部模块集成板，用于集成所述射频信号接收端、摄像头、GPS差分导航定位模块和电磁设备。
8.根据权利要求7所述的移动式土壤地球化学样品流转无人机工作站，其特征在于：所述摄像头包含具有避险功能的避险模块。
9.根据权利要求1所述的移动式土壤地球化学样品流转无人机工作站，其特征在于：所述采样设备包括：
GPS射频触发模块，用于生成GPS点位并将该点位GPS射频触发信号传输至可移动式车载控制台；
样品磁吸片，设置于样品袋顶部，其完成与无人机的电磁设备对接后，形成位置信息重合。
10.根据权利要求1-9任一项所述的移动式土壤地球化学样品流转无人机工作站，其特征在于：所述可移动式车载控制台、无人机组和采样设备的具体位置显示在可移动式车载控制台的屏幕上。
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