CN115290398A - 一种无人机载分层水质采样和定深底质采样方法 - Google Patents

一种无人机载分层水质采样和定深底质采样方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种无人机载分层水质采样和定深底质采样方法，涉及海洋调查采样领域，具体方法是：将碳纤板连接到无人机起落架上组成载荷挂架；安装自动绞盘和自动排线器，将水质采样器和底质采样器挂于绳缆末端的挂钩上，将水质采样器上的阀控器与控制器连接；当无人机飞抵目标位置后进入悬停状态，根据预设程序自动下放指定的采样器至设定水深，水质采样器上的电磁阀打开，待注满水后关闭，而后自动绞盘收线、无人机返航，该方法不仅能同时采集不同深度的水样，而且可以采集对应位置的底质样品，不受天气影响、勤务率高，速度快、效率高、成本低，彻底解决了人/船罕至、难至及无法至某些海域的痛点，适用范围更广、数据价值更大。

Description

一种无人机载分层水质采样和定深底质采样方法
技术领域
本发明涉及海洋调查采样领域，具体是一种无人机载分层水质采样和定深底质采样方法。
背景技术
海洋调查是研究海洋、开发海洋、利用海洋和保护海洋的重要基础，采样是海洋调查的基本手段之一。常规的方法是人下水采样或人乘船出海采样，这种方法存在很多不足，例如受天气影响大，在雷雨风浪天气无法出海，勤务率低；速度慢、效率低、成本高、时效性差。最为显著的缺点是，如人/船有很多难以到达或不能到达的水域，比如岛礁海岸、马尾藻海域、海上垃圾洲、火山喷发区、核泄漏海域等。
近年来，也有一些学者尝试用无人机采取水样，受限于多旋翼无人机的承载能力，存在很多不足之处，无法实现分层水质采样和定深底质采样，采样瓶也没有按照500ml的标准（HJT 372-2007）设计，负压自吸式采样深度太有限（≤10m）。此外，受限于多旋翼的抗风能力，只能在微风或和风天气，微浪或小浪条件下执行任务，而且采样瓶受水平流和上升流影响，有可能会将无人机拽翻。
发明内容
本发明的目的在于提供一种无人机载分层水质采样和定深底质采样方法，以解决上述背景技术提出的问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种无人机载分层水质采样和定深底质采样方法，包括以下步骤：
1）将碳纤板安装到无人机起落架上组成载荷挂架，组装自动绞盘和自动排线器；
2）将水质采样器和底质采样器安装在绳缆末端的挂钩上，将控制线与控制器连接，水质采样器上的阀控器通过蓝牙与控制器连接；
3）在起飞前通过控制器设定每一个采样器的采样深度；
4）当无人机飞抵目标位置后进入悬停状态，根据预设程序或遥控指令自动下放指定的采样器至设定水深，打开水质采样器上的电磁阀；
5）待采样器注满水或抓斗充满泥后，自动绞盘和自动排线器将采样器复位，无人机返航，完成采样任务。
在上述技术方案的基础上，本发明还提供以下可选技术方案：
在一种可选方案中：在步骤1）中，所述碳纤板与无人机起落架之间设置有H形板和C形夹。
在一种可选方案中：在步骤1）中，所述自动绞盘包括伺服电机、联轴器、动态扭矩传感器、滚轴、绕线筒和轴支撑，所述伺服电机通过联轴器与动态扭矩传感器连接，所述联轴器与滚轴和绕线筒连接，所述滚轴一端设置有轴支撑。
在一种可选方案中：在步骤1）中，所述自动排线器包括丝杠、滑块、步进电机和排线器支架，所述丝杠、滑块和步进电机均安装在排线器支架上，所述排线器支架通过螺丝固定在尼龙垫块上，所述绕线筒上缠绕有绳缆，所述绳缆一端穿过滑块并设置有挂钩。
在一种可选方案中：在步骤2）中，所有伺服电机与步进电机的控制线均与控制器相连接。
在一种可选方案中：所述伺服电机为带刹车闭环伺服电机，所述动态扭矩传感器能够测定绕线筒的所受扭矩，当超过设定的阈值后，伺服电机带动绕线筒释放绳缆。
在一种可选方案中：所述水质采样器由吊环、采样瓶、电磁阀、CTD传感器和阀控器组成，所述采样瓶采用不锈钢材质制成。
相较于现有技术，本发明的有益效果如下：
1）采用纵列双旋翼无人直升机抗风能力强、承载能力强，而且因机型特质、无需额外配平和调整重心；
2）采样器规格为0.5L×48，可以逐个或同时下放采集水样，可以不同深度分层采样，可以不同位置同一深度采样，还可以采集对应位置处的底质，真正做到一机多用、省时省力、高效便捷；
3）具有自动收放线功能，采用动态扭矩传感器用于测定绕线筒所受扭矩，当采样器受到的洋流作用力超过设定的阈值后，伺服电机带动绕线筒自动、快速的释放绳缆以卸载，保护无人机不被拽翻；
4）支持临时更改采样深度，在起飞前通过控制器设定每一个采样器的采样深度，以便于后续程式化操作、提高效率，在飞行过程中，伺服电机、步进电机、阀控器还支持在线编程（在下放前）、以便应对临时更改任务；
5）采用无缆式CTD传感器，电池供电、SD卡记录数据，体积比传统CTD小、形阻小。
附图说明
图1为无人机分层水质采样方法的整体示意图。
图2为无人机分层水质采样方法的局部示意图。
图3为自动绞盘和自动排线器的结构示意图。
图4为水质采样器的示意图。
附图标记注释：1-无人机，2-载荷挂架，20-C形夹，21-H形板，22-碳纤板，3-自动绞盘，30-尼龙垫块，31-伺服电机，32-联轴器，33-动态扭矩传感器，34-滚轴，35-绕线筒，36-轴支撑，37-排线器支架，38-步进电机，3a-绳缆，3b-挂钩，3c-滑块，3d-丝杠，4-水质采样器，40-吊环，41-采样瓶，42-电磁阀，43-CTD传感器，44-阀控器，5-保持架， 6-底质采样器，7-控制器。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
以下结合具体实施例对本发明的具体实现进行详细描述。
如图1-4所示，为本发明一个实施例提供的一种无人机载分层水质采样和定深底质采样方法，包括以下步骤：
1）将碳纤板22安装到无人机起落架上组成载荷挂架2，组装自动绞盘3和自动排线器；
2）将水质采样器4和底质采样器6挂于绳缆3a末端的挂钩3b上，将控制线与控制器7连接，每一个水质采样器4上的阀控器44通过蓝牙与控制器7连接；
3）在起飞前通过控制器7设定每一个采样器的采样深度；
4）当无人机飞抵目标位置后进入悬停状态，根据预设程序或遥控指令自动下放指定的采样器至设定水深、水质采样器上的电磁阀42打开；
5）待采样器注满水或抓斗充满泥后，自动绞盘3和自动排线器将采样器复位，无人机返航，完成采样任务。
如图1所示，作为本发明的一种优选实施例，采用纵列双旋翼无人直升机作为飞行平台，其抗风能力强、承载能力强，而且因机型特质、无需额外配平和调整重心，是行业内公认的最适合海上风浪条件的机型，所述碳纤板22用H形板21和C形夹20连接到无人机1的起落架上组成载荷挂架2。
如图3所示，作为本发明的一种优选实施例，在步骤1）中，所述伺服电机31通过联轴器32与动态扭矩传感器33连接，而后通过联轴器32与滚轴34及绕线筒35连接，为了保持刚度，在滚轴的末端增加轴支撑36，共同组成自动绞盘3。
如图3所示，作为本发明的一种优选实施例，在步骤1）中，所述自动排线器包括丝杠3d、滑块3c、步进电机38和排线器支架37，所述丝杠3d、滑块3c和步进电机38均安装在排线器支架37上，所述排线器支架37通过螺丝固定在尼龙垫块30上，所述丝杠3d、滑块3c和步进电机38安装在排线器支架37上组成自动排线器，所述排线器支架37通过螺丝固定在尼龙垫块30上。
如图3所示，作为本发明的一种优选实施例，所述绕线筒35上缠绕有绳缆3a，所述绳缆3a一端穿过滑块3c并设置有挂钩3b。
如图2-4所示，作为本发明的一种优选实施例，所述水质采样器4和底质采样器6挂于绳缆3a末端的挂钩3b上，其中水质采样器4要穿过保持架5、防止大幅度晃动。
如图1-3所示，作为本发明的一种优选实施例，所有伺服电机31与步进电机38的控制线均与控制器7相连接，所述每一个水质采样器4上的阀控器44通过蓝牙与控制器7连接，阀控器44控制电磁阀42的开闭。
如图1所示，作为本发明的一种优选实施例，所述水质采样器4在起飞前要通过控制器7依次设定采样深度，以便于后续程式化操作、提高效率，在飞行过程中，伺服电机31、步进电机38、阀控器44还支持在线编程（在下放前）、以便应对临时更改任务，所述无人机1飞抵目标位置后进入悬停状态，根据预设程序或遥控指令自动下放指定的水质采样器4至设定水深、水质采样器上的电磁阀42打开、开始注水；所述水质采样器4注满水或底质采样器6抓满泥后，自动绞盘3和自动排线器将采样器4和6复位，无人机返航，完成采样任务。
如图1所示，作为本发明的一种优选实施例，所述伺服电机31为带刹车闭环伺服电机，所述动态扭矩传感器33能够测定绕线筒35的所受扭矩，当超过设定的阈值后，伺服电机31带动绕线筒35释放绳缆3a，保护无人机1不被拽翻。
如图4所示，作为本发明的一种优选实施例，所述水质采样器4由吊环40、采样瓶41、电磁阀42、CTD传感器43和阀控器44组成，所述采样瓶41采用340不锈钢材质，所述CTD传感器43采用电池供电、SD卡记录数据。
如图4所示，作为本发明的一种优选实施例，所述水质采样器4规格为0.5L×48，可以逐个或同时下放采集水样，可以不同深度分层采样，可以不同位置同一深度采样，此外，还可以采集对应位置处的底质，真正做到一机多用、省时省力；所述绳缆3a可以采用高强度、高韧性、低顺滑的凯夫拉纤维或高耐磨、高顺滑、低韧性的YGKPE线，选取适当的线径和股数，保证能承受足够的拉力。
以上所述，仅为本公开的具体实施方式，但本公开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公开揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本公开的保护范围之内。因此，本公开的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (4)

1.一种无人机载分层水质采样和定深底质采样方法，其特征在于，包括以下步骤：
1）将碳纤板安装到无人机起落架上组成载荷挂架，组装自动绞盘和自动排线器；
2）将水质采样器和底质采样器安装在绳缆末端的挂钩上，将控制线与控制器连接，水质采样器上的阀控器通过蓝牙与控制器连接；
3）在起飞前通过控制器设定每一个采样器的采样深度；
4）当无人机飞抵目标位置后进入悬停状态，根据预设程序或遥控指令自动下放指定的采样器至设定水深，打开水质采样器上的电磁阀；
5）待采样器注满水或抓斗充满泥后，自动绞盘和自动排线器将采样器复位，无人机返航，完成采样任务；
在步骤1）中，所述自动绞盘包括伺服电机、联轴器、动态扭矩传感器、滚轴、绕线筒和轴支撑，所述伺服电机通过联轴器与动态扭矩传感器连接，所述联轴器与滚轴和绕线筒连接，所述滚轴一端设置有轴支撑；
在步骤1）中，所述自动排线器包括丝杠、滑块、步进电机和排线器支架，所述丝杠、滑块和步进电机均安装在排线器支架上，所述排线器支架通过螺丝固定在尼龙垫块上，所述绕线筒上缠绕有绳缆，所述绳缆一端穿过滑块并设置有挂钩；
所述伺服电机为带刹车闭环伺服电机，所述动态扭矩传感器能够测定绕线筒的所受扭矩，当超过设定的阈值后，伺服电机带动绕线筒释放绳缆。
2.根据权利要求1所述的无人机载分层水质采样和定深底质采样方法，其特征在于，在步骤1）中，所述碳纤板与无人机起落架之间设置有H形板和C形夹。
3.根据权利要求1所述的无人机载分层水质采样和定深底质采样方法，其特征在于，在步骤2）中，所有伺服电机与步进电机的控制线均与控制器相连接。
4.根据权利要求1所述的无人机载分层水质采样和定深底质采样方法，其特征在于：所述水质采样器由吊环、采样瓶、电磁阀、CTD传感器和阀控器组成，所述采样瓶采用不锈钢材料制成。
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CN117963136A (zh) * 2024-03-27 2024-05-03 天津易科芯科技有限公司 一种无人机的载物升降装置

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