CN116477056A - 基于无人机的大气黑碳垂直廓线监测装置 - Google Patents

Abstract

基于无人机的大气黑碳垂直廓线监测装置，涉及大气监测技术领域，其包括无人机和用于安装监测仪器的仪器舱，仪器舱安装于无人机，无人机设有用于紧急弹射仪器舱的旋转弹射机构，旋转弹射机构连接仪器舱，仪器舱设有降落伞和飞行叶片，紧急弹射仪器舱时，旋转弹射机构使仪器舱旋转并从无人机弹射分离，仪器舱旋转时借助飞行叶片飞行以在远离无人机后打开降落伞，以避免无人机损坏所述降落伞。且因为下坠过程中气流的复杂性，仪器舱这段飞行的路径不是直线的，带有很大的随机性，使仪器舱与无人机在水平方向上错开，此时仪器舱再打开降落伞，就不易被无人机干扰到，仪器舱就可在降落伞的作用下缓慢降落，不容易坠毁。

Description

基于无人机的大气黑碳垂直廓线监测装置

技术领域

本发明涉及大气监测技术领域，具体涉及基于无人机的大气监测设备。

背景技术

由于大气污染物具有区域输送、垂直扩散、交换以及化学反应等多方面的复杂性，目前急需对高空污染物对近地面的影响开展观测与研究。黑碳气溶胶对太阳光谱具有很强的吸收作用，显著影响着地-气系统的辐射平衡。到目前为止，人们对黑碳气溶胶的垂直分布的了解非常有限。借助工业无人机作为搭载平台，将监测仪器搭载在无人机上，可以定量获取黑碳气溶胶的垂直分布特征。

无人机在空中发生故障，可能会坠落，监测仪器和无人机可能会一同坠毁。无人机可设置降落伞，坠落过程中打开降落伞，避免无人机和监测仪器坠毁。然而，降落伞打开时，无人机的旋翼可能仍在高速旋转，或者在下坠过程中受气流影响而高速旋转，而且下坠过程中由于自身及气流的影响，无人机可能会翻转，运动情况非常复杂，无人机的旋翼可能会割断降落伞的伞绳，导致降落伞失效，监测仪器和无人机坠毁，监测仪器里的数据也可能会因此丢失。

发明内容

有鉴于此，本发明提供基于无人机的大气黑碳垂直廓线监测装置，其无人机在空中发生故障后，无人机所搭载的监测仪器安全性更高，不容易被损坏。

为实现上述目的，本发明提供以下技术方案。

1、基于无人机的大气黑碳垂直廓线监测装置，包括无人机和用于安装监测仪器的仪器舱，仪器舱安装于无人机，无人机设有用于紧急弹射仪器舱的旋转弹射机构，旋转弹射机构连接仪器舱，仪器舱设有降落伞和飞行叶片，紧急弹射仪器舱时，旋转弹射机构使仪器舱旋转并从无人机弹射分离，仪器舱旋转时借助飞行叶片飞行以在远离无人机后打开降落伞，以避免无人机损坏所述降落伞。

无人机载重较小，且空间有限，不便设置强力的弹射装置来使仪器舱被弹射得足够远，仪器舱与无人机距离较近的情况下打开降落伞(无人机也可另外设置降落伞，本文中如无说明，降落伞均指仪器舱的降落伞)，降落伞可能会受到无人机的干扰而失效，例如无人机的旋翼割断降落伞的伞绳，且弹射的运动路径是直线的，由于无人机在坠落过程中可能会翻转，也有可能使得仪器舱的降落伞打开时无人机在其上方，无人机就会落到仪器舱的降落伞上导致降落伞失效。本发明中，仪器舱在被弹射的过程中也被驱动旋转，加上其设置的飞行叶片，使其可以在被弹射后飞行一段距离，从而远离无人机，且因为下坠过程中气流的复杂性，仪器舱这段飞行的路径不是直线的，带有很大的随机性，使仪器舱与无人机在水平方向上错开，此时仪器舱再打开降落伞，就不容易被无人机干扰到，仪器舱就可在降落伞的作用下缓慢降落，不容易坠毁，地面人员也有充足的时间移动到落点接住，所搭载的仪器更安全。

2、在技术方案1的基础上，进一步地，无人机设有安装槽，旋转弹射机构设有转盘和旋转驱动电机，转盘设在安装槽底部，安装槽底部设有第一滚珠，转盘通过第一滚珠与安装槽底面转动连接，旋转驱动电机连接转盘以驱动转盘旋转，仪器舱安装在转盘上，转盘设有锁止组件和弹射弹簧，锁止组件连接仪器舱以锁止固定转盘和仪器舱，仪器舱安装到转盘上后，弹射弹簧被仪器舱压缩，紧急弹射仪器舱时，旋转驱动电机驱动转盘和仪器舱旋转后，锁止组件解除转盘与仪器舱之间的锁止固定，弹射弹簧将仪器舱从无人机弹射分离。

3、在技术方案2的基础上，进一步地，安装槽侧壁设有第二滚珠，仪器舱通过第二滚珠与安装槽侧壁滑动连接。避免仪器舱在旋转过程中刮擦安装槽侧壁而使旋转减速。

4、在技术方案2的基础上，进一步地，锁止组件包括止转卡槽、防脱插销和锁止电机，锁止电机连接防脱插销以驱动防脱插销转动，仪器舱底部设有止转卡块和防脱卡槽，防脱卡槽设有与防脱插销匹配的卡槽开口，仪器舱安装到转盘上后，止转卡块卡入止转卡槽以防止仪器舱相对转盘转动，防脱插销从卡槽开口卡入防脱卡槽并转动使防脱插销与卡槽开口错位，以锁止仪器舱防止仪器舱从无人机脱离，紧急弹射仪器舱时，锁止电机驱动防脱插销转动对准卡槽开口，以解除转盘与仪器舱之间的锁止固定。

5、在技术方案1的基础上，进一步地，飞行叶片一端与仪器舱侧壁铰接，仪器舱安装在无人机上时，飞行叶片垂下收起以减少空间占用，仪器舱从无人机弹射分离后，飞行叶片随仪器舱旋转借助离心作用而张开。利用重力及仪器舱旋转过程中的离心作用来完成飞行叶片的收起与张开，简化结构。

6、在技术方案1的基础上，进一步地，仪器舱设有可活动的减转挡板，所述降落伞打开前，减转挡板从仪器舱侧壁立起，以增加仪器舱旋转的风阻而使仪器舱降低转速，以减轻所述降落伞打开后伞绳因仪器舱旋转而缠绕的幅度。仪器舱刚被弹射后，其旋转是其飞行的动力来源，但在仪器舱足够远离无人机后，准备打开降落伞时，此时仪器舱的旋转会带来负作用，可能会让降落伞的伞绳大幅度缠绕，就如拧麻花绳一样，可能导致降落伞失效。停转挡板在降落伞打开前立起，可增加仪器舱旋转的风阻，使仪器舱降低转速，更快地停止旋转，避免降落伞打开后，伞绳因为仪器舱的旋转而大幅度缠绕。

7、在技术方案6的基础上，进一步地，仪器舱设有减转组件，减转组件包括减转电机、减转丝杆和所述减转挡板，减转挡板有两个，均与减转丝杆连接，仪器舱侧壁设有两个挡板开口，减转电机驱动减转丝杆转动，减转丝杆转动驱动两个减转挡板伸出仪器舱侧壁外侧以增加仪器舱旋转的风阻，或驱动两个减转挡板收回仪器舱内。

8、在技术方案1的基础上，进一步地，所述降落伞包括均设在仪器舱顶部的主降落伞和姿态调整降落伞，姿态调整降落伞至少有3个，各个姿态调整降落伞环绕主降落伞等间隔设置，仪器舱从无人机弹射分离后，先打开姿态调整降落伞以调整仪器舱在空中的姿态使仪器舱顶部朝上，再打开主降落伞。降落伞打开前，仪器舱在空中的姿态有很大的随机性，如在降落伞打开的时候仪器舱恰好处于某些姿态，比如飞行叶片朝上，此时飞行叶片可能会割断降落伞的伞绳。设置多个姿态调整降落伞，让它们先打开，起到调整仪器舱空中姿态的作用，使仪器舱顶部朝上，此时再打开主降落伞，主降落伞的伞绳就不会被飞行叶片割断，确保仪器舱可安全平稳降落到地面。由于有主降落伞，姿态调整降落伞的伞绳即使被飞行叶片割断也没关系。

附图说明

图1为本发明的监测装置的立体结构示意图。

图2为本发明的监测装置的分解结构示意图。

图3为图2中A处的放大示意图。

图4为本发明的监测装置的剖视图。

图5为图4中B处的放大示意图。

图6为仪器舱在飞行叶片张开及减转挡板从仪器舱侧壁立起时的结构示意图。

图7为仪器舱底部视角的结构示意图。

图8为仪器舱的内部结构示意图。

图9为姿态调整降落伞打开后调整仪器舱空中姿态的示意图。

图10为仪器舱在主降落伞打开后的示意图。

附图标记包括：

无人机1，安装槽11，第一滚珠111，第二滚珠112，转盘121，旋转驱动电机122，弹射弹簧123，止转卡槽124，防脱插销125，锁止电机126；

仪器舱2，飞行叶片21，主降落伞22，姿态调整降落伞23，止转卡块24，防脱卡槽25，卡槽开口251，减转挡板26，减转电机27，减转丝杆28，挡板开口29。

具体实施方式

以下结合具体实施例对本发明创造作详细说明。

如图1所示，本实施例的基于无人机1的大气黑碳垂直廓线监测装置，包括无人机1和用于安装监测仪器的仪器舱2，仪器舱2安装于无人机1，结合图2，无人机1设有用于紧急弹射仪器舱2的旋转弹射机构，旋转弹射机构连接仪器舱2，仪器舱2设有降落伞和飞行叶片21，结合图6和图10，紧急弹射仪器舱2时，旋转弹射机构使仪器舱2旋转并从无人机1弹射分离，仪器舱2旋转时借助飞行叶片21飞行，类似竹蜻蜓，仪器舱在远离无人机1后打开降落伞，以避免无人机1损坏所述降落伞。

无人机1载重较小，且空间有限，不便设置强力的弹射装置来使仪器舱2被弹射得足够远。本实施例中，仪器舱2在被弹射的过程中也被驱动旋转，加上其设置的飞行叶片21，使其可以在被弹射后飞行一段距离，从而远离无人机1，且因为下坠过程中气流的复杂性，仪器舱2这段飞行的路径不是直线的，带有很大的随机性，使仪器舱2与无人机1在水平方向上错开，此时仪器舱2再打开降落伞，就不容易被无人机1干扰到，仪器舱2就可在降落伞的作用下缓慢降落，不容易坠毁，地面人员也有充足的时间移动到落点接住，所搭载的仪器更安全。

结合图2-图5，无人机1设有安装槽11，旋转弹射机构设有转盘121和旋转驱动电机122，转盘121设在安装槽11底部，安装槽11底部设有第一滚珠111，侧壁设有第二滚珠112，转盘121通过第一滚珠111与安装槽11底面转动连接，仪器舱2通过第二滚珠112与安装槽11侧壁滑动连接，旋转驱动电机122连接转盘121以驱动转盘121旋转，仪器舱2安装在转盘121上，转盘121设有锁止组件和弹射弹簧123，结合图图3和图7，锁止组件包括止转卡槽124、防脱插销125和锁止电机126，锁止电机126连接防脱插销125以驱动防脱插销125转动，仪器舱2底部设有止转卡块24和防脱卡槽25，防脱卡槽25设有与防脱插销125匹配的卡槽开口251，仪器舱2安装到转盘121上后，弹射弹簧123被仪器舱2压缩，止转卡块24卡入止转卡槽124以防止仪器舱2相对转盘121转动，防脱插销125从卡槽开口251卡入防脱卡槽25并转动使防脱插销125与卡槽开口251错位，以锁止仪器舱2防止仪器舱2从无人机1脱离，紧急弹射仪器舱2时，旋转驱动电机122驱动转盘121和仪器舱2旋转后，锁止电机126驱动防脱插销125转动，使防脱插销125对准卡槽开口251，此时解除转盘121与仪器舱2之间的锁止固定，弹射弹簧123将仪器舱2从无人机1弹射分离。

如图1、图2和图6所示，本实施例中，飞行叶片21一端与仪器舱2侧壁铰接，仪器舱2安装在无人机1上时，飞行叶片21垂下收起以减少空间占用，仪器舱2从无人机1弹射分离后，飞行叶片21随仪器舱2旋转并借助离心作用而张开。利用重力及仪器舱2旋转过程中的离心作用来完成飞行叶片21的收起与张开，简化结构。在其他实施例中，飞行叶片21也可以是固定式的，或者是其他可收起和张开的结构。

如图6和图8所示，仪器舱2设有减转组件，减转组件包括减转电机27、减转丝杆28和减转挡板26，减转挡板26有两个，均与减转丝杆28连接，仪器舱2侧壁设有两个挡板开口29，减转电机27驱动减转丝杆28转动，减转丝杆28转动驱动两个减转挡板26伸出仪器舱2侧壁外侧以增加仪器舱2旋转的风阻，或驱动两个减转挡板26收回仪器舱2内。所述降落伞打开前，减转电机27、减转丝杆28驱动减转挡板26伸出仪器舱2侧壁立起，以增加仪器舱2旋转的风阻而使仪器舱2降低转速，以减轻所述降落伞打开后伞绳因仪器舱2旋转而缠绕的幅度。仪器舱2刚被弹射后，其旋转是其飞行的动力来源，但在仪器舱2足够远离无人机1后，准备打开降落伞时，此时仪器舱2的旋转会带来负作用，可能会让降落伞的伞绳大幅度缠绕，就如拧麻花绳一样，可能导致降落伞失效。停转挡板在降落伞打开前立起，可增加仪器舱2旋转的风阻，使仪器舱2降低转速，更快地停止旋转，避免降落伞打开后，伞绳因为仪器舱2的旋转而大幅度缠绕。

如图1、图2和图6所示，降落伞包括主降落伞22和姿态调整降落伞23，主降落伞22和姿态调整降落伞23均设在仪器舱2顶部，姿态调整降落伞23有3个，各个姿态调整降落伞23环绕主降落伞22等间隔设置，仪器舱2从无人机1弹射分离后，结合图9，先打开姿态调整降落伞23以调整仪器舱2在空中的姿态使仪器舱2顶部朝上，结合图10，再打开主降落伞22。降落伞打开前，仪器舱2在空中的姿态有很大的随机性，如在降落伞打开的时候仪器舱2恰好处于某些姿态，比如飞行叶片21朝上，此时飞行叶片21可能会割断降落伞的伞绳。设置多个姿态调整降落伞23，让它们先打开，起到调整仪器舱2空中姿态的作用，使仪器舱2顶部朝上，此时再打开主降落伞22，主降落伞22的伞绳就不会被飞行叶片21割断，确保仪器舱2可安全平稳降落到地面。由于有主降落伞22，姿态调整降落伞23的伞绳即使被飞行叶片21割断也没关系。

最后应当说明的是，以上实施例仅用以说明本发明创造的技术方案，而非对本发明创造保护范围的限制，尽管参照较佳实施例对本发明创造作了详细地说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明创造的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明创造技术方案的实质和范围。

Claims (8)

1.基于无人机的大气黑碳垂直廓线监测装置，包括无人机和用于安装监测仪器的仪器舱，仪器舱安装于无人机，其特征是，无人机设有用于紧急弹射仪器舱的旋转弹射机构，旋转弹射机构连接仪器舱，仪器舱设有降落伞和飞行叶片，紧急弹射仪器舱时，旋转弹射机构使仪器舱旋转并从无人机弹射分离，仪器舱旋转时借助飞行叶片飞行以在远离无人机后打开降落伞，以避免无人机损坏所述降落伞。

2.如权利要求1所述的基于无人机的大气黑碳垂直廓线监测装置，其特征是，无人机设有安装槽，旋转弹射机构设有转盘和旋转驱动电机，转盘设在安装槽底部，安装槽底部设有第一滚珠，转盘通过第一滚珠与安装槽底面转动连接，旋转驱动电机连接转盘以驱动转盘旋转，仪器舱安装在转盘上，转盘设有锁止组件和弹射弹簧，锁止组件连接仪器舱以锁止固定转盘和仪器舱，仪器舱安装到转盘上后，弹射弹簧被仪器舱压缩，紧急弹射仪器舱时，旋转驱动电机驱动转盘和仪器舱旋转后，锁止组件解除转盘与仪器舱之间的锁止固定，弹射弹簧将仪器舱从无人机弹射分离。

3.如权利要求2所述的基于无人机的大气黑碳垂直廓线监测装置，其特征是，安装槽侧壁设有第二滚珠，仪器舱通过第二滚珠与安装槽侧壁滑动连接。

4.如权利要求2所述的基于无人机的大气黑碳垂直廓线监测装置，其特征是，锁止组件包括止转卡槽、防脱插销和锁止电机，锁止电机连接防脱插销以驱动防脱插销转动，仪器舱底部设有止转卡块和防脱卡槽，防脱卡槽设有与防脱插销匹配的卡槽开口，仪器舱安装到转盘上后，止转卡块卡入止转卡槽以防止仪器舱相对转盘转动，防脱插销从卡槽开口卡入防脱卡槽并转动使防脱插销与卡槽开口错位，以锁止仪器舱防止仪器舱从无人机脱离，紧急弹射仪器舱时，锁止电机驱动防脱插销转动对准卡槽开口，以解除转盘与仪器舱之间的锁止固定。

5.如权利要求1所述的基于无人机的大气黑碳垂直廓线监测装置，其特征是，飞行叶片一端与仪器舱侧壁铰接，仪器舱安装在无人机上时，飞行叶片垂下收起以减少空间占用，仪器舱从无人机弹射分离后，飞行叶片随仪器舱旋转并借助离心作用而张开。

6.如权利要求1所述的基于无人机的大气黑碳垂直廓线监测装置，其特征是，仪器舱设有可活动的减转挡板，所述降落伞打开前，减转挡板从仪器舱侧壁立起，以增加仪器舱旋转的风阻而使仪器舱降低转速，以减轻所述降落伞打开后伞绳因仪器舱旋转而缠绕的幅度。

7.如权利要求6所述的基于无人机的大气黑碳垂直廓线监测装置，其特征是，仪器舱设有减转组件，减转组件包括减转电机、减转丝杆和所述减转挡板，减转挡板有两个，均与减转丝杆连接，仪器舱侧壁设有两个挡板开口，减转电机驱动减转丝杆转动，减转丝杆转动驱动两个减转挡板伸出仪器舱侧壁外侧以增加仪器舱旋转的风阻，或驱动两个减转挡板收回仪器舱内。

8.如权利要求1所述的基于无人机的大气黑碳垂直廓线监测装置，其特征是，所述降落伞包括均设在仪器舱顶部的主降落伞和姿态调整降落伞，姿态调整降落伞至少有3个，各个姿态调整降落伞环绕主降落伞等间隔设置，仪器舱从无人机弹射分离后，先打开姿态调整降落伞以调整仪器舱在空中的姿态使仪器舱顶部朝上，再打开主降落伞。