CN205418093U - 一种用于大气采样的多轴飞行器 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种用于大气采样的多轴飞行器，所述的多轴飞行器包括机架、吊舱、遥控器；所述的机架上设有多个旋翼，所述的旋翼上安装有电子调速器、电机、螺旋桨；安装在机架上的吊舱位于机架的下方，所述的机架上安装有GPS模块、控制器、电源模块，所述的吊舱上安装有超声波测距系统、视觉定位系统、大气采集器。本实用新型的多轴飞行器可实现大气采样的自动化和标准化，提高采样效率，减少人为因素对采样可靠性的影响，属于多轴飞行器的技术领域。

Description

一种用于大气采样的多轴飞行器

技术领域

本实用新型涉及多轴飞行器的技术领域，尤其涉及一种用于大气采样的多轴飞行器。

背景技术

多轴飞行器也叫多旋翼飞行器、多旋翼直升机，是一种有多个旋翼提供动力的小型飞行器，通过飞行控制器控制其姿态，并接收人工发出的指令完成相应动作，其能够携带一定的任务载荷，便于放飞和收回，具备自主导航飞行的能力，能进入一些人难以进入或不宜进入的复杂危险环境中完成飞行任务。

多轴飞行器在空中悬停或飞行时产生大量高速气流，改变了采样点原有的气象条件，气流的干扰使直接采集的样品缺乏代表性，如申请号为201520278698.3的中国专利，《基于MWC四轴飞行器的大气环境监测空间站》，直接在多轴飞行器机身上加装传感器，测得的数值极有可能是不准确的。

传统的大气采样器通常由收集器、流量系统和抽气动力装置组成，需要采样人员手动控制，自动化程度低，采样效率不高，采样区域也受到很大限制，装置较为笨重，无法直接挂载在多轴飞行器上进行采样作业。

实用新型内容

针对现有技术中存在的技术问题，本实用新型的目的是：提供一种用于大气采样的多轴飞行器，可实现大气采样的自动化和标准化，提高采样效率，减少人为因素对采样可靠性的影响。

为了达到上述目的，本实用新型采用如下技术方案：

一种用于大气采样的多轴飞行器，所述的多轴飞行器包括机架、吊舱、遥控器；所述的机架上设有多个旋翼，所述的旋翼上安装有电子调速器、电机、螺旋桨；安装在机架上的吊舱位于机架的下方，所述的机架上安装有GPS模块、控制器、电源模块，所述的吊舱上安装有超声波测距系统、视觉定位系统、大气采集器。结合各个零部件，多轴飞行器可以进行相应的飞行任务和采集作业。

进一步的是：控制器与遥控器信号连接，所述的控制器包括大气采集控制器和飞行控制器；所述的大气采集控制器与大气采集器信号连接，所述的飞行控制器分别与电子调速器、GPS模块、超声波测距系统、视觉定位系统信号连接，所述的电子调速器与电机电气连接。可以完成自主的飞行任务和采集作业。

进一步的是：遥控器用于向控制器发送采样指令，所述的控制器包括大气采集控制器和飞行控制器；所述的大气采集控制器用于控制大气采集器执行大气采样作业；所述的飞行控制器用于控制多轴飞行器的飞行路线及飞行姿态，所述的GPS模块为多轴飞行器提供实时的地理位置信息，所述的超声波测距系统为多轴飞行器提供实时的高度信息，接收地理位置信息和高度信号的飞行控制器通过电子调速器调节电机的转速，所述的视觉定位系统用于图像传输和辅助导航，所述的电源模块为多轴飞行器上的各个部件提供所需的电力。

进一步的是：设置在吊舱内的大气采集器包括收集器、流量系统、抽气动力装置，所述的收集器包括采样头和气袋；所述的采样头与抽气动力装置相接，所述的抽气动力装置与气袋相接，所述的采样头上设有流量系统。

进一步的是：流量系统包括流量传感器和温度传感器，所述的流量传感器和温度传感器与大气采集控制器电连接。

进一步的是：遥控器和所述的控制器通过2.4GHz无线通信模块进行通信。

进一步的是：电源模块的电池为锂聚合物电池，输出电压≥14.8V，容量≥5000mAh。

进一步的是：遥控器上设有显示模块和输入模块。

进一步的是：多轴飞行器为四轴飞行器、六轴飞行器或八轴飞行器。

进一步的是：采样头的下端设有屏蔽罩。

总的说来，本实用新型具有如下优点：

1.本实用新型可实现大气采样的自动化和标准化，提高采样效率，减少人为因素对采样可靠性的影响。

2.本实用新型的屏蔽罩可最大程度减小气流扰动对大气采样的影响。

3.本实用新型的多轴飞行器可进入人不宜进入的各种恶劣环境，完成采样任务。

附图说明

图1是本实用新型第一方向立体图的结构示意图。

图2是本实用新型第二方向立体图的结构示意图。

图3是本实用新型第三方向立体图的结构示意图。

其中，1为机架，2为吊舱，3为电子调速器，4为螺旋桨，5为电机，6为GPS模块，7为大气采集控制器，8为飞行控制器，9为电源模块，10为视觉定位系统，11为超声波测距系统，12为抽气动力装置，13为气袋，14为流量系统，15为屏蔽罩，16为采样头。

具体实施方式

下面将结合附图和具体实施方式来对本实用新型做进一步详细的说明。

本实用新型是基于传统技术的组合改进，本实用新型的多轴飞行器全重≤2500g。结合图1所示，一种用于大气采样的多轴飞行器，所述的多轴飞行器包括机架、吊舱、遥控器。所述的机架上设有多个旋翼，所述的旋翼上安装有电子调速器、电机、螺旋桨。安装在机架上的吊舱位于机架的下方，所述的机架上安装有GPS模块、控制器、电源模块，所述的吊舱上安装有超声波测距系统、视觉定位系统、大气采集器。

所述的吊舱与机架紧密相连并锁死，为简化起见，在机架的下方绘制几个杆，几个杆围成的区域即吊舱。所述机架和所述吊舱均由定制的3K碳纤维材质制成，所述机架的轴距不小于750mm。所述的电源模块设置在机架下端的中间位置，所述电源模块的电池为锂聚合物电池，输出电压≥14.8V，容量≥5000mAh。所述的GPS模块安装在机架的上端。所述的超声波测距系统安装在吊舱的底部。所述的螺旋桨为12至16英寸的碳纤维自锁螺旋桨，安装在电机上，为多轴飞行器提供升力。所述电机为无刷电机，电机的定子直径不小于35mm，电机为外转子结构。所述电子调速器持续电流不低于40A，为所述电机提供驱动。

所述的控制器包括大气采集控制器和飞行控制器。所述的大气采样器总重量不超过1000g，设置在吊舱内的大气采集器包括收集器、流量系统、抽气动力装置，所述的收集器包括采样头和气袋。所述采样头为软管带过滤装置，所述的采样头的一端与抽气动力装置相接，所述采样头的另一端固定在吊舱底部的正中央，所述采样头的下端设有屏蔽罩；所述的抽气动力装置与气袋的进气阀相接，所述的采样头上设有流量系统。所述的流量系统包括流量传感器和温度传感器，所述的流量传感器和温度传感器与大气采集控制器电连接。所述抽气动力装置为轻质微型气体采样泵，抽速不低于300ml/min。所述气袋和采样头均由化学性质稳定，耐化学品、耐腐蚀的材料制成，所述气袋的容量为2L或4L，气袋的内膜为氟聚合物的Fluode气体采样袋或内膜为聚氟乙烯的Tedlar气体采样袋。所述的屏蔽罩可以以最大程度减小气流扰动对大气采样的影响。采样时，气流的流动路径为采样头、抽气动力装置、气袋；流量传感器和温度传感器可以将相关数据发送给大气采集控制器。

所述的控制器与遥控器信号连接，所述的控制器包括大气采集控制器和飞行控制器；所述的大气采集控制器与大气采集器信号连接，所述的飞行控制器分别与电子调速器、GPS模块、超声波测距系统、视觉定位系统信号连接，所述的电子调速器与电机电气连接。

整个装置由所述电源模块供电，所述的遥控器用于向控制器发送采样指令，采样指令的设定包括采样位置、高度、采样速率以及采样体积的信息。所述的控制器对接收到的采样指令进行计算处理，进一步分配给飞行控制器和大气采集控制器处理。所述飞行控制器接收到采样指令的相关信息后可以自主地规划飞行路线，控制多轴飞行器的飞行路线及飞行姿态，飞行姿态即多轴飞行器的三轴在空中相对于某条参考线、某个参考平面或某固定坐标系统的状态，控制多轴飞行器抵达指定位置和高度。到达指定位置后，大气采集控制器自主开启大气采样器，进行采集作业。所述的大气采集控制器用于控制大气采集器执行大气采样作业；所述的GPS模块为多轴飞行器提供实时的地理位置信息，地理位置信息是由地球经纬度坐标构成，所述的超声波测距系统为多轴飞行器提供实时的高度信息，接收地理位置信息和高度信号的飞行控制器通过电子调速器调节电机的转速，所述的视觉定位系统用于图像传输和辅助导航，所述的电源模块为多轴飞行器上的各个部件提供所需的电力，所述螺旋桨为多轴飞行器提供升力和动力。当多轴飞行器到达指定采样点后，大气采集控制器控制采样头和抽气动力装置，以设定的速率采集大气样品；所述流量系统实时监测采样速率并反馈给大气采集控制器，当采集到的样品体积达到设定值时，大气采集控制器控制大气采样器停止采样。所述多轴飞行器携带大气样品自行返回放飞的位置。多轴飞行器在一次飞行中可以在单个采样点或多个采样点进行采集作业。

所述的多轴飞行器通过在采样时间内，气体流速对采样时间做积分计算出已采集大气样品的体积。

所述控制器对遥控器的指令有更高优先级的响应，遥控器上设有显示模块和输入模块。在多轴飞行器的任何状态下，遥控器都可以通过输入模块向控制器发送指令，控制器会判断遥控器的指令是否在允许的范围，在范围内则立刻响应指令，超出范围则不做出响应。遥控器和控制器通过2.4GHz无线通信模块进行通信，所述遥控器可选择性的与其他通信设备相连，所述输入模块又包括摇杆输入和按键输入，用以给出控制信号。

对于采样位置无法确定的采样点，可以手动操作遥控器控制多轴飞行器飞抵想要采样的位置以恒定速率采集一定的体积。飞行控制器在多轴飞行器放飞时会存储地理位置信息，在所述电源模块反馈的电压值低于一定数值或上述任何一个模块的反馈量超出正常范围时，控制器将终止一切大气采样作业及相关飞行动作，多轴飞行器将自行返回初始放飞位置。所述的视觉定位系统在多轴飞行器起飞之后仅用于图像传输，并不开始辅助导航，当GPS模块或超声波测距系统受干扰或限制不能准确定位和工作时才运行导航算法，进行辅助导航。所述的多轴飞行器为六轴飞行器，也可以是四轴飞行器或八轴飞行器。所述大气采集器在六轴飞行器到达指定位置之后才开始进行采集作业以节省电能消耗。六轴飞行器的飞行高度被人为限制在300m以内。

使用满足以上规格的配件组装的六轴飞行器理论上可以有不低于30分钟的续航能力，有充足的时间进行采样作业；300m的限高符合我国已开放领空城市的要求，六轴飞行器可以进行固定污染源的大气采样以及突发环境事件的应急监测采样，也可以进入厂房仓库等复杂环境完成勘测采样任务。

本实用新型的机架、吊舱、遥控器、电子调速器、电机、螺旋桨、GPS模块、电源模块、超声波测距系统、视觉定位系统、收集器、流量系统、抽气动力装置均属于现有技术，在市场上可以购买得到，本实用新型在于对这些现有技术的组合改进。

上述实施例为本实用新型较佳的实施方式，但本实用新型的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本实用新型的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种用于大气采样的多轴飞行器，其特征在于：所述的多轴飞行器包括机架、吊舱、遥控器；所述的机架上设有多个旋翼，所述的旋翼上安装有电子调速器、电机、螺旋桨；安装在机架上的吊舱位于机架的下方，所述的机架上安装有GPS模块、控制器、电源模块，所述的吊舱上安装有超声波测距系统、视觉定位系统、大气采集器。

2.按照权利要求1所述的一种用于大气采样的多轴飞行器，其特征在于：所述的控制器与遥控器信号连接，所述的控制器包括大气采集控制器和飞行控制器；所述的大气采集控制器与大气采集器信号连接，所述的飞行控制器分别与电子调速器、GPS模块、超声波测距系统、视觉定位系统信号连接，所述的电子调速器与电机电气连接。

3.按照权利要求1所述的一种用于大气采样的多轴飞行器，其特征在于：所述的遥控器用于向控制器发送采样指令，所述的控制器包括大气采集控制器和飞行控制器；所述的大气采集控制器用于控制大气采集器执行大气采样作业；所述的飞行控制器用于控制多轴飞行器的飞行路线及飞行姿态，所述的GPS模块为多轴飞行器提供实时的地理位置信息，所述的超声波测距系统为多轴飞行器提供实时的高度信息，接收地理位置信息和高度信号的飞行控制器通过电子调速器调节电机的转速，所述的视觉定位系统用于图像传输和辅助导航，所述的电源模块为多轴飞行器上的各个部件提供所需的电力。

4.按照权利要求2或3所述的一种用于大气采样的多轴飞行器，其特征在于：设置在吊舱内的大气采集器包括收集器、流量系统、抽气动力装置，所述的收集器包括采样头和气袋；所述的采样头与抽气动力装置相接，所述的抽气动力装置与气袋相接，所述的采样头上设有流量系统。

5.按照权利要求4所述的一种用于大气采样的多轴飞行器，其特征在于：所述的流量系统包括流量传感器和温度传感器，所述的流量传感器和温度传感器与大气采集控制器电连接。

6.按照权利要求1所述的一种用于大气采样的多轴飞行器，其特征在于：所述的遥控器和所述的控制器通过2.4GHz无线通信模块进行通信。

7.按照权利要求1所述的一种用于大气采样的多轴飞行器，其特征在于：所述电源模块的电池为锂聚合物电池，输出电压≥14.8V，容量≥5000mAh。

8.按照权利要求1所述的一种用于大气采样的多轴飞行器，其特征在于：所述的遥控器上设有显示模块和输入模块。

9.按照权利要求1所述的一种用于大气采样的多轴飞行器，其特征在于：所述的多轴飞行器为四轴飞行器、六轴飞行器或八轴飞行器。

10.按照权利要求4所述的一种用于大气采样的多轴飞行器，其特征在于：所述采样头的下端设有屏蔽罩。