CN205483673U - 水质采样无人机的自动采样器 - Google Patents

Abstract

水质采样无人机的自动采样器，包括主体支架、定高传感器、水样采集装置、升降装置、分样装置、样品储存装置和控制电路板。其中，水样采集装置包括潜水泵、压力液位传感器、柔性水管、流量传感器，可以完成定深采样；升降装置包括伺服电机、磁编码器、减速齿轮、滑环、轴承、接近开关、伸缩杆、陶瓷眼部件，可实现采样装置的收放功能；样品储存装置由三层可拆卸塑料瓶组成。本实用新型可以有效减轻自动采样器的重量，提高了整个水质采样无人机的性能；同时通过升降装置和在取样口增加压力液位传感器实现定深采样，并在无人机飞行过程将采样装置收起，提高无人机飞行过程中的安全性。

Description

水质采样无人机的自动采样器

技术领域

本发明涉及水质采样设备的技术领域，特别涉及到水质采样无人机用的一种自动采样器。

背景技术

随着我国经济的发展，水资源污染情况越来越严重，水资源的防治和保护也越来越受到重视，如何高效获得水质信息是水污染防治的前提，水质采样则是获取水质信息的关键环节。利用无人机进行水质采样，相对于传统的人工采样和自动采样的方式，不仅具有效率高、人员安全性高等优点，而且可在复杂环境或者人船难以到达的地方采样。由于多旋翼无人机技术基本成熟，实现水质采样无人机的关键是挂载在无人机上的水质自动采样器，在实现功能的同时尽量减轻本身的重量，提高水质采样无人机的工作时间；为了保证采样无人机的安全，自动采样装置的取水部件应具备升降功能。

在申请号为201420430386.5的中国实用新型/发明专利申请中，在取水部件吸水管的末端需要增加额外的重锤保证吸水管能下沉到水面以下，增加了整个采样装置的重量；虽然整个采样无人机装配有定高传感器，能测量无人机距离水面的高度，但是没有测量吸水管的下放长度，无法获知采样水质的深度及定深度采样的功能；另外，由于其没有设计吸水管的收管装置，在采样完成后，吸水管不能收起，会给无人机飞行带来较大的安全隐患，从而不能进行超视距采样。

因此，本发明针对水质采样无人机的自动采样器的重量、无法定深采样和吸水管精确收放等问题，首次采用潜水泵和自适应负反馈控制应用于采样无人机的自动采样器，使其具有较轻的重量、定深采样和吸水管精确收放，提高水质采样无人机的整体性能，应用更广泛。

发明内容

为了克服上述现有技术的不足，本发明提供了一种应水质采样无人机的自动采样器，能够减轻机载水质采样器的重量、进行定深采样和提高无人机载机安全性。可使水质采样无人机性能更优，适应范围更广，安全性更高，可以实现超视距采样。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种水质采样无人机的自动采样器，

包括主体支架、定高传感器、控制电路板、水样采集装置、升降装置和样品储存装置；

所述升降装置中的减速齿轮从动部分通过轴承与主体支架相连；减速齿轮从动部分驱动样品储存装置旋转；

所述水样采集装置包括潜水泵、压力液位传感器和软管，其中潜水泵和压力液位传感器安装在一起，实时获知潜水泵处于液面以下的深度，实现定深采样；用于水样传输的软管一端和潜水泵的出水端连接，软管的中间部分缠绕在样品储存装置的外壁。

还包括分样装置，分样装置的进样口和水样采集装置联接，分样装置多个出样口分别和样品储存装置的各层的进样口连接，实现将水样存储到样品储存装置的不同层。

样品储存装置包括多层可拆卸塑料瓶，每一层和上一层之间通过螺纹相连。

分样装置与减速齿轮从动部分固定连接；样品储存装置和分样装置固定连接；伺服电机通过减速齿轮主动轮与减速齿轮从动部分连接。

所述升降装置还包括伸缩杆，软管通过伸缩杆伸缩部分的末端圆孔。

所述末端圆孔中间装有陶瓷眼。

所述升降装置包括支架结构、伺服电机、磁编码器、减速齿轮、滑环、轴承、接近开关、伸缩杆、陶瓷眼部件。

在伸缩杆圆孔的一边安装有接近开关。

控制电路板与自动采样器的定高传感器、水样采集装置、升降装置、分样装置、样品储存装置连接。

分样装置的进样口和软管一端通过流量传感器连接。

一种水质采样无人机的自动采样装置，包含主体支架、定高传感器、压力液位传感器、水样采集装置、升降装置、分样装置、样品储存装置和控制电路板；其中定高传感器、采样摄像头、水样采集装置、升降装置、分样装置、样品储存装置和电路板均安装在主体支架上，主体支架通过接口安装到无人机机身上，为了保证采样无人机的高效，整个系统需要进行合理放置，保证采样系统的重心在无人机允许范围内；控制电路板负责水样采集、升降装置、分水装置的实时控制，并且负责定高传感器、压力液位传感器的数据采集和与无人机控制系统的通信。

所述水样采集装置包括潜水泵、压力液位传感器、柔性水管、流量传感器，其中潜水泵和压力液位传感器安装在一起，可以实时获知潜水泵处于液面以下的深度，进而可以完成定深采样；潜水泵为水质采样的动力部件，通过自身的重量即可消除水流浮力对采样造成的影响。潜水泵与柔性水管一端相连，中间水管可通过升降装置进行收放，另外一端与流量传感器连接，流量传感器再和分水装置连接，分水装置将水样分配到样品储存装置的不同容器。

所述升降装置有支架结构、伺服电机、磁编码器、减速齿轮、滑环、轴承、接近开关、伸缩杆、陶瓷眼部件。伺服电机末端装有磁编码器，其通过减速齿轮驱动分样装置、样品储存装置旋转，以样品储存装置的外壁为柔性水管缠绕的基体，通过顺时针(从上向下看)旋转样品储存装置，柔性水管在样品储存装置的外壁逐步缠绕，实现水样采集装置的收取。柔性水管通过伸缩杆的末端圆口，圆口内壁套用陶瓷眼，减少对软管的摩擦和磨损；在圆口的右侧装有接近开关，作为水样采集装置收取到位反馈；升降装置通过轴承和滑环和采样装置相连。

所述分样装置包括进样口、一个三通阀、一个四通阀和五个夹管阀，有三个出样口，通过水管将水样分配到样品储存装置的不同存储瓶，分样装置上部与升降装置连接，下部与样品储存装置连接。分样装置通过夹管阀的不同开关状态实现水样分配。

所述样品储存装置由三层可拆卸塑料瓶组成，每层塑料瓶均有进样口和出样口，出样口常规采样塞子堵住，每一层和上一层之间通过螺纹相连，可以根据采样点的个数及采样量的大小灵活选择样品储存装置的层数。采集完成后，可将样品储存装置拆下直接保存，并更换另外的样品储存装置。样品储存装置通过螺纹和分样装置连接。

控制电路板包含32位微处理器、伺服电机驱动模块、编码器接口、伸缩杆驱动模块、液体流量计接口、压力液位传感器接口、超声波定高传感器接口、潜水泵控制接口、夹管阀控制接口和摄像头电源控制接口；控制电路板与无人机之间为电源接口和通信接口，电源接口为整个自动采样器的电源输入，通信接口负责接收地面站发送的采样指令，并实时反馈自动采样器的状态、定高传感器的高度、采样器水深等数据。

本发明的有益效果为：不仅通过潜水泵作为采样的动力装置，有效的减轻了整个自动采样装置的重量，提高了整个水质采样无人机的性能；同时通过升降装置和在取样口增加压力液位传感器，可实时获知采样口的深度，并通过升降装置实时负反馈调节采样口的深度，进而实现定深采样；而且通过升降装置，可灵活实现水样采集装置的升降，在无人机飞行过程中将水样采集装置收起，提高无人机飞行过程的安全性。此外，采用灵活分层的样品储存装置，可根据采样需求灵活选择样品储存的层数，提高整个采样装置的性能。经过上述功能的实现，水质采样无人机具备更广泛的应用，可实现超视距自动采样。

本发明发明点还在于：采用潜水泵作为最终端深入水中，由于潜水泵扬程比较大，对无人机悬停水面的高度限制不高；且潜水泵自身重量可作为采样头在水中下沉的重量，不需要额外增加质量保证采样头下沉，从而减小整个无人机采样载荷的重量；同时，与一般管状或盒装采样装置相比，潜水泵泵口容易增加过滤装置。

本发明发明点还在于：在潜水泵与压力传感器配合使用，可实时知道采集的水质样品的深度，深度信息为水质样品中比较重要的参数；可实现可控的定深采样，当采样头达到采样要求的水深后，在开始采样。

本发明发明点还在于：采用软管缠绕的方式，可有效收纳软管，解决超视距无人机飞行的安全问题，同时解决降落时采样头落地被污染的问题。配合分液装置和储液装置旋转实现软管的下放，解决定深采样中采样头深度稳定的问题。而以分液装置和储液装置旋转作为软管缠绕的基体，不需要增加额外的结构作为软管缠绕的基体，减轻了载荷的重量；且储液装置的外径尺寸比较合适作为缠绕软管；由于软管需要缠绕，储液装置旋转与另外一端相连，一起旋转使相连接口结构比较简单。而采用伸缩杆可解决软管均匀缠绕在储液管的问题。

附图说明

下面根据附图对本发明作进一步详细说明。

图1为本发明实施提供的水质采样无人机的自动采样器。

其中，1为潜水泵，2为压力液位传感器，3为伸缩杆可伸缩部分，4为采样软管，5为伸缩杆末端圆孔，6为接近开关，7为样品储存装置第三层，8为样品储存装置每层的出口，9为样品储存装置第二层，10为分样装置和样品储存装置之间的软管，11为样品储存装置每层的进口，12为分样装置，13为流量传感器，14为减速齿轮从动轮，15为伸缩杆固定部分，16为滑环，17为磁编码器，18为伺服电机，19为减速齿轮主动轮，20为超声波定高传感器，21为控制电路板及主体支架，22为多旋翼无人机，23为采样摄像头。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的详述。

如图1所示，本发明包括主体支架和控制电路板21、定高传感器20、压力液位传感器2、水样采集装置、升降装置、分样装置12、样品储存装置和采样摄像头23。其中，定高传感器20、采样摄像头23和升降装置均按照在在主体支架，升降装置中旋转的部分分样装置12、减速齿轮从动部分14、样品储存装置通过滑环和轴承16与主体支架相连，滑环主要是解决控制电路板21和升降装置之间的控制和通信，分样装置12通过紧固件与减速齿轮从动部分14固定，样品储存装置通过螺纹和分样装置12固定；升降装置中的伺服电机18和伸缩杆15通过紧固件和主体支架相连；磁编码器17安装在伺服电机18的尾部，其外壳和伺服电机外壳固定，旋转孔与电机的转轴连接，伺服电机输出轴与减速齿轮主动轮19固定联接；减速齿轮主动轮19通过齿轮耦合与减速齿轮从动部分14联接，在伺服电机带动减速齿轮主动轮19转动，减速齿轮主动轮19带动减速齿轮从动部分14转动，进而驱动分样装置12和样品储存装置旋转。分样装置12的进样口和流量传感器13直接联接，其三个出样口分别通过软管和样品储存装置的三层的进样口连接，其内部通过一个三通、一个四通和五个夹管阀控制样品的流向，进而可以控制将样品存储在样品储存装置某一层。

水样采集装置的软管4一端和流量传感器13的进样端连接，另外一端和潜水泵1的出水端连接，中间部分缠绕在水样储存装置的外壁，并通过伸缩杆伸缩部分3的末端圆孔5，末端圆孔5中间装有陶瓷眼，减少对软管的摩擦力和摩擦。由于水样采样装置末端采用潜水泵1，其本身的质量会让其软管有一定向下的拉力，当升级装置逆时针旋转(从上向下看)时，在潜水泵1的重力下，潜水泵1会自动下降，同时伸缩杆会同步的收缩，实现采样装置下放；当升降装置顺时针旋转(从上向下看)时，水管会在水样储存装置的外壁缠绕，由于软管的总长一定，缠绕的越多，从伸缩杆圆孔5到潜水泵1的软管长度就越短，潜水泵1向上运动，同时伸缩杆会同步的伸长，实现了采样装置的收取；在伸缩杆圆孔5的一边安装有接近开关6，当潜水泵接近接近开关时，其输出归零信号给控制电路板的控制器，此状态为采样装置的归零状态。自动采样装置在开机后自动进入归零状态，在每次水样采集完成后也进入归零状态。

在潜水泵1的末端同时安装了压力液位传感器2，主要向控制电路板反馈潜水泵1目前所处深度，控制电路板根据反馈信号动态调整升降装置，如果潜水泵1深度不够，升降装置下放潜水泵；如果潜水泵1深度超过了设定值，升降装置将收取潜水泵，使潜水泵基本处于液位以下固定深度，从而实现定深采样。

分样装置12由一个进样口、一个三通阀、一个四通阀、五个夹管阀和三个出样口组成，五个夹管阀受到控制电路板21控制，通过控制不同夹管阀的开通和关闭可实现将水样从不同的出样口排出，进而实现将水样存储到样品储存装置的不同层。样品储存装置由三层可拆卸塑料瓶组成，每层塑料瓶均有进样口和出样口，出样口常规采样塞子堵住，每一层和上一层之间通过螺纹相连，可以根据采样点的个数及采样量的大小灵活选择样品储存装置的层数。采集完成后，可将样品储存装置拆下直接保存，并更换另外的样品储存装置。样品储存装置通过螺纹和分样装置连接。在采样过程中，可根据水质采样量的大小需求决定水样充满一层还是充满多层。

控制电路板21对本系统中的定高传感器20、水样采集装置、升降装置、分样装置12、样品储存装置进行控制和采样，并接收无人机系统发送过来的控制信号，完成无人机悬停高度、潜水泵采样深度、采样流量、样品采样体积、储存位置等控制，并将这些信息实时反馈给无人机系统，无人机系统通过数传电台传输给地面站，以供地面站工作人员实时掌握采样进展情况。同时，地面站工作人员可以通过采样摄像头实时监测整个采样过程。在水样采样完成后，自动采样器会自动收取潜水泵，进入归零状态，直至到达下一个采样点。

本发明的工作原理为：

自动采样器上电后，对定高传感器21、水样采集装置、升降装置、分样装置等进行自检，自检通过后收取潜水泵，进入归零状态，并将自检结果发送给无人机系统。地面人员确认无人机状态和自动采样器状态正常后，设定采样点坐标位置、水质采样无人机的飞行轨迹、采样深度、采样水量等参数。水质采样无人机根据轨迹飞行到采样点的位置，并通过自动采样器反馈的高度信息悬停在距离液面一定高度的地方；无人机位置稳定后给自动采样器发送开始采样指令，自动采样器根据悬停高度、采样深度等参数控制升降装置下放潜水泵1，并实时根据压力液位传感器2检测潜水泵1的深度，当潜水泵1的深度满足采样要求后，停止下发潜水泵1；根据采样水量的参数调整分样装置12中的夹管阀的开关状态，确定样品在样品储存装置中储存的层数，完成后给潜水泵1通电开始采样；在采样过程中，根据流量传感器13反馈的流量进行采样流量控制，保证采样流量在合理的范围内，并根据流量计算采集水量，当采集水量满足要求后，停止采样，收取潜水泵1，进入归零状态；此时根据控制指令进行下一个采样点采样或者返航。

Claims (10)

1.一种水质采样无人机的自动采样器，其特征在于：

包括主体支架、定高传感器、控制电路板、水样采集装置、升降装置和样品储存装置；

所述升降装置中的减速齿轮从动部分通过轴承与主体支架相连；减速齿轮从动部分驱动样品储存装置旋转；

所述水样采集装置包括潜水泵、压力液位传感器和软管，其中潜水泵和压力液位传感器安装在一起，实时获知潜水泵处于液面以下的深度，实现定深采样；用于水样传输的软管一端和潜水泵的出水端连接，软管的中间部分缠绕在样品储存装置的外壁。

2.一种如权利要求1所述的自动采样器，其特征在于：还包括分样装置，分样装置的进样口和水样采集装置联接，分样装置多个出样口分别和样品储存装置的各层的进样口连接，实现将水样存储到样品储存装置的不同层。

3.一种如权利要求1或2任意一项所述的自动采样器，其特征在于：样品储存装置包括多层可拆卸塑料瓶，每一层和上一层之间通过螺纹相连。

4.一种如权利要求2所述的自动采样器，其特征在于：分样装置与减速齿轮从动部分固定连接；样品储存装置和分样装置固定连接；伺服电机通过减速齿轮主动轮与减速齿轮从动部分连接。

5.一种如权利要求1所述的自动采样器，其特征在于：所述升降装置还包括伸缩杆，软管通过伸缩杆伸缩部分的末端圆孔。

6.一种如权利要求5所述的自动采样器，其特征在于：所述末端圆孔中间装有陶瓷眼。

7.一种如权利要求1所述的自动采样器，其特征在于：所述升降装置包括支架结构、伺服电机、磁编码器、减速齿轮、滑环、轴承、接近开关、伸缩杆、陶瓷眼部件。

8.一种如权利要求1所述的自动采样器，其特征在于：在伸缩杆圆孔的一边安装有接近开关。

9.一种如权利要求2所述的自动采样器，其特征在于：控制电路板与自动采样器的定高传感器、水样采集装置、升降装置、分样装置、样品储存装置连接。

10.一种如权利要求1所述的自动采样器，其特征在于：分样装置的进样口和软管一端通过流量传感器连接。