CN207649950U - 一种用于水质自动留样的无人机装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种用于水质自动留样的无人机装置，包括无人机飞行器主体、设置在所述无人机飞行器主体侧面的无人机支脚以及能源与控制单元，所述无人机装置还包括设置在所述无人机飞行器主体下侧的安装支架，所述安装支架上安装有自动水质留样单元，所述自动水质留样单元包括采样瓶、安装采样瓶的支撑本体机构、设置在所述支撑本体机构下侧的采样泵、与所述采样泵相连的采样软管、连接在所述采样软管末端的水质多参数监测探头。本实用新型同时具备监测和留样功能，由在线监测数据和预设条件触发取样，留样及时，所留样品和在线监测对象高度一致，提高后续应用分析价值。

Description

一种用于水质自动留样的无人机装置

技术领域

本实用新型涉及环境监测领域，特别是涉及一种用于水质自动留样的无人机装置。

背景技术

在水环境监测领域，对河流、湖泊、水库、近岸海域等地表水体进行在线监测时，传统水质在线监测系统一般处于固定的监测站点，只能对某一点位进行水质监测，只能代表固定有限范围内的水质状况，而要获取不同区域的水质状况，需要布置多个监测站点，存在投入成本高、建设周期长、维护困难、运营成本高、无法根据需求灵活移动、无法自由调节水样监测深度等缺点，而且某些点位周围地形特殊难以布置固定监测站点。

因此，考虑采用无人机搭载水质多参数在线监测探头进行移动式水质监测。同时，当在线监测探头测量水质状况时，根据监测应用所关注的水质风险状态，一旦发现当前水质状态需要深入分析，则要求及时进行水质留样。当可移动的在线监测探头测量水质状况时，根据监测应用所关注的水质风险状态，一旦发现当前水质状态需要深入分析，则要求及时进行水质留样，常规移动监测系统不同时具备监测和留样能力，如果不留存相应的水质样品，则无法进行后续深入分析，数据应用和决策也会缺少说服力。如果在可移动的在线监测系统之外独立采用人工或其他系统进行辅助留样，会存在时间延迟和取样位置差异的问题，导致所留水样与在线数据不一致，降低后续应用分析价值。

因此，开发一种系统同时包含在线监测和取样功能，由在线监测数据和预设条件触发取样，实现水质自动留样的装置就显得尤为必要了。

实用新型内容

本实用新型的目的是针对上述问题，提出一种能够快速自动抵达多个监测点位实现一定范围的水质多参数自动监测并由在线监测数据和预设条件触发水质自动留样的无人机装置。

为实现上述目的，本实用新型提供了一种用于水质自动留样的无人机装置，包括无人机飞行器主体、设置在所述无人机飞行器主体侧面的无人机支脚以及能源与控制单元，所述无人机装置还包括设置在所述无人机飞行器主体下侧的安装支架，所述安装支架上安装有自动水质留样单元，所述自动水质留样单元包括采样瓶、安装采样瓶的支撑本体机构、设置在所述支撑本体机构下侧的采样泵、与所述采样泵相连的采样软管、连接在所述采样软管末端的水质多参数监测探头，所述支撑本体机构包括设置在底部的底盘、设置在上部的旋转导向盖、贯穿连接所述底盘与旋转导向盖的空心轴状轴承安装座，所述采样瓶设置在所述底盘与旋转导向盖中间，所述底盘、旋转导向盖、空心轴状轴承安装座之间通过设置在上部的支架连接，所述空心轴状轴承安装座中部安装有第一轴承、上部安装有旋转导向轴、顶部安装有第二轴承，所述安装支架上部设置有步进电机，所述旋转导向盖上设有与所述采样瓶连通的凹槽导流机构。

优选地，所述采样瓶采用具有松紧性的织带固定、塑料卡扣固定或者不锈钢抱箍固定，所述采样瓶的瓶口形状为漏斗状，且在采样瓶瓶口的细口端设置遮挡板；所述采样瓶呈中心对称排布或者阵列型布置。

优选地，所述凹槽导流机构包括设置在所述旋转导向盖上的导流槽、贯穿旋转导向盖设置在导流槽末端下侧的漏斗形导流孔；在水质采样时，水质样本沿导流槽经导流孔进入采样瓶。

优选地，在所述步进电机带动下，所述旋转导向轴旋转到采样瓶的位置，并且水质样本依次经过采样泵、采样软管、凹槽导流机构导入到采样瓶中。

优选地，所述采样软管的末端设置有过滤头，材质为不锈钢或铸铁材质，形状为圆柱形、锥形、球形或六面体形。

优选地，所述采样软管依次穿过空心轴状轴承安装座、第一轴承到达旋转导向轴上部，并且所述采样软管延伸至所述导流槽内；旋转导向轴带动所述底盘或旋转导向盖旋转，并改变采样瓶与导流孔的相对位置。

优选地，所述无人机飞行器主体为无人四旋翼飞行器、无人直升机、无人多旋翼飞行器或者无人飞艇。

优选地，所述水质多参数监测探头监测的水质参数包括pH、浊度、溶解氧、电导率以及水温，所述水质多参数监测探头通过传输线缆将水质参数数据传输到能源与控制单元。

基于上述技术方案，本实用新型的优点是：

(1)可以采用单套系统监测河流、湖泊、水库、近岸海域的大范围水域，可以快速移动到区域内的各个监测点位，一套系统覆盖多个监测点位，而且能根据需求灵活调整监测点位和监测深度，降低建设和运营成本，缩短建设周期，便于维护，对于特殊地形下的监测点位也能方便抵达并完成监测和留样。

(2)系统同时具备监测和留样功能，由在线监测数据和预设条件触发取样，留样及时，所留样品和在线监测对象高度一致，提高后续应用分析价值。

(3)无人机的机动性可以缩短监测点间移动的时间，提高水质监测效率和监测时效性。

(4)结构小巧并能在空中悬停监测，尽可能降低了对水面其他对象或水上作业的干扰。

(5)能通过程序或远程指令控制依次在多个监测点完成监测和留样工作，自动化程度高，对使用人员专业性要求低，节省管理开销。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本实用新型的进一步理解，构成本申请的一部分，本实用新型的示意性实施例及其说明用于解释本实用新型，并不构成对本实用新型的不当限定。在附图中：

图1为用于水质自动留样的无人机装置结构示意图；

图2为自动水质留样单元结构示意图；

图3为自动水质留样单元剖面示意图；

图4为实施例2中步骤A的工作示意图；

图5为实施例2中步骤B的工作示意图；

图6为实施例2中步骤C的工作示意图；

图7为实施例2中步骤D的工作示意图；

图8为实施例2中步骤E的工作示意图；

图9为实施例2中步骤F的工作示意图；

图10为实施例2中步骤G的工作示意图；

图11为实施例2中步骤G中无人机装置控制无人机装置飞往下一个监测点进行再次采集留样示意图；

图12为无人机装置水质自动留样流程示意图。

具体实施方式

下面通过附图和实施例，对本实用新型的技术方案做进一步的详细描述。

本实用新型提供了一种用于水质自动采样的无人机装置，如图1、图2、图3所示，其中示出了本实用新型的一种优选实施方式。具体地，所述无人机装置包括无人机飞行器主体18、设置在所述无人机飞行器主体18侧面的无人机支脚17以及能源与控制单元16，所述无人机装置还包括设置在所述无人机飞行器主体18下侧的安装支架4，所述安装支架4上安装有自动水质留样单元，所述自动水质留样单元包括采样瓶6、安装采样瓶6的支撑本体机构、设置在所述支撑本体机构下侧的采样泵8、与所述采样泵8相连的采样软管7、连接在所述采样软管7末端的水质多参数监测探头19，所述支撑本体机构包括设置在底部的底盘12、设置在上部的旋转导向盖11、贯穿连接所述底盘12与旋转导向盖11的空心轴状轴承安装座13，所述采样瓶6设置在所述底盘12与旋转导向盖11中间，所述底盘12、旋转导向盖11、空心轴状轴承安装座13之间通过设置在上部的支架4连接，所述空心轴状轴承安装座13中部安装有第一轴承5、上部安装有旋转导向轴3、顶部安装有第二轴承2，所述安装支架4上部设置有步进电机1，所述旋转导向盖11上设有与所述采样瓶6连通的凹槽导流机构10。

如图1所示，所述无人机装置为无人机飞行器主体18配置专门的无人机支脚17，便于整个无人机装置搭载的各部分结构在停机平台起降。所述无人机装置还包括设置在所述无人机飞行器主体18下侧的安装支架4，其余各部分结构均安装在安装支架4上，所述能源与控制机构用螺栓连接安装在安装支架4的上部。所述能源与控制机构为步进电机、采样泵和无人机飞行器主体18装置提供能源，并根据程序或远程指令控制飞行状态、水质多参数监测探头、步进电机状态和采样泵状态等，并通过程序或远程指令控制水质多参数监测探头、飞行状态、步进电机状态、采样泵状态等完成水质监测、监测数据传输与处理以及水质留样。

具体地，所述安装支架4上安装有自动水质留样单元，安装支架4将自动水质留样单元与无人机飞行器主体18连接固定成为整体结构，为水质采样的主要执行机构。优选地，在所述步进电机1带动下，所述旋转导向轴3旋转到采样瓶6的位置，并且水质样本依次经过采样泵8、采样软管7、凹槽导流机构10导入到采样瓶6中。所述无人机装置通过泵、管路、过滤头将水吸到自动水质留样单元然后进入采样瓶6之中，可一次性实现多监测点、多次采集留样，同时实现在线监测。

如图1所示，由于在所述采样软管7末端设置有水质多参数监测探头19，其可对具有一定区域范围的地表水体进行在线监测，水质参数数据可通过能源与控制单元16传输至监控中心，当发现水质需要进一步分析时，可通过泵、管路、过滤头将水吸到自动水质留样单元然后进入采样瓶之中，具备对一定区域的地表水体进行在线监测和及时留样功能。

如图2所示，所述支撑本体机构采用中心对称排布，外圈有多个采样瓶6安装瓶架，可根据需求安装多个采样瓶6，采样瓶呈中心对称排布。所述采样瓶6呈中心对称排布或者阵列型布置，并在旋转导向盖11上选用圆形旋转水样分配结构，优先选用旋转导向盖11可旋转，但亦可以选用底盘12旋转。所述旋转导向轴3带动所述底盘12或旋转导向盖11旋转，并改变采样瓶6与导流孔14的相对位置。另外，自动水质采样单元也可采样直线导轨与水样分配槽相结合的方式，同时采样瓶6可按阵列型布置。

所述采样瓶6的尺寸和数量可根据应用要求灵活配置。采样瓶6采用具有松紧性的织带固定、塑料卡扣固定或者不锈钢抱箍固定，结构简单，便于拆装。所述采样瓶6的瓶口形状为为漏斗状，且在采样瓶6瓶口的细口端设置遮挡板。具体地，采样瓶6采用防颠簸结构，瓶口设计为漏斗状，且在漏斗状瓶口的细口端设置顶部遮挡。当有轻微晃动，水样从漏斗状瓶口少量溅出时，会被顶部遮挡挡回，溅出的水样也会在重力作用下沿着漏斗状瓶口重新流回采样瓶6中。

如图3所示，支撑本体机构中间为空心轴状轴承安装座13，其中部安装第一轴承5，优选地，所述空心轴状轴承安装座13的安装圆孔与第一轴承5的外圈基轴制配合。支撑本体机构顶部安装第二轴承2，最上部为安装步进电机1。

所述旋转导向轴3采用可旋转式回转体定位分流结构，所述旋转导向轴3中间为空心轴，末端与第一轴承5内圈基孔制配合，上端与第二轴承2内圈基孔制配合。所述底盘12、旋转导向盖11、空心轴状轴承安装座13之间通过设置在上部的支架4连接，所述支架4用于整体结构的支撑，保证结构稳定性。

所述凹槽导流机构10包括设置在所述旋转导向盖11上的导流槽15、贯穿旋转导向盖11设置在导流槽15末端下侧的漏斗形导流孔14。优选地，采样泵8布置在整个采样结构的最末端，更加贴近水面，充分利用采样泵8的扬程。所述采样软管7的末端设置有过滤头9和水质多参数监测探头19，可依靠重力使采样软管7竖直下垂，当整个系统向下靠近水面时，采样软管7的末端、水质多参数监测探头19及过滤头9浸没于水中吸取水样，便于对水质进行多参数监测和及时留样，并保证所留样水样与在线监测对象一致。采样泵8下方采样软管7可根据所需最大采样深度进行选配，从而可通过调整飞行高度实现不同深度的样品采集。所述过滤头9材质为不锈钢或铸铁材质，形状为圆柱形、锥形、球形或六面体形。所述采样泵8为蠕动泵或柱塞泵。本实用新型中采样泵8优选为蠕动泵，其功能是提供水样吸取动力，也可用柱塞泵等其他形式的水泵代替。

所述水质多参数监测探头可根据具体应用要求选择常规在线监测项目其中几种进行自由组合，监测数据通过线缆传递至控制部分。所述水质多参数监测探头可以是水质常规五参数在线监测探头，包括pH、浊度、溶解氧、电导率、水温，也可以是水质常规五参数之外的其他探头，同时也可以是所有这些探头的自由组合。所述水质多参数监测探头与过滤头可固定在同一机构中，也可将两者独立安装，只需保证监测位置和取样位置基本一致即可，便于在线监测与留样的数值保持一致性。

当工作时采样软管7末端及过滤头9浸没于水中吸取水样。采样泵8下方软管可根据所需长度进行选配。优选地，所述采样软管7依次穿过空心轴状轴承安装座13、第一轴承5到达旋转导向轴3上部，并且所述采样软管7延伸至所述导流槽15内。

在水质采样留样时，水质样本沿导流槽15经导流孔进入采样瓶6。采样泵8通过采样软管7将水从监测点吸上来，采样软管7过支撑本体机构的空心轴状轴承安装座13和第一轴承5，再抵达旋转导向轴3的上部。水样到达旋转导向轴3上部后，然后旋转导向轴3旋转到指定采样瓶6的位置，水在重力作用下沿着凹槽型导流机构10，进入采样瓶6中。动力部分采用步进电机1，在电机的带动下，旋转导向轴3可旋转到任意预设采样瓶6的位置，并经过凹槽导流机构10将水质样本导入到预设的采样瓶6中。优选地，所述导流槽15上设有溢流口位置，即将水样抽上来润洗管道，水样直接排出而不进入任何一个采样瓶6。

优选地，所述无人机飞行器主体18为无人四旋翼飞行器、无人直升机、无人多旋翼飞行器或者无人飞艇。整个无人机装置采用垂直型直线布置，大部分采用回转型结构或布置，使结构更加紧凑，质心更加居中，飞行更加稳定。为减少自动水质采样单元的质量，优先选用塑料材质，可选用PP、PE、ABS、UPVC等，也可使用不锈钢材质拼焊，如201、304、316等。

本实用新型的用于水质自动采样的无人机装置至少具有以下优点：

(1)可以采用单套系统监测河流、湖泊、水库、近岸海域的大范围水域，可以快速移动到区域内的各个监测点位，一套系统覆盖多个监测点位，而且能根据需求灵活调整监测点位和监测深度，降低建设和运营成本，缩短建设周期，便于维护，对于特殊地形下的监测点位也能方便抵达并完成监测和留样。

(2)系统同时具备监测和留样功能，由在线监测数据和预设条件触发取样，留样及时，所留样品和在线监测对象高度一致，提高后续应用分析价值。

(3)无人机的机动性可以缩短监测点间移动的时间，提高水质监测效率和监测时效性。

(4)结构小巧并能在空中悬停监测，尽可能降低了对水面其他对象或水上作业的干扰。

(5)能通过程序或远程指令控制依次在多个监测点完成监测和留样工作，自动化程度高，对使用人员专业性要求低，节省管理开销。

如图4～图12所示，本实用新型的用于水质自动留样的无人机装置可通过如下步骤进行水质自动留样：

A、如图4所示，通过程序或远程指令控制所述的无人机装置到达取水点上方，继而保持悬停状态。无人机装置飞行时与水面保持安全距离，保持水质多参数监测探头和过滤头处于水面之上。

B、如图5所述，无人机装置向下靠近监测点水面，使采样软管末端、水质多参数监测探头及过滤头浸没于水中，并根据水质监测的深度要求调整飞行高度，继而保持悬停状态。

C、如图6所示，通过水质多参数探头对水体进行多参数在线监测，同时采集和处理监测水质参数数据。

D、如图7所示，控制步进电机驱动通过导向轴带动凹槽导流机构旋转至溢流位置，采样泵向上吸取水样润洗管路，润洗结束后采样泵停止转动。

E、如图8所示，控制步进电机通过导向轴带动凹槽导流机构旋转至预设采样瓶位置，采样泵向上吸取水样，水样流入到预设采样瓶中，采集足量水样后采样泵停止转动。

F、如图9所示，采样泵向下排出水样，将采样管路中的残留水样排空后采样泵停止转动。

G、如图10所示，自动水质留样单元暂停工作，并且无人机装置向上远离水面使水质多参数监测探头和过滤头处于水面以上。同时，如图11所示，控制无人机装置飞往下一个监测点进行再次采集留样，直到所有监测点完成留样。

如图12所示，水质自动留样无人机装置从指定地点出发依次完成各个监测点的水质在线监测，对需要留样的水质保留样本，然后会按照预设路线返回指定地点。

优选地，在步骤C中，若水质参数数据满足预设的留样条件，随后步骤执行水质采集留样；若水质参数数据不满足预设的留样条件，则直接执行步骤G，控制无人机装置飞往下一个监测点进行再次采集留样，直到所有监测点完成留样。

本实用新型的无人机装置适用于地表水水质自动监测留样，包括河流、湖泊、水库和近岸海域等。无人机装置设有有固定停机平台，可搭载水质常规五参数在线监测探头(pH、浊度、溶解氧、电导率、水温)，可通过程序预设多个监测点，如监测点1、监测点2、监测点3……监测点n，其中监测点n为最后一个监测点。水质自动留样无人机装置有自动和手动两种模式。在自动飞行模式下，按照预定飞行路线，依次从各个监测点监测水样，发现水质异常时及时留样，完成任务后，按照预定返航路线飞回平台；在手动模式下，可由人工远程控制到达指定位置监测水样。

最后应当说明的是:以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案而非对其限制；尽管参照较佳实施例对本实用新型进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本实用新型的具体实施方式进行修改或者对部分技术特征进行等同替换；而不脱离本实用新型技术方案的精神，其均应涵盖在本实用新型请求保护的技术方案范围当中。

Claims (7)

1.一种用于水质自动留样的无人机装置，包括无人机飞行器主体(18)、设置在所述无人机飞行器主体(18)侧面的无人机支脚(17)以及能源与控制单元(16)，其特征在于：所述无人机装置还包括设置在所述无人机飞行器主体(18)下侧的安装支架(4)，所述安装支架(4)上安装有自动水质留样单元，所述自动水质留样单元包括采样瓶(6)、安装采样瓶(6)的支撑本体机构、设置在所述支撑本体机构下侧的采样泵(8)、与所述采样泵(8)相连的采样软管(7)、连接在所述采样软管(7)末端的水质多参数监测探头(19)，所述支撑本体机构包括设置在底部的底盘(12)、设置在上部的旋转导向盖(11)、贯穿连接所述底盘(12)与旋转导向盖(11)的空心轴状轴承安装座(13)，所述采样瓶(6)设置在所述底盘(12)与旋转导向盖(11)中间，所述底盘(12)、旋转导向盖(11)、空心轴状轴承安装座(13)之间通过设置在上部的支架(4)连接，所述空心轴状轴承安装座(13)中部安装有第一轴承(5)、上部安装有旋转导向轴(3)、顶部安装有第二轴承(2)，所述安装支架(4)上部设置有步进电机(1)，所述旋转导向盖(11)上设有与所述采样瓶(6)连通的凹槽导流机构(10)，所述水质多参数监测探头(19)监测的水质参数包括pH、浊度、溶解氧、电导率以及水温，所述水质多参数监测探头(19)通过传输线缆将水质参数数据传输到能源与控制单元(16)。

2.根据权利要求1所述的无人机装置，其特征在于：所述采样瓶(6)采用具有松紧性的织带固定、塑料卡扣固定或者不锈钢抱箍固定，所述采样瓶(6)的瓶口形状为漏斗状，且在采样瓶(6)瓶口的细口端设置遮挡板；所述采样瓶(6)呈中心对称排布或者阵列型布置。

3.根据权利要求1所述的无人机装置，其特征在于：所述凹槽导流机构(10)包括设置在所述旋转导向盖(11)上的导流槽(15)、贯穿旋转导向盖(11)设置在导流槽(15)末端下侧的漏斗形导流孔(14)；在水质采样时，水质样本沿导流槽(15)经导流孔进入采样瓶(6)。

4.根据权利要求1所述的无人机装置，其特征在于：在所述步进电机(1)带动下，所述旋转导向轴(3)旋转到采样瓶(6)的位置，并且水质样本依次经过采样泵(8)、采样软管(7)、凹槽导流机构(10)导入到采样瓶(6)中。

5.根据权利要求1所述的无人机装置，其特征在于：所述采样软管(7)的末端设置有过滤头(9)，材质为不锈钢或铸铁材质，形状为圆柱形、锥形、球形或六面体形。

6.根据权利要求3所述的无人机装置，其特征在于：所述采样软管(7)依次穿过空心轴状轴承安装座(13)、第一轴承(5)到达旋转导向轴(3)上部，并且所述采样软管(7)延伸至所述导流槽(15)内；旋转导向轴(3)带动所述底盘(12)或旋转导向盖(11)旋转，并改变采样瓶(6)与导流孔(14)的相对位置。

7.根据权利要求1所述的无人机装置，其特征在于：所述无人机飞行器主体(18)为无人四旋翼飞行器、无人直升机、无人多旋翼飞行器或者无人飞艇。