CN210037304U - 一种用于水质采集的无人机系统装置 - Google Patents

Abstract

一种用于水质采集的无人机系统装置，属于无人机应用与水质监控的技术领域。本实用新型解决现有无人机在取水作业过程中易产生运动距离判断误差和采水管容易与空中电线等结构缠绕的问题。本实用新型包括包括六轴无人飞行平台、GPS定位系统模块、采水装置主控制箱、微波雷达测距系统、自动采水系统和图像监控反馈系统，通过微波雷达测距系统的反馈，使用地面控制终端调整无人机采水作业的标准高度后，通过采水装置主控制箱的回卷控制器通过转轴控制机械臂从采水装置主控制箱内伸出，机械臂将采水瓶安装座上安装的采水瓶夹出，将进水管垂直放入水源地，完成自动采水作业。本装置有效解决了现有技术对作业高度和采水动作无法进行精细控制的技术难题。

Description

一种用于水质采集的无人机系统装置

技术领域

本实用新型涉及一种用于水质采集的无人机系统装置，属于无人机应用与水质监控的技术领域。

背景技术

目前，水质监控无人机作为专业级环保无人机，能够轻松实现任何无遮挡水源地的自动化取水，在取水过程中只需要标定取水地点，通过地面显控台控制就可完成两公里之内的取水任务。无人机在取水作业过程中，为了避免距离作业面过近，对无人机造成碰撞损害，在采集水样过程中，通常都采取悬停在一定高度，通过采水管，从水中抽取水样，但是在无人机行驶过程中，因装置处于运动状态，极易产生运动距离判断误差。并且采水系统的采水管容易与空中电线等结构缠绕，影响无人机的飞行，导致无法完成采水操作。因此，提供一种用于水质采集的无人机系统装置是十分必要的。

实用新型内容

本实用新型为了解决上述技术问题，提供了一种用于水质采集的无人机系统装置。

本实用新型的技术方案：

一种用于水质采集的无人机系统装置，包括六轴无人飞行平台1、GPS定位系统模块2、采水装置主控制箱3、微波雷达测距系统4、自动采水系统5和图像监控反馈系统6，GPS定位系统模块2和微波雷达测距系统4固定安装在六轴无人飞行平台1的上方，并与六轴无人飞行平台1建立控制连接，采水装置主控制箱3和自动采水系统5固定在六轴无人飞行平台1的下方，图像监控反馈系统6固定安装在微波雷达测距系统4上。

优选的：所述的六轴无人飞行平台1的地面控制终端通过无线通讯设备分别与GPS定位系统模块2与微波雷达测距系统4建立连接，并与图像监控反馈系统6建立信息传输连接，所述的图像监控反馈系统6为无线移动图像传输系统。

优选的：所述的微波雷达测距系统4包括驱动电源、湿敏检测装置、主控器、微波接收装置和微波发送装置；湿敏检测装置的输出端与驱动电源连接，驱动电源的输出端与主控器建立供电连接；微波接收装置和微波发送装置分别与主控器连接；所述的主控器为MSP430型单片机。

优选的：所述的微波发送装置包括振荡器、波形调整模块、修正器、数字模拟信号转换器D/A、微波振荡器和微波发射器，振荡器的输出端与波形调整模块的输入端连接，波形调整模块的输出端分别与修正器的输入端和MSP430型单片机的输入端连接，修正器的输出端与数字模拟信号转换器D/A的输入端连接，数字模拟信号转换器D/A的输出端与微波振荡器的输入端连接，微波振荡器的输出端与微波发射器的输入端连接。

优选的：所述的振荡器包括微波固态震荡源，微波固态震荡源包括晶体振荡器、体效应管和波导型变容管，体效应管和波导型变容管分别与晶体振荡器连接形成微波固态震荡源。

优选的：所述的微波接收装置包括微波接收器、放大器、滤波器、放大整形器和微波检测反馈器，微波接收器的输出端与放大器的输入端连接，放大器的输出端与滤波器的输入端连接，滤波器的输出端与放大整形器的输入端连接，放大整形器的输出端分别于微波检测反馈器和MSP430型单片机连接，微波检测反馈器的输出端与MSP430型单片机的输入端连接，MSP430型单片机的输出端分别与滤波器和外接显示器连接。

优选的：所述的微波雷达测距系统4的微波发送装置发出的波长为1mm～1000mm。

优选的：所述的采水装置主控制箱3包括回卷控制器、转轴和机械臂，所述的回卷控制器为回旋角度可控的自由舵机，回旋角度可控的自由舵机与六轴无人飞行平台1建立控制连接，机械臂与回卷控制器通过转轴建立控制安装，回卷控制器控制转轴实现机械臂的收放动作；所述的机械臂包括机械臂外壳7、机械铰链8、可调舵机9、舵机10和夹持臂11，机械臂外壳7包括转轴安装座12和夹持臂安装座13，凹槽状的转轴安装座12卡装在转轴上；夹持臂安装座13为带有槽体结构的壳体，两个夹持臂11分别通过可调舵机9安装在夹持臂安装座13壳体两侧的内壁上，并且两个夹持臂11的位置相互错开；两个夹持臂11分别通过机械铰链8与夹持臂安装座13建立连接安装，两个夹持臂11之间通过舵机10建立连接安装。

优选的：所述的自动采水系统5包括采水瓶和采水瓶安装座，采水瓶通过采水瓶安装座与六轴无人飞行平台1安装，所述的采水瓶包括瓶体14、储液罐15、水泵16、进水管17和导流管18，储液罐15、水泵16和进水管17放置在瓶体14内；进水管17的一端伸出瓶口，进水管17的另一端与水泵16进水口连通，水泵16的出水口与导流管18的一端连通，导流管18的另一端放置在储液罐15的罐口上方。

所述的自动采水系统5还包括延时控制器19和湿敏电阻20，延时控制器19和湿敏电阻20分别与水泵16建立电控连接。

本实用新型具有以下有益效果：本实用新型涉及一种用于水质采集的无人机系统装置，该装置的GPS定位系统模块具有差分GPS和高精度定位，可实现厘米级的定位精度；同时该装置的地面控制终端为手提式，方便携带和布防；通过设定航迹点和目标点，实现一键式操作性，自动起飞、取水、返回、降落。本实用新型的机械臂可缩回采水装置主控制箱内，当需要进行采水作业时，机械臂弹出，由各节点舵机配合，完成对采水瓶的抓取动作，同时，通过可调舵机和机械铰链的调节，机械臂能够实现夹持臂的开合动作，以及调整夹持臂的作业角度和作业范围，使机械臂能够适应各种工作环境，角度限定精准，避免无人机在飞行过程中，下垂的采水管与空中其他装置意外缠绕，影响无人机的飞行，导致无法完成采水操作的问题。此外，该装置可搭载无线数传、图传等通讯设备，进一步实现数据实时回传和无人机状态监控，还可进行模块化设计，能够搭载不同的传感器执行特种任务：如安防巡检、排放口流量监测等。

附图说明

图1是本实用新型的结构示意图；

图2是机械臂的正视图；

图3是机械臂的侧视图；

图4是机械臂闭合状态的结构示意图；

图5是采水瓶结构示意图；

图6是微波雷达测距机构的结构示意图；

图7是微波接收装置和微波发送装置与主控器连接的结构示意图；

图8是微波固态震荡源的结构示意图；

图中1-六轴无人飞行平台，2-GPS定位系统模块，3-采水装置主控制箱，4-微波雷达测距系统，5-自动采水系统，6-图像监控反馈系统，7-机械臂外壳，8-机械铰链，9-可调舵机，10-舵机，11-夹持臂，12-转轴安装座，13-夹持臂安装座，14-瓶体，15-储液罐，16-水泵，17-进水管，18-导流管，19-延时控制器，20-湿敏电阻。

具体实施方式

结合附图1至图8说明本实用新型具体实施方式：本实用新型一种用于水质采集的无人机系统装置，如图1所示，该装置包括六轴无人飞行平台1、GPS定位系统模块2、采水装置主控制箱3、微波雷达测距系统4、自动采水系统5和图像监控反馈系统6，GPS定位系统模块2和微波雷达测距系统4固定安装在六轴无人飞行平台1的上方，并与六轴无人飞行平台1建立控制连接，采水装置主控制箱3和自动采水系统5固定在六轴无人飞行平台1的下方，图像监控反馈系统6固定安装在微波雷达测距系统4上。如此设置，在水质监控无人机到达指定作业点位后，通过微波雷达测距系统4的反馈，使用地面控制终端调整无人机采水作业的标准高度后，通过采水装置主控制箱3的回卷控制器通过转轴控制机械臂从采水装置主控制箱3内伸出，机械臂将采水瓶安装座上安装的采水瓶夹出，将进水管17垂直放入水源地，完成自动采水作业。该装置具有GPS定位系统模块、具有差分GPS和高精度定位，可实现厘米级的定位精度；通过微波雷达测距系统，实现水面定高悬停达到厘米精度。同时的图像监控反馈系统6通过摄像头对目标水面的图像监测，配合微波信号发射源，避免微波的运动反射体引起的距离判断误差。

所述的六轴无人飞行平台1的地面控制终端通过无线通讯设备分别与GPS定位系统模块2与微波雷达测距系统4建立连接，并与图像监控反馈系统6建立信息反馈连接。如此设置，六轴无人飞行平台1通过地面控制终端通过无线通讯技术，连接GPS定位系统模块2，并在微波雷达测距系统4以及图像监控反馈系统6的信息反馈作用下，保持自动采水系统5始终与作业水面平行并保持适当的作业高度。

如图6所示，所述的微波雷达测距系统4包括驱动电源、湿敏检测装置、主控器、微波接收装置和微波发送装置；驱动电源与敏检测装置和主控器建立供电连接；微波发送装置与主控器建立输入连接，微波接收装置和微波发送装置与主控器连接；所述的主控器为MSP430型单片机。如此设置，微波雷达测距系统将微波接受装置和微波发送装置合置在一起，并使用MSP430型单片机作为主控器，继而控制无人机下降到达指定高度，实现采集水样任务的完成。

如图7所示，所述的微波发送装置包括振荡器、波形调整模块、修正器、数字模拟信号转换器D/A、微波振荡器和微波发射器，振荡器的输出端与波形调整模块的输入端连接，波形调整模块的输出端分别与修正器的输入端和MSP430型单片机的输入端连接，修正器的输出端与数字模拟信号转换器D/A的输入端连接，数字模拟信号转换器D/A的输出端与微波振荡器的输入端连接，微波振荡器的输出端与微波发射器的输入端连接。如图8所示，所述的振荡器包括微波固态震荡源，微波固态震荡源包括晶体振荡器、体效应管和波导型变容管，体效应管和波导型变容管分别与晶体振荡器连接形成微波固态震荡源。如此设置，振荡器使用体效应管作微波固态振荡源，通过与波导型变容管的组合，形成小型的微波信号的发射源。振荡器形成的微波信号通过波形调整模块、修正器、数字模拟信号转换器D/A和微波振荡器处理后通过微波发射器发出。微波发送装置发出的微波信号到达水面后反弹，通过微波接收装置接收。

如图7所示，所述的微波接收装置包括微波接收器、放大器、滤波器、放大整形器和微波检测反馈器，微波接收器的输出端与放大器的输入端连接，放大器的输出端与滤波器的输入端连接，滤波器的输出端与放大整形器的输入端连接，放大整形器的输出端分别于微波检测反馈器和MSP430型单片机连接，微波检测反馈器的输出端与MSP430型单片机的输入端连接，MSP430型单片机的输出端分别与滤波器和外接显示器连接。如此设置，微波发送装置发出的微波信号到达水面后反弹，通过微波接收器接收后经过放大器、滤波器、放大整形器和微波检测反馈器处理后传输给MSP430型单片机，MSP430型单片机对反射波频移量的计算，得出目标水面的垂直高度，并通过微波检测反馈器反馈的数据，控制无人机下降到达指定高度，完成采集水样任务。

所述的微波发送装置发出的微波波长为1mm～1000mm。如此设置，将微波收、发设备合置的雷达探测器，能够发出的波长在1mm～1000mm之间的短波长微波。

如图2、图3和图4所示，所述的采水装置主控制箱3包括回卷控制器、转轴和机械臂，所述的回卷控制器为回旋角度可控的自由舵机，回旋角度可控的自由舵机与六轴无人飞行平台1建立控制连接，回卷控制器与转轴建立控制安装，回卷控制器控制转轴实现机械臂的收放动作；所述的机械臂包括机械臂外壳7、机械铰链8、可调舵机9、舵机10和夹持臂11，机械臂外壳7包括转轴安装座12和夹持臂安装座13，凹槽状的转轴安装座12卡装在转轴上；夹持臂安装座13为带有槽体结构的壳体，两个夹持臂11分别通过可调舵机9安装在夹持臂安装座13壳体两侧的内壁上，并且两个夹持臂11的位置相互错开；两个夹持臂11分别通过机械铰链8与夹持臂安装座13建立连接安装，两个夹持臂11之间通过舵机10建立连接安装。如此设置，如图2、图3和图4所示，机械臂可缩回采水装置主控制箱3内，需要进行采水作业时，机械臂弹出，由各节点舵机配合，完成抓取动作，同时，通过可调舵机9和机械铰链8的调节，机械臂能够实现夹持臂的开合动作，以及调整夹持臂11的作业角度和作业范围，使机械臂能够适应各种工作环境。

如图5所示，所述的自动采水系统5包括采水瓶和采水瓶安装座，采水瓶通过采水瓶安装座与六轴无人飞行平台1安装，所述的采水瓶包括瓶体14、储液罐15、水泵16、进水管17和导流管18，储液罐15、水泵16和进水管17放置在瓶体14内；进水管17的一端伸出瓶口，进水管17的另一端与水泵16进水口连通，水泵16的出水口与导流管18的一端连通，导流管18的另一端放置在储液罐15的罐口上方。自动采水系统5还包括延时控制器19和湿敏电阻20，延时控制器19和湿敏电阻20分别与水泵16建立电控连接。如此设置，如图3所示，进行水质取样作业时，由夹持臂11夹取采水瓶，靠近需采水水源，当湿敏电阻20感受到水源附近的湿度变化，引起阻值变化，使水泵16启动，进行采水，水样由进水管17进入水泵16，由导流管18导入储液罐15，完成水样的采集作业，同时，通过延时控制器19对水泵16通电时间的长短进行控制，从而控制采集水样的多少。

本技术方案是这样实现的：首先在环保监控无人机到达采样液面上方后，湿敏检测装置检测到采样液面后，驱动电源开始工作为主控器提供电力输出，主控器控制微波发送装置和微波接收装置工作。微波发送装置的微波固态震荡源产生微波，该微波依次经过，波形调整模块、修整器、数字模拟信号转换器D/A和微波振荡器处理后，通过微波发射器发出，该信号遇到采样液面后反射给微波接收装置。微波接收装置的微波接收器接收到通过采样液面反馈回的微波信号后，依次传输给放大器、滤波器、放大整形器和微波检测器，然后将反馈信号传输给MSP430型单片机，MSP430型单片机对发射信号和反馈信号进行处理计算，得出目标水面的垂直高度，MSP430型单片机将计算结果传输给显示器进行显示。同时，无线移动图像传输系统通过摄像头对目标水面的图像监测，避免水面出现微波的运动反射体引起的距离判断误差。继而实现将环保监无人机水面定高悬停控制到以厘米单位的精度范围内；可避免无人机在飞行过程中，因工作高度判定误差造成损坏。

在环保监控无人机到达采样液面上方精准位置后，六轴无人飞行平台驱动回卷控制器控制转轴实现机械臂的弹出动作，然后由各节点舵机配合，完成对采水瓶的抓取动作。同时，通过可调舵机和机械铰链的调节，机械臂能够实现夹持臂的开合动作，以及调整夹持臂的作业角度和作业范围。然后当采水瓶的湿敏电阻感受到水源附近的湿度变化，引起阻值变化，使水泵启动，进行采水，水样由进水管进入水泵，并由导流管导入储液罐，完成水样的采集作业，同时，通过延时控制器对水泵通电时间的长短进行控制，从而控制采集水样的多少。

本实施方式只是对本专利的示例性说明，并不限定它的保护范围，本领域技术人员还可以对其局部进行改变，只要没有超出本专利的精神实质，都在本专利的保护范围内。

Claims (10)

1.一种用于水质采集的无人机系统装置，其特征在于：包括六轴无人飞行平台(1)、GPS定位系统模块(2)、采水装置主控制箱(3)、微波雷达测距系统(4)、自动采水系统(5)和图像监控反馈系统(6)，GPS定位系统模块(2)和微波雷达测距系统(4)固定安装在六轴无人飞行平台(1)的上方，并与六轴无人飞行平台(1)建立控制连接，采水装置主控制箱(3)和自动采水系统(5)固定在六轴无人飞行平台(1)的下方，图像监控反馈系统(6)固定安装在微波雷达测距系统(4)上。

2.根据权利要求1所述的一种用于水质采集的无人机系统装置，其特征在于：所述的六轴无人飞行平台(1)的地面控制终端通过无线通讯设备分别与GPS定位系统模块(2)与微波雷达测距系统(4)建立连接，并与图像监控反馈系统(6)建立信息接收连接，所述的图像监控反馈系统(6)为无线移动图像传输系统。

3.根据权利要求1所述的一种用于水质采集的无人机系统装置，其特征在于：所述的微波雷达测距系统(4)包括驱动电源、湿敏检测装置、主控器、微波接收装置和微波发送装置；湿敏检测装置的输出端与驱动电源连接，驱动电源的输出端与主控器建立供电连接；微波接收装置和微波发送装置分别与主控器连接；所述的主控器为MSP430型单片机。

4.根据权利要求3所述的一种用于水质采集的无人机系统装置，其特征在于：所述的微波发送装置包括振荡器、波形调整模块、修正器、数字模拟信号转换器D/A、微波振荡器和微波发射器，振荡器的输出端与波形调整模块的输入端连接，波形调整模块的输出端分别与修正器的输入端和MSP430型单片机的输入端连接，修正器的输出端与数字模拟信号转换器D/A的输入端连接，数字模拟信号转换器D/A的输出端与微波振荡器的输入端连接，微波振荡器的输出端与微波发射器的输入端连接。

5.根据权利要求4所述的一种用于水质采集的无人机系统装置，其特征在于：所述的振荡器包括微波固态震荡源，微波固态震荡源包括晶体振荡器、体效应管和波导型变容管，体效应管和波导型变容管分别与晶体振荡器连接形成微波固态震荡源。

6.根据权利要求3所述的一种用于水质采集的无人机系统装置，其特征在于：所述的微波接收装置包括微波接收器、放大器、滤波器、放大整形器和微波检测反馈器，微波接收器的输出端与放大器的输入端连接，放大器的输出端与滤波器的输入端连接，滤波器的输出端与放大整形器的输入端连接，放大整形器的输出端分别于微波检测反馈器和MSP430型单片机连接，微波检测反馈器的输出端与MSP430型单片机的输入端连接，MSP430型单片机的输出端分别与滤波器和外接显示器连接。

7.根据权利要求3所述的一种用于水质采集的无人机系统装置，其特征在于：所述的微波雷达测距系统(4)的微波发送装置发出的波长为1mm～1000mm。

8.根据权利要求1所述的一种用于水质采集的无人机系统装置，其特征在于：所述的采水装置主控制箱(3)包括回卷控制器、转轴和机械臂，所述的回卷控制器为回旋角度可控的自由舵机，机械臂与回卷控制器通过转轴建立控制安装，回卷控制器控制转轴实现机械臂的收放动作；所述的机械臂包括机械臂外壳(7)、机械铰链(8)、可调舵机(9)、舵机(10)和夹持臂(11)，机械臂外壳(7)包括转轴安装座(12)和夹持臂安装座(13)，凹槽状的转轴安装座(12)卡装在转轴上；夹持臂安装座(13)为带有槽体结构的壳体，两个夹持臂(11)分别通过可调舵机(9)安装在夹持臂安装座(13)壳体两侧的内壁上，并且两个夹持臂(11)的位置相互错开；两个夹持臂(11)分别通过机械铰链(8)与夹持臂安装座(13)建立连接安装，两个夹持臂(11)之间通过舵机(10)建立连接安装。

9.根据权利要求1所述的一种用于水质采集的无人机系统装置，其特征在于：所述的自动采水系统(5)包括采水瓶和采水瓶安装座，采水瓶通过采水瓶安装座与六轴无人飞行平台(1)安装，所述的采水瓶包括瓶体(14)、储液罐(15)、水泵(16)、进水管(17)和导流管(18)，储液罐(15)、水泵(16)和进水管(17)放置在瓶体(14)内；进水管(17)的一端伸出瓶口，进水管(17)的另一端与水泵(16)进水口连通，水泵(16)的出水口与导流管(18)的一端连通，导流管(18)的另一端放置在储液罐(15)的罐口上方。

10.根据权利要求7所述的一种用于水质采集的无人机系统装置，其特征在于：所述的自动采水系统(5)还包括延时控制器(19)和湿敏电阻(20)，延时控制器(19)和湿敏电阻(20)分别与水泵(16)建立电控连接。

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