CN211033005U - 一种基于无人机的河口湿地底泥样品智能采集装置 - Google Patents

Abstract

一种基于无人机的河口湿地底泥样品智能采集装置。所述装置包括地面控制站、无人机、采泥机器人。其特征在于：地面控制站用于航线规划，无人机状态监测；无人机用于携带采泥机器人至采集地点；采泥机器人用于底泥采集，其内部包括控制模块、传感器模块、驱动模块和采泥模块。采泥机器人采用航迹推算法，按Z字轨迹行走，逐步采集多个样本；采泥机器人上的电机驱动类似钻头的螺旋叶片钻入底泥，底泥通过螺旋叶片的空隙进入收集仓；采集结束后，无人机将采泥机器人带回。该装置解决了传统底泥样品人工采集方式中存在的不安全、不易到达采样点等问题，提高了底泥样品采集的灵活性和自动化程度。

Description

一种基于无人机的河口湿地底泥样品智能采集装置

技术领域

本实用新型涉及机器人、无人机与环境监测领域，特别涉及一种基于无人机的河口湿地底泥样品智能采集装置。

背景技术

入海河口湿地生态系统作为海陆过渡带，具有净化环境、调节气候等生态服务功能。近年来，随着我国工业的快速发展，污水的大量排放引发了河口湿地潮间带的环境问题。其中潮间带底泥中有机质、硫化物、油类、氮、磷、汞、镉、铅、砷以及难降解有机污染物的含量最高，监测潮间带底泥状况，进行采集检测，可以为环境治理提供有力数据支撑。

由于潮间带泥泞、易陷等原因，人工现场采集比较困难，所以需要机器设备进行协助。无人机灵活性高，对恶劣环境适应性强，并且具有一定的载重能力，可以作为携带底泥采集装置的载体。机器人的可操控性强，能够运行预先编制的采集程序，可以作为底泥采集装置。因此，通过无人机携带采泥机器人进行底泥采集可以很好的解决传统采集方法中的技术问题。

发明内容

本实用新型的目的在于克服现阶段潮间带人工底泥采集技术的问题，提供了一种基于无人机的河口湿地底泥样品智能采集装置，能够对潮间带这种人工不易到达地方进行底泥采集。

一种基于无人机的河口湿地底泥样品智能采集装置，所述装置包括地面控制站、无人机、采泥机器人，其特征在于：所述地面控制站用于航线规划，无人机状态监测；所述无人机用于携带采泥机器人至采集地点；所述采泥机器人用于底泥采集，包括控制模块、传感器模块、驱动模块和采泥模块，其中控制模块为单片机，与传感器模块、驱动模块和采泥模块相连接，单片机接收传感器信号，发出驱动与采集信号，控制采泥机器人的整个底泥采集过程。

进一步地，控制模块为单片机。所述控制模块与采泥模块、传感器模块、驱动模块相连接。单片机接收传感器信号，发出驱动与采集信号，控制采泥机器人整个底泥采集过程。

进一步地，采泥模块包括电机（6）、螺旋叶片（7）、收集箱（4）。电机驱动类似钻头的螺旋叶片钻入底泥，底泥通过螺旋叶片的空隙进入收集箱。

进一步地，传感器模块包括编码器和陀螺仪。采泥机器人落地点为其静态基点，利用陀螺仪检测采泥机器人偏航角速度，进而推算出采泥机器人的实时偏行角度；利用编码器检测采泥机器人左右行走轮的旋转角速度，进而推算出采泥机器人整机的实时前进速度。根据实时偏航角度和整机实时前进速度确定采泥机器人行走的轨迹，最终实现Z字轨迹行走，采集多点样本。

进一步地，驱动模块包括行走轮前轮（1）、同步带（8）、减速电机（9）、带轮（10）、行走轮后轮（11）。两个减速电机独立控制，相互配合的驱动两侧行走轮，可以实现采泥机器人的前进、后退、左转和右转。

进一步地，采泥机器人机身被设计成分体双机身形式，相当于左右对称的两个船身，不仅可以减小在泥地上的压强，减少陷入泥中的危险，提高采泥机器人的行走稳定性，而且在涨潮时，可以产生浮力，使采泥机器人在水中浮起并保持平衡。

进一步地，采泥机器人分体机身底部贴条，既可以减小与地面摩擦面积，又可以在磨损严重时替换。

进一步地，无人机对采泥机器人起吊时，采用电磁铁自动找正，对于无人机的起吊钩和采泥机器人的起吊框架之间相互对准的位置精度要求可以大幅度降低。同时，用宽的柔性带代替普通的绳索，可以降低起吊绳索的扭转幅度，提高起吊的稳定性，减小由于起吊采泥机器人而对无人机飞行稳定性产生的影响。

附图说明

图1是所述的一种基于无人机的河口湿地底泥样品智能采集装置图。

图2是采泥机器人整体装置结构图，其中2-主仓（内置减速电机、电池等），3-电机安装架，4-收集箱，5-起吊框架。

图3是采泥装置结构图，其中6-螺旋叶片的驱动电机，7-类钻头螺旋叶片。

图4是采泥机器人行走装置结构图，其中1-行走轮前轮，8-同步带，9-减速电机，10-带轮，11-行走轮后轮。

图5是运载装置结构图，12-起吊钩。

图6是本实用新型整体系统图。

图7是本实用新型整体流程框图。

具体实施方式

下面通过附图对本实用新型的实施例作详细说明，给出了详细的实施方式和具体的操作过程。所述实例为本实用新型的较佳实例，而不是全部实例。

本实用新型整体系统框图如图6所示，采用两个独立控制系统，无人机通过地面控制站控制，采泥机器人通过单片机控制。

采集过程如图7所示，采集步骤按流程图进行展开。

步骤1：一种基于无人机的河口湿地底泥样品智能采集装置，所述无人机包括飞行控制模块、GPS模块、电池、无线信号发射端、摄像设备。首先进行无人机各模块检验与校准，确认无人机各组件与模块正常。

步骤2：无人机航线规划，根据采泥地点在地面控制站设定无人机飞行路线，将航线命令写入飞行控制器中，解锁无人机，发出飞行指令。

步骤3：在无人机搭载采泥机器人飞行过程中，无人机通过起吊钩（12）与采泥机器人起吊框架（5）连接，起吊框架的横梁表面覆有铁磁导体，起吊钩上有电磁铁。到达采泥地点，起吊钩与起吊框架脱开，采泥机器人落地，地面控制站发出启动指令，采泥机器人开始采集作业。

步骤4：采泥机器人按Z字轨迹行走，逐步采集多个样本。装置如图4所示，减速电机（9）驱动行走轮前轮（1），通过由带轮到同步带（8），再到带轮（10）的传动方式，将该减速电机的动力传递给行走轮后轮（11），实现左边一前一后两个行走轮同向同速转动。相同的，右边的两个行走轮由另一套减速电机及同步带、带轮传动机构实现同向同速转动。两个减速电机独立控制，相互配合，可以实现采泥机器人的前进、后退、左转和右转。采集完成后采泥机器人通过设定指令原路返回落地点并完成采集。

步骤5：采泥机器人采泥过程，如图3所示，采泥机器人上的电机（6）驱动类似钻头的螺旋叶片（7）钻入底泥，底泥通过螺旋叶片的空隙进入收集箱（4）。

步骤6：采集结束，用无人机底部安装的摄像头实时监控采泥机器人的位置和姿态，该位姿状态信息通过无线模块传给地面控制站，在显示屏上显示。通过观察显示屏信息，操作人员遥控无人机，实现对采泥机器人的起吊和运回。

步骤7：取出采集的底泥，实验室检测。

以上所述，仅为本实用新型较佳的具体实施方式，但本实用新型保护范围并不局限于此，凡在本实用新型的精神和原则之内所做的任何修改，等同替换和改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种基于无人机的河口湿地底泥样品智能采集装置，所述装置包括地面控制站、无人机、采泥机器人，其特征在于：所述地面控制站用于航线规划，无人机状态监测；所述无人机用于携带采泥机器人至采集地点；所述采泥机器人用于底泥采集，包括控制模块、传感器模块、驱动模块和采泥模块，其中控制模块为单片机，与传感器模块、驱动模块和采泥模块相连接，单片机接收传感器信号，发出驱动与采集信号，控制采泥机器人的整个底泥采集过程。

2.根据权利要求1所述的一种基于无人机的河口湿地底泥样品智能采集装置，其特征在于：采泥机器人落地点为其静态基点，利用陀螺仪检测采泥机器人偏航角速度，进而推算出采泥机器人的实时偏行角度，利用编码器检测采泥机器人左右行走轮的旋转角速度，进而推算出采泥机器人整机的实时前进速度，根据实时偏航角度和整机实时前进速度确定采泥机器人行走的轨迹，最终实现Z字轨迹行走。

3.根据权利要求1所述的一种基于无人机的河口湿地底泥样品智能采集装置，其特征在于：行走过程中，采集多点样本，在这些样本采集点，采泥机器人暂停行走，其机身上的电机驱动类似钻头的螺旋叶片钻入底泥，底泥通过螺旋叶片的空隙进入收集箱。

4.根据权利要求1所述的一种基于无人机的河口湿地底泥样品智能采集装置，其特征在于：减速电机驱动行走轮前轮，通过由带轮到同步带，再到带轮的传动方式，将该减速电机的动力传递给行走轮后轮，实现左边一前一后两个行走轮同向同速转动，相同的，右边的两个行走轮由另一套减速电机及同步带、带轮传动机构实现同向同速转动，两个减速电机独立控制，相互配合，可以实现采泥机器人的前进、后退、左转和右转。

5.根据权利要求1所述的一种基于无人机的河口湿地底泥样品智能采集装置，其特征在于：用无人机底部安装的摄像头实时监控采泥机器人的位置和姿态，该位姿状态信息通过无线模块传给地面控制站，在显示屏上显示，通过观察显示屏信息，操作人员遥控无人机，实现对采泥机器人的起吊和运回。

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