CN212459073U - 一种可升降的机载气溶胶粒子垂直采样装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种可升降的机载气溶胶粒子垂直采样装置，包括四旋翼无人机、气象传感器探测模块、可升降装置、气溶胶垂直采样装置、图像摄录装置、飞行控制模块和通信模块。本实用新型体积小巧，便于携带，能实现低空气溶胶粒子采样，并且可通过手持无线遥控器控制其飞行高度和空间位置，解决了现有的大气气溶胶采样装置不能移动，采集的样品可能受地表建筑、树木等环境影响的问题。通过升降装置将气溶胶粒子垂直升至无人机旋翼上方，能够防止无人机在起飞过程中杂物进入采样管影响采样准确性和避免无人机旋翼气流影响以提高采样精度，同时升降装置将气溶胶垂直采样装置下降下来后，可以减少无人机的占用空间，减少和携带设备的碰撞几率。

Description

一种可升降的机载气溶胶粒子垂直采样装置

技术领域

本实用新型涉及气象观测领域，特别涉及一种可升降的机载气溶胶粒子垂直采样装置。

背景技术

关于气溶胶粒子的观测，常规观测主要依赖于地面监测系统，一般限于近地20-30m以下，依赖于点式自动在线分析仪器或整层大气的积分等技术方法进行观测,由于受站点数量限制，这些观测仪器在时间和空间尺度上具有局限性，反映的气溶胶浓度监测的空间分辨率远不能满足要求。无人机作为一种新兴的环境监测载体，可根据需要灵活调整飞行路线，实现垂直方向不同高度、水平方向不同距离的连续作业。国外较早利用无人机技术对大气污染开展立体观测探索，例如研究云层气溶胶、黑炭等大气污染物的浓度、光吸收特性，研究初步验证了基于无人机技术的大气污染数据采集平台的可靠性。但目前国内利用无人机机载监测设备进行垂直气溶胶粒子观测仍处于起步阶段，同时当无人机飞行时，旋翼旋转对气流的扰动较大，测量结果与其它观测结果相差较大，飞行状态对测量也可能有较大影响。

实用新型内容

本实用新型的目的是为解决上述问题，提供一种可升降的机载气溶胶粒子垂直采样装置。

为了达到上述目的，本实用新型提供如下技术方案：一种可升降的机载气溶胶粒子垂直采样装置，包括四旋翼无人机、气象传感器探测模块、可升降装置、气溶胶垂直采样装置、图像摄录装置、飞行控制模块和通信模块；所述气象传感器探测模块、可升降装置、所述图像摄录装置、所述飞行控制模块和所述通信模块均设置于所述四旋翼无人机机身上；所述气溶胶垂直采样装置固定在可升降装置上；所述通信模块包括有线传输和无线传输；所述四旋翼无人用于进行精准悬停低空垂直观测，同时采集不同高度光学影像、气溶胶粒子和气象参数数据，实时监控任务飞行状态数据传输至飞行控制模块；所述气象传感器探测模块包含：温度、湿度、气压传感器，用于感知气象环境数据；所述飞行控制模块用于无人机的实时操控、飞行参数输入及实时接收飞行状态数据；所述可升降装置包括升降电机、齿轮、升降导杆以及齿条，所述的升降电机设置在四翼无人机的机身内，升降电机与齿轮连接，所述的齿轮与齿条啮合，齿条的背部与升降导杆连接，所述的升降导杆的顶部与气溶胶垂直采样装置连接。

作为本实用新型的一种改进，所述气溶胶粒子垂直采样装置包括激光发生模块、光电检测模块、光电转换模块、流量监控模块、流量调节模块、气泵、过滤器、控制模块、接口模块、通信模块和显示模块。

作为本实用新型的一种改进，所述图像摄录装置在无人机机载平台的正下方，用于获取垂直和水平方向的基于图像识别的能见度数据；

作为本实用新型的一种改进，所述无线传输采用无线方式向地面数据采集处理中心进行实时数据传输； 所述有线传输采用RS485数据接口，用于导出其上采集存储的数据信息。

与现有技术相比，本实用新型具有如下优点和有益效果：

1、本实用新型体积小巧，便于携带，能实现低空气溶胶粒子采样，并且可通过手持无线遥控器控制其飞行高度和空间位置，解决了现有的大气气溶胶采样装置不能移动，采集的样品可能受地表建筑、树木等环境影响的问题。

2、通过升降装置将气溶胶粒子垂直升至无人机旋翼上方，能够防止无人机在起飞过程中杂物进入采样管影响采样准确性和避免无人机旋翼气流影响以提高采样精度，同时升降装置将气溶胶垂直采样装置下降下来后，可以减少无人机的占用空间，减少和携带设备的碰撞几率。

附图说明

图1为本实用新型的可升降的机载气溶胶粒子垂直采样装置原理框图；

图2为气溶胶粒子垂直采样装置结构框图；

图3为本实用新型的结构示意图。

具体实施方式

以下将结合具体实施例对本实用新型提供的技术方案进行详细说明，应理解下述具体实施方式仅用于说明本实用新型而不用于限制本实用新型的范围。

实施例1：

如图1所示，本实施例公开了一种可升降的机载气溶胶粒子垂直采样装置，具体由四旋翼无人机、气象传感器探测模块、可升降装置、气溶胶垂直采样装置、图像摄录装置、飞行控制模块和通信模块组成。可以连续测量特定目标空域的垂直大气气溶胶粒子质量浓度和数浓度，以及温度、压力、湿度和风向风速等大气环境参数和光学影像资料，并将采集到的数据通过无线传输发送到地面数据采集处理中心，完成对数据的显示。

无人机还搭载图像摄录装置进行光学图像的采集。所搭载的图像摄录装置重量轻，体积小，在各种环境下能稳定工作，支持高清视屏录制和实时回传，能满足能见度光学图片资料对相机的需求。为了是相机在更稳定的条件下进行拍摄，还需为下方安装一部三轴无刷云台，通过云台消除无人机在空中的晃动干扰。

飞行控制模块用于控制飞机进行精准低空悬停飞行、输入飞行参数及用于飞行中实时监控飞机工作状态。

为了获得获取气象要素数据，在四旋翼无人机上搭载气象要素传感器模块。在温-湿度方面，采用DHT11 温湿度传感器，因为其技术成熟，成本较低，误差较小，抗干扰能力强等优点被广泛用于各种领域。在气压方面，采用德国博世公司生产的BMP180型气压传感器。因为功率低，体积小，重量轻，稳定性好且可长期工作而选择BMP180。

为了避免无人机旋翼气流影响采样精度，在无人机机身1上固定有可升降装置，如图3所示，通过可升降装置将气溶胶粒子垂直采样装置升至无人机旋翼上方。可升降装置包括升降电机4、齿轮、升降导杆5以及齿条3，所述的升降电机4设置在四翼无人机的机身1内，升降电机4与齿轮连接，所述的齿轮与齿条3啮合，齿条3的背部与升降导杆5连接，所述的升降导杆5的顶部与气溶胶垂直采样装置2连接。

在无人机起飞前，升降电机4驱动升降导杆5上升，进而带动气溶胶粒子垂直采样装置2上升移动，这样在探测起飞过程中，不会因为旋翼转动影响，导致地面杂物进入采样管影响采样结果。当无人机飞至采样区域进行悬停采样时，由于气溶胶采样装置2位于无人机旋翼的上方，受无人机旋翼气流气流影响较小，提高采样精度。当无人机降落至地面时，同时升降装置将气溶胶垂直采样装置下降下来，可以减少无人机的占用空间，减少和携带设备的碰撞几率。升降导杆内设有通孔，通孔与机体内部联通，气溶胶垂直采样装置2电源线和传输线穿过通孔与机体内部连接，这样可以保证线缆不影响无人机旋翼转动。

而为了获取垂直高度气溶胶粒子分布数据，在旋翼上方搭载气溶胶粒子垂直采样装置。如图2所示机载气溶胶粒子垂直采样装置结构框图，功率低，精度高，体积小，重量只有0.5kg，实时检测、定时检测可自由设置，符合搭载在无人机上进行工作。气溶胶粒子采样装置通过内置强力抽气泵吸入气体，空气流速可调节，利用后向散射探测气溶胶粒子。当空气中悬浮粒子经过光敏感区时，散射出的光通量与其粒子半径有关，经过光电转换、放大及处理后获得相应的粒子半径和数量，进而得到大气气溶胶的浓度和数浓度。可检测直径从PM0.3、PM1.0、PM2.5和PM10等4个通道的气溶胶粒子。该装置包括激光发生模块、光电检测模块、光电检测模块、流量监控模块、流量调节模块、气泵、过滤器、控制模块、接口模块、通信模块和显示模块等；其测量数据经串口输出送给数据传输主单片机，同时也储存在仪器内存或SD卡中。利用升降装置搭载的气溶胶采样装置对大气颗粒物进行垂直探测，获取大气颗粒物的质量浓度和数浓度廓线，分析大气颗粒物质量浓度和数浓度随高度变化的特征。

通信模块通过无线和有线两种方式和地面数据采集端进行数据传输。无线传输方面，用了STC15W4K56S4单片机和3DR数传进行数据的整合与实时回传。各传感器测量的数据通过串口通讯传到STC15W4K56S4单片机里。然后单片机把所得数据进行加工转化通过串口通讯传给数传，再由数传将数据实时传输到地面数据采集处理中心系统。有线传输采用RS485数据接口，当采集周期结束后，将气象要素传感器和气溶胶粒子垂直采样装置从无人机上拆卸，将气象要素传感器和气溶胶粒子垂直采样装置与地面数据采集端的外接设备连接，用于导出其上采集存储的数据信息，以便后续研究。

本实用新型方案所公开的技术手段不仅限于上述实施方式所公开的技术手段，还包括由以上技术特征任意组合所组成的技术方案。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本实用新型的保护范围。

Claims (4)

1.一种可升降的机载气溶胶粒子垂直采样装置，其特征在于：包括四旋翼无人机、气象传感器探测模块、可升降装置、气溶胶垂直采样装置、图像摄录装置、飞行控制模块和通信模块；所述气象传感器探测模块、可升降装置、所述图像摄录装置、所述飞行控制模块和所述通信模块均设置于所述四旋翼无人机机身上；所述气溶胶垂直采样装置固定在可升降装置上；所述通信模块包括有线传输和无线传输；所述四旋翼无人用于进行精准悬停低空垂直观测，同时采集不同高度光学影像、气溶胶粒子和气象参数数据，实时监控任务飞行状态数据传输至飞行控制模块；所述气象传感器探测模块包含：温度、湿度、气压传感器，用于感知气象环境数据；所述飞行控制模块用于无人机的实时操控、飞行参数输入及实时接收飞行状态数据；所述可升降装置包括升降电机、齿轮、升降导杆以及齿条，所述的升降电机设置在四翼无人机的机身内，升降电机与齿轮连接，所述的齿轮与齿条啮合，齿条的背部与升降导杆连接，所述的升降导杆的顶部与气溶胶垂直采样装置连接。

2.根据权利要求1所述的一种可升降的机载气溶胶粒子垂直采样装置，其特征在于：所述气溶胶粒子垂直采样装置包括激光发生模块、光电检测模块、光电转换模块、流量监控模块、流量调节模块、气泵、过滤器、控制模块、接口模块、通信模块和显示模块。

3.根据权利要求1所述的一种可升降的机载气溶胶粒子垂直采样装置，其特征在于：所述图像摄录装置在无人机机载平台的正下方，用于获取垂直和水平方向的基于图像识别的能见度数据。

4.根据权利要求1所述的一种可升降的机载气溶胶粒子垂直采样装置，其特征在于：所述无线传输采用无线方式向地面数据采集处理中心进行实时数据传输； 所述有线传输采用RS485数据接口，用于导出其上采集存储的数据信息。

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