CN216207931U - 一种用于霾污染垂直梯度大气颗粒物采样的无人机 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种用于霾污染垂直梯度大气颗粒物采样的无人机，包括机身、多个旋翼、气囊、箱体、以及压缩氦气存储装置；多个旋翼设置于机身的周向，机身上部的中心设置有安装槽，气囊通过安装底座安装于安装槽内；机身的内部设置有控制器机身的下部安装有箱体，箱体内设置有大气颗粒物采样器、能见度传感器、温湿度传感器、以及压缩氦气存储装置；压缩氦气存储装置的出气口通过出气管与气囊的进气口连接，出气管上设置有第一流量调节电磁阀；大气颗粒物采样器、能见度传感器、温湿度传感器、以及第一流量调节电磁阀与控制器电性连接。本申请解决了现有技术中的无人机在采样时，其携带的电源无法进行长时间供电的问题。

Description

一种用于霾污染垂直梯度大气颗粒物采样的无人机

技术领域

本申请属于大气环境监测技术领域，具体涉及一种用于霾污染垂直梯度大气颗粒物采样的无人机。

背景技术

随着环境污染的加重以及人们对环境质量和大气质量关注度的日益提升，大气质量的监测变得越来越重要，大气监测不仅能提供各种污染程度指标，更重要的是提示人们污染的来源以及如何加强污染源的控制与环境的保护，因此大气环境的监测显得尤为重要。

目前在高空对霾天气颗粒物进行采样时，需要将大气颗粒物采样器放置于高空的监测点处。一般情况下可通过较高的建筑物将大气颗粒物采样器固定安装，从而实现颗粒物的采样。当监测点没有较高的建筑物时，试验人员可通过飞行器将大气颗粒物采样器运载至监测点处，但现有的飞行器均存在不同的弊端，例如通过热气球将大气颗粒物采样器进行运载，但具有一定的危险性。通过无人机将大气颗粒物采样器运载至监测点处，无人机在采样时，其携带的电源无法进行长时间的供电，进而需要反复返回地面进行充电来满足长时间的采样需求，进而存在操作繁琐的问题，因此现有的装置不能满足大气颗粒物采样器在高空监测点采样的需求。

实用新型内容

本申请实施例通过提供一种用于霾污染垂直梯度大气颗粒物采样的无人机，解决了现有技术中的无人机在采样时，其携带的电源无法进行长时间供电的问题。

本实用新型实施例提供了一种用于霾污染垂直梯度大气颗粒物采样的无人机，包括机身、多个旋翼、气囊、箱体、以及压缩氦气存储装置；

多个所述旋翼设置于所述机身的周向，每个所述旋翼均通过其对应的驱动机构驱动旋转；

所述机身上部的中心设置有安装槽，所述气囊通过安装底座安装于所述安装槽内；所述机身的内部设置有控制器，所述控制器上设置有GPS模块，所述控制器与地面工作站通过无线网络通信连接；

所述机身的下部安装有箱体，所述箱体内设置有大气颗粒物采样器、能见度传感器、温湿度传感器、以及所述压缩氦气存储装置；

所述压缩氦气存储装置的出气口通过出气管与所述气囊的进气口连接，所述出气管上设置有第一流量调节电磁阀；

所述驱动机构、所述大气颗粒物采样器、所述能见度传感器、所述温湿度传感器、以及所述第一流量调节电磁阀与所述控制器电性连接。

在一种可能的实现方式中，所述大气颗粒物采样器包括真空泵、第三流量调节电磁阀、流量计、以及采样头；

所述真空泵的进气口通过进气管与所述采样头连接，所述采样头的采样端伸出所述箱体的底部，所述进气管上设有所述第三流量调节电磁阀和所述流量计。

在一种可能的实现方式中，还包括设置于所述箱体下部的保护壳、插杆、以及设置于所述箱体内的保护电机；

所述保护壳的顶部开口，所述保护壳套装于所述采样头的采样端上，所述保护壳的上端面与所述箱体的下表面抵接，所述保护壳的上端安装有多个所述插杆，所述插杆的上端穿过所述箱体底面的孔并伸入所述箱体内；其中一个所述插杆上设置有齿条，所述齿条与所述保护电机输出轴上的齿轮啮合。

在一种可能的实现方式中，还包括气囊收纳机构，所述气囊收纳机构包括收纳绳、收纳电机、绕绳筒、以及设置于所述气囊外壁上的多个环体；

所述收纳绳的一端固定于所述安装底座上，所述收纳绳的另一端分别穿过多个所述环体后缠绕于所述绕绳筒上，所述收纳绳和多个所述环体在竖直方向上的投影呈“又”字形结构，所述收纳电机的输出轴与所述绕绳筒的转轴连接；

所述气囊的出气口处设置有第二流量调节电磁阀，所述第二流量调节电磁阀与所述控制器电性连接。

在一种可能的实现方式中，所述安装槽为柱状槽体，所述安装底座为圆形板体，所述安装底座的两端分别通过第一转轴转动连接于环形结构的平衡环的内壁，两端的所述第一转轴的轴线位于同一条轴线上；

所述平衡环外壁的两端分别通过第二转轴转动连接于所述安装槽的内壁，两端的所述第二转轴的轴线位于同一条轴线上；所述第一转轴的轴线与所述第二转轴的轴线垂直。

本实用新型实施例中提供的一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果或优点：

本实用新型实施例提供了一种用于霾污染垂直梯度大气颗粒物采样的无人机，通过该无人机进行霾天气的颗粒物采样时，首先通过驱动机构使旋翼旋转，无人机开始飞行，通过GPS模块能够获取无人机的三维坐标，其中三维坐标包括地理纬度数据、地理经度数据、以及高程数据，从而确保无人机能够飞行至设定的高空监测点处；无人机到达设定的位置处后，控制器开启第一流量调节电磁阀，将设定体积的氦气输送至气囊内，气囊充好气后，气囊从安装槽内向上伸展胀大，关闭第一流量调节电磁阀，此时无人机依靠气囊的升力悬停在空中，其中无人机也可通过旋翼提供部分升力，从而减轻了无人机的供电负担；此时，通过控制器使大气颗粒物采样器、能见度传感器、温湿度传感器开始工作，大气颗粒物采样器持续进行大气颗粒物的采样，能见度传感器、温湿度传感器以设定的时间间隔测定环境大气中的能见度状况、以及温湿度数据。当气囊被风从设定的高空监测点处吹离后，通过驱动旋翼旋转带动无人机飞行，进而使无人机回到设定的高空监测点处。本实用新型通过气囊提供升力，使得无人机悬停时耗电量较低，从而避免了无人机需要返回地面充电来满足长时间的采样需求的问题，该无人机易于操作，成本低，能够满足大气颗粒物采样器在高空监测点采样的需求。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例中的技术方案，下面将对本实用新型实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本实用新型实施例提供的用于霾污染垂直梯度大气颗粒物采样的无人机的结构示意图。

图2为图1的俯视图。

图3为本实用新型实施例提供的用于霾污染垂直梯度大气颗粒物采样的无人机的内部结构示意图。

图4为本实用新型实施例提供的用于霾污染垂直梯度大气颗粒物采样的无人机的采样时状态示意图。

附图标记：1-机身；2-旋翼；3-气囊；31-安装底座；4-箱体；5-安装槽；6-大气颗粒物采样器；61-真空泵；62-第三流量调节电磁阀；63-流量计；64-采样头；7-能见度传感器；8-温湿度传感器；9-压缩氦气存储装置；10-第一流量调节电磁阀；11-保护壳；12-插杆；13-保护电机；14-收纳绳；15-环体；16-平衡环；17-第一转轴；18-第二转轴。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本实用新型的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

在本实用新型实施例的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型实施例和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。此外，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本实用新型实施例中的具体含义。

如图1至图4所示，本实用新型实施例提供的用于霾污染垂直梯度大气颗粒物采样的无人机，包括机身1、多个旋翼2、气囊3、箱体4、以及压缩氦气存储装置9。

多个旋翼2设置于机身1的周向，每个旋翼2均通过其对应的驱动机构驱动旋转。

机身1上部的中心设置有安装槽5，气囊3通过安装底座31安装于安装槽5内。机身1的内部设置有控制器，控制器上设置有GPS模块，控制器与地面工作站通过无线网络通信连接。

机身1的下部安装有箱体4，箱体4内设置有大气颗粒物采样器6、能见度传感器7、温湿度传感器8、以及压缩氦气存储装置9。

压缩氦气存储装置9的出气口通过出气管与气囊3的进气口连接，出气管上设置有第一流量调节电磁阀10。

驱动机构、大气颗粒物采样器6、能见度传感器7、温湿度传感器8、以及第一流量调节电磁阀10与控制器电性连接。

需要说明的是，工作人员通过地面工作站控制或者监控无人机的工作状态，通过该无人机进行霾天气的颗粒物采样时，首先通过驱动机构使旋翼2旋转，无人机开始飞行，通过GPS模块能够获取无人机的三维坐标，其中三维坐标包括地理纬度数据、地理经度数据、以及高程数据，从而确保无人机能够飞行至设定的高空监测点处。无人机到达设定的位置处后，控制器开启第一流量调节电磁阀10，将设定体积的氦气输送至气囊3内，气囊3充好气后，气囊3从安装槽5内向上伸展胀大，如图4所示，关闭第一流量调节电磁阀10，此时无人机依靠气囊3的升力悬停在空中，其中无人机也可通过旋翼2提供部分升力，从而减轻了无人机的供电负担。此时，通过控制器使大气颗粒物采样器6、能见度传感器7、温湿度传感器8开始工作，大气颗粒物采样器6持续进行大气颗粒物的采样，能见度传感器7、温湿度传感器8以设定的时间间隔测定环境大气中的能见度状况、以及温湿度数据。当气囊3被风从设定的高空监测点处吹离后，通过驱动旋翼2旋转带动无人机飞行，进而使无人机回到设定的高空监测点处。本实用新型通过气囊3提供升力，使得无人机悬停时耗电量较低，从而避免了无人机需要返回地面充电来满足长时间的采样需求的问题，该无人机易于操作，成本低，能够满足大气颗粒物采样器6在高空监测点采样的需求。

本实施例中，大气颗粒物采样器6包括真空泵61、第三流量调节电磁阀62、流量计63、以及采样头64。

真空泵61的进气口通过进气管与采样头64连接，采样头64的采样端伸出箱体4的底部，进气管上设有第三流量调节电磁阀62和流量计63。

需要说明的是，大气颗粒物采样器6集颗粒物采样、气体采样功能于一体，可对环境空气中的微粒物进行离线采样。流量计63能够对该管路的气体流量进行监测，以对第三流量调节电磁阀62的控制进行指导，并可为采样报告提供数据。真空泵61将大气通过采样头64吸入，并经采样头64上设置的滤膜夹将颗粒物收集，收集的颗粒物以供后续的实验分析。

本实施例中，还包括设置于箱体4下部的保护壳11、插杆12、以及设置于箱体4内的保护电机13。

保护壳11的顶部开口，保护壳11套装于采样头64的采样端上，保护壳11的上端面与箱体4的下表面抵接，保护壳11的上端安装有多个插杆12，插杆12的上端穿过箱体4底面的孔并伸入箱体4内。其中一个插杆12上设置有齿条，齿条与保护电机13输出轴上的齿轮啮合。

需要说明的是，插杆12上端设置于箱体4内的套筒中，插杆12的上端设置有限位板，避免插杆12脱出套筒。采样头64不使用时，保护壳11的上端面与箱体4的下表面抵接，从而可避免杂物进入采样头64使其污染。

采样头64采样时，通过启动保护电机13，保护电机13通过齿轮和齿条带动插杆12上下移动，从而带动保护壳11上下移动，保护壳11向下移动到位后，采样头64与大气接触，从而可进行大气颗粒物的采样。

本实施例中，还包括气囊收纳机构，气囊收纳机构包括收纳绳14、收纳电机、绕绳筒、以及设置于气囊3外壁上的多个环体15。

收纳绳14的一端固定于安装底座31上，收纳绳14的另一端分别穿过多个环体15后缠绕于绕绳筒上，收纳绳14和多个环体15在竖直方向上的投影呈“又”字形结构，收纳电机的输出轴与绕绳筒的转轴连接。

气囊3的出气口处设置有第二流量调节电磁阀，第二流量调节电磁阀与控制器电性连接。

需要说明的是，收纳绳14和多个环体15在竖直方向上的投影呈“又”字形结构，能够保证拉紧收纳绳14时，气囊3在收纳绳14的作用下收缩，从而实现排气的目的。

当气囊3需要排气时，打开第二流量调节电磁阀，然后启动收纳电机，收纳电机带动绕绳筒转动，从而拉动收纳绳14，将气囊3收紧、压瘪，从而使氦气通过第二流量调节电磁阀排出。

当气囊3需要排出设定体积的氦气时，通过第二流量调节电磁阀监控氦气的流量，当排出设定体积的氦气后，关闭第二流量调节电磁阀。因此，当无人机需要下降一定高度进行采样时，可通过排出一定量的氦气来实现无人机高度的调整，从而实现大气不同垂直梯度的颗粒物采样。当然，无人机进行不同高度的大气颗粒物采样时，可先将无人机悬停至最高的监测点处，然后通过排出氦气来依次进行不同高度的位置调整。

本实施例中，安装槽5为柱状槽体，安装底座31为圆形板体，安装底座31的两端分别通过第一转轴17转动连接于环形结构的平衡环16的内壁，两端的第一转轴17的轴线位于同一条轴线上。

平衡环16外壁的两端分别通过第二转轴18转动连接于安装槽5的内壁，两端的第二转轴18的轴线位于同一条轴线上。第一转轴17的轴线与第二转轴18的轴线垂直。

需要说明的是，无人机悬停在空中时，当气囊3被风从设定的高空监测点处吹离后，通过驱动旋翼2旋转带动无人机飞行，此时，机身1为倾斜状态，而气囊3可在平衡环16的作用下保持竖直状态，从而在无人机调整水平方向的位置时，可避免需要牵引气囊3使其保持倾斜状态而存在耗能较多的问题，平衡环16的设置相较于铰接连接的气囊3强度更高，因此可靠性和安全性更高。

本说明书中的各个实施方式采用递进的方式描述，各个实施方式之间相同或相似的部分互相参见即可，每个实施方式重点说明的都是与其他实施方式的不同之处。

以上所述，仅是本实用新型的较佳实施例，并非对本实用新型作任何限制，凡是根据本实用新型技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效结构变化，均仍属于本实用新型技术方案的保护范围内。

Claims (5)

1.一种用于霾污染垂直梯度大气颗粒物采样的无人机，其特征在于：包括机身(1)、多个旋翼(2)、气囊(3)、箱体(4)、以及压缩氦气存储装置(9)；

多个所述旋翼(2)设置于所述机身(1)的周向，每个所述旋翼(2)均通过其对应的驱动机构驱动旋转；

所述机身(1)上部的中心设置有安装槽(5)，所述气囊(3)通过安装底座(31)安装于所述安装槽(5)内；所述机身(1)的内部设置有控制器，所述控制器上设置有GPS模块，所述控制器与地面工作站通过无线网络通信连接；

所述机身(1)的下部安装有箱体(4)，所述箱体(4)内设置有大气颗粒物采样器(6)、能见度传感器(7)、温湿度传感器(8)、以及所述压缩氦气存储装置(9)；

所述压缩氦气存储装置(9)的出气口通过出气管与所述气囊(3)的进气口连接，所述出气管上设置有第一流量调节电磁阀(10)；

所述驱动机构、所述大气颗粒物采样器(6)、所述能见度传感器(7)、所述温湿度传感器(8)、以及所述第一流量调节电磁阀(10)与所述控制器电性连接。

2.根据权利要求1所述的用于霾污染垂直梯度大气颗粒物采样的无人机，其特征在于：所述大气颗粒物采样器(6)包括真空泵(61)、第三流量调节电磁阀(62)、流量计(63)、以及采样头(64)；

所述真空泵(61)的进气口通过进气管与所述采样头(64)连接，所述采样头(64)的采样端伸出所述箱体(4)的底部，所述进气管上设有所述第三流量调节电磁阀(62)和所述流量计(63)。

3.根据权利要求2所述的用于霾污染垂直梯度大气颗粒物采样的无人机，其特征在于：还包括设置于所述箱体(4)下部的保护壳(11)、插杆(12)、以及设置于所述箱体(4)内的保护电机(13)；

所述保护壳(11)的顶部开口，所述保护壳(11)套装于所述采样头(64)的采样端上，所述保护壳(11)的上端面与所述箱体(4)的下表面抵接，所述保护壳(11)的上端安装有多个所述插杆(12)，所述插杆(12)的上端穿过所述箱体(4)底面的孔并伸入所述箱体(4)内；其中一个所述插杆(12)上设置有齿条，所述齿条与所述保护电机(13)输出轴上的齿轮啮合。

4.根据权利要求1所述的用于霾污染垂直梯度大气颗粒物采样的无人机，其特征在于：还包括气囊收纳机构，所述气囊收纳机构包括收纳绳(14)、收纳电机、绕绳筒、以及设置于所述气囊(3)外壁上的多个环体(15)；

所述收纳绳(14)的一端固定于所述安装底座(31)上，所述收纳绳(14)的另一端分别穿过多个所述环体(15)后缠绕于所述绕绳筒上，所述收纳绳(14)和多个所述环体(15)在竖直方向上的投影呈“又”字形结构，所述收纳电机的输出轴与所述绕绳筒的转轴连接；

所述气囊(3)的出气口处设置有第二流量调节电磁阀，所述第二流量调节电磁阀与所述控制器电性连接。

5.根据权利要求1所述的用于霾污染垂直梯度大气颗粒物采样的无人机，其特征在于：所述安装槽(5)为柱状槽体，所述安装底座(31)为圆形板体，所述安装底座(31)的两端分别通过第一转轴(17)转动连接于环形结构的平衡环(16)的内壁，两端的所述第一转轴(17)的轴线位于同一条轴线上；

所述平衡环(16)外壁的两端分别通过第二转轴(18)转动连接于所述安装槽(5)的内壁，两端的所述第二转轴(18)的轴线位于同一条轴线上；所述第一转轴(17)的轴线与所述第二转轴(18)的轴线垂直。

Images