一种挂载于无人平台的土壤样品自动采集装置及采集方法与流程

1.本发明涉及土壤样品采集技术领域，尤其涉及一种土壤样品自动采集装置及采集方法。


背景技术：

2.随着人类对土壤环境、科学农业等领域的重视，对土壤的分析研究工作需求也在逐渐增加。因此，采样工作作为土壤的分析研究工作的基础也在不断的增长，这不仅是在数量上的增长，采样工作的准确度、复杂度也在不断增长。
3.目前，对于土壤样品的采集大部分依靠于人工采集。在土壤样品采集数量不多、距离间隔较近、采集准确度要求不高、地质环境相对简单的情况下，可以在一定程度上满足土壤样品采集工作的需求。
4.对于数量多、间隔距离远、采集精度高的土壤样品采集工作，需要大量的人力来保证采集的效率和质量。对于地质环境复杂地区(例如：河流、峡谷、峭壁、深坑、沼泽阻隔等)的土壤样品采集工作，不仅需要大量人力物力，还有造成财产损失以及人身伤害的风险。
5.因此，在目前人工采集受限的情况下，设计一种可以高效、安全、准确的土壤样品采集装置是有必要的。


技术实现要素：

6.本发明提供了一种土壤样品自动采集装置及采集方法，该装置使用简单，适应性强，可以有效提高土壤样品采集效率、保证样品的洁净度以及采集人员人身安全。
7.具体技术方案如下：
8.本发明提供了一种挂载于无人平台的土壤样品自动采集装置，包括采样存储仓以及存储于采样存储仓内的若干采样柱；
9.所述采样存储仓的内部中空，形成采样腔；采样存储仓的内壁上开有存储采样柱的槽体，采样柱开口朝下倒置于槽体内；采样存储仓的顶部设有用于自动化控制的控制盒以及散热部件和供电部件，部设有供槽体内采样柱自动旋转换位的换位机构；
10.所述采样腔内设有引导采样柱垂直运动并将采样柱从土壤中提拉出的定位引导提升机构；所述采样存储仓上方还装有用于夹持采样柱使采样柱在槽体与定位引导提升机构之间交替换位的换柱机构；所述定位引导提升机构的正上方安装有用于锤击采样柱使采样柱插入土壤内部的重锤机构。
11.进一步地，所述换位机构包括换位盘、轴承盘以及换位电机；所述换位盘上设有若干定位柱，底部设有供轴承盘安装的环形槽；所述仓本体的底部开有若干与定位柱相配合的定位孔，定位孔设于两两槽体之间。
12.进一步地，所述仓本体的上表面开有若干安装深槽，安装深槽与槽体一一对应；所述仓本体还设有夹持固定件，所述夹持固定件包括第一夹臂、连接控制第一夹臂的丝杆以及驱动丝杆转动的夹持电机；所述丝杆和夹持电机放置于所述安装深槽内，第一夹臂放置
于槽体顶面上；所述采样柱的柱体上部设有供第一夹臂卡紧的第一环形卡槽。
13.进一步地，所述采样存储仓包括仓本体和套设于仓本体外部的外壳体；所述外壳体上开有穿孔，外壳体的顶部设有盖板，盖板上设有控制盒和电源盒，控制盒内放置以单片机为核心的控制板，盒上装有散热水箱，盖板上还开有穿口。
14.进一步地，所述重锤机构包括锤架、重锤和第一卷扬组件；
15.所述锤架固定于所述外壳体或盖板上；
16.所述第一卷扬组件固定于锤架上，包括卷扬电机、减速箱、卷扬轮、导向轮和钢绳；卷扬电机设于减速箱上，减速箱的侧壁上安装有缠绕钢绳且传递动力的卷扬轮和引导钢丝绳运动的导向轮；重锤悬挂于所述钢绳的末端。
17.进一步地，所述锤架由支撑框和经支撑框围绕固定的中心收纳筒组成；
18.所述支撑框固定于外壳体或盖板上；所述第一卷扬组件固定于所述中心收纳筒的顶部，在钢绳处于收缩状态时重锤处于所述中心收纳筒内。
19.进一步地，所述定位引导提升机构包括提升平台、导向杆以及第二卷扬组件；
20.所述提升平台主要由基板以及安装于基板上的一对直线轴承、一对拉环、锁止杆和驱动锁止杆转动的电机构成；所述基板上开有供采样柱卡接的卡口，卡口的开口处装有锁止杆；所述直线轴承和拉环均设置于基板两端，直线轴承套设于导向杆上；
21.所述第二卷扬组件固定于所述盖板上，由两个卷扬单元组成，每个卷扬单元均包括卷扬电机、减速箱、卷扬轮、导向轮和钢绳；卷扬电机设于减速箱上，减速箱的侧壁上安装有缠绕钢绳且传递动力的卷扬轮和引导钢丝绳运动的导向轮；所述钢绳的末端与所述拉环连接。
22.进一步地，所述换柱机构包括夹持头和推送组件；
23.所述夹持头主要由基座和安装在基座上的驱动电机和第二夹臂构成；
24.所述推送组件包括支架、固定于支架上的推块、驱动推块运动的主驱动滚筒以及两个辅助滚筒和两个传动滚筒；靠近主驱动滚筒的推块一端为工作端，另一端为延伸端；所述基座固定于所述工作端，延伸端穿过所述穿孔，主驱动滚筒穿过所述穿口，所述支架固定于所述盖板上。
25.进一步地，所述采样柱的柱体上部设有供第一夹臂卡紧的第一环形卡槽和第二夹臂卡紧的第二环形卡槽。
26.本发明还提供了一种土样采集方法，包括以下步骤：
27.(1)选定待取样点，将点位数据导入无人平台；
28.(2)通过无人平台将上文所述的土壤样品自动采集装置携带至取样点，启动土壤样品自动采集装置，待装置采集完土样后，取走装置至下一个取样点，直至取样全部结束。
29.与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
30.(1)本发明将换位机构、定位引导提升机构、换柱机构和重锤机构与采样存储仓进行结合，得到了一个能够自动采集多份土壤样品的装置，实现了土壤样品采集的自动化，使用方便，成本低廉，适应性广，而且可与无人平台进行结合，不仅可以有效的提升土壤样品的采集效率，同时也可以降低土壤样品被污染的风险。
31.(2)本发明提供了一种可挂载于无人平台，且可以适应不同土壤样品采集需求的装置；可以作为土壤样品采集过程中，大批量、间隔距离远、地质、地形环境复杂时土壤样品
的自动采集设备。
32.(3)本发明装置不仅可以提高土壤样品采集的效率和准确性，还能保证地质环境复杂时土壤样品采集人员的人身安全。
附图说明
33.图1为本发明土壤样品自动采集装置的立体结构示意图。
34.图2为本发明土壤样品自动采集装置的主视结构示意图。
35.图3为图2所示土壤样品自动采集装置的a
‑
a处剖视结构示意图。
36.图4为图2所示土壤样品自动采集装置的b
‑
b处剖视结构示意图。
37.图5为图2所示土壤样品自动采集装置的c
‑
c处剖视结构示意图。
38.图6为本发明土壤样品自动采集装置中采样存储仓100的拆分结构示意图。
39.图7为本发明土壤样品自动采集装置中采样柱500的放大结构示意图。
40.图8为本发明土壤样品自动采集装置中第一卷扬组件230的放大结构示意图。
41.图9为本发明土壤样品自动采集装置中夹持固定件510的放大结构示意图。
42.图10为本发明土壤样品自动采集装置中第二卷扬组件430的放大结构示意图。
43.图11为本发明土壤样品自动采集装置中提升平台410的放大结构示意图。
44.图12为本发明土壤样品自动采集装置中换柱机构300(夹持头310和推送组件 320)的放大结构示意图。
45.图13为本发明土壤样品自动采集装置处于土样采集状态的主视结构状态示意图。
46.图14为图13所示土壤样品自动采集装置的d
‑
d处结构示意图。
47.图15为图13所示土壤样品自动采集装置的e
‑
e处结构示意图(该视图是装置处于土样采集状态时的视图)。
48.图16为图15所示的e
‑
e处结构示意图的换柱机构300处于抓取状态(即：将采样柱从槽体取出的状态)时的结构示意图。
49.图17为图15所示的e
‑
e处结构示意图的换柱机构300处于放置状态(即：将取出的采样柱插入卡口416)时的结构示意图。
50.上述附图中涉及的部件及编号为：
51.采样存储仓100，仓本体110，外壳体120，槽体111，安装深槽112，定位孔113，换位盘114，换位电机115，定位柱116，轴承盘117，穿孔121，盖板122，穿口123，采集腔130；锤击机构200，锤架210，重锤220，第一卷扬组件230，支撑框211，中心收纳筒212，卷扬电机231，减速箱232，卷扬轮233，导向轮234，钢绳235；换柱机构300，夹持头310，推送组件320，基座311，驱动电机312，第二夹臂313，支架321，推块322，主驱动滚筒323，第一辅助滚筒324，第二辅助滚筒325，第一传动滚筒326，第二传动滚筒327，推块322的工作端3221，推块322的延伸端3222；定位引导提升机构400，提升平台410，导向杆420，第二卷扬组件430，基板411，直线轴承412，拉坏413，锁止杆414，电机415，卡口416，卷扬电机431，减速箱432，卷扬轮433，导向轮434，钢绳 435；采样柱500，第一环形卡槽501，第二环形卡槽502，夹持固定件510，第一夹臂511，丝杆512，夹持电机513。
具体实施方式
52.下面结合具体实施例对本发明作进一步描述，以下列举的仅是本发明的具体实施例，但本发明的保护范围不仅限于此。
53.实施例1
54.如图1～17所示，本发明提供了一种土壤样品自动采集装置，该装置主要包括：带若干根采样柱500的采样存储仓100以及与采样存储仓100相配合的锤击机构200、换柱机构300和定位引导提升机构400。
55.其中，采样存储仓100包括仓本体110和外壳体120。仓本体110为内部中空的圆柱体，内部中空处为采集腔130，用于进行土样的采集工作；外壳体120呈圆筒状，套设于仓本体110的外部。外壳体120的壳壁上开有穿孔121，顶部设有盖板122，盖板上设有控制盒124和电源盒125，控制盒124内放置以半片机为核心的控制板，电机通过内嵌于装置各部件中的导线，连接于受单片机控制的驱动电路上，盒上装有散热水箱126，盖板上还开有穿口123。
56.仓本体110的内壁上开有供若干采样柱500插取的槽体111。本实施例中采用的仓本体110共设有10个槽体；从俯视角度看，每个槽体111均呈u型，且开口朝向采集腔130，环绕仓本体110内壁呈花瓣状。
57.仓本体110的上顶面开有若干个安装深槽112，安装深槽112与槽体111一一对应；本实施例中，安装深槽112位于槽体111的外围。仓本体110上还设有夹持固定件510，夹持固定件510主要包括丝杆512、夹持电机513以及用于夹住采样柱500的第一夹臂511；第一夹臂511由两个带固定孔的半圆形半夹臂组合而成，丝杆512一端与夹持电机513连接，另一端穿过第一夹臂511的固定孔连接第一夹臂511。丝杆512和夹持电机513均放置于安装深槽112内，第一夹臂511的直径大于槽体111的直径，故放置于槽体111顶部，用于协助采样柱500悬插在槽体111内。
58.采样柱500呈圆柱状，开口朝下倒置于槽体内，顶部密封，底部开口；为了便于插入和抓取采样柱，采样柱500的柱体上部设有上、下设置的第一环形卡槽501和第二环形卡槽502；第一环形卡槽501与换柱机构300配合，第二环形卡槽502与第一夹臂511配合。在安装采样柱500的时候，夹持电机513驱动丝杆512转动，从而使得第一夹臂511分离，第一夹臂511处于安装位(即夹臂处于张开状态)；将采样柱 500放入槽体111以后，反向运转夹持电机513，第一夹臂511运转至夹持固定位(即夹臂处于关闭状态)，卡入第二环形卡槽502内。
59.仓本体110的下底面还开有定位孔113，定位孔113位于两两槽体111之间。仓本体110的底部设有供槽体111内采样柱500自动旋转换位的换位机构600。换位机构 600包括换位盘114、换位电机115以及设置于外壳体120下方与换位盘114相配合的轴承盘117；换位盘114的主体为圆环状薄板，盘面上装有与定位孔113相配合的定位柱116，盘底设有与轴承盘117相互配合的滑槽118，换位盘114的圆环内侧装有换位电机115，换位电机115通过驱动换位盘114转动，带动定位柱116转动，进而带动仓本体110转动，从而实现采样柱500的转动及位置更换。
60.换柱机构300安装于外壳体120的盖板上，用于抓取转移采样柱，将原本放置于槽体111内的采样柱移动至采集腔130内，以及将采集完土样的采样柱500转移回槽体111。换柱机构300包括夹持头310和推送组件320；夹持头310主要由基座311和安装在基座311上的
驱动电机312和第二夹臂313构成；第二夹臂313与采集柱500 的第一环形卡槽501进行配合，在第二夹臂抓取转移采样柱时，先将第二夹臂313卡入第一环形卡槽501内，再移动采样柱。推送组件320主要由支架321、固定于支架 321上的推块322、驱动推块运动的主驱动滚筒323、支撑引导推块运动的第一辅助滚筒324和第二辅助滚筒325以及第一传动滚筒326和第二传动滚筒327。推块322设有工作端3221和延伸端3222，基座311固定于推块的工作端3221，延伸端3222穿过外壳体120的穿孔121向外延伸，工作端3221推动基座311向采样腔130移动。支架 321固定于盖板122上，主驱动滚筒323穿过穿口123。主驱动滚筒323驱动第一传动滚筒326转动，第一传动滚筒326驱动第二传动滚筒327转动，第二传动滚筒327驱动推块322移动，推块322在第二传动滚筒327、第一辅助滚筒324和第二辅助滚筒 325的推动下移动。推块322的长度设置需保证夹持头320能够在槽体111与采集腔 130之间自由移动。
61.锤击机构200位于仓本体110的上方，用于锤击被夹持头320夹取并移动到仓本体110内部采集腔130的采样柱。锤击机构200主要由锤架210、重锤220和第一卷扬组件230构成。其中，锤架210由支撑框211和经支撑框211围绕固定的中心收纳筒212组成；支撑框211固定于外壳体120上，可以固定在外壳体120的盖板122上，也可以固定在外壳体120的外壁上；中心收纳筒212的顶部密封且固定有第一卷扬组件230，并通过第一卷扬组件230将重锤220悬挂于中心收纳筒212内部，中心收纳筒212的底部开口。第一卷扬组件230主要由卷扬电机231、减速箱232、卷扬轮233、导向轮234和钢绳235组成；卷扬电机231设于减速箱232上方，减速箱232的侧壁上安装有缠绕钢绳235且传递动力的卷扬轮233和引导钢丝绳运动的导向轮234。中心收纳筒212的顶部还开有供卷扬组件230的钢绳235穿过的小孔，穿过小孔的钢绳 235的另一端悬挂有重锤220。卷扬电机231驱动卷扬轮233转动，进而带动导向轮 234转动，使得缠绕导向轮234的钢绳转动，从而使得重锤上下移动，锤击采样柱；可通过改变重锤的下落高度及速度来改变重锤的锤击力度。
62.定位引导提升机构400设置于仓本体110的采集腔130内，用于固定引导采样柱，并将插入至取样土壤中的采样柱提升至与槽体111内采样柱相同高度。定位引导提升机构400主要由提升平台410、两根导向杆420和第二卷扬组件430组成；其中，提升平台410包括基板411，以及分别安装于基板两端的直线轴承412、拉坏413、锁止杆414和电机415；基板411上开有供采样柱卡接的卡口416，卡口416呈u型，开口处设有锁止杆414，锁止杆414受电机415的驱动，关闭卡口416的开口。卡口416 的缺口方向远离穿孔121。直线轴承412套设于导向杆420上，通过导向杆420进行限位；第二卷扬组件430由左、右两个卷扬组件单元构成，两个卷扬组件单元主要由卷扬电机431、减速箱432、卷扬轮433、导向轮434和钢绳435组成；卷扬电机431 设于减速箱432上方，减速箱432的侧壁上安装有缠绕钢绳435且传递动力的卷扬轮 433和引导钢丝绳运动的导向轮434。两个卷扬组件单元均固定于盖板122上，盖板 122上开有供两个卷扬组件单元的钢绳穿过的小孔，钢绳穿过小孔后，与拉坏413连接。第二卷扬组件驱动钢绳收缩，使得提升平台410向上运动，从而带动提升平台上卡接的采样柱向上移动，从而使原本插入取样土壤中的采样柱向上移动。以上电机通过驱动板驱动，并通过单片机进行控制。
63.在设计仓本体110时，其柱身可以与采样柱的柱身高度基本相同，也可略高于采样柱柱身。本发明装置所采用的主要部件均使用耐磨抗静电的工程塑料制作。可以保证强度的同时减轻装置质量，减少无人平台无用能量消耗。本发明装置大体积部件可以使用3d打
印技术制造；内部使用50％蜂窝填充结构，可以在保证强度的同时减小装置整体质量。本发明装置所涉及的所有螺丝连接采用沉头内六角螺丝，保证各部件、组件之间可靠连接的同时尽量减少空隙的产生，减少土壤样品的损失和污染。本发明装置所涉及的电机采用低压直流减速电机；减小装置的体积和质量的同时保证所需力矩的同时确保使用者安全，并且适应无人平台蓄电池供电的特点。
64.本发明装置所涉及的采样柱的上部使用硬度较高的钛合金材质；在保证锤击能量传递效率较高的同时减轻装置重量。采样柱的内壁附有聚四氟乙烯衬套，防止样品受金属元素污染；采样柱的下部开口处设有30度倒角，保证采集柱可以有效地深入土层。本发明装置还安装有感应装置，在部件受到阻碍或损坏时及时切断电源并反馈，保证装置的运行安全。
65.上述土壤样品自动采集装置的运行流程为：
66.(1)土壤样品自动采集装置移动至采集点后，夹持头310将槽体111
‑
1内邻近夹持头310的采样柱500
‑
1夹起，并推送至仓本体110内部中空的采集腔130内，卡接在提升平台310的卡口316处，电机315驱动锁止杆314锁紧；
67.(2)加持头310返回初始位；
68.(3)重锤220经第一卷扬组件230驱动反复上下移动，锤击位于采集腔130内的采集柱510，采集柱510受重锤220锤击后，插入至采集土壤中进行土壤采集；
69.(4)采集结束后，提升平台310受到第二卷扬组件330的拉升，向上移动，使得原本在土壤中的采集柱510离开采集土壤，向上移动，最终达到采集腔130内与槽体 111内的采集柱平齐；
70.(5)夹持头310将采集腔130内的采集柱510再次夹起，电机315驱动锁止杆 314打开，夹持头310往前推送至原本空的槽体111
‑
1内；
71.(6)加持头返回初始位；
72.(7)在换位盘114的转动下，仓本体110发生转动，使得槽体111
‑
2位于夹持头 310延长线上；
73.(8)装置转移位置；
74.(9)夹持头310将槽体111
‑
2内的采样柱500
‑
2夹起，并推送至仓本体110内部中空的采集腔130内，卡接在提升平台310的卡口316处，电机315驱动锁止杆314 锁紧；然后，重复步骤(2)
‑
(4)，将采样柱500
‑
2送回原本空的槽体111
‑
2内；
75.(10)加持头返回初始位；
76.(11)土壤样品自动采集装置会重复上述流程直至采样完成。
77.(12)返回设定位置。
78.在此基础上，本实施例还提供了一种土样采集方法，具体步骤如下：
79.(1)选定待取样点，将点位数据导入无人平台；
80.(2)通过无人平台将上文所述的土壤样品自动采集装置携带至取样点，启动土壤样品自动采集装置，待装置采集完土样后，取走装置至下一个取样点，直至取样全部结束。