一种无人机挂载的高精度多点水体采样装置及采样方法

1.本发明涉及水体采样技术技术领域，特别涉及一种无人机挂载的高精度多点水体采样装置及采样方法。


背景技术：

2.在“绿色发展”理念的引领下，生态文明建设事业稳步推进，绿色技术创新体系是绿色发展的重要举措。水是生命之源，是人类赖以生存的基础之一，对生态环境中其它动植物也有非常重要的作用。然而，随着社会的高速发展、工业化水平的提高以及水资源自身流动性、广域性的特点，导致水环境污染也日趋严重。为保障水体的质量，需要对水体进行定期采样，其中水体的采样机构和技术及采集水样的代表性、有效性和准确性起到关键作用。
3.现有水体定期采样技术主要采用人工、无人船、无人机采样的方式。人工定期采样通过人工将采水器从水域上放下去大概深度，再将水样采集上来，但人工无法确保每次采取的水样都是同一深度和同一地点的水样，容易导致水体检测结果出现偏差，且人工采样依托采样船载人进行工作，当遇到危险、险恶的工作环境容易出现危险，且人工采集效率低下，整体工作量较大；无人船采样通过无人船搭载水样采水机构，利用电脑控制无人船前往指定地点，再控制采水机构进行采水，最后将水样带回，通过人工取下水样，但无人船到达指定地点后，由于水样的流动性，无法保证采集的水样在同一地点，容易导致水体检测结果出现偏差，且无人船采样仅能设置在一片水域中，无法跨水域工作；无人机采样通过无人机搭载水样采水机构，无人机前往特定地点进行水样采集，采集完成后飞回指定地点由人工取回进行水质分析，是目前水样采集的主流方式。现有无人机水样采集机构都仅能采集单点，且部分采水机构仅能定深采集，无法精确实现多深度水样采集。


技术实现要素：

4.本发明提供了一种无人机挂载的高精度多点水体采样装置及采样方法，以解决现有技术中采样设备采样精度低，效率不高的技术问题。
5.为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：本发明提供了一种无人机挂载的高精度多点水体采样装置，包括壳体、升降机构、采样机构、输送机构、存储机构、控制模块和位置探测机构；所述壳体挂载在外部的无人机上，且位于无人机的底部；所述采样机构通过所述升降机构安装在所述壳体的左侧，用于对水体进行采样；所述存储机构安装在所述壳体的下部；所述输送机构的输入端伸入到所述采样机构的内侧，输出端与所述存储机构连通，用于将所述采样机构内采样的水体输送到所述存储机构内进行存储；所述位置探测机构安装在所述壳体的下部；所述控制模块安装在所述壳体的内侧，所述控制模块分别与所述升降机构、所述输送机构和所述位置探测机构电连接。
6.优选的，所述高精度多点水体采样装置还包括弹性导向机构，所述弹性导向机构包括第一支架、第二支架、若干根导向杆、若干个弹簧、第一导向块和第二导向块；所述第一支架和第二支架均设置在所述壳体的下部左侧；所述第二支架通过若干根所述导向杆与所述第一支架竖直滑动连接；若干根所述导向杆、若干个所述弹簧的数量相等且分别对应，若干个所述弹簧分别套设在对应的若干根所述导向杆的外圈上；所述第一导向块固定安装在所述第二支架的下部，所述第一导向块的底部开设有导向凹槽，所述第二导向块的下部固定安装在所述采样机构的上部，所述第二导向块的上部形成有导向凸起，所述导向凸起和所述导向凹槽相配合。
7.优选的，所述升降机构包括电机、两块定位板、齿轮组件、转盘和拉绳；所述转盘通过两块所述定位板安装在所述壳体的内侧，所述转盘与两块所述定位板转动连接；所述电机安装在其中一块所述定位板上，所述电机的输出轴通过所述齿轮组件与所述转盘传动连接；所述电机与所述控制模块电连接；所述拉绳一端固定在所述转盘上，另一端缠绕在所述转盘的外圈上，并连接固定在所述采样机构上。
8.优选的，所述输送机构包括输送件、分液电磁阀、第一采样管、第二采样管和第三采样管；所述输送件和所述分液电磁阀均安装在所述壳体上，且均与所述控制模块电连接；所述第一采样管一端伸入到所述采样机构的内侧，另一端连接在所述输送件的输入端上；所述第二采样管一端连接在所述输送件的输出端上，另一端连接在所述分液电磁阀的输入端上；所述第三采样管一端连接在所述分液电磁阀的输出端上，另一端伸入到所述存储机构的内侧。
9.优选的，所述高精度多点水体采样装置还包括限位开关，所述限位开关安装在所述采样机构的上部，所述限位开关与所述控制模块电连接，用于对所述采样机构的上升位置进行限定。
10.优选的，所述高精度多点水体采样装置还包括定时器，所述定时器集成在所述控制模块内，所述定时器与所述控制模块电连接。
11.优选的，所述高精度多点水体采样装置还包括均与所述控制模块电连接的排液机构和密封机构；所述存储机构的下部开设有排液孔，所述排液机构安装在所述排液孔内，用于将所述存储机构内的采样水体排出；所述存储机构的上部开设有出气孔，所述密封机构安装在所述出气孔的内侧，用于控制所述出气孔的开闭。
12.优选的，所述存储机构包括多个留样瓶和安装板；多个所述留样瓶通过所述安装板安装在所述壳体的下部，所述排液孔和所述出气
孔的数量均与所述留样瓶的数量相等，且分别对应，所述排液孔和所述出气孔开设在对应的所述留样瓶上，所述密封机构设置在对应的所述留样瓶上部的所述出气孔内；所述排液机构设置在对应的所述留样瓶下部的所述排液孔内。
13.本发明另一方面还提供一种多点水体采样方法，使用以上所述的高精度多点水体采样装置进行水体采样，其具体包含如下步骤：步骤s1、利用控制模块启动升降机构，升降机构驱动采样机构运动，实现采样机构的复位；步骤s2、在控制模块的控制下，利用采样机构和输送机构对指定位置的水体进行首次采样，利用首次采样的水体对第一个留样瓶的内壁进行清洗，并通过对应的排液机构将清洗后的水体排出；步骤s3、在控制模块的控制下，利用采样机构和输送机构对指定位置的水体进行第二次采样，并将采样的水体输送到第一个留样瓶内进行存储；步骤s4、重复步骤s1至步骤s3，对其他位置的水体进行采样，并分别输送到其他不同的留样瓶内，实现多点水体采样。
14.优选的，所述步骤s2具体包含如下步骤：步骤s21、启动电机，电机正转，定时器启动，采样机构下降到对应的高度，关闭定时器，静止一段时间，以便采样机构对水体进行采集；待静止的时间达到第一预定时间后，电机反转，定时器启动，采样机构逐步上升，直至采样机构复位；步骤s22、采样机构复位后，开启输送机构和定时器，定时器开始计时，输送机构吸取采样机构中的水样至第一个留样瓶中，待第二指定时间后，采样机构中首次采样的水体被全部输送到第一个留样瓶内；步骤s23、利用首次采样的水体对第一个留样瓶的内壁进行清洗；步骤s24、关闭第一个留样瓶上的密封机构，定时器启动，待第三指定时间后，采样机构放下到指定的高度，此时第一采样管从采样机构内自然露出；步骤s25、利用输送机构向第一个留样瓶输送空气，增大第一个留样瓶内部的气压，并开启对应的排液机构和计时器，计时器开始计时，第一个留样瓶通过排液孔排出，待第四指定时间后，第一个留样瓶内的首次采样的水体排出。
15.本发明的有益效果：1、本发明上设置有位置探测机构和计时器，借助位置探测机构和计时器，并通过控制模块对各个机构的精确控制，提高了本发明的协调能力，同时可提高本发明水体采样的精度；2、本发明中的存储机构上设置有多个留样瓶，在控制模块的精确控制下，可通过输送机构将每次采样的采样水体输送到对应的留样瓶内，以便于本发明沿路上对多个采样点进行采样，采样效率高，同时可拓展性强且所适应场景多；3、本发明使用采样机构对指定位置采样点进行水体采样的过程中，每个取样点首次采样的水体会被利用来清洗对应的留样瓶，该位置第二次采样的水体才是真正所需的采样水体，以保证水质具有代表性，提高了采样水体的精确性。
附图说明
16.图1为本发明的三维结构示意图；图2为壳体的内部结构示意图；图3为弹性导向机构与采样机构的连接示意图的放大图；图4为弹性导向机构的三维结构放大示意图；图5为升降机构的三维结构示意图；附图标记说明：1、壳体；2、升降机构；21、电机；22、定位板；23、齿轮组件；24、转盘；3、采样机构；4、输送机构；41、输送件；42、分液电磁阀；5、存储机构；51、留样瓶；6、控制模块；7、弹性导向机构；71、第一支架；72、第二支架；73、导向杆；74、弹簧；75、第一导向块；76、第二导向块；8、排液机构；9、位置探测机构。
具体实施方式
17.下面结合附图及具体实施例对本发明再作进一步详细的说明。在本发明的描述中，相关方位或位置关系为基于图1所示的方位或位置关系，其中，“上”、“下”是指图1的上下方向，以图1为例，垂直纸面向上为上，垂直纸面向下为下，垂直纸面向左为左，垂直纸面向右为右，垂直纸面向内为前，垂直纸面向外为后，左右方向为横向，上下方向为竖向。需要理解的是，这些方位术语仅是为了便于描述本发明和简化描述，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发明的限制。
18.另外，在本发明中的“第一”、“第二”等描述，仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量或顺序。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个、三个等，除非另有明确具体的限定。
19.第一实施例：参照图1、图2和图5，本技术实施例提供了一种无人机挂载的高精度多点水体采样装置，包括壳体1、升降机构2、采样机构3、输送机构4、存储机构5、控制模块6和位置探测机构9；所述壳体1挂载在外部的无人机上，且位于无人机的底部；无人机通过外部的控制设置进行远程控制；所述采样机构3通过所述升降机构2安装在所述壳体1的左侧，用于对水体进行采样；所述存储机构5安装在所述壳体1的下部，用于存储采样的水体；
所述输送机构4的输入端伸入到所述采样机构3的内侧，输出端与所述存储机构5连通，用于将所述采样机构3内采样的水体输送到所述存储机构5内进行存储；所述位置探测机构9安装在所述壳体1的下部，在本实施例中，所述位置探测机构9选用超声波雷达，通过超声波雷达可对本发明所处的高度进行探测；所述控制模块6安装在所述壳体1的内侧，所述控制模块6分别与所述升降机构2、所述输送机构4和所述位置探测机构9电连接。
20.参照图3和图4，在本实施例中，所述高精度多点水体采样装置还包括弹性导向机构7，所述弹性导向机构7包括第一支架71、第二支架72、若干根导向杆73、若干个弹簧74、第一导向块75和第二导向块76；所述第一支架71和第二支架72均可拆卸的安装在所述壳体1的下部左侧；所述第二支架72位于所述第一支架71的下方，所述第二支架72通过若干根所述导向杆73与所述第一支架71竖直滑动连接；若干根所述导向杆73、若干个所述弹簧74的数量相等且分别对应，若干个所述弹簧74分别套设在对应的若干根所述导向杆73的外圈上；在本实施例中，所述导向杆73的数量为两根，所述弹簧74的数量为两个，两个所述弹簧74分别套设在对应的所述导向杆73上。
21.所述第一导向块75固定安装在所述第二支架72的下部，所述第一导向块75的底部开设有导向凹槽，所述第二导向块76的下部固定安装在所述采样机构3的上部，所述第二导向块76的上部形成有导向凸起，所述导向凸起和所述第一导向块75底部开设的导向凹槽相配合。
22.参照图5，在本实施例中，所述升降机构2包括电机21、两块定位板22、齿轮组件23、转盘24和拉绳；所述转盘24通过两块所述定位板22安装在所述壳体1的内侧，所述转盘24与两块所述定位板22转动连接；所述电机21选用伺服电机，具有正反转功能，所述电机21安装在其中一块所述定位板22上，所述电机21的输出轴通过所述齿轮组件23与所述转盘24传动连接；所述电机21与所述控制模块6电连接；所述拉绳一端固定在所述转盘24上，另一端缠绕在所述转盘24的外圈上，并连接固定在所述采样机构3上。
23.在本实施例中，所述高精度多点水体采样装置还包括限位开关，所述限位开关安装在所述采样机构3的上部，所述限位开关与所述控制模块6电连接，用于对所述采样机构3的上升位置进行限定。
24.在本实施例中，所述高精度多点水体采样装置还包括定时器，所述定时器集成在所述控制模块6内，所述定时器与所述控制模块6电连接。
25.所述控制模块6包括pcb控制板，所述pcb控制板用于接收控制数据帧，并对控制数据帧进行解析；控制数据帧指的是位置探测机构9、电机21向pcb控制板发送的数据，用于使pcb控制板根据电机21的转速、位置探测机构9和测量的外部无人机的高度数据、以及计时器的计时数据分析出采样机构3的实时高度；参照图1，在本实施例中，所述高精度多点水体采样装置还包括均与所述控制模块6电连接的排液机构8和密封机构；
所述存储机构5的下部开设有排液孔，所述排液机构8安装在所述排液孔内，用于将所述存储机构5内的采样水体排出；所述存储机构5的上部开设有出气孔，所述密封机构安装在所述出气孔的内侧，用于控制所述出气孔的开闭。
26.在本实施例中，所述高精度多点水体采样装置还包括供电模块，所述供电模块用于给各个机构和模块进行供电，所述供电模块分别与所述升降机构2、所述输送机构4、所述控制模块6、所述排液机构8、所述密封机构、所述位置探测机构9电连接。
27.在本实施例中，所述存储机构5包括多个留样瓶51和安装板；多个所述留样瓶51通过所述安装板安装在所述壳体1的下部，所述排液孔和所述出气孔的数量均与所述留样瓶51的数量相等，且分别对应，所述排液孔和所述出气孔开设在对应的所述留样瓶51上，所述密封机构设置在对应的所述留样瓶51上部的所述出气孔内；所述排液机构8设置在对应的所述留样瓶51下部的所述排液孔内。优选的，所述留样瓶51的数量为三个。
28.所述排液机构8包括排液电磁阀和排液管，所述排液电磁阀的输入端连接在对应的排液孔上，其输出端连接在与排液管的一端连接，排液管的另一端与外部导通。
29.所述密封机构包括一个第一接头、一个开闭电磁阀，第一接头为一分三接头，第一接头一侧的三个连接口分别连接在三个出气孔上，第一接头另一侧的一个连接口与所述开闭电磁阀的输入端连接，所述开闭电磁阀与所述控制模块6电连接。
30.参照图2，在本实施例中，所述输送机构4包括输送件41、分液电磁阀42、第一采样管、第二采样管和第三采样管；所述输送件41和所述分液电磁阀42均安装在所述壳体1上，且均与所述控制模块6电连接；所述第一采样管一端伸入到所述采样机构3的内侧，另一端连接在所述输送件41的输入端上；所述第二采样管一端连接在所述输送件41的输出端上，另一端连接在所述分液电磁阀42的输入端上；所述第三采样管一端连接在所述分液电磁阀42的输出端上，另一端伸入到所述存储机构5的内侧；所述第三采样管的数量为三根。
31.在本实施例中，由于留样瓶51的数量为三个，所述分液电磁阀42的数量也同样为三个，所述第二采样管的数量为三根，三根所述第二采样管通过第二接头连接在所述输送件41的输出端上，所述第二接头选为一分三接头，所述第二接头的一个连接口连接在所述输送件41的输出端上，三根所述第二采样管一端分别连接在所述第二接头的另外的三个连接口上，三根所述第二采样管另一端分别连接在三个所述分液电磁阀42的输入端上，三个所述分液电磁阀42的输出端分别与三根第三采样管的一端连接，三根第三采样管的另一端分别与三个留样瓶51连接。
32.第二实施例：一种多点水体采样方法，使用以上所述的高精度多点水体采样装置进行水体采样，其具体包含如下步骤：步骤s1、利用控制模块6启动升降机构2，升降机构2驱动采样机构3运动，实现采样
机构3的复位；步骤s2、在控制模块6的控制下，利用采样机构3和输送机构4对指定位置的水体进行首次采样，利用首次采样的水体对第一个留样瓶51的内壁进行清洗，并通过对应的排液机构8将清洗后的水体排出；在本实施例中，所述步骤s2具体包含如下步骤：步骤s21、启动电机21，电机21正转，定时器启动，采样机构3下降到对应的高度，定时器每一秒产生一次中断，查询采样机构3是否达到目标距离；如若没有，则继续查询，如果达到指定高度，关闭定时器，静止一段时间，以便采样机构3对水体进行采集；待静止的时间达到第一预定时间后控制模块6向电机21发送对应控制数据帧，电机21反转，定时器启动，采样机构3上升对应高度，定时器每一秒产生一次中断，查询采样机构3是否达到目标距离；如若没有，则继续查询，直至采样机构3复位；步骤s22、采样机构3复位后，开启输送机构4和定时器，定时器开始计时，输送机构4吸取采样机构3中的水样至第一个留样瓶51中，待第二指定时间后，采样机构3中首次采样的水体被全部输送到第一个留样瓶51内；步骤s23、利用首次采样的水体对第一个留样瓶51的内壁进行清洗；步骤s24、关闭第一个留样瓶51上的密封机构，控制模块6向电机21发送数据帧，电机21正转，定时器启动，待第三指定时间后，采样机构3放下到指定的高度，此时第一采样管从采样机构3内自然露出；步骤s25、利用输送机构4向第一个留样瓶51输送空气，增大第一个留样瓶51内部的气压，并开启对应的排液机构8和计时器，计时器开始计时，第一个留样瓶51通过排液孔排出，待第四指定时间后，第一个留样瓶51内的首次采样的水体排出。
33.步骤s3、在控制模块6的控制下，利用采样机构3和输送机构4对指定位置的水体进行第二次采样，并将采样的水体输送到第一个留样瓶51内进行存储；步骤s4、重复步骤s1至步骤s3，对其他位置的水体进行采样，并分别输送到其他不同的留样瓶51内，实现多点水体采样。
34.以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。并且，本发明各个实施方式之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。