一种基于多旋翼无人机的近地空气采样系统

1.本实用新型属于气体采集设备的技术领域，特别涉及一种基于多旋翼无人机的近地空气采样系统。


背景技术：

2.我国幅员辽阔，气候复杂多样。其中的滨海、岛屿和半岛地区受海洋环境的影响，空气中的盐分对建筑围护结构的传热特性以及建筑耐久性造成严重影响。由此导致的建筑物围护结构遭受腐蚀、老化脱落伤人，建筑能耗高等问题，对当地军民生活造成显著影响，并带来严重的财产损失。
3.如何方便地收集沿海城市近地空气中含盐气体是分析区域盐雾浓度分布的突破口。对于盐雾浓度测量而言，地面气象站和地面盐雾监测装置作为近地盐雾浓度数据的传统获取方法，虽具有准确测量和长时间测量的优势，但受限于仪器体积和架设位置等因素的影响，对高空盐雾浓度的检测能力十分有限。无人机平台以其经济成本较低，操作简单、灵敏度高、便于移动和受条件限制少等优势，是作为近地面层含盐气体采集装置的优秀载体。
4.中国公开发明专利cn109738239a公开了一种基于无人机的多点空气采样和空气检测装置，该多点空气采样和空气检测装置包括无人机和设置在无人机上的控制模块、与控制模块连接的气体检测模块以及用于对气体进行取样的气体采集模块，可以利用气体检测模块对空气进行检测，或者利用气体采集模块包括的气体收集机构和用于向气体收集机构送气的气体压缩装置对气体进行取样并保存在储气罐中。该方案公开的飞行器不能大量采集目标点空气样本，并且起飞总量过大，续航时间会相应缩短。
5.中国实用新型专利cn205418093u公开了一种用于大气采样的多轴飞行器，该多轴飞行器包括机架、吊舱、遥控器，机架上安装有gps模块、控制器、电源模块，吊舱上安装有超声波测距系统、视觉定位系统、大气采集装置，可以利用该多轴飞行器对大气进行采样并储存到安装于吊舱中的气袋。但该方案公开的飞行器也不能大量采集目标点空气样本，并且起飞重量过大，且安装有一般民用实验设备不经常使用的测距及定位系统，会影响飞行器续航时间。


技术实现要素：

6.针对现有技术的不足，本实用新型提供了一种基于多旋翼无人机的近地空气采样系统，该采样系统便捷可靠，可方便迅速地对目标点空气进行采样，并且可以灵活地手动控制采样时间，且收集样本容积大，便于检测空气中含量较低的物质。
7.为了实现前述目的，本实用新型提供的一种基于多旋翼无人机的近地空气采样系统，包括无人机以及设置在无人机机身上的气体采集控制模块、与气体采集控制模块相连接的气体采集装置，以及设置在无人机起落架上的气体储存装置，
8.所述气体采集装置包括气泵，气泵设置在无人机的无人机云台架上；
9.所述气体储存装置，用于对收集样本进行密封储存，包括用于储存样本的气囊，所述气囊与所述气泵连通；
10.所述气体采集控制模块用于控制所述气泵的开闭，所述气体采集控制模块包括遥控电子开关，所述遥控电子开关与气泵以及无人机的主控制器均连接。
11.优选地，无人机包括无人机起落架，所述无人机起落架包括起落架支臂和起落架底杆，起落架支臂的两端分别连接无人机机身和起落架底杆，所述气囊通过气囊连接装置与起落架底杆连接。
12.优选地，所述气囊连接装置包括第一卡扣、弹簧和第二卡扣，马蹄扣与起落架底杆连接，弹簧分别连接第一卡扣和第二卡扣，且第二卡扣与气囊连接。囊连接装置能够保证气囊始终保持在安全区域内不会干扰无人机旋翼的正常运转，并且减少气囊受气流影响产生的抖动对无人机悬停姿态的影响。
13.优选地，第一卡扣为气筒扣，第二卡扣为马蹄扣。气筒扣的设置使得气囊的拆卸和更换十分便捷。
14.优选地，所述弹簧有两条，两条弹簧的两端均分别连接第一卡扣和第二卡扣。双弹簧的冗余设定能够应对瞬时强风等突发事件。
15.优选地，气体采集装置还包括气管，所述气囊上设置有单向排气阀门和单向进气阀门，所述气囊与所述气泵的单向进气阀门通过气管连通。所述气囊带有单向进气阀门，能够实现对收集样本的自动密封储存。
16.优选地，所述气管采用特氟龙管。
17.优选地，所述气囊采用具有防腐功能的聚氟乙烯或特氟龙材质，可以用来收集并短暂储存带有腐蚀性的气体。收集了样本的气囊将单向进气阀门接口密封后，填写大气环境采样和交接记录表，便可将交予检测人员进行样品分析。
18.优选地，气泵为高功率低重量的气泵，其额定电压为12v，流量为40l/min，无人机云台架带有减震缓冲功能，能够消解气泵运行过程中产生的高频震动，消除其对无人机悬停姿态的干扰。
19.所述气体采集控制模块用于对气体采集装置进行供电及控制开闭，包括变压装置及电子遥控开关，变压装置将无人机主板提供给起落架收放电机的电压降低至气体采集装置所需电压，遥控电子开关接收气泵启停遥控信号，并将其转变成电路通断信号，以此控制气体采集装置的开闭，所述气泵启停遥控信号通过无人机自身通信渠道与无人机遥控器相连接，可以通过无人机遥控器上的旋钮实现气泵的实时开闭。
20.优选地，所述气体采集控制模块将无人机起落架收放电机供电更改为气体采集装置供电，将无人机起落架收放信号改为气泵启停遥控信号，以实现所述气泵通过无人机通信渠道进行遥控，能有效避免气泵开启后产生的磁场干扰对普通遥控器发出的微波射频信号的屏蔽，因此可以实现遥控器对气泵启停的实时控制，并且遥控距离也远超普通射频遥控器遥控范围。
21.与现有技术相比，本实用新型能够实现的有益效果至少如下：
22.将无人机起落架收放信号改为气泵启停遥控信号，实现了将所述气泵通过无人机通信渠道进行遥控，能有效避免气泵开启后产生的磁场干扰对普通遥控器发出的微波射频信号的屏蔽，因此能够实现通过无人机对垂直高度较高或距离较远的目标实验点进行空气
样本收集；该系统操作便捷可靠、灵活迅速，实验人员能够快速掌握并熟练操作，可以根据实验现场情况控制采样时间；由于采用了将大容积防腐蚀气囊直接悬挂到机身上的设计，使得收集样本速度快容量大、可以收集并短暂储存具有腐蚀性的气体，且所述气囊上所携带的样品储存装置容积大，适合检测空气中含量较低的物质；且由于装载设备数量少、质量装备轻所带来的可靠性和快速移动性还能让无人机迅速飞至实验高度处目标实验点，能够快速针对突发情况及时进行空气采样。并且较轻的装备质量，能够保持较长时间续航，野外实验不需要携带大量供电电池，减少运输成本及无人机制备成本。
附图说明
23.为了更清楚地说明实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅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，其中:
24.图1为本实用新型实施例中无人机中心下方所安装气泵及变压装置和遥控电子开关的相对位置示意图；
25.图2为本实用新型实施例中采样系统的结构示意图。
26.图3为本实用新型实施例中无人机遥控器的结构示意图。
27.图4为本实用新型实施例中大气环境采样和交接记录表的示意图。
28.图中：
29.气泵1；无人机云台架2；遥控电子开关3；变压装置4；导线5；旋翼支撑杆6-1；气管7；气管固定器8；单向排气阀门9；单向进气阀门10；气囊连接装置11；气囊12；无人机机身13；无人机遥控器14；气泵启停开关15；起落架支臂16-1；起落架底杆16-2。
具体实施方式
30.为使本实用新型实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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、完整的描述，显然，所描述的实施例是本实用新型一部分实施例，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，都是本实用新型保护的范围。
31.请参阅图1-图3，本实用新型提供的一种基于多旋翼无人机的近地空气采样系统，包括无人机以及设置在无人机机身13上的气体采集控制模块、与气体采集控制模块相连接的气体采集装置，以及设置在无人机起落架16上的气体储存装置。
32.无人机包括无人机机身13、无人机云台架2、无人机起落架16和主控制器。无人机机身13上轴向固定有多个旋翼支撑杆6-1，每个旋翼支撑杆6-1 的末端均固定设置有旋翼，通过旋翼的旋转来带动整个无人机的起降、飞行。无人机机身13的底部设置有无人机起落架16。在本实用新型其中一些实施例中，请参阅图2，无人机起落架16包括起落架支臂16-1和与起落架底杆 16-2，起落架支臂16-1的两端分别与无人机机身13、起落架底杆16-2连接。
33.本实用新型中，气体采集装置包括气泵1和气管7，气体储存装置包括用于储存采
样气体的气囊12和气囊连接装置11，气泵1安装在具有减震功能的无人机云台架2上，无人机云台架2位于无人机机身13的下端面；气泵1 通过气管7与气囊12相连接，气囊12通过气囊连接装置11与起落架底杆 16-2连接，气囊12上设有单向进气阀门10和单向排气阀门9，气管7分别连接气泵1的出气端与气囊单向进气阀门10。气囊12能够实现对收集样本的自动密封储存。
34.气泵1的启停信号由无人机起落架16收放信号转换后提供。在本实用新型其中一些实施例中，无人机设置为起飞后不自动收起无人机起落架16，因为无人机程序设定飞机飞起一定高度后会自动收起无人机起落架16，那就相当于给出气泵1开启的信号，气泵1就会在未到达指定高度时自动开始集气，为了避免这种情况，需要在无人机程序里设置不自动收起无人机起落架16。
35.在本实用新型其中一些实施例中，所述气泵1的额定电压为12v，流量为 40l/min，并固定在无人机云台架2上，无人机云台架2的减震装置会将气泵 1工作时所产生震动消解。
36.在本实用新型其中一些实施例中，所述起落架底杆16-2选用长度1000mm、外径18mm的碳纤维管，可以理解的是，在其他实施例中也可采用其他的材质和尺寸。
37.在本实用新型其中一些实施例中，气管7采用特氟龙管，采用特氟龙管可以提高防腐性能。
38.在本实用新型其中一些实施例中，气体采集控制模块包括遥控电子开关3 和变压装置4，变压装置4和遥控电子开关3均固定在无人机机身13的下端面，且遥控电子开关3与气泵1以及无人机的主控制器均通过导线连接。
39.将无人机起落架16的供电电压经变压装置4降低至气泵1所需电压，以给气泵提供电源。所述遥控电子开关3接收无人机起落架16的收放信号，并将其转变成电路通断信号，以此控制气泵1的开闭。
40.在本实用新型其中一些实施例中，所述遥控电子开关3所需供电电压为 5v，所述变压装置4可将24v电压降低至12v。
41.在本实用新型其中一些实施例中，所述气管7选用内径为5mm。可以理解的是，在其他实施例中也可以采用其他尺寸。
42.所述气体储存装置用于对收集样本进行密封储存，所述气体储存装置包括用于储存气体的气囊12和用于连接气囊12与无人机起落架16的气囊连接装置11，所述气囊12带有单向进气阀门10，能够实现对收集样本的自动密封储存，所述气囊连接装置11能够保证气囊12始终保持在安全区域内不会干扰无人机旋翼的正常运转，并且减少气囊12受气流影响产生的抖动对无人机悬停姿态的影响，双弹簧的冗余设定能够应对瞬时强风等突发事件；且气筒扣的设置使得气囊的拆卸和更换十分便捷。所述单向进气阀门10通过气管7 与气泵1相连接，气泵1与气管7和单向阀门10沿着气体储存装置的进气方向单向导通。
43.在本实用新型其中一些实施例中，所述气囊连接装置11包括气筒扣、弹簧和马蹄扣，选用马蹄扣安装在起落架底杆16-2端部，并连接两支弹簧，两只弹簧共同连接气筒扣，气囊12的端角处设置有安装孔，气筒扣与气囊12 的安装孔相连接。
44.在本实用新型其中一些实施例中，所述气囊12选用950mm
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48mm聚氟乙烯采样袋或特氟龙膜采样袋，采样袋边缘四角均分别开有一个安装孔，安装孔的内径为4mm，气囊连
接装置11相应设置有4个。可以理解的是，在其他实施例中，气囊12的材质、安装孔的尺寸均可根据需要选用其他的材质和尺寸。
45.在本实用新型其中一些实施例中，气囊12的纵向三分之二处安装有一进一出两支单向阀门，即单向排气阀门9；单向进气阀门10，两单向阀的导通均需要一定的开启压力。
46.拆开无人机上部的主控散热罩，找到主控的输出接口，将主控散热风扇供电电源接口改为主控散热风扇供电电源和电子遥控开关供电电源相并联 (5v)，将主控上起落架收放信号接口改为气泵启停遥控信号，即无人机主控三个端口功能由散热风扇供电、散热风扇信号、起落架收放信号，变为散热风扇和电子遥控4开关供电、散热风扇信号、气泵启停遥控信号(拆下无人机主控上部散热罩，会看到主控端口伸出三条线，将最右侧控制起落架收放电机信号的连接线拆下，替换成与遥控电子开关4相连接的信号传输线；将中间给主控散热风扇供电的连接线不动，拆下最左边散热风扇供电端口，替换成散热风扇电源线和遥控电子开关3电源线并联的连接线)。
47.本实用新型实施例提供的空气采用系统，通过将气泵1固定在无人机云台架2上，气泵1通过气管7与气囊12上的单向进气阀门10相连接，并通过气管固定器8将气管7中部固定于起落架支臂16-1上，气囊12通过气囊连接装置11与起落架底杆16-2相连接，打开气囊12上的单向进气阀门10，将无人机启动，并升空至指定实验点，旋动无人机遥控器14上的气泵启停开关15，开始集气，并根据采集气体体积关闭气泵1(本系统集气时间优选为 1分50秒)后，将无人机降落回起飞点，关闭无人机后，关闭气囊12上的单向进气阀门10，整套采样过程结束，试验后可将气囊12交予分析检测人员进行进一步实验。实验过程中需要进行详细记录，如表1内容所示，如要记录样品编号、所采集的高度、采样的起始时间和终止时间、气温、气压、相对湿度、风速等。
48.对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本实用新型。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本实用新型的精神或范围的情况下，在其他实施例中实现。因此，本实用新型将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。