專利名稱：一種空氣采樣飛行器及空氣采樣的方法
技術領域：
本發(fā)明涉及空氣采樣器，尤其涉及一種用于高空空氣采樣的空氣采樣器及采樣方法，以便檢測和測量高空中可能存在的污染物。
背景技術：
空氣采樣器在本領域是已知的，目前的常規(guī)空氣采樣方法主要是由工作人員攜帶大氣采樣儀進行現場采樣，或者是在指定地點設定采樣點，安放高科技分析儀器，直接將分析所得的數據并通過網絡發(fā)送給環(huán)保，這兩種采樣方式各有利弊，前者靈活性高，但耗費大量時間以及人力物力，后者雖然精度高，速度快，但移動不靈活，采集范圍有限，最重要的是它高昂的成本，基本都在百萬人民幣以上。而在對險要地形與惡劣環(huán)境如有毒化學氣體泄漏，或是懸崖峭壁等特殊場合所進行的空氣采樣方面，如果由采樣人員手動操作，必須親身涉險，不但有人生危險，而且心里壓力大，影響采樣工作。能否利用自動化技術對前者進行修改，使其既能自動化地采集空氣樣品，又能突破時間、地域的限制呢？更重要地，通過這種自動化的技術，既方便了采樣技術人員采集空氣，在某些特定條件下，如到地形險要或是含有大量有毒氣體的地區(qū)進行空氣采樣，還能保護采樣人員的生命安全。對其進行改裝后，是否還能實現航拍、攜帶實驗儀器進行各種實驗甚至軍事上的用途呢？根據這些問題，本申請人最先考慮的是制作一種可攜帶空氣采樣儀的固定翼式或旋翼式飛機模型，在飛行途中對空氣進行同步采樣，但很快發(fā)現這個方案也存在問題，原因主要來自于兩個方面。(1)空氣采樣對周圍的風速有著很嚴格的要求，一般風速需要低于3級，風速過快會對采樣造成影響，使采樣分析后所獲得的數據失去其精確性。因此無法懸?；虻退亠w行的固定翼式飛機模型不能滿足要求，而旋翼式飛機周圍又有著強烈的氣流，因此同樣無法用于此項目的研究。(2)目前飛機模型的飛行需要很強的電能提供支持，以常用的航空模型電池作為電源，飛行時間無法超過15分鐘，而目前太陽能電池板的轉換效率又過低，無法滿足普通飛機模型的高耗能，在沒有碳纖維等高科技材料的前提下，利用電池無法滿足此項目的要求。目前飛機模型一般采用燃燒專用煤油以獲得足夠動力，這同樣也是問題所在。燃燒煤油的同時必然產生污染物質，如硫氧化物，對于污染物質極為敏感的采樣試劑必定會與煤油燃燒產生的廢氣反應形成二次污染，這樣采樣的工作就無法進行了。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的是針對上述問題的存在，提供一種可在人員無法到達的區(qū)域進行自動化的移動式的高空空氣采樣的、結構簡單可靠、攜帶方便的、采樣數據準確的空氣采樣飛行器及空氣采樣方法。在此基礎上，本發(fā)明的進一步目的是提供一種以蓄電池為主，太陽能供電為輔的清潔能源，具備比較長的續(xù)航能力，同時在空氣采樣過程中不會對采樣空氣產生二次污染，進一步確保數據準確可靠的并擁有更好的靈活性、機動性的空氣采樣飛行器及空氣采樣方法。本發(fā)明的目的是通過以下技術方案實現的
一種空氣采樣飛行器，其特點是包括飛行主體、裝置于飛行主體上的控制裝置和采樣裝置，其中所述控制裝置包括智能控制模塊QRCU、與智能控制模塊QRCU連接的用于控制和調整飛行主體飛行方向和定位采樣位置的方向定位模塊、與智能控制模塊QRCU連接的用于驅動飛行主體運行的動力驅動模塊，其中所述的動力驅動模塊包括用于驅動飛行主體進行水平方向的角度旋轉的第一級舵機、連接于第一舵機上的用于負責垂直方向角度旋轉的第二級舵機、連接于第二級舵機上的可正轉、反轉及變速的驅動電機及裝置于驅動電機上的螺旋槳、用于控制驅動電機進行正轉、反轉及變速的驅動裝置。其中，為方便可靠地使本發(fā)明所述的空氣采樣飛行器既能準確可靠地到達待采樣的目標位置，又使其在低速飛行狀態(tài)下擁有更好的靈活性、機動性，上述方向定位模塊包括用于控制飛行主體進行自動飛行和定位模式狀態(tài)的方向定位模塊A和用于控制飛行主體進行受控飛行和定位模式狀態(tài)的方向定位模塊B及用于進行飛行模式狀態(tài)選擇的模式選擇開關，其中方向定位模塊A由GPS模塊、電子羅盤和加速度傳感器組成，其中GPS模塊通過外置天線接收衛(wèi)星信息，獲得當前的時間、經度、緯度、海拔高度等數據，并通過內置的集成塊將信息編譯成一條智能控制模塊QRCU可識別的數串，并通過接口將其發(fā)送給智能控制模塊QRCU ；電子羅盤則通過磁場鎖定一個正方向，并記錄羅盤在正方向的基礎上所轉動的角度，智能控制模塊QRCU將接受的GPS數據和電子羅盤參數與設定值相比較，從而調整兩級舵機的角度使飛行主體朝著目標方向飛行；加速度傳感器實時測定飛行主體的三軸方向的狀態(tài)參數，智能控制模塊QRCU通過狀態(tài)參數調整舵機保證飛行主體不會因為傾斜而發(fā)生事故，方向定位模塊B包括分別裝置于飛行主體和地面操控平臺的無線通信模塊；為進一步確保采樣數據的準確率，避免在空氣采樣過程中產生二次污染，上述飛行主體包括充氣飛艇及裝置于該充氣飛艇上的用于對所述空氣采樣飛行器進行供電的太陽能收集和儲能模塊，其中充氣飛艇采用小型廣告空飄飛艇，其所充氣體為氦氣，太陽能收集和儲能模塊包括裝置于充氣飛艇頂部的多塊太陽能電池板及與之相匹配的環(huán)保鎳氫蓄電池。本發(fā)明所述的利用上述采樣飛行器進行空氣采樣的方法，包括以下步驟
a、在充氣飛艇中充入氦氣，并通過增加或減少負重模塊來調節(jié)充氣飛艇的浮力，保證充氣飛艇可懸浮在空中，開啟采樣飛行器的各組成部分；
b、利用模式選擇開關，選擇飛行模式，如選擇自動飛行和定位模式狀態(tài)，則轉到步驟e， 否則，
C、開啟無線通信模塊，啟動和控制兩級舵機和驅動電機工作，
d、判斷充氣飛艇是否到達待采樣的目標位置，確認已到達待采樣的目標位置后啟動采樣裝置工作，采樣完畢后控制飛艇浮力控制閥使充氣飛艇返航到地面，完成本次采樣任務；
e、輸入待采樣的目標位置坐標，啟動和控制兩級舵機和驅動電機工作，
f、啟動GPS模塊和電子羅盤，判斷充氣飛艇是否到達待采樣的目標位置，如未到達目標位置則根據坐標誤差對應控制兩級舵機和驅動電機的工作狀態(tài)，
g、確認已到達待采樣的目標位置后啟動采樣裝置工作，采樣完畢后控制飛艇浮力控制閥使充氣飛艇返航到地面，完成本次采樣任務。
本發(fā)明由于巧妙地采用飛行主體與控制裝置及空氣采樣裝置相結合的結構，既能自動化地采集空氣樣品，又能突破時間、地域的限制，更重要地，通過這種自動化的技術，既方便了采樣技術人員采集空氣，在某些特定條件下，如到地形險要或是含有大量有毒氣體的地區(qū)進行空氣采樣，還能保護采樣人員的生命安全；而且，飛行主體可同時攜帶多組空氣采樣容器一次性對多種空氣成份進行采樣，同時，以蓄電池和太陽能供電相結合的清潔能源，既具備較長的續(xù)航能力，又不會對采樣空氣產生二次污染，進一步確保了采樣數據的準確可靠，而且獨創(chuàng)的二級舵機和螺旋槳相結合的結構，在低速飛行狀態(tài)下可擁有優(yōu)良的機動性和推動力；且本發(fā)明結構簡單可靠、攜帶方便、實用性強。下面結合附圖詳細描述本發(fā)明的實現。


圖1是本發(fā)明所述空氣采樣飛行器的結構示意圖。圖2是本發(fā)明所述空氣采樣飛行器的組成方框示意圖。圖3是本發(fā)明所述空氣采樣飛行器的動力驅動模塊的立體結構示意圖。圖4是本發(fā)明所述空氣采樣飛行器的動力驅動模塊的平面結構示意圖。圖5是本發(fā)明所述空氣采樣飛行器的空氣采樣管的結構示意圖。圖6是本發(fā)明所述的空氣采樣方法的流程圖。
具體實施例方式如圖1至圖5所示，本發(fā)明所述的空氣采樣飛行器，包括飛行主體1、裝置于飛行主體1上的控制裝置和采樣裝置，其中所述控制裝置包括智能控制模塊QRCU、與智能控制模塊QRCU連接的用于控制和調整飛行主體1飛行方向和定位采樣位置的方向定位模塊、與智能控制模塊QRCU連接的用于驅動飛行主體1運行的動力驅動模塊，本實施例所述的空氣采樣飛行器由智能控制模塊QRCU來協調控制并完成各項工作，該智能控制模塊QRCU是一塊小型AT91型單片機，擁有強大的功能，具有采集、分析、運算和發(fā)送數據等多種功能，其具有速度快，精度高，穩(wěn)定性好等特點，一般采用AT91SAM9260、LM359B96、A07026、LPC2466。 其中所述的動力驅動模塊包括用于驅動飛行主體1進行水平方向的角度旋轉的第一級舵機21、連接于第一舵機21上的用于負責垂直方向角度旋轉的第二級舵機22、連接于第二級舵機22上的可正轉、反轉及變速的驅動電機231及裝置于驅動電機231上的螺旋槳232、用于控制驅動電機231進行正轉、反轉及變速的驅動裝置23。本實施例中第一級舵機21通過一架體212固定于飛行主體1下方，第二級舵機22通過一架體222固定于第一級舵機21 的輸出軸上，兩級舵機可采用MG-995、MD993或ES08、MD，驅動電機采用有刷電機，該有刷電機通過架體233裝置于第二級舵機22的輸出軸上，通過兩級舵機和有刷電機的結合可簡單方便而又靈活地驅動飛行主體1朝三維的任一角度飛行；其中①、當需要控制飛艇垂直向上(或向下)飛行時，第一級舵機21處于0°，第二級舵機22處于90° (或-90° );②、當需要控制飛艇水平前進(或后退)飛行時，第一級舵機21處于0°，第二級舵機22處于0° (或180° );③、當需要控制飛艇往左上方(或右下方)斜飛行時，第一級舵機21處于90° 180° (或0° -90° )，第二級舵機22處于90° (或-90° )；④、當需要控制飛艇水往右上方(或左下方)斜飛行時，第一級舵機21處于0° 90° (或-180° -90° )，第二級舵機22處于0° (或180° )。其中，為方便可靠地使本發(fā)明所述的空氣采樣飛行器既能準確可靠地到達待采樣的目標位置，又使其在低速下擁有更好的靈活性、機動性，上述方向定位模塊包括用于控制飛行主體1進行自動飛行和定位模式狀態(tài)的方向定位模塊A和用于控制飛行主體1進行受控飛行和定位模式狀態(tài)的方向定位模塊B及用于進行飛行模式狀態(tài)選擇的模式選擇開關， 其中方向定位模塊A由GPS模塊、電子羅盤和加速度傳感器組成，其中GPS模塊通過外置天線接收衛(wèi)星信息，獲得當前的時間、經度、緯度、海拔高度等數據，并通過內置的集成塊將信息編譯成一條智能控制模塊QRCU可識別的數串，該數串一般為52字節(jié)的數串，并通過接口將其發(fā)送給智能控制模塊QRCU ；電子羅盤則通過磁場鎖定一個正方向，并記錄羅盤在正方向的基礎上所轉動的角度，智能控制模塊QRCU將接受的GPS數據和電子羅盤參數與設定值相比較，從而調整兩級舵機21、22的角度使飛行主體1朝著目標方向飛行；加速度傳感器實時測定飛行主體1的三軸方向的狀態(tài)參數，智能控制模塊QRCU通過狀態(tài)參數調整舵機21、 22保證飛行主體1不會因為傾斜而發(fā)生事故，本實施例中，GPS模塊可采用HOLUX GR-83、 GARMIN G15L 或 GSTARGS-87，電子羅盤可采用 HQ6231、CMPS05_12C 或 S D S-102，加速度傳感器可采用MMA7455、MMA7260或ADXL345，方向定位模塊B包括分別裝置于飛行主體1和地面操控平臺的無線通信模塊，無線通信模塊可采用現有的GSM模塊、CDMA模塊、WiFi模塊或ZipBee模塊等通信模塊。為進一步確保采樣數據的準確率，避免在空氣采樣過程中產生二次污染，上述飛行主體1包括充氣飛艇及裝置于該充氣飛艇上的用于對所述空氣采樣飛行器進行供電的太陽能收集和儲能模塊，其中充氣飛艇采用小型廣告空飄飛艇，其所充氣體為氦氣，太陽能收集和儲能模塊包括裝置于充氣飛艇頂部的多塊太陽能電池板及與之相匹配的環(huán)保鎳氫蓄電池。本實施例中，共采用20塊太陽能電池板，其中單塊太陽能電池板有效采光面積為300平方厘米，能提供9V電壓、150mA的電流，提供的總電流可達3A，太陽能轉換率約為10%。收集到的太陽能通過導線直接存入與之匹配的環(huán)保鎳氫蓄電池，其容量為2000mAh，額定電流為IOA0通過這種太陽能供電的方式，不僅清潔環(huán)保，而且使飛艇的巡航能力大大提升，理論上只要有足夠的光照，飛艇就能一直飛下去。上述飛行主體1上裝置有用于調節(jié)充氣飛艇浮力的飛艇浮力控制閥。上述采樣裝置包括與智能控制模塊QRCU連接的采樣控制電路、及至少一組依序連接的抽氣泵、流量計和空氣采樣管31，其中抽氣泵由 9V太陽能電池板或蓄電池供電，抽氣泵的進氣口與空氣采樣管31的一個出口相連，空氣采樣管31當中裝有試劑，類似U形管，一半直徑較細，一半直徑較粗，抽氣泵降低了與之相連的一半空氣采樣管31內的氣壓，使空氣進入空氣采樣管31與其中的試劑反應。試劑瓶一共分為兩組，其中一組攜帶氮氧化物反應試劑，為棕色透明空氣采樣管31，防止反應后所產生的化學成分見光分解；另一組攜帶硫氧化物的反應試劑，為無色透明空氣采樣管31，兩組空氣采樣管31分別采集對應的空氣污染物，而流量計則介于抽氣泵與空氣采樣管31之間，能通過旋鈕來調節(jié)空氣流量，控制采樣速率并使其相對平穩(wěn)，三者通過橡膠導管實現連接，擁有較強的氣密性。如圖6所示，本發(fā)明所述利用上述空氣采樣飛行器進行空氣采樣的方法，包括以下步驟
a、在充氣飛艇中充入氦氣，并通過增加或減少負重模塊來調節(jié)充氣飛艇的浮力，保證充氣飛艇可懸浮在空中，開啟采樣飛行器的各組成部分；b、利用模式選擇開關，選擇飛行模式，如選擇自動飛行和定位模式狀態(tài)，則轉到步驟e， 否則，
C、開啟無線通信模塊，啟動和控制兩級舵機和驅動電機231工作，
d、判斷充氣飛艇是否到達待采樣的目標位置，確認已到達待采樣的目標位置后啟動采樣裝置工作，采樣完畢后控制飛艇浮力控制閥使充氣飛艇返航到地面，完成本次采樣任務；
e、輸入待采樣的目標位置坐標，啟動和控制兩級舵機和驅動電機231工作，
f、啟動GPS模塊和電子羅盤，判斷充氣飛艇是否到達待采樣的目標位置，如未到達目標位置則根據坐標誤差對應控制兩級舵機和驅動電機231的工作狀態(tài)，此時①、當需要控制飛艇垂直向上(或向下)飛行時，第一級舵機21處于0°，第二級舵機22處于90° (或-90° );②、當需要控制飛艇水平前進(或后退)飛行時，第一級舵機21處于0°，第二級舵機22處于0° (或180° );③、當需要控制飛艇往左上方(或右下方)斜飛行時，第一級舵機 21處于90° 180° (或0° -90° )，第二級舵機22處于90° (或-90° );④、當需要控制飛艇水往右上方(或左下方)斜飛行時，第一級舵機21處于0° 90° (或-180° -90° )， 第二級舵機22處于0° (或180° )；
g、確認已到達待采樣的目標位置后啟動采樣裝置工作，采樣完畢后控制飛艇浮力控制閥使充氣飛艇返航到地面，完成本次采樣任務。 盡管本發(fā)明是參照具體實施例來描述，但這種描述并不意味著對本發(fā)明構成限制。參照本發(fā)明的描述，所公開的實施例的其他變化，對于本領域技術人員都是可以預料的，這種的變化應屬于所屬權利要求所限定的范圍內。
權利要求
1.一種空氣采樣飛行器，其特征在于包括飛行主體、裝置于飛行主體上的控制裝置和采樣裝置，其中所述控制裝置包括智能控制模塊QRCU、與智能控制模塊QRCU連接的用于控制和調整飛行主體飛行方向和定位采樣位置的方向定位模塊、與智能控制模塊QRCU連接的用于驅動飛行主體運行的動力驅動模塊，其中所述的動力驅動模塊包括用于驅動飛行主體進行水平方向的角度旋轉的第一級舵機、連接于第一舵機上的用于負責垂直方向角度旋轉的第二級舵機、連接于第二級舵機上的可正轉、反轉及變速的驅動電機及裝置于驅動電機上的螺旋槳、用于控制驅動電機進行正轉、反轉及變速的驅動裝置。
2.根據權利要求1所述的空氣采樣飛行器，其特征在于上述方向定位模塊包括用于控制飛行主體進行自動飛行和定位模式狀態(tài)的方向定位模塊A和用于控制飛行主體進行受控飛行和定位模式狀態(tài)的方向定位模塊B及用于進行飛行模式狀態(tài)選擇的模式選擇開關， 其中方向定位模塊A由GPS模塊、電子羅盤和加速度傳感器組成，其中GPS模塊通過外置天線接收衛(wèi)星信息，獲得當前的時間、經度、緯度、海拔高度等數據，并通過內置的集成塊將信息編譯成一條智能控制模塊QRCU可識別的數串，并通過接口將其發(fā)送給智能控制模塊 QRCU ；電子羅盤則通過磁場鎖定一個正方向，并記錄羅盤在正方向的基礎上所轉動的角度， 智能控制模塊QRCU將接受的GPS數據和電子羅盤參數與設定值相比較，從而調整兩級舵機的角度使飛行主體朝著目標方向飛行；加速度傳感器實時測定飛行主體的三軸方向的狀態(tài)參數，智能控制模塊QRCU通過狀態(tài)參數調整舵機保證飛行主體不會因為傾斜而發(fā)生事故， 方向定位模塊B包括分別裝置于飛行主體和地面操控平臺的無線通信模塊。
3.根據權利要求1所述的空氣采樣飛行器，其特征在于上述采樣裝置包括與智能控制模塊QRCU連接的采樣控制電路、及至少一組依序連接的抽氣泵、流量計和空氣采樣管。
4.根據權利要求1所述的空氣采樣飛行器，其特征在于上述飛行主體包括充氣飛艇及裝置于該充氣飛艇上的用于對所述空氣采樣飛行器進行供電的太陽能收集和儲能模塊，其中充氣飛艇采用小型廣告空飄飛艇，其所充氣體為氦氣，太陽能收集和儲能模塊包括裝置于充氣飛艇頂部的多塊太陽能電池板及與之相匹配的環(huán)保鎳氫蓄電池。
5.根據權利要求4所述的空氣采樣飛行器，其特征在于上述飛行主體上裝置有用于調節(jié)充氣飛艇浮力的飛艇浮力控制閥。
6.一種根據上述任意權項要求所述空氣采樣飛行器進行空氣采樣的方法，其特征在于包括以下步驟a、在充氣飛艇中充入氦氣，并通過增加或減少負重模塊來調節(jié)充氣飛艇的浮力，保證充氣飛艇可懸浮在空中，開啟采樣飛行器的各組成部分；b、利用模式選擇開關，選擇飛行模式，如選擇自動飛行和定位模式狀態(tài)，則轉到步驟e， 否則，C、開啟無線通信模塊，啟動和控制兩級舵機和驅動電機工作，d、判斷充氣飛艇是否到達待采樣的目標位置，確認已到達待采樣的目標位置后啟動采樣裝置工作，采樣完畢后控制飛艇浮力控制閥使充氣飛艇返航到地面，完成本次采樣任務；e、輸入待采樣的目標位置坐標，啟動兩級舵機和驅動電機工作，f、啟動GPS模塊和電子羅盤，判斷充氣飛艇是否到達待采樣的目標位置，如未到達目標位置則根據坐標誤差對應控制兩級舵機和驅動電機的工作狀態(tài)，g、確認已到達待采樣的目標位置后啟動采樣裝置工作，采樣完畢后控制飛艇浮力控制閥使充氣飛艇返航到地面，完成本次采樣任務。
全文摘要
本發(fā)明提供一種空氣采樣飛行器，包括飛行主體、裝置于飛行主體上的控制裝置和采樣裝置，其中控制裝置包括智能控制模塊、與智能控制模塊連接的用于控制和調整飛行主體飛行方向和定位采樣位置的方向定位模塊、與智能控制模塊連接的用于驅動飛行主體運行的動力驅動模塊，其中的動力驅動模塊包括第一級舵機、第二級舵機、驅動電機及螺旋槳、驅動裝置。由于巧妙地采用飛行主體與控制裝置及空氣采樣裝置相結合的結構，既能自動化地采集空氣樣品，又能突破時間、地域的限制，更重要地，通過這種自動化的技術，既方便了采樣技術人員采集空氣，在某些特定條件下，如到地形險要或是含有大量有毒氣體的地區(qū)進行空氣采樣，還能保護采樣人員的生命安全。
文檔編號G01N1/22GK102249002SQ201110078020
公開日2011年11月23日 申請日期2011年3月30日 優(yōu)先權日2011年3月30日
發(fā)明者楊當立 申請人:楊當立