一种空气自动采集系统及其无人机定位方法
专利汇可以提供一种空气自动采集系统及其无人机定位方法专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本 发明 公开了一种空气自动采集系统及其无人机 定位 方法，其空气自动采集系统包括充电模 块 、无人机、 采样 模块，充电模块用于对无人机进行无线充电，采样模块用于采集空气样本；充电模块包括块包括充电底座、 电机 箱、充电箱，充电底座上固定有 支撑 筒，支撑筒内部安装有旋转盘，且支撑筒上还安装有与旋转盘同心的定位灯带，定位灯带内置有 光源 ，光源通电发光；旋转盘、支撑筒表面还安装有定位条；支撑筒顶面上、支撑筒圆周方向上还均匀安装有至少三个 信号 天线；无人机包括 机体 ，机体上分别安装有多个旋翼板，旋翼板上还设置有定位图像；安装座上还安装有三轴 云 台，三轴云台上安装有摄像机及灰度摄像头；机体上还 涂装 有数条定位涂条。，下面是一种空气自动采集系统及其无人机定位方法专利的具体信息内容。
1.一种空气自动采集系统，其特征在于，包括充电模块、无人机、采样模块，所述充电模块用于对无人机进行无线充电，所述采样模块用于采集空气样本；
充电模块包括块包括充电底座、电机箱、充电箱，充电底座上固定有支撑筒，所述支撑筒内部安装有旋转盘，且支撑筒上还安装有与旋转盘同心的定位灯带，定位灯带内置有光源，光源通电发光；
所述旋转盘、支撑筒表面还安装有定位条；所述支撑筒顶面上、支撑筒圆周方向上还均匀安装有至少三个信号天线；信号天线分别与LORA信号发射器的信号输出端通讯连接；
所述无人机包括机体，机体上分别安装有多个旋翼板，旋翼板上还设置有定位图像；
所述安装座上还安装有三轴云台，所述三轴云台上安装有摄像机及灰度摄像头，所述摄像机用于采集彩色图像；机体上还涂装有数条定位涂条。
2.如权利要求1所述的空气自动采集系统，其特征在于，所述充电底座顶部通过充电底板封闭，且充电底板上安装有支撑筒，所述支撑筒内部中空；
电机箱内安装有伸缩电机，伸缩电机的伸缩输出轴上固定有第二斜齿轮，第二斜齿轮与第一斜齿轮啮合传动，第一斜齿轮固定在驱动螺杆一端，驱动螺杆另一端装入螺套内且与之通过螺纹旋合装配，螺套固定在充电箱上；
所述电机箱内安装有推杆电机，推杆电机的伸缩轴穿过充电箱后与充电固定板装配固定，充电固定板固定在充电端板上，且充电端板与导向杆一端装配固定，导向杆另一端装入电机箱内且与之可轴向滑动装配；所述充电端板内置有无线充电的发射器。
3.如权利要求2所述的空气自动采集系统，其特征在于，电机箱还与导向轴一端装配固定，导向轴另一端穿过导向孔且与之可轴向滑动装配，导向孔设置在导向块上，导向块固定在充电箱上；
所述充电底座内部安装有扭转电机，扭转电机的扭转输出轴与第三齿轮装配固定；所述第三齿轮与第二齿轮啮合传动，第二齿轮与第一齿轮啮合传动，第二齿轮安装在中间轴上，中间轴与充电底座可圆周转动装配；
第一齿轮固定在扭转轴上，扭转轴一端与第一编码器的输入轴通过联轴器连接、另一端穿出充电底座后与电机箱装配固定。
4.如权利要求3所述的空气自动采集系统，其特征在于，充电端板上还安装有摄像头，摄像头用于获取位于其下方的图像；另外充电端板上还设置有接触安装孔，所述接触安装孔内安装有接触组件；
接触组件包括接触微动开关、接触杆，所述接触杆两端分别安装有第一触发环、第二触发环，所述第一触发环与接触微动开关的触发端正对；所述接触杆安装有第二触发环一端装入接触安装孔，且接触杆可轴向滑动安装；所述接触杆位于第二触发环与接触安装孔内端面之间的部分上套装有接触压簧；初始状态时，第二触发环底面伸出充电端板底面，接触微动开关被触发后向安装在充电底座内的PLC发出信号，PLC判断为充电端板与充电平板接触压紧。
5.如权利要求1所述的空气自动采集系统，其特征在于，所述旋转盘内侧还同心安装有六面轴，所述六面轴装入六面孔内且与之可轴向滑动装配，六面孔设置在第一旋转输出轴一端，第一旋转输出轴另一端穿过防水隔板后与双轴电机装配，双轴电机上还安装有第二旋转输出轴；所述第二旋转输出轴与第二编码器的输入轴通过联轴器连接；
所述第一旋转输出轴位于旋转盘与防水隔板之间的部分上套装有转盘压簧，转盘压簧用于产生阻碍旋转盘下移的弹力，且所述防水隔板与旋转盘对应处还安装有至少三个转盘微动开关，多个转盘微动开关均匀分布在旋转盘圆周方向上且其触发端分别正对旋转盘。
6.如权利要求1所述的空气自动采集系统，其特征在于，所述无人机内安装有：
CPU，用于收发、解析控制指令，并进行参数计算；
存储器，用于存储数据；
5G模块，用于与外部设备无线通讯；
定位标签，用于辅助定位；
气泵，用于通过吸气管将外部大气抽送至增压泵；
气压计，用于通过气压换算飞行高度；
定位芯片，用于进行定位；
数模转换器，用于将模拟信号与数字信号互转；
电池，用于为所有机载用电设备供电；
增压泵，用于将气流加压收输送至总气管，以存储至储气盒内；
所述存储器、5G模块、定位标签、气压计、定位芯片、数模转换器的信号端分别与CPU的信号端通讯连接，所述数模转换器的模拟信号端分别与增压泵、气泵的控制端通讯连接。
7.如权利要求1所述的空气自动采集系统，其特征在于，所述采样模块包括储气架、分气板、支气管以及安装在支气管上的换向阀组，所述储气架上分别固定有固定卡板、下支板、数个储气盒；每个储气盒对应一个换向阀组，且每个支气管上安装有数个换向阀组，支气管一端与远离分气板的下支板装配固定、另一端穿过靠近分气板的下支板后与换向槽连通；每个储气盒上还分别安装有储气盒排气咀；分气板固定在储气架上，且所述换向槽设置在分气板内；
所述分气板内部还设置有总气道、排气滑槽、切换安装槽、贯穿导向槽；每个换向槽对应一根支气管，且换向槽与总气道连通，总气道一端封闭、另一端与总气管一端连通，总气管另一端与增压泵的出口连通，增压泵的进口与气泵的出口连通，气泵的进口与吸气管一端连通，吸气管另一端与大气连通；
所述排气滑槽设置在两个换向槽之间且与总气道连通，所述换向槽内安装有换向阀块，换向阀块上分别设置有换向缺槽、连通气孔；所述换向阀块顶部与阀杆一端装配固定，阀杆另一端装入切换安装槽内且此端上固定有保持滑板，所述阀杆可轴向滑动且阀杆位于保持滑板与切换安装槽内侧底面之间的部分上套装有阀杆压簧；
初始状态时，换向阀块位于换向槽最顶部，且支气管通过换向缺槽与总气道连通，但换向阀块上的连通气孔将装入换向槽顶部从而两端被换向槽内壁密封，而总气道至下一换向槽的总气道被换向阀块断开，从而将总气道分割为数段分别与与之对应的支气管连通的部分；保持滑板通过连接滑板与限位板连接固定，连接滑板与贯穿导向槽卡合、可滑动装配；
所述限位板上设置有限位导向槽，所述限位导向槽由斜上槽部分、顶端弧槽部分、斜下槽部分构成，且顶端弧槽部分分别将斜上槽部分、斜下槽部分连通，斜上槽部分、斜下槽部分由于顶端弧槽部分连通处开始分别向下倾斜设置，且斜上槽部分的最低端低于斜下槽部分的最低端；初始状态时，斜上槽部分的最低端与第二限位销卡合、可滑动装配；所述第二限位销固定在限位连接板一端，限位连接板另一端通过第一限位销与分气板铰接。
8.一种基于权利要求1-7任一项所述空气自动采集系统的无人机定位方法，其特征在于，包括如下步骤：
S110、无人机为起飞状态，首先根据定位芯片检测的定位信号以及预设的返回航线返回充电模块上方，并通过摄像机采集定位灯带的图像，并解析图像后判断是否位于定位灯带上方；调整灰度摄像头、摄像机的图像采集端为竖直状态；
S120、然后灰度摄像头启动，采集包含定位条的图像，并调整机体，使得灰度摄像头与某一条定位条正对；同时，识别摄像机采集的灯带图像，通过采集图像的角度判断机体是否位于灯带以内，如果位于灯带外，则调整机体，使其位于灯带内；
S130、无人机开始垂直下降，且打开定位标签，同时LORA信号发射器分别向每个信号天线发送不同频率信号，使得机体上的定位标签逐个接收此信号；每一路信号天线发射的脉冲信号中均包含发送时间；定位标签能接收到信号时无人机悬停；
S140、无人机将接收到各路信号天线发出的脉冲信号分别加上接收时间标签，然后传输至CPU，CPU通过光速乘以信号传输时间换算出各路信号天线距离定位标签的距离，从而获得定位标签的定位点及定位标签与各路信号天线的连线与水平面夹角；并将定位点与旋转盘做垂线，然后判断此垂线是否与预先设置的降落线在误差范围内重合，如果没有，则调整机体位置，直到定位标签位于预设的降落线上；
S150、无人机开始垂直下降，直到停在旋转盘上，此时旋转盘克服旋转压簧弹力下移，从而触发转盘微动开关； PLC判断有几个转盘微动开关输出信号，至少三个转盘微动开关输出信号才判断为无人机已经停好；如果判断为无人机没有停好，则控制无人机起飞，进行再次定位。
9.如权利要求8所述的无人机定位方法，其特征在于，还包括如下步骤：
S160、充电箱初始状态是不位于旋转盘上方，在无人机降落在旋转盘上后，扭转电机启动，驱动扭转轴转动以带动充电箱转动至旋转盘上方；
S170、摄像头采集设置在机体上的定位涂条图像，并根据采集到的所有定位涂条图像判断摄像头是否位于预设位置上，以各个定位涂条在图像中的位置、状态推断摄像头位置；
S180、摄像头采集定位图像的电子图片，并输送至PLC进行识别，如果没有采集到定位图像，则控制双轴电机转动一圈，并不断获取电子图像，一旦发现定位图像后，开始计算定位图像的倾斜角度，倾斜角度为定位图像和摄像头的连线与旋转盘产生的夹角；
如果倾斜角度在旋转盘圆周方向上发生偏转，则控制双轴电机反转这一角度，从而使得定位图像位于预设位置范围内；如果倾斜角度在导向轴轴向上偏转，则控制伸缩电机启动，调节摄像头在导向轴轴向上位置以进行定位；
如果判断还是没有获得定位图像，则控制伸缩电机启动，驱动充电箱在导向轴轴向上反复缓慢移动以获取图像，如果发现了定位图像，则停止伸缩电机，开始进行图像定位；如果还是没发现定位图像，则判断为定位失败，此时重新起飞无人机进行定位或通过操作者远程操作无人机定位；
S190、将充电箱与无人机定位后，充电端板与充电平板正对，然后启动推杆电机将充电端板下移，直到接触微动开关向PLC反馈信号，然后停止推杆电机，判断为充电端板与充电平板贴紧；
触微动开关有多个，至少三个接触微动开关向PLC反馈信号才判断为充电端板与充电平板完全贴合，然后PLC启动无线充电发射器进行无线充电；否则判断为定位失败，重新定位。
10.如权利要求9所述的无人机定位方法，其特征在于，S180中，前期调校时，在摄像头位于预设位置处采集一张标准图作为基准，后期采集的图纸只需要与基准进行比对定位。
一种空气自动采集系统及其无人机定位方法
技术领域
背景技术
析，以获得空气监测数据，从而辅助政府进行监管、调整。
这种方式能够获得不同高度的空气样品，另外对人力参与的要求度相对偏低，能够大大降
低人工成本，是目前常用的采样方式。
连续监测的方式势必造成高昂的人力投入，不符合目前的基本国情。
发明内容
位灯带上方；调整灰度摄像头、摄像机的图像采集端为竖直状态；
从而获得定位标签的定位点及定位标签与各路信号天线的连线与水平面夹角；并将定位点
与旋转盘做垂线，然后判断此垂线是否与预先设置的降落线在误差范围内重合，如果没有，则调整机体位置，直到定位标签位于预设的降落线上；
位置；
机启动，调节摄像头在导向轴轴向上位置以进行定位；
位；如果还是没发现定位图像，则判断为定位失败，此时重新起飞无人机进行定位或通过操作者远程操作无人机定位；
断，采用其他支气管继续使用，从而提高本发明的抗故障性、容错性。
具体实施方式
533与第二齿轮532啮合传动，第二齿轮532与第一齿轮 531啮合传动，第二齿轮532安装在
中间轴260上，中间轴260与充电底座110 可圆周转动装配；
210 转动角度。
时，推杆电机330可以驱动器伸缩轴331 轴向移动从而驱动充电端板310同步移动，而导向
杆的作用就是防止充电端板 310发生滑动且保证其移动方向在导向杆轴向上。
320，摄像头320用于获取位于其下方的图像；另外充电端板 310上还设置有接触安装孔
311，所述接触安装孔311内安装有接触组件；
装入接触安装孔311，且接触杆370可轴向滑动安装；所述接触杆370位于第二触发环362与
接触安装孔311内端面之间的部分上套装有接触压簧380。所述接触压簧380用于对第二触
发环362施力，使得初始状态时，第二触发环362底面伸出充电端板310底面，这种设计使得充电端板310向无人机A的充电平板A112压紧时，第二触发环362首先被充电平板A112推动
以克服接触压簧380弹力向接触微动开关350移动，直到第二触发环362完全缩进接触安装
孔311内，此时第一触发环361触发接触微动开关350，接触微动开关350向安装在充电底座
110内的PLC发出信号，PLC判断为充电端板310与充电平板A112接触压紧，可以进行充电。
另一端穿过防水隔板460后与双轴电机560(或空心轴电机) 装配，双轴电机560上还安装有
第二旋转输出轴562，本实施例中，第一旋转输出轴561、第二旋转输出轴562同步转动，且可以是同一轴体；所述第二旋转输出轴562与第二编码器570的输入轴通过联轴器连接，从而
使得第二编码器可以检测第二旋转输出轴562的转动角度。
440对应处还安装有至少三个转盘微动开关580，多个转盘微动开关580均匀分布在旋转盘
440圆周方向上且其触发端分别正对旋转盘 440。当无人机停在旋转盘440上时，旋转盘440重力增加，从而克服转盘压簧 450弹力下移，直到旋转盘440按压转盘微动开关580的触发
端，使得转盘微动开关580向PLC输入信号，以使PLC判断无人机已经停在旋转盘440上。
例中，定位图像可以是二维码。使用时，通过摄像头获取定位图像，然后识别定位图像，并根据定位图像与摄像头的倾斜角判断无人机与旋转盘是否发生倾斜。
三个自由度，从而调节摄像机A330及灰度摄像头的角度、位置。本实施例中的三轴云台A320直接采购现有的三轴翻转云台即可。
用于接收无线充电发射器发送来的无线充电信号，并将此信号转换为电能后输入无人机的
电池内存储。
判断是否位于定位灯带上方；
收器的距离，从而对LORA信号接收器进行定位，并将定位点与旋转盘做垂线，然后判断此垂线是否与预先设置的降落线在误差范围内重合，如果没有，则调整机体位置，直到LORA信号接收器位于预设的降落线上；
以调整姿态、位置。
的位置、状态推断摄像头320位置。本实施例直接在摄像头320位于预设位置时采集一张标
准图作为基准，后期采集的图纸只需要与基准进行比对即可，这种方式是为了定位摄像头
与无人机位置，便于下一步定位；
位；如果还是没发现定位图像，则判断为定位失败，此时重新起飞无人机进行定位或通过操作者远程操作无人机定位。
自动化，能够降低人工参与度。工作人员只需要在储气盒全部使用完后取下储气架抽取采
样的气体即可，十分方便，而且可以实现24小时随时采样。
定，滑块环A550与锁块A560一端装配固定，锁块A560 上设置有锁块斜面A561，且锁块A560装入锁槽B211内，锁槽B211设置在固定卡板B210上；
所述卡锁压簧A530用于对滑块环A550产生向锁槽B211移动的弹力，从而保持锁块A560始终
装入锁槽B211内；
关滑槽A442侧面。
向开关板A450的位移，驱动杆A520带动锁筒A540、滑块环A550、锁块A560锁紧卡锁安装槽
A431内，使得锁块A560与锁槽B211 分离，即可取下采样模块，然后将开关板恢复初始状态。
A420推动，使得固定卡板B210与锁块斜面A561配合从将锁块克服卡锁弹簧A530的弹力挤压
进卡锁安装槽A431内，直到锁槽B211与所苦熬A560正对，此时锁块A560在卡锁弹簧A530作
用下将锁块A560推入锁槽B211 内，使得锁块对锁槽B211上锁即可。整个过程无需再次操作开关板，十分方便快捷。
穿过靠近分气板B100的下支板B230后与换向槽B101连通；每个储气盒B220上还分别安装有
储气盒排气咀B221，使用时，通过储气盒排气咀B221将储气盒内采样的空气抽出，所述储气盒排气咀B221可以参考或直接采用现有汽车轮胎的气门嘴；
每个换向槽B101对应一根支气管，且换向槽B101与总气道B102连通，总气道102一端封闭、另一端与总气管B111一端连通，总气管B111另一端与增压泵的出口连通，增压泵的进口与
气泵的出口连通，气泵的进口与吸气管B112一端连通，吸气管B112另一端与大气连通；
初始状态时，换向阀块B460位于换向槽B101最顶部，且支气管通过换向缺槽B461与总气道
B102连通，但换向阀块B460上的连通气孔B462将装入换向槽B101顶部从而两端被换向槽
B101内壁密封，而总气道至下一换向槽B101的总气道被换向阀块B460断开，从而将总气道
分割为数段分别与与之对应的支气管B240连通的部分。
板B541与切换安装槽B104内侧底面之间的部分上套装有阀杆压簧B550，阀杆压簧B550用于
对保持滑板B541产生远离切换阀块B460 的弹力，从而使得切换阀块B460在初始状态时始
终位于换向槽B101顶部。
合、可滑动装配；
的最低端。初始状态时，斜上槽部分B5211的最低端与第二限位销B532卡合、可滑动装配；所述第二限位销B532固定在限位连接板B510一端，限位连接板B510另一端通过第一限位销
B531与分气板B100铰接。
穿出分气板B100后与切换电机B410的，从而使得切换电机B410能够驱动切换螺杆B411圆周
方向上正反转；所述切换驱动块B610与切换安装槽B104卡合且可在切换螺杆轴向方向上滑
动装配。
在切换驱动块B610顶部两侧，且由下至上倾斜设置。
微动开关B430；所述顶封板B120将切换安装槽B104顶部封闭，所述支撑壳B110固定在分气
板B100上；
B630用于对测位杆B620施加向切换驱动块B610的弹力。
滑板B541、换向阀块B460同步下移，直到换向缺槽B461全部进入换向槽B101内、连通气孔
B462将两侧的总气道B102 连通。此时换向阀块B460将与之对应的支气管B240和总气管
B102之间密封隔断，而总气管B102与下一换向阀块B460的换向缺槽B461连通。
B5213顶部。在切换驱动块B610与滚珠脱离后，由于阀杆弹簧B550对阀杆B540的作用，阀杆上移，从而带动限位板上移，此时第二限位销B532沿着斜下槽部分B5213滑动直到达到斜下槽部分B5213最底部，从而实现对限位板B520的固定、限位，此时，换向阀块B460将换向缺槽B461与总气道B102密封隔断、连通气孔B462将两侧的总气道B102连通，阀杆弹簧B550 存储弹力。
下槽部分B5213上移至顶端弧槽部分B5212、斜上槽部分 B5211顶部。切换驱动块B610与滚
珠脱离后，阀杆在阀杆弹簧作用下上移，从而带动限位板B520、换向阀块B460同步上移，使得第二限位销B532沿着斜上槽部分B5211恢复至初始状态即可。
度。测位微动开关的设计可以检测切换驱动块B610的位置，从而使得切换驱动块B610完成
相应工作后还通过测位微动开关向CPU发送信号以使CPU知晓切换驱动块B610位置。
排气滑槽B103内侧顶部贴紧。弧形弹簧片具有弹性，且其另一端为开放端。
气道B102连通，泄压排气咀B420另一端穿出分气板B100。泄压排气咀B420可以参考或直接
采用现有汽车轮胎的气门嘴；
内，使得排气气囊B480进气膨胀，以推动排气阀板B440克服弧形弹簧片B450的弹力上移，直到连通气槽B441将两侧的总气道B102连通即可；这种设计使得上一次采样的后残留的空气
几乎全部被推送至排气气囊 B480内，从而避免对上一次采样的空气影响本次采样。而需要将排气阀板B440 复位时，直接打开泄压排气咀B420，使得排气气囊B480内的气流通过泄压排气咀B420排出，再加上弧形弹簧片的弹力使得排气气囊B480、排气阀板B440复位。
定，所述密封杆B810位于第二气道B422 内的部分上设置有弹簧环B820，所述密封杆B810位于弹簧环B820与第二气道B422靠近拉钮B830一端的内端面之间的部分上套装有排气压簧
B840，排气压簧B840用于对密封杆B810产生向第一气道B421移动的推力，所述第二气道
B422 侧壁上设置有贯穿的排气通孔B423，排气通孔B423用于将第二气道B422内部气流排
出。
流排出。当然也可以通过手拉拉钮将密封杆B810拉动，从而使得第一气道B421与排气通孔
B423连通，从而将排气气囊B480内的气体排出。
B260的触发端正对。在储气囊B270完全膨胀后会驱动弹性部分B252克服自身弹力向储气微
动开关B260转动，直到触发储气微动开关B260，此时判断为储气囊B270存储的样品达到最
大值，然后停止气泵、增压泵，以停止采样。
B351，导向阀杆B351装入导向阀筒B330的内阀筒B331内且与之可滑动装配；所述导向阀筒
B330与导向阀杆B351外套装有阻力压簧B340，阻力压簧B340用于对活塞产生向限位筒B360
的弹力；
端穿出阀体后与开关阀B700的排气管头B772连通；开关气嘴B380可以直接采用现有轮胎的
打气嘴。
气；
B321连通处靠近活塞B350端面，所述阻力弹簧B340向活塞施加与开关气囊B370压紧的推
力。
的部分与开关阀塞B720密封、可轴向滑动装配，所述开关阀塞B720内部设置有阀塞导气孔
B721，阀塞导气孔贯穿开关阀塞B720；
B760用于限制开关阀塞B720向驱动进气管B771移动的最大位移；
面用于限制开关阀塞B720向其移动的最大位移。在第二限位筒B730端面与开关阀塞B720的
端面贴紧时，阀塞导气孔B721将开关进气管B773与排气管头B772连通，从而使得开关进气
管B773内的气流能够进入排气管头B772，从而进入开关气囊B370内。
这个气压能够推动开关阀塞B720克服保压弹簧B740下移至最大位置，使得开关进气管B773
的内气流通过阀塞导气孔 B721进入开关气囊B370内，开关气囊B370逐渐膨胀，从而驱动活塞向排气管头B325移动，直到活塞将排气管头B325与阀腔连通处密封，此时气流完全进入
开关气囊内，而储气囊膨胀至最大，储气微动开关被触发输出信号。然后气泵、增压泵停止运行。
推入开关气囊B370 内，从而防止影响采样质量。
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