一种基于无人机的采煤沉陷积水区调查及采样装置和方法与流程

1.本发明涉及环境监测技术领域，具体为一种基于无人机的采煤沉陷积水区调查及采样装置和方法。


背景技术：

2.煤矿沉陷区是地下煤炭被采出后，将在原位形成采空区，随着采空区面积增大，上覆岩层将会发生移动与变形，当采空区面积达到一定程度后，上覆岩层的变形和破坏将会影响到地表，引起地面沉陷，地下水会不断的漫入地面，或随着时间的推移，雨雪的汇入，最终形成一块沉陷区域，随着掘进面的加大，沉陷区也随之加大，地表的积水也不断的加深，对地表的测量工作造成一定的困难。
3.采煤沉陷积水区调查及采样对沉陷区水生态环境的监测具有重要意义，对于采煤沉陷积水区的现状调查及采样，目前传统做法是人工沿沉陷区岸边调查或者划船贯穿沉陷区调查，费时费力，调查效率低下；目前传统的沉陷区水样采集装置是由采样人员手提采样器在岸边或划船至水域中间进行采样，耗时耗力，受沉陷区地形、周边环境影响大；此外在岸边采样容易受泥沙、水草等因素干扰，所采水样不具有代表性，测试结果不能准确反映沉陷区的水质现状。
4.公开号为cn110096803a的发明专利申请公开了一种煤矿沉陷水域水下地形勘测及水资源计算的方法。该申请通过无人船进行沉陷区水域面积测量，虽然能够有效降低采样人员的劳动强度，但无人船与传统的采样方式相同也容易受到水样环境的影响，仍存在上述提到的问题。


技术实现要素：

5.本发明所要解决的技术问题在于：解决现有进行采煤沉陷积水区调查及采样费事费力的问题。
6.为解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：
7.一种基于无人机的采煤沉陷积水区调查及采样装置，包括无人机、航拍相机、升降机构、采样机构和控制器；
8.所述航拍相机安装在无人机的下端，所述升降机构安装在无人机的下端，所述采样机构安装在升降机构的下端；
9.所述控制器分别与无人机、航拍相机和升降机构连接。
10.优点：本发明利用无人机搭载航拍相机飞至沉陷区上空进行航拍调查，尽可能地拍摄沉陷区全貌，确认采样点；并通过设置的升降机构将采样机构放入采样点水面以下指定深度进行采样，与传统人工调节及采样方式相比，省时省力，操作简单，避免地形和水域环境的干扰，调查采样的效率和科学性大大提高。
11.优选地，所述升降机构包括安装板、电机、滑轨组件和钢丝绳；
12.所述安装板固定安装在无人机的下端，所述电机固定安装在安装板的下端，所述
滑轨组件转动安装在安装板的下端，所述电机的输出轴与滑轨组件连接；
13.所述钢丝绳缠绕在滑轨组件上，所述钢丝绳的下端与采样机构的上端连接；
14.所述电机与控制器连接。
15.优选地，所述采样机构包括采样筒、钢制圆环、底垫和限位块；
16.所述采样筒的上端密封，下端开设有圆口，底垫安装在采样筒内且位于采样筒的圆口处；
17.所述限位块安装在采样筒的内壁下端，所述限位块位于底垫的上端。
18.优选地，所述底垫为两层阶梯圆台结构，所述底垫的上端圆台的直径大于圆口直径，所述底垫的下端圆台的直径小于圆口直径。
19.优选地，所述采样筒采用透明材质制成，
20.优选地，所述采样机构还包括刻度尺；所述刻度尺竖直安装在采样筒的内侧壁上。
21.优选地，所述无人机还包括定位机构；所述定位机构安装在无人机上，所述定位机构与控制器连接。
22.优选地，所述无人机采用大疆m300型无人机。
23.优选地，所述航拍相机采用禅思zenmuse h20型航拍相机。
24.优选地，所述控制器的上端面设置有遥控手柄、按钮和显示屏。
25.本发明还公开了一种采用上述的基于无人机的采煤沉陷积水区调查及采样装置的方法，包括如下步骤：
26.s1、将航拍相机和升降机构依次安装在无人机上，采样机构安装在升降机构下端；
27.s2、启动控制器，控制无人机飞至目标沉陷区上空；
28.s3、控制航拍相机拍摄沉陷区全景视频，并将全景视频同步显示在遥控器的显示屏上；
29.s4、采样人员依据航拍相机拍摄的视频初步制定采样方案，明确并记录采样点的数量和位置；
30.s5、采样人员使用控制器控制无人机飞至设定采样点上方5～10m高度后开始悬停后，控制升降机构启动并带动采样机构向下移动；
31.s6、采样机构降落至采样点水面以下20～50cm深度后开始采样，同时利用定位装置对采样点坐标进行定位；
32.s7、采样结束后，采样人员控制无人机执行返航命令，飞至距离地面2～5m时悬停，采样人员取下水样后，无人机降落或者再次采样。
33.与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明利用无人机搭载航拍相机飞至沉陷区上空进行航拍调查，尽可能地拍摄沉陷区全貌，确认采样点；并通过设置的升降机构将采样机构放入采样点水面以下指定深度进行采样，与传统人工调节及采样方式相比，省时省力，操作简单，避免地形和水域环境的干扰，调查采样的效率和科学性大大提高。
附图说明
34.图1为本发明的实施例的整体连接示意图；
35.图2为本发明的实施例的升降机构的结构示意图；
36.图3为本发明的实施例的采样机构的结构示意图；
37.图4为本发明的实施例的采样机构的主剖视图；
38.图5为本发明的实施例的采样装置的工作流程图；
39.图中：1、无人机；11、定位装置；2、航拍相机；3、升降机构；31、安装板；32、电机；33、滑轨组件；34、钢丝绳；4、采样机构；41、采样筒；411、圆口；42、钢制圆环；43、底垫；44、限位块；45、刻度尺；5、控制器。
具体实施方式
40.为便于本领域技术人员理解本发明技术方案，现结合说明书附图对本发明技术方案做进一步的说明。
41.术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本技术的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
42.参阅图1，本实施例公开了一种基于无人机的采煤沉陷积水区调查及采样装置，包括无人机1、航拍相机2、升降机构3、采样机构4和控制器5。
43.本实施例的无人机1采用大疆m300型无人机。包括机架、旋翼和电池等部件，具有载重量大、续航时间达4小时等优点，可抵御15m/s的风速影响。本实施的无人机1还具有定位装置11，发挥实施定位的功能。
44.航拍相机2固定安装在无人机1的下端。本实施例的航拍相机2采用禅思zenmuse h20型航拍相机，有效像素2000万，具有精准复拍、超清矩阵拍照和兼顾同一场景下的多重需求的优点。用于拍摄采煤沉陷区的全貌，判断沉陷区的类型和大小，为本装置的调查和采样提供了科学性。
45.参阅图2，升降机构3安装在无人机1的下端，采样机构4安装在升降机构3的下端。
46.升降机构3包括安装板31、电机32、滑轨组件33和钢丝绳34，安装板31固定安装在无人机1的下端，电机32固定安装在安装板31的下端且与控制器5连接，滑轨组件33转动安装在安装板31的下端，电机32的输出轴与滑轨组件33的转轴位于同一直线上，电机32的输出轴与滑轨组件33连接，当电机32启动时，能够带动滑轨组件33转动。
47.钢丝绳34缠绕在滑轨组件33上，并与采样机构4连接。当滑轨组件33转动时，钢丝绳34能够上升或下降。
48.本实施例中，采样人员通过控制器5的收线和放线按钮来控制采样机构4的上升或下落。具体的，当采样人员操作放线按钮时，控制器5控制电机32正转，电机32的输出轴带动滑轨组件33绕其转轴转动，使得缠绕在滑轨组件33上的钢丝绳34收缩，从而使得采样机构4上升。同理，当采样人员操作收线按钮时，控制器5控制电机32反转，电机32的输出轴带动滑轨组件33绕其转轴反方向转动，使得缠绕在滑轨组件33上的钢丝绳34下落，从而使得采样机构4下落。采样人员操作简单，省时省力。
49.参阅图3和图4，采样机构4包括采样筒41、钢制圆环42、底垫43和限位块44；钢质圆环为弧形结构，两端分别转动安装在采样筒41上端两侧，钢质圆环与升降机构3的钢丝绳34下端连接。采样筒41为圆柱状结构，上端密封，下端的中部开设有一个圆口411。底垫43为两层阶梯圆台结构，位于采样筒41内，底垫43的上端圆台的直径大于圆口411直径，底垫43的
下端圆台的直径小于圆口411直径；采样筒41内壁下侧设置有多个限位块44，限位块44位于底垫43的上方，限位块44能够抵住圆台的上升。
50.当采样筒41进入水中时，底垫43受到水压被顶起，底垫43上升时，通过限位块44的限定，使得底垫43不会被顶至采样筒41的上端，此时底垫43和圆口411之间存在间隙，采样筒41开始进水。进水完成后，提起采样筒41时，底垫43受自身重力和水压的影响下落并盖住圆口411，起到止水密封的作用，从而取得水样。
51.本实施例中，采样筒41采用透明材质制成，便于采样人员观察采样筒41内部的采集水样。
52.在一些实施例中，采样机构4还包括刻度尺45，刻度尺45竖直安装在采样筒41的内侧壁上，方便采样人员读出水面高度，计算水样体积。
53.控制器5的上端面设置有遥控手柄、按钮和显示屏。操作人员能够通过控制器5上的遥控手柄和按钮来对操控无人机1执行开关机、飞行、悬停、降落及返航等命令，操控航拍相机2执行摄像、拍摄、调整旋转角度等命运，并在显示屏上显示拍摄画面。通过按钮操控升降机构3的收放线命令。
54.本采样装置的工作原理如下：
55.采样人员利用无人机1搭载航拍相机2飞至沉陷区上空进行拍摄调查，采样人员根据控制器5上的显示屏上识别并判断沉陷区的类型和大小，对于封闭性采煤沉陷区，在沉陷区上中下位置共布设采样点1-3个，对于开放型采煤沉陷区，在来水源头河流、湖泊上下游布置采样点1-2个，在沉陷区布设采样点1-3个，采样点的数量依据沉陷区面积大小适当增减。
56.在确认好采样点后，采样人员操控无人机1搭载升降机构3和采样机构4飞至指定采样点位置，升降机构3的电机32控制滑轨组件33转动，进而带动采样机构4下落来采集待测采样点的水样。具体的，先将无人机1悬停在采样点的上方5～10m高度时放下采样机构4，放下采样筒41在水面以下20～50cm深度采样，实现调查、采样一体化。
57.参阅图5，本发明还公开了一种基于无人机的采煤沉陷积水区调查及采样方法，包括如下步骤：
58.s1、将航拍相机2和升降机构3依次安装在无人机1上，采样机构4安装在升降机构3下端；
59.s2、启动控制器5，控制无人机1飞至目标沉陷区上空；
60.s3、控制航拍相机2拍摄沉陷区全景视频，并将全景视频同步显示在遥控器的显示屏上；
61.s4、采样人员依据航拍相机2拍摄的视频初步制定采样方案，明确并记录采样点的数量和位置；
62.s5、采样人员使用控制器5控制无人机1飞至设定采样点上方5～10m高度后开始悬停后，控制升降机构3启动并带动采样机构4向下移动；
63.s6、采样机构4降落至采样点水面以下20～50cm深度后开始采样，同时利用定位装置11对采样点坐标进行定位；
64.s7、采样结束后，采样人员控制无人机1执行“返航”命令，飞至距离地面2～5m时悬停，采样人员取下水样后，无人机1降落或者再次采样。
65.本实施例利用无人机1搭载航拍相机2飞至沉陷区上空进行航拍调查，拍摄时能够旋转航拍相机2，尽可能地拍摄沉陷区全貌。与传统的人工调查和采样相比，采用无人机1能够突破地形限制及水域环境影响，省时省力，调查及采样更便捷。
66.本实施例操控无人机1飞至指点位置拍摄视频或者照片进行调查，在采样点水面以下指定深度进行采样，规范调查及采样流程，实现调查、采样一体化控制，确保了调查及采样的科学性。
67.对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内，不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
68.以上所述实施例仅表示发明的实施方式，本发明的保护范围不仅局限于上述实施例，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明保护范围。

技术特征：
1.一种基于无人机的采煤沉陷积水区调查及采样装置，其特征在于：包括无人机(1)、航拍相机(2)、升降机构(3)、采样机构(4)和控制器(5)；所述航拍相机(2)安装在无人机(1)的下端，所述升降机构(3)安装在无人机(1)的下端，所述采样机构(4)安装在升降机构(3)的下端；所述控制器(5)分别与无人机(1)、航拍相机(2)和升降机构(3)连接；所述无人机(1)带动航拍相机(2)、升降机构(3)和采样机构(4)运动至目标沉陷区上空，所述升降机构(3)控制采样机构(4)上升或下降来获取水样。2.根据权利要求1所述的基于无人机的采煤沉陷积水区调查及采样装置，其特征在于：所述升降机构(3)包括安装板(31)、电机(32)、滑轨组件(33)和钢丝绳(34)；所述安装板(31)固定安装在无人机(1)的下端，所述电机(32)固定安装在安装板(31)的下端，所述滑轨组件(33)转动安装在安装板(31)的下端，所述电机(32)的输出轴与滑轨组件(33)连接；所述钢丝绳(34)缠绕在滑轨组件(33)上，所述钢丝绳(34)的下端与采样机构(4)的上端连接；所述电机(32)与控制器(5)连接。3.根据权利要求1所述的基于无人机的采煤沉陷积水区调查及采样装置，其特征在于：所述采样机构(4)包括采样筒(41)、钢制圆环(42)、底垫(43)和限位块(44)；所述采样筒(41)的上端密封，下端开设有圆口(411)，底垫(43)安装在采样筒(41)内且位于采样筒(41)的圆口(411)处；所述限位块(44)安装在采样筒(41)的内壁下端，所述限位块(44)位于底垫(43)的上端。4.根据权利要求3所述的基于无人机的采煤沉陷积水区调查及采样装置，其特征在于：所述底垫(43)为两层阶梯圆台结构，所述底垫(43)的上端圆台的直径大于圆口(411)直径，所述底垫(43)的下端圆台的直径小于圆口(411)直径。5.根据权利要求3所述的基于无人机的采煤沉陷积水区调查及采样装置，其特征在于：所述采样筒(41)采用透明材质制成。6.根据权利要求3所述的基于无人机的采煤沉陷积水区调查及采样装置，其特征在于：所述采样机构(4)还包括刻度尺(45)；所述刻度尺(45)竖直安装在采样筒(41)的内侧壁上。7.根据权利要求1所述的基于无人机的采煤沉陷积水区调查及采样装置，其特征在于：所述无人机(1)还包括定位机构；所述定位机构安装在无人机(1)上，所述定位机构与控制器(5)连接。8.根据权利要求1所述的基于无人机的采煤沉陷积水区调查及采样装置，其特征在于：所述无人机(1)采用大疆m300型无人机。9.根据权利要求1所述的基于无人机的采煤沉陷积水区调查及采样装置，其特征在于：所述控制器(5)的上端面设置有遥控手柄、按钮和显示屏。10.一种采用权利要求1-9任一项所述的基于无人机的采煤沉陷积水区调查及采样装置的方法，其特征在于：包括如下步骤：s1、将航拍相机(2)和升降机构(3)依次安装在无人机(1)上，采样机构(4)安装在升降机构(3)下端；
s2、启动控制器(5)，控制无人机(1)飞至目标沉陷区上空；s3、控制航拍相机(2)拍摄沉陷区全景视频，并将全景视频同步显示在遥控器的显示屏上；s4、采样人员依据航拍相机(2)拍摄的视频初步制定采样方案，明确并记录采样点的数量和位置；s5、采样人员使用控制器(5)控制无人机(1)飞至设定采样点上方5～10m高度后开始悬停后，控制升降机构(3)启动并带动采样机构(4)向下移动；s6、采样机构(4)降落至采样点水面以下20～50cm深度后开始采样，同时利用定位装置(11)对采样点坐标进行定位；s7、采样结束后，采样人员控制无人机(1)执行返航命令，飞至距离地面2～5m时悬停，采样人员取下水样后，无人机(1)降落或者再次采样。

技术总结
本发明公开了一种基于无人机的采煤沉陷积水区调查及采样装置，包括无人机、航拍相机、升降机构、采样机构和控制器；所述航拍相机安装在无人机的下端，所述升降机构安装在无人机的下端，所述采样机构安装在升降机构的下端；所述控制器分别与无人机、航拍相机和升降机构连接。本发明还公开了一种基于无人机的采煤沉陷积水区调查及采样方法。本发明利用无人机搭载航拍相机飞至沉陷区上空进行航拍调查，尽可能地拍摄沉陷区全貌，确认采样点；并通过设置的升降机构将采样机构放入采样点水面以下指定深度进行采样，与传统人工调节及采样方式相比，省时省力，操作简单，避免地形和水域环境的干扰，调查采样的效率和科学性大大提高。调查采样的效率和科学性大大提高。调查采样的效率和科学性大大提高。


技术研发人员：胡林 陈永春 宫耀 王锦 徐燕飞 李兵 郭忠凯 于云飞 陈晨 李浩
受保护的技术使用者：淮南矿业（集团）有限责任公司
技术研发日：2023.03.13
技术公布日：2023/8/5