一种基于建设的土壤采样监测系统及方法与流程

本发明涉及监测领域，特别涉及一种基于建设的土壤采样监测系统及方法。

背景技术：

目前，在建设前经常要对土壤土质进行监测，以对土壤的土质进行分析，土壤分析是对土壤的组成分和或物理、化学性质进行的定性、定量测定。由此，土壤取样分析是土壤开发建设的前提。其中，现有技术下的土壤取样都是人工到指定地点进行取样，取样效率低下，并且取样十分不便。

公布号为CN107235146A的中国专利公开了一种土壤检测取样飞行器，通过采用飞行器涉及，能代替人工达到取样的地点进行土壤取样，以提高取样的效率。但是此种取样方式，往往只能进行一次土壤采样，这导致土壤采集的效率难以提高。

技术实现要素：

针对现有技术存在的不足，本发明的目的在于提供一种基于建设的土壤采样监测系统，能在一定程度上提高土壤采集效率。

本发明的上述技术目的是通过以下技术方案得以实现的：

一种基于建设的土壤采样监测系统，包括无人机、监测中心、以及位于多个土壤采样点上的采样平台；

监测中心用于发送驱动指令至无人机，其中，驱动指令中携带有多个土壤采样点的位置信息；

采样平台的中心开设有容置槽，所述采样平台的表面具有向容置槽聚拢的内凹面，所述内凹面上设置有位置检测体，所述采样平台上围绕容置槽贯通有至少两个取样通道，所述容置槽的槽壁上设置有环形铁圈；

无人机包括机体、设置在机体内的无人机控制器、以及用于提供电能的电源模块，所述无人机控制器上连接有无人机定位单元和无人机通信单元，所述无人机通信单元响应于驱动指令以控制该无人机启动；

所述机体内设置有电动卷线器，所述电动卷线器与无人机控制器相连，所述机体的底部设置有与容置槽相适配的牵引块，所述牵引块的底部具有与内凹面配合的半球面，所述机体的底部转动安装有中空的套管，所述电动卷线器具有至少两个牵引绳，所述牵引绳穿过套管连接在牵引块上，所述牵引块的端面上设置有第一连接部，所述套管的端面上设置有与第一连接部对合的第二连接部；所述牵引块的外壁上设置有用于检测牵引块进入到容置槽中的触发装置、以及用于吸附环形铁圈的环形电磁铁；

所述机体的底部垂直设置有至少两个连接板，所述连接板的底部设置有起落板，每个连接板上均滑动安装有取样板，所述取样板上设置有取样电机，所述取样电机的输出轴上连接有取样器，所述机体上设置有用于驱使取样板升降的升降组件，所述起落板上开设有与取样器相对的取样口；所述起落板上设置有用于检测位置检测体的位置检测装置，所述机体内设置有用于驱使套管转动的驱动部；

所述无人机控制器基于触发装置输出的触发信号，控制环形电磁铁和电动卷线器启动以将第一连接部与第二连接部对合，通过驱动部驱使套管转动以使得位置检测装置与位置检测体相对，所述升降组件控制取样器向下运动以穿过取样口和取样通道进行取样。

优选的，所述升降组件包括升降电机和丝杆，所述丝杆螺纹连接在取样板上且一端转动安装在起落板上，所述升降电机设置在机体内，所述升降电机的输出轴连接在丝杆的另一端上。

优选的，所述驱动部包括设置在机体内的驱动电机，所述驱动电机的输出轴上连接有第一齿轮，所述套管上套接有与第一齿轮啮合的第二齿轮。

优选的，所述电动卷线器包括卷线架、转动安装在卷线架上的卷线轴、以及安装在卷线轴上的至少两个卷线盘，每个卷线盘上均具有牵引绳，所述卷线架上设置有与卷线轴相连以用于驱使卷线轴转动的卷线电机。

优选的，所述取样电机、升降电机、驱动电机和卷线电机均采用伺服电机，所述取样电机、升降电机、驱动电机和卷线电机上均安装有监测编码器。

优选的，所述触发装置的数量设置有多个，多个触发装置周向设置在牵引块的外壁上。

优选的，所述机体的底部设置有用于检测该无人机悬停高度的距离检测装置。

优选的，每个采样平台上还设置有方位检测体，所述机体上设置有用于识别方位检测体的方位检测装置，所述方位检测装置检测范围的直径小于采样平台的宽度。

针对现有技术存在的不足，本发明的目的在于提供一种基于建设的土壤采样监测方法，能在一定程度上提高土壤采集效率。

本发明的上述技术目的是通过以下技术方案得以实现的：

一种基于建设的土壤采样监测方法，包括如下步骤：

定位步骤：无人机控制器接收监测中心发送的驱动指令，以根据无人机定位单元输出的位置信息以及多个土壤采样点的位置信息飞行至第一个采样平台的上方悬停；

连接步骤：无人机控制器控制电动卷线器启动，驱使牵引块向下运动以与采样平台的内凹面抵触直至牵引块嵌合进入到容置槽中，无人机控制器基于触发装置输出的触发信号以控制环形电磁铁得电，并相应控制电动卷线器复位，电动卷线器反向牵引无人机以将牵引块上的第一连接部与套管上的第二连接部对合；

校准步骤：无人机控制器判断位置检测装置是否检测到位置检测体，若是，则进入下一步骤；若否，无人机控制器则通过驱动部驱使套管转动，该无人机受控整体转动直至起落板上的位置检测装置检测到位置检测体后停止转动，并进入到下一步骤；

采样步骤：无人机控制器取样电机和升降组件启动，升降组件带动取样器向下运动，取样器穿过取样口和取样通道进行采样后复位；

释放步骤：无人机控制在取样器复位后控制环形电磁铁失电以及控制驱动部驱使套管复位；

换点步骤：无人机控制器基于驱动指令中下一个土壤采样点的位置信息以飞至下一个采样平台的上方悬停，并重复连接步骤~释放步骤。

优选的，在定位步骤中，还包括如下步骤：

无人机控制器基于距离检测装置检测该无人机的悬停高度，并将该无人机的悬停高度降落至预先设定的悬停高度；

在该悬停高度下，方位检测装置判断在其检测范围内是否存在方位检测体；若是，则进入到连接步骤中；若否，则控制该无人机在其悬停的水平面上绕着该土壤采样点的位置信息以螺旋线的飞行轨迹逐渐向外扩张飞行；

在飞行过程中，无人机控制器判断方位检测装置在其检测范围内是否捕捉到方位检测体，若是，无人机控制器则控制该无人机悬停并进入到连接步骤中。

综上所述，本发明对比于现有技术的有益效果为：

通过控制无人机飞行至每个土壤采样点上，自动采集土壤样本，在一个土壤采样点的土壤采集完毕后，并自动飞往下一个土壤采样点采集土壤，直至所有土壤采样点的土壤采集完毕，应用上述土壤采集方式：

1、能够避免工作人员亲自到土壤采样点进行土壤采集，节省了人力劳动力的使用；

2、能够进行多次土壤采集，提高无人机土壤采集的效率；

3、在采集土壤的时候，每个采样平台上的土壤能够多次采样，保证了无人机每次采集到的土壤在固定点位上，以最大程度上保证了土壤监测的准确性与有效性，避免土壤取样的区域差异性带来土壤成分变化导致土壤监测数据的差异性。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其他特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为本发明技术方案中基于建设的土壤采样监测系统的系统框图；

图2为本发明技术方案中无人机的飞行示意图；

图3为本发明技术方案中无人机悬停在采样平台上方的状态示意图；

图4为本发明技术方案中无人机的采样示意图；

图5为本发明技术方案中无人机的结构示意图；

图6为本发明技术方案中无人机控制器的连接示意图。

附图标记：1、采样平台；2、支脚；3、容置槽；4、内凹面；5、取样通道；6、位置检测体；7、环形铁圈；8、机体；9、旋翼；10、隔板；11、电动卷线器；111、牵引绳；112、卷线架；113、卷线轴；114、卷线盘；115、卷线电机；12、牵引块；13、半球面；14、套管；15、轴承；16、第一连接部；17、第二连接部；18、触发装置；19、环形电磁铁；20、连接板；21、起落板；22、通过槽；23、取样板；24、取样电机；25、取样器；26、升降组件；261、升降电机；262、丝杆；27、取样口；28、位置检测装置；29、驱动部；291、驱动电机；292、第一齿轮；293、第二齿轮；30、启闭盖；31、方位检测体；32、方位检测装置；33、距离检测装置。

具体实施方式

为了更好的使本发明的技术方案清晰的表示出来，下面结合附图对本发明作进一步说明。

实施例一

一种基于建设的土壤采样监测系统，结合图1和图2所示，包括无人机、监测中心、以及位于多个土壤采样点上的采样平台1。每个土壤采样点具有对应的经纬度数据，采样平台1设置在每个土壤采样点上以供无人机进行土壤采集。

监测中心用于与无人机进行无线通信。监测中心用于发送驱动指令至无人机中，其中，驱动指令中携带有多个土壤采样点的位置信息，多个土壤采样点的位置信息按采集顺序进行排列，由此，无人机能够根据多个土壤采样点的位置信息逐一对土壤采样点进行土壤采样。

如图3所示，采样平台1通过支脚2固定在地面上，采样平台1与地面之间的高度为10cm。其中，采样平台1的中心开设有容置槽3，采样平台1的表面具有向容置槽3聚拢的内凹面4，采样平台1上围绕容置槽3贯通有至少两个取样通道5，需要说明的是，内凹面4上设置有位置检测体6，容置槽3的槽壁上设置有环形铁圈7。

结合图5和图6所示，无人机包括机体8、旋翼9、设置在机体8内的无人机控制器、以及用于提供电能的电源模块，无人机控制器上连接有无人机定位单元和无人机通信单元，无人机通过无人机通信单元与监测中心进行数据交互，无人机定位单元用于输出无人机当前所处的位置信息，即当前所处的经纬度数据。无人机通过无人机通信单元接收监测中心发出的驱动指令，并响应于驱动指令以控制该无人机启动。本实施例中，无人机定位单元采用GPS模块或北斗导航模块，无人机通信单元采用4G模块。

机体8内设置有隔板10，机体8于隔板10上设置有电动卷线器11，电动卷线器11与无人机控制器相连，电动卷线器11上具有至少两个牵引绳111，具体地，电动卷线器11包括卷线架112、卷线轴113和卷线盘114，卷线架112固定设置在隔板10上，卷线轴113可转动地安装在卷线架112上，卷线轴113上安装有至少两个卷线盘114，每个卷线盘114上均具有牵引绳111，其中，卷线架112上设置有与卷线轴113相连以用于驱使卷线轴113转动的卷线电机115，卷线电机115与无人机控制器相连，本实施例中，卷线电机115采用伺服电机，并且在卷线电机115上安装有监测编码器，监测编码器能够监测卷线电机115转动的圈数以进行复位到初始的工位上。

需要说明的是，机体8的底部设置有与容置槽3相适配的牵引块12，牵引块12的底部具有与内凹面4配合的半球面13，牵引块12采用具有一定重量的金属或非金属配重块。其中，机体8的底部转动安装有中空的套管14，具体地，套管14通过轴承15安装在机体8上，电动卷线器11的牵引绳111穿过套管14连接在牵引块12的端面上。

牵引块12的端面上设置有第一连接部16，套管14的端面上设置有与第一连接部16对合的第二连接部17。本实施例中，第一连接部16包括若干周向设置在牵引块12端面上的第一斜齿，第二连接部17包括若干周向设置在套管14端面上以与第一斜齿咬合的第二斜齿，牵引块12在电动卷线器11的作用下，牵引块12的端面与套管14的端面相抵时，第一斜齿将与第二斜齿相咬合，此时，牵引块12能随着套管14沿着一个方向转动。

牵引块12的外壁上设置有用于检测牵引块12进入到容置槽3中的触发装置18、以及用于吸附环形铁圈7的环形电磁铁19。触发装置18和环形电磁铁19连接于无人机控制器，并受控于无人机控制器。本实施例中，触发装置18的数量设置有多个，多个触发装置18周向设置在牵引块12的外壁上，触发装置18采用触发开关或电容式接近开关。

机体8的底部垂直设置有至少两个连接板20，若干连接板20的底部设置有起落板21，起落板21上设置有供牵引块12通过的通过槽22，若干连接板20围绕通过槽22设置。其中，每个连接板20上均滑动安装有取样板23，取样板23上设置有取样电机24，取样电机24的输出轴上通过联轴器连接有取样器25，机体8上设置有用于驱使取样板23升降的升降组件26，本实施例中，升降组件26包括升降电机261和丝杆262，丝杆262螺纹连接在取样板23上且一端转动安装在起落板21上，升降电机261设置在机体8内，升降电机261的输出轴通过联轴器连接在丝杆262的另一端上。升降电机261和取样电机24均采用伺服电机，升降电机261和取样电机24上均安装有监测编码器，监测编码器能够监测升降电机261和取样电机24转动的圈数以进行复位到初始的工位上。

需要说明的是，起落板21上开设有与取样器25相对的取样口27，取样口27和通过槽22之间的间距与取样通道5和容置槽3之间的间距相同，由此，在牵引块12与容置槽3对合，无人机置于采样平台1的中心时，通过调整无人机的角度，取样口27能与取样通道5相对。

具体地，起落板21上设置有用于检测位置检测体6的位置检测装置28，机体8内设置有用于驱使套管14转动的驱动部29；本实施例中，位置检测体6采用金属检测体，位置检测装置28采用接近开关，接近开关的触发端位于起落板21的底部。值得说明的是，位置检测体6、取样通道5、容置槽3处于同一直线上，位置检测装置28、取样口27和通过槽22位于同一直线上。

驱动部29包括设置在机体8内的驱动电机291，驱动电机291的输出轴上连接有第一齿轮292，套管14上套接有与第一齿轮292啮合的第二齿轮293。驱动电机291采用伺服电机，驱动电机291上安装有监测编码器，监测编码器能够监测驱动电机291转动的圈数以进行复位到初始的工位上。

值得说明的是，起落板21的底部铰接有用于封闭取样口27的启闭盖30，启闭盖30的铰接轴上安装有扭簧，启闭盖30在扭簧的作用下能够时刻封闭住取样口27。

每个采样平台1上还设置有方位检测体31，所述机体8上设置有用于识别方位检测体31的方位检测装置32，方位检测装置32检测范围的直径小于采样平台1的宽度。方位检测体31为RFID标签，方位检测装置32为RFID读写器，其中，方位检测体31位于采样平台1的中心位置。需要说明的是，机体8的底部设置有用于检测该无人机悬停高度的距离检测装置33。距离检测装置33为高度传感器或超声波传感器。

由此，无人机控制器基于触发装置18输出的触发信号，控制环形电磁铁19和电动卷线器11启动以将第一连接部16与第二连接部17对合，通过驱动部29驱使套管14转动以使得位置检测装置28与位置检测体6相对，所述升降组件26控制取样器25向下运动以穿过取样口27和取样通道5进行取样。

工作过程：

结合图3和图4所示，监测中心发送驱动指令到无人机中，无人机控制器通过无人机通信单元接收到监测中心发送的驱动指令，以根据无人机定位单元输出的位置信息以及多个土壤采样点的位置信息飞至第一个采样平台1的上方悬停。由于，无人机定位单元的定位精准度存在一定的误差，误差范围在1-3m左右，因此，需要对无人机进行二次定位。

二次定位的方式具体为，无人机控制器基于距离检测装置33检测该无人机的悬停高度，并将该无人机的悬停高度降落至预先设定的悬停高度上，在该悬停高度上，方位检测装置32判断在其检测范围内是否存在方位检测体31，若是，则进入到下一步骤中，若否，则控制该无人机绕着土壤采样点进行巡逻，以捕捉方位检测体31。具体地，无人机控制器控制该无人机在其悬停的水平面上绕着该土壤采样点以螺旋线为飞行轨迹逐渐向外扩张，在飞行过程中，若方位检测装置32在其检测范围内捕捉到方位检测体31，无人机控制器则控制该无人机悬停并进入到下一步骤中；

在下一步骤中，无人机控制器控制电动卷线器11启动，驱使牵引块12向下运动，牵引块12在向下运动中，牵引块12的半球面13与采样平台1的内凹面4抵触，随着电动卷线器11释放牵引绳111，牵引块12在重力的作用下沿着采样平台1的内凹面4下滑，直至牵引块12嵌合进入到容置槽3中。由此，牵引块12在下滑的过程中，牵引块12与采样平台1的内凹面4单面贴合（此时，触发装置18不会被同时触发）；当牵引块12完全嵌合进入到容置槽3中时，触发装置18被同时触发，由此，触发装置18输出相应的触发信号至无人机控制器中，无人机控制器响应于触发信号以控制环形电磁铁19得电，环形电磁铁19与环形铁圈7吸合，无人机控制器并相应控制电动卷线器11复位（其中，电动卷线器11释放牵引绳111的过程中，卷线电机115上的监测编码器监测了卷线电机115的转动圈数，由此，电动卷线器11复位时，卷线电机115能够反转相应的圈数），在电动卷线器11复位的过程中，电动卷线器11能够反向牵引无人机逐渐靠近采样平台1，直至牵引块12上的第一连接部16与套管14上的第二连接部17相对合，此时，牵引块12能够随着套管14转动。

其中，在电动卷线器11复位后，无人机控制器将判断位置检测装置28是否检测到位置检测体6，若是，则进入下一步骤；若否，无人机控制器控制驱动电机291转动，驱动电机291驱使套管14转动，由于牵引块12被环形电磁铁19和环形铁圈7吸合在容置槽3中，由此，该无人机能够在驱动电机291的作用下在采样平台1上沿着一个方向周向自转，直至起落板21上的位置检测装置28检测到位置检测体6后，无人机控制器控制驱动电机291停止运行（此时，驱动电机291上的监测编码器将记录下驱动电机291的转动圈数），并进入到下一步骤中。

在下一步骤中，无人机控制器控制取样电机24和升降电机261启动，取样电机24带动取样器25转动，升降电机261通过丝杆262带动取样板23向下运动，随着取样器25不断地向下运动，直至取样器25穿过取样口27和取样通道5抵触在地面上，随着取样器25的旋转和向下运动，取样器25能够对土壤进行采集，其中，无人机控制器能够输出固定周期到升降电机261上，使得升降电机261下降固定的深度以采集相应的土壤深度，以达到同一个取样通道5多次深度土壤采集的目的。

在取样器25土壤采集完毕后，无人机控制控制取样电机24和升降电机261进行反转复位，取样电机24和升降组件26启动，升降组件26带动取样器25向下运动，取样器25穿过取样口27和取样通道5进行采样后复位；在取样电机24和升降电机261复位后，无人机控制控制环形电磁铁19失电的同时控制驱动电机291反转复位（避免牵引绳111过度扭转）。

无人机控制器基于驱动指令中下一个土壤采样点的位置信息以飞至下一个采样平台1的上方悬停，并重复上述步骤。值得说明的是，每个升降电机261、取样器25具有对应的编号，取样器25的数量与土壤采样点的数量对应，由此，无人机控制器能够根据驱动指令控制相应的升降电机261和取样电机24启动以进行采样动作，达到一次飞行，多个土壤采样点同时采样后飞回的目的，以有效提高土壤采样的效率。

实施例二

一种如上述一种基于建设的土壤采样监测系统的基于建设的土壤采样监测方法，包括如下步骤：

定位步骤：无人机控制器接收监测中心发送的驱动指令，以根据无人机定位单元输出的位置信息以及多个土壤采样点的位置信息飞行至第一个采样平台1的上方悬停；

连接步骤：无人机控制器控制电动卷线器11启动，驱使牵引块12向下运动以与采样平台1的内凹面4抵触直至牵引块12嵌合进入到容置槽3中，无人机控制器基于触发装置18输出的触发信号以控制环形电磁铁19得电，并相应控制电动卷线器11复位，电动卷线器11反向牵引无人机以将牵引块12上的第一连接部16与套管14上的第二连接部17对合；

校准步骤：无人机控制器判断位置检测装置28是否检测到位置检测体6，若是，则进入下一步骤；若否，无人机控制器则通过驱动部29驱使套管14转动，该无人机受控整体转动直至起落板21上的位置检测装置28检测到位置检测体6后停止转动，并进入到下一步骤；

采样步骤：无人机控制器取样电机24和升降组件26启动，升降组件26带动取样器25向下运动，取样器25穿过取样口27和取样通道5进行采样后复位；

释放步骤：无人机控制在取样器25复位后控制环形电磁铁19失电以及控制驱动部29驱使套管14复位；

换点步骤：无人机控制器基于驱动指令中下一个土壤采样点的位置信息以飞至下一个采样平台1的上方悬停，并重复连接步骤~释放步骤。

在定位步骤中，还包括如下步骤：

无人机控制器基于距离检测装置33检测该无人机的悬停高度，并将该无人机的悬停高度降落至预先设定的悬停高度；

在该悬停高度下，方位检测装置32判断在其检测范围内是否存在方位检测体31；若是，则进入到连接步骤中；若否，则控制该无人机在其悬停的水平面上绕着该土壤采样点的位置信息以螺旋线的飞行轨迹逐渐向外扩张飞行；

在飞行过程中，无人机控制器判断方位检测装置32在其检测范围内是否捕捉到方位检测体31，若是，无人机控制器则控制该无人机悬停并进入到连接步骤中。

由此，应用上述土壤采样方式：

1、能够避免工作人员亲自到土壤采样点进行土壤采集，节省了人力劳动力的使用；

2、能够进行多次土壤采集，提高无人机土壤采集的效率；

3、在采集土壤的时候，每个采样平台1上的土壤能够多次采样，保证了无人机每次采集到的土壤在固定点位上，以最大程度上保证了土壤监测的准确性与有效性，避免土壤取样的区域差异性带来土壤成分变化导致土壤监测数据的差异性。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。