Устройство для дистанционного отбора проб грунта с использованием беспилотного летательного аппарата коптерного типа

Область техники, к которой относится полезная модель
Полезная модель является техническим средством, относящимся к области экологического мониторинга, в частности к устройствам отбора проб легких и тяжелых грунтов.
Уровень техники
Известен пробоотборник [1], содержащий конический режущий стакан, стопорный диск, вороток. При этом стакан выполнен цилиндро-конической и режущей формы с наружной поверхности. Отбор пробы осуществляется надавливанием на вороток (рукоятку) и погружением стакана в почву до соприкосновения стопорного диска с почвой. Затем пробоотборник поднимают и пробу переносят в стеклянную или полиэтиленовую тару.
Недостатками реализации данного устройства для использования на беспилотном летательном аппарате коптерного типа (БпЛА КТ) являются необходимость создания большого усилия для погружения пробоотборника в грунт, которое не позволяет обеспечить данный тип БпЛА КТ, относящийся к классу микро [2], а также высокая вероятность, что в ходе транспортирования отобранной порции грунта произойдет его самопроизвольное удаление из полости пробоотборника.
Известен автоматизированный почвенный пробоотборник с дистанционным управлением [3], состоящий из самоходного шасси с приводным устройством для обеспечения движения по поверхности земли, блока управления и блока контроля, пробоотборника для взятия проб почвы, конвейера для транспортирования образцов почвы, бортового компьютера, системы связи и навигации, включающую в себя систему глобального позиционирования. Предлагаемое устройство позволяет быстро и точно произвести отбор образцов почвы.
Недостатком данного устройства является то, что оно является массогабаритным наземным устройством, что не позволяет осуществить его оперативную доставку в труднодоступную зараженную местность для пробоотбора грунта.
Известно устройство для взятия проб грунта и горных пород [4], включающий БпЛА КТ и специальную конструкцию пробоотборника, представляющий собой колонковый ствол, который перемещается в горизонтальной плоскости по направляющим за счет электродвигателя. Данное устройство позволяет осуществить отбор проб грунта с вертикальных поверхностей на труднодоступной местности.
Недостатком данного устройства является невозможность отобрать пробу грунта с горизонтальной поверхности земли.
Известно устройство для установки датчиков в грунт [5], состоящее из полого шнека, внутри которого размещается датчик, специального шасси для распределения веса, микроконтроллера, датчика глубины и двух двигателей, один из которых отвечает за вращения шнека, а второй за его движение вниз/вверх. Для установки датчиков в труднодоступных местах данное устройство крепится к БпЛА КТ.
Недостатком данного устройства является то, что оно не позволяет отобрать пробу грунта.
Наиболее близким по принципу действия и технической сущности является устройство для отбора проб почвы [6], предназначенное для отбора проб почвы из труднодоступных мест. Это достигается тем, что на БпЛА КТ устанавливается специальное дополнительное оборудование бурового типа, содержащее конический корпус из алюминиевого материала, режущее лезвие, сформированное в продольном направлении вдоль боковой поверхности конического корпуса, отверстие для сбора почвы, через которое засыпается почва, двигатель для вращения блока извлечения бурового типа, а также линейный серводвигатель для линейного управления вытяжным устройством бурового типа.
Недостатком прототипа является то, что оно не позволяет отобрать пробу грунта в достаточном количестве [7, 8] для проведения дальнейшего анализа в лаборатории, а также в нем не предусмотрен контроль массы отобранной пробы грунта.
Раскрытие сущности полезной модели
Полезная модель предназначена для отбора точечной пробы грунта [8] дистанционным способом без присутствия на зараженной территории личного состава. К тому же, обследуемая территория (территория, возможно подвергнутая заражению) может находиться в труднодоступном месте так, что добраться туда на специальном транспорте затруднено (либо невозможно). В связи с этим способ дистанционного отбора проб грунта с помощью БпЛА КТ является наиболее эффективным.
Целью полезной модели является создание условий по разработке устройства для дистанционного отбора точечной пробы грунта с помощью БпЛА КТ без присутствия на зараженной территории личного состава.
Техническая задача заявляемой полезной модели - создание полезной нагрузки к БпЛА КТ в виде специальной конструкции устройства для отбора проб грунта.
Поставленная задача достигается тем, что на БпЛА КТ устанавливают полезную нагрузку (пробоотборное устройство грунта), представляющее собой шнек, оснащенный электроприводом вращения и помещенный в стакан цилиндрической формы. Стакан оснащен гибкими ворсинками в верхней части в месте входа шнека, а в нижней части ножками для устойчивого прилегания к поверхности грунта. Комбинация электропривод/шнек закреплены на подвижной платформе, которая может совершать возвратно-поступательное движение вниз/вверх по четырем ходовым винтам за счет другого электропривода, приводящего в движение ремень, соединенный со шкивами на каждом углу подвижной платформы.
Отбор пробы грунта осуществляется вращением и поступательным движением вниз шнека с помощью встроенных в пробоотборник электроприводов. При этом грунт в ходе вращения шнека поднимается по лопастям, где гибкие ворсинки препятствуют выходу грунта из стакана и скидывают его вовнутрь стакана. На дне стакана установлен тензодатчик, позволяющий оператору контролировать массу отобранной пробы грунта.
Сущность предлагаемого устройства поясняется фигурами (см. фиг. 1, 2), где использованы следующие обозначения:
1 - стакан;
2 - ножки стакана;
3 - электропривод вращения шнека;
4 - электропривод подвижной платформы;
5 - ремень;
6 - шкив;
7 - подвижная платформа;
8 - ходовой винт;
9 - шнек;
10 - гибкие ворсинки;
11 - тензодатчик.
На фиг. 1 изображено устройство для дистанционного отбора проб грунта.
На фиг. 2 изображен общий вид БпЛА КТ с устройством для дистанционного отбора проб грунта.
Осуществление полезной модели
Перед отбором проб грунта или в процессе выполнения полетного задания проводится визуальная разведка местности. В процессе визуальной разведки местности определяется пробная площадка для точечного отбора проб грунта методом конверта [8].
На земле перед стартом производят подготовку БпЛА КТ к работе, присоединяют пробоотборник к БпЛА КТ, устанавливают полетное задание с координатами точек отбора проб грунта.
Подготовленный к работе БпЛА КТ с полезной нагрузкой запускается по команде с наземного пункта управления. Выполняя программу полетного задания в полуавтоматическом режиме, БпЛА КТ подлетает к точке пробоотбора и совершает посадку. Стакан (1) при помощи ножек (2) устойчиво прилегает к поверхности грунта. Далее, с помощью оператора с наземной станции управления осуществляется процесс пробоотбора грунта, а именно пуск электропривода вращения шнека (3) и электропривода подвижной платформы (4). Последний, приводит в движение ремень (5), соединенный со шкивами (6) на каждом углу подвижной платформы (7). В результате всех описанных действий подвижная платформа движется вниз по четырем ходовым винтам (8), и режущая кромка шнека (9) врезается в грунт, при поступательном и вращающемся движении вниз заглубляется, а грунт по лопастям шнека перемещается наверх, где гибкие ворсинки (10) препятствуют выходу грунта из стакана и скидывают его вовнутрь стакана. Количество грунта отслеживается оператором с помощью тензодатчика (11), установленного на дне стакана.
Точечный пробоотбор грунта осуществляется на пробной площадке методом конверта. В случае если в точке пробоотбора имеется большое количество камней или жесткость грунта не позволяет отобрать пробу данной конструкцией пробоотборника, оператор дает команду БпЛА КТ на взлет и повторение ранее описанных операций вблизи (плюс-минус 1 м.) от ранее установленной точки.
После этого по команде с наземного пункта управления БпЛА КТ набирает высоту и перемещается к наземной станции управления или к лаборатории, в которую необходимо доставить пробу грунта.
СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМЫХ источников
1. Патент на полезную модель РФ №82762 U1, опубл. 10.05.2009 г.
2. Bento Maria de Fatima. Unmanned Aerial Vehicles: An Overview // Inside GNSS. 2008. Vol. 3. №1. P. 54-61.
3. Патент на полезную модель РФ №168042 U1, опубл. 28.04.2016 г.
4. Патент на изобретение KR №20-1787660 В1, опубл. 19.10.2017 г.
5. Sun, Y., Plowcha, A., Nail, М., Elbaum, S., Terry, В., Detweiler, С.: Unmanned aerial auger for underground sensor installation. In Accepred to appear 2018 IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems (IROS 2018) (2018).
6. Патент на изобретение KR №10-1845395 B1, опубл. 05.04.2018 г.
7. ГОСТ Р 58586-2019 «Отбор и подготовка почвенных проб для изотопного анализа»: национальный стандарт Российской Федерации: дата введения 2020-01-01 / Федеральное агентство по техническому регулированию и метрологии. - Изд. официальное: Москва: Стандартинформ, 2019. - 11 с.
8. ГОСТ 17.4.4.02-2017 «Охрана природы. Почвы. Методы отбора и подготовки проб для химического, бактериологического, гельминтологического анализа»: межгосударственный стандарт: дата введения 2019-01-01 / Федеральное агентство по техническому регулированию и метрологии. - Изд. официальное: Москва: Стандартинформ, 2018. - 14 с.