一种浮翼串联式全航空瞬变电磁探测结构及控制方法与流程

本发明涉及航空地球物理勘查及无人机控制，具体涉一种浮翼串联式全航空瞬变电磁探测结构及控制方法。

背景技术：

1、瞬变电磁法作为一种经典且重要的地球物理勘探手段，在矿产资源勘查、地质灾害调查及地下水资源探测等领域得到了极其广泛的应用。传统的航空瞬变电磁探测作业多依托有人直升机或固定翼飞机作为搭载平台，其野外作业成本高昂、对起降场地的地形条件要求苛刻，且在复杂山区、断崖等恶劣地貌下的低空跟随及仿地飞行能力较差。

2、近年来，随着多旋翼无人机技术的日趋成熟，利用多旋翼无人机搭载瞬变电磁探测系统进行航空物探，因其成本低、部署灵活、智能化程度高以及超低空地形跟随能力强等优点，逐渐成为行业的研究热点。

3、然而，在实际应用中，为了获取更深的勘探深度以及更高的信号信噪比，瞬变电磁探测系统通常需要配置大功率的发射机、高容量的供电电源以及大口径的发射线圈，这导致整个探测结构的整体重量和载重需求大幅增加。

4、多旋翼无人机的升力完全依赖于旋翼旋转产生的动升力。在面临上述大载重需求时，多旋翼无人机的电机需要长期处于高功率、高耗能工作状态，这导致无人机的电池能量迅速消耗，续航时间急剧缩短，通常仅能维持十至二十分钟的飞行。频繁的起降更换电池不仅严重降低了物探作业的连续性和工作效率，也限制了单次飞行的探测覆盖面积，无法满足大范围、深部地质勘查的实际需求。

5、此外，由于航空瞬变电磁探测通常需要进行低空跟随或仿地飞行，在野外复杂山区或多风环境下，飞行平台极易受到外界气流扰动，导致探测线圈产生剧烈的高频率震动与姿态摇晃，严重影响物探数据的采集质量和信噪比；同时，在高海拔等低空气密度环境下，常规气囊平台的静态浮力及多旋翼的气动效率均会出现显著下降，进一步加剧了动力系统的负荷与过热烧毁风险。

6、因此，如何解决航空瞬变电磁探测中大载重与长续航之间的固有矛盾，并显著提高探测结构在大风工况及高海拔恶劣环境下的作业稳定性与动力适应性，是当前本领域技术人员亟待解决的技术难题。

技术实现思路

1、为解决以上的技术问题，本发明提供了一种浮翼串联式全航空瞬变电磁探测结构及控制方法，在实现大载重、长续航物探作业的同时，显著提升整体探测结构在恶劣工况下的抗风稳定性和高海拔动力适应性。

2、其技术方案如下：本发明第一方面提供一种浮翼串联式全航空瞬变电磁探测结构，其要点在于：从上至下依次为悬拉无人机、浮力囊体和托举无人机，所述悬拉无人机与浮力囊体之间通过上部牵引旋转机构连接，所述浮力囊体和托举无人机之间通过下部牵引旋转机构连接；

3、在所述托举无人机内开设有容纳瞬变电磁探测系统的物探主机舱， 在所述托举无人机的底部的设置有减震悬挂组件，所述瞬变电磁探测系统的电磁线圈组件通过减震悬挂组件悬吊在物探主机舱的下方。

4、优选地：所述浮力囊体的顶壁和底壁分别设置有硬质受力顶罩和硬质底座；

5、所述硬质受力顶罩包括弧形受力罩体和设置在弧形受力罩体与浮力囊体顶部之间的第一弹性保护垫，在所述弧形受力罩体的外壁上布设有挂钩组件，所述上部牵引旋转机构通过挂钩组件与浮力囊体顶部连接；

6、所述硬质底座包括弧形底座和设置在弧形底座与浮力囊体底部之间的第二弹性保护垫，在所述弧形底座的外壁上设置有悬索受力耳板，所述下部牵引旋转机构连接通过悬索受力耳板与浮力囊体底部连接。

7、优选地：所述上部牵引旋转机构包括上旋转盘，所述上旋转盘的上部设置有与悬拉无人机底部连接的主牵引绳，下部设置有上斜线与浮力囊体的顶壁连接；

8、所述下部牵引旋转机构包括下旋转盘，所述下旋转盘的上部设置有与浮力囊体底部连接的下悬索，该下旋转盘的下部与托举无人机连接。

9、优选地：在所述主牵引绳上还配置有张力传感器。

10、优选地：所述下旋转盘包括下旋转板和套设在下旋转板上方的上旋转板，两者之间装配有转动轴承，所述上旋转板的外侧边缘处一体成型有用于连接上斜线和/或下悬索的拉绳耳板；

11、所述上旋转盘和下旋转盘的结构相同。

12、优选地：所述下旋转盘和托举无人机之间还设置有c型硬质杆；

13、所述c型硬质杆包括c型主杆和设置在c型主杆内侧圆弧面上的加强筋，该c型主杆的上端和下端分别设置有与下旋转盘铰接的上接头和与托举无人机固接的下接头。

14、优选地：所述减震悬挂组件包括固定在托举无人机底部的固定背板，以及设置在该固定背板下方的悬挂载荷架，在两者之间装设有阻尼减震球，所述悬挂载荷架上还设置有悬吊电磁线圈组件的拉线。

15、本发明第二方面提供一种基于本发明第一方面浮翼串联式全航空瞬变电磁探测结构的控制方法，其要点在于：所述悬拉无人机内带有上层飞行控制总成，托举无人机内带有下层飞行控制总成；

16、所述控制方法能够通过悬拉无人机和托举无人机及浮力囊体实现双机协同控制；

17、所述双机协同控制包括以下步骤：

18、s1：双机自主协同起飞与配平，所述上层飞行控制总成与下层飞行控制总成建立通信链路，所述托举无人机启动并配合浮力囊体上升至预设物探高度，所述悬拉无人机同步起飞并保持在浮力囊体上方，调节自身升力，使得主牵引绳与浮力囊体处于临界配平状态；

19、s2：串联巡航物探，所述悬拉无人机和托举无人机协同输出前飞动力， 按照预设物探航线进行巡航飞行，利用电磁线圈组件采集物探数据，并传输至瞬变电磁探测系统中；

20、s3：风偏监测与抗风补偿矢量计算，两个飞行控制总成在飞行过程中实时监测无人机的状态参数，当环境风力加大导致无人机产生超过预设阈值的水平位移或姿态倾角时，触发抗风补偿；

21、飞行控制总成根据无人机的倾角变化方法及电机功耗异常增加的推力方向，实时解算出环境风的风向矢量wd和风力大小矢量wf，进而计算出悬拉无人机的抗风补偿拉力矢量fc和托举无人机的姿态配平推力；

22、s4：串联动态协同抗风调节，所述悬拉无人机接收飞行控制总成指令，调整飞行姿态，朝风向矢量wd的反方向倾斜飞行，同时所述托举无人机调整自身矢量推力，在风中保持水平及垂直稳定；

23、s5：联动降落与安全回收，作业完成后，所述托举无人机逐渐降低电机转速，使其克服浮力囊体的浮力逐渐下降，在下降过程中，所述悬拉无人机始终位于浮力囊体上方，保持主牵引绳和下悬索处于张紧状态，直至整体结构安全着陆。

24、优选地：所述控制方法还能够通过托举无人机及浮力囊体实现单机退化控制；

25、所述单机退化控制保留托举无人机，由所述托举无人机独立执行起飞、巡航物探、抗风防摇晃控制以及降落回收步骤，并通过自身结构配合所述浮力囊体浮力动态补偿外界环境扰动。

26、优选地：在所述双机协调控制模式下还包括高海拔静态浮力协同补偿，所述托举无人机和/或悬拉无人机电连接有高度计或大气压传感器，用于实时获取整体结构所处环境的海拔高度数据或空气密度数据；

27、所述高海拔静态浮力协同补偿是指在无风或微风的高海拔工况下，飞行控制总成实时获取当前的海拔高度或空气密度，并计算出因空气密度降低导致的所述浮力囊体的静态浮力损失量δfb，根据静态浮力损失量δfb计算出悬拉无人机的垂直动态提升补偿力fv cpmp，并将其发送至悬拉无人机；

28、所述悬拉无人机接收指令后增加拉力，通过主牵引绳上拉引浮力囊体补偿静态浮力损失量δfb，维持下方的所述托举无人机的工作状态。

29、与现有技术相比，本发明的有益效果：本技术通过上层悬拉无人机、中层浮力囊体及下层托举无人机实现纵向串联协同，浮力囊体提供的静态浮力克服重载，而无人机则共同补足了动态推力缺口，实现续航时间倍增；

30、同时，在环境风况中通过悬拉无人机朝迎风面反方向倾斜拉引，利用长拉绳的杠杆效应在顶罩中心施加反向平衡力，抵消了浮力囊体受风吹引起的倾斜和漂移，提升抗风性能；在高海拔稀薄空气下，悬拉无人机补足了浮力囊体骤减的载重缺口，彻底避免了底层托举无人机因“高载重+高海拔”双重压迫导致的电机过热烧毁风险；

31、本技术具备极强的任务适应性，在浮力充裕或风力微弱的良好工况下，可主动省略上方的悬拉无人机，直接退化为“气囊+托举机”的简化版结构独立作业，不仅降低了部署成本，也为野外复杂环境提供了极高的硬件容错与任务弹性。