一种基于万向联轴节的可折叠式无人机磁探悬吊伸杆装置的制作方法

1.本发明涉及无人机磁探领域，属于一种刚性可折叠式的无人机磁测悬吊伸杆装置，主要用于无人机磁探作业时磁传感器探头的悬吊和方位角度维持，避免磁传感器工作失效的同时可确保无人机安全顺利起降，该装置可应用于无人机平台的磁异常探测应用领域。


背景技术：

2.无人机磁探仪是通过无人机搭载高精度磁力仪，在距离地面约100m高度范围内飞行作业，可用于地下矿产勘查、未爆弹探测及基础设施探测等领域。无人机磁探有效克服了传统载人航空磁测分辨率差和地面磁测覆盖率低的问题，填补了从地面至100m高度范围内的磁观测空白，在磁测覆盖率和分辨率之间提供了一种平衡，非常适合1
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10km2区域的中小型勘探项目。相对于传统载人航空磁测和地面磁测，无人机磁探系统更适用于偏远地区或狭小空间的勘查作业，其飞行灵活性和三维空间测量能力使其具备特殊的优势和广阔的应用前景。
3.如何将高灵敏度磁传感器与无人机平台有效集成，同时保证整个无人机磁测系统的作业性能与稳定性是无人机磁探的主要障碍。实验表明，无人机及其机载部件会产生强烈的磁干扰，对磁测数据质量有较大影响，在信噪比较低的情况下，即使采用复杂的磁补偿算法也难以滤除平台机身产生的磁干扰信号，影响无人机磁测系统的作业性能。目前，在无人机磁测作业过程中，为减少无人机电源、机载部件、动力及电子设备等对高灵敏度磁传感器信号接收的影响，通常采用物理分离的方式将磁传感器与无人机平台保持一定的距离进行集成，以降低无人机对磁探测的影响。
4.现有的无人机磁探载荷集成方法主要有以下几种：(1)通过电缆和线缆外壳将磁传感器悬吊在机身下方；(2)通过半刚性塑料管将磁传感器悬吊在机身下方；(3)通过刚性杆将磁传感器置于无人机前方、后方或悬吊于无人机下方。其中，采用半刚性塑料管和电缆悬吊磁传感器，虽然便于无人机起降，但在飞行作业过程中，飞机速度不均匀、气流变化等原因会导致悬吊的磁传感器探头发生大幅摆动或旋转，不仅会降低飞行效率，而且可能导致磁传感器探头工作失效(如高精度光泵类磁传感器在地磁场测量中具有方向依赖性，仅在一定角度范围内有效)，无法正常作业。而采用刚性杆悬吊的方式虽然可以避免磁传感器探头因摆动或旋转而导致的失锁问题，但作业时不便于起降；保持刚性杆水平固定将磁传感器置于无人机前方或后方的方式虽解决了无人机安全起降问题，但为保证磁传感器探头置于无人机产生的电磁干扰区域外，通常要求刚性杆长度不低于3m(载荷能力越大的无人机产生的磁干扰越强，相应的对刚性伸杆长度的要求越长)，这容易导致整个无人机磁测系统失衡，具有安全隐患。
5.现有技术存在如下技术缺陷：
6.(1)通过半刚性塑料管或电缆悬吊磁传感器探头的方式，在无人机飞行作业时，一方面易发生磁传感器围绕垂直轴的旋转或水平方向上的大角度摆动，可能导致磁传感器探
头无法正常工作；另一方面，当无人机加减速、变向或受气流影响时，半刚性悬吊的磁传感器探头摆动幅度较大，除了可能失锁和会降低飞行作业效率外，甚至可能导致无人机姿态自动校正过程中出现校正过度，或共振的情况，存在潜在的坠机危险。
7.(2)通过刚性杆悬吊式硬连接无人机和磁传感器探头的方式，不便于飞机起降；通过刚性杆水平固定硬连接无人机和磁传感器探头的方式，由于刚性杆外伸距离较长，无人机难以平衡载荷重量，存在潜在危险性。
8.(3)磁传感器探头在悬吊杆上的安装固定角度无法根据作业区域和任务需求任意调节，适用性、灵活性较差。
9.因此，无人机磁探系统载荷的集成设计需综合考虑以下三个关键问题(1)减少无人机平台产生的电磁干扰，保障磁探系统的整体作业性能；(2)飞行期间保持磁传感器探头的姿态稳定，保障磁传感器探头正常工作；(3)平衡无人机上有效载荷系统的重量，确保磁探系统飞行的稳定性与安全性。


技术实现要素：

10.本发明针对无人机磁探测应用问题，设计出一种基于万向联轴节的可折叠式无人机磁探悬吊伸杆装置，用于连接无人机搭载平台和磁传感器探头，可有效降低无人机搭载平台对磁探测的干扰，同时确保悬吊的磁传感器探头角度维持在有效探测范围内，避免磁传感器工作失效，而且可确保无人机的安全顺利起降，提高了无人机磁探测结构的稳定性和整体作业性能。
11.本发明的技术方案为：一种基于万向联轴节的可折叠式无人机磁探悬吊伸杆装置，用于连接无人机搭载平台和磁传感器探头，包括：
12.连接件公头固定座，固定连接在无人机搭载平台下方；
13.所述连接件公头固定座与万向结组合、牵引杆、转接角度盘、配重结构件从上到下依次连接；所述转接角度盘可调节的固定安装在牵引杆的预定位置，并且通过转接角度盘固定连接有磁传感器探头夹具，其安装磁传感器探头，且能调整其旋转角度。
14.所述万向结组合包括万向结上、下部件，万向结转向球，万向结中部件，牵引杆连接件。
15.进一步的，所述牵引杆为刚性，采用碳纤维等无磁性轻质材料加工而成，其通过万向结组合与无人机平台相连。
16.进一步的，所述转接角度盘包括固卡部件和圆盘部件，所述固卡部件固定在牵引杆上，其位置能够根据需求进行调节；磁传感器探头夹具与转接角度盘的圆盘部件通过无磁螺钉固定，用于固定磁传感器探头，根据作业区域的地磁场角度按需求任意调整磁传感器探头夹具的角度，以确保磁传感器探头在有效工作范围内。
17.进一步的，配重结构件固定于牵引杆的尾端，用于降低悬吊杆在无人机飞行过程中加减速、或受气流影响导致的摆动幅度。
18.进一步的，所述万向节组合中的各万向结采用聚甲醛等无磁性材料制成，所述万向节组合报刊万向结上、下部件，万向结转向球和万向结中部件，万向结中部件通过两端万向结转向球与万向结上、下部件连接，用于实现整个悬吊装置的可折叠性，便于无人机磁探系统安全起降，且在飞行作业过程中不会发生旋转，避免磁传感器探头失锁；连接件公头固
定座与万向结上下部件连接，用于连接无人机与整个悬吊装置；万向结上下部件通过牵引杆连接件与牵引杆相连。
19.进一步的，所述转接角度盘和磁传感器探头夹具，采用聚甲醛等无磁性材料制成；转接角度盘采用套装加螺钉紧固的方式固定于牵引杆上，根据需求调节转接角度盘和无人机平台的距离；光泵磁传感器探头夹具与转接角度盘通过螺钉固定，二者组合用于调节磁传感器探头的固定角度，以确保探头的有效工作范围。
20.有益效果：
21.(1)本发明涉及的无人机磁探悬吊伸杆装置采用串联式万向联轴节实现可折叠性，保障无人机磁探系统的安全起降；万向结与刚性杆结合，并辅助以合适的配重结构件，使得整个悬吊装置在飞行过程中不会发生旋转和大幅摆动，确保磁传感器探头的作业姿态在有效范围内。
22.(2)本发明针对无人机磁探磁传感器与机载平台集成问题采用悬吊式伸杆装置，满足无人机磁探系统载荷平衡；磁传感器与悬吊杆之间的固定加装了转接角度盘，可根据作业区域和用户需求任意调节磁传感器探头的固定角度，使得整个磁探系统具有较强的适用性。
附图说明
23.图1无人机悬吊装置整体结构示意图；
24.图2万向节组合装配示意图；
25.图3(a)磁传感器探头装配前示意图；
26.图3(b)磁传感器探头装配后示意图；
27.图4单个万向节的折叠方向与折叠角度关系；
28.图5(a)东向折叠时对应的折叠角侧视图；
29.图5(b)北东向折叠时对应的折叠角侧视图；
30.图5(c)东向折叠时对应的折叠角俯视图；
31.图5(d)北东向折叠时对应的折叠角俯视图；
32.图6(a)两个万向节组合结构示意图；
33.图6(b)两个万向节组合结构折叠角示意图；
34.图7无人机起降时悬吊杆通过万向节组合结构折叠示意图。
具体实施方式
35.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例仅为本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本发明中的实施例，本领域的普通技术人员在不付出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。
36.针对无人机磁探磁传感器与机载平台集成的应用问题，本发明公开一种基于万向联轴节的可折叠式无人机磁探悬吊伸杆装置，用于连接无人机搭载平台和磁传感器探头，具体实施方案如下：
37.一种基于万向联轴节的可折叠式无人机磁探悬吊伸杆装置，包括万向结组合1，牵
引杆2，转接角度盘3，磁传感器探头4，光泵磁传感器探头夹具5，配重结构件6，连接件公头固定座7，万向结上、下部件8
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1、8
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2，万向结转向球9，万向结中部件10，牵引杆连接件11，螺钉12。
38.如图1无人机悬吊装置整体结构示意图所示，牵引杆2为刚性，采用碳纤维等无磁性轻质材料加工而成，其通过万向结组合1与无人机平台相连；转接角度盘3固定在牵引杆2上，其位置可根据需求进行调节；磁传感器探头夹具5与转接角度盘3通过无磁螺钉固定，用于固定磁传感器探头4，可根据作业区域的地磁场角度按需求任意调整磁传感器探头夹具5的角度，以确保磁传感器探头4在有效工作范围内。配重结构件6固定于牵引杆2的尾端，用于降低悬吊杆在无人机飞行过程中加减速、或受气流影响导致的摆动幅度。
39.如图2所示，万向节组合装配示意图所示，万向结采用聚甲醛等无磁性材料制成，本方案中采用两个万向节组合结构来增加悬吊结构折叠角度和灵活性，便于无人机安全起降，具体实施过程中也可采用两个以上的万向节组合结构。本发明的技术方案设计优点为：(1)当采用一个万向节时，受结构空间限制，无法实现任意方向上的大角度折叠，单个万向节的折叠方向与折叠角度关系如图4所示，折叠角为万向节上、下部件8
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1和8
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2之间的夹角，当无人机降落悬吊杆的折叠方向为东向时(如图4中p1情况，对应图5(a)和5(c))，单个万向节的折叠角度最大可达90
°
，可安全降落，但当无人机降落悬吊杆的折叠方向为北东向时(如图4中p2情况，对应图5(b)和5(d))，在此种情况下，单个万向节无法实现大角度折叠，可能导致无人机落地过程中发生侧翻；(2)当采用本方案设计的两个万向节组合时，折叠角度为两个万向节在某折叠方向上的折叠角度之和，大幅提高了整个悬吊结构的折叠角度和灵活性，使得无人机可实现安全起降，如图6(a)
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(b)所示，两个万向节组合结构沿北东向折叠时，折叠角度可达90
°
，相对于图5(b)中单个万向节沿北东向折叠时角度较大，灵活性较强，能够保障无人机的安全落地。万向节主要包括万向结上、下部件8
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1、8
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2，两个万向结转向球9、万向结中部件10，万向结中部件10通过两端的万向结转向球9与万向结上、下部件8
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1、8
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2连接，用于实现整个悬吊装置的可折叠性(无人机起降时悬吊杆通过万向节组合结构实现折叠，万向节组合具有较好的灵活性，可实现任意方位上的大角度折叠，无需其他辅助装置即可实现无人机的安全起降，如图7所示)，便于无人机磁探系统安全起降，且在飞行作业过程中不会发生旋转，避免磁传感器探头工作失效；连接件公头固定座7与万向结上部件8
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1连接，用于连接无人机与整个悬吊装置；万向结下部件8
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2通过牵引杆连接件11与牵引杆2相连。
40.根据本发明的又一实施例，可选的，所述牵引杆和万向结可选其他重量较轻，强度合适或更佳的其他无磁性材料如玻璃钢等代替；
41.万向节中部件8
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1和部件8
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2之间的相对于垂直方向的设计安装角度不限定，可通过改变两个万向结转向球9的相对安装放置角度(以垂直轴为旋转轴)来实现，以组合形成不同的合成折叠角(合成折叠角为万向节上、下部件8
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1和8
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2之间的夹角)。
42.所述固卡部件固定在牵引杆上，其位置能够根据需求进行调节；磁传感器探头夹具与转接角度盘的圆盘部件通过无磁螺钉固定，用于固定磁传感器探头，根据作业区域的地磁场角度按需求任意调整磁传感器探头夹具的角度，以确保磁传感器探头在有效工作范围内。
43.如图3(a)
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(b)磁传感器探头组合装配示意图所示，主要包含转接角度盘3和磁传
感器探头夹具5，采用聚甲醛等无磁性材料制成。所述转接角度盘包括固卡部件和圆盘部件，转接角度盘3采用固卡部件套装加螺钉12紧固的方式固定于牵引杆2上，可根据需求调节转接角度盘3和无人机平台的距离；光泵磁传感器探头夹具5与转接角度盘3的圆盘部件通过螺钉固定，圆盘部件的边缘上开有多个通孔，用于安装磁传感器探头4的夹具；二者组合用于调节磁传感器探头4的固定角度，以确保探头处于有效工作角度范围内。
44.根据本发明的又一实施例，可选的，转接角度盘和光泵磁传感器探头夹具可采用尼龙，peek或abs等强度合适或更佳的其他无磁性非金属材料代替；
45.尽管上面对本发明说明性的具体实施方式进行了描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，且应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。