无人机航空物探搭载装置的研究与设计

无人机航空物探搭载装置的研究与设计

胡艳伟

中国南方电网有限责任公司超高压输电公司百色局 广西百色市 533000

摘要：我国自然能源随着城市化基础建设和工业不断发展不断减少，为此我国相继提出了对深度地质探索发展策略，加上现阶段无人机飞行技术得到了快速成长，致使我国航空探索技术具有了全新的发展目标和方向。本文首先根据无人机航空物探搭载装置特点和技术需求进一步讨论无人机航空物探搭载装置设计，并且以此作为基础条件，总结出无人机航空物探搭载装置优化。

关键词：无人机；航空物探搭载装置；纵向探杆设计；装置优化

近几年，高精准程度、高灵活性、多参数等技术特点的航天物理探索技术在矿产开采领域得到了广泛的应用与发展，尤其是无人机设备的数据测量系统在运转过程中，可以有效且广泛的适应不同地质形态和自然环境，从而进一步获得高水平、高质量的航空地质测量信息和数据。

一、无人机航空物探搭载装置设计

根据现阶段无人机航空物体探搭载装置现状进行详细探索和研究，该设备所需要搭建的装置需要保证垂直方向进行重力梯度测算，为此，本次无人机所设计的航空物探搭载装置主要由三个环节共同构成，其中包含：纵向探杆、左侧探杆和右侧探杆。其中沿着无人机飞行方向的纵向探杆设备所搭载的磁力仪主要作用则是测量垂直方向的重力梯度数据，并且沿着无人机横方向左、右侧探杆内部结构中能够检测到的水平重力梯度。同时，由于无人机航空物探搭载装置在整体结构布局设计上，需要充分结合无人机设备的设计作业情况与外部环境，比如：速度、载重、机动性等特点，所以需要在设备轻量化方案设计以及物探仪设备线路布置需求，进而有效减少无人机飞行过程中所遭受的空气阻力。

（一）纵向探杆设计

在纵向探杆方案设计上，全轴梯度搭载装置主要由竖直方向杆以及水平方向杆共同组成，其中水平方向杆则由前段、中段以及后段构成，由于纵向探杆所搭载磁力设备需要详细测量垂直方向的重力梯度，所以两个磁性探头设备分别设置在无人机内部结构中竖直杆顶部位置以及底部位置，其中电子操作盒则安装在前段杆中间位置上^[1]。除此之外，纵向探杆设计还需要根据无人机磁性基础测量结果，进一步要求磁性仪器的探头距离自身设备水平距离不小于6000毫米，但是由于纵向探杆后半部位需要与无人机直接固定操作，所以其长度需要控制爱18000毫米，所以纵向探杆总体长度需要初步设计为1L mm。

无人机自身结构应该严格遵守稳定性以及技术性需求，为此探杆截面积形态需要设计为原型模式，并且充分结合设备探头具体尺寸、电子盒尺寸等，将探杆外径尺寸控制在标准范围内，同时由于无人机航空物探搭载装置应用现状，其水平杆前段位置与后端位置需要使用技术加工成本较低的碳纤维布卷管材质以及生产工艺加工，保证其装置邢台的结构平稳程度。

（二）左、右探杆结构设计

根据物探磁力仪与机身的距离要求，左、右侧探杆总长度均设计为2L mm，探杆截面形状及分段杆连接方式与纵向探杆相同，

（三）无人机连接设计

综合考虑无人机设备自身结构的承载能力，进而确保无人机航空物探搭载装置的基础稳定和安全性，技术人员需要将无人机前后起落架结构是作为纵向探杆主要压力承载结构之一，其中由于起落架是无人机降落着陆的主要承重结构，所以不能针对其设备结构进行钻孔和挖槽等相关技术操作，防止影响其设备结构基础强度。针对无人机飞行现状，技术人员设计出可拆卸与移动的连接端头，以便于各个结构之间的安装和拆卸，因此其连接端头在外部形态上则设计为开体结构模式，其中在连接端头内部需要安装橡胶圈垫，此种模式不仅能够进一步强化连接位置的稳定性，一定程度上还可以进一步防止在结构安装过程中，对于起落架结构以及纵向探杆的损坏^[2]。

无人机设备在结构设计上，其设备起落架主要呈现出前高后低特点，所以为了有利于纵向探杆结构与前后四个接头的顺利安装，进一步提升连接端头装配水平，确保连接端头同轴程度，则需要在两个连接端头之间安装结构连接板，实现各个接头、螺杆、螺母与连接板连接。除此之外，端头安装时，还需要将连接端头对接完毕，并且通过螺栓零部件进行固定夹紧，致使连接头抱紧在起落架结构上，随后通过调整螺杆与螺母零部件，从而确保连接头中心位置在相同直线结构上，以便于安装纵向探杆。而安装纵向探杆之前，需要首先将连接端头的两侧对接，进而放置螺栓零件，等待纵向探杆连接安装好之后，致使连接端头不断加紧。

在充分考虑纵向探杆长度参数之后，仅仅利用探杆后半部分与无人机设备进行连接则无法确保内部结构的基础稳定性，为了进一步强化无人机航空物探搭载装置整体结构的基础稳定性，在充分满足纵向探杆的挠度要求后，则需要在纵向探杆中间位置与无人机之间增加至少一根连接杆。

二、无人机航空物探搭载装置优化

（一）支撑架吊挂优化

无人机航空物探搭载装置中支撑架吊挂优化过程中主要分为两个流程步骤。

第一，需要充分利用ABAQUS数据模型操作软件针对无人机搭载装置的原始模型进行构建和分析，最终得到搭载结构以及压力载荷基础数据模型。第二，在模型构建完毕之后，还需要通过Tosca系统软件以及系统分析结果选择适合的数据计算方式，进而针对支撑结构开展设计方案优化，最终得到支撑吊挂优化模型，随后使用结构拓扑优化结果针对其支撑架吊挂外部轮廓开展方案设计。最后将支撑架吊挂环节的信息分析结果因导致Tosca系统软件额机构中，并且在其基础模型上划分出设计区域、非设计区域、冻结区域、约束条件及目标函数等相关方面，从而明确优化方案。

（二）支撑架底部优化

支撑架除了需要重视吊挂环节，其支撑架底部结构优化同样成为影响无人机航空物探搭载装置安全性和稳定性的重要因素之一，为此需要将支撑架顶部使用螺栓零部件进行固定连接，而其设备主要作用则是承担脱钩设备并且承载吊挂重物，最终实现减少支撑架顶部压力，提高底座质量等最终目标^[3]。

在优化环节上，首先需要在ABAQUS系统软件中，针对支撑架顶部位置开展静态力学数据分析，进而针对顶座上部分位置的孔洞进行加固处理，得到顶座的静力学分析结果。经过长时间探索和分析，随着优化频率和次数的不断增加，其支撑底部的基础应变能力呈现出逐渐降低最终趋于稳定状态，进一步符合方案设计的参数需求。同时技术人员将已经优化完毕的底部数据计算结果与数据模型结果进行对比之后，最终得到相关结论：无人机航空物探搭载装置在相同基础载荷背景下，其支撑架底部结构进行优化之后，所产生的连接节点应力最大数值相比原始数据小，其中最大形变参数比优化之前增加了至少26%左右，进一步满足无人机运行和搭载装置的荷载需求，同时经过结构和设计优化之后，其质量相比于优化前减小了12.98%，顶座的优化满足轻量化设计要求。

结束语：

由此可见，为了进一步探索无人机航空物探搭载装置优化策略和设计方案，技术人员针对无人机内部结构开展了吊挂优化以及支撑架底部优化，随后针对搭载装置开展静态模型建立和力学分析，在详细分析其信息结果之后，针对搭载装置开展结构优化，进一步满足实际工况要求。

参考文献：

1. 鞠星、牛海波、郭华、韩松、王永志、吕超、郑强. 彩虹4无人机航磁测量系统的安全分析与质量评价[J]. 地球物理学进展, 2020, v.35;No.162(04):355-361.

2. 王昊, 杨金中, 邵治涛,等. 无人机在矿产资源开发环境遥感调查中的应用[J]. 北方环境, 2019, 031(010):97-99.

3. 杨庆华, 郭生良, 钟经华,等. 无人机航空伽玛测量地质调查应用研究[J]. 世界有色金属, 2020, No.544(04):212-214.