CN109298455A - 应用于无人机航空磁测平台的三轴tmr磁力仪 - Google Patents

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Abstract

本发明应用于无人机航空磁测平台的三轴TMR磁力仪，包括三轴TMR磁力仪传感器、模数转换器、姿态传感器、存储模块和处理器；三轴TMR磁力仪传感器测量地磁场的三个分量并输出一个直流电压信号；模数转换器接收直流电压信号，并将其转为数字信号传输至处理器；姿态传感器获取无人机飞行姿态数据以进行飞行姿态校正和补偿，并将姿态数据传输至处理器；存储模块存储处理器接收到的磁场数据和姿态数据；处理器控制模数转换器进行采集直流电压信号并转化为磁场数据，并将磁场数据和姿态数据存储在存储模块中。本发明具有较小的体积和较低的功耗，提高了航空磁测的精度，并且具有较快的测量速度，易于无人机的安装和携带。

Description

应用于无人机航空磁测平台的三轴TMR磁力仪
技术领域
本发明具体涉及一种应用于无人机航空磁测平台的三轴TMR磁力仪。
背景技术
目前，在航空磁测中多使用标量磁力仪如质子磁力仪(包括普通质子磁力仪和Overhauser磁力仪)和光泵磁力仪测量地磁场总场强度。但地磁场是一个矢量场，三分量测量(矢量测量)能够获得磁场更多的信息。磁通门磁力仪作为最常用的矢量磁力仪也开始逐步用于航空磁场分量测量，但磁通门传感器的性能受体积的影响较大，在小型化的同时灵敏度有较大幅度的降低。经过发展，航空磁测开始进入精细化测量阶段，并向小型化发展，其中最具代表性的就是基于无人机的航空磁测平台。无人机平台具有可控性好，安全性高，隐蔽性强，对磁力仪的干扰较小等优点，具有更高的利用价值和更广泛的应用前景。但是由于无人机载荷较小，所以就要求磁力仪具有较轻的重量、较小的体积以及较低的功耗，同时还要具有较快的测量速度等。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于，针对上述目前航空磁测技术灵敏度不高的不足，提供一种应用于无人机航空磁测平台的三轴TMR磁力仪解决上述问题。
应用于无人机航空磁测平台的三轴TMR磁力仪，其特征在于，包括三轴TMR磁力仪传感器、模数转换器、姿态传感器、存储模块和处理器；
三轴TMR磁力仪传感器的输出端连接模数转换器的输入端，处理器分别与模数转换器、姿态传感器和存储模块连接；
三轴TMR磁力仪传感器由三片两两正交的TMR磁传感器组成，用于测量地磁场的三个分量并输出直流电压信号；模数转换器用于接收三轴TMR磁力仪传感器输出的直流电压信号，并将其转为数字信号传输至处理器；姿态传感器用于获取无人机飞行过程的姿态数据以进行飞行姿态校正和补偿，并将无人机姿态数据传输至处理器；存储模块用于存储处理器接收到的经过模数转换器转换后的磁场数据和同一时刻姿态传感器获取的无人机姿态数据；模数转换器将直流电压信号转化为磁场数据，并将磁场数据和姿态数据存储在存储模块中。
进一步的，所述直流电压信号随着地磁场的波动输出跟随波动，其输出电压信号与其敏感方向上的磁场强度呈线性关系。
进一步的，还包括电源管理模块，电源管理模块用于对整个系统的进行供电。
进一步的，具有第一测量模式和第二测量模式，针对于无人机不同飞行速度的情况，当飞行速度小于或等于预设速度时采用第一测量模式，当飞行速度大于预设速度时采用第二测量模式。
进一步的，第一测量模式下，处理器直接控制模数转换器进行信号测量，此时模数转换器设置为第一采样率，并采取扫描模式，在磁力仪采样周期内循环对三路信号进行同步采集，然后进行均值滤波。
进一步的，还包括FPGA模块，FPGA模块与模数转换器模数转换器连接，在第二测量模式下，处理器启动FPGA以相同的采样率对三路信号进行同步采集，模数转换器设置为高于第一采样率的第二采样率。
进一步的，所述模数转换器具备多通道同步采集功能，能够同步采集三路信号。
本发明的优势在于使用三片TMR传感器芯片搭建三轴磁力仪探头时，探头三轴之间应具有较好的正交度误差，从而保证磁场三分量测量的精确度；采用较高位数的模数转换器保证磁力仪具有较高的磁场分辨率，并且模数转换器应具备多通道同步采集功能，保证三路信号的同步采集；磁力仪内置磁场补偿算法根据姿态传感器测量数据对无人机平台自身以及飞行过程中出现的姿态误差和干扰进行一定程度的校正和补偿；具有较小的体积和较低的功耗，并且具有较快的测量速度，易于无人机的安装和携带；磁力仪能够根据自身的姿态传感器对无人机的飞行姿态实时监测，并根据飞行姿态进行磁场的校正和补偿，提高了航空磁测的精度。
附图说明
下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：
图1为本发明的应用于无人机航空磁测平台的三轴TMR磁力仪结构图；
图2为本发明的处理器低速模式测量流程图；
图3为本发明的FPGA高速模式测量流程图；
图4为本发明的处理器高速模式测量流程图。
具体实施方式
为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图详细说明本发明的具体实施方式。
应用于无人机航空磁测平台的三轴TMR磁力仪，由三轴TMR传感器、模数转换器、姿态传感器、存储模块、处理器5个部分组成，总体结构如图1所示。
三轴TMR磁力仪传感器包括三片两两正交的TMR磁传感器，用于测量地磁场的三个分量，三轴TMR磁力仪传感器输出的是一个直流电压信号，并且随着地磁场的波动输出电压信号跟随波动，其输出电压信号与其敏感方向上的磁场强度呈线性关系。模数转换器用于检测三轴TMR磁力仪传感器输出的直流电压信号，并将其转为数字信号传输至处理器，采用较高位数的模数转换器保证磁力仪具有较高的磁场分辨率，并且模数转换器应具备多通道同步采集功能，保证三路信号的同步采集。姿态传感器用于获取无人机飞行过程的姿态数据以进行飞行姿态校正和补偿，并将无人机姿态数据传输至处理器。存储模块用于存储处理器接收到的经过模数转换器模数转换后的磁场数据和同一时刻姿态传感器获取的无人机姿态数据。处理器是整个系统的核心，用于控制模数转换器进行采集直流电压信号并转化为磁场数据，并将磁场数据和姿态数据存储在存储模块中。
本发明应用于无人机航空磁测平台的三轴TMR磁力仪包括两种测量模式，分别是低速模式和高速模式，低速模式可用于无人机较慢速度情况下的精细化测量，高速模式用于无人机较快速度情况下的快速测量。应用于无人机航空磁测平台的三轴TMR磁力仪还包括FPGA模块和电源管理模块，FPGA模块用于高速测量模式，电源管理模块用于整个系统的供电。
当用低速模式进行测量时，处理器直接控制模数转换器进行信号测量，此时模数转换器设置为较低采样率，并采取扫描模式。在磁力仪采样周期内多次循环对三个信号进行采样，然后进行均值滤波。低速模式下处理器的工作流程图如图2所示。
当用高速模式进行测量时，模数转换器设置为高采样率。三路数据同时以几十kSPS的采样率进行读数，此时普通的处理器无法胜任，而FPGA的工作时钟较高，其并行处理的特点正好用于三路数据的同步高速采集。处理器主要用来启动FPGA开始数据采集以及读取异步FIFO中的数据，高速模式下FPGA和处理器的程序流程图分别如图3和图4所示。
上面结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。

Claims (7)

1.应用于无人机航空磁测平台的三轴TMR磁力仪，其特征在于，包括三轴TMR磁力仪传感器、模数转换器、姿态传感器、存储模块和处理器；
三轴TMR磁力仪传感器的输出端连接模数转换器的输入端，处理器分别与模数转换器、姿态传感器和存储模块连接；
三轴TMR磁力仪传感器由三片两两正交的TMR磁传感器组成，用于测量地磁场的三个分量并输出直流电压信号；模数转换器用于接收三轴TMR磁力仪传感器输出的直流电压信号，并将其转为数字信号传输至处理器；姿态传感器用于获取无人机飞行过程的姿态数据以进行飞行姿态校正和补偿，并将无人机姿态数据传输至处理器；存储模块用于存储处理器接收到的经过模数转换器转换后的磁场数据和同一时刻姿态传感器获取的无人机姿态数据；模数转换器将直流电压信号转化为磁场数据，并将磁场数据和姿态数据存储在存储模块中。
2.根据权利要求1所述的应用于无人机航空磁测平台的三轴TMR磁力仪，其特征在于，所述直流电压信号随着地磁场的波动输出跟随波动，其输出电压信号与其敏感方向上的磁场强度呈线性关系。
3.根据权利要求1所述的应用于无人机航空磁测平台的三轴TMR磁力仪，其特征在于，还包括电源管理模块，电源管理模块用于对整个系统的进行供电。
4.根据权利要求1所述的应用于无人机航空磁测平台的三轴TMR磁力仪，其特征在于，具有第一测量模式和第二测量模式，针对于无人机不同飞行速度的情况，当飞行速度小于或等于预设速度时采用第一测量模式，当飞行速度大于预设速度时采用第二测量模式。
5.根据权利要求4所述的应用于无人机航空磁测平台的三轴TMR磁力仪，其特征在于，第一测量模式下，处理器直接控制模数转换器进行信号测量，此时模数转换器设置为第一采样率，并采取扫描模式，在磁力仪采样周期内循环对三路信号进行同步采集，然后进行均值滤波。
6.根据权利要求4所述的应用于无人机航空磁测平台的三轴TMR磁力仪，其特征在于，还包括FPGA模块，FPGA模块与模数转换器模数转换器连接，在第二测量模式下，处理器启动FPGA以相同的采样率对三路信号进行同步采集，模数转换器设置为高于第一采样率的第二采样率。
7.根据权利要求1所述的应用于无人机航空磁测平台的三轴TMR磁力仪，其特征在于，所述模数转换器具备多通道同步采集功能，能够同步采集三路信号。
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