CN113514895A - 一种多旋翼无人机航磁探测系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种多旋翼无人机航磁探测系统及方法，包括旋翼无人机、数据采集单元、光泵磁力传感器和地面控制终端；光泵磁力传感器与数据采集单元均设置在多旋翼无人机内；数据采集单元包括MCU控制器、存储器、定位模块和无线传输模块；地面控制终端包括无人机控制器、信号基站和运算设备。利用多旋翼无人机将光泵磁力传感器携带至测线中进行磁力探测，同时通过无线通信将探测数据返回至地面控制终端，不需要大型有人飞机，操作简便，降低了航空磁测成本，提高航空磁力勘探效率。特别适合应用于小面积大比例尺的测区，具有低成本、低门槛、快速评价、超低空飞行、操作简便和磁测精度高等优势。

Description

一种多旋翼无人机航磁探测系统及方法

技术领域

本发明涉及航测技术领域，具体是一种多旋翼无人机航磁探测系统及方法。

背景技术

航空磁力探测是将高精度磁力传感器安装在飞行器上对地磁场进行探测，获取地磁场的磁力特征，通过对所获取数据进行日变改正、姿态等校准后成图来分析判断地质情况或推测找矿靶区的一种物探方法。传统的航空磁力探测装置需要在有人驾驶的专用飞机上使用，设备笨重、作业成本高；受空域、天气、地形、机械、跑道条件的限制，人员的安全受到威胁。专业飞行器飞行速度快，效率高，但是采样点距大，分辨率低；需要专业的飞行员进行手动飞行，无法进行仿地飞行，不能在小面积的矿区开展大比例尺工作。此外，专业飞行器飞行高度较高，无法进行超低空飞行。为此，提出一种多旋翼无人机航磁探测系统及方法。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的是提供一种多旋翼无人机航磁探测系统及方法，能够利用多旋翼无人机进行磁航探测，降低航空磁测成本和难度。

本发明的一种多旋翼无人机航磁探测系统，包括多旋翼无人机、数据采集单元、光泵磁力传感器和地面控制终端；

光泵磁力传感器与数据采集单元均设置在多旋翼无人机内；

数据采集单元包括MCU控制器、存储器、定位模块和无线传输模块，光泵磁力传感器、存储器、定位模块和无线传输模块均与MCU控制器连接；

地面控制终端包括无人机控制器、信号基站和运算设备，信号基站用于接收无线传输模块的数据信号并发送至运算设备，无人机控制器与运算设备连接以获取无人机的飞行数据。

进一步地，所述MCU控制器采用STM32单片机为核心的最小系统，所述存储器为SD卡，所述定位模块采用GPS+北斗双模定位模块，所述无线传输模块为LORA模块；

LORA模块和定位模块通过串口与STM32单片机的IO端口连接，SD卡通过SDIO接口与STM32单片机的IO端口连接。

进一步地，所述数据采集单元内设有5V电源、升压电路和降压电路，升压电路输入接5V电源并输出12V至所述光泵磁力传感器，降压电路输入接5V电源并输出3.3V至所述STM32单片机和SD卡，所述LORA模块直接5V电源。

进一步地，所述STM32单片机上还设有USB接口，USB接口用传输数据和拓展传感器。

本发明还提供一种多旋翼无人机航磁探测方法，包括以下步骤：

(1)依据工区地质和地形规划测线，包括测线防线和线距；

(2)依据航磁测量比例尺、地形情况设置仿地飞行高度，生成地面控制终端可识别的KML文件；

(3)在地面架设磁力日变站，将光泵磁力传感器与定位模块同步，地面控制终端控制无人机起飞并沿测线飞行，无线传输模块将采集的数据发送至地面控制终端。

本发明的有益效果是：本发明的一种多旋翼无人机航磁探测系统及方法，利用多旋翼无人机将光泵磁力传感器携带至测线中进行磁力探测，同时通过无线通信将探测数据返回至地面控制终端，不需要大型有人飞机，操作简便，降低了航空磁测成本，提高航空磁力勘探效率。特别适合应用于小面积大比例尺的测区，具有低成本、低门槛、快速评价、超低空飞行、操作简便和磁测精度高等优势。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本申请的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它相关的附图：

图1为本发明的系统结构框图；

图2为本发明的数据采集单元的MCU控制器的电路图；

图3为本发明的数据采集单元的定位模块的电路图；

图4为本发明的数据采集单元的无线传输模块的接口电路图；

图5为本发明的数据采集单元的无线传输模块的接口电路；

图6为本发明中为控制MCU和SD卡供电的降压电路的电路图；

图7为本发明中为定位模块供电的降压电路的电路图；

图8为本发明光泵磁力传感器的接口电路图；

图9为本发明的方法流程图。

具体实施方式

为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本申请实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本申请的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本申请的范围，而是仅仅表示本申请的选定实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

如图1-图9所示：本实施例的一种多旋翼无人机航磁探测系统，包括多旋翼无人机、数据采集单元、光泵磁力传感器和地面控制终端；

光泵磁力传感器与数据采集单元均设置在多旋翼无人机内，光泵磁力传感器随多旋翼无人机升空，进行磁力探测工作；

数据采集单元包括MCU控制器、存储器、定位模块和无线传输模块，其中，MCU控制器采用STM32单片机为核心的最小系统，最小系统中包括复位电路、时钟电路等，存储器为SD卡，定位模块采用GPS+北斗双模定位模块，型号为S1216F8，无线传输模块为LORA模块；

LORA模块通过USART串口1(USART1_RX和USART1_TX)与STM32单片机的IO引脚(PA9和PA10)连接，LORA模块的无线传输工作频率410-441Mhz，具有低功耗、高性能远距离传输。采用高效的ISM频段射频SX1278扩频芯片，通过串口与MCU相连，进行通信和配置。可以将无人机上的磁场数据和GPS信息通过空中传输到地面基站，传输距离1-5km；

定位模块通过USART串口3(USART3_RX和USART3_TX)与STM32单片机的IO引脚(PB10和PB11)连接，GPS+BD双模定位系统使用的是S1216F8-BD GPS，通过USART(串口)方式，输出的GPS/北斗定位数据采用NMEA-0183协议，控制协议为SkyTraq协议。其通过串口与MCU连接，MCU接收串口传输过来的NMEA协议，利用编译的嵌入式程序解译出卫星定位信息，包括UTM日期和时间、经纬度坐标、高程、GPS卫星个数等。MCU控制器还可以通过SkyTraq控制协议设置GPS的采样率、波特率、输出信息等；

SD卡通过SDIO接口(包括数据线SDIO_D0、SDIO_D1、SDIO_D2和SDIO_D3、时钟引脚SDIO_SCK和命令和响应多路复用引脚SDIO_CMD)与STM32单片机的IO引脚(依次为PC8、PC9、PC10、PC11、PC12和PD2)连接；

此外STM32单片机上设有USART串口2，通过USART2_RX和USART2_TX线与STM32单片机的PA2和PA3引脚连接，此串口以USB接口的形式用于拓展传感器，如采集无人机飞行数据的避障传感器、姿态传感器等，本实施中用于连接光泵磁力传感器；

STM32单片机与无人机本身的控制器连接用于获取无人机的飞行姿态信息，或者通过USART串口2加装多种飞行数据传感器(如气压高度传感器、三轴姿态传感器、测速传感器等)，从而获得较为完整的多旋翼无人机飞行数据；

数据采集单元采用USB供电的形式，设有USB供电接口，USB供电的电压为5V，通过降压器或者三端稳压器降至3.3V提供给STM32单片机、SD卡和定位模块供电；同时通过DC-DC电路升至12V提供给光泵磁力传感器供电，DC-DC电路采用LT3580芯片，能在5V供电时候升压到12V时候最大输出电流550mA，为磁力传感器供电；LORA模块直接采用5V供电；

STM32单片机的内部写入程序依据需求配置磁力传感器采样率，并实时监控磁力传感器锁定状态，换算磁场强度；程序将实时的GPS卫星数据、磁力传感器数、无人机的实时姿态数据存储在大容量SD卡中；为了更快的写入SD卡，采用的是4线的SDIO驱动模式；写入SD卡的数据采用DMA传输模式这样不会影响各个中断，减少CPU占用率。

系统中的地面控制终端包括无人机控制器(遥控器)、LORA基站和运算设备(PC和手机)，无人机控制器的信号频段2.4GHz或者5.8GHz，LORA信号的频段为410-441MHz，无人机控制器的信号覆盖范围大于LORA信号的范围，因此二者互不干扰且同时正常收发；

LORA基站用于接收数据采集单元中的LORA信号并转发至运算设备，从而将光泵磁力传感器获取的探测结果以及多旋翼无人机的飞行姿态发动至电脑或者手机中，无人机控制器与运算设备连接，运算设备可以直接接管多旋翼无人机的遥控权，多旋翼无人机可以按照运算设备中存储的航线进行飞行。

用于实现上述系统的功能的具体实施步骤如下，包括：

步骤1、使用现有的避障无人机在目标区域进行低空飞行，避障无人机会依据工区地质和地形进行飞行，飞行的航迹即为规划测线，规划测线需至少包括测线防线和线距；

步骤2、依据航磁测量比例尺、地形情况设置仿地飞行高度，生成地面控制终端可识别的KML文件，KML文件是一种记录运动轨迹的文件，其中包含了多旋翼无人机飞行时每个点的经度、纬度、海拔信息，地面控制终端通过KML文件可以记录完整的测线(即航迹)；

步骤3、在地面架设磁力日变站，将光泵磁力传感器与定位模块同步，地面控制终端控制无人机起飞并沿KML文件中的测线飞行，无线传输模块将采集的数据发送至地面控制终端；

步骤4、多旋翼无人机和数据采集单元通过LORA信号返回其测量信号和航迹信号，地面控制终端根据返回信号对多旋翼无人机的飞行轨迹进行修正，飞行结束后，将SD卡中数据导出改正处理、成图、解译，即可获得最终的探测结果。

综上，本发明的一种多旋翼无人机航磁探测系统及方法，利用多旋翼无人机将光泵磁力传感器携带至测线中进行磁力探测，同时通过无线通信将探测数据返回至地面控制终端，不需要大型有人飞机，操作简便，降低了航空磁测成本，提高航空磁力勘探效率。特别适合应用于小面积大比例尺的测区，具有低成本、低门槛、快速评价、超低空飞行、操作简便和磁测精度高等优势。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (5)

1.一种多旋翼无人机航磁探测系统，其特征在于：包括多旋翼无人机、数据采集单元、光泵磁力传感器和地面控制终端；

光泵磁力传感器与数据采集单元均设置在多旋翼无人机内；

数据采集单元包括MCU控制器、存储器、定位模块和无线传输模块，光泵磁力传感器、存储器、定位模块和无线传输模块均与MCU控制器连接；

地面控制终端包括无人机控制器、信号基站和运算设备，信号基站用于接收无线传输模块的数据信号并发送至运算设备，无人机控制器与运算设备连接以获取无人机的飞行数据。

2.根据权利要求1所述的一种多旋翼无人机航磁探测系统，其特征在于：所述MCU控制器采用STM32单片机为核心的最小系统，所述存储器为SD卡，所述定位模块采用GPS+北斗双模定位模块，所述无线传输模块为LORA模块；

LORA模块和定位模块通过串口与STM32单片机的IO端口连接，SD卡通过SDIO接口与STM32单片机的IO端口连接。

3.根据权利要求2所述的一种多旋翼无人机航磁探测系统，其特征在于：所述数据采集单元内设有5V电源、升压电路和降压电路，升压电路输入接5V电源并输出12V至所述光泵磁力传感器，降压电路输入接5V电源并输出3.3V至所述STM32单片机和SD卡，所述LORA模块直接5V电源。

4.根据权利要求2所述的一种多旋翼无人机航磁探测系统，其特征在于：所述STM32单片机上还设有USB接口，USB接口用传输数据和拓展传感器。

5.一种多旋翼无人机航磁探测方法，其特征在于：包括以下步骤：

(1)依据工区地质和地形规划测线，包括测线防线和线距；

(2)依据航磁测量比例尺、地形情况设置仿地飞行高度，生成地面控制终端可识别的KML文件；

(3)在地面架设磁力日变站，将光泵磁力传感器与定位模块同步，地面控制终端控制无人机起飞并沿测线飞行，无线传输模块将采集的数据发送至地面控制终端。

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