CN114200528A - 一种基于无人直升机的航磁测量系统及方法 - Google Patents

一种基于无人直升机的航磁测量系统及方法 Download PDF

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邹安德
刘敬兵
赵法强
李斌
朱小伟
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Abstract

本发明提供了一种基于无人直升机的航磁测量系统及方法,所述系统至少包括:光泵磁力仪、三分量磁通门磁力仪、航磁补偿器、碳纤维杆和定位元件;所述碳纤维杆与无人直升机固定连接,光泵磁力仪、三分量磁通门磁力仪和航磁补偿器分别与碳纤维杆固定连接,定位元件分别与无人直升机固定连接;光泵磁力仪、三分量磁通门磁力仪和定位元件均与航磁补偿器通信连接,航磁补偿器利用预设干扰场系数对接收到的磁场数据进行补偿;本发明进行了针对性的磁屏蔽、轻量化、保温、防水和防尘设计,可在复杂地形区域实现高精度低空‑超低空仿地飞行航磁测量作业,填补了现用技术手段的不足,实现了高分辨率测量。

Description

一种基于无人直升机的航磁测量系统及方法
技术领域
本发明涉及航磁测量技术领域,特别涉及一种基于无人直升机的航磁测量系统及方法。
背景技术
本部分的陈述仅仅是提供了与本发明相关的背景技术,并不必然构成现有技术。
目前航磁测量搭载平台主要有传统有人机(包括固定翼飞机、直升机)、固定翼无人机、多旋翼无人机。
发明人发现,上述测量方式各自存在诸多不足,具体如下:
(1)传统有人机航磁测量系统作业需要机场、飞行员、空中操作员及地面保障团队等作业成本高,而且作业飞行空域申请难度大,飞行高度受限,难以实现低空-超低空大比例尺航磁测量工作;
(2)固定翼无人机飞行速度快,飞行姿态易受气流影响,航线保持能力差,难于实现精确导航飞行,实际飞行航迹与设计测线偏航较大,机动能力差,不适于复杂地形作业,不能完成高精度的低空-超低空大比例尺航磁测量与复杂地形高精度仿地航磁测量;
(3)多旋翼无人机有效载荷重量小,飞行中姿态变化大,航磁测量数据受无人机本身干扰大,无法完成长航程高精度航磁测量作业。
发明内容
为了解决现有技术的不足,本发明提供了一种基于无人直升机的航磁测量系统及方法,采用电动无人直升机搭载,航磁测量系统及载具进行了针对性的磁屏蔽、轻量化、保温、防水和防尘设计,可在复杂地形区域实现高精度低空-超低空仿地飞行航磁测量作业,填补了现用技术手段的不足,使复杂地形区域的低空-超低空航磁测量作业的航磁测量总精度达到±1nT以内,实现了高分辨率测量。
为了实现上述目的,本发明采用如下技术方案:
本发明第一方面提供了一种基于无人直升机的航磁测量系统。
一种基于无人直升机的航磁测量系统,至少包括:光泵磁力仪、三分量磁通门磁力仪、航磁补偿器、碳纤维杆和定位元件;
所述碳纤维杆与无人直升机固定连接,光泵磁力仪、三分量磁通门磁力仪和航磁补偿器分别与碳纤维杆固定连接,定位元件分别与无人直升机固定连接;
光泵磁力仪、三分量磁通门磁力仪和定位元件均与航磁补偿器通信连接,航磁补偿器利用预设干扰场系数对接收到的磁场数据进行补偿。
进一步的,光泵磁力仪的探头用3D打印的无磁性流线型壳体包裹。
进一步的,无人直升机还固定连接有雷达高度计。
进一步的,碳纤维杆的一端与无人直升机固定连接,光泵磁力仪的探头安装在碳纤维杆的另一端。
进一步的,无人直升机的机身构造件均采用无磁材料,无人直升机的主旋翼舵机和尾旋翼舵机均采用铝箔包裹。
进一步的,航磁补偿器采用无磁壳体包裹。
进一步的,航磁补偿器的散热出风口位于航磁补偿器的底部,出风口上设有隔尘网。
进一步的,无人机直升机的主电池通气窗孔包括多个窗孔档位,根据窗孔档位与气温的对应关系以及当前气温监测结果,进行窗孔档位的转换。
进一步的,航磁补偿器与地面控制终端通信连接。
本发明第二方面提供了一种上述基于无人直升机的航磁测量系统的工作方法,包括以下过程:
进行标定飞行,使无人直升机到达指定飞行高度后,按照北、东、南、西个方位,分别自动顺序执行滚转±10°、偏航±5°和俯仰±5°的机动动作;
三分量磁通门磁力仪与光泵磁力仪记录下无人直升机特定姿态变化产生的磁场变化,按照飞机干扰场数学模型计算出干扰场系数;
航磁补偿器利用干扰场系数对接收到的磁场数据进行补偿,得到补偿后的磁场数据。
进一步的,选择作业区域预设距离范围内的地形平缓且区域磁场的梯度变化小于50nT/km的区域,进行标定飞行。
与现有技术相比,本发明的有益效果是:
1、本发明采用电动无人直升机搭载,航磁测量系统及载具进行了针对性的磁屏蔽、轻量化、保温、防水和防尘设计,可在复杂地形区域实现高精度低空-超低空仿地飞行航磁测量作业,填补现用技术手段的不足,使复杂地形区域的低空-超低空航磁测量作业的航磁测量总精度达到±1nT以内,实现了高分辨率测量。
2、本发明采用无人直升机搭载的高精度航磁测量系统,具有载重大,飞行姿态稳定,航线保持能力强,飞行速度可调,机动能力强的技术特点,可在复杂地形条件下实现低空-超低空大比例尺高精度航磁测量工作,具有作业成本低、安全性好和作业效率高的突出优势。
本发明附加方面的优点将在下面的描述中部分给出,部分将从下面的描述中变得明显,或通过本发明的实践了解到。
附图说明
构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解,本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明,并不构成对本发明的不当限定。
图1为本发明实施例1提供的基于无人直升机的航磁测量系统的结构示意图。
图2为本发明实施例1提供的基于无人直升机的航磁测量系统的数据传输框图。
图3为本发明实施例1提供的基于无人直升机的航磁测量系统的操作流程示意图。
1-1、光泵磁力仪;1-2、三分量磁通门磁力仪;1-3、光泵磁力仪数据采集器;1-4、高强度碳纤支杆;1-5、高精度GPS天线;1-6、雷达高度计;1-7、航磁补偿器;2无人直升机。
具体实施方式
下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。
应该指出,以下详细说明都是示例性的,旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明,本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是,这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式,而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的,除非上下文另外明确指出,否则单数形式也意图包括复数形式,此外,还应当理解的是,当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时,其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
在不冲突的情况下,本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
实施例1:
如图1和2所示,本发明实施例1提供了一种基于无人直升机的航磁测量系统,包括:光泵磁力仪1-1(包括采集单元和连接线)、三分量磁通门磁力仪1-2、光泵磁力仪数据采集器1-3、高精度GPS天线1-5、高强度碳纤维杆1-4、雷达高度计1-6、航磁补偿器1-7(包括数据存储单元)和挂载组件。
无人直升机2包含飞控数据、高度数据(由雷达高度计1-6测得)、GPS坐标数据与PPS信号(由高精度GPS天线1-5测得)的导出通路、电源输出模块和数据通讯模块。
将光泵磁力仪1-1和三分量磁通门磁力仪1-2按照预定位置,固定在高强度碳纤维杆1-4的卡槽上,光泵磁力仪1-1的采集单元通过连接电缆,连接到航磁补偿器1-7,三分量磁通门磁力仪1-2与航磁补偿器1-7连接,光泵磁力仪1-1测得磁总场数据与三分量磁通门磁力仪1-2测得三分量磁场数据导入航磁补偿器1-7,无人直升机为航磁系统提供电源,并将GPS位置坐标与PPS信号导入航磁补偿器1-7,经航磁补偿器1-7补偿处理后的航磁数据存储于存储单元。
本实施例中,光泵磁力仪1-1也与光泵磁力仪数据采集器1-3连接,用于直接的采集磁总场值并保存。
航磁补偿器1-7主要作用是消除搭载航磁系统的无人直升机在航磁作业过程中飞机自身引起的磁场干扰,其工作原理为:
在正式飞行作业前选择作业区域附近地形平缓,区域磁场平稳(梯度变化小于50nT/km)的区域,进行标定飞行,依据无人直升机具备悬停机动的特性,设置飞行控制程序,开启航磁测量系统后,使无人直升机到达指定飞行高度后,按照北、东、南、西个方位,分别自动顺序执行滚转±10°,偏航±5°,俯仰±5°的机动动作,三分量磁通门磁力仪与光泵磁力仪记录下无人直升机特定姿态变化产生的磁场变化,按照飞机干扰场数学模型计算出干扰场系数;计算出标准差,对补偿效果进行评价,标准差满足小于0.08nT时,补偿效果满足当前规范要求,即可投入航磁测量使用。
自动补偿运行模式下,光泵磁力仪1-1测的磁场总场值,三分量磁通门磁力仪1-2测得三分量磁场值,采用干扰场系数进行实时补偿,补偿前、后的磁场数据均记录在航磁补偿器1-7的存储单元中。
可以理解的,在其他一些实施方式中,航磁补偿器也可以直接替换为数据采集器,然后采用后补偿程序,即直接的进行数据采集,在地面控制终端执行磁数据的补偿。
本实施例中,光泵磁力仪的探头用3D打印的无磁性流线型壳体包裹,实现了光泵磁力仪的探头物理防护、保温、降低风阻的需求,采用前伸布置方式安装在高强度碳纤维杆1-4的前端,远离无人直升电动组件,降低了无人机自身对光泵磁力仪探头的磁干扰。
本实施例中,为降低无人直升机机体的磁干扰,无人直升机的机身构造件,均采用无磁材料,对主旋翼、尾旋翼舵机均采用铝箔包裹方式进行磁屏蔽。
航磁补偿器1-7均采用无磁壳体包裹,散热出风口设置仪器下部,并添加隔尘网,实现防尘、防水效果,无人机直升机主电池通气窗孔为档位可调模式,获取窗孔档位与气温的对应关系,根据气温情况,进行适当调节,实现主电池的温度保持功能。
如图3所示,上述系统的工作流程如下:
S1:进行航线规划,下达飞行任务书;
S2:到达起降场地,无人直升机航磁测量系统组装,包括:摆放警示标志,圈定安全工作区;架设GCU基站与地面站系统操作台;组装无人机平台与航磁测量系统;
S3:无人机航磁系统适航性检查;
S4:遥控器开机,地面站系统(CAT)开机,连接GCU;
S5:无人机平台与航磁系统接通EPU电源;
S6:航磁测量系统飞行前检查,包括:无人机飞行前检查和航磁系统飞行前检查;
S7:机长姿态模式试飞完成起飞→爬高→平飞→降高→降落动作,确认无人机各部件工作状态正常;
S8:航线导入,机长报告飞行参数,录入地面站系统;
S9:航次系统操作员确认航磁系统与监控系统工作状态正常,记录下测高仪输出值;
S10:首架次机长姿态模式起飞,确认无人机状态正常;
S11:如果发现异常情况机长手动降落飞机,返回S8,否则,执行下一步;
S12:地面站接管无人机,执行航磁测量任务;
S13:任务完成后,飞机返航,按机长指令降落;
S14:航磁操作员下载保存航磁数据;
S15:机长助理接EPU电源,断开主电源;
S16:地面站系统操作员填写飞行报告,航磁系统操作员填写航空物探操作员记录表;
S17:顺序执行测线测量任务;
S18:当天最后一个架次降落后,执行飞行后检查,完成后,系统断电,拆卸装箱;
S19:通知磁日变观测员,收日变磁力仪;
S20:返回基地,对采集数据进行预处理,并对数据质量进行评价,打印预处理报告存档。
其中,S12执行完毕后,还执行如下操作:
S21:地面站操作员监控无人机仪表参数,航磁系统操作员监控航磁测量数据与监控视频情况;
S22:发现异常情况报告机长;
S23:机长下达指令给地面站系统操作员;
S24:故障或异常情况排查;
S25:返回S6。
本实施例中,S1步骤执行完毕后,架设磁日边站,直接进入S19。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已,并不用于限制本发明,对于本领域的技术人员来说,本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内,所作的任何修改、等同替换、改进等,均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于无人直升机的航磁测量系统,其特征在于:
至少包括:光泵磁力仪、三分量磁通门磁力仪、航磁补偿器、碳纤维杆和定位元件;
所述碳纤维杆与无人直升机固定连接,光泵磁力仪、三分量磁通门磁力仪和航磁补偿器分别与碳纤维杆固定连接,定位元件分别与无人直升机固定连接;
光泵磁力仪、三分量磁通门磁力仪和定位元件均与航磁补偿器通信连接,航磁补偿器利用预设干扰场系数对接收到的磁场数据进行补偿。
2.如权利要求1所述的基于无人直升机的航磁测量系统,其特征在于:
光泵磁力仪的探头用3D打印的无磁性流线型壳体包裹;
或者,
无人直升机还固定连接有雷达高度计。
3.如权利要求1所述的基于无人直升机的航磁测量系统,其特征在于:
碳纤维杆的一端与无人直升机固定连接,光泵磁力仪的探头安装在碳纤维杆的另一端。
4.如权利要求1所述的基于无人直升机的航磁测量系统,其特征在于:
无人直升机的机身构造件均采用无磁材料,无人直升机的主旋翼舵机和尾旋翼舵机均采用铝箔包裹。
5.如权利要求1所述的基于无人直升机的航磁测量系统,其特征在于:
航磁补偿器采用无磁壳体包裹。
6.如权利要求1所述的基于无人直升机的航磁测量系统,其特征在于:
航磁补偿器的散热出风口位于航磁补偿器的底部,出风口上设有隔尘网。
7.如权利要求1所述的基于无人直升机的航磁测量系统,其特征在于:
无人机直升机的主电池通气窗孔包括多个窗孔档位,根据窗孔档位与气温的对应关系以及当前气温监测结果,进行窗孔档位的转换。
8.如权利要求1所述的基于无人直升机的航磁测量系统,其特征在于:
航磁补偿器与地面控制终端通信连接。
9.一种基于无人直升机的航磁测量系统的工作方法,其特征在于:利用权利要求1-7任一项所述的基于无人直升机的航磁测量系统,包括以下过程:
进行标定飞行,使无人直升机到达指定飞行高度后,按照北、东、南、西个方位,分别自动顺序执行滚转±10°、偏航±5°和俯仰±5°的机动动作;
三分量磁通门磁力仪与光泵磁力仪记录下无人直升机特定姿态变化产生的磁场变化,按照飞机干扰场数学模型计算出干扰场系数;
航磁补偿器利用干扰场系数对接收到的磁场数据进行补偿,得到补偿后的磁场数据。
10.如权利要求9所述的工作方法,其特征在于:
选择作业区域预设距离范围内的地形平缓且区域磁场的梯度变化小于50nT/km的区域,进行标定飞行。
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