CN115167488A - 基于半航空瞬变电磁探测的无人机飞行轨迹规划方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了基于半航空瞬变电磁探测的无人机飞行轨迹规划方法，该方法包括以下步骤：S1、启动无人机飞行，同步获取地表高程信息；S2、确定无人机航点，将位移分段；S3、飞行过程中，保持无人机加速度随时间变化率最小化；S4、飞行完成后，通过采集数据求解并获得无人机飞行轨迹；S5、调整飞行轨迹的高程为h；S6、启动无人机并以高程h飞行，同步获取瞬变电磁信号；该方法能够减少因地表起伏引起的瞬变电磁信号衰减问题，确保无人机以平滑稳定的姿态进行数据采集，提高探测精度和勘探深度，提高了数据采集质量，确保物探资料的可靠性。
Description
技术领域
本发明涉及应用地球物理探测技术领域，特别涉及基于半航空瞬变电磁探测的无人机飞行轨迹规划方法。
背景技术
半航空瞬变电磁法是90年代提出的一种新的勘探方法，它采用地面发射、空中接收的工作模式，这种探测模式既充分发挥了地面瞬变电磁法的大功率发射的优势，又承接了航空瞬变电磁法的空中快速勘探的优势。与地面瞬变电磁法相比，半航空瞬变电磁法的工作效率更加高速而摆脱了地形环境的制约，可以大大减少人员成本；与航空瞬变电磁相比，半航空瞬变电磁系统的探测方式安全性更高，勘测成本更低，而且采集的信号信噪比更高；相比于传统的电法探测方式，半航空瞬变电磁探测系统的探测区域更加全面，系统能够采集到更加丰富的信息量，最终能够更加全面的反映地下地质体信息。尤其，在荒漠、山区等人员无法到达的地质勘察中，能够有效降低勘探风险，节约人员成本，提高勘察效率。
半航空瞬变电磁系统最早起源于俄罗斯和西欧，TerraAir系统是加拿大的Fugro公司于2001年研制的半航空时间域电磁系统，但是两个系统之家没有进行同步，接收系统采集了全波段波形，Smith等人将TerraAir系统采集到的数据与地面、航空瞬变电磁进行比较分析，如表1所示。通过数据对比可知，虽然半航空瞬变电磁法采用了地面发射的方式增强了信号强度，但同地面瞬变电磁法相比，信号强度和信噪比仍有巨大的差异。这是因为在半航空瞬变电磁接收系统中，同步采集装置和线圈传感器组成的采集系统搭载在无人机上，而大部分商用无人机的载荷和航时比较有限，对线圈传感器的体积和重量有着严格的要求。根据法拉第电磁感应定律：
E＝N·S·dB/dt (1)
其中N为线圈匝数，S为有效面积，E为感应电动势。在瞬变电磁法探测中，不同电导率介质在一次场作用下感生出的二次场在衰减速率上是不同的，被测介质导电性越差，其二次场衰减速率越快。因此，在线圈匝数和有效面积有限的情况下，减小感应电磁场在空气传播中的衰减尤为重要。
表1三种瞬变电磁探测方式数据对比
在实际应用中为避免无人机被障碍物阻拦，通常选择抬高无人机飞行高度，通过激光或雷达测距技术获得无人机和地表相对高程用于后续数据处理。虽然这种采集方式操作便捷，有利于确保无人机飞行安全，但对于地表高程起伏变化大的地区，信号衰减成为制约半航空瞬变电磁法探测效果的关键因素。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术中所存在的上述因地表高程起伏变化大引起的低高程区域瞬变电磁二次场感应信号传播衰减问题，提供基于半航空瞬变电磁探测的无人机飞行轨迹规划方法，减少因地表起伏引起的瞬变电磁信号衰减问题，确保无人机以平滑稳定的姿态进行数据采集，提高探测精度和勘探深度，提高了数据采集质量，确保物探资料的可靠性。
为了实现上述发明目的，本发明提供了以下技术方案：
基于半航空瞬变电磁探测的无人机飞行轨迹规划方法，其包括以下步骤：
S1、使用无人机搭载激光测距仪，启动无人机并以预设的高程H沿设计勘察测线飞行，同步获取地表高程信息；
S2、通过地表高程信息确定无人机航点，将飞行路线从起点到终点划为n+1个航点，飞行路径划分为n段；
S3、在无人机沿设计勘察测线飞行过程中，保持无人机动力输出平缓，使得加速度随时间变化率最小化；
S4、飞行完成后，通过采集数据求解无人机位移函数，获得无人机飞行轨迹；
S5、在计算得到的飞行轨迹基础上，调整飞行轨迹的高程为h；
S6、使用无人机搭载瞬变电磁数据采集仪，启动无人机并以高程h沿设计勘察测线飞行，同步获取瞬变电磁信号。
通过获取高程信息，确定无人机航点，将航点划分为n段，通过无人机的平缓输出，保持飞行路径上加速度随时间变化率最小化，通过采集数据确定无人机位移函数，再调整高程，按新的高程飞行获取电磁信号；引入了加速度变化率最小化的规划方法，能够确保无人机以平滑稳定的姿态进行数据采集，避免因轨迹变化接收线圈晃动引起的采集干扰，获得强度和信噪比均大幅提升的原始数据资料；电磁波在空气中传播的距离越短，衰减就越小，因为瞬变感应的电磁波信号在空气中衰减很大，无人机越贴近地表，电磁波在空气中传播的距离越短，衰减就越小，因为瞬变感应的电磁波信号在空气中衰减很大，通过调整高程再次飞行获取数据，减少因地表起伏引起的瞬变电磁信号衰减问题，有利于提高半航空瞬变电磁法勘探深度和探测精度。
在本发明较佳的实施方案中，上述步骤S3中使加速度随时间变化率最小化，飞行路径满足下列公式：
其中，r为路径函数，由无人机在三坐标轴上的位移函数x(t)、y(t)、z(t)描述；通过无人机加速度随时间的变化是连续可导的光滑函数，这样规划轨迹应当满足加速度随时间变化率最小化，使得无人机动力输出尽可能平缓，确保无人机保持平滑稳定的状态。
在本发明较佳的实施方案中，上述步骤S4中，求解位移函数具体为：
S41、在n个飞行路径的位移段中，选择第k个航点，在第k个航点和第k+1个航点之间，建立三维坐标系的x维度上的第k段位移函数；
S42、在所选第k段飞行路径的起点和终点，建立x维度上的坐标等式；
S43、设定整个飞行开始和结束时，无人机的初末速度、初末加速度都为零，建立加速度方程等式；
S44、根据飞行路径位移段的分段衔接平滑，建立衔接处速度和加速度等式；
S45、对飞行路径位移段的分段边界进行三阶、四阶导数连续性约束，建立位移段的三阶、四阶方程等式；
S46、求解步骤S42-S45中的方程等式组，得到位移函数；重复以上步骤建立z维度上的坐标等式并进行求解。
通过建立三维坐标系上无人机的位移函数，利用速度、加速度构建条件等式，获得多个等式，最终求解出两个方向上的位移函数，最终获得无人机的轨迹，能够通过分段求解的方式建立不同段的等式关系，通过加速度最小化的关系建立等式，能够准确求出无人机的轨迹，为半航空瞬变电磁法勘探深度和精度提供计算依据。
在本发明较佳的实施方案中，上述步骤S5中，调整高程h时，通过h＝H+a进行调整，a为常数；通过高程的调整，能够避免撞机，保障飞行安全，在贴近地面的同时避开障碍物。
5.根据权利要求1的基于半航空瞬变电磁探测的无人机飞行轨迹规划方法，其特征在于，当需要对采集数据进行分析时，还包括以下步骤：
S7、对采集电磁信号进行坐标信息输入和预处理，经反演计算获得地下断面的反演电阻率数据；通过信息输入和预处理，对异常数据点进行校正或删除，提高了采集数据的准确度，为瞬变电磁法探测提供参数。
在本发明较佳的实施方案中，上述步骤S41中，建立的第k段位移函数xk(t)为：
xk(t)＝akt5+bkt4+ckt3+dkt2+ekt+fk
其中，ak、bk、ck、dk、ek、fk为待定系数，t为经历的时间；通过将位移函数分段，将整个飞行路径进行了分解，能够更加接近于真实的飞行路径，确保飞行轨迹的连续性、减小单段飞行轨迹的误差。
在本发明较佳的实施方案中，上述步骤S42中，建立的坐标等式为：
xk(Tk)＝xk
xk(Tk+1)＝xk+1
其中，k＝1,2,3，…，n；Tk为第k段时间；通过对每个分段位移的起点和终点建立约束条件，使得多项式函数与航点坐标相吻合。
在本发明较佳的实施方案中，上述步骤S43中，建立加速度方程等式为：
x1′(T1)＝xn′(Tn+1)＝0
x1″(T1)＝xn″(Tn+1)＝0
其中，T1为第1段时间，Tn+1为第n+1段时间。
通过对分段位移中，无人机开始和结束时的速度、加速度进行约束，方便求解出与真实飞行相接近的位移函数。
在本发明较佳的实施方案中，上述步骤S44中，建立衔接处速度和加速度等式为：
xk′(Tk+1)-xk+1′(Tk+1)＝0
xk″(Tk+1)＝xk+1″(Tk+1)＝0
其中，k＝1,2,3，…，n-1；轨迹的一阶导数是速度，二阶导数是加速度，通过对衔接处考虑速度和加速度条件，再次建立等式，保证无人机飞行中的稳定性。
在本发明较佳的实施方案中，上述步骤S45中，建立位移段的三阶、四阶方程等式为：
xk″′(Tk+1)-xk+1″′(Tk+1)＝0
xk″′(Tk+1)＝xk+1″″(Tk+1)＝0
其中，k＝1,2,3，…，n-1；轨迹的三阶导数是加速度的变化率，加速度变化率最小，让轨迹在更高阶导数上具有连续平滑的特性，保证无人机飞行中的稳定性。
与现有技术相比，本发明的有益效果：
本发明摒弃了常规的直线型无人机飞行轨迹规划方式，引入基于加速度变化率最小化的轨迹规划技术方案，建立位移函数，通过位移函数的各阶导数，使得轨迹再更高阶导数上具有连续平滑的特性，能够极大的避免因地表高程变化大引起的低高程区域瞬变电磁信号衰减问题，同时能够确保无人机以平滑稳定的姿态进行数据采集，避免因轨迹变化接收线圈晃动引起的采集干扰。由此获得了强度和信噪比均大幅提升的原始数据资料，有利于提高半航空瞬变电磁法勘探深度和探测精度。
附图说明
图1为基于半航空瞬变电磁探测的无人机飞行轨迹规划方法的步骤图；
图2为求解无人机位移函数的步骤图；
图3为基于半航空瞬变电磁探测的无人机飞行的数据采集规划示意图；
图中标记：1-航点；2-飞行路径；3-地表。
具体实施方式
下面结合试验例及具体实施方式对本发明作进一步的详细描述。但不应将此理解为本发明上述主题的范围仅限于以下的实施例，凡基于本发明内容所实现的技术均属于本发明的范围。
实施例1
请参照图1，本实施例提供基于半航空瞬变电磁探测的无人机飞行轨迹规划方法，该方法采用现有的无人机进行操作，无人机的底部搭载有接收线圈，用于半航空瞬变电磁探测，其包括以下步骤：
S1、使用无人机搭载激光测距仪，启动无人机并以预设的高程H沿设计勘察测线飞行，同步获取地表3高程信息，通过无人机飞行同时采集获取高程信息，能够获得实时和真实的地表3高程信息；
S2、通过地表3高程信息确定无人机航点1，将飞行路线从起点到终点划为n+1个航点1，飞行路径2划分为n段；确定无人机航点1便于对飞行路径2进行划分，将航点1划分为n段。
S3、在无人机沿设计勘察测线飞行过程中，保持无人机动力输出平缓，使得加速度随时间变化率最小化；通过无人机的平缓输出，保证了无人机的平稳飞行，保持飞行路径2上加速度随时间变化率最小化。
使加速度随时间变化率最小化，飞行路径2满足下列公式：
其中，r为路径函数，由无人机在三坐标轴上的位移函数x(t)、y(t)、z(t)描述；引入了加速度变化率最小化的规划方法，通过无人机加速度随时间的变化是连续可导的光滑函数，这样规划轨迹应当满足加速度随时间变化率最小化，使得无人机动力输出尽可能平缓，确保无人机保持平滑稳定的姿态进行数据采集，避免因轨迹变化接收线圈晃动引起的采集干扰，获得强度和信噪比均大幅提升的原始数据资料。
S4、飞行完成后，通过采集数据求解无人机位移函数，获得无人机飞行轨迹；通过确定无人机位移函数，能够得到无人机飞行轨迹；
请参照图2和图3，求解位移函数的步骤具体为：
S41、在n个飞行路径2的位移段中，选择第k个航点1，在第k个航点1和第k+1个航点1之间，建立三维坐标系的x维度上的第k段位移函数；通过建立三维坐标系上无人机的位移函数，能够将飞行路径2在三轴上进行分解，便于对飞行路径2进行求解。
在第k个航点1和第k+1个航点1之间建立的第k段位移函数xk(t)为：
xk(t)＝akt5+bkt4+ckt3+dkt2+ekt+fk (3)
其中，ak、bk、ck、dk、ek、fk为待定系数，t为经历的时间；每个分段将会出现6个待定的系数ak、bk、ck、dk、ek、fk，需要规划的路线共有n段。因此这个路线规划问题将有6n个需要解出的参数，考虑z维度，需要求解的参数总计有12n个。
上述公式3是一个5次多项式，加速度变化率最小，实际上就是对该公式求3次导数，这样就变成2次多项式，2次多项式存在极小值的问题，所以也就可以求取得到满足条件的各系数值。通过将位移函数分段，将整个飞行路径2进行了分解，能够更加接近于真实的飞行路径2，确保飞行轨迹的连续性、减小单段飞行轨迹的误差。
S42、在所选第k段飞行路径2的起点和终点，建立x维度上的坐标等式；利用速度、加速度构建条件等式，能够建立飞行路径2上的等式，为半航空瞬变电磁法勘探深度和精度提供计算依据。为了便于讨论，先只关注x方向上的运动，对于n个分段函数xk(t)总计6n个多项式系数，在每个分段的开始和结束，对应的多项式函数必须给出和航点1吻合的坐标，此时获得2n个方程，建立的坐标等式为：
xk(Tk)＝xk (4)
xk(Tk+1)＝xk+1
其中，k＝1,2,3，…，n；Tk为第k段时间；通过对每个分段位移的起点和终点建立约束条件，使得多项式函数与航点1坐标相吻合。
S43、设定整个飞行开始和结束时，无人机的初末速度、初末加速度都为零，建立加速度方程等式；能够通过速度、加速度建立等式关系，有助于准确求出无人机的轨迹，为半航空瞬变电磁法勘探深度和精度提供计算依据。
此时获得4个方程，建立加速度方程等式为：
x1'(T1)＝xn'(Tn+1)＝0 (5)
x1″(T1)＝xn″(Tn+1)＝0
其中，T1为第1段时间，Tn+1为第n+1段时间。
通过对分段位移中，无人机开始和结束时的速度、加速度进行约束，方便求解出与真实飞行相接近的位移函数。
S44、根据飞行路径2位移段的分段衔接平滑，建立衔接处速度和加速度等式；通过分段求解的方式建立不同段的等式关系，通过加速度最小化的关系建立衔接处的等式，有助于准确求出无人机的轨迹，为半航空瞬变电磁法勘探深度和精度提供计算依据。对于第k个分段和第k+1个分段的衔接应该是平滑的，速度、加速度不应突变，此时获得2(n-1)个方程。
建立第k段位移与第k+1段位移的衔接处速度和加速度等式为：
xk'(Tk+1)-xk+1'(Tk+1)＝0 (6)
xk″(Tk+1)＝xk+1″(Tk+1)＝0
其中，k＝1,2,3，…，n-1；轨迹的一阶导数是速度，二阶导数是加速度，通过对衔接处考虑速度和加速度条件，再次建立等式，保证无人机飞行中的稳定性。
S45、对飞行路径2位移段的分段边界进行三阶、四阶导数连续性约束，获得位移段的三阶、四阶方程等式；对分段边界上的三阶、四阶导数的连续性进行约束，此时获得2(n-1)个方程，建立位移段的三阶、四阶方程等式为：
xk”'(Tk+1)-xk+1”'(Tk+1)＝0 (7)
xk″″(Tk+1)＝xk+1″″(Tk+1)＝0
其中，k＝1,2,3，…，n-1；轨迹的三阶导数是加速度的变化率，加速度变化率最小，让轨迹在更高阶导数上具有连续平滑的特性，保证无人机飞行中的稳定性，有助于准确求出无人机的轨迹，为半航空瞬变电磁法勘探深度和精度提供计算依据。
S46、求解步骤S42-S45中的方程等式组，得到位移函数，总计共获得6n个方程，据此可求解x方向上每个分段位移函数的系数；同理，重复以上步骤建立z维度上的坐标等式并进行求解，通过多个等式最终求解出两个方向上的位移函数，y方向上无人机始终保持一个航向，未发生偏离，最终获得无人机的轨迹。
电磁波在空气中传播的距离越短，衰减就越小，因为瞬变感应的电磁波信号在空气中衰减很大，无人机越贴近地表3，电磁波在空气中传播的距离越短，衰减就越小，因为瞬变感应的电磁波信号在空气中衰减很大，通过调整高程再次飞行获取数据，减少因地表3起伏引起的瞬变电磁信号衰减问题，有利于提高半航空瞬变电磁法勘探深度和探测精度。。
S5、在计算得到的飞行轨迹基础上，调整飞行轨迹的高程为h；调整高程h时，通过h＝H+a进行调整，a为常数，可根据具体高程信息进行调整，以飞行安全为目的，可先设置一个较小的常数，对调整后的高程h进行回测，如在飞行路径2上不满足高度高求，再在h的基础上增加数值再次调整，重复过程直至满足高度要求；通过高程的调整，能够避免撞机，保障飞行安全，在贴近地面的同时避开障碍物。
S6、使用无人机搭载瞬变电磁数据采集仪，启动无人机并以高程h沿设计勘察测线飞行，同步获取瞬变电磁信号；按新的高程飞行获取电磁信号
当需要对采集数据进行分析时，还包括以下步骤：
S7、对采集电磁信号进行坐标信息输入和预处理，经反演计算获得地下断面的反演电阻率数据；通过信息输入和预处理，对异常数据点进行校正或删除，提高了采集数据的准确度，为瞬变电磁法探测提供参数。反演是瞬变电磁数学理论方面的内容，属于现有的计算方法，预处理也是现有的方法，获得准确度较高的参数，而反演电阻率数据是半航空瞬变电磁探测最终的成果资料，用于地质解释。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.基于半航空瞬变电磁探测的无人机飞行轨迹规划方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、使用无人机搭载激光测距仪，启动无人机并以预设的高程H沿设计勘察测线飞行，同步获取地表高程信息；
S2、通过地表高程信息确定无人机航点，将飞行路线从起点到终点划为n+1个航点，飞行路径划分为n段，n为大于0的自然数；
S3、在无人机沿设计勘察测线飞行过程中，保持无人机动力输出平缓，使得加速度随时间变化率最小化；
S4、飞行完成后，通过采集数据求解无人机位移函数，获得无人机飞行轨迹；
S5、在计算得到的飞行轨迹基础上，调整飞行轨迹的高程为h；
S6、使用无人机搭载瞬变电磁数据采集仪，启动无人机并以高程h沿设计勘察测线飞行，同步获取瞬变电磁信号。
2.根据权利要求1所述的基于半航空瞬变电磁探测的无人机飞行轨迹规划方法，其特征在于，所述步骤S3中使加速度随时间变化率最小化，飞行路径满足下列公式：
其中，r为路径函数，由无人机在三坐标轴上的位移函数x(t)、y(t)、z(t)描述。
3.根据权利要求1所述的基于半航空瞬变电磁探测的无人机飞行轨迹规划方法，其特征在于，所述步骤S4中，求解位移函数具体为：
S41、在n个飞行路径的位移段中，选择第k个航点，在第k个航点和第k+1个航点之间，建立三维坐标系的x维度上的第k段位移函数；
S42、在所选第k段飞行路径的起点和终点，建立x维度上的坐标等式；
S43、设定整个飞行开始和结束时，无人机的初末速度、初末加速度都为零，建立加速度方程等式；
S44、根据飞行路径位移段的分段衔接平滑，建立衔接处速度和加速度等式；
S45、对飞行路径位移段的分段边界进行三阶、四阶导数连续性约束，建立位移段的三阶、四阶方程等式；
S46、求解步骤S42-S45中的方程等式组，得到位移函数；重复以上步骤建立z维度上的坐标等式并进行求解。
4.根据权利要求1所述的基于半航空瞬变电磁探测的无人机飞行轨迹规划方法，其特征在于，所述步骤S5中，调整高程h时，通过h＝H+a进行调整，a为常数。
5.根据权利要求1所述的基于半航空瞬变电磁探测的无人机飞行轨迹规划方法，其特征在于，当需要对采集数据进行分析时，还包括以下步骤：
S7、对采集电磁信号进行坐标信息输入和预处理，经反演计算获得地下断面的反演电阻率数据。
6.根据权利要求3所述的基于半航空瞬变电磁探测的无人机飞行轨迹规划方法，其特征在于，所述步骤S41中，建立的第k段位移函数xk(t)为：
xk(t)＝akt5+bkt4+ckt3+dkt2+ekt+fk
其中，ak、bk、ck、dk、ek、fk为待定系数，t为经历的时间。
7.根据权利要求3所述的基于半航空瞬变电磁探测的无人机飞行轨迹规划方法，其特征在于，所述步骤S42中，建立的坐标等式为：
xk(Tk)＝xk
xk(Tk+1)＝xk+1
其中，k＝1,2,3，…，n；Tk为第k段时间。
8.根据权利要求3所述的基于半航空瞬变电磁探测的无人机飞行轨迹规划方法，其特征在于，所述步骤S43中，建立加速度方程等式为：
x1′(T1)＝xn′(Tn+1)＝0
x1″(T1)＝xn″(Tn+1)＝0
其中，T1为第1段时间，Tn+1为第n+1段时间。
9.根据权利要求3所述的基于半航空瞬变电磁探测的无人机飞行轨迹规划方法，其特征在于，所述步骤S44中，建立衔接处速度和加速度等式为：
xk′(Tk+1)-xk+1′(Tk+1)＝0
xk″(Tk+1)＝xk+1″(Tk+1)＝0
其中，k＝1,2,3，…，n-1。
10.根据权利要求3所述的基于半航空瞬变电磁探测的无人机飞行轨迹规划方法，其特征在于，所述步骤S45中，建立位移段的三阶、四阶方程等式为：
xk′″(Tk+1)-xk+1′″(Tk+1)＝0
xk′″(Tk+1)＝xk+1′″(Tk+1)＝0
其中，k＝1,2,3，…，n-1。
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Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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-
2022
- 2022-06-24 CN CN202210724850.0A patent/CN115167488A/zh active Pending
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