CN213398935U

CN213398935U - 一种小型化垂直起降固定翼无人机航磁探测系统

Info

Publication number: CN213398935U
Application number: CN202022230634.XU
Authority: CN
Inventors: 卿昊; 张文杰; 谭春林
Original assignee: Shenzhen Youweisi Technology Co ltd; Geo Uav Shenzhen Technology Co ltd
Current assignee: Shenzhen Youweisi Technology Co ltd; Geo Uav Shenzhen Technology Co ltd
Priority date: 2020-10-09
Filing date: 2020-10-09
Publication date: 2021-06-08
Anticipated expiration: 2030-10-09

Abstract

本实用新型涉及航测采集技术领域，特别涉及一种小型化垂直起降固定翼无人机航磁探测系统，该系统包括小型化垂直起降固定翼无人机，无人机前刺航磁吊舱，原子光泵磁力仪和三轴磁通门磁力仪，多数据同步航磁采集及补偿系统，多数据同步航磁采集及补偿系统包含GPS天线和GPS接收机、激光高度计、小型化姿态传感器及气压高度计、无线数传、多数据同步航磁采集及补偿器，多数据同步航磁采集及补偿系统与原子光泵磁力仪、三轴磁通门磁力仪相连接，将数据存储进与之相连的数据存储U盘内，还通过无线传输模块与连接计算机地面站系统实现通讯，实时传输航磁数据，因此本实用新型具有搭载能力高、具有GPS定位与导航能力，与地面实时无线数据传输能力的优点。

Description

一种小型化垂直起降固定翼无人机航磁探测系统

技术领域

本实用新型涉及航测采集技术领域，特别涉及一种小型化垂直起降固定翼无人机航磁探测系统。

背景技术

目前，航空磁力探测(简称航磁探测)最早用于海军针对潜艇引起的磁异常进行探测，后用于民用的航空物理勘探工作。伴随着应用技术的成熟，无人机在航磁探测中的应用显著增加，无人机搭载航磁探测设备能够快速部署，高效、高精度的采集数据，开展大比例尺航磁作业不仅能够消除地面地表等干扰物和起伏地形产生的影响，充分节省成本，而且也能够在地质环境和安全标准禁止有人驾驶飞机磁测系统的环境中，承担探测任务甚至能获得比载人飞行器航磁系统更好质量的探测数据。

目前市场上主要商用的磁力仪有三轴磁通门磁力仪，质子磁力仪，Overhauser磁力仪，光泵磁力仪和超导量子干涉磁力仪。质子/overhauser，光泵磁力仪。质子磁力仪和Overhauser磁力仪由于工作方式，梯度容差，采样速率等限制，比较少用于航空磁测。而航空磁测，受制于探测原理、探头物质、体积、重量、采样速率、价格等多方面因素制约，目前商用航空磁测以光泵磁力仪为主，三轴磁通门磁力仪作为补偿或者三分量测量为辅。

由于对磁性部件特别敏感的特性，航磁系统对于无人机的平台选择有比较特殊的要求，无人机的低磁性，飞行特性和续航时间，是实际航磁作业的关键因素之一。目前市场上，无人机种类大致可分为单旋翼，多旋翼和固定翼无人机。单旋翼无人机结构复杂,零部件繁多多,研发成本非常高,周期非常长,维修不便,对操作手的要求很高。多旋翼无人机容易操控和生产，但最大的问题是续航能力比较差，飞行距离和范围也受到了很大的限制。普通固定翼无人机虽然续航能力强速度也更快，但起飞和降落都是需要平坦的地形或者专用的跑道，对于需要野外作业的矿藏勘查等物探业务显然不是合适的选择。目前市场上和技术领域出现了垂直起降固定翼无人机形式，以常规固定翼飞行器为基础，增加多轴动力单元，在起降及低速状态下按照多轴模式飞行或盘旋，而在平飞状态下，按照固定翼模式飞行，通过气动升力克服重力，大大提高了飞行时间和速度。但由于需要增加多个磁性器件如马达，电调等设备。垂直起降固定翼无人机搭载航磁需要一定的布局设计、选择及改装来满足要求，目前市场上也并无专门针对航磁系统设计的垂直起降固定翼无人机。

以往的航磁系统中需要包含GPS，光泵磁力仪，三轴磁通门磁力仪，采集器等装置，其体积较大，总重量一般在5kg以上。因此对于无人机平台的载重能力要求较高，市场上采用的多是昂贵的千万/百万级别大型固定翼无人机平台，或无人直升机平台来搭载。

其次很多商用光泵磁力仪和航磁补偿设备均依赖进口，价格非常昂贵，同时市场上主流的高精度光泵磁力仪属于敏感设备，进口受制于人。

再者根据目前国家相关法律法规，空机重量大于4kg，起飞重量(包含电池)大于7kg的无人机属于II类以上的无人机，无论是否在视距内飞行，都需要事先申请空域。而低于此重量要求的内，在适飞空域内，视距内飞行，不需要预先申请空域，只需实时上报到监管平台。上述条件大大限制了光泵磁力仪航磁测量系统的推广和应用，目前主要研究和技术都集中在高校和国家级科研院所等国家项目中，真正市场化的产品还未出现。

实用新型内容

本实用新型提出一种为了克服现有技术的上述缺陷，本实用新型提供一种小型化垂直起降固定翼无人机航磁探测系统。

本实用新型涉及航测采集技术领域，特别涉及一种小型化垂直起降固定翼无人机航磁探测系统，其特征在于，包括微型航磁探测系统，所述微型航磁探测系统包括：

原子光泵磁力仪探头；

原子光泵磁力仪控制系统，所述原子光泵磁力仪控制系统与原子光泵磁力仪探头控制连接，用于测量发生磁共振吸收现象时的射频线圈频率，通过磁旋比系数计算获得外磁场强度数据；

三轴磁通门探头，所述三轴磁通门探头对X轴、Y轴、Z轴方向相互正交的时变磁场进行测量；

GPS天线和GPS接收机，获得GPS坐标数据和PPS信号；GPS接收机位于多数据同步采集器内，GPS接收机通过射频线与GPS天线连接；

激光高度计，获得的高程数据；

小型化姿态传感器及气压高度计获得测量磁场数据时飞行器姿态信息，包含滚转角度，俯仰角度，偏航角度；

多数据同步采集及航磁补偿系统，所述多数据同步采集及航磁补偿系统与原子光泵磁力仪控制系统、三轴磁通门探头、GPS天线、小型化姿态传感器及气压高度计和激光高度计连接，所述多数据同步采集及航磁补偿系统还与连接计算机地面站系统连接。

作为一种优选的技术方案，还包括数据存储U盘，所述数据存储U盘与多数据同步采集及航磁补偿系统连接，存储飞行测量数据。

作为一种优选的技术方案，所述多数据同步采集及航磁补偿系统通过无线传输模块和计算机地面站系统连接，将从多数据同步采集及航磁补偿系统收到的数据传输到计算机地面站系统上。

作为一种优选的技术方案，所述多数据同步采集及航磁补偿系统还包括24位高速ADC采样板、GPS接收机/PPS信号、小型化姿态传感器及气压高度计、微型工控机CPU板、ARMLinux嵌入式操作系统和数传模块，所述数传模块与数据存储U盘连接。

作为一种优选的技术方案，还包括垂直起降固定翼无人机，所述垂直起降固定翼无人机包括无人机前刺航磁吊舱，在所述无人机前刺航磁吊舱碳纤杆顶部上设有原子光泵磁力仪探头、三轴磁通门探头，无人机前刺航磁吊舱内安装有频率计，激光高度计，多数据同步采集及航磁补偿系统，所述多数据同步采集及航磁补偿系统通过线缆与原子光泵磁力仪探头、三轴磁通门探头和频率计连接，所述多数据同步采集及航磁补偿系统上还设有GPS天线.

小型化垂直起降固定翼无人机作为整个系统的载体平台，其飞控需要具备自动航磁机动飞行能力。

无人机前刺航磁吊舱承载整航磁系统，其采用碳纤杆和3D打印材料制成的外壳及无磁性的塑料螺丝组成，将原子光泵磁力仪探头安装在整个系统最前端的3D打印材料制成的外壳内，三轴磁通门磁力仪探头安装碳纤杆上，航磁采集器、GPS天线、激光高度计、无线数传安装在无人机前刺航磁吊舱后部的机头内，无人机前刺航磁吊舱通过机身铰链和快拆搭扣和小型化垂直起降固定翼无人机连接。

原子光泵磁力仪包含原子光泵磁力仪探头、原子光泵磁力仪控制系统以及通讯和电源转接模块；所述原子光泵磁力仪控制系统与原子光泵磁力仪探头控制连接，原子光泵探头利用塞曼效应测量发生磁共振吸收现象时的射频线圈频率，通过磁旋比系数计算获得外磁场强度数据；

三轴磁通门磁力仪，所述三轴磁通门磁力仪对X轴、Y轴、Z轴方向相互正交的时变磁场进行测量，输出和磁场成正比的电压值，航磁采集及补偿系统通过24位ADC测量该电压获得三轴向上磁场强度；

多数据同步航磁采集及补偿系统包含GPS天线和GPS接收机、激光高度计、小型化姿态传感器及气压高度计、无线数传、多数据同步航磁采集及补偿器。GPS天线和GPS接收机获得测量磁场数据的坐标信息，激光高度计，获得测量磁场数据的高程数据，小型化姿态传感器及气压高度计获得测量磁场数据时飞行器姿态信息，多数据同步航磁采集及补偿器采集各传感器数据及对磁力仪进行航磁补偿的实时磁补偿系统。所述多数据同步航磁采集及补偿系统与原子光泵磁力仪、三轴磁通门磁力仪相连接，将数据存储进与之相连的数据存储U盘内，还通过无线传输模块与连接计算机地面站系统实现信息通讯，实时传输航磁数据。

采集数据包括:时间,GPS位置信息，高度，磁通门三分量数据，补偿后磁通门三分量数据，IMU姿态滚转角、俯仰角、偏航角，气压高度,原子光泵磁力仪数据,原子光泵磁力仪磁补偿后数据等。

与现有技术相比，本实用新型具有以下技术效果：

本实用新型提出的一种小型化垂直起降固定翼无人机航磁探测系统，采用微型化，轻量化设计，无人机平台磁干扰小，所有设备起飞总重量小于7KG，以电池为动力，搭载能力高、具有GPS定位与导航能力，与地面实时无线数据传输能力，在5-6级风速下作业能力，航磁补偿机动自动执行能力。航磁补偿系统具有实时补偿功能和飞行后补偿功能。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本实用新型一种小型化垂直起降固定翼无人机航磁探测系统的示意图；

图2是图1中A部分的放大结构示意图；

图3是图2中机身铰链座和机头铰链座连接的结构示意图；

图4是本实用新型一种小型化垂直起降固定翼无人机航磁探测系统中多数据同步航磁采集及补偿器、频率计、激光高度计、支撑板在任务舱内部布局的结构图；

图5是本实用新型一种小型化垂直起降固定翼无人机航磁探测系统中磁通门保护安装外壳结构图；

图6是本实用新型一种小型化垂直起降固定翼无人机航磁探测系统中原子光泵磁力仪探头保护安装外壳结构图。

图中，1、原子光泵磁力仪探头；2、三轴磁通门探头；3、碳纤杆；4、机头任务仓；5、GPS天线；6、数传天线；7、莫雷连接器提供航磁系统电源；

8、无人机电池提供全系统电源；9、无人机；10、机头铰链座；11、机身铰链座；12、快拆搭扣；13、多数据同步航磁采集及补偿器；14、频率计；15、激光高度计；16、支撑板；17、碳纤杆穿过孔；18、保护安装外壳下盖；19、无封装磁通门磁力阀；20、保护安装外壳上盖；21、原子光泵磁力仪探头保护安装外壳下盖；22、光泵磁力仪探头；23、原子光泵磁力仪探头保护安装外壳上盖。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，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，都属于本实用新型保护的范围。

根据图1～图6所示，本实用新型涉及航测采集技术领域，特别涉及一种小型化垂直起降固定翼无人机9航磁探测系统，包括微型航磁探测系统，微型航磁探测系统包括：

原子光泵磁力仪探头1；

原子光泵磁力仪控制系统，原子光泵磁力仪控制系统与原子光泵磁力仪探头1控制连接，用于测量发生磁共振吸收现象时的射频线圈频率，通过磁旋比系数计算获得外磁场强度数据；

三轴磁通门探头2，三轴磁通门探头2对X轴、Y轴、Z轴方向相互正交的时变磁场进行测量；

GPS天线5和GPS接收机，获得GPS坐标数据和PPS信号；GPS接收机位于多数据同步采集器内，GPS接收机通过射频线与GPS天线5连接；

激光高度计15，获得的高程数据；

多数据同步采集及航磁补偿系统，多数据同步采集及航磁补偿系统与原子光泵磁力仪控制系统、三轴磁通门探头2、GPS天线5、小型化姿态传感器及气压高度计和激光高度计15连接，多数据同步采集及航磁补偿系统还与连接计算机地面站系统连接。

数据存储U盘与多数据同步采集及航磁补偿系统连接，存储飞行测量数据。

多数据同步采集及航磁补偿系统通过无线传输模块和计算机地面站系统连接，将从多数据同步采集及航磁补偿系统收到的数据传输到计算机地面站系统上。

多数据同步采集及航磁补偿系统还包括24位高速ADC采样板、GPS接收机/PPS信号、小型化姿态传感器及气压高度计、微型工控机CPU板、ARM Linux嵌入式操作系统和数传模块，数传模块与数据存储U盘连接。

还包括垂直起降固定翼无人机9，垂直起降固定翼无人机9包括无人机9前刺航磁吊舱，碳纤杆31.2米长、直径16mm、壁厚1mm，在无人机9前刺航磁吊舱碳纤杆3顶部上设有原子光泵磁力仪探头1、三轴磁通门探头2，无人机9前刺航磁吊舱内安装有频率计14，激光高度计15，多数据同步采集及航磁补偿系统，多数据同步采集及航磁补偿系统通过线缆与原子光泵磁力仪探头1、三轴磁通门探头2和频率计14连接，多数据同步采集及航磁补偿系统上还设有GPS天线5。

其中图1中多数据同步采集及航磁补偿器、数传模块、激光高度计15固定设置于任务仓内部；原子光泵磁力仪探头1和磁通门磁力仪探头连接线分别位于碳纤杆3上下两侧；磁通门磁力仪探头距离机头0.7米；铷光泵磁力仪探头22距离机头1米；机头任务仓4与无人机9机身通过挂钩和铰链连接，航磁通系统通过莫雷接获取电源，任务仓其他功能模块与无人机9独立。

小型化垂直起降固定翼无人机9作为整个系统的载体平台，其飞控需要具备自动航磁机动飞行能力。

无人机9前刺航磁吊舱承载整航磁系统，其采用碳纤杆3和3D打印材料制成的外壳及无磁性的塑料螺丝组成，将原子光泵磁力仪探头1安装在整个系统最前端的3D打印材料制成的外壳内(图6)，三轴磁通门磁力仪探头安装碳纤杆3上置于3D打印材料制成的外壳内(图5)，航磁采集器、GPS天线5、激光高度计15、无线数传安装在无人机9前刺航磁吊舱后部的机头内(图4)，无人机9前刺航磁吊舱通过机身铰链和快拆搭扣12和小型化垂直起降固定翼无人机9连接(图1)。

原子光泵磁力仪包含原子光泵磁力仪探头1、原子光泵磁力仪控制系统以及通讯和电源转接模块；原子光泵磁力仪控制系统与原子光泵磁力仪探头1控制连接，原子光泵探头利用塞曼效应测量发生磁共振吸收现象时的射频线圈频率，通过磁旋比系数计算获得外磁场强度数据；

三轴磁通门磁力仪，三轴磁通门磁力仪对X轴、Y轴、Z轴方向相互正交的时变磁场进行测量，输出和磁场成正比的电压值，航磁采集及补偿系统通过24位ADC测量该电压获得三轴向上磁场强度；

多数据同步航磁采集及补偿系统包含GPS天线5和GPS接收机、激光高度计15、小型化姿态传感器及气压高度计、无线数传、多数据同步航磁采集及补偿器13。GPS天线5和GPS接收机获得测量磁场数据的坐标信息，激光高度计15，获得测量磁场数据的高程数据，小型化姿态传感器及气压高度计获得测量磁场数据时飞行器姿态信息，多数据同步航磁采集及补偿器13采集各传感器数据及对磁力仪进行航磁补偿的实时磁补偿系统。多数据同步航磁采集及补偿系统与原子光泵磁力仪、三轴磁通门磁力仪相连接，将数据存储进与之相连的数据存储U盘内，还通过无线传输模块与连接计算机地面站系统实现信息通讯，实时传输航磁数据。

优选地，垂直起降固定翼无人机9，在本实施例中，采用成都纵横大鹏无人机9科技有限公司CW-007垂直起降固定翼无人机9作为航磁探测无人机9平台。

由于飞行器材料和原器件或多或少都有弱磁性。飞行中发动机转子运动产生的磁场，以及飞机内航电系统通电后产生的感应磁场都会对磁力仪造成干扰。为了让飞行器能搭载磁力仪并获得有效数据，本专利采用业界通用航磁补偿模型和算法(见公式1)，将与飞机机动有关的飞机磁场包括有恒定磁场Hp(Permanent field)、感应磁场Hi(Inducedfield)和涡流磁场He(Eddy-current field)计算出来以去除。恒定磁场是指飞机上的磁性零部件和铁磁性材料剩磁所产生。感应磁场主要是由无人机9体上的软磁性材料在地磁场中被磁化而产生的，该磁场的大小与引起它的外加磁场成正比，因此在三轴磁通门传感器坐标系下，感应磁场的大小与方向将随着无人机9的姿态变化而变化。涡流磁场是机体飞行中切割地磁场而产生的，其各分量与投影到各坐标轴上的地磁场变化率成正比。

业界主要通用航磁补偿模型表达为理论公式如下：

HT＝c₁cos X+c₂cosY+c₃ cos Z+He{c₄ os ²X+c₅ cos X cosY+c₆ cos Xcos Z+c₇cos2 Y+c₈ cos Y cos Z+c₉ cos 2Z}+He{c₁₀cos X(cos X)′+c₁₁ cos X(cosY)′+c₁₂ cos X(cos Z)′+c₁₃ cosY(cos X)′+c₁₄ cosY(cosY)′+c₁₅ cosY(cos Z)′+c₁₆ cos Z(cos X)′+c₁₇cos Z(cosY)′+c₁₈cos Z(cos Z)′}

HT指干扰磁总场，H_e指地球磁场，(cos X，cosY，cos Z)是与飞行器位置固定的三轴磁通门的三份量对应其轴向的方向余弦，()’指投影到各坐标轴磁场方向余弦的变化率。c₁-c₁₈是18个估计参数。其中c₁-c₃与恒定磁场干扰Hp有关，c₄-c₉与感应磁场干扰有关，c₁₀-c₁₈与涡流磁场干扰有关。

磁力仪与飞行器采用硬连接方案，需要使用三轴磁通门磁力仪来记录飞行姿态。垂起固定翼无人机9航磁探测系统磁补偿作业流程，要求在获得补偿系数时，做四边机动飞行以收集数据。在进行航磁补偿参数计算时，需在地磁变化微小的区域(<200nT)，在至少高于地表一定高度(建议500米)以上的高空，在0°,90°,180°,270°或平行于测线方向四个方向上做定点机动,记录航磁数据记录,如下图所示。进入机动前导距离100米，保证飞机状态稳定后机动操作进行每个飞行方向上3个俯仰(机动角度±5°)、3个滚转(机动角度±10°)和3个偏航(机动角度±5°)的机动，动作周期2-3秒，动作间隔1秒.软件计算出相应的航磁补偿参数，评估航磁补偿结果，不同机型及航磁系统带下划线参数可调。

高空四边带机动飞行以获得原子光泵磁力仪总场和三轴磁通门矢量磁场数据生成的方向余弦参数，通过滤波和解线性方程来获得补偿估计18个参数，再以该系列估计参数对实际工作测量中的数据进行补偿计算，以去除飞行器对原子光泵磁力仪产生的磁干扰。对三轴磁通门数据采用12参数数字矫正补偿算法。可对原子光泵磁总场和三轴磁通门磁力仪输出的三份量磁场角度计算出的高精度磁三份量磁场进行实时输出和存储。

在本实用新型的描述中，需要理解的是，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。在本实用新型的描述中，除非另有规定和限定，需要说明的是，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是机械连接或电连接，也可以是两个元件内部的连通，可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。

以上仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims

1.一种小型化垂直起降固定翼无人机航磁探测系统，其特征在于，包括微型航磁探测系统，所述微型航磁探测系统包括：

原子光泵磁力仪探头；

激光高度计，获得的高程数据；

2.根据权利要求1所述的一种小型化垂直起降固定翼无人机航磁探测系统，其特征在于：还包括数据存储U盘，所述数据存储U盘与多数据同步采集及航磁补偿系统连接，存储飞行测量数据。

3.根据权利要求1所述的一种小型化垂直起降固定翼无人机航磁探测系统，其特征在于：所述多数据同步采集及航磁补偿系统通过无线传输模块和计算机地面站系统连接，将从多数据同步采集及航磁补偿系统收到的数据传输到计算机地面站系统上。

4.根据权利要求2所述的一种小型化垂直起降固定翼无人机航磁探测系统，其特征在于：所述多数据同步采集及航磁补偿系统还包括24位高速ADC采样板、GPS接收机/PPS信号、小型化姿态传感器及气压高度计、微型工控机CPU板、ARM Linux嵌入式操作系统和数传模块，所述数传模块与数据存储U盘连接。

5.根据权利要求1所述的一种小型化垂直起降固定翼无人机航磁探测系统，其特征在于：还包括垂直起降固定翼无人机，所述垂直起降固定翼无人机包括无人机前刺航磁吊舱，在所述无人机前刺航磁吊舱碳纤杆顶部上设有原子光泵磁力仪探头、三轴磁通门探头，无人机前刺航磁吊舱内安装有频率计，激光高度计，多数据同步采集及航磁补偿系统，所述多数据同步采集及航磁补偿系统通过线缆与原子光泵磁力仪探头、三轴磁通门探头和频率计连接，所述多数据同步采集及航磁补偿系统上还设有GPS天线。