GR1009767B

GR1009767B - Αιωρουμενο διαφορικο μαγνητομετρο

Info

Publication number: GR1009767B
Application number: GR20190100339A
Authority: GR
Inventors: Σπυριδων Βασιλειου Μιχαλακοπουλος
Original assignee: Σπυριδων Βασιλειου Μιχαλακοπουλος
Priority date: 2019-08-06
Filing date: 2019-08-06
Publication date: 2020-06-16

Abstract

Το αιωρούμενο διαφορικό μαγνητόμετρο, είναι μία γεωφυσική διάταξη που αποτελείται από μία σταθερή και μία κινητή μονάδα, και που χρησιμοποιείται για την τηλεανίχνευση υπόγειων δομών και σωμάτων, με βάση τις μαγνητικές ιδιότητες των υλικών. Αυτό γίνεται με την καταγραφή των χαρακτηριστικών του μαγνητικού πεδίου, υπεράνω μιας εδαφικής επιφάνειας σάρωσης ή άξονα, και στη συνέχεια με την προβολή και την επεξεργασία των μετρήσεων. Η σταθερή μονάδα, κατά τη λειτουργία, βρίσκεται ακίνητη, σε τοπογραφικό σημείο αναφοράς, ενώ η κινητή, που περιλαμβάνει μονάδα ελέγχου και δύο βαρυτικά προσανατολιζόμενους μαγνητικούς αισθητήρες, βρίσκεται αιωρούμενη σε πτητικό μέσο (multicopter drone) που πετά σε σταθερό ύψος, διαγράφοντας μία προκαθορισμένη πορεία σάρωσης. Όλα τα συμπαγή τμήματα της διάταξης, κατασκευάζονται με την τεχνική της τρισδιάστατης εκτύπωσης (3d printing). Η χρήση του προτείνεται για τον εντοπισμό και τη χαρτογράφηση θαμμένων ιστορικών οικισμών και άλλων αρχαιολογικού ενδιαφέροντος ευρημάτων υπόγειων αγωγών, ναρκών, οχημάτων και άλλων αντικειμένων και κατασκευών καλυμμένων από ιζήματα ή εντός πυκνής βλάστησης ή εντός ελών υπόγειων δομών κοιτασματολογικού ενδιαφέροντος, κά

Description

ΠΕΡΙΓΡΑΦΗ

Αίωρούμενο διαφορικό μαγνητόμετρο

Το αίωρούμενο διαφορικό μαγνητόμετρο, είναι ένα αυτόνομο γεωφυσικό σύστημα (διάταξη), που χρησιμοποιείται για την τηλεανίχνευση καί των προσδιορισμό υπόγειων δομών καί σωμάτων, με βάση τις μαγνητίκές ιδιότητες των υλικών. Αυτό γίνεται με την καταγραφή των χαρακτηριστικών του μαγνητίκού πεδίου, υπεράνω μίας εδαφικής επιφάνειας σάρωσης ή καθορισμένου άξονα, καί στη συνέχεια με την προβολή καί την επεξεργασία των μετρήσεων. Η διάταξη αποτελείταί από δύο μονάδες, τη σταθερή μονάδα (1), που κατά τη λειτουργία της διάταξης βρίσκεται ακίνητη, σε σταθερό τοπογραφίκό σημείο αναφοράς (3), καί την κινητή μονάδα (2) που περιλαμβάνει βαρυτίκά προσανατολίζόμενους μαγνητίκούς αισθητήρες, καί βρίσκεται αιωρούμενη σε πτητικό μέσο (multicopter drone), που πετά σε σταθερό ύψος, διαγράφοντας μία προκαθορισμένη πορεία σάρωσης. Ο χαρακτηρισμός «αυτόνομο γεωφυσικό σύστημα» αναφέρεταί στο γεγονός, ότι δεν υπάρχει καμία άλλη εξάρτηση ή επικοινωνία, μεταξύ της παρούσας εφεύρεσης καί του πτητικού μέσου, πέραν της απλής μεταφοράς της κινητής μονάδας (2).

Εναέριες τεχνικές μαγνητομετρίας που χρησιμοποιούνται σήμερα, αξίοποίούν ευαίσθητα μαγνητόμετρο διαφόρων τύπων. Το μαγνητόμετρο τοποθετείται σε επιμήκη άξονα, προσαρμοσμένου στην άτρακτο αεροσκάφους, ώστε να μειώνεται ο ηλεκτρομαγνητίκός θόρυβος που προέρχεται από αυτό. Αν καί οι μετρήσεις που πραγματοποιούνται με τα αεροσκάφη, δίνουν πολύ ικανοποιητικά αποτελέσματα για έρευνα στην κλίμακα στην οποία απευθύνοντας εν τούτοίς υπάρχει η ανάγκη για την ανάπτυξη αποτελεσματικών μεθόδων για μικρότερες κλίμακες παρατήρησης. Σε σχέση με τις συνήθεις εναέριες μεθόδους, η παρούσα εφεύρεση πλεονεκτεί στην ακρίβεια προσδιορισμού θέσης (διαφορικός δορυφορικός προσδιορισμός θέσης), το πυκνότερο δίκτυο λαμβανομένων μετρήσεων, το μικρότερο κόστος έρευνας, ενώ παράλληλα αξίοποιεί την τεχνική της διαφορικής μέτρησης της μαγνητίκής έντασης (γκραντίόμετρο).

Μία άλλη χρησιμοποιούμενη μέθοδος γεωμαγνητικής δίασκόπίσης είναι αυτή, κατά την οποία, ο ερευνητής μεταφέρει ο ίδιος τα γεωφυσικά όργανα μέτρησης καί καταγραφής στο πεδίο, όπου πραγματοποιεί δίκτυο μετρήσεων. Σε σύγκριση με την παραπάνω μέθοδο, με την παρούσα εφεύρεση, ο ερευνητής απαλλάσσεται από την υποχρέωση να περιφέρει ο ίδιος τα γεωφυσικά όργανα σε όλη την έκταση του πεδίου έρευνας, με οφέλη, την αύξηση της ταχύτητας σάρωσης, τη μείωση του κόπου, καί τη δυνατότητα να μπορούν πλέον να προσεγγιστούν καί περιοχές με ειδικές δυσκολίες (π.χ. έλος )

Επίσης το αιωρούμενο διαφορικό μαγνητόμετρο, καλύπτει ένα κενό ανάμεσα στην κλίμακα παρατήρησης που προσφέρουν οι συνήθεις εναέριες μέθοδοί, καί την κλίμακα παρατήρησης που προσφέρει η γεωμαγνητική δίασκόπίση με φορητά γεωφυσικά όργανα.

Η χρήση του προτείνεταί για τον εντοπισμό καί τη χαρτογράφηση

θαμμένων ιστορικών οικισμών καί άλλων αρχαιολογικού ενδιαφέροντος ευρημάτων

υπόγειων αγωγών, ναρκών, οχημάτων καί άλλων αντικειμένων καί κατασκευών καλυμμένων από ιζήματα, ή εντός πυκνής βλάστησης, ή εντός ελών

υπόγειων δομών κοίτασματολογίκού ενδιαφέροντος

Το αίωρούμενο διαφορικό μαγνητόμετρο, αποτελείταί από συμπαγή τμήματα καί προστατευτικά κελύφη των ηλεκτρονικών κυκλωμάτων, που κατασκευάζονται αποκλειστικά με την τεχνική της τρισδιάστατης εκτύπωσης (3d printing). Τα προσφερόμενα υλικά εκτύπωσης (PLA), προσφέρουν ικανοποιητικές μηχανικές καί μαγνητίκές ιδιότητες για τις ανάγκες της κατασκευής, καί παράλληλα με την τεχνική αυτή διευκολύνεται καί επιταχύνεται η κατασκευή, ή η βιομηχανική παραγωγή της διάταξης.

Ανακεφαλαίώνοντας, η παρούσα εφεύρεση αναφέρεταί σε μία μία γεωφυσική διάταξη, που συνδυάζει τις τεχνολογίες του διαφορικού προσδιορισμού θέσης με Glonass/Gps καί του διαφορικού μαγνητομέτρου, σε ένα αυτόνομο σύστημα δύο μονάδων, μίας σταθερής καί μίας κινητής, που χρησιμοποιείται για γεωμαγνητική τηλεανίχνευση, με τη βοήθεια ελαφρού μη επανδρωμένου πτητικού μέσου (multicopter drone), καί που παράγεταί με την τεχνική της τρισδιάστατης εκτύπωσης.

Το σχέδιο 1 αποκαλύπτει την ανάπτυξη της διάταξης στο πεδίο έρευνας.

Η σταθερή μονάδα (1) τοποθετείται στο τοπογραφίκό σημείο αναφοράς (3), ενώ ό κόμβος ελέγχου (4) της κινητής μονάδας (2), με τους αισθητήρες (6), στις ειδικές βάσεις (5) που προσαρτώνταί με σχοινί (7), αιωρούνται από το πτητικό μέσο. Το τοπογραφίκό σημείο αναφοράς (3), είναι σημείο γνωστών συντεταγμένων, Οί οποίες συγκρίνονταί με τις λαμβανόμενες από το σύστημα δορυφορικού προσδιορισμού θέσης της σταθερής μονάδας (1). Με τον τρόπο αυτό προσδιορίζεται το σφάλμα στον προσδιορισμό θέσης, που χρησιμοποιείται για την διόρθωση των συντεταγμένων της κινητής μονάδας (διαφορικός δορυφορικός προσδιορισμός θέσης). Το υπολογιζόμενο σφάλμα αποστέλλεταί ασύρματα στην κινητή μονάδα (2) με τη βοήθεια πομπού ραδιοκυμάτων.

Στο σχέδιο 2, παρουσιάζεται σε μεγέθυνση η σταθερή μονάδα (1) του αιωρούμενου διαφορικού μαγνητομέτρου, τοποθετημένη σε μικρό πτυσσόμενο τρίποδο (14). Για την τροφοδοσία ρεύματος (11), χρησιμοποιείται εξωτερική επαναφορτιζόμενη μπαταρία 12V. Το κέλυφος προστασίας της σταθερής μονάδας έχει κυβικό σχήμα, καί αποτελείταί από δύο τμήματα, τη βάση (9) καί το καπάκι (10), που ενώνονται με τη βοήθεια βιδών με περικόχλιο (13). Στην άνω έδρα του κελύφους υπάρχει σταυρός χωροθέτησης (12), που αντιστοιχεί στο κέντρο της κεραίας του Glonass/Gps, καί βοηθά στην ακριβή τοποθέτησης της μονάδας επάνω από το τοπογραφίκό σημείο αναφοράς (3), σύμφωνα με το σχέδιο 1.

Η κινητή μονάδα (σχέδιο 3) προσαρμόζεται στο πτητικό μέσο με σχοινιά, καί περιλαμβάνει δύο βαρυτίκά προσανατολίζόμενους, αξονικούς μαγνητίκούς αισθητήρες (6), που αιωρούνται προσαρμοσμένοι σας ειδικές βάσεις (5) που με σειρά τους προσαρτώνταί σε ένα κοινό σχοινί που δένεται στο κέλυφος της μονάδας ελέγχου (4). Η απόσταση των δύο μαγνηακών αισθητήρων μπορεί να μεταβάλλεται ανάλογα με τις ανάγκες της σάρωσης, με δεδομένο ότι αύξηση της απόστασης έχει σαν αποτέλεσμα αύξηση της ευαισθησίας του διαφορικού μαγνητομέτρου για το ίδιο ύψος πτήσης.

Περισσότερες λεπτομέρειες για το κέλυφος του κόμβου ελέγχου, παρουσιάζονται στα σχέδια 4 καί 5, της σελίδας 4. Το κέλυφος του κόμβου αποτελείταί από τη βάση (26) καί το καπάκι (27). Είναι κατασκευασμένο κατά τρόπο ώστε να προσαρμόζονται σταθερά πάνω σε αυτό, ορισμένα από τα ηλεκτρονικά εξαρτήματα που περιέχονται. Δίακρίνονταί στο πλευρικό τοίχωμα, η θέση του πλακιδίου κάρτας μνήμης (19), καί η θέση του διακόπτη λειτουργίας (20). Στο καπάκι (27) της μονάδας, δίακρίνονταί, η μεγάλη θύρα (17) του κόμβου, που προσφέρει ορατότητα στις λυχνίες λειτουργίας και πρόσβαση στο διακόπτη επανεκκίνησης του μικροϋπολογιστή. Μία δεύτερη, μικρότερη θύρα (18) στο κάτω μέρος, επιτρέπει την πρόσβαση στη θύρα miniUSB που υπάρχει ενσωματωμένη στο πλακίδιο του μικροϋπολογιστή, καί χρησιμεύει στον προγραμματισμό της συσκευής. Επίσης, είκονίζονταί η θέση του βομβητή (22) και τα κανάλια των καλωδίων των λυχνιών LED (21). Στο σχήμα 5, είκονίζεταί η βάση του κελύφους (26) χωρίς το καπάκι, όπου αποκαλύπτεται ο κενός χώρος εντός του κελύφους που περιέχει την καλωδίωση, καί τα υπόλοιπα ηλεκτρονικά εξαρτήματα.

Όλα τα ηλεκτρονικά εξαρτήματα της σταθερής καί της κινητής μονάδας παρουσιάζονται στον πίνακα 1. Το κύκλωμα του σταθερού σταθμού βασίζεται στον επεξεργαστή ATmega328 16Mhz, καί επίσης περιλαμβάνει τη μονάδα Glonass/Gps ΝΕΟ-Μ8Ν, με ενσωματωμένη κεραία, καί τον πομπό STX-882, με συχνότητα λειτουργίας 433Mhz. Η χρήση του σταθερού σταθμού, περιορίζεται στην περιοδική εκπομπή του σφάλματος του συστήματος δορυφορικού προσδιορισμού θέσης, το οποίο λαμβάνεταί καί αξιοποιείται από την κινητή μονάδα.

Ο τρόπος σύνδεσης των εξαρτημάτων της σταθερής μονάδας, παρουσιάζεται στο ηλεκτρονικό διάγραμμα που είκονΐζεταί στο σχέδιο 10, ενώ το ηλεκτρονικό διάγραμμα του σχεδίου 9 αποκαλύπτει αντίστοιχα, τη συνδεσμολογία των ηλεκτρονικών εξαρτημάτων της κινητής μονάδας.

Στο σχέδιο 6 είκονΐζεταί ο κόμβος ελέγχου σε τομή. Στο καπάκι του κόμβου (27), παρουσιάζεται η σταθερή προσαρμογή του πλακιδίου του μικροϋπολογιστή (24) καί επίσης αποκαλύπτονται, η θέσεις τοποθέτησης του πλακιδίου Glonass/Gps με την ενσωματωμένη κεραία (25), η θέση της μπαταρίας 9V (23) καί οι θέσεις των δύο βομβητών (15).

Στο σχέδιο 7, περιγράφονται τα επί μέρους τμήματα που αποτελούν κάθε μία από τις δύο ειδικές βάσεις (5). Πρόκειται για ένα μηχανισμό με δύο κάθετους ελεύθερους άξονες, όπου το κεντρικό στέλεχος (30), να μπορεί να κινείται ανεξάρτητα ως προς τη διεύθυνση, σε σχέση με το εξωτερικό στέλεχος (28) της βάσης. Το κεντρικό στέλεχος (30) προσανατολίζεται κατακόρυφα λόγω του βάρους των μολύβδίνων βαρίδίων (31) που προσαρμόζονται σε αυτό, συμβάλλοντας παράλληλα στη στήριξη της προστατευτικής θήκης του αισθητήρα. Το εξωτερικό στέλεχος (28), προσδένεταί στο υπόλοιπο σύστημα με τη βοήθεια σχοινιών, που διέρχονται από τις ειδικές οπές (32) που βρίσκονται περιφερειακά σε αυτό. Τρία ίσα κομμάτια σχοινιού, δένονται στα άκρα τους δίατρέχοντας το εξωτερικό στέλεχος (28), καί σχηματίζουν τριγωνική αμφίπυραμίδα στην ανώτερη βάση, ενώ στην κατώτερη, τα σχοινιά έχουν το μισό μήκος καί σχηματίζουν απλή τριγωνική πυραμίδα. Τα δύο παραπάνω τμήματα ενώνονται καί αυτά μεταξύ τους με σχοινί, όπως φαίνεται στα σχέδια 1 καί 3. Το σχοινί που χρησιμοποιείται είναι πολυεστερίκό, πάχους 5 χιλιοστών, με εξωτερικό πλέγμα. Στο σχέδιο 7 επίσης παρουσιάζεται το ενδιάμεσο στέλεχος της βάσης (29). Η γεωμετρία της βάσης επιτυγχάνει ταχεία επαναφορά των αισθητήρων στην κατακόρυφη διεύθυνση, αντισταθμίζοντας τις αποκλίσεις που προκύπτουν από την ταλάντωση του συνολικού μήκους της κινητής μονάδας, ιδιαίτερα στην περίπτωση ελιγμών του πτητικού μέσου.

Ο χρησιμοποιούμενος μαγνητίκός αισθητήρας παρουσιάζεται στο σχέδιο 8, καί αναφέρεταί με την εμπορική ονομασία EMS-100. Κάθε μαγνητίκός αισθητήρας, για την προστασία του από μηχανικές καταπονήσεις καί υγρασία, τοποθετείται σε συμπαγή θήκη από χαρτόνι μακέτας, παραλληλεπιπέδου σχήματος, με θερμοσυστελλόμενο σωληνωτό εξωτερικά, για μεγαλύτερη προστασία. Από κάθε προστατευτική θήκη εξέρχεται δέσμη καλωδίων 5 κλώνων, για τον έλεγχο του αισθητήρα από το κύκλωμα ελέγχου.

Στη σελίδα 11, παρατίθεται ο Πίνακας 2, που παρουσιάζει όλες τις αριθμητικές παραπομπές των συνοδευτικών σχεδίων.

Για τη λειτουργία του συστήματος η σταθερή μονάδα τοποθετείται στο επιλεγμένο τοπογραφίκό σημείο αναφοράς, καί συνδέεται με την μπαταρία τροφοδοσίας. Η κινητή μονάδα προσαρμόζεται στο πλαίσιο του εναέριου μέσου, με δύο ζεύγη σχοινιών πρόσδεσης, ώστε OL τάσεις να κατανέμονται. ομοιόμορφα σε αυτό. και οι δύο συσκευές τίθενται σε λειτουργία, από τους αντίστοιχους διακόπτες λειτουργίας. Η κινητή συσκευή, είναι προγραμματισμένη να εκτελεί κατά την έναρξη, έλεγχο σωστής λειτουργίας της κάρτας μνήμης, που επιβεβαιώνεται από ηχητικό σήμα. Ακολουθεί αναμονή ολίγων λεπτών ώστε οι δέκτες δορυφορικού προσδιορισμού θέσης των δύο μονάδων, να ξεκινήσουν να λαμβάνουν με σταθερό ρυθμό τα δεδομένα θέσης. Όταν αποκατασταθεί η λήψη των δεδομένων θέσης, η σταθερή μονάδα εκπέμπει περιοδικά το σφάλμα θέσης, το οποίο λαμβάνεταί από την κινητή μονάδα καί αξίοποίείταί για τη διόρθωση των συντεταγμένων θέσης αυτής (διαφορικός δορυφορικός προσδιορισμός θέσης). Κατόπιν η κινητή μονάδα καταγράφει τις διορθωμένες τιμές θέσης καί τις αντίστοιχες ενδείξεις των μαγνητίκών αισθητήρων σε μαγνητίκό μέσο αποθήκευσης (micro SD). Η επιτυχής ολοκλήρωση κάθε εγγραφής συνοδεύεται από οπτικοακουστική ένδειξη παλμού. Σε αυτή τη φάση, που οι έγκυρες καταγραφές έχουν ξεκινήσει να λαμβάνονταί με σταθερή συχνότητα, ακολουθεί η απογείωση του πτητικού μέσου καί η κίνησή του κατά την προγραμματισμένη διαδρομή σάρωσης. Η σάρωση μπορεί να πραγματοποιηθεί με την κίνηση του πτητικού μέσου σε παράλληλες ίσαπέχουσες διαδρομές για όλη την εδαφική επιφάνεια μελέτης, ομάδες παράλληλων διαδρομών που τέμνονταί, αλλά καί κάθε άλλο συνδυασμό τροχιών, ακόμα και τυχαίων, με απαραίτητη προϋπόθεση την κάλυψη όλης της εδαφικής επιφάνειας ενδιαφέροντος. Η αξιοπιστία της μαγνητικής αποτύπωσης αυξάνεται ευθέως ανάλογα με τον αριθμό των λαμβανομένων καταγραφών.

Στην περίπτωση που για οποίοδήποτε λόγο καί σε οποίαδήποτε φάση λειτουργίας η διαδικασία ενός κύκλου εργασιών δεν ολοκληρωθεί επίτυχώς, κανένα από τα δεδομένα δεν καταγράφεται, καί ακολουθεί νέα προσπάθεια ολοκλήρωσης επιτυχούς κύκλου. Η διακοπή έγκυρων καταγραφών γνωστοποιείται στο χειριστή από την απουσία οπτίκοακουστίκής ένδειξης καταγραφής.

Όταν εντοπιστεί μαγνητίκός στόχος η οπτίκοακουσηκή ένδειξη αλλάζει σε τόνο συναγερμού , ώστε παράλληλα με τις εγγραφές που γίνονται στο μαγνητίκό μέσο, να καταδεικνύεται καί επιτόπου το σημείο ενδιαφέροντος, πριν την αποκωδικοποίηση καί προβολή των δεδομένων καταγραφής. οι οπτικοακουστικές ενδείξεις και η ευαισθησία, μπορούν να προσαρμοστούν ανάλογα με το στόχο αναζήτησης, μέσω του προγράμματος ελέγχου της συσκευής. Μετά τη λήξη της σάρωσης καί την απενεργοποίηση των συσκευών, αφαιρείται η κάρτα μνήμης, που περιέχει τα δεδομένα καταγραφής σε πίνακα μορφής αρχείου κειμένου (txt), για χρήση σε προγράμματα προβολής τιμών, ή κάθε άλλη χρήση καί επεξεργασία.

Claims

ΑΞΙΩΣΕΙΣ

1. Το αιωρούμενο διαφορικό μαγνητόμετρο, αποτελείται από μία σταθερή μονάδα (1), που κατά τη λειτουργία του τοποθετείται σε σταθερό τοπογραφίκό σημείο αναφοράς (3), καί μία κινητή μονάδα (2), που προσαρμόζεται σε multicopter drone, καί περιλαμβάνει τον κόμβο ελέγχου (4) καί ζεύγος βαρυτικά προσανατολίζόμενων μαγνητικών αισθητήρων (6), προσαρμοσμένων με σχοινί (7). Το αίωρούμενο διαφορικό μαγνητόμετρο, καταγράφει διαφορικά, με τη βοήθεια του ηλεκτρονικού κυκλώματος του κόμβου ελέγχου (4), τις τιμές έντασης του μαγνητίκού πεδίου που προσδιορίζονται από τους μαγνητίκούς αισθητήρες (6), καί τις αντίστοιχες συντεταγμένες θέσης, υπεράνω μίας εδαφικής επιφάνειας σάρωσης ή κατά μήκος μίας καθορισμένης διαδρομής.

2. Το αιωρούμενο διαφορικό μαγνητόμετρο, σύμφωνο με την αξίωση 1, είναι αυτόνομο, δηλαδή δεν υπάρχει καμία άλλη εξάρτηση ή επικοινωνία, μεταξύ αυτού καί του multicopter drone, πέραν της απλής μεταφοράς της κινητής μονάδας (2).

3. Το αιωρούμενο διαφορικό μαγνητόμετρο, σύμφωνο με τις αξιώσεις 1 καί 2 ειδοποιεί επίτόπου το χειριστή, με ηχητικό σήμα του βομβητή (15) καί οπτικό σήμα των λυχνιών (16), που βρίσκονται στον κόμβο ελέγχου (4), όταν εντοπίζει μαγνητίκούς στόχους.

4. Το αιωρούμενο διαφορικό μαγνητόμετρο, σύμφωνο με τις αξιώσεις 1, 2 καί 3, περιλαμβάνει τα παρακάτω συμπαγή τμήματα για την στήριξη καί την προστασία των ηλεκτρονικών κυκλωμάτων: βάση κελύφους σταθερής μονάδας (9), καπάκι κελύφους σταθερής μονάδας (10), βάση κελύφους κόμβου (26), καπάκι κελύφους κόμβου (27), εσωτερικό στέλεχος ειδικής βάσης (28), ενδιάμεσο στέλεχος ειδικής βάσης (29), κεντρικό στέλεχος ειδικής βάσης (30).