一種無(wú)人機(jī)航磁探測(cè)系統(tǒng)及方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種無(wú)人機(jī)航空磁場(chǎng)探測(cè)系統(tǒng)及方法，屬于航空物探新儀器【技術(shù)領(lǐng)域】。具體包括機(jī)載部分與地面部分；所述機(jī)載部分包括主機(jī)、多路電源模塊和傳感器系統(tǒng)。其中，主機(jī)與無(wú)人機(jī)的伺服電機(jī)相連接；主機(jī)包括主控板、機(jī)載遙控遙測(cè)通訊裝置、自動(dòng)駕駛導(dǎo)航儀和數(shù)據(jù)收錄儀。所述地面部分用于無(wú)人機(jī)起降控制、測(cè)量狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)及突發(fā)情況下的人工干預(yù)，包括地面遙控遙測(cè)通訊裝置、遙控器、地面控制計(jì)算機(jī)及其處理模塊。本發(fā)明能用于地下礦產(chǎn)資源勘查和軍事目標(biāo)探測(cè)方面，并可用于將來(lái)的“地球探測(cè)工程”和國(guó)家重大建設(shè)項(xiàng)目勘查或戰(zhàn)略資源探查。本發(fā)明提出的航磁探測(cè)技術(shù)方案簡(jiǎn)單易行，成本低，社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益顯著。
【專利說(shuō)明】一種無(wú)人機(jī)航磁探測(cè)系統(tǒng)及方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種無(wú)人機(jī)航空磁場(chǎng)探測(cè)系統(tǒng)及方法，屬于航空物探新儀器技術(shù)領(lǐng) 域。

【背景技術(shù)】
[0002] 磁法勘探是通過(guò)觀測(cè)和分析由巖石、礦石（或其他探測(cè)對(duì)象）磁性差異所引起的 磁異常，進(jìn)而研究地質(zhì)構(gòu)造和礦產(chǎn)資源（或其他探測(cè)對(duì)象）的分布規(guī)律的一種地球物理勘 探方法?？捎糜诘刭|(zhì)調(diào)查的各個(gè)階段。在區(qū)域地質(zhì)調(diào)查中的應(yīng)用包括：①進(jìn)行大地構(gòu)造分 區(qū)，研究深大斷裂，確定接觸帶、斷裂帶、破碎帶和基底構(gòu)造；②劃分沉積巖、侵入巖、噴出巖 以及變質(zhì)巖的分布范圍，進(jìn)行區(qū)域地質(zhì)填圖；③研究區(qū)域礦產(chǎn)的形成和分布規(guī)律。在普查找 礦工作中的應(yīng)用包括：①直接尋找磁鐵礦床，普查與磁鐵礦共生的鉛、鋅、銅、錫等弱磁性礦 床，普查與磁鐵礦共生的金、錫、鉬等砂礦床；②普查鋁土礦、錳礦、褐鐵礦和菱鐵礦等弱磁 性沉積礦床；③查明各種控礦構(gòu)造并進(jìn)行控礦因素填圖，圈定基性、超基性巖，尋找鉻、鎳、 鑰;、鈷、銅、石棉等礦產(chǎn)；④圈定火山頸以尋找金剛石，圈出熱液蝕變帶以尋找夕卡巖型礦床 和熱液礦床（見(jiàn)氣化熱液礦床；⑤普查油氣田和煤田構(gòu)造，研究磁性基底控制的含油氣構(gòu) 造，圈定沉積蓋層中的局部構(gòu)造，以及探測(cè)與油氣藏（見(jiàn)圈閉）有關(guān)的磁異常，進(jìn)行普查找 油研究與火成巖有關(guān)的煤田構(gòu)造及圈定火燒煤區(qū)的范圍。在礦產(chǎn)詳查勘探中，對(duì)磁異常作 定量解釋可用來(lái)追索和圈定磁性礦體，確定鉆探孔位并指導(dǎo)鉆探工作的進(jìn)行。磁法勘探還 可用于研究深部地質(zhì)構(gòu)造，估算居里點(diǎn)深度以研究地?zé)岷瓦M(jìn)行地震蘊(yùn)震層分析及地震預(yù)報(bào) 的研究。還可應(yīng)用于考古、尋找地下金屬管道等工作。
[0003] 磁測(cè)工作按照觀測(cè)磁異常的空間地域不同，分為地面磁測(cè)、航空磁測(cè)、海洋磁測(cè)和 井中磁測(cè)。本發(fā)明屬于航空磁測(cè)的范疇。航空磁測(cè)是指用安裝在飛行器上的磁力儀進(jìn)行磁 測(cè)。具有快速，不受高山、水域、森林、沼澤限制等特點(diǎn)。由于飛機(jī)距地面一定高度飛行，減弱 了地表磁性不均勻影響，更有利于磁力儀記錄深部區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造的磁場(chǎng)。航磁比例尺根據(jù) 地質(zhì)任務(wù)、探測(cè)對(duì)象的規(guī)模、所測(cè)區(qū)域的地球物理特征和航空定位技術(shù)等來(lái)確定。為了獲得 明顯可靠的磁異常信息，飛行高度應(yīng)盡量低，由比例尺、定位技術(shù)和地形條件等確定。航磁 工作中，一般采用無(wú)線電導(dǎo)航儀同步照相定位。為消除飛行本身的磁干擾，還需采用特殊的 磁補(bǔ)償技術(shù)。航測(cè)過(guò)程中除進(jìn)行測(cè)線上的磁場(chǎng)測(cè)量外，還需進(jìn)行基線飛行和輔助飛行?；?線飛行是確定磁異常的起算點(diǎn)和計(jì)算儀器的零點(diǎn)位移；輔助飛行包括：了解測(cè)區(qū)情況、飛 行條件和儀器工作狀態(tài)的試驗(yàn)飛行；檢查評(píng)價(jià)磁測(cè)質(zhì)量的重復(fù)線飛行；檢查調(diào)整不同架次 觀測(cè)磁場(chǎng)水平的切割線飛行等。
[0004] 現(xiàn)有的航磁探測(cè)系統(tǒng)通常由三部分組成，一是傳感器，包括用于磁場(chǎng)數(shù)據(jù)測(cè)量的 磁力傳感器和用于無(wú)人機(jī)姿態(tài)測(cè)量的傳感器等；二是數(shù)據(jù)收錄儀，用于記錄和存儲(chǔ)所采集 的各類數(shù)據(jù)；三是配套的磁干擾補(bǔ)償儀，用于補(bǔ)償飛行器及各電子設(shè)備所帶來(lái)的磁干擾。在 航磁測(cè)量工作中，通常將以上航磁探測(cè)系統(tǒng)搭載到適用的飛行器上進(jìn)行測(cè)量。常用的飛行 器平臺(tái)包括輕小型飛機(jī)和動(dòng)力三角翼等。
[0005] 已有的航磁探測(cè)系統(tǒng)通常是飛行器與航磁設(shè)備的機(jī)械組合，并未針對(duì)航磁工作的 主要特點(diǎn)進(jìn)行優(yōu)化與集成。這一方面是由于常規(guī)飛行器通常為通用搭載平臺(tái)，除了航磁作 業(yè)外還需承擔(dān)其他航空作業(yè)；另一方面是由于常規(guī)飛行器需要駕駛員，由于人員安全的考 慮限制了某些優(yōu)化與改裝。而國(guó)內(nèi)航磁設(shè)備往往體積巨大，加上航磁工作中需要多種傳感 器數(shù)據(jù)，設(shè)備數(shù)量多體積大的問(wèn)題使得現(xiàn)有設(shè)備無(wú)法直接應(yīng)用于載荷較小的無(wú)人機(jī)上。同 時(shí)來(lái)自飛行器的磁干擾依舊是影響航磁數(shù)據(jù)質(zhì)量的重要因素。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明針對(duì)現(xiàn)有航磁探測(cè)系統(tǒng)操作復(fù)雜、工作成本高、效率低、磁場(chǎng)干擾大、智能 化集成程度低的缺點(diǎn)，提出了一種以低磁無(wú)人機(jī)作為平臺(tái)的航磁探測(cè)系統(tǒng)，能降低航磁探 測(cè)成本，提高磁測(cè)數(shù)據(jù)質(zhì)量，適合于大面積高精度航磁測(cè)量工作的應(yīng)用。
[0007] 本發(fā)明是通過(guò)下述技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的。
[0008] 低磁無(wú)人機(jī)航磁探測(cè)系統(tǒng)，包括機(jī)載部分與地面部分。
[0009] 所述機(jī)載部分包括自動(dòng)飛行控制與通訊主機(jī)、多路電源模塊和傳感器系統(tǒng)。其中， 自動(dòng)飛行控制與通訊主機(jī)與無(wú)人機(jī)的伺服電機(jī)相連接。
[0010] 自動(dòng)飛行控制與通訊主機(jī)包括主控板、機(jī)載遙控遙測(cè)通訊裝置、自動(dòng)駕駛導(dǎo)航儀 和數(shù)據(jù)收錄儀，實(shí)現(xiàn)無(wú)人機(jī)的飛行控制、自動(dòng)化測(cè)量、數(shù)據(jù)記錄、電源管理等功能。自動(dòng)飛行 控制與通訊主機(jī)采用高穩(wěn)定性的嵌入式系統(tǒng)，其體積和重量滿足低磁無(wú)人機(jī)的體積及載荷 要求。主控板包括飛控模塊、磁測(cè)模塊和補(bǔ)償模塊，同時(shí)為多個(gè)測(cè)量傳感器提供時(shí)標(biāo)信號(hào)， 使各傳感器工作和記錄的時(shí)間一致；主控板與機(jī)載遙控遙測(cè)通訊裝置相連，主控板的飛控 模塊連接至自動(dòng)駕駛導(dǎo)航儀，磁測(cè)模塊和補(bǔ)償模塊分別與數(shù)據(jù)收錄儀相連，將接收到的測(cè) 量傳感器數(shù)據(jù)經(jīng)預(yù)處理后分別實(shí)時(shí)傳遞至自動(dòng)駕駛導(dǎo)航儀和數(shù)據(jù)收錄儀，并接收自動(dòng)駕駛 導(dǎo)航儀計(jì)算得到的導(dǎo)航數(shù)據(jù)，輸出至機(jī)載遙控遙測(cè)通訊裝置。
[0011] 多個(gè)測(cè)量傳感器用于無(wú)人機(jī)的飛行控制、磁場(chǎng)值的測(cè)量與航磁數(shù)據(jù)補(bǔ)償預(yù)處理。 用于無(wú)人機(jī)的飛行控制的傳感器與主控板的飛控模塊相連，包括高度計(jì)、溫度計(jì)、空速傳感 器、三軸加速度傳感器、全球定位天線、三軸角速率傳感器和航空磁傳感器；用于磁場(chǎng)值測(cè) 量的傳感器與主控板的磁測(cè)模塊相連，包括高度計(jì)和光泵磁力儀；用于航磁數(shù)據(jù)補(bǔ)償預(yù)處 理的傳感器有三軸磁通門(mén)磁力儀，與主控板的補(bǔ)償模塊相連。
[0012] 所述航空磁傳感器包括磁通門(mén)磁力儀和光泵磁力儀，分別安裝于無(wú)人機(jī)的翼尖和 用連桿連接于機(jī)頭或機(jī)尾，以減小來(lái)自無(wú)人機(jī)本體的各類磁干擾。所述三軸磁通門(mén)磁力儀 安裝于低磁無(wú)人機(jī)前端連桿上，是矢量磁測(cè)量，能夠測(cè)量三個(gè)軸的磁場(chǎng)值，主要用于后期航 磁數(shù)據(jù)的磁補(bǔ)償。所述光泵磁力儀包括光泵探頭、控制部分和數(shù)據(jù)采集部分，其中光泵探頭 安裝于兩翼翼尖，控制和數(shù)據(jù)采集部分安裝于機(jī)艙內(nèi)，光泵磁力儀的測(cè)量精度要求能保證 航磁數(shù)據(jù)的有效測(cè)量。
[0013] 多路電源模塊由大容量可充電電池組集成，有電量估計(jì)功能，各路電源分別與無(wú) 人機(jī)伺服電機(jī)及機(jī)載設(shè)備相連，為無(wú)人機(jī)提供電力供應(yīng)，同時(shí)多路電源模塊通過(guò)串口將電 源狀態(tài)信息傳遞至自動(dòng)飛行控制與通訊主機(jī)，自動(dòng)飛行控制與通訊主機(jī)根據(jù)電源狀態(tài)返回 控制指令，控制各路電源開(kāi)關(guān)分別對(duì)無(wú)人機(jī)舵機(jī)、自動(dòng)飛行控制與通訊主機(jī)、各個(gè)測(cè)量傳感 器及航空磁測(cè)探頭供電。多路電源模塊保證自動(dòng)飛行控制與通訊主機(jī)中自動(dòng)駕駛導(dǎo)航儀和 飛機(jī)伺服電機(jī)的電力供應(yīng)，使無(wú)人機(jī)有充分的返航時(shí)間。采用多路電源模塊統(tǒng)一供電，避免 了航磁測(cè)量系統(tǒng)各模塊多電源單獨(dú)供電時(shí)，由于磁測(cè)模塊電力耗盡而造成的無(wú)效飛行，使 單架次測(cè)量所得的"有效測(cè)線公里"最大化。
[0014] 自動(dòng)飛行控制與通訊主機(jī)和多路電源模塊安裝于無(wú)人機(jī)機(jī)艙內(nèi)，與艙內(nèi)油箱、配 重模塊進(jìn)行合理配置：模塊間的連線短，能避免電磁干擾；避免碰撞短路，以確保飛行安 全。自動(dòng)飛行控制與通訊主機(jī)的主控板通過(guò)串口連接數(shù)傳電臺(tái)，通過(guò)機(jī)載遙控遙測(cè)通訊裝 置與地面遙控遙測(cè)通訊裝置通信；通過(guò)串口連接航空磁傳感器，通過(guò)數(shù)據(jù)收錄儀記錄磁測(cè) 數(shù)據(jù)；通過(guò)串口連接飛行姿態(tài)傳感器、氣壓計(jì)、高度計(jì)、全球定位天線，通過(guò)數(shù)據(jù)收錄儀記錄 各傳感器的數(shù)據(jù)；通過(guò)串口與多路電源模塊連接，實(shí)時(shí)獲取多路電源模塊的電壓、電量信 息，并根據(jù)優(yōu)先級(jí)控制多路電源模塊分配電源；同時(shí)，主控板提供時(shí)標(biāo)信號(hào)，使各傳感器工 作和記錄的時(shí)間一致。
[0015] 自動(dòng)飛行控制與通訊主機(jī)、電源和傳感器等部件在安裝過(guò)程中不能采用鐵磁性材 料，以減小無(wú)人機(jī)本體受地磁場(chǎng)磁化所產(chǎn)生的感應(yīng)類磁干擾；同時(shí)，無(wú)人機(jī)機(jī)艙中的各個(gè)模 塊也不能采用大量的導(dǎo)電材料，以減小飛行過(guò)程中切割地磁場(chǎng)所產(chǎn)生的渦流類磁干擾。
[0016] 所述地面部分用于無(wú)人機(jī)起降控制、測(cè)量狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)及突發(fā)情況下的人工干 預(yù)，主要實(shí)現(xiàn)測(cè)量前期的路徑導(dǎo)航規(guī)劃、無(wú)人機(jī)通訊、無(wú)人機(jī)飛行和測(cè)量實(shí)時(shí)的超視距控制 與監(jiān)控以及磁測(cè)數(shù)據(jù)的預(yù)處理等功能；包括地面遙控遙測(cè)通訊裝置、遙控器、地面控制計(jì)算 機(jī)及其處理模塊。地面遙控遙測(cè)通訊裝置與地面控制計(jì)算機(jī)的處理模塊相連。遙控器與地 面控制計(jì)算機(jī)無(wú)線通信，用于人工搜索、控制無(wú)人機(jī)。
[0017] 地面控制計(jì)算機(jī)的處理模塊主要實(shí)現(xiàn)三類功能：一為測(cè)線的航線規(guī)劃功能，地面 站在測(cè)量前根據(jù)測(cè)區(qū)的地理信息規(guī)劃測(cè)量航線，并將預(yù)設(shè)航線傳遞至自動(dòng)飛行控制與通訊 主機(jī)的自駕儀部分，由自駕儀根據(jù)規(guī)劃航線進(jìn)行全自動(dòng)化測(cè)量。二為測(cè)量狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)控功 能，由地面遙控遙測(cè)通訊裝置將獲取的無(wú)人機(jī)航磁測(cè)量狀態(tài)實(shí)時(shí)傳遞給地面控制計(jì)算機(jī)， 由處理模塊中的監(jiān)控模塊航測(cè)狀態(tài)，緊急情況下對(duì)無(wú)人機(jī)下達(dá)返航、爬升等干預(yù)指令；在迫 降或墜機(jī)等不可控事件發(fā)生時(shí)，獲得無(wú)人機(jī)的位置，最大限度減小意外所帶來(lái)的損失。三為 航磁數(shù)據(jù)的預(yù)處理功能，能對(duì)所測(cè)得的航磁數(shù)據(jù)進(jìn)行校正、磁補(bǔ)償?shù)忍幚?，?duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行質(zhì)量 控制。
[0018] 本發(fā)明的無(wú)人機(jī)航磁探測(cè)方法，包括如下步驟：
[0019] 步驟1，將機(jī)載模塊裝于低磁無(wú)人機(jī)上。電源模塊和自動(dòng)飛行控制與通訊主機(jī)安裝 于機(jī)艙內(nèi)部，三軸磁通門(mén)磁力儀安裝于低磁無(wú)人機(jī)前端連桿上，光泵磁力儀的光泵探頭安 裝于兩翼翼尖，記錄和數(shù)據(jù)采集部分安裝于機(jī)艙內(nèi)。
[0020] 步驟2,檢查低磁無(wú)人機(jī)與遙控器和地面站控制計(jì)算機(jī)之間的通信是否完好，具體 過(guò)程如下：
[0021] 1)將低磁無(wú)人機(jī)放于飛行區(qū)域的起飛點(diǎn)上；
[0022] 2)啟動(dòng)低磁無(wú)人機(jī)地面站控制軟件，在主界面上通過(guò)Google地圖搜索飛行區(qū)域， 并在飛行區(qū)域中搜索低磁無(wú)人機(jī)，直到無(wú)人機(jī)出現(xiàn)在地面站控制軟件主界面上為止；
[0023] 3)打開(kāi)遙控器，并將遙控器設(shè)置為人工控制狀態(tài)，在遙控器中找到與低磁無(wú)人機(jī) 相對(duì)應(yīng)的無(wú)人機(jī)型號(hào)；
[0024] 4)選定無(wú)人機(jī)型號(hào)后，啟動(dòng)低磁無(wú)人機(jī)的電源模塊，分別撥動(dòng)遙控器上的油門(mén)和 舵機(jī)等撥鍵，觀察低磁無(wú)人機(jī)的動(dòng)作是否與遙控器的撥鍵相對(duì)應(yīng)；
[0025] 5)再次撥動(dòng)遙控器上的油門(mén)和舵機(jī)撥鍵，在地面站控制軟件上觀察各舵機(jī)的顯示 是否正確，同時(shí)觀察主界面中的無(wú)人機(jī)的動(dòng)作是否與低磁無(wú)人機(jī)的實(shí)際動(dòng)作是否相符；
[0026] 6)上述情況都相對(duì)應(yīng)，那么說(shuō)明低磁無(wú)人機(jī)的機(jī)載部分與地面站控制部分之間的 通?目是正常的。
[0027] 步驟3,在確認(rèn)低磁無(wú)人機(jī)與遙控器和地面站控制軟件之間通信良好后，在地面站 控制軟件上對(duì)低磁無(wú)人機(jī)做飛行前的設(shè)置，具體包括以下設(shè)置：
[0028] 1)設(shè)置低磁無(wú)人機(jī)的飛行速度：為了確保所測(cè)航磁數(shù)據(jù)的質(zhì)量，低磁無(wú)人機(jī)的飛 行速度不能變化很大，因此，此處無(wú)人機(jī)將勻速飛行，一般速度設(shè)置在120_150Km/h ;
[0029] 2)設(shè)置低磁無(wú)人機(jī)的飛行航跡：根據(jù)任務(wù)要求，低磁無(wú)人機(jī)在飛行區(qū)域內(nèi)進(jìn)行柵 形飛行，首先在地面站軟件中的航跡規(guī)劃模塊下輸入起始點(diǎn)、目標(biāo)點(diǎn)和柵形行距等信息，點(diǎn) 擊生成柵形航跡，這樣在飛行區(qū)域就生成了初始柵形航跡；
[0030] 3)設(shè)置低磁無(wú)人機(jī)的飛行高度：在初始柵形航跡中為了保證航磁數(shù)據(jù)的質(zhì)量，低 磁無(wú)人機(jī)與地面的絕對(duì)高度是一致的。但是，為了保證低磁無(wú)人機(jī)的飛行安全，在局部對(duì)低 磁無(wú)人機(jī)的飛行高度進(jìn)行人工調(diào)整。
[0031] 步驟4,將步驟3中對(duì)低磁無(wú)人機(jī)的設(shè)置下裝到低磁無(wú)人機(jī)的自動(dòng)飛行控制與通 訊主機(jī)上。
[0032] 步驟5,低磁無(wú)人機(jī)在起飛階段，操控人員利用遙控器控制低磁無(wú)人機(jī)的起飛，當(dāng) 低磁無(wú)人機(jī)到達(dá)預(yù)先設(shè)定的航跡起始點(diǎn)位置，操控遙控器切換到自主飛行狀態(tài)。低磁無(wú)人 機(jī)將根據(jù)地面站上預(yù)先設(shè)定的航跡進(jìn)行飛行，并實(shí)時(shí)采集和記錄航磁數(shù)據(jù)、飛行速度和高 度等數(shù)據(jù)。
[0033] 步驟6,直到無(wú)人機(jī)飛完整個(gè)飛行區(qū)域，再將無(wú)人機(jī)的飛行狀態(tài)從自主飛行切換到 遙控器控制狀態(tài)，操控人員操作遙控器使低磁無(wú)人機(jī)安全著陸。
[0034] 步驟7,將測(cè)量的航磁數(shù)據(jù)從無(wú)人機(jī)的自動(dòng)飛行控制與通訊主機(jī)存儲(chǔ)卡中讀出，并 導(dǎo)入相關(guān)專業(yè)軟件（AeroMag)中進(jìn)行處理。
[0035] 步驟8,在AeroMag中首先利用磁通門(mén)測(cè)量?jī)x測(cè)量的數(shù)據(jù)對(duì)航磁測(cè)量姿態(tài)進(jìn)行處 理。同時(shí)對(duì)光泵磁力儀數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，包括正常的校正場(chǎng)改正、外日變改正、溫度改正、零 點(diǎn)改正、正常梯度改正、基點(diǎn)改正和磁場(chǎng)水平調(diào)整（即調(diào)平），再利用飛行姿態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行磁 補(bǔ)償計(jì)算。
[0036] 步驟9，數(shù)據(jù)預(yù)處理后，對(duì)處理后的航磁異常數(shù)據(jù)進(jìn)行進(jìn)一步處理，包括向上延拓、 水平導(dǎo)數(shù)、垂向?qū)?shù)、化磁極。向上延拓的主要作用為壓制淺層干擾，突出深部趨勢(shì)。水平 導(dǎo)數(shù)的主要作用為突出方向構(gòu)造信息。垂向?qū)?shù)的主要作用為突出淺層場(chǎng)源信息?；艠O 的主要作用為消除斜磁化影響，簡(jiǎn)化磁場(chǎng)形態(tài)。另外還可以利用頻率域?qū)Υ女惓?shù)據(jù)進(jìn)行 相應(yīng)的處理與轉(zhuǎn)換，最終將圖形進(jìn)行三維顯示。
[0037] 有益效果
[0038] 本發(fā)明的探測(cè)系統(tǒng)可用于國(guó)民經(jīng)濟(jì)和軍事目標(biāo)探測(cè)多個(gè)方面，并可用于國(guó)家重大 科技專項(xiàng)"地球探測(cè)工程"和國(guó)家重大建設(shè)項(xiàng)目勘查或戰(zhàn)略資源探查。整套設(shè)備系統(tǒng)方案 簡(jiǎn)單易行，成本低，社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益顯著。

【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0039] 圖1為本發(fā)明的無(wú)人機(jī)航磁探測(cè)系統(tǒng)組成框圖；
[0040] 圖2為本發(fā)明的無(wú)人機(jī)航磁探測(cè)系統(tǒng)自動(dòng)飛行控制與通訊主機(jī)部分的示意框圖； [0041] 圖3為本發(fā)明的無(wú)人機(jī)航磁探測(cè)系統(tǒng)傳感器部分的示意框圖；
[0042] 圖4為本發(fā)明的無(wú)人機(jī)航磁探測(cè)系統(tǒng)地面站部分的示意框圖；
[0043] 圖5為【具體實(shí)施方式】中采用固定翼無(wú)人機(jī)和光泵磁力儀的系統(tǒng)安裝示意圖；
[0044] 圖6為【具體實(shí)施方式】中無(wú)人機(jī)飛行區(qū)域；
[0045] 圖7為【具體實(shí)施方式】中無(wú)人機(jī)飛行航跡；
[0046] 圖8為【具體實(shí)施方式】中無(wú)人機(jī)探測(cè)得到的磁場(chǎng)等值線圖；
[0047] 圖9為【具體實(shí)施方式】中無(wú)人機(jī)探測(cè)得到的磁場(chǎng)分布三維效果圖；
[0048] 標(biāo)號(hào)說(shuō)明：1_磁通門(mén)磁力儀，2-GPS和通訊天線，3-機(jī)艙（其中安裝自駕儀、數(shù)據(jù) 收錄儀、電源管理模塊和油箱），4-光泵探頭A，5-光泵探頭B。

【具體實(shí)施方式】
[0049] 下面結(jié)合實(shí)施例及附圖，對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。
[0050] 本發(fā)明主要以光泵磁力儀作為測(cè)量地磁場(chǎng)的核心磁傳感器，并將配套的數(shù)據(jù)收錄 系統(tǒng)以及自駕儀等部分集成為系統(tǒng)的自動(dòng)飛行控制與通訊主機(jī)部分，配備大容量電池模塊 及其他傳感器組成適用于無(wú)人機(jī)的航磁探測(cè)系統(tǒng)。選擇固定翼無(wú)人機(jī)機(jī)型，將航磁測(cè)量系 統(tǒng)安裝于無(wú)人機(jī)上，實(shí)現(xiàn)一套完整的無(wú)人機(jī)航磁探測(cè)系統(tǒng)。
[0051] 選擇固定翼無(wú)人機(jī)為常規(guī)布局、雙垂尾、雙尾撐、發(fā)動(dòng)機(jī)后置、大展弦比機(jī)翼，飛機(jī) 安定性好，能夠保持飛行平穩(wěn)，可滿足不同地形條件下航磁探測(cè)飛行要求。選擇重量輕、強(qiáng) 度大、對(duì)航磁探測(cè)設(shè)備影響小的低磁材料（玻璃纖維和其他復(fù)合材料）進(jìn)行無(wú)人機(jī)的制作， 艙體空間需滿足機(jī)載各種設(shè)備的安裝要求。
[0052] 自動(dòng)飛行控制與通訊主機(jī)集成了自駕儀、數(shù)據(jù)收錄儀和主控板三個(gè)主要部分，安 裝于無(wú)人機(jī)機(jī)艙內(nèi)。并與油箱和多路電源模塊進(jìn)行配重，保證無(wú)人機(jī)的穩(wěn)定性。自動(dòng)飛行 控制與通訊主機(jī)采用嵌入系統(tǒng)，以32位微處理器ARM為核心設(shè)計(jì)。通過(guò)I/O接口連接并控 制磁探頭工作，獲取光泵磁探頭和磁通門(mén)磁探頭數(shù)據(jù)，采用多路同步測(cè)量實(shí)現(xiàn)磁梯度測(cè)量， 并為磁補(bǔ)償提供補(bǔ)償參數(shù)。通過(guò)可擴(kuò)展接口，獲取GPS、高度、飛行姿態(tài)、空速、氣壓等數(shù)據(jù)， 通過(guò)自駕儀實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)測(cè)量。并由數(shù)據(jù)收錄儀將所有數(shù)據(jù)同步儲(chǔ)存。通過(guò)串口與多路電源 模塊進(jìn)行通訊，根據(jù)電量信息控制電源模塊開(kāi)關(guān)對(duì)無(wú)人機(jī)伺服電機(jī)、自動(dòng)飛行控制與通訊 主機(jī)、傳感器進(jìn)行供電。集成遙控與遙測(cè)裝置，通過(guò)數(shù)傳電臺(tái)實(shí)時(shí)與地面站進(jìn)行通訊。
[0053] 由于系統(tǒng)涉及多種傳感器，根據(jù)各傳感器特點(diǎn)安裝于無(wú)人機(jī)的不同位置。
[0054] 其中，航空磁傳感器選擇航空氦光泵磁探頭和三軸磁通門(mén)磁探頭。前者是基于光 泵技術(shù)實(shí)現(xiàn)的高靈敏度的磁力儀，可測(cè)量地磁總場(chǎng)，其精度為〇. 〇1ηΤ ;后者即三個(gè)正交組 合的磁通門(mén)磁力儀，可實(shí)現(xiàn)對(duì)地磁矢量場(chǎng)的測(cè)量，其精度為InT。本例中的光泵磁力儀對(duì)稱 的安裝于固定翼無(wú)人機(jī)兩翼的翼尖，實(shí)現(xiàn)對(duì)地磁總場(chǎng)水平梯度的測(cè)量；三軸磁通門(mén)磁力儀 通過(guò)高強(qiáng)度碳纖維桿安裝于機(jī)頭。這種安裝方式使得磁探頭均遠(yuǎn)離無(wú)人機(jī)本體，減小了來(lái) 自無(wú)人機(jī)的磁干擾，提高了磁測(cè)數(shù)據(jù)的質(zhì)量。
[0055] 其余傳感器主要有GPS天線、空速計(jì)、高度計(jì)、三軸加速度傳感器、三軸角速度傳 感器、氣壓計(jì)，均集成于機(jī)艙內(nèi)或安裝于機(jī)艙附近，有效減小對(duì)磁測(cè)的干擾。
[0056] 地面站部分的核心是一臺(tái)主控計(jì)算機(jī)，安裝了無(wú)人機(jī)航磁測(cè)量中的測(cè)前、測(cè)時(shí)、側(cè) 后所需的各類軟件?？蓪?shí)現(xiàn)對(duì)無(wú)人機(jī)航磁測(cè)線的規(guī)劃，實(shí)時(shí)反饋測(cè)量中的無(wú)人機(jī)飛行狀態(tài) 以及磁測(cè)設(shè)備的工作狀態(tài)，實(shí)時(shí)獲取測(cè)量數(shù)據(jù)，同時(shí)可對(duì)無(wú)人機(jī)進(jìn)行超視距控制。測(cè)量結(jié)束 后可導(dǎo)入數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)預(yù)處理，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行質(zhì)量控制。通過(guò)遙控遙測(cè)通訊裝置實(shí)現(xiàn)與無(wú)人 機(jī)間的通訊功能。
[0057] 第一步：將自動(dòng)飛行控制與通訊主機(jī)以及機(jī)載傳感器裝于無(wú)人機(jī)上，具體位置見(jiàn) 圖5 ;
[0058] 第二步：將裝有磁測(cè)設(shè)備的無(wú)人機(jī)放于飛行區(qū)的起飛點(diǎn)，并檢查無(wú)人機(jī)的舵機(jī)和 發(fā)動(dòng)機(jī)部分是否適于飛行；
[0059] 第三步：打開(kāi)地面控制軟件，檢測(cè)無(wú)人機(jī)的控制部分，確認(rèn)無(wú)人機(jī)是否可以飛行， 然后，在控制軟件上規(guī)劃無(wú)人機(jī)的飛行區(qū)域如圖6所示的白色方框，在飛行區(qū)域內(nèi)，根據(jù)飛 行內(nèi)務(wù)規(guī)劃無(wú)人機(jī)的飛行航線，如圖7所示，并將飛行區(qū)域和航跡下裝到無(wú)人機(jī)機(jī)載部分 的主控機(jī)上；
[0060] 第四步：起飛階段，由人工利用遙控器控制無(wú)人機(jī)的起飛，當(dāng)無(wú)人機(jī)到達(dá)預(yù)先設(shè)定 的飛行位置，切換到自主飛行狀態(tài)。無(wú)人機(jī)根據(jù)地面站上預(yù)先設(shè)定的航跡進(jìn)行飛行，并實(shí)時(shí) 采集和記錄航磁數(shù)據(jù)；
[0061] 第五步：直到無(wú)人機(jī)飛完整個(gè)飛行區(qū)域，再將無(wú)人機(jī)的飛行狀態(tài)從自主飛行切換 到遙控器控制狀態(tài)，人為操作遙控器使無(wú)人機(jī)安全著陸；
[0062] 第六步：將測(cè)量數(shù)據(jù)從無(wú)人機(jī)的自動(dòng)飛行控制與通訊主機(jī)存儲(chǔ)卡中讀出，并導(dǎo)入 相關(guān)專業(yè)軟件（AeroMag)中進(jìn)行處理；
[0063] 第七步：在AeroMag中首先對(duì)航磁異常數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，包括正常的校正場(chǎng)改正 外日變改正、溫度改正、零點(diǎn)改正、正常梯度改正、基點(diǎn)改正，另外還包括磁補(bǔ)償和磁場(chǎng)水平 調(diào)整（即調(diào)平），圖8為航磁數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)預(yù)處理后得到的磁場(chǎng)等值線圖；
[0064] 第八步：數(shù)據(jù)預(yù)處理后，對(duì)航磁異常數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，包括向上延拓，其主要作用為 壓制淺層干擾，突出深部趨勢(shì)；水平導(dǎo)數(shù)，其主要作用為突出方向構(gòu)造信息；垂向?qū)?shù)，其 主要作用為突出淺層場(chǎng)源信息；化磁極，其主要作用為消除斜磁化影響，簡(jiǎn)化磁場(chǎng)形態(tài)。另 外還可以利用頻率域?qū)Υ女惓?shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)的處理與轉(zhuǎn)換，最終將圖形進(jìn)行三維顯示，圖9 是將圖8進(jìn)行處理后的三維顯示效果圖。
【權(quán)利要求】
1. 一種無(wú)人機(jī)航磁探測(cè)系統(tǒng)，其特征在于：包括機(jī)載部分與地面部分； 所述機(jī)載部分包括自動(dòng)飛行控制與通訊主機(jī)、多路電源模塊和傳感器系統(tǒng)；其中，自動(dòng) 飛行控制與通訊主機(jī)與無(wú)人機(jī)的伺服電機(jī)相連接； 自動(dòng)飛行控制與通訊主機(jī)包括主控板、機(jī)載遙控遙測(cè)通訊裝置、自動(dòng)駕駛導(dǎo)航儀和數(shù) 據(jù)收錄儀；自動(dòng)飛行控制與通訊主機(jī)采用嵌入式系統(tǒng)；主控板與機(jī)載遙控遙測(cè)通訊裝置相 連，主控板將接收到的測(cè)量傳感器數(shù)據(jù)經(jīng)預(yù)處理后分別實(shí)時(shí)傳遞至自動(dòng)駕駛導(dǎo)航儀和數(shù)據(jù) 收錄儀，并接收自動(dòng)駕駛導(dǎo)航儀計(jì)算得到的導(dǎo)航數(shù)據(jù)，輸出至機(jī)載遙控遙測(cè)通訊裝置； 多個(gè)測(cè)量傳感器用于無(wú)人機(jī)的飛行姿態(tài)控制、磁場(chǎng)值的測(cè)量與航磁數(shù)據(jù)補(bǔ)償預(yù)處理； 多路電源模塊由大容量可充電電池組集成，有電量估計(jì)功能，各路電源分別與無(wú)人機(jī) 伺服電機(jī)及機(jī)載設(shè)備相連，為無(wú)人機(jī)提供電力供應(yīng)，同時(shí)多路電源模塊通過(guò)串口將電源狀 態(tài)信息傳遞至自動(dòng)飛行控制與通訊主機(jī)，自動(dòng)飛行控制與通訊主機(jī)根據(jù)電源狀態(tài)返回控制 指令，控制各路電源開(kāi)關(guān)分別對(duì)無(wú)人機(jī)舵機(jī)、自動(dòng)飛行控制與通訊主機(jī)、各個(gè)測(cè)量傳感器及 航空磁測(cè)探頭供電； 所述航空磁傳感器包括磁通門(mén)磁力儀和光泵磁力儀；磁通門(mén)磁力儀安裝于低磁無(wú)人機(jī) 前端連桿上，是矢量磁測(cè)量，能夠測(cè)量三個(gè)軸的磁場(chǎng)值，是實(shí)時(shí)測(cè)量飛行姿態(tài)的主要裝置； 光泵磁力儀包括光泵探頭、控制部分和數(shù)據(jù)采集部分，其中光泵探頭安裝于兩翼翼尖，自動(dòng) 飛行控制與通訊主機(jī)安裝于機(jī)艙內(nèi)； 自動(dòng)飛行控制與通訊主機(jī)和多路電源模塊安裝于無(wú)人機(jī)機(jī)艙內(nèi)，與艙內(nèi)油箱、配重模 塊相連：模塊間的連線短；避免碰撞短路；自動(dòng)飛行控制與通訊主機(jī)的主控板通過(guò)串口連 接數(shù)傳電臺(tái)，通過(guò)自動(dòng)飛行控制與通訊主機(jī)遙控遙測(cè)通訊裝置與地面站的遙控遙測(cè)通訊裝 置通信；通過(guò)串口連接航空磁傳感器，通過(guò)數(shù)據(jù)收錄儀記錄磁測(cè)數(shù)據(jù)；通過(guò)串口連接飛行 姿態(tài)傳感器、氣壓計(jì)、高度計(jì)、全球定位天線等傳感器，通過(guò)數(shù)據(jù)收錄儀記錄各傳感器的數(shù) 據(jù)，并實(shí)時(shí)傳遞參數(shù)至自動(dòng)駕駛儀進(jìn)行飛行導(dǎo)航與控制；通過(guò)串口與多路電源模塊連接，實(shí) 時(shí)獲取多路電源模塊的電壓、電量信息，并根據(jù)優(yōu)先級(jí)控制多路電源模塊分配電源； 自動(dòng)飛行控制與通訊主機(jī)、電源和傳感器等部件在安裝過(guò)程中不能采用鐵磁性材料； 所述地面部分用于無(wú)人機(jī)起降控制、測(cè)量狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)及突發(fā)情況下的人工干預(yù)，主 要實(shí)現(xiàn)測(cè)量前期的路徑導(dǎo)航規(guī)劃、無(wú)人機(jī)通訊、無(wú)人機(jī)飛行和測(cè)量實(shí)時(shí)的超視距控制與監(jiān) 控以及磁測(cè)數(shù)據(jù)的預(yù)處理等功能；包括遙控遙測(cè)通訊裝置、遙控器、地面控制計(jì)算機(jī)及其處 理模塊；遙控遙測(cè)通訊裝置與地面控制計(jì)算機(jī)的處理模塊相連；遙控器與地面控制計(jì)算機(jī) 無(wú)線通信，用于人工搜索、控制無(wú)人機(jī)。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種無(wú)人機(jī)航磁探測(cè)系統(tǒng)，其特征在于：用于無(wú)人機(jī)的飛行 控制的傳感器包括高度計(jì)、溫度計(jì)、空速傳感器、三軸加速度傳感器、三軸角速率傳感器和 航空磁傳感器；用于磁場(chǎng)值測(cè)量的傳感器包括高度計(jì)和光泵磁力儀；用于航磁數(shù)據(jù)補(bǔ)償預(yù) 處理的傳感器有三軸磁通門(mén)磁力儀。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種無(wú)人機(jī)航磁探測(cè)系統(tǒng)，其特征在于：主控板包括飛控模 塊、磁測(cè)模塊和補(bǔ)償模塊，同時(shí)為多個(gè)測(cè)量傳感器提供時(shí)標(biāo)信號(hào)，使各傳感器工作和記錄的 時(shí)間一致。
4. 一種無(wú)人機(jī)航磁探測(cè)方法，其特征在于：包括如下步驟： 步驟1，將機(jī)載模塊裝于低磁無(wú)人機(jī)上；電源模塊和自動(dòng)飛行控制與通訊主機(jī)安裝于 機(jī)艙內(nèi)部，三軸磁通門(mén)磁力儀安裝于低磁無(wú)人機(jī)前端連桿上，光泵磁力儀的光泵探頭安裝 于兩翼翼尖，記錄和數(shù)據(jù)采集部分安裝于機(jī)艙內(nèi)； 步驟2,檢查低磁無(wú)人機(jī)與遙控器和地面站控制計(jì)算機(jī)之間的通信，具體過(guò)程如下： 1) 將低磁無(wú)人機(jī)放于飛行區(qū)域的起飛點(diǎn)上； 2) 啟動(dòng)低磁無(wú)人機(jī)地面站控制軟件，在主界面上通過(guò)地圖搜索飛行區(qū)域，并在飛行區(qū) 域中搜索低磁無(wú)人機(jī)，直到無(wú)人機(jī)顯示在地面站控制軟件主界面上為止； 3) 打開(kāi)遙控器，并將遙控器設(shè)置為人工控制狀態(tài)，在遙控器中找到與低磁無(wú)人機(jī)相對(duì) 應(yīng)的無(wú)人機(jī)型號(hào)； 4) 選定無(wú)人機(jī)型號(hào)后，啟動(dòng)低磁無(wú)人機(jī)的電源模塊，分別撥動(dòng)遙控器上的油門(mén)和舵機(jī) 等撥鍵，觀察低磁無(wú)人機(jī)的動(dòng)作是否與遙控器的撥鍵相對(duì)應(yīng)； 5) 再次撥動(dòng)遙控器上的油門(mén)和舵機(jī)撥鍵，在地面站控制軟件上觀察各舵機(jī)的顯示是否 正確，同時(shí)觀察主界面中的無(wú)人機(jī)的動(dòng)作是否與低磁無(wú)人機(jī)的實(shí)際動(dòng)作是否相符； 6) 上述情況都相對(duì)應(yīng)，那么說(shuō)明低磁無(wú)人機(jī)的機(jī)載部分與地面站控制部分之間的通信 是正常的； 步驟3,在確認(rèn)低磁無(wú)人機(jī)與遙控器和地面站控制軟件之間通信良好后，在地面站控制 軟件上對(duì)低磁無(wú)人機(jī)做飛行前的設(shè)置，具體包括以下設(shè)置： 1) 設(shè)置低磁無(wú)人機(jī)的勻速飛行速度； 2) 設(shè)置低磁無(wú)人機(jī)的柵形飛行航跡； 3) 設(shè)置低磁無(wú)人機(jī)的飛行高度； 步驟4,將步驟3中對(duì)低磁無(wú)人機(jī)的設(shè)置下裝到低磁無(wú)人機(jī)的自動(dòng)飛行控制與通訊主 機(jī)上； 步驟5,低磁無(wú)人機(jī)在起飛階段，操控人員利用遙控器控制低磁無(wú)人機(jī)的起飛，當(dāng)?shù)痛?無(wú)人機(jī)到達(dá)預(yù)先設(shè)定的航跡起始點(diǎn)位置，操控遙控器切換到自主飛行狀態(tài)；低磁無(wú)人機(jī)將 根據(jù)地面站上預(yù)先設(shè)定的航跡進(jìn)行飛行，并實(shí)時(shí)采集和記錄航磁數(shù)據(jù)、飛行速度和高度等 數(shù)據(jù)； 步驟6,直到無(wú)人機(jī)飛完整個(gè)飛行區(qū)域，再將無(wú)人機(jī)的飛行狀態(tài)從自主飛行切換到遙控 器控制狀態(tài)，操控人員操作遙控器使低磁無(wú)人機(jī)安全著陸； 步驟7,將測(cè)量的航磁數(shù)據(jù)從無(wú)人機(jī)的自動(dòng)飛行控制與通訊主機(jī)存儲(chǔ)卡中讀出，并導(dǎo)入 相關(guān)專業(yè)軟件中進(jìn)行處理； 步驟8,在專業(yè)軟件中首先利用磁通門(mén)測(cè)量?jī)x測(cè)量的數(shù)據(jù)對(duì)航磁測(cè)量姿態(tài)進(jìn)行處理； 同時(shí)對(duì)光泵磁力儀數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，包括正常的校正場(chǎng)改正、外日變改正、溫度改正、零點(diǎn) 改正、正常梯度改正、基點(diǎn)改正和磁場(chǎng)水平調(diào)平，再利用飛行姿態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行磁補(bǔ)償計(jì)算； 步驟9,數(shù)據(jù)預(yù)處理后，對(duì)處理后的航磁異常數(shù)據(jù)進(jìn)行進(jìn)一步處理，包括向上延拓、水平 導(dǎo)數(shù)、垂向?qū)?shù)、化磁極；利用頻率域?qū)Υ女惓?shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)的處理與轉(zhuǎn)換，最終將圖形進(jìn) 行三維顯示。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種無(wú)人機(jī)航磁探測(cè)方法，其特征在于：無(wú)人機(jī)將勻速飛行， 速度設(shè)置在120_150Km/h。
【文檔編號(hào)】G01V3/40GK104122597SQ201410356950
【公開(kāi)日】2014年10月29日 申請(qǐng)日期:2014年7月25日 優(yōu)先權(quán)日:2013年8月22日
【發(fā)明者】郭子祺, 張寶鋼, 劉建英, 喬彥超, 秦靜欣, 田野 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院遙感與數(shù)字地球研究所