基于旋翼無(wú)人機(jī)的磁干擾補(bǔ)償技術(shù)

張龍偉劉首善張謹(jǐn)陳恩

(1.第七一五研究所，杭州，310023；2.91046部隊(duì)，山東萊陽(yáng)，265200）

基于旋翼無(wú)人機(jī)的磁干擾補(bǔ)償技術(shù)

張龍偉1劉首善2張謹(jǐn)1陳恩1

(1.第七一五研究所，杭州，310023；2.91046部隊(duì)，山東萊陽(yáng)，265200）

為解決旋翼無(wú)人機(jī)對(duì)高靈敏度氦光泵磁力儀的磁干擾補(bǔ)償問(wèn)題，設(shè)計(jì)了一套簡(jiǎn)易實(shí)用的磁補(bǔ)償器。該補(bǔ)償器對(duì)旋翼機(jī)在特定方向上的特定機(jī)動(dòng)動(dòng)作引起的磁異常進(jìn)行手動(dòng)補(bǔ)償。通過(guò)補(bǔ)償前后數(shù)據(jù)對(duì)比分析，驗(yàn)證了該方法可以很好的消除旋翼機(jī)轉(zhuǎn)向和搖擺時(shí)對(duì)設(shè)備數(shù)據(jù)的影響，保證了旋翼機(jī)在航向發(fā)生變化或側(cè)風(fēng)作業(yè)時(shí)的數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性。

旋翼無(wú)人機(jī)；氦光泵磁力儀；磁補(bǔ)償器

航磁測(cè)量系統(tǒng)不僅在軍事、宇宙磁測(cè)上得到應(yīng)用，在航空地球物理勘探、海洋磁測(cè)、海洋工程勘測(cè)設(shè)計(jì)中也得到普遍應(yīng)用。新近開(kāi)發(fā)的基于多旋翼無(wú)人機(jī)航磁測(cè)量系統(tǒng)在水下考古中受到重視[1]。由于多旋翼無(wú)人機(jī)穩(wěn)定性好，易于操控，相對(duì)于小型固定翼、直升機(jī)系列更為可靠。數(shù)字式小型化氦光泵磁探儀，集成數(shù)字采集系統(tǒng)、GPS、磁補(bǔ)償器、高能鋰電池等總重量不超8 kg，完全滿(mǎn)足安裝要求。航磁測(cè)系統(tǒng)構(gòu)成如圖1所示。光泵探頭安裝在飛機(jī)下部1.2 m處，盡可能降低飛機(jī)磁干擾的影響。

圖1 基于多旋翼無(wú)人機(jī)航磁測(cè)量系統(tǒng)

1 飛機(jī)磁干擾源分析

Tolles-Lawson方程分析了機(jī)載磁探儀的磁干擾和機(jī)動(dòng)相關(guān)聯(lián)的噪聲問(wèn)題[2]。飛機(jī)上所有磁干擾可等效為一個(gè)假想磁源M，這個(gè)磁源將影響磁力儀工作性能。Tolles-Lawson方程指出上述磁源是由三種不同的磁干擾源組成。第一種是飛機(jī)各種鐵磁性物質(zhì)的永久磁化，例如電機(jī)中的永磁體等。第二種磁干擾是飛機(jī)上某些鐵磁性物質(zhì)被地磁場(chǎng)感應(yīng)產(chǎn)生的磁場(chǎng)，如操縱鋼索類(lèi)。這種感應(yīng)磁場(chǎng)顯然與永久磁場(chǎng)不同，不隨飛機(jī)機(jī)動(dòng)而轉(zhuǎn)動(dòng)，但它的極性和大小取決于地磁場(chǎng)方向和大小。第三種磁干擾源是由渦流磁場(chǎng)產(chǎn)生的，如大面積機(jī)翼漿體。飛機(jī)在地磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)時(shí)，這些導(dǎo)電體將產(chǎn)生渦流電流，這一電流與地磁場(chǎng)穿過(guò)這些物件的時(shí)間變化率成正比。理論上還可能找出其他一些磁干擾，如某些設(shè)備的供電流突變。上述三種磁干擾源將是磁補(bǔ)償技術(shù)的重點(diǎn)。

2 磁補(bǔ)償器設(shè)計(jì)

經(jīng)驗(yàn)指出：飛機(jī)磁干擾越簡(jiǎn)單越容易補(bǔ)償。因此“磁凈化”技術(shù)很重要。就本機(jī)氦光泵磁探儀的光泵探頭安裝方式而言，采取如下措施：所有結(jié)構(gòu)件，包括螺釘、螺母均采用無(wú)磁性材料；所有供電電源線均重新布置，做無(wú)磁場(chǎng)外泄處理；主要干擾源無(wú)刷電機(jī)做屏蔽處理。由于多旋翼無(wú)人機(jī)無(wú)大面積金屬構(gòu)件和操縱鋼索類(lèi)物體，因此，感應(yīng)場(chǎng)和渦流場(chǎng)影響可以不考慮。通過(guò)上述“磁凈化”處理，磁干擾將主要由永久場(chǎng)組成。這為小型無(wú)人機(jī)磁補(bǔ)償創(chuàng)造了較佳條件。

圖2 基本幾何關(guān)系和機(jī)動(dòng)角定義

當(dāng)飛機(jī)平飛時(shí)：

當(dāng)飛機(jī)做搖擺機(jī)動(dòng)時(shí)：

所有設(shè)備在飛機(jī)上安裝確定后，飛機(jī)上的永久磁場(chǎng)源就已確定，它不會(huì)隨飛機(jī)機(jī)動(dòng)而改變。參見(jiàn)圖2，在原點(diǎn)O，即安裝光泵探頭的位置，由永久磁場(chǎng)產(chǎn)生的總干擾場(chǎng)恒定的，可以用飛機(jī)軸平行的分量T、L、V來(lái)表征。所以在光泵探頭輸入端永久磁場(chǎng)可以表示為：

式中，T、L、V分量是受飛機(jī)軸機(jī)動(dòng)影響的，而探頭處的干擾場(chǎng)的數(shù)值也是變化的。由于光泵探頭檢測(cè)的是地磁總場(chǎng)，因此有效的永久磁場(chǎng)Hpq為：

上式就是在原點(diǎn)O處，飛機(jī)永久磁場(chǎng)源的數(shù)學(xué)表達(dá)式。據(jù)此，一套簡(jiǎn)易的針對(duì)多旋翼無(wú)人機(jī)的磁補(bǔ)償器原理框圖如圖3所示。

圖3 磁補(bǔ)償器原理框圖

3 補(bǔ)償試驗(yàn)及結(jié)果

旋翼機(jī)姿態(tài)變化時(shí)，磁場(chǎng)干擾可以分解到不同分量上，可以控制旋翼機(jī)姿態(tài)變化使其他分量不變，只將干擾投影到某一分量上，然后選擇一系列機(jī)動(dòng)動(dòng)作結(jié)合磁補(bǔ)償器予以補(bǔ)償，直到所有分量的干擾量被全部補(bǔ)償為止。補(bǔ)償試驗(yàn)分兩階段進(jìn)行：先進(jìn)行平面八方位方向差校正，再做垂直方向機(jī)動(dòng)補(bǔ)償。由式（1）~（3）可推得：

其中，T90指x分量在東航向光泵磁探儀測(cè)得的磁場(chǎng)值；L0指y分量在北航向光泵磁探儀測(cè)得的磁場(chǎng)值；V90ψ指z分量在東航向做搖擺機(jī)動(dòng)時(shí)光泵磁探儀測(cè)得磁場(chǎng)值，其余類(lèi)推。使用補(bǔ)償架檢驗(yàn)補(bǔ)償效果，補(bǔ)償架采用無(wú)磁材料制作，底座為全木制結(jié)構(gòu)，轉(zhuǎn)盤(pán)采用環(huán)氧板雕刻而成。補(bǔ)償架如圖4所示。

圖4 補(bǔ)償架實(shí)物圖

使用高精度磁力儀選擇補(bǔ)償試驗(yàn)所需場(chǎng)地應(yīng)滿(mǎn)足磁梯度小于3 nT/m，選取光泵探頭正下方為中心O點(diǎn)，使用羅盤(pán)標(biāo)識(shí)出0°（360°）、45°、90°、135°、180°、225°、270°、315°。保持旋翼機(jī)垂直高度不變，依次轉(zhuǎn)動(dòng)補(bǔ)償架轉(zhuǎn)盤(pán)在標(biāo)識(shí)各點(diǎn)并記錄磁場(chǎng)值，將記錄數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)繪圖并求出差值，利用T和L向控制器補(bǔ)償水平八方位磁差。平面八方位補(bǔ)償前后效果對(duì)比如圖5所示。由圖可知，補(bǔ)償前八方位偏差為50.9 nT，使用T、L項(xiàng)補(bǔ)償后，平面八方位偏差在2 nT左右。

垂直方向機(jī)動(dòng)補(bǔ)償，保持旋翼機(jī)水平方向不變，依次轉(zhuǎn)動(dòng)補(bǔ)償架轉(zhuǎn)盤(pán)至90°、270°，進(jìn)行搖擺機(jī)動(dòng)，將記錄數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)繪圖并求出差值，利用V向控制器補(bǔ)償垂直方向磁差。搖擺補(bǔ)償前后效果對(duì)比如圖6所示。由圖可知，補(bǔ)償前搖擺小幅度機(jī)動(dòng)偏差為7.6 nT，使用V項(xiàng)補(bǔ)償后，搖擺小幅度機(jī)動(dòng)偏差在1.5 nT左右。