旋翼機航磁測量系統(tǒng)及其應(yīng)用

鄧瑞輝 余愷

（第七一五研究所，杭州，310023）

傳統(tǒng)的航空磁測，多數(shù)都是將磁測系統(tǒng)安裝在有人機上，目前常見的應(yīng)用為運輸機、塞斯納飛機、動力三角翼等。近年來，無人機磁法探測開始興起，較成熟的無人航磁測量平臺為彩虹3和無人氦氣飛艇[1]，目前這兩種無人平臺搭載航磁測量系統(tǒng)已經(jīng)在物探領(lǐng)域多次成熟應(yīng)用，但此無人機平臺體積仍然相對較大。它們的優(yōu)點是平臺及技術(shù)均較成熟，機動靈活，非常適合中型礦區(qū)的航磁作業(yè)。但是在超低空作業(yè)、無起降場地的丘陵地帶以及小面積作業(yè)區(qū)域上，大型無人航磁平臺則顯得力不從心。因此對于搭載在更小無人平臺的航磁測量系統(tǒng)的需求迫在眉睫[2]，尤其在范圍小、疑存點多且地貌構(gòu)造復(fù)雜、坡度落差大、旱地與水潭交接、泥灘與沼澤遍布的探測區(qū)域。這些地方船只無法開進，人力無法涉及?；谏鲜鲈?，我所自主研發(fā)了折疊式旋翼機航磁測量系統(tǒng)，它在復(fù)雜地貌環(huán)境下仍可實施磁法作業(yè)，并保證測量的連續(xù)性，提高工作效率，且探測時對儀器姿態(tài)、飛行速度與高度可控。該系統(tǒng)適用于考古、河道管線探測、未爆炸物搜尋等小面積航磁測量的場合。

1 系統(tǒng)組成

折疊式四旋翼無人機航磁測量系統(tǒng)基于多旋翼無人機的氦光泵航磁測量技術(shù)，系統(tǒng)具有多旋翼無人機的靈活便攜性，對起降場地要求低，可自主規(guī)劃航線測量和手動控制定點航磁測量，磁力儀系統(tǒng)具備硬件磁補償功能。磁探桿具備遙控折疊收放功能，方便運輸及起飛降落。搭載基于氦光泵磁力儀的四旋翼無人機航磁測量系統(tǒng)由相對獨立的四部份組成：無人機、氦光泵磁力儀、數(shù)據(jù)傳輸、電源。系統(tǒng)整機示意圖見圖 1。四旋翼無人機航磁測量系統(tǒng)的磁探桿以及電機機臂為可折疊狀態(tài)，方便運輸且在飛行作業(yè)時保證磁力儀光泵探頭的安全。電機機臂在運輸狀態(tài)時通過4個不脫出螺釘向下折疊，磁探桿通過手動方式水平折疊，減小整機的運輸體積。折疊后的整機系統(tǒng)可以輕松裝入普通SUV后箱及小型面包車中。

圖1 系統(tǒng)整機示意圖

1.1 無人機系統(tǒng)

整機折疊示意見圖 2。折疊式旋翼機主要由無人機機身、飛控、遙控器、地面站視頻監(jiān)控模塊、飛行數(shù)據(jù)地面監(jiān)視平板電腦、鋰電池等組成。地面站監(jiān)視模塊以第一人稱視角將飛機前部拍攝的視頻內(nèi)容實時傳輸，以方便操控者了解飛行姿態(tài)及方位。飛行數(shù)據(jù)地面監(jiān)視平板電腦包含飛行測控APP軟件，操控者可以在平板電腦中依據(jù)谷歌實時地圖或者已知的GPS坐標進行航線規(guī)劃，然后通過平板電腦對折疊式旋翼機進行自主飛行控制，使之按照預(yù)定航線實現(xiàn)定速定高定向穩(wěn)定飛行。當飛行至目標點時可以實現(xiàn)自主懸停、自主降落和手動切換遙控操作。飛機的實時方位信息可以顯示在軟件界面中，便于掌握飛機的實時位置信息。折疊式旋翼機具備失控自動返航功能，當它超出遙控器信號范圍時會自動返航并降落在起飛點。

圖2 整機折疊示意圖

表1 無人機主要技術(shù)指標

1.2 氦光泵磁力儀系統(tǒng)

測量系統(tǒng)主要由四部份組成（見圖3）：氦光泵磁力儀、磁補償器、磁法綜合數(shù)據(jù)采集軟件、GPS導(dǎo)航系統(tǒng)。氦光泵磁力儀由光泵探頭和檢測電路組成，其主要技術(shù)指標見表 2。光泵探頭安裝在可折疊的無磁探桿中。

1.3 磁補償器

旋翼機的動力特性取決四個無刷電機。為使電機有足夠大的扭矩以維持負載飛行，通常工作電流達16～50 A。由畢奧-薩伐爾定律可知，電機運行時其導(dǎo)線電流產(chǎn)生的磁場將嚴重干擾磁力儀正常工作[2]。為此，采用折疊方式收放光泵探頭，并在正常飛行時，使光泵探頭離機身1.4 m左右，最大限度減少飛機磁干擾，保證磁力儀有效穩(wěn)定運行。即便如此，實測磁力儀平面八方位轉(zhuǎn)向差仍在40 nT左右。因此，增加一手動磁補償系統(tǒng)，在飛行作業(yè)前進行磁干擾補償調(diào)整，將磁力儀平面八方位轉(zhuǎn)向差控制在1.5 nT左右。搖擺和俯仰機動在1 nT左右。該磁補償器設(shè)計為僅用于補償由旋翼機引起的固定磁干擾項[3]，減小旋翼機固定磁干擾對磁力儀工作的影響，使磁力儀工作性能得到最大程度發(fā)揮。圖4為旋翼機航磁測量系統(tǒng)在某航向搖擺、俯仰機動的磁補償效果示意圖。圖5為八方位磁補償效果示意圖。

圖3 磁測系統(tǒng)組成框圖

表2 磁力儀主要技術(shù)指標

圖4 旋翼機航磁測量系統(tǒng)磁補償效果示意圖

圖5 八方位磁補償效果示意圖

1.4 磁測綜合數(shù)據(jù)采集軟件

磁測綜合數(shù)據(jù)采集軟件包含磁法勘查測量系統(tǒng)(GMInfo)和磁力測試軟件(GMlog)兩個軟件包。GMInfo安裝于數(shù)據(jù)采集計算機中，集成磁力儀數(shù)據(jù)采集、顯示，GPS導(dǎo)航和GPS數(shù)據(jù)采集，高度數(shù)據(jù)采集、顯示；將采集的磁力儀數(shù)據(jù)、GPS數(shù)據(jù)、高度數(shù)據(jù)以文件的形式記錄，供數(shù)據(jù)處理軟件分析。GMlog專門針對航磁測量系統(tǒng)采集和噪聲測試而設(shè)計，軟件可實時采集和動態(tài)顯示磁力儀儀器總場數(shù)據(jù)、總場梯度數(shù)據(jù)、GPS數(shù)據(jù)，并統(tǒng)計儀器噪聲水平；支持數(shù)據(jù)瀏覽、繪圖、打印等功能。

2 系統(tǒng)試驗與應(yīng)用

結(jié)合某已知灘涂污水管路由，使用折疊式旋翼機航磁測量系統(tǒng)探測測試。實測低空作業(yè)，四階差分低空動態(tài)噪聲為0.11 nT，如圖6。按航磁測技術(shù)規(guī)范評價，系統(tǒng)動態(tài)噪聲達到二級。

圖6 旋翼機航磁測量系統(tǒng)低空動態(tài)噪聲

作業(yè)照片見圖7，該區(qū)域為灘涂地帶，船只和人員均無法進入。無人機在灘涂上方低空飛行，實現(xiàn)了管道的覆蓋式測量，作業(yè)平均飛行高度5 m。數(shù)據(jù)分析后，平面剖面圖見圖8。結(jié)合GPS位置信息和磁異常曲線圖，可以清楚的估算出地下管路的位置走線，經(jīng)與實際比對可知，測量值和實際一致。表3為關(guān)鍵點的磁異常值。經(jīng)緯度為WGS84坐標，（對表3線1中經(jīng)緯度的解析示例：2 959.825 645為緯度29°598 256 45″。12 141.012 39為經(jīng)度121°410 123 9″）。

圖7 折疊式旋翼機航磁測量系統(tǒng)在沼澤上空作業(yè)

圖8 某管線磁法探測的平面剖面圖

表3 關(guān)鍵點的磁異常值

3 結(jié)論

本文介紹了旋翼無人機平臺搭載氦光泵航磁測量系統(tǒng)的可行性，該系統(tǒng)結(jié)合了磁補償和磁力儀的電動收放裝置，在行業(yè)內(nèi)屬于首次創(chuàng)新應(yīng)用。

系統(tǒng)在灘涂結(jié)合水管路由的成功探測試驗，證明了其可行性及有效性，填補了小區(qū)域復(fù)雜地貌環(huán)境下氦光泵磁法探測的空白，提高磁法作業(yè)的效率，降低工作成本。后續(xù)研究的重點是提高旋翼機的有效續(xù)航時間，在電機功率不變的情況下，通過機械的磁屏蔽措施進一步減小電機的磁干擾，再對磁力儀系統(tǒng)進行減重優(yōu)化設(shè)計，以期讓整個系統(tǒng)更加穩(wěn)定可靠。