基于旋翼無人機(jī)技術(shù)的近地磁測系統(tǒng)

張紹華，徐超群，易 忠*，孟立飛，張藝騰，杜愛民

（1. 北京衛(wèi)星環(huán)境工程研究所，北京 100094；2. 中國科學(xué)院 國家空間科學(xué)中心，北京 100190；3. 中國科學(xué)院 地質(zhì)與地球物理研究所，北京 100029）

0 引言

與地面磁探測相比，航空磁測技術(shù)因其探測效率高、成本低、維護(hù)簡單等優(yōu)勢，在礦藏探測、沉船定位、目標(biāo)偵測及導(dǎo)航定位等領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用前景。傳統(tǒng)航空磁測平臺大多是固定翼飛機(jī)，最大的缺點(diǎn)是需要空曠場地起飛和降落，在地形復(fù)雜多變或人流較多的地方受到很大限制，并且采用掠過式探測方式。相比之下，旋翼無人機(jī)平臺操作方便，成本低，無須特定起飛降落場地，適應(yīng)復(fù)雜地形，具有垂直起降和空中懸停等諸多優(yōu)勢，常被用于軍民領(lǐng)域執(zhí)行諸多任務(wù)。

飛行器自身磁干擾與磁探測器性能不足成為制約磁場測量精度的重要因素。目前的航空磁測量探測器都將磁傳感器探頭布置于飛行器的伸展機(jī)構(gòu)上，通過使用無磁伸桿增加磁傳感器探頭與機(jī)體的距離來減小飛行器平臺的本底磁場干擾。任來平等通過感磁矩和固有磁矩對無人機(jī)的磁性做了基礎(chǔ)研究；常凱等研發(fā)了一種基于低溫超導(dǎo)的固定翼無人機(jī)平臺的磁測系統(tǒng)，但整個系統(tǒng)搭建較難實(shí)現(xiàn)，且成本較高。有關(guān)性價(jià)比較高的無人機(jī)和磁通門傳感器組成的測量系統(tǒng)報(bào)道較少。

本文針對50 m 近地動態(tài)飛行磁場測量難題，利用旋翼無人機(jī)、三軸磁通門傳感器、數(shù)據(jù)采集器和無磁伸桿組建成無人機(jī)近地磁場測量系統(tǒng)；通過測量整個系統(tǒng)周圍的三維磁場來分析系統(tǒng)本底磁場分布特征；通過優(yōu)化無磁伸桿的位置和修正三軸磁通門傳感器的誤差來提高磁場探測精度。為驗(yàn)證旋翼無人機(jī)磁測系統(tǒng)的整體性能，進(jìn)行了野外飛行試驗(yàn)。

1 設(shè)備組成

研制的旋翼無人機(jī)磁測系統(tǒng)主要包括旋翼無人機(jī)搭載平臺（大疆M600 Pro）、三軸磁通門傳感器子系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)。

1.1 六旋翼無人機(jī)

大疆M600 Pro 是六旋翼無人機(jī)，具備多重安全保障及先進(jìn)的智能飛行功能，快拆式起落架和已預(yù)裝至中心架的可折疊式機(jī)臂便于收納及運(yùn)輸，并有效縮短了起飛前的準(zhǔn)備時(shí)間（＜5 min）。磁測系統(tǒng)的位置、飛行高度由大疆無人機(jī)系統(tǒng)提供（GPS定位精度為0.5～1 m）。表1 列出了大疆M600 Pro六旋翼無人機(jī)的主要指標(biāo)：該無人機(jī)自重10 kg，最大有效載荷約5 kg，最大航行速度18 m/s，最大航程15 km，可實(shí)現(xiàn)連續(xù)15 min 的正常飛行時(shí)間和30 min的懸停，滿足目前的磁場勘測需求，特別適用于復(fù)雜地形下的探測任務(wù)。

表1 大疆M600 Pro 六旋翼無人機(jī)主要指標(biāo)Table 1 Main indexes of Dajiang M600 Pro six-rotor UAV

1.2 三軸磁通門傳感器

無人機(jī)磁測系統(tǒng)的磁場探測設(shè)備采用巴靈頓Mag03 三軸磁通門傳感器，并配有激勵模塊、感應(yīng)模塊、補(bǔ)償模塊、溫度測試模塊、信號處理模塊及其他附件。巴靈頓Mag03 三軸磁通門傳感器具有體積小、重量輕、功耗低、靈敏度高等優(yōu)點(diǎn)。其主要技術(shù)指標(biāo)如表2 所示。

表2 巴靈頓Mag03 三軸磁通門傳感器主要技術(shù)指標(biāo)Table 2 Main technical specifications of Barrington Mag03 three-axis fluxgate sensor

1.3 數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)

與三軸磁通門傳感器配套的數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)安裝于無人機(jī)主體下掛的搭載平臺，可提供高采樣率數(shù)據(jù)信號的采集和存儲。考慮到旋翼無人機(jī)搭載空間有限和重量限制，對數(shù)據(jù)采集模塊專門做了小體積化與輕量化處理。此外，由于商用無人機(jī)的飛控系統(tǒng)相對封閉，為實(shí)現(xiàn)飛行過程中磁場數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)傳輸，專門配備了外置的供電模塊與無線數(shù)據(jù)傳輸設(shè)備。

1.4 無磁伸桿

三軸磁通門探頭通過外置長無磁伸桿置于旋翼無人機(jī)機(jī)體下方，可降低無人機(jī)本底的磁場干擾，實(shí)現(xiàn)高精度磁場探測。無磁伸桿采用無磁、重量輕、強(qiáng)度高的碳纖維桿，保證無人機(jī)移動飛行過程中的穩(wěn)定性和結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。無磁伸桿的前端通過十字插銷與數(shù)采托盤架相連接，后端與磁通門傳感器專用的工裝連接。該工裝采用鋁制材料制成，探頭內(nèi)置其中，各固定用螺絲均采用無磁材料，以提高磁探頭周圍的磁潔凈度。

2 無人機(jī)本底磁性測量分析

無人機(jī)的6 個旋翼發(fā)動機(jī)、2 個起落架電動控制裝置、近200 顆大小不一的鐵質(zhì)螺釘?shù)榷加休^大的磁性，對無人機(jī)周圍的磁場分布有很大影響，成為制約磁場探測精度的主要因素，因此有必要對旋翼無人機(jī)本底磁性進(jìn)行測量與分析，優(yōu)化無磁伸桿安裝方案。測試地點(diǎn)選在北京衛(wèi)星環(huán)境工程研究所的CM2 零磁實(shí)驗(yàn)室。該實(shí)驗(yàn)室可提供單邊長16 m方形線圈，線圈內(nèi)具有直徑3 m 球域的均勻磁場區(qū)，可以進(jìn)行衛(wèi)星、部組件的磁試驗(yàn)。為了提高測試精度，無人機(jī)磁測試時(shí)間選在凌晨1∶30 之后，環(huán)境的磁場波動通常在0.5 nT 范圍內(nèi)。圖1 所示為無人機(jī)在CM2 零磁實(shí)驗(yàn)室的磁場測試現(xiàn)場。

圖1 無人機(jī)在CM2 零磁實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)行磁場測試Fig. 1 Magnetic field test of UAV in CM2 zero magnetic laboratory

無人機(jī)本底磁場旋轉(zhuǎn)測試方法如下：

1）將無人機(jī)置于無磁轉(zhuǎn)臺中心位置，無人機(jī)邊上的測試支架上并排布置3 個磁通門傳感器（A、A、A）；

2）調(diào)節(jié)測試支架的高度，使得磁通門傳感器與無人機(jī)六旋翼永磁電機(jī)在同一個高度，記錄傳感器至無人機(jī)中心的距離

d

；

3）在距離無人機(jī)平臺足夠遠(yuǎn)處放置參考磁傳感器A，使其與A、A、A保持在一條直線上，用于監(jiān)控環(huán)境磁場波動；

4）做好無人機(jī)位置及坐標(biāo)指向標(biāo)記，然后啟動無磁轉(zhuǎn)臺，每隔10°測量一次磁場，直至旋轉(zhuǎn)360°為止；

5）把無人機(jī)移動到足夠遠(yuǎn)處，測量背景磁場。

圖2 給出無人機(jī)周圍不同軸距

d

的磁場測試結(jié)果?？梢钥闯觯寒?dāng)

d

=0.8 m 時(shí)，無人機(jī)周圍的磁場強(qiáng)度呈顯著多峰分布，每個峰都基本對應(yīng)一個旋翼發(fā)動機(jī)；隨著探頭距離增加，多峰分布逐漸消失，以雙峰分布代替，表明無人機(jī)的本底磁場干擾由多偶極子演變成了單偶極子；當(dāng)

d

=1.5 m 周線上，最大磁場擾動8 nT，最小擾動2 nT；且根據(jù)磁場總量分布曲線，當(dāng)

d

＞1.5 m，磁場極小值主要集中在90°～120°和240°～270°附近的區(qū)域。因此，如果橫向安裝伸桿，同樣的長度，把磁通門傳感器安裝在這兩個區(qū)域，則本底磁場擾動最小。為了減少無人機(jī)本底磁場干擾，需要盡可能增加無磁伸桿的長度，但長度增加帶來的載荷不穩(wěn)定性力矩會對無人機(jī)飛控系統(tǒng)造成不利影響。出于飛行的安全性和實(shí)用性考慮，本文將伸桿垂向安裝于機(jī)體正下方，并測量了不同距離（即伸桿長度）

d

處的磁場擾動，結(jié)果如圖3 所示。可知，當(dāng)

d

=1.2 m 時(shí)，磁場最小擾動控制在5 nT，符合本系統(tǒng)的工程應(yīng)用要求。

圖2 無人機(jī)周圍不同軸距的磁場總量分布Fig. 2 Distribution of circumferential magnetic field around UAV with different wheelbases

圖3 無人機(jī)正下方不同距離的磁場最小擾動分布Fig. 3 Distributions of total magnetic field underneath the UAV at different distances to the vehicle center

3 正交性、零偏及刻度誤差校正

磁測系統(tǒng)的坐標(biāo)系與無人機(jī)搭載的三軸磁傳感器的坐標(biāo)系一致。由于三軸磁通門傳感器在飛行運(yùn)動狀態(tài)下存在三軸非正交性、零偏移、刻度系數(shù)等偏差，會造成測量結(jié)果偏離實(shí)際值，所以在使用三軸磁傳感器測量磁場時(shí)，首先需要對其進(jìn)行校正，測量出誤差系數(shù)并用于磁測數(shù)據(jù)校準(zhǔn)。

目前一般都采用標(biāo)量法進(jìn)行校正，即在已知磁場總量并保持恒定的情況下，旋轉(zhuǎn)磁傳感器獲得其不同姿態(tài)下的測量值，建立誤差參數(shù)的方程，進(jìn)行參數(shù)求解。旋轉(zhuǎn)的姿態(tài)盡可能均勻覆蓋整個三維空間，以提高參數(shù)的適用性。本文采取綜合系數(shù)法，將三軸磁強(qiáng)計(jì)放置于無磁轉(zhuǎn)臺，然后在均勻磁環(huán)境中進(jìn)行標(biāo)定，同時(shí)利用光泵磁強(qiáng)計(jì)進(jìn)行總場的實(shí)時(shí)監(jiān)測。計(jì)算得到校正矩陣為

其中：

B

、

B

和

B

為誤差校準(zhǔn)后的磁場；

B

、

B

和

B

為誤差校準(zhǔn)前的磁場。

圖4 給出磁場校正前后的對比結(jié)果，藍(lán)色曲線每一個臺階對應(yīng)一個旋轉(zhuǎn)姿態(tài)，臺階之間的波動為試驗(yàn)人員在調(diào)整磁強(qiáng)計(jì)探頭姿態(tài)過程中。該方法能將磁強(qiáng)計(jì)的最大總場偏差從500 nT 降低到3.0 nT，均方根誤差（RMSE）為0.61 nT，有效提高了三軸磁通門傳感器的測量精度。

圖4 矢量磁通門傳感器校正結(jié)果對比Fig. 4 Comparison of calibration results for vector fluxgate magnetic sensor

4 飛行試驗(yàn)與結(jié)果分析

為驗(yàn)證無人機(jī)磁探測系統(tǒng)的整體性能，2019 年7 月使用該磁測系統(tǒng)在野外進(jìn)行了磁場考察飛行試驗(yàn)。得益于整個系統(tǒng)的輕量化、模塊化設(shè)計(jì)，系統(tǒng)裝配簡易，無人機(jī)可在10 min 內(nèi)完成有效載荷的裝配并垂直起飛，升至15 m 高度，然后在80 m 的半徑穩(wěn)定飛行了3 圈，每圈飛行時(shí)間為260 s，磁場采樣頻率10 Hz，系統(tǒng)集成的GPS 實(shí)時(shí)記錄了無人機(jī)飛行的位置信息，三軸磁通門傳感器子系統(tǒng)自動測量并記錄飛行路徑上空的磁場。圖5 所示為整個飛行過程中磁場觀測值（藍(lán)色實(shí)線）及修正值（紅色虛線）隨時(shí)間的變化。可見：磁場觀測值在誤差修正前除了有伴隨無人機(jī)轉(zhuǎn)圈飛行明顯起伏的轉(zhuǎn)向差，還有高頻的波動噪聲，推測與無人機(jī)飛行過程中的劇烈抖動相關(guān)；經(jīng)過濾波處理，轉(zhuǎn)向差與高頻噪聲都得到有效抑制，每一圈勘測飛行路徑上的3 個磁異常清晰可見，而且不同航次之間的一致性很好。

圖5 誤差修正前后旋翼無人機(jī)磁測結(jié)果Fig. 5 Magnetic measurement results of rotor UAV before and after error correction

圖6(a)、(b)分別為誤差修正前后旋翼無人機(jī)磁測結(jié)果的二維平面投影，為了更清楚顯示磁異常，此處磁場測量值減去了背景磁場的均值。由圖6(a)可見，校正前磁場分布是左右對稱的，分別約為-500 nT 和+500 nT。這顯然不是真實(shí)物理量，應(yīng)是三軸磁通門傳感器在無人機(jī)飛行過程中的姿態(tài)變化導(dǎo)致的轉(zhuǎn)向誤差，其量級與標(biāo)定計(jì)算值相符合。轉(zhuǎn)向誤差的存在，掩蓋了真實(shí)存在的磁異常。這里利用式(1)的誤差修正系數(shù)對測試結(jié)果進(jìn)行了數(shù)據(jù)校正，結(jié)果如圖6(b)所示，可見異常較明顯。在坐標(biāo)(1100 m, 450 m)附近，停放了一輛小轎車，從測量結(jié)果可以看出，小轎車產(chǎn)生的磁異常在這3 次掠過飛行中都被探測到，磁異常值在100 nT 左右，估算出小轎車的磁矩在3000 A·m，與實(shí)際量級相符。

圖6 誤差修正前后旋翼無人機(jī)磁測結(jié)果二維平面投影Fig. 6 Two dimensional projection of rotor UAV magnetic survey results before and after error correction

5 結(jié)束語

本研究以商用大疆六旋翼無人機(jī)為平臺，集成三軸磁通門傳感器子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)和無磁伸桿構(gòu)建了旋翼無人機(jī)磁測系統(tǒng)；詳細(xì)測量了無人機(jī)本底磁場分布，分析了無人機(jī)干擾磁場的空間分布特征，優(yōu)選出最佳的磁通門傳感器布設(shè)位置及方案，采用無磁伸桿有效降低了無人機(jī)的本底磁場干擾。利用綜合系數(shù)矯正法對三軸磁通門傳感器在飛行運(yùn)動狀態(tài)下存在的非正交性（轉(zhuǎn)向）誤差、零偏移及刻度誤差進(jìn)行修正，極大提高了無人機(jī)磁測系統(tǒng)的探測精度：量程±100 000 nT，均方根誤差＜1 nT。野外飛行試驗(yàn)表明，本文的無人機(jī)磁測系統(tǒng)能夠快速、清晰地識別飛行路徑上的磁異常；動態(tài)飛行一致性也得到證實(shí)，同時(shí)驗(yàn)證了旋翼無人機(jī)磁測系統(tǒng)應(yīng)用于飛行勘察的可行性。

目前存在的問題是磁測系統(tǒng)采樣頻率與無人機(jī)自帶的位置姿態(tài)數(shù)據(jù)采集頻率不一致，難以保證數(shù)據(jù)同步性，后期需要進(jìn)行插值處理才能得到對應(yīng)位置點(diǎn)的磁場數(shù)據(jù)；此外，還需進(jìn)一步集成磁探測系統(tǒng)專用的、更高精度的位置姿態(tài)測量子系統(tǒng)，以解決數(shù)據(jù)接口不一致、通信效率低和不同步問題，提高無人機(jī)磁測量系統(tǒng)的整體探測性能；另外，在無人機(jī)飛行磁探測數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)可視化與數(shù)據(jù)反演解釋等方面也有待突破。

（編輯：許京媛）