基于无人飞艇平台的航磁系统试验与应用
无人机航空磁测技术在多宝山整装勘查区的应用试验
无人机航空磁测技术在多宝山整装勘查区的应用试验胥值礼;李军峰;崔志强;李飞;李文杰;孟庆敏;刘俊杰;刘莹莹【摘要】首次利用自主研发集成的中型无人机航空磁测系统在多宝山整装勘查区成功开展了区域性测量,取得了高质量的数据.这里简要介绍了此次测量的数据质量及一些典型的航磁区域和局部异常,结合测区的地质环境和成矿规律,提出了利用无人机航磁在该区找矿的基本思路,为地面勘查工作的进一步开展提供借鉴.【期刊名称】《物探化探计算技术》【年(卷),期】2016(038)004【总页数】6页(P501-506)【关键词】无人机航磁;多宝山整装勘查区;应用试验【作者】胥值礼;李军峰;崔志强;李飞;李文杰;孟庆敏;刘俊杰;刘莹莹【作者单位】中国地质科学院地球物理地球化学勘查研究所,廊坊065000;中国地质科学院地球物理地球化学勘查研究所,廊坊065000;中国地质科学院地球物理地球化学勘查研究所,廊坊065000;中国地质科学院地球物理地球化学勘查研究所,廊坊065000;中国地质科学院地球物理地球化学勘查研究所,廊坊065000;中国地质科学院地球物理地球化学勘查研究所,廊坊065000;中国地质科学院地球物理地球化学勘查研究所,廊坊065000;中国地质科学院地球物理地球化学勘查研究所,廊坊065000【正文语种】中文【中图分类】P631.2无人机航空磁测系统具有费用低、小型化、智能化、续航能力强、人员伤亡少等特点，特别适合于小区域大比例尺航磁高精度测量，在航空物探领域具有广阔的应用前景，日益受到世界各航空地球物理勘探部门的广泛关注。
在国外，英国Magsurvey公司[1]、加拿大Fugro公司[2-3]、加拿大万能翼地球物理公司[4]、日本[5-6]等先后开展了此领域的研究工作，并取得了较好的应用效果。
在国内，中国地质科学院地球物理地球化学勘查研究所等单位正在开展该领域的研究工作，但到目前为止均未实现系统的实用化。
无人艇在海事系统的应用研究
62 C W T 中国水运 2021·03摘 要：随着云计算、人工智能、无线通信等技术的发展，水上安防领域也将迎来智能化的新变革。
无人艇技术提供了颠覆传统海事安全监管手段的智能化解决方案。
作为能够自主航行的水上运动平台，无人艇可以第一视角反馈水域现场的真实场景，在目标水域形成移动的高密度覆盖，在巡航监管、调查取证、人命救助、危管防污等多个领域均可发挥重要的作用。
关键词：无人艇；海事；应用中图分类号：U698 文献标识码：A 文章编号：1006—7973（2021）03-0062-02无人艇在海事系统的应用研究赵显峰，刘胜利（交通运输部规划研究院，北京 100028）DOI 编码：10.13646/ki.42-1395/u.2021.03.0201 研究背景2019年5月，交通运输部联合中央网信办、国家发改委、教育部、科学技术部、工业和信息化部、财政部共同发布了《智能航运发展指导意见》（交海发〔2019〕66号），提出了智能航运发展的战略目标和十大任务。
到2025年，基本形成智能航运发展的基础环境，构建以高度自动化和部分智能化为特征的航运新业态；到2035年，形成以充分智能化为特征的航运新业态；到2050年，形成高质量智能航运体系。
无人艇作为智能航运的重要组成部分，如何在我国水上交通安全监督管理中发挥作用，促使智能船舶乃至智能航运的发展，是海事系统面临的重大机遇与挑战。
2 发展现状随着大数据、人工智能等技术的迅猛发展，制约无人艇发展的技术瓶颈也逐步得以解决，以美国、以色列为主的发达国家在无人艇的研发领域取得了重大突破和快速发展。
美国海军于2002年起合作开发“斯巴达侦察兵”。
2007年，美国海军发布了《海军无人水面艇主计划》，根据无人艇的长度、续航力、任务、布放方式和艇型的要求不同划分了无人艇发展的四个级别。
2003年，由以色列研发的“保护者”号无人艇向以色列国防军交付。
2017年，以色列海军成功测试了“海上骑士”无人艇分队，以期代替现役主力无人艇“保护者”。
以飞艇为目标载体的室内三维磁测量系统设计
以飞艇为目标载体的室内三维磁测量系统设计陈泠羽,张明轩,严复雪(吉林大学仪器科学与电气工程学院,长春130022)摘要:针对现今较为空白的室内磁导航领域,提出了以迷你飞艇作为载体测量磁场信息并根据其进行自主导航的控制系统㊂该系统以迷你飞艇为理想目标载体,通过使用模块化的硬件和软件构成整个系统,硬件方面以控制器S TM32为核心搭配测磁模块㊁蓝牙模块等来实现磁场测量㊁数据传输和实时模拟操控飞行等操作;软件方面通过L a b V I E W处理上位机接收到的磁场信息,得到实际磁场数值,将其存储并建立三维模型,再根据磁场数值使上位机向控制器发送指令,使飞艇控制系统能够按照预期线路反应动作,实现导航功能㊂关键词:室内导航;磁导航;S TM32;L a b V I E W中图分类号:T P23文献标识码:AD e s i g n o f I n d o o r3D M a g n e t i c M e a s u r e m e n t S y s t e m w i t h A i r s h i p a s T a r g e tC h e n L i n g y u,Z h a n g M i n g x u a n,Y a n F u x u e(C o l l e g e o f I n s t r u m e n t a t i o n&E l e c t r i c a l E n g i n e e r i n g,J i l i n U n i v e r s i t y,C h a n g c h u n130022,C h i n a)A b s t r a c t:I n o r d e r t o s o l v e t h e p r o b l e m o f i n d o o r m a g n e t i c n a v i g a t i o n,a c o n t r o l s y s t e m b a s e d o n m i n i a i r s h i p i s p r o p o s e d.T h i s s y s t e m t a k e s t h e m i n i a i r s h i p a s t h e i d e a l t a r g e t c a r r i e r,a n d u s e s t h e m o d u l a r h a r d w a r e a n d s o f t w a r e t o c o n s t i t u t e t h e w h o l e s y s t e m.I n t h e h a r d-w a r e a s p e c t,t h e c o n t r o l l e r A TM32i s u s e d a s t h e c o r e,a n d t h e m a g n e t i c m o d u l e a n d b l u e t o o t h m o d u l e a r e u s e d t o r e a l i z e t h e m a g n e t i c f i e l d m e a s u r e m e n t,d a t a t r a n s m i s s i o n,r e a l-t i m e s i m u l a t i o n,f l i g h t c o n t r o l a n d o t h e r o p e r a t i o n s.T h e s o f t w a r e p r o c e s s e s t h e m a g n e t i c f i e l d i n f o r m a t i o n r e c e i v e d b y t h e u p p e r c o m p u t e r t h r o u g h L a b V I E W,o b t a i n s t h e a c t u a l m a g n e t i c f i e l d v a l u e,s t o r e s i t a n d b u i l d s a3D m o d e l, a n d t h e n m a k e s t h e u p p e r c o m p u t e r s e n d i n s t r u c t i o n s t o t h e c o n t r o l l e r a c c o r d i n g t o t h e m a g n e t i c f i e l d v a l u e,s o t h a t t h e a i r s h i p c o n t r o l s y s t e m c a n r e s p o n d t o t h e a c t i o n a c c o r d i n g t o t h e e x p e c t e d l i n e a n d r e a l i z e t h e n a v i g a t i o n f u n c t i o n.K e y w o r d s:i n d o o r n a v i g a t i o n;m a g n e t i c n a v i g a t i o n;S TM32;L a b V I E W引言由于建筑物遮挡,卫星定位技术无法在室内准确应用,尤其是随着人口增多,建筑面积变大,如何在紧急情况下迅速获取室内某处的位置成为一个重要问题㊂三维磁测量摆脱了传统二维地图的局限性,结合室内迷你飞艇成本低㊁功耗低的特点,三维磁测量的室内迷你飞艇在室内探测应用上表现出巨大潜力㊂本文针对可进行三维磁测量的室内迷你飞艇的控制系统设计方案和数据处理方案进行了描述㊂1系统概述小型飞艇磁探测系统可以根据指令实现手动和自动两种控制方法㊂利用手动控制可以逐个采集空间中样点的磁信息并汇入上位机,画出空间三维磁场图,利用自动控制可以根据设定导航位置反应出对应动作㊂系统总体框图如图1所示㊂图1系统总体框图整个系统主要由S TM32控制器[1]㊁三方向测磁传感器㊁蓝牙模块㊁电机驱动[2]和上位机组成,分为三大部分:数据采集及传输部分㊁控制部分和数据处理部分㊂其中数据采集及传输部分采集当前位置的磁场信息,并传入上位机;控制部分用于控制飞艇驱动台的反应动作[3];数据处理部分利用L a b V I E W 将磁场信息存入表格,并可以绘出一定高度时该区域的磁场三维图㊂由于受工艺限制,无法制作出完整的飞艇结构,因此整个系统设计重点便设置在信息的采集㊁沟通与驱动硬件与软件设计制作上㊂系统的硬件排布图如图2所示㊂图2 系统的硬件排布图2 硬件实现2.1 模拟飞行及动作控制该系统平台为模拟飞艇飞行状态[4-5],使用了一个正方形框架,为尽可能减少驱动控制区块的重量,将驱动和主控分开焊制㊂将主控系统放在框架上方,通过连接线将驱动区块从中央垂落下来㊂通过连接线对驱动区块提供向上的拉力并以此模拟飞艇气囊提供的向上拉力㊂在与主控沟通后通过4个方向空心杯电机的转动来提供驱动图3驱动区块受力分析图区块移动的动力㊂整个装置有4个空心杯电机,分别布置在4个方向,通过调整空心杯的旋转速率与旋转时间来达到定向移动的目的㊂系统受力如图3所示(其中连接线拉力为F 拉,重力为G ,前方电机的推进力为F 前,后侧电机的推进力为F 后,左侧电机的推进力为F 左,右侧电机的推进力为F 右)㊂2.2 数据采集及传输该系统采集的数据为三轴磁场值,使用R M 3100模块作为采集磁场信息的传感器,通过S P I 接口得到原始数据,将其以如下格式通过蓝牙发往上位机:0x 550x A AH x LH x HH yL H yH H z LH z H其中0x 55和0x A A 为一组数据的帧头,可用于准确地识别并校验判断是否接收到有效数据㊂在上位机中,按照如下形式进行数据处理,可以得到磁数据为H x ㊁H y㊁H z ㊂H x =((H x H<<8)|H x L )H y =((Hy H<<8)|H y L )H z =((H z H<<8)|H z L )3 软件设计假想飞艇装置为室内使用,不会出现在室外空中飞行可能受到外界因素干扰的情况[6],但仍需要一套完备的软件控制系统(上位机见图4)来控制飞艇反应动作,实现能够定点测量磁场信息和根据磁场信息进行自动导航的功能㊂整个控制系统分为手动控制部分和自动控制控制部分㊂图4 上位机图图5 整体流程图3.1 手动控制部分手动控制部分用于手动操控飞艇,使飞艇能够飞到指定位置进行磁场测量㊂其整体实现过程如图5所示㊂使用上位机通过蓝牙向控制器发送特定的指令符,控制器通过内部程序识别该指令符,在进行识别处理后,控制端口发送不同占空比的P WM 波给L 298N 电机控制模块,进图6 L a b V I E W 控制过程图而控制空心杯电机的转动㊂不同的指令符对应着不同的空心杯电机转动方式,4个空心杯电机可以给飞艇提供指定大小㊁不同方向的水平推进力,从而实现对飞艇反应动作的控制㊂3.2 自动控制部分手动沿一个方向不同位置进行多次测量,系统会根据测量值求出总磁场大小并判断,自动控制调整运动状态向磁场矢量和更大的位置移动[7]㊂其整体实现过程如图6所示㊂4 测试方法及测试结果4.1 测量方法使用的正方形框架大小为1.2mˑ1.2mˑ1.2m ,将主控区块放置在框架上方,与驱动区块通过万向轴和碳纤维棒连接,示意图如图7所示㊂图7 结构示意图4.1.1 地图构建部分在平面上制定出25个信息样点(见图8),利用上位机控制驱动系统移动到样点上进行磁场信息采集,最后根据采集到的信息绘制对应水平面内的磁信息图[8]㊂4.1.2 导航部分根据地图选取导航路径,采集路径上不同点实时的磁场大小并自动进行判定,引导飞艇驱动区块向磁场大的方向移动[9]㊂图8 样点示意图4.2 测试结果4.2.1 无干扰时的三轴磁场测量在正常环境下依次对25个样点的磁场信息进行采集,x ㊁y ㊁z 三个方向的磁场大小随位置变化如图9所示㊂根据所处环境判断,此磁场大小正常,其波动在400n T 范围内,属于正常情况㊂图9 上位机中绘制的磁折线图4.2.2 存在干扰时的三轴磁场测量在x =2方向上增加了磁性物质后,对平面重新进行磁场测量得到的三维磁场图如图10所示㊂经观察,在x=2图10 增加磁性物质干扰的三维磁场图器计量模块在线,如果心跳超时则说明随器计量模块离线,需要重新登录㊂图13 随器计量模块与服务器通信流程图结 语本文分析了一种面向互联网的随器计量模块的硬件设计与软件设计㊂该系统以联盛德微电子的W 600芯片为控制核心,实现了随器计量模块程序远程升级㊁远程控制㊁电能计量㊁运行状态远程监测㊁用电保护和用电信息上传㊁防窃电或防止电量转移等功能㊂面向互联网的随器计量模块是基于云平台互联网随器计量系统的一部分,该模块在实际运行中表现良好,能满足要求㊂参考文献[1]李文彬.基于W i F i 的智能插座系统设计[J ].物联网技术,2018,8(5):7071,74.[2]刘诗涵,齐胜男,王全山.基于蓝牙技术的智能插座设计[J ].中国科技信息,2018(10):4749.[3]徐安安.基于无线智能家居控制系统的设计与实现[D ].合肥:安徽大学,2018.[4]邓维,蒋喆,刘洪林.一种基于物联网协议的中继型智能插座软硬件设计与实现[J ].物联网技术,2018,8(3):3536,39.[5]张禹森,孔祥玉,孙博伟,等.基于电力需求响应的多时间尺度家庭能量管理优化策略[J ].电网技术,2018,42(6):18111819.[6]李文彬.基于W i F i 的智能插座系统设计[J ].物联网技术,2018,8(5):7071,74.唐玉建(中级工程师),陈河(高级工程师):主要研究方向为电力系统信息化及控制㊂(责任编辑:薛士然 收稿日期:2019-04-23) 处磁场明显较小,两侧磁场较大,正确显示了磁性物质对于空间磁场的影响[10]㊂4.2.3 轴向导航测试在y 轴上移动驱动模块并实时采集总磁场大小,系统可以正确对测量的值进行对比并驱动其向磁场大的点自动移动㊂经测试,该系统可以通过控制指令运动并正确采集磁信息,绘制三维磁地图㊂导航部分可以按照设计顺利判断并实现导航㊂结 语该系统研究并证明了通过磁场信息进行室内导航的可行性,通过软硬件等多方面的完善,最终可以通过简易的方法实现较为精准的迷你飞艇室内导航,并为室内寻找房间或目标位置提供极大的便利㊂参考文献[1]V i n c e n t O n d e .基于S TM 32微控制器的先进电机控制方法[J ].单片机与嵌入式系统应用,2011,11(3):8485.[2]孔康,曲波.S TM 32上S V P WM 输出的实现方案[J ].单片机与嵌入式系统应用,2013,13(7):1214.[3]孙倩华,孔振民,高宗,等.S T M 32的瞬态运动参数存储测试系统设计[J ].单片机与嵌入式系统应用,2015,15(11):6668.[4]李一波,倪恒,初丽华.室内无人飞艇导航系统的研究与仿真[J ].传感器与微系统,2011,30(8):4042.[5]倪恒.室内飞艇综合检测与参数标定系统研究[D ].沈阳:沈阳航空航天大学,2011.[6]李一波,倪恒,初丽华.室内无人飞艇导航系统的研究与仿真[J ].传感器与微系统,2011,30(8):4042.[7]刘锡婷.快速部署室内飞艇定位技术及算法研究[D ].沈阳:沈阳航空航天大学,2014.[8]J e a n C h r i s t o p h e Z u f f e r e y ,A l e x i s G u a n e l l a ,A n t o i n e B e ye l -e r .F l y i n g o v e r t h e r e a l i t y g a p:F r o m s i m u l a t e d t o r e a l i n d o o r a i r s h i p s J e a n C h r i s t o p h e Z u f f e r e y Al e x i s G u a n e l l a A n t o i n e B e ye l e r D a r i o F l o r e a n o ,2006.[9]S h a rf I ,L a u m o n i e r B ,P e r s s o n M ,e t a l .C o n t r o l o f a f u l l ya c t u a t e d a i r s h i p fo r s a t e l l i t e e m u l a t i o n ,2008.[10]K h a l e e l u l l a h S ,B h a r d w a j U ,P a n t R S .D e s i gn a n d F a b r i c a -t i o n o f M o o r i n g M a s t s f o r R e m o t e l y C o n t r o l l e d I n d o o r a n d O u t d o o r A i r s h i p s [J ].J o u r n a l o f t h e I n s t i t u t i o n o f E n gi -n e e r s ,2016,97(2):121.(责任编辑:薛士然 收稿日期:2019-04-29)。
无人机应用基础 1.2.16无人飞艇
1.2.16无人飞艇
飞艇属于浮空器的一种，也是利用轻于空气的气体来提供升力的航空器。
根据工作原理的不同，浮空器可分为飞艇、系留气球和热气球等，其中飞艇和系留气球是军事利用价值最高的浮空器。
飞艇和系留气球的主要区别是前者比后者多了自带的动力系统，可以自行飞行。
飞艇分有人和无人两类，也有拴系和未拴系之别。
飞艇获得的升力主要来自其内部充满的比空气轻的气体，如粒子、中子等。
现代飞艇一般都使用安全性更好的氦气来提供升力，另外飞艇上安装的发动机为飞艇提供部分的升力。
发动机提供的动力主要用在飞艇水平移动以及艇载设备的供电上，所以飞艇相对于现代喷气飞机来说节能性能较好，而且对于环境的破坏也较小。
一般从结构上看，飞艇可分为三种类型：硬式飞艇、半硬式飞艇和软式飞艇。
硬式飞艇是由其内部骨架（金属或木材等制成）保持形状和刚性的飞艇，外表覆盖着蒙皮，骨架内部则装有许多为飞艇提供升力的充满气体的独立气囊。
半硬式飞艇要保持其形状主要是通过气囊中的气体压力，另外部分也要依靠刚性骨架。
二十世纪二十年代，一艘意大利制造的半硬式飞艇从挪威前往阿拉斯加的途中穿过了北极点，这是人类历史上第一架到达北极的飞行器。
固定翼无人机航磁探测技术浅析
我国航空物探工作始于1953年，经过60多年的发展，航磁测量从方法理论、仪器研制、系统集成、数据采集、数据解释及应用等方面已经形成完整的技术系统。
近年来，发展的高分辨航空物探测量技术，进一步提高了航空物探测量效率以及解决地质问题的能力。
航空物理勘探得到了广泛的应用和发展，而低飞航磁测量作为航空物探的重要[1]组成部分，更是走在了航空测量的前沿。
航空磁测又称航空磁力勘探或航磁测量，简称“航磁”。
航磁是以地下介质的磁性差异为基础，以航空飞行器为载体，通过搭载航空磁力仪，在空中测量地磁强度的[2]一种航空物探方法。
1 系统组成无人机航磁系统是以无人机为平台、以航空磁力仪为主要测量设备的地磁场强度模量值测量系统。
它由空中和地面两部分组成。
空中部分由航空磁力仪系统和无人机等组成；地面部分由地面控制站、地面磁日变和野外数据预处理系统组成。
山西省地质调查院航测航磁技术应用中心采用的是航友科技有限公司自主研发的固定翼无人机，搭载航磁系统。
系统主要包括固定翼无人机平台和航磁系统两部分，固定翼无[3]人机在空中飞行与地面控制使用无线电传输和控制。
系统组成框图见图１。
航磁系统各部分安装及相对位置直接影响航磁数据的质量，要尽可能最大限度地消除各种干扰，所有磁测设备要经过试验来确定其位置，下面是对光泵磁力仪、三轴磁通门磁力仪、GPS、电源、数据采集系统、BY-200型固定翼无人机搭载平台等的仪器布局，具体见图2。
光泵磁力仪，采用加拿大SCINTREX 公司的生产的CS-VL 铯光泵磁力仪，由探头和控制电路两部分组成，磁探头安装在机翼翼尖向下伸出的探头罩内，电子仓位于机翼中123陈晓云，郝山，马振华（1.3.山西省地质调查院，山西 太原 030024 ；2.山西省矿山测量队，山西 太原 030024）摘要：随着无人机应用的日益广泛，航空测量技术已趋于成熟，航空物探领域也正在完善。
在进行航磁测量时，引入的各种磁干扰是影响航磁工作质量的主要干扰，去除这些磁干扰需要磁补偿工作。
CH-3无人机航磁测量系统在我国新疆不同地形区的应用示范
地 质 与勘 探
展 ｒ多种 类 型的 地 质调 杏 应 用 示 范 工 作 ，测 量 数据 质 优 秀 ，取 得 了 良好 的地 质效 果 。在此 基础 上 ，中 国地 质科 学 院地球 物理 地球 化学 勘查 研 究所 后续 在 江苏 滩涂 和利 比里 项 开 展无 人机航 磁 调查 ］ 作 核工 业航 测遥 感 中心 ｆ ２０ｌ７年基 于 ＣＨ 一３平 台 ．在赞 比ｑｌ￣Ｊｔ：展 ＿ｒ九 人机 磁放综 合 测量 工 作 ，飞 行 测 工 作进展 顺利 ．．
第 ５４卷 第 ４期 ２０１８年 ７月
地 质 与 勘 探 ＧＥ０Ｌ０ＧＹ ＡＮＤ ＥＸＰＬ０ＲＡＴ１０Ｎ
Ｖｏ１．５４ Ｎｏ．４ Ｊｕｌｙ，２０１８
ＣＨ 一３无 人 机 航 磁 测 量 系 统 在 我 国 新 疆 不 同 地 形 区 的 值礼 ，李军峰 ’。
（１．中国地质 大学（北京 ）地 球物理与信息技术学院 ，北京 １０００８３； ２．中国地 质科学院地球物理地球化 学勘查研 究所，河北廊坊 ０６５０００；
３．国家现代地质勘查 工程 技术研究 中心 ，河北廊 坊 ０６５０００）
［摘 要 ］ＣＨ一３无人机航磁测量 系统具 有飞行质量 高、可夜航作 业、方便灵 活等特点 ，该 系统 已经 在 黑龙 江 多宝 山地 区开展 了试验性 面积 测量工作 ，数 据质 量优 秀。本 文主要介 绍 了该 系统后 续在新 疆 克拉玛依 和喀 什地 区的应用示 范情 况，总结 了其在平原 沙漠 、丘 陵低 山、中高山等 多种 地形条件 下 开展 测量 工作 的应用效果 ，讨论 了测量数据的可靠性 、飞行质量控 制及 系统 当前的局 限性 ，分析 了无人机航 磁测 量技 术在基础地质调查 、矿 产资源勘查 、能源地 质调 查等方面的初步应用成果和应 用前景 。
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第４０卷第６期物 探 与 化 探Ｖｏｌ．４０，Ｎｏ．６ ２０１６年１２月ＧＥＯＰＨＹＳＩＣＡＬ＆ＧＥＯＣＨＥＭＩＣＡＬＥＸＰＬＯＲＡＴＩＯＮＤｅｃ．，２０１６
ｄｏｉ：１０．１１７２０／ｗｔｙｈｔ．２０１６．６．１３王波，贾学天，刘建生，等．基于无人飞艇平台的航磁系统试验与应用［Ｊ］．物探与化探，２０１６，４０（６）：１１３８－１１４３．ｈｔｔｐ：／／ｄｏｉ．ｏｒｇ／１０．１１７２０／ｗｔｙｈｔ．２０１６．６．１３
ＷａｎｇＢ，ＪｉａＸＴ，ＬｉｕＪＳ，ｅｔａｌ．Ｔｈｅｔｒｉａｌａｎｄａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｏｆｔｈｅａｅｒｏｍａｇｎｅｔｉｃｓｙｓｔｅｍｂａｓｅｄｏｎｕｎｍａｎｎｅｄｂｌｉｍｐｐｌａｔｆｏｒｍ［Ｊ］．ＧｅｏｐｈｙｓｉｃａｌａｎｄＧｅｏｃｈｅｍｉｃａｌＥｘｐｌｏｒａｔｉｏｎ，２０１６，４０（６）：１１３８－１１４３．ｈｔｔｐ：／／ｄｏｉ．ｏｒｇ／１０．１１７２０／ｗｔｙｈｔ．２０１６．６．１３
基于无人飞艇平台的航磁系统试验与应用王波，贾学天，刘建生，赵国凤，孙希莹，陆殿梅（江苏省地质勘查技术院，江苏南京 ２１００４９）
摘要：介绍了艇载航磁系统的研制与集成，采用的飞行平台为无人飞艇，配备有优秀的飞控导航系统和高精度航空磁测系统，可实现无人驾驶、三维自主导航沿设计测线飞行。该系统分别完成了飞行试验与实际应用工作，测量成果与测区内以往航磁成果进行对比，结果显示其反映的地磁场特征形态基本一致，验证了系统的有效性；因工作比例尺与飞行参数不同，本次航磁异常等值线在细节上表现更为细致，弱磁异常表现更为清晰。在实际生产应用中，本系统为一些地面勘查难度大，范围小的区域进行航磁测量等提供了一种快速、高效的工作手段。关键词：无人飞艇；航磁系统；试验与应用中图分类号：Ｐ６３１ 文献标识码：Ａ 文章编号：１０００－８９１８（２０１６）０６－１１３８－０６
收稿日期：２０１５－１０－１３；修回日期：２０１６－０４－１５ 基金项目：中国地质调查局地质矿产调查工作项目（１２１２０１１３０９０７００）
随着国内勘查工作的发展，矿产勘查主要趋向于两大主要方向，一是尚未勘查或工作程度较低的地区，这些区域大多地形较为复杂，如森林、沼泽、海洋等，勘查难度较大。二是在已知成矿带外围或深部继续探测，较小范围内深入研究，攻深找盲。磁法勘探在矿产资源勘查过程中起着重要的作用，尤其在当前以地勘单位为主体的找矿工作中，地面磁测是主要的勘查手段。但由于现阶段可勘查区域地形复杂难以通行加大了工作难度，同时城镇化进程快而造成干扰大；而传统航磁测量成本较高，不适用于较小范围内展开。国内部分地勘单位纷纷寻求在小范围大比例尺、地形复杂、地面施工困难的地区开展新的勘查手段。随着无人机技术的成熟，无人机航磁测量系统也快速发展。基于无人机航磁测量系统具有小型化、智能化、重量轻、尺寸小等特点，其研发与应用日益受到世界各航空地球物理公司的广泛关注，如Ｆｕｇｒｏ公司Ｇｅｏｒａｎｇｅｒ高精度无人机航空磁力测量系
统、加拿大ＵｎｉｖｅｒｓａｌＷｉｎｇ航空地球物理公司的ＵＡＶ航磁系统、英国Ｍａｇｓｕｒｖｅｙ公司的ＰｒｉｏｎＵＡＶ
航空磁梯度测系统等［１７］。国内的中国国土资源航
空物探遥感中心、中国地质科学院及中国科学院遥
感与数字地球研究所、中船重工第七一五研究所等单位也先后开展了基于固定翼或直升机无人机航磁测量技术的研究工作，并取得了很好的成果，如基于国产彩虹３无人机的航空物探（磁／放）综合站［８１０］。部分省级地勘单位也通过改进飞行平台，
应用轻型或无人驾驶飞行器搭载航磁仪拓展工作方法。笔者采用无人驾驶飞艇搭载航磁仪集成研发了艇载航磁系统，无人飞艇具有低空低速、稳定便捷、耐久安全等特点，无跑道要求，可夜间飞行，维护维修简单，适合于搭载轻便型航空测量仪器进行野外工作。２０１１年本系统成功试验飞行，现已在平原、丘陵和中低山地区的地形条件下开展过航磁测量，取得了较好的勘查效果。１ 系统研发
在对各种类型的轻型飞行器、无人飞行平台的性能与特点进行充分调研的基础上，结合当前航磁测量的工作定位，自主研制了艇载航磁系统。系统主要包括无人飞艇平台和航磁系统两部分，飞艇在空中飞行与地面控制使用无线电传输和控制命令，系统组成框图见图１。 ６期王波等：基于无人飞艇平台的航磁系统试验与应用图１ 艇载航磁系统组成１．１ 飞行平台飞艇属于轻于空气的飞行器，靠空气浮力升空，通过配置的动力装置实现飞行和操控［１１］。本次采
用的无人驾驶飞艇主要有艇囊、尾翼和吊舱几部分组成，续航时间２～４ｈ，飞行速度５０ｋｍ／ｈ，相对飞行高度在５０～３００ｍ之间，海拔飞行高度可达４ｋｍ，技术指标见表１，该飞行平台具有以下特点： １）控制系统采用神经元自适应飞控导航系统，
具备目测遥控、超视距实时控制和预编程自主机动飞行功能，可以根据作业要求设置飞行航线和任务指令。２）自驾导航系统投入生产使用前进行了抗风
试验，风速小于５ｍ／ｓ时满足飞艇平稳飞行，最大抗风能力小于１２ｍ／ｓ。３）通信系统使用无线电传输和控制。飞艇飞
行过程中的系统方位、姿态、速度、电量等数据和搭载的任务设备数据信号经链路传至地面站，可实现对平台和任务载荷的远程监控。４）采用油电混合动力系统，在电池缺电或断电
的情况下汽油发动可发挥作用，而在没油或发动机出现故障时电动机则会发挥作用。５）艇囊主要由有聚酯材料制作，内部充满氦
气。氦气属于惰性气体，具有很高的安全性，同时产生大量升力，抵消了绝大部分飞艇自重，载重能力相对较大。
表１ 飞艇主要技术指标参数指标艇长／ｍ１２．０艇宽／ｍ３．９艇高／ｍ４．２气囊体积／ｍ３７７
有效载荷／ｋｇ１３续航时间／ｈ２～４巡航速度／（ｍ／ｓ）１３～２１相对飞行高度／ｍ５０～３００
１．２ 航空磁测仪器本项目采用ＲＳ⁃ＨＧＢ⁃１０型氦光泵航磁系统，系统主要由微型光泵探头、信号处理机、自动补偿器和采集收录软件组成。该系统显示分辨率为０．００１ｎＴ，静态噪声小于０．０１ｎＴ，航磁仪测量范围为
３５０００～７００００ｎＴ，灵敏度优于０．０１ｎＴ，采样率可设
为１～１０次／ｓ，工作温度为０℃～５０℃。此系统可实时采集地磁场总场数据、矢量磁力仪的地磁三分量数据、ＧＰＳ的飞机实时位置数据等，实时对飞机产生的磁干扰进行补偿，并存储采集到的所有数据［１２］。
１．３ 系统集成为了减少飞行平台的磁干扰，实现高精度测量，飞艇中除关键部件外，其余各组件均采用无磁或弱磁材料，使航磁测量系统在最小的电磁干扰下，完成数据的采集工作。在飞艇的艇身腹部区域专门设计航磁测量系统固定工作平台（即固定箱），封装了航磁主机、电源等部分。固定箱的前侧设有长３．５ｍ碳纤探杆，探杆一端封装磁通门三分量传感器和航磁仪探头，使其远离发动机的影响。飞艇吊舱、航磁固定箱、探杆均通过绳索与艇囊进行固定，图２是集成后的艇载航磁系统［１３１４］。
２ 磁干扰及其消除
飞行平台的磁干扰是影响高精度航磁测量的主要因素，为了提高磁力仪的测量精度，在航磁系统集成的过程中需要飞行平台本身磁干扰较小，并尽可
图２ 艇载航磁系统
·９３１１·物 探 与 化 探４０卷 图３ 发动机未工作时探头与吊舱之间距离变化对探头的影响曲线能的去除产生磁干扰的影响。２．１ 磁干扰类型与消除
通常认为飞行平台磁干扰的来源主要包括恒定磁场、感应磁场和涡流磁场３个方面。恒定磁场是由飞行平台上的铁磁性物质的剩磁引起的，感应磁场是由飞行平台上的某些铁磁性物体受地磁场感应产生的，涡流磁场是由构成整个飞行平台的机身、机翼、起落架等大的金属片或金属壳等切割地磁场产生的［１５１８］。
无人飞艇航磁系统的制作材料大部分均为非磁性物质或使用复合材料代替磁性物质。首先系统内体积最大的艇囊部分是由无磁的聚酯材料组成；尾翼与吊舱及其内部结构采用了大量无磁的碳纤维、凯夫拉等复合材料，使得结构轻盈、强度较高；动立杆、起落架等是采用航空铝合金材料。由于无人飞艇的艇身、尾翼等为无磁材料制作，不存在因自身动作而切割地磁场产生的涡流磁场。综上所述，无人飞艇飞行平台的磁干扰主要来源于发动机内部的一些零部件。为了减少这部分磁干扰，通过碳纤维探杆使得航磁仪探头远离发动机的影响。２．２ 磁干扰试验
在发动机关闭时，改变探头与吊舱之间的距离，分别为２．７、３、３．５、４、４．５ｍ，每个距离点采样读数２ｍｉｎ左右，试验曲线见图３。根据试验结果分别对不
同距离位置时的磁场值变化进行了统计，结果见表２。探头与吊舱之间距离为２．７ｍ时，磁场值变化范
围为３９．８ｎＴ，由图３可见曲线跳动较为剧烈。当两者之间距离大于３ｍ时，磁场值的变化范围与静态噪声迅速变小，曲线形态表现较为平稳，变化范围在２．２～４．１ｎＴ之间。因此，距离大于３ｍ即可使得吊
舱内磁性物质对探头测量数据的影响最小。当发动机开始工作时，在２．７ｍ处最初的１ｍｉｎ内磁场值变化范围较大；发动机稳定工作时（６０～１３０ｓ），磁场值变化范围为９．６ｎＴ左右。改变探头
与吊舱之间的距离为４．５ｍ时（采样时间为１５０～
表２ 发动机关闭时探头与吊舱之间距离变化对探头的影响距离／ｍ时间范围／ｓ变化范围／ｎＴ２．７１２０～２４０３９．８３３００～４２０２．２３．５４９０～６００４．１４６６０～７８０２．６４．５８５０～９７０３．８
图４ 发动机工作时探头与吊舱之间距离变化对探头的影响曲线
２７０ｓ），磁场值变化范围为２．１ｎＴ左右（图４）。 结合试验结果，最终确定探头与吊舱之间的距
离为３．５ｍ。在此距离上通过安装吊舱（包含发动机），将前后磁场值大小对比，测试飞艇吊舱对次探头测量数据的影响。未安装吊舱时，磁场值为４９４７９．３ｎＴ；安装吊舱，发动机未工作时，磁场值为４９
４８２．２、４９４８０．９、４９４８１．２ｎＴ，吊舱对探头影响约为１．６～２．９ｎＴ；发动机工作，探头位置固定，测得的磁场
值为４９４８１．６ｎＴ，与发动机未发动时磁场值水平基本一致。由此可知无论发动机工作与否，吊舱整体对探头的影响很小，约为３ｎＴ。２．３ 磁补偿试验
由于飞艇飞行动作与有人驾驶飞机或直升机的飞行动作有很大差别，在空中进行补偿动作时不易操作。在经过多番讨论分析与试验后，采用在地面人为做动作，控制其飞行姿态。补偿试验工作选择在磁梯度小、平稳磁场区域，同时进行日变观测。试验过程中以探头位置为中心
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