无人机半航空瞬变电磁接收线圈飞行参数测量装置及方法制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种无人机半航空瞬变电磁接收线圈飞行参数测量装置及方法，装置包括接收器、姿态解算模块、九轴姿态传感器、GPS、雷达高度计、瞬变电磁接收机和飞行质量检查软件，接收器包括接收器外壳和设置在接收器外壳内的圆环形的接收线圈，接收线圈通过四条抗扭绳与无人机底部连接，可以有效减小线圈在飞行过程中自旋转。姿态解算模块、九轴姿态传感器和GPS均固定设置在接收线圈的圆心处，可以准确获得接收线圈的航向角，并实时计算接收线圈的姿态，接收线圈的圆心下方固定设有雷达高度计，可以提供数据反演过程中计算垂直方向磁分量的高度信息，飞行质量检查软件通过现场动态回放接收线圈的飞行参数，监测飞行质量。

Flight Parameter Measurement Device and Method of Semi-Aviation Transient Electromagnetic Receiving Coil for UAV

【技术实现步骤摘要】
无人机半航空瞬变电磁接收线圈飞行参数测量装置及方法
本专利技术涉及地球物理瞬变电磁勘探领域，具体涉及一种无人机半航空瞬变电磁接收线圈飞行参数测量装置及方法。
技术介绍
无人机半航空瞬变电磁勘查系统的接收子系统主要由无人机及吊挂于无人机下方的接收线圈和机载瞬变电磁接收机组成。采用常用的地面瞬变电磁接收线圈直接用绳索吊挂于无人机下方，其外壳结构和吊挂技术不适于半航空瞬变电磁勘查系统接收子系统的空中飞行。工作过程中，受空中紊乱气流和非均匀航速的影响以及无人机机体振动的传导，接收线圈难以保持稳定的水平姿态飞行，会时常出现随时间变化的倾斜和颤动等非稳定姿态，使得感应二次场的计算面积偏小且不稳定。同时，接收线圈距地面的相对高度是后期反演的重要参数，一般通过使用谷歌地图等软件或者气压高度计等传感器提供的绝对海拔高度难以得到高精度的相对高度。上述问题严重影响接收数据的质量，导致反演结果差，地质解释困难且不可靠。
技术实现思路
针对现有技术中的上述不足，本专利技术提供的一种无人机半航空瞬变电磁接收线圈飞行参数测量装置及方法解决了接收线圈飞行参数不容易测量的问题。为了达到上述专利技术目的，本专利技术采用的技术方案为：一种无人机半航空瞬变电磁接收线圈飞行参数测量装置，包括接收器、姿态解算模块、九轴姿态传感器、GPS、雷达高度计、瞬变电磁接收机和飞行质量检查软件，所述接收器包括接收器外壳和设置在接收器外壳内的圆环形的接收线圈，所述接收线圈通过四条抗扭绳与无人机底部连接，所述姿态解算模块、九轴姿态传感器和GPS均固定设置在接收线圈的圆心处，所述接收线圈的圆心下方固定设有雷达高度计，所述九轴姿态传感器包括三轴加速度计、三轴磁通门和角速度陀螺仪，所述姿态解算模块分别与三轴加速度计、三轴磁通门、角速度陀螺仪、雷达高度计和GPS连接，所述姿态解算模块还与瞬变电磁接收机通信连接。进一步地：所述四条抗扭绳分别与接收线圈的四个等分点固定连接。进一步地：所述瞬变电磁接收机上保存飞行参数至SD卡，并通过电脑端读取SD卡，所述电脑端上设有飞行质量检查软件，所述飞行质量检查软件包括姿态检查子模块、飞行轨迹检查子模块和飞行高度检查子模块。进一步地：所述接收器外壳的材质为橡胶材料且外表面带弧度。一种无人机半航空瞬变电磁接收线圈飞行参数测量方法，其特征在于，具体步骤为：a.根据角速度陀螺仪测得的数据建立四元数q，令q＝q0+q1i+q2j+q3k；其中q0、q1、q2、q3为实数，i、j、k为相互正交的单位向量，又是虚单位，设q0的初始值为1，q1、q2和q3的初始值均为0；b.通过四元数计算重力分量v；c.将三轴加速度计测出的重力单位向量a与重力分量v的叉乘向量误差通过PI控制器补偿到角速度陀螺仪；d.通过三阶龙格库塔法更新四元数方程，并将经过更新后的四元数方程求解后的角速度陀螺仪测量结果进行积分，得到接收线圈的姿态角；e.将三轴磁通门的输出数据换算到由四元数建立的机体坐标系上，得到基于接收线圈的航向角，再将该航向角经过拓展卡尔曼滤波后得到滤波后接收线圈的航向角；f.通过姿态角计算接收线圈与水平面的倾角；g.通过雷达高度计的测量结果计算接收线圈的相对高度，将相对高度经中值滤波算法滤波后得到有效高度，并通过有效高度计算接收线圈的磁分量；h.通过三轴加速度计的测量结果计算接收线圈的加速度。进一步地：所述步骤b中重力分量v＝[vxvyvz]的计算公式为：上式中，vx为四元数计算出的x轴上的重力分量，vy为四元数计算出的y轴上的重力分量，vz为四元数计算出的z轴上的重力分量。进一步地：所述步骤d中姿态角包括俯仰角和翻滚角；所述俯仰角的计算公式为：pitch＝arcsin(-2(q0q2+q1q3))上式中，pitch为接收线圈的俯仰角；所述翻滚角的计算公式为：上式中，roll为接收线圈的翻滚角。进一步地：所述步骤e中航向角的计算公式为：上式中，yaw为接收线圈的航向角，mx、my分别为换算到接收线圈坐标系下的磁力计x、y轴数据。所述步骤f中倾角的计算公式为：上式中，θ为接收线圈与水平面倾角，也为坐标系z轴与垂直向上方向的夹角，roll为接收线圈的翻滚角，pitch为接收线圈的俯仰角。所述步骤g中相对高度的计算公式为：H＝(HHValue×256+HLValue)×0.01上式中，H为相对高度，HHValue为雷达高度计输出数据的高八位HLValue为雷达高度计输出数据的低八位；所述步骤g中磁分量的计算公式为：上式中，HZ为接收线圈的磁分量，I为发射电流，L为AB电极长度的一半，R为偶极源到测点的距离，y为测点偏移距，RTE为反射系数，u0为中间参数，k0为空气介质波数，λ为积分变量，H1为经中值滤波算法后的有效高度，J1为一阶Bessel函数，(x',y')为各偶极源的中心坐标，这里y'＝0；所述步骤h中加速度的计算公式为：上式中，g2为接收线圈加速度，θ1为Z轴与垂直向上方向的夹角，γ为速度V0与垂直向下方向的夹角,θ1＝90°-γ,g1为减去重力加速度后垂直向下的加速度大小。本专利技术的有益效果为：本专利技术中三轴磁通门作为磁场感应传感器，相对于传统MEMS磁力计精度更高，用作感知磁场强度更为合适；本专利技术通过PI控制将三轴加速度计的值补偿到陀螺仪数据上，此时四元数解算出的俯仰角和翻滚角以接收线圈建立机体坐标系，再将三轴磁通门解算的航向角转换到当前机体坐标系下，能够更准确地描述航向角；本专利技术中三轴加速度计、三轴磁通门经过四元数和拓展卡尔曼滤波之后，减小了外界对其的干扰，能够更加准确、迅速地描述非线性过程的姿态变化，从而可解算出接收线圈有效面积上的磁分量。本专利技术接收线圈飞行参数和GPS数据结合可以精确解算出接收线圈的位置。确定了相对高度信息可用于计算垂直方向的磁分量。本专利技术中的线圈外壳可以保护好接收线圈和固定好传感器。四根抗扭绳悬挂线圈可以有效减小线圈在飞行过程中自旋转。本专利技术中飞行质量检查软件用于在野外作业现场每次飞行结束后及时检查实际飞行测线是否与规划飞行测线一致，接收线圈的姿态和相对高度测量值是否有异常，以确保半航空瞬变电磁探测野外飞行作业的质量。附图说明图1为本专利技术的总体结构图；图2为本专利技术中接收线圈的俯视图；图3为本专利技术中接收线圈的正视图；图4为本专利技术中飞行过程线圈姿态示意图；图5为本专利技术中飞行过程线圈受力分析图；图6为无人机的航飞示意图。其中：1、接收器；2、抗扭绳；3、无人机；4、接收线圈；5、接收器外壳；6、雷达高度计；7、姿态解算模块；8、九轴姿态传感器，9、GPS。具体实施方式下面对本专利技术的具体实施方式进行描述，以便于本
的技术人员理解本专利技术，但应该清楚，本专利技术不限于具体实施方式的范围，对本
的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本专利技术的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本专利技术构思的专利技术创造均在保护之列。如图1、图2和图3共同所示，一种无人机半航空瞬变电磁接收线圈飞行参数测量装置，包括接收器1、姿态解算模块7、九轴姿态传感器8、GPS9、雷达高度计6和瞬变电磁接收机，接收器1包括接收器外壳5和设置在接收器外壳5内的圆环形的接收线圈4，接收线圈4通过四条抗扭绳2与无人机3底部连接，姿态解算模块7、九轴姿态传感器8本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种无人机半航空瞬变电磁接收线圈飞行参数测量装置，其特征在于，包括接收器(1)、姿态解算模块(7)、九轴姿态传感器(8)、GPS(9)、雷达高度计(6)和瞬变电磁接收机，所述接收器(1)包括接收器外壳(5)和设置在接收器外壳(5)内的圆环形的接收线圈(4)，所述接收线圈(4)通过四条抗扭绳(2)与无人机(3)底部连接，所述姿态解算模块(7)、九轴姿态传感器(8)和GPS(9)均固定设置在接收线圈(4)的圆心处，所述接收线圈(4)的圆心下方固定设有雷达高度计(6)，所述九轴姿态传感器(8)包括三轴加速度计、三轴磁通门和角速度陀螺仪，所述姿态解算模块(7)分别与三轴加速度计、三轴磁通门、角速度陀螺仪、雷达高度计(6)和GPS(9)连接，所述姿态解算模块(7)还与瞬变电磁接收机通信连接。

【技术特征摘要】
1.一种无人机半航空瞬变电磁接收线圈飞行参数测量装置，其特征在于，包括接收器(1)、姿态解算模块(7)、九轴姿态传感器(8)、GPS(9)、雷达高度计(6)和瞬变电磁接收机，所述接收器(1)包括接收器外壳(5)和设置在接收器外壳(5)内的圆环形的接收线圈(4)，所述接收线圈(4)通过四条抗扭绳(2)与无人机(3)底部连接，所述姿态解算模块(7)、九轴姿态传感器(8)和GPS(9)均固定设置在接收线圈(4)的圆心处，所述接收线圈(4)的圆心下方固定设有雷达高度计(6)，所述九轴姿态传感器(8)包括三轴加速度计、三轴磁通门和角速度陀螺仪，所述姿态解算模块(7)分别与三轴加速度计、三轴磁通门、角速度陀螺仪、雷达高度计(6)和GPS(9)连接，所述姿态解算模块(7)还与瞬变电磁接收机通信连接。2.根据权利要求1所述的无人机半航空瞬变电磁接收线圈飞行参数测量装置，其特征在于，所述四条抗扭绳(2)分别与接收线圈(4)的四个等分点固定连接。3.根据权利要求1所述的无人机半航空瞬变电磁接收线圈飞行参数测量装置，其特征在于，所述瞬变电磁接收机将飞行参数保存至SD卡，并通过电脑端读取SD卡，所述电脑端上设有飞行质量检查软件，所述飞行质量检查软件包括接收线圈的飞行姿态检查子模块、飞行轨迹检查子模块和飞行高度检查子模块。4.根据权利要求1所述的无人机半航空瞬变电磁接收线圈飞行参数测量装置，其特征在于，所述接收器外壳(5)的材质为橡胶材料且外表面带弧度。5.一种无人机半航空瞬变电磁接收线圈飞行参数测量方法，其特征在于，具体步骤为：a.根据角速度陀螺仪测得的数据建立四元数q，令q＝q0+q1i+q2j+q3k；其中q0、q1、q2、q3为实数，i、j、k为相互正交的单位向量，又是虚单位，设q0的初始值为1，q1、q2和q3的初始值均为0；b.通过四元数计算重力分量v；c.将三轴加速度计测出的重力单位向量a与重力分量v的叉乘向量误差通过PI控制器补偿到角速度陀螺仪；d.通过三阶龙格库塔法更新四元数方程，并将经过更新后的四元数方程求解后的角速度陀螺仪测量结果进行积分，得到接收线圈的姿态角；e.将三轴磁通门的输出数据换算到由四元数建立的机体坐标系上，得到基于接收线圈的航向角，再将该航向角经过拓展卡尔曼滤波后得到滤波后接收线圈的航向角；f.通过姿态角计算接收线圈与水平面的倾角；g...

【专利技术属性】
技术研发人员：高嵩，钟辉宏，王绪本，李源，何虎，鲜鹏飞，
申请(专利权)人：成都理工大学，
类型：发明
国别省市：四川,51