Зменшення магнітного шуму безпілотного літального апарата для якісних магнітних досліджень

1 Державний геологічний музей імені Вернадського РАН, вул. Мохова 11/11, Москва 125009, Росія

Анотація

Використання легких та надлегких безпілотних літальних апаратів (БПЛА) для збору магнітних даних може бути ефективним для вирішення багатьох геологічних та інженерних завдань, включаючи геологічне картографування, пошук рудних родовищ та моніторинг трубопроводів. Точність аеромагнітних даних, отриманих за допомогою БПЛА, в основному залежить від відхилення шуму електричних пристроїв (двигуна, сервоприводів тощо). Метою цього дослідження є розробка немагнітної безпілотної повітряної платформи (NUAP) для якісних магнітних зйомок. Беручи до уваги параметри регіональних та місцевих магнітних зйомок, БПЛА з фіксованим крилом більше підходить для геологічних завдань для рівнинної місцевості та типу вертольота для пагорбів та гір. Аналіз експериментальних магнітних аномалій, створених серійним легким БПЛА з подальшим магнітним та аеродинамічним моделюванням, демонструє здатність НУАП з двигуном внутрішнього згоряння з атомним магнітним датчиком, встановленим на крилах БЛА, сприяти високоякісній магнітній зйомці.

1. Вступ

Для створення НУАП на базі легкого БЛА з нерухомим крилом вагою менше 10 кг, зльоту з катапульти та посадки з парашутом для початкових експериментів було обрано серійний БПЛА "Геоскан-201" (Росія) ( Фігура 1). Магнітний шум NUAP повинен характеризуватися градієнтом, що не перевищує 1 нТл/м у місці розташування датчика. Попередні дослідження розглядали кілька можливостей вирішення цієї проблеми [2–5]. Один з найпопулярніших підходів базується на пасивній компенсації магнітних шумів, яка походить від традиційних аеромагнітних досліджень. Реалізація такого підходу включає додатковий спеціальний триосьовий магнітометр з флюсом, встановлений близько до магнітних елементів платформи, та компенсацію шумового магнітного поля після обробки за допомогою спеціальних алгоритмів. Інша можливість - максимізувати відстань від датчика до магнітних елементів платформи (зазвичай застосовується на вертольотах) за допомогою гнучкого кабелю або телескопічного стрижня. На жаль, обидва рішення навряд чи застосовні для легкої платформи БПЛА, оскільки перше додає достатню вагу, а друге робить рух БПЛА і датчика нестійким, що спричиняє додаткову помилку при розташуванні магнітних вимірювань.

Стаття включає експериментальні дані про магнітне поле БПЛА, магнітне та аеродинамічне математичне моделювання NUAP, а також опис отриманої концепції та прототипу.

2. Експеримент

Метою експерименту є отримання параметрів магнітних джерел БПЛА в статичному та динамічному стані для математичного моделювання, необхідних для отримання оптимальної конструкції НУАП. Статичне та динамічне магнітні поля, індуковані компонентами БПЛА "Геоскан-201", вимірювали за допомогою спеціального немагнітного стенду (120 × 270 см) та атомних скалярних магнітометрів MMPOS-1 (Росія) та Geometrics G-858 (Канада) (Рисунок 2) . Щоб видалити фонове магнітне поле, вимірювання на верхньому рівні стенду спочатку виконувались без БПЛА сіткою 10 × 10 см (Рисунок 2 (b)). Амплітуда фонових магнітних аномалій деревостану нижче 1 нТл/м.

(верхній рівень без БПЛА).

2.1. Статичний експеримент

Метою статичного експерименту є окреслення магнітних джерел БПЛА та їх параметрів. Для дослідження БПЛА було зафіксовано на нижньому рівні стенду, а регулярні магнітні дані сітки 10 × 10 см виміряні з вимкненим двигуном та електронікою для чотирьох азимутів поздовжньої осі БПЛА (північ, захід, південь та схід). Для отримання аномального магнітного поля були розглянуті геомагнітні варіації та фонове магнітне поле. Аналіз результатів наочно демонструє кінці крил БЛА як найбільш сприятливих місць розташування датчика (рис. 3). Магнітне відхилення на носовому конусі БПЛА (жовті точки на малюнку 3) нижче 35 нТл, а горизонтальний градієнт - 200 нТл/м (малюнок 4), що робить це місце непридатним для магнітних датчиків. Магнітне відхилення в двох точках на кінці крил БЛА (червоні та сині точки на малюнку 3) нижче 2 нТл, а горизонтальний градієнт не перевищує 10 нТл/м (рис. 4).

БПЛА за різну орієнтацію в магнітному полі Землі: (а) на захід; (b) північ; (в) південь; (d) схід.

2.2. Динамічний експеримент

Результати експериментів показали, що максимальна амплітуда магнітного поля шуму на кінцях крил БЛА становить 3 нТл для різної потужності електромотора та нестабільного рівня шуму. Таке високе значення разом із магнітним відхиленням БПЛА не дозволяє використовувати електромотор без пасивної компенсації поля. Сервоприводи також представляють мікроелектродвигун, але їх робота не створює помітного магнітного поля на відстані більше 1 м.

3. Магнітно-аеродинамічне математичне моделювання

Аналізи статичного магнітного поля БЛА демонструють п'ять джерел магнітних шумів (рис. 6): (1) Електродвигун, що виробляє магнітну аномалію з амплітудою до 800 нТл. (2) Два сервопривода (лівий та правий), до 600 нТл. (3) Феромагнітні елементи, розташовані у фронтальній частині БЛА, до 300 нТл.

Повне магнітне поле БЛА може бути представлене сумою ряду дипольних полів. Таким чином, для електричного приладу, що виробляє магнітне поле, найновішим може вважатись той, що створюється точковим джерелом, якщо відстань від приладу перевищує 3 рази найбільший розмір приладу [6]. Магнітне поле, створене диполем, задається вектором, описаним як [7]