1 Muzeul Geologic de Stat Vernadsky, Academia Rusă de Științe, strada Mokhovaya 11/11, Moscova 125009, Rusia

magnetic

Abstract

Utilizarea vehiculelor aeriene fără pilot ușoare și ultra-ușoare (UAV) pentru achiziția de date magnetice poate fi eficientă pentru rezolvarea mai multor sarcini geologice și inginerești, inclusiv cartografierea geologică, prospecția depozitelor de minereu și monitorizarea conductelor. Acuratețea datelor aeromagnetice dobândite folosind UAV depinde în principal de zgomotul de deviere a dispozitivelor electrice (motor, servo etc.). Scopul acestei cercetări este dezvoltarea unei platforme aeriene nemagnetice fără pilot (NUAP) pentru sondaje magnetice de înaltă calitate. Având în vedere parametrii sondajului magnetic regional și local, un UAV cu aripi fixe se potrivește mai bine sarcinilor geologice pentru zona de câmpie și tipul de copter pentru dealuri și munți. Analiza anomaliilor magnetice experimentale produse de un UAV cu aripi fixe cu lumină serială și modelarea magnetică și aerodinamică ulterioară demonstrează o capacitate de NUAP cu motor cu ardere internă care poartă un senzor magnetic atomic montat pe aripile UAV pentru a facilita un sondaj magnetic de înaltă calitate.

1. Introducere

Pentru a crea NUAP pe baza unui UAV ușor cu aripi fixe, cântărind sub 10 kg, decolând din catapultă și aterizând cu o parașută, a fost ales UAV-ul serial comercial „Geoscan-201” (Rusia) pentru experimentele inițiale Figura 1). Zgomotul magnetic NUAP ar trebui să fie caracterizat printr-un gradient care să nu depășească 1 nT/m la locul senzorului. Studiile anterioare au luat în considerare mai multe posibilități de a rezolva această problemă [2-5]. Una dintre cele mai populare abordări se bazează pe o compensare pasivă a zgomotului magnetic, care provine din sondajele aeromagnetice tradiționale. Realizarea unei astfel de abordări include un magnetometru special suplimentar cu trei axe fluxgate, instalat aproape de elementele magnetice ale unei platforme și compensarea câmpului magnetic de zgomot postprocesare cu algoritmi speciali. O altă posibilitate este de a maximiza distanța de la senzor la elementele magnetice ale platformei (utilizate de obicei la elicoptere) folosind un cablu flexibil sau o tijă telescopică. Din păcate, ambele soluții sunt greu de aplicat pentru o platformă ușoară UAV, deoarece prima adaugă o greutate suficientă, iar a doua face ca UAV și mișcarea senzorului să fie instabile, ceea ce provoacă erori suplimentare la poziționarea măsurătorilor magnetice.


Lucrarea include date experimentale despre câmpul magnetic al UAV, modelarea matematică magnetică și aerodinamică a NUAP și descrierea conceptului și a prototipului rezultat.

2. Experimentați

Scopul experimentului este de a obține parametrii surselor magnetice UAV în stare statică și dinamică pentru modelarea matematică necesară pentru a obține un design optim al NUAP. Câmpurile magnetice statice și dinamice induse de componentele UAV „Geoscan-201” au fost măsurate folosind suport special nemagnetic (120 × 270 cm) și magnetometre scalare atomice MMPOS-1 (Rusia) și Geometrics G-858 (Canada) (Figura 2) . Pentru a elimina câmpul magnetic de fundal, măsurătorile de la nivelul superior al suportului au fost inițial executate fără UAV de grila 10 × 10 cm (Figura 2 (b)). Amplitudinea anomaliilor magnetice de fundal ale standului este sub 1 nT/m.


(nivel superior fără UAV).

2.1. Experiment static

Obiectivul experimentului static este de a contura sursele magnetice ale UAV-urilor și parametrii acestora. Pentru studiu, UAV-ul a fost fixat la nivelul inferior al standului, iar datele magnetice obișnuite ale rețelei de 10 × 10 cm au fost măsurate cu un motor oprit și electronice pentru patru azimuturi ale axei longitudinale a UAV (nord, vest), sud și est). Pentru a obține câmp magnetic anormal, au fost luate în considerare variațiile geomagnetice și câmpul magnetic de fond. Analiza rezultatelor demonstrează în mod clar capetele aripilor UAV ca fiind cele mai favorabile locații ale senzorului (Figura 3). Abaterea magnetică a conului nasului UAV (punctele galbene din Figura 3) este sub 35 nT și gradientul orizontal este de 200 nT/m (Figura 4), ceea ce face ca această locație să nu fie potrivită pentru senzorii magnetici. Abaterea magnetică la două puncte de la capătul aripilor UAV (punctele roșii și albastre din Figura 3) este sub 2 nT și gradientul orizontal nu se extinde peste 10 nT/m (Figura 4).


UAV pentru diferitele sale orientări către câmpul magnetic al Pământului: (a) vest; (b) nord; (c) sud; (d) est.


2.2. Experiment dinamic


Rezultatele experimentelor au arătat că amplitudinea maximă a câmpului magnetic de zgomot la capetele aripilor UAV este de 3 nT pentru puterea diferită a electroenginei și nivelul de zgomot instabil. O valoare atât de ridicată, împreună cu deviația magnetică a UAV, nu permite utilizarea unui motor electric fără compensarea câmpului pasiv. Servo-urile reprezintă, de asemenea, microelectro-motorul, dar funcționarea lor nu produce un câmp magnetic vizibil la distanța de peste 1 m.

3. Modelare matematică magnetică și aerodinamică

Analizele câmpului magnetic static al UAV demonstrează cinci surse de zgomot magnetic (Figura 6): (1) Electroengine, producând o anomalie magnetică cu amplitudine de până la 800 nT. (2) Două servo (stânga și dreapta), până la 600 nT. (3) Elemente feromagnetice situate în partea frontală a UAV, până la 300 nT.


Câmpul magnetic total al UAV poate fi reprezentat de suma unui număr de câmpuri dipolice. Astfel, pentru un dispozitiv electric care produce câmp magnetic, cea mai recentă poate fi considerată ca fiind produsă de o sursă punctuală dacă distanța de la dispozitiv este mai mare de 3 ori cea mai mare dimensiune a dispozitivului [6]. Câmpul magnetic creat de un dipol este dat de vectorul descris ca [7]