当前位置: 首页 > >

飞翔的夺宝奇兵_航空物探科普文章

附件 5:

无人机航空物探相关科普材料
-飞翔的夺宝奇兵

中国航天空气动力技术研究院
2016 年 8 月

导语 以前的人们为了找到矿产资源,需要踏破铁鞋千里奔波,单是划分矿区范围 可能就需要数年的时间。 而现在,我们只需要待在舒适的地面指挥车中控制无人 机工作,轻轻点几下鼠标,偶尔看几眼屏幕,吃着零食喝着茶,简单快捷地就把 矿产找到了。

说起矿藏资源, 我们一定不会陌生。 金造的首饰, 银做的器皿, 铜打的锅碗, 铁成的工具??几乎生活中用到的一切东西,都可以找到它原始的矿藏成分。中 国地大物博,各种矿藏储量均居世界前列,安徽铜陵、甘肃白银,甚至有很多城 镇都是以矿产命名。 矿藏资源对现代文明的重要性不言而喻,然而却很少有人知 道我们是怎么发现这些资源的。 广袤的中国版图上,最容易想到的探测手段无疑 是航空飞行,没错,航空探测是当前探矿的主流方式。航空资源勘查是一种以飞 行器为平台, 通过装载航空磁法 (航磁) 、 航空放射性法 (航放) 、 航空电磁法 (航 电)和航空重力法(航重)等勘探设备,进行高效资源勘查的方法。在基础地质 调查、矿产普查、水文地质和工程地质勘查、环境调查、海侵预防等方面发挥着 重要作用,尤其在地质找矿方面,全球80%的大面积铁矿是由航磁勘查发现的, 而40%的放射性矿藏是由航放勘查发现的。随着国家各项探矿政策的出台,对于 航空资源勘探的需求进一步提升,每年的测量需要达到50万测线公里以上,同时 多个国家请求我国对其进行航空资源勘查,总测量数甚至达到300万测线公里。 可是以目前使用的有人机飞行探矿方式具有很大的局限性, 因此隶属中国航天科 技集团的北京市无人机应用中心借助先进的无人飞行驾驶技术, 着力打造了一款 用于资源探测的无人机系统,系统设计师风趣地称其为“飞翔的夺宝奇兵” 。 探矿中的有人机和无人机 无人机和有人机虽只有一字之差,但是在使用时却有着明显的不同。我国通 过几十年有人机飞行勘查,一大批重要的铁矿、铀矿、金矿、铜矿等矿产资源被 发现,在取得显著效果的同时,问题也日益凸显:有人机顾名思义需要有人在飞 机上进行驾驶, 而且需要选择非常有经验的飞行员,因为无论是探测金属矿产的 航磁探头, 还是探测具有放射性物质所用的航放探头,都需要飞机能够尽量靠近

地面, 低空飞行对飞行员的驾驶技术可以说是高标准严要求,超低空飞行带来了 巨大的安全隐患,近年来已发生多起航空事故,造成机毁人亡的严重后果;矿产 测区通常都很大, 并且地形非常复杂,长时间飞行对飞行员的身体素质也提出了 挑战,重复多次的起降更是增加了飞行风险;为保证飞行安全,有人驾驶飞机多 是在白天进行探矿作业, 这样极大的降低了飞行器单次起降的作业效率,高昂的 使用、运营、维护成本制约了大规模推广应用;国内长距离跨空域转场也存在周 期长、协调难度大等问题,尤其是跨国转场运输更是难上加难。 无人机技术解决了上述问题, 我们这里所说的无人机并不是大家经常看到的 利用遥控器进行控制的无人航模,而是基于军用无人机改型的中型无人机系统, 包含了飞行平台、 地面控制站等组成部分,空中飞行以及起飞降落过程均是自主 完成, 不需要人进行实时控制操作,仅需要发几个指令就能通过数据链完成命令 装载,至于飞行轨迹,也仅需要在地图上进行勾画就可以了,无人机会按照既定 航路进行作业, 不同于无人航模的人眼观测限制范围,使用地面控制站操作的无 人机有大功率测控天线辐射电磁波,无人机的飞行半径能够达到250公里以上, 完全能够适应探矿要求, 而如果使用3G信号或者卫星通信地面站,甚至可以让无 人机飞到数千公里外作业。 与有人机不同的是,无人机系统采用对地高度探测传 感器技术, 通过传感器的精确数值反馈控制实现长时间超低空飞行,一次起降过 程便可以在测区完成数个小时的作业,只需要人员在地面值守,这样的无人机还 可以飞往有害放射性区域执行任务,同样不会有任何的人员伤亡。无人机系统凭 借效率高、成本低、风险小、灵活性强、受地形环境条件和人为因素影响小等优 点,可以克服有人机目前面临的主要问题。前几年,加拿大、德国以及国内多个 研究单位开展了航磁测量无人机系统研究, 只是所研发出来的无人机系统都未具 备面积性作业能力, 而航磁航放同时作业的测量无人机系统至今还未见到相关报 道。 什么是资源勘查无人机系统? 中国地质调查局组织开展了无人机航空物探综合测量系统的研发工作, 北京 市无人机应用中心负责研制适用于复杂地形超低空沿地形起伏飞行磁放综合资 源勘查无人机系统。这种无人机满足同时装载航磁、航放设备,在小于120m对地

高度沿地形起伏飞行,单次作业距离1000公里等使用要求。 资源勘查无人机系统采用了气动优化技术、恒速变距桨技术、3G通信测控技 术等,解决了大载重、高机动无人机平台研制和低空超视距通信问题,实现了装 载140kg勘探设备在80~120m高度上连续沿地形起伏飞行6小时的目标,这是国际 上首次研制成功航磁、航放可同时测量的航空无人系统。 系统设计人员首次提出了通过使用多个传感器同时工作来持续监控地面高 度对地形筛选的方法, 解决了无人机超低空沿地形起伏飞行及在不稳定气流中稳 定飞行的难题。其飞行轨迹的左右高低偏差不超过20m,而且能够在夜间也执行 探测任务;同时提出了根据作业需求、飞行器性能、地形起伏、地表障碍物等多 个影响条件下的超低空三维空间导航规划方法, 开发出操作简便的飞行仿真软件 与多空间信息数据支持任务规划软件,地面操作手可以在模拟的飞行航路上先 “飞行”一次,预先就能知道所设计的航路是否合理,正所谓不打无准备之仗, 确保了无人机可以高高兴兴上班去,平平安安回家来。 全自主打造的无人机系统 为了打造这款无人机系统, 系统设计人员可谓是煞费苦心,第一个方面体现 在超低空飞行问题的解决上, 针对民用无人机系统需要控制成本的要求,资源勘 查无人机系统采用了物美价廉的多种传感器, 解决了复杂地形对无人机超低空飞 行干扰的问题, 同时使无人机具备了对地形变化的跟随能力。这种方法是通过对 气压和无线电高度传感器的信号反馈进行分析, 为满足无人机超低空飞行的控制 要求与飞行性能, 将气压高度信息用一个高频率信号能通过的滤波器“洗干净” , 得到与无人机控制频带相匹配的气压高度高频信号, 再将无线电高度信息用一个 低频率信号能通过的滤波器“洗干净” ,得到无人机相对地面准确高度估计值, 然后通过计算机模拟仿真的方法结合无人机飞行速度选取设计滤波器时所需的 常数, 将这两个信号进行叠加并计算出无人机离地的高度,这样得到的高度信息 既能够符合无人机超低空飞行控制要求,又能正确反映地形变化,可用作地形跟 随控制的高度信息来源。 那么我们如何在得到精确飞行高度的情况下控制无人机持续稳定的在这个 高度飞行呢?说到飞机的高度就不得不提到飞机的速度, 设计师利用高度控制与

速度控制的相互关系, 对超低空飞行时的无人机运动轨迹进行高精度的判断,然 后将这些轨迹变化反馈给高度和速度控制传感器,通过多次循环这样的做法,就 能够让运动渐渐趋于稳定, 大大提高了无人机在超低空飞行的鲁棒性并且由于是 系统本身的探测装置给系统来做参考, 整个无人机系统环路不会受到其他外界操 作的干扰。 这种技术能够分析出无人机超低空飞行不同时刻的特点,尤其是超低 空气流紊乱, 特别是风切变时出现的问题,对无人机高度稳定回路进行了自动恢 复的优化设计,并利用了速度稳定回路控制与高度稳定回路控制的相互关联特 点,解决了无人机在超低空紊乱气流与风切变扰动下稳定控制与鲁棒性难题。 资源勘查无人机系统中提出的根据作业需求、飞行器性能、地形起伏、地表 障碍物等多个影响条件下的超低空三维空间导航规划方法,实现了80~120米低 空飞行走廊内、在任务作业高度、平台爬升率、地形高差、地表障碍物高度等约 束情况下的无人机三维空间导航路径规划。这项技术通过超低空的快速实时仿 真、遥感影像解译、外野踏勘等实现危险点(高度异常区域)的发现与鉴别;通 过空间信息分析实现了空间导航规划与危险点规避, 确保无人机在复杂地形低空 中的飞行安全与作业任务。 为了提高在这种多种条件下的导航规划效率,系统设 计师还开发了几款使用简便的无人机超低空沿地形起伏飞行仿真软件与多空间 信息数据支持的任务规划软件。 经过几个月时间的设计和实验,系统设计师最终选择了现在这种鸭翼、短机 身、 机翼外挂勘查设备以及翼尖配置尾翼的一体化紧凑式飞机外型;并且采用了 恒速变距桨技术, 这种技术能够让螺旋桨的桨距和起伏飞行时发动机的转速最优 化配合;利用3G通信测控技术,就像用手机打电话一样,通过基站实现了超视距 通信,使无人机系统充分满足了航空矿藏探测的装载量大、气动效率高、操稳特 性强、长时间超低空安全稳定飞行设计要求。 资源勘查无人机系统的应用 从2013年1月开始算起,资源勘查无人机系统在黑龙江嫩江县多宝山整装勘 查区开展了180米飞行高度1:1万比例尺及120米飞行高度1:5万比例尺的无人机 磁放综合测量,飞行总测线2980公里,测量面积200平方公里,共飞行20余架次, 累计作业飞行70余小时, 其中平均航线测偏小于20米(设计要求30米)、平均飞行

高度120.29米(设计要求100~175米)、取得了高质量的航空磁、放测量数据,数 据质量达到一级水平, 圆满完成了资源勘查的生产任务,生产效果比有人机工作 更加明显。 2014年初,在我国新疆、内蒙古等地进行了规模化生产作业,其中新疆阿勒 泰地区实现10000公里测线1:1万比例尺航磁测量,内蒙古乌拉特后旗地区实现 3000公里测线1: 1万比例尺磁放综合测量。其中新疆地区实现1100平方公里面积 性测量;内蒙古地区实现400平方公里的面积性测量。共飞行35架次、累计作业 飞行190小时、 其中平均航线测偏小于21米(设计要求33米)、 平均飞行高度122.29 米(设计要求100~175米)、取得了高质量的航空磁、放测量数据,数据质量达到 一级水平。 与此同时, 为满足国外市场对地球物理勘查装备与服务的迫切需求,相关部 门积极展开地球物理勘查援外工作。 截止到现在, 中国地质调查局已经与赞比亚、 利比里亚签署近20万测线公里的援外勘探意向,可实现收入1000万美元,此外老 挝、安哥拉、委内瑞拉第三世界国家已有明确需求,例如老挝急需进行14万测线 公里的测量、非洲急需进行50万测线公里的探测作业、委内瑞拉全境将有160万 测线公里的市场容量,可实现超1亿美元的收入。 资源勘查无人机系统的应用前景广阔,具有极高的拓展潜力。无人机系统只 是一种平台载体, 挂上物探设备就成了资源勘查无人机,挂上其他载荷后便有了 更多的用途。 这套系统所具有的高精度飞行控制、空间导航规划技术能够在电力 巡线、农林业保值、防污与环境保护、水资源开发利用等多个领域进行推广。随 着这些应用的展开必将推动各个行业自动化水平的提高, 进而提升所在行业的生 产力水平。 资源勘查无人机系统的北京品牌效应 北京市的产业规划政策正从基础工业向新型科技产业倾斜。 随着低空域开放 政策的不断明朗化,北京着力打造的通用航空产业逐渐显露出巨大的经济潜力。 近几年, 政府在无人机研发方面给予了大量的支持,推动了高端无人机产业的持 续发展, 资源勘查无人机系统正是以此为契机,慢慢地融入到高端制造业和高端 服务业的大家庭中,制造出了“北京创造” 、 “北京服务”的高端无人机产品。

这套系统从研发开始便一直坚持走高科技、 高效能、 高可扩展性的研发道路, 秉承航天科技精神,一定要把自主知识产权牢牢的把控在国人自己手中,建立了 一套国际领先的民用无人机设计、生产、服务综合流水线,卓越的飞行探测性能 使本无人机系统成为具有市场竞争力的国际品牌, 在对外援助和对外贸易方面发 挥了重要作用,提升了北京市乃至中国的国际影响力。 资源勘查无人机系统的成功应用, 为无人机民用市场的合作方式提供了一条 明确的道路,低成本、高性能、高质量的无人机系统是非常受各行各业欢迎的设 计定位,可在环境监测治理、城建规划、周边安防等行业领域得到广泛的推广。 这种融入了高科技概念的应用系统研发过程也能带动北京地区电子、通讯、材料 等行业的发展,培养了一大批飞行器设计和研制的高科技专业人才,同时,在无 人机的使用维护、综合保障和飞行服务等方面能够为北京市提供大量的就业机 会。 首都北京拥有的各类矿产资源在世界各国首都中都是少见的, 随着首都经济 的发展、 城市建设和人民生活水平的提高, 社会对资源的需求一定会越来越迫切。 在城市低空域可开放的前提下, 资源勘查无人机系统能够对北京周边地区各类国 土资源进行更加精确的发现、识别和测量,提高资源开采准确度和工作效率,减 小开采支出, 形成更大的经济收益,为满足各类社会生产所需资源提供有力的保 障。




友情链接: 时尚网 总结汇报 幼儿教育 小学教育 初中学习资料网