1.本发明涉及精密重力测量领域，更具体地，涉及一种由无人机搭载mems重力仪开展流动重力测量的系统及方法。
背景技术：2.在地球附近空间，物体受地球引力影响。但由于地球不是一个完全规则的球体、地表地质结构不一样、不同纬度所受的向心力大小不同等因素，地球上不同位置的重力加速度有微小的区别。精确测量重力加速度微弱变化已经被广泛应用于地震预测、资源勘探、重力导航等诸多方面。除此之外，重力测量对远程导弹、人造地球卫星和宇宙飞船运行轨迹的精确推算也有重要作用。
3.我国重力观测网由台站式重力观测量点和流动式重力观测量点组成。常规流动重力测量通过车辆与人员搬运相对重力仪按照规划的测网前往每一个测量点进行测量，成本高、效率低，在人迹罕至或环境条件恶劣的测量点测量难度尤其巨大。而无人机载测量技术具有自动化、智能化、专用化等特点，目前已经在地形测绘、电磁测量等大地测量领域开展应用，在机动性、高效性、经济性等方面展现显著优势。
4.mems重力仪的出现为相对重力测量提供更加轻便、低价的仪器选择。将利用无人机运载mems重力仪开展流动重力测量，可望实现智能化、高效流动重力测量，显著减少人工成本，减小人身安全隐患，具有广阔的应用前景。
技术实现要素：5.针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种无人机载流动重力测量系统及方法，旨在解决现有技术中的流动重力测量通过车辆与人员搬运相对重力仪按照规划的测网前往每一个测量点进行测量导致成本高且测量效率低的问题。
6.本发明提供了一种无人机载流动重力测量系统，包括：重力仪运载模块、mems重力仪和自动调平装置；所述重力仪运载模块用于根据预先设定好的飞行路线将所述mems重力仪运送至指定测量点；所述mems重力仪用于对所述指定测量点的重力进行测量；所述自动调平装置用于对所述mems重力仪进行调平从而确保所述mems重力仪在测量过程中始终处于水平位置。
7.更进一步地，所述重力仪运载模块包括：机翼、机身、起落架、摄像头、gnss系统、飞控系统和连接控制器；所述机身作为所述重力仪运载模块的主体，用于将所述机翼、所述起落架、所述摄像头、所述gnss系统、所述飞控系统和所述连接控制器连接成一个整体；所述机翼和所述飞控系统用于控制所述重力仪运载模块的飞行姿态；所述连接控制器用于配合连接杆连接重力仪运载模块和重力仪；所述摄像头用于实时采集并传输飞行环境；所述gnss系统用于定位导航。
8.更进一步地，所述mems重力仪包括：mems加速度计、检测控制电路、温控系统、真空管壳、数据采集传输系统和连接杆；所述mems加速度计用于检测地球重力场的重力加速度
信号；所述检测控制电路用于对所述重力加速度信号进行提取转换输出，同时采用pid磁负反馈控制加速度计弹簧振子的平衡位置；所述数据采集传输系统用于采集存储传输从检测控制电路输出的加速度信号；所述连接杆用于配合所述连接控制器连接所述重力仪运载模块和所述mems重力仪；所述温控系统用于为所述mems加速度计提供恒温环境；所述真空管壳用于将所述mems加速度计封装在管壳内部，并提供真空环境。
9.更进一步地，所述温控系统包括：温控电路、外层保温层、外层加热膜、内层保温层和内层加热膜；所述温控电路用于控制系统的温度环境；所述外层保温层用于通过减小外层的温度波动来提供温控效果；所述外层加热膜用于控制外层处于恒温状态；所述内层保温层用于通过减小内层的温度波动来提供温控效果；所述内层加热膜用于控制内层处于恒温状态。
10.更进一步地，所述温控电路包括：热敏电阻、pid反馈控制电路和压流转换器，所述热敏电阻用于检测系统的温度变化；所述pid反馈控制电路用于根据所述热敏电阻检测的结果进行反馈控制，并将系统控制在所需的温度环境；所述压流转换器用于驱动所述内层加热膜和所述外层加热膜工作。
11.更进一步地，所述自动调平装置包括：调平面、倾斜仪、控制器、电机和调平杆；所述调平面用于支撑和固定所述mems重力仪并确保所述mems重力仪在测量过程中始终处于水平位置；所述倾斜仪用于监测记录所述调平面的倾角，并将角度信号输出；所述控制器接收所述角度信号，并根据角度信号控制电机工作；所述电机根据控制器的指令控制三轴调平杆的状态，使得所述调平面控制在水平位置。
12.本发明还提供了一种基于上述的无人机载流动重力测量系统实现的重力测量方法，包括下述步骤：
13.根据待测量点绘制测量网络并获得无人机飞行路线；
14.根据所述无人机飞行路线，通过gnss导航并由无人机携带mems重力仪前往指定测量点；
15.通过自动调平装置对mems重力仪进行调平处理并确保所述mems重力仪在测量过程中始终处于水平位置；
16.通过mems重力仪对所述指定测量点的重力进行测量。
17.更进一步地，根据所述无人机飞行路线，通过gnss导航并由无人机携带mems重力仪对剩余测量点依次进行重力测量；并当测量完成后，由无人机携带重力仪返回基地。
18.其中，当无人机或mems重力仪的电池储能不足30％时，发出警报，并由无人机携带mems重力仪返回基地进行更换电池或充电后，再对剩余的测量点进行重力测量。
19.更进一步地，还可以根据飞行路程最小的原则获得无人机飞行路线。
20.与现有的流动重力测量相比，本发明具有如下优势：
21.本发明中利用无人机代替车辆或人工运载mems重力仪，可远程操纵或依据设定测量点位置自动实现不同测量点的重力测量，节省了人力成本，提高测量效率，尤其在交通条件差、自然环境恶劣的区域测量优势更加显著。此外，程控流动重力测量还有望减小人为因素导致的测量误差。
附图说明
22.图1是本发明实施例提供的无人机载流动式重力测量系统示意图。
23.图2是本发明实施例提供的重力仪运载模块示意图。
24.图3是本发明实施例提供的本发明实施例提供mems重力仪示意图。
25.图4是本发明实施例提供的自动调平装置示意图。
26.图5是本发明实施例提供的流动重力测量飞行路线示意图。
27.图6是本发明实施例提供的无人机载测量过程示意图。
28.图7是本发明实施例提供的无人机载流动式重力测量工作流程图。
29.附图标号含义分别如下：1为重力仪运载模块，2为mems重力仪，3为自动调平仪，11为无人机机翼，12为无人机机身和飞控系统，13为连接控制器，14为摄像头和gnss系统，15为无人机起落架，21为连接杆，22为数据采集传输系统，23为检测控制电路，241为外层保温层，242为外层加热膜，243为内层保温层，244为内层加热膜，245为温控电路，25为管壳封装，26为mems加速度计，31为调平面，32为倾斜仪，33为控制器，34为电机，35为调平杆，36为支腿。
具体实施方式
30.为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及一个实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以互相结合。
31.本发明提供的重力测量系统采用无人机携带mems重力仪通过gnss系统导航或人为控制前往测量点，无人机降落后首先由自动调平装置完成调平，mems重力仪再开始观测重力数据。测量完成后无人机搭载mems重力仪依据预设路线自动或人为操作前往下一个测量点进行测量。节省了人力成本，提高了测量效率和测量精度，尤其在交通条件差、自然环境恶劣的区域测量优势更加显著。
32.如图1所示，本发明实施例提供的一种无人机载流动重力测量系统包括重力仪运载模块、mems重力仪和自动调平装置，其中，重力仪运载模块的连接控制器和mems重力仪的连接杆可以固定连接，mems重力仪和自动调平装置通过螺丝固定连接，从而将重力仪运载模块、mems重力仪、自动调平装置连接成一个整体。通过运载模块代替人工搬运重力仪对重力测量点进行流动重力测量，可以节省人力成本，提高测量效率。
33.重力仪运载模块由机翼、机身、起落架、摄像头、gnss系统、飞控系统和连接控制器构成，如图2所示。其中，机身是重力仪运载模块的主体，用于把机翼、起落架、摄像头、gnss系统、飞控系统和连接控制器连接成一个整体；机翼和飞控系统用于控制重力仪运载模块的飞行姿态；摄像头用于实时采集传输飞行环境；gnss系统用于定位导航。
34.mems重力仪由mems加速度计、检测控制电路、温控系统、真空管壳、数据采集传输系统和连接杆构成，如图3所示。其中，mems加速度计采用差分电容传感方式，将加速度信号转化为振子位移信号，再通过电容极板阵列将振子位移信号转化为电容信号输出。开环情况下，检测控制电路采用差分放大电路将mems加速度计的电容信号转化为电压信号，再经过低通滤波、调制解调、带通滤波得到加速度计所对应的电压信号输出。闭环情况下，检测
控制电路根据上述的输出电压经过pid反馈控制模块，将振子始终控制在零点附近。温控系统由温控电路、外层保温层、外层加热膜、内层保温层、内层加热膜构成，通过热敏电阻实时检测环境温度，在经过pid反馈控制和压流转换器驱动加热膜加热，为mems加速度计提供恒温环境，采用二层温控可以进一步提供温度稳定性和抗外界环境干扰能力。真空管壳用于将mems加速度计封装在管壳内部，提供真空环境。数据采集传输系统用于采集、储存和传输重力信号、温度信号和气压信号。
35.如图4所示，自动调平装置由调平面31、倾斜仪32、控制器33、电机34、调平杆35和支腿36构成。其中，调平面31用于支撑和固定mems重力仪，确保重力仪在测量过程中始终处于水平位置；倾斜仪32用于监测记录调平面的倾角，并把角度信号输出给控制器；控制器33接收倾斜仪的信号，控制电机工作；电机34根据控制器的指令控制三轴调平杆35的状态，调平面控制在水平位置；支腿36用于支撑整个装置。
36.本发明实施例中，关于飞行路线的设计可以采用如下方式实现：无人机获取待测重力测量点的位置信息，生成流动重力测量网络，通过深度优先算法、广度优先算法、dijstra最短路径算法或floyd最短路径算法计算出最优的无人机飞行路线，如图5所示。无人机按照飞行路线运载重力仪前往各个测量点进行重力测量。
37.在本发明实施例中，无人机携带重力仪飞行到测量点上空附近，依据gnss定位、图像定位等方式自动或人工远程操控将重力仪放在测量点上，如图6所示。自动调平装置把重力仪调节到水平位置后，重力仪在静止状态开展重力测量。测量结果通过数据采集传输系统通过存储卡原位存储或通过无线通信传回到数据终端设备供操作人员实时查看。重力仪完成单点重力测量后，无人机携带mems重力仪根据预定的测量路线，飞往下一个测量点重复以上的重力测量工作。
38.本发明实施例中，在流动重力测量过程中，当无人机或mems重力仪的电池储能不足30％时，系统将会发出警报，并返回基地进行更换电池或充电后，再对剩余的测量点进行重力测量。等所有测量点都测量完成后，无人机将携带mems重力仪返回基地。
39.如图7所示，本发明还提供了一种基于上述的无人机载流动重力测量系统实现的重力测量方法，包括下述步骤：
40.根据待测量点绘制测量网络，并获得无人机飞行路线；其中，可以根据飞行路程最小的原则获得无人机飞行路线。
41.根据所述无人机飞行路线，通过gnss导航并由无人机携带mems重力仪前往指定测量点；
42.通过自动调平装置对mems重力仪进行调平处理并确保所述mems重力仪在测量过程中始终处于水平位置；
43.通过mems重力仪对所述指定测量点的重力进行测量。
44.在本发明实施例中，还包括：根据无人机飞行路线，通过gnss导航并由无人机携带mems重力仪对剩余测量点依次进行重力测量；并当测量完成后，由无人机携带重力仪返回基地。
45.作为本发明的一个实施例，当无人机或mems重力仪的电池储能不足30％时，发出警报，并由无人机携带mems重力仪返回基地进行更换电池或充电后，再对剩余的测量点进行重力测量。
46.本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
技术特征：1.一种无人机载流动重力测量系统，其特征在于，包括：重力仪运载模块、mems重力仪和自动调平装置；所述重力仪运载模块用于根据预先设定好的飞行路线将所述mems重力仪运送至指定测量点；所述mems重力仪用于对所述指定测量点的重力进行测量；所述自动调平装置用于对所述mems重力仪进行调平从而确保所述mems重力仪在测量过程中始终处于水平位置。2.如权利要求1所述的无人机载流动重力测量系统，其特征在于，所述重力仪运载模块包括：机翼、机身、起落架、摄像头、gnss系统、飞控系统和连接控制器；所述机身作为所述重力仪运载模块的主体，用于将所述机翼、所述起落架、所述摄像头、所述gnss系统、所述飞控系统和所述连接控制器连接成一个整体；所述机翼和所述飞控系统用于控制所述重力仪运载模块的飞行姿态；所述连接控制器用于配合连接杆连接重力仪运载模块和重力仪；所述摄像头用于实时采集并传输飞行环境；所述gnss系统用于定位导航。3.如权利要求2所述的无人机载流动重力测量系统，其特征在于，所述mems重力仪包括：mems加速度计、检测控制电路、温控系统、真空管壳、数据采集传输系统和连接杆；所述mems加速度计用于检测地球重力场的重力加速度信号；所述检测控制电路用于对所述重力加速度信号进行提取转换输出，同时采用pid磁负反馈控制加速度计弹簧振子的平衡位置；所述数据采集传输系统用于采集存储传输从检测控制电路输出的加速度信号；所述连接杆用于配合所述连接控制器连接所述重力仪运载模块和所述mems重力仪；所述温控系统用于为所述mems加速度计提供恒温环境；所述真空管壳用于将所述mems加速度计封装在管壳内部，并提供真空环境。4.如权利要求3所述的无人机载流动重力测量系统，其特征在于，所述温控系统包括：温控电路、外层保温层、外层加热膜、内层保温层和内层加热膜；所述温控电路用于控制系统的温度环境；所述外层保温层用于通过减小外层的温度波动来提供温控效果；所述外层加热膜用于控制外层处于恒温状态；所述内层保温层用于通过减小内层的温度波动来提供温控效果；所述内层加热膜用于控制内层处于恒温状态。5.如权利要求4所述的无人机载流动重力测量系统，其特征在于，所述温控电路包括：热敏电阻、pid反馈控制电路和压流转换器，所述热敏电阻用于检测系统的温度变化；所述pid反馈控制电路用于根据所述热敏电阻检测的结果进行反馈控制，并将系统控制在所需的温度环境；所述压流转换器用于驱动所述内层加热膜和所述外层加热膜工作。6.如权利要求1-5任一项所述的无人机载流动重力测量系统，其特征在于，所述自动调平装置包括：调平面、倾斜仪、控制器、电机和调平杆；
所述调平面用于支撑和固定所述mems重力仪并确保所述mems重力仪在测量过程中始终处于水平位置；所述倾斜仪用于监测记录所述调平面的倾角，并将角度信号输出；所述控制器接收所述角度信号，并根据角度信号控制电机工作；所述电机根据控制器的指令控制三轴调平杆的状态，使得所述调平面控制在水平位置。7.一种基于权利要求1-6任一项所述的无人机载流动重力测量系统实现的重力测量方法，其特征在于，包括下述步骤：根据待测量点绘制测量网络并获得无人机飞行路线；根据所述无人机飞行路线，通过gnss导航并由无人机携带mems重力仪前往指定测量点；通过自动调平装置对mems重力仪进行调平处理并确保所述mems重力仪在测量过程中始终处于水平位置；通过mems重力仪对所述指定测量点的重力进行测量。8.如权利要求7所述的重力测量方法，其特征在于，根据所述无人机飞行路线，通过gnss导航并由无人机携带mems重力仪对剩余测量点依次进行重力测量；并当测量完成后，由无人机携带重力仪返回基地。9.如权利要求7或8所述的重力测量方法，其特征在于，当无人机或mems重力仪的电池储能不足30％时，发出警报，并由无人机携带mems重力仪返回基地进行更换电池或充电后，再对剩余的测量点进行重力测量。10.如权利要求7-9任一项所述的重力测量方法，其特征在于，根据飞行路程最小的原则获得无人机飞行路线。
技术总结本发明公开了一种无人机载流动重力测量系统及方法，重力测量系统包括：重力仪运载模块、MEMS重力仪和自动调平装置；重力仪运载模块用于根据预先设定好的飞行路线将所述MEMS重力仪运送至指定测量点；MEMS重力仪用于对所述指定测量点的重力进行测量；自动调平装置用于对所述MEMS重力仪进行调平从而确保所述MEMS重力仪在测量过程中始终处于水平位置。本发明中利用无人机代替车辆或人工运载MEMS重力仪，可远程操纵或依据设定测量点位置自动实现不同测量点的重力测量，节省了人力成本，提高测量效率和测量精度，尤其在交通条件差、自然环境恶劣的区域测量优势更加显著。然环境恶劣的区域测量优势更加显著。然环境恶劣的区域测量优势更加显著。
技术研发人员：伍文杰 张健 方偲媛 殷笑寒 涂良成
受保护的技术使用者：华中科技大学
技术研发日：2022.08.02
技术公布日：2022/12/1
