科學探測無人機

   隨著經濟持續(xù)快速發(fā)展，我國現有資源已經很難滿足經濟建設發(fā)展的需求，所以迫切需要尋找新的礦產資源。然而，我國地域遼闊，地質條件復雜，很多有用的礦產資源大多分布在人跡罕至的山區(qū)、峽谷等區(qū)域。由于山區(qū)地形復雜，交通不便甚中國礦業(yè)至沒有交通，導致地面物探工作往往很難開展。缺少飛行平臺是目前我國進行復雜地形條件下物探數據獲取的主要瓶頸之一，而無人機技術的眾多特點，正好可以滿足這些需求。近年來，國際航空物探飛行平臺已有從傳統(tǒng)的有人機向無人機發(fā)展的趨勢。同時，航空物探測量設備的性能是否達到工作要求，也是限制無人機應用于地球物理探測的一個重要因素。如果探測設備的性能參數達標，那么無人機在地球物理探測上的應用，將具有非常廣闊的應用前景。

１．１ 國外主要應用
國外已經將無人機技術廣泛地應用到地球物理探測中的各個領域，并取得了良好效果，很大程度上提高了科學研究質量。這些對中國的相關技術應用，具有很好的借鑒作用。
英國的Ｍａｇｓｕｒｖｅｙ Ｌｉｍｉｔｅｄ公司提供無人機對地球磁場的探測服務。文獻介紹了使用小型固定翼無人機搭載磁力儀對油氣和礦產資源進行探測。指出使用小型固定翼無人機作為移動平臺的原因：
①任務載荷－銫光泵磁力儀精度高、質量輕（小于１ｋｇ），小型無人機完全可以承載；
②小型無人機可以近地飛行（飛行高度小于２０ｍ），可以獲得更高精度的探測數據；
③無人機搭載先進的ＧＰＳ／慣導系統(tǒng)、高度計以及控制精確的飛行控制系統(tǒng)，可以保證無人機按照規(guī)劃飛行路線精確飛行；
④探測一般在夜間黑暗環(huán)境下進行，降低太陽活動和環(huán)境噪聲對探測的干擾；⑤小型無人機相比載人飛機，在機體材料上會采用數量更少、質量更輕的非金屬復合材料，這樣機體產生的電磁和重力場對探測儀器的影響更小。
２００４年，加拿大fugro公司投資研發(fā)用于資源探測的無人機航磁系統(tǒng)Geoanger，用于沿海和偏遠地區(qū)的石油和礦產勘查。該無人機系統(tǒng)，近期已進入試飛階段。該無人機翼展３ｍ，機身重量１５ｋｇ，在巡航速度10０ｋｍ／ｈ下，續(xù)航時間可以超過１５ｈ。該無人機搭載銫蒸汽磁力儀和飛行補償裝置，該裝置用來降低機身運動對探測數據的干擾。
１．２ 國內主要應用
在國內，無人機在地球物理探測方面的應用起步較晚，仍處于研發(fā)階段，與國際水平相比差距很大。隨著國家對能源戰(zhàn)略的重視，做好自有能源的勘查和能源儲備被提上議事日程。所以，我國正在不斷加大力度支持無人機技術在資源探測方面的應用，并取得了較大的進展。２０１０年，中南大學何繼善院士主持完成了小型無人直升機探礦技術，為我國補償鐵礦石來源提供技術支持。該無人機搭載質子旋進磁力儀，可以對地面下的鐵礦有很好的探測效果。由于小型無人直升機非常適合在復雜的山區(qū)地形飛行，同時具有探測速度快、探測效率高、無人員傷亡的特點，所以非常適合山區(qū)探礦。２０１１年，國家地球深部探測專項Ｓｉｎｏｐｒｏｂｅ－０９－０３固定翼無人機航磁探測系統(tǒng)研制子項目，對搭載航空磁力儀的固定翼無人機進行了試飛，取得了良好的試驗數據。該項目致力于高低空固定翼無人機航磁探測系統(tǒng)的開發(fā)，重點攻關核心傳感器、固定翼低磁無人機、磁干擾補償、系統(tǒng)集成等關鍵技術。該項目正處于研發(fā)和攻關階段，相信不久就可以推出我國首個固定翼低磁無人機航磁探測系統(tǒng)，為我國深部科學探測和礦產資源勘探提供一種安全高效的探測工具。


  無人機作為一種成本低、操作靈活、無人員傷亡危險的空中移動探測平臺，滿足高效率資源勘查的需要，利用無人機技術進行地球物理探測。　在地球物理探測中，無人機作為一種適用于復雜地形條件下，高效率、高精度采集空間位場數據的重要手段，用來揭示地下位場場源分布規(guī)律。無人機通過搭載不同的任務載荷（磁力儀、重力儀、重力梯度儀、放射性探測儀、電磁線圈等），可以實現無人機航磁、航重、航放、航空電磁的地球物理探測應用。目前，無人機地球物理探測技術屬于國際前沿技術和研究熱點，只有美國、英國、以色列、加拿大、德國、法國等少數發(fā)達國家掌握其核心技術。


無人機按照機體產生升力方式，可分為固定翼無人機、旋翼無人機和無人飛艇。這三種無人機各有其優(yōu)缺點：
①固定翼無人機，具有飛行速度快、飛行穩(wěn)定性好的優(yōu)點，所以它一般適用于平坦區(qū)域的地球資源勘探；由于固定翼無人機存在失速問題，所以它的最小飛行速度一般都挺大，不適于要求以很低速度進行飛行的探測需要。
②旋翼無人機，主要指無人直升機，它可以以很慢的速度飛行，甚至可以在空中懸停，所以旋翼無人機一般適用于地形比較復雜、要求飛行速度慢、跟隨地形飛行的場合；缺點是續(xù)航時間較短，機身振動較大，對探測儀器的抗震性能要求較高。
③無人飛艇利用自身的浮力，需要很小的動力輸出就可以在空中懸停和飛行，在環(huán)境風速較低的情況下，可以非常平穩(wěn)地飛行；由于耗能少，所以無人飛艇的續(xù)航時間一般很長；適用于探測時間長和飛行速度慢的地球物理探測情況；缺點是體積大，受環(huán)境氣流影響較大，抗風能力較差；由于自身慣性大，受控后的反應時間較長。
在實際勘探過程中，根據勘探環(huán)境和技術指標不同，選擇合適的無人機平臺來完成任務，可以較好地保證勘探任務的完成質量，提高探測效率。

1、無人機本身
無人機本身就是一個非常復雜的系統(tǒng)，集材料、飛行控制系統(tǒng)、數據鏈、動力系統(tǒng)等于一身，任何一部分出現問題，都會影響無人機在地球物理探測中的應用。如何提高無人機的續(xù)航時間、飛行控制和任務管理智能化、任務載荷重量、惡劣環(huán)境飛行適應性，是無人機能否廣泛應用于地球物理探測的一個重要因素。
2、 地球探測設備
無人機只是一個空中移動平臺，而其搭載的地球物理探測設備，才是進行地球物理探測的核心工具。只有地球物理探測設備的性能指標都過關，我們才有可能獲得地球物理場的真實數據。然而，在物探設備的研發(fā)上，我國和國外先進水平還存在不小的差距，所以地球物理探測設備的研發(fā)任重道遠。
3、 耦合因素
地球物理探測設備的性能參數都滿足探測需要后，還有一個問題很重要，探測設備能否在無人機飛行環(huán)境下穩(wěn)定地工作。即無人機平臺本身的電氣系統(tǒng)、動力系統(tǒng)、飛行中機體與空氣摩擦產生的靜電場、空中湍流產生的機身振動等，這些因素都會對探測設備產生不利影響。雖然機載穩(wěn)定平臺可以有效地降低機身振動對探測設備的影響，但是如何降低或消除機體施加的靜電場、電磁場以及重力場干擾是一個需要解決的問題。