52、无人机瞬变电磁系统用于地雷探测的设计与实现-优快云博客

无人机瞬变电磁系统用于地雷探测的设计与实现

1. 引言

地雷是压力触发的爆炸武器，其探测和排雷工作高度依赖地球物理勘测技术，特别是磁法勘探和电磁感应。传统上，排雷人员使用手持金属探测器在雷区寻找地雷，但这种方法耗时费力，且排雷人员可能会意外触发地雷，导致严重受伤。同时，用于地面探测的机器人也经常误触地雷。据统计，全球仍有数百万颗地雷需要定位和销毁。

为了解决这些问题，需要一种能够在不触发地雷的情况下，悬停在地雷上方并识别地雷的设备。研究发现，低空飞行的飞行器结合高效的探雷方法是解决这一问题的关键。空中地球物理勘探不仅具有成本效益和高生产率，还能避免人员接触。然而，直升机搭载或机载电磁系统成本高、安全系数低，不适用于地形复杂和植被覆盖不均的地区。

因此，本研究旨在设计一种可安装在无人机上的金属探测器。由于无人机的载重能力有限，金属探测器必须重量轻。基于此，我们提出了一种基于无人机的瞬变电磁（TEM）系统用于地雷探测的新设计。

1.1 背景

研究人员已经展示了多种可用于探测不同类型地雷的技术，主要分为侵入式探测和非侵入式探测两类。
- 侵入式探测 ：基于在引爆地雷的同时犁地的车辆，但其主要缺点是使用寿命通常较短。
- 非侵入式探测 ：基于有/无飞行员的飞行器。例如，研究人员在DJI S1000 + 无人机上安装了红外相机、X射线相机和金属探测器；一个研究团队制造了配备热成像相机和金属探测器的四轴飞行器。然而，给四轴飞行器增加过多重量会显著降低其性能。此外，使用无人机搭载的探地雷达（GPR）设备在小于20厘米的深度发现了地雷。

过去，研究人员为金属探测器创建了不同参数的发射电路。发射电路作为电流激励源，需要产生具有短下降时间、高度线性下降沿和快速上升沿的电流脉冲。下降时间对输出电压有显著影响，会影响系统性能。同时，研究人员还设计了伪随机传输波，自适应伪负载发射机可减少电流波动。不过，由于电流额定值较高，需要笨重的电路，这就需要大型机载飞行器。本研究的目标是设计一种轻量级系统，可安装在多旋翼无人机等空中平台上，扫描目标测试区域以检测金属物体。

2. 系统设计

在基于无人机的TEM系统中，六轴轻型飞机可作为空中平台，减轻重量是主要挑战。因此，减轻设备重量是系统设计工程师面临的最大难题。

2.1 硬件设计

为了实现这一目标，系统中安装了MOSFET、IGBT、控制器和调节器，以修改由发射 - 接收线圈和相应电路组成的TEM系统。线圈组件安装在绳轮系统上，以模拟无人机的直线飞行，其中发射和接收回路通过线圈引线连接到空中平台。

传感器包括发射线圈、接收线圈和补偿线圈。在时域电磁学（TDEM）中，根据法拉第定律，突然将发射电流降至零会在地下感应出短时间的电压信号，从而在发射线周围产生电流回路。由于土壤电阻有限，涡流振幅会迅速衰减，衰减的电流又会感应出电压信号，使更多电流流动，如此反复。通过测量多匝接收线圈中较小线圈的衰减磁场，可以测量电流流动幅度随时间的变化。

传感器由具有各种参数的圆形线圈组成，包括匝数、层数、线圈半径、线圈长度、线圈厚度、铜线长度、线圈重量、线圈电感、感抗、直流电阻和线圈阻抗。通过合理设计补偿线圈的参数，可以将发射瞬变的影响降至最低。

2.2 电路设计

发射电路用于产生受控的直流电压供应和开关信号。Arduino用于根据连接的Tx - Bx负载中产生的测量电流生成受控的高频PWM信号，以稳定发射电流。接收电路包括运算放大器、高通滤波器和偏移加法器电路。

为了提高系统性能，还计算了适当的增益和截止频率，以弥补接收电路因接收线圈输出电压低而产生的性能差距。同时，应用了不同的算法来区分无物体输出和有金属物体存在的情况，并进行放大和直流偏移处理，以便将信号数字化后提供给控制器。

2.3 绳轮系统

绳轮系统是一种专门设计的设备，发射环（Tx）半径为300mm，发射电流范围为0 - 2A。在现场测试中，Tx线圈使用24匝24 SWG漆包铜线时，产生的峰值电流为1.2A。补偿线圈（Bx）半径为90mm，使用与Tx相同的导线绕制6匝反向线圈。中心抽头差分接收线圈半径为56mm，使用30 SWG导线顺时针和逆时针各绕150匝。传感器通过不同长度的绳索悬挂，以改变传感器与地面的高度。该系统在实验室实验和埋有金属板的土壤床实验中进行了测试。

系统组件参数表格

组件	参数	详情
发射线圈（Tx）	半径	300mm
	发射电流范围	0 - 2A
	匝数	24匝
	导线规格	24 SWG漆包铜线
补偿线圈（Bx）	半径	90mm
	匝数	6匝反向
	导线规格	与Tx相同
接收线圈	半径	56mm
	匝数	顺时针和逆时针各150匝
	导线规格	30 SWG

系统设计流程 mermaid 图

graph LR
    A[确定设计目标] --> B[选择空中平台]
    B --> C[减轻设备重量]
    C --> D[安装电子元件]
    D --> E[设计传感器]
    E --> F[设计发射电路]
    E --> G[设计接收电路]
    F --> H[生成PWM信号]
    G --> I[计算增益和截止频率]
    F --> J[产生受控电压和电流]
    G --> K[处理接收信号]
    J --> L[连接发射和接收回路]
    K --> M[信号数字化和处理]
    L --> N[安装线圈组件]
    M --> O[输出检测结果]
    N --> P[进行实验测试]
    P --> Q[优化系统设计]

3. 原型实现、仿真与结果

3.1 发射电路实现

发射电路用于产生受控的直流电压供应和开关信号。Arduino根据连接的Tx - Bx负载中产生的测量电流，生成受控的高频PWM信号，以稳定发射电流。为了设计受控的模拟电压，仅需PWM的平均直流偏置通过低通滤波器（LPF）。导通时间的直流电压提供恒定电流，在每个瞬态期间产生低磁场，以实现无噪声的脉冲响应。经过LPF滤波后的信号被传递到功率放大器，以防止负载效应并在一定的直流电压水平上放大信号，产生约16.14 V的恒定输出电压。电压缓冲器用于消除由于负载引起的加载效应。开关电路由H桥电路、缓冲电路和三个MOSFET放大器组成，用于产生约2A的双极电流信号，以驱动Tx - Bx线圈。H桥由四个IGBT组成，其开关电压要求至少为7 V，IGBT的栅极输入端子由另一个低频PWM信号驱动。缓冲电路用于保护功率电子开关免受线圈产生的反电动势影响。

3.2 仿真与实验结果

在OrCAD仿真中，发射电路产生的反电动势电压和电流分别为1015 V和2A，而在硬件电路中分别约为290 V和1.2 A。双极负载电流的下降时间在OrCAD仿真和硬件中分别为2.864 μs和5.306 μs，这对于捕获由于非常短持续时间的主激励场引起的早期响应非常重要。

3.3 传感器实验分析

传感器在实验室实验中用于分析物体检测。使用一个37 × 37 cm的方形纸板箱，填充15 cm高的土壤。将物体埋在土壤中，然后用手悬挂传感器，在土壤表面上方15、30和50 cm三个不同高度采集数据。

接收电路的工作过程如下：发射电流在金属物体中产生的涡流会在接收线圈中感应出电压，该电压作为输入信号进入差分或高阶低通滤波器，经过滤波后被馈送到增益为100或更高的差分放大器，以放大信号并减少共模噪声。然后，信号被提供给模数转换器（ADC），将模拟信号转换为数字信号，以便进一步处理。处理过程可以提供关于金属物体、埋地管道和地下电缆的大小、位置和深度的准确识别。

3.4 系统测试与数据处理

传感器及其发射和接收电路（除控制器外）被安装在不同的PCB上，因为传感器悬挂在低空平台上较低的位置，将发射电路和电池放在传感器上会对绳索施加更大压力，并可能导致干扰。最终的PCB板具有提供± 5 V和± 12 V输入电源的连接器。较低的输入电源用作直流偏移加法器电路的偏置电源，以及STM32微控制器、Arduino UNO和电流传感器的输入。额定输入电源几乎专门提供给接收线圈。ADC参考电压限制在0 - 3 V，因此设计了一个直流偏移加法器电路，提供10倍的增益和1.5 V的直流偏移电压。这些输出被提供给STM32和电流传感器，以便进一步处理。

STM32用于12位数据采集和处理。在STM32中，以每秒200千样本的速度捕获的原始接收信号通过堆叠方法进行进一步分析。在衰减时刻，通过H桥PWM中断同步后，对4个Tx周期进行平均。这种方法有助于减少由于低信噪比产生的噪声。在堆叠过程中，将从接收瞬态响应的两个下降沿采集的数据样本拼接在一起，从而获得单个增强的瞬态响应，以便更容易检测信号的明显变化。堆叠过程后，以1.5的几何级数创建8个非线性扩展窗口，从第一个窗口的10个样本开始。这个过程每4个周期（约160 ms）产生8个更稳定的数据点，对应于不同的瞬态延迟和搜索深度。

3.5 实验测试设置

在一个3米的测试床上，接收线圈被悬挂起来。测试床上的点A、B、C和D分别表示起始位置、埋地金属的位置、沙堆的位置和结束位置。使用非金属塑料锥体进行标记。接收线圈通过绳索悬挂在测试床上，以便能够轻松漂浮。实验中使用了三个不同的电源分别为发射系统、接收系统和直流偏移加法器电路偏置供电。此外，还使用了一个显示系统（笔记本电脑）通过USART从STM32收集计算的数据点。设计和开发的电路通过引线为传感器提供所需的输入，并将接收响应带到STM32控制器进行信号数字化和实时处理。借助Python软件，在笔记本电脑上绘制和显示接收到的数据。

3.6 实验结果分析

实验结果表明，传感器在不同高度对金属物体的检测能力不同。当金属物体埋深为2英寸时，传感器线圈在10 cm高度的响应良好，但在30 cm高度时响应大幅降低，但仍能捕获到金属物体；在50 cm高度时，传感器无法检测到金属物体。此外，土壤静止时传感器的响应相对较稳定，而不同位置的土壤在没有金属物体存在时的响应则有所不同。由于绳轮机制的速度可变，每个数据集都是独特的。

实验结果表格

传感器高度	检测情况
10 cm	对2英寸埋深金属响应良好
30 cm	能捕获2英寸埋深金属，但响应大幅降低
50 cm	无法检测到2英寸埋深金属

实验流程 mermaid 图

graph LR
    A[设置测试床] --> B[悬挂接收线圈]
    B --> C[放置金属物体]
    C --> D[采集不同高度数据]
    D --> E[数据传输到STM32]
    E --> F[数据处理与分析]
    F --> G[通过Python显示结果]

4. 结论

本研究成功设计了一种小型、轻量级的金属检测传感器及其相关电子设备，并开发了原型系统。该系统可以轻松安装在载重能力较低的无人机上，系统总重量（不包括电池）小于2千克。电池重量将主要决定无人机的飞行时间。该系统为地雷探测提供了一种可行的解决方案，具有成本效益高、安全性好等优点，有望在实际应用中发挥重要作用。