地空电磁探测线圈三维姿态同步测量方法及装置与流程

本发明涉及地空电磁法实验装置技术领域，特别涉及一种地空电磁探测线圈三维姿态同步测量方法及装置。

背景技术：

运动线圈的姿态测量系统要求装置能够实时获取与发射机部分的时刻同步的运动线圈的三轴加速度、角速度及角度等姿态信息，并且能够对大量的数据进行无失真地存储。频率域航空电磁系统线圈姿态变化影响及校正是一项探索性很强的工作，目前国内尚无成熟经验可循。地空频率域电磁探测是一种在地面发射多频伪随机电流，在空中接收z方向磁场信号幅值和相位，通过对比相对均匀大地的异常来确定电阻率变化的电磁探测方法。该系统突破性地采用无人机与大地电磁探测系统相融合，利用无人机飞行成本低、安全性高、飞行条件范围广等优点，对高原、湖泊、林区、山地、矿区等大型机械、大型飞行器难以深入的地区展开电磁探测。

地空电磁探测方法采用电源车地面发射、吊载接收系统无人飞行器的工作方式实现对地下介质结构探测。由于要避免旋翼机的振动噪声和电磁干扰对线圈接收的信号产生影响，需要将接收线圈和飞行器之间用一根8-10米的尼龙绳进行软连接。这就使得无人机在飞行过程中由于风向的变化、飞行器飞行姿态的调整等外界干扰会使线圈在实际的工作中所测得的磁场并不是完全来自期望的被测方向，而是掺杂了其他方向的干扰磁场，对数据分析工作造成影响。因此，提出对空中磁场测量线圈的姿态进行测量获取采样率较高、噪声较小、同步质量较优的线圈姿态信息。

市面上常见的gps加惯性测量器件的组合模块可以做到10hz的姿态附带对应时间的存储，这种装置对于一般的姿态观测可以进行有效的定性分析，而且成本较低，易于使用，但是这样远远满足不了地空电磁探测实验中对测量的需求。由于项目实验要求对各类型噪声做以评估和消除，需要仪器所测得的数据满足同步性能良好、噪声压制效果明显等条件，故线圈姿态测量装置不但要满足噪声低、同步性能优良的要求，还要将体积、质量、续航能力等指标控制在不影响实验数据测量的范围内，同时注重与电磁接收系统之间产生的电磁干扰。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是提供一种地空电磁探测线圈三维姿态同步测量方法及装置，提供一种精度高、可与电磁发射系统时钟相同步并将测量数据记录保存的线圈姿态测量系统。

为实现上述目的，本发明提供以下的技术方案：该地空电磁探测线圈三维姿态同步测量装置由外设驱动模块、同步时钟脉冲发生模块、电源模块和上位机四部分组成，电源模块向系统提供稳定的供电，外设驱动模块由stm32系列主控制器连接三轴姿态传感模块、数据存储模块、显示屏模块、薄膜按键输入模块组成，同步时钟脉冲发生模块由fpga芯片连接恒温晶振、数模转换单元(da)、gps模块组成，其中fpga芯片内部集成锁相环单元、计数器单元、分频器单元、触发器单元和pd控制器单元，外设驱动模块和时钟脉冲发生模块通过外部中断的方式协同工作，将线圈的姿态信息实时同步地通过txt格式的文件记录到sd卡中，上位机中包含姿态变化实时演示软件将sd卡中的txt文件数据读取，并以图形化的方式实时显示线圈的三轴姿态变化。

优选的，所述三轴姿态传感模块(1-2-2)由mpu6050传感器芯片、hmc5883l芯片组成，其中mpu6050芯片输出三维加速度信息，hmc5883l输出三维磁场信息，stm32系列主控制器驱动mpu6050和hmc5883l芯片，同时通过iic总线读取两芯片的输出信息并对其进行姿态解算；所述姿态解算包括四元数法、卡尔曼滤波算法，可将mpu6050和hmc5883l芯片的输出数据通过数学运算转化成三维姿态信息。

优选的，所述测量装置可通过gps与地空电磁发射接收系统同步，同步时钟脉冲发生模块通过恒温晶振做主时钟的fpga芯片获取gps的同步脉冲，并将同步脉冲转换为stm32系列主控制器的外部中断信号，stm32系列主控制器通过外部中断同步的输出三维姿态信息到sd卡中。

该地空电磁探测线圈三维姿态同步测量装置按如下顺序和步骤工作：

a安装姿态测量系统于被测线圈上，注意要将装置的x、y、z三轴的方向正对被测线圈的标准空间直角坐标系x(沿线圈飞行方向)、y、z三轴方向；

b将锂电池的插头插在测量装置上，系统上电，电源模块随即工作，外设驱动模块对外设进行初始化。时钟信号发生模块中恒温晶振开始预热，产生时钟脉冲，随即pd控制器校正晶振输入电压，使时钟脉冲趋于稳定；

c在初始界面上选择“模块校准”选项，多方向、全方位转动仪器，转这时传感器会自动采集各方向的磁场数据，并做椭圆校正算处理，使传感器适用于当前的磁场环境，提高测量精度；

d.校准完成后按下“确定”按钮，并选中“开始采集”选项，此时显示屏会变更成时间显示界面，待整分钟到来，即可开始采集；

e.采集完成后，将锂电池断电即可结存储束采集，采集得到的数据在sd卡中保存为以开始采集时间命名的文件中，格式为“时间-三轴角速度-三轴加速度-三轴角度-高程”；

f.将sd闪存卡拔出，插在计算机上即可将存储的姿态数据读出；

g.在同一地理区域的多次采集可省略c的过程直接进行采集。

采用以上技术方案的有益效果是：该地空电磁探测线圈三维姿态同步测量方法及装置是对频率域地空电磁勘探方法的完善和改进，是针对在地空电磁勘探实验时接收线圈反映在接收机中的信号出现异常时分析原因及量化误差的工具。装置的使用可以消除因线圈姿态发生突变后所带来的误差，使后期数据处理工作更加有效反应实际地质结构。对于一般的姿态观测可以进行有效的定性分析，而且成本较低，易于使用。

附图说明

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的描述。

图1是地空电磁探测线圈三维姿态同步测量装置的模块原理图；

图2是运动线圈的姿态测量系统外设驱动模块结构框图；

图3是运动线圈的姿态测量系统时钟信号发生模块结构框图；

图4地空电磁探测线圈的三维姿态同步测量方法流控制程序流程图。

具体实施方式

下面结合附图详细说明本发明地空电磁探测线圈三维姿态同步测量方法及装置的优选实施方式。

图1、图2、图3和图4出示本发明地空电磁探测线圈三维姿态同步测量方法及装置的具体实施方式：

结合图1、图2、图3和图4，该线圈姿态测量装置，是由外设驱动模块1、同步时钟脉冲发生模块2、电源模块3和上位机4构成。

装置能够应用在地空、航空电磁探测的领域，通过装置测量的线圈姿态信息可以与通过gps与实际电磁发射系统、接收系统在时间上同步，在后期数据处理工作中可将接受系统测得的磁场数据与线圈姿态信息相结合，修正数据的偏差，辅助数据反演工作。

电源模块3向系统提供稳定的5v、3.3v、1.2v等不同幅值的电压。外设驱动模块1是将三轴姿态传感模块1-2、数据存储模块1-3、显示屏模块1-4、薄膜按键输入模块1-5与stm32系列主控制器1-1连接，同步时钟脉冲发生模块2由恒温晶振2-2、数模(da)转换单元2-3、gps模块2-4与fpga芯片2-1相连，fpga芯片2-1中包含锁相环单元2-1-1、计数器单元2-1-2、分频器单元2-1-3、触发器单元2-1-4和pd控制器单元2-1-5。两个系统协同工作，将线圈的姿态信息实时同步地通过sd卡1-3-2记录到txt格式文件中。上位机4是基于visualstudio的软件程序，将sd卡1-3-2中的txt文件数据读取，并以图形化的方式显示在计算机屏幕上。

三维姿态测量模块测得的姿态数据通过iic总线输出固定格式的姿态数据到stm32主控制器1-1中；所述同步时钟发生模块通过脉冲信号输入至stm321-1主控制器；所述txt文件格式是数据存储模块1-3通过串口将各种数据编码后的“时间-地理信息-姿态”数据。

三轴姿态测量集成模块的外设驱动模块以三块stm32芯片为核心构成一个主控制器stm32控制器1-1、两个副控制器(stm32控制器1-2-1、stm32控制器1-3-1)的控制结构。其中姿态测量模块中采用mems技术的传感器1-2-2：mpu6050型号陀螺仪和hmc5883l型号电子罗盘。副控制器1-2-1通过iic总线协议读取传感器组合1-2-2数据，并将姿态数据在芯片中进行姿态解算，并数据经整合后按照俯仰角、偏航角、横滚角的顺序依次输出，由主控制器通过iic总线接受姿态角数据。在副控制器1-3-1中具有文件系统转换程序，主控制器通过串口协议将融合后的gps时间数据、姿态传感模块的姿态数据编组后以txt文件格式存储至sd闪存卡1-3-2中。

姿态解算处理包括四元数法、卡尔曼滤波算法，将各路传感器的数据通过数学运算转化成平稳的、准确的、误差小的姿态数据。

同步脉冲发生系统由cw25-tim型号的gps模块2-4提供位置、高程信息及秒脉冲信号，以秒脉冲信号作为同步触发信号，恒温晶振作为原始时钟信号，采用cycloneii系列fpga芯片2-1对信号进行同步及倍频、分频处理，产生能够被单片机捕获的、固定频率的时钟信号，同时通过串口协议与stm32主控制1-1器通讯，输出位置、高程、时间等信息。

stm32系列控制器的主要工作是通过sdio协议驱动sd闪存卡1-3-2，并以串口方式接收主控制器1-1的姿态数据，数据通过stm32控制器1-3-1中文件系统的程序生成.txt文件格式并存储。

显示模块为nokia5110单色液晶屏幕及led光源构成。

电源模块(3)由11.7v的3s航模锂电池供电，稳压模块为mornsun的9-12v转5v输出的dc-dc模块，供恒温晶振、gps、sd卡等模块使用，5v电源稳压后再输出给ams1117-3.3v、ams1117-1.2v等芯片构成的电源电路，为stm32、fpga、ad5321等芯片提供稳定、纹波小的电源。

针对运动线圈的姿态测量系统的使用方法的步骤如下：

a.安装姿态测量系统于被测线圈上，注意要将装置的x、y、z三轴的方向正对被测线圈的标准(x正右方)、y(正前方)、z(正上方)三轴方向，并用尼龙扎带固定于线圈上，使其固定稳定，不产生晃动；

b.将锂电池的插头插在测量装置上，系统上电，电源模块随即工作，外设驱动模块1对外设进行初始化。时钟信号发生模块2中高度稳定性的50mhz恒温晶振2-2开始预热，产生时钟脉冲，并且该晶振可通过控制管脚的输入电压控制内部晶体的震荡频率。时钟信号发生模块由cycloneiiep2c5t144n型号的fpga芯片2-1作为控制核心，恒温晶振2-2、da转换芯2-3片与fpga芯片2-1构成一个闭环控制系统。fpga芯片2-1内部的锁相环捕获晶振的时钟并将其2倍频成100mhz的信号，信号再经过分频器最后的到100hz稳定的时钟信号。同时计数器也在记录gps模块在两个连续秒脉冲之间晶振实际产生的震荡次数，将实测数值与期望的50mhz做差，从而产生控制偏差值。偏差值经过pd控制器2-1-5产生针对由ad5321系列da转换芯片2-3的控制字，通过da芯片芯片2-3的输出管脚得到恒温晶振2-2的控制电压，实现了晶振频率的闭环控制。最后将100hz的时钟信号输出给主控制器，用以对数据输出提供稳定的时钟。

c.外设驱动模块上的屏幕采用nokia5110型号的单色液晶屏1-4，由主控制器1-1通过spi总线协议驱动。屏幕的功能是显示姿态测量系统的功能选项和工作状态。薄膜按键1-5采用上拉接法，通过stm32主控制器1-1中的程序捕获io口电平值，在软件中产生标志位逻辑运算实现不同菜单下的功能选择。具体工作状态是：开机上电后显示“姿态仪”功能，包括横滚角、俯仰角、偏航角及gps状态信息；单机任意按键进入功能选择主菜单，包括两个功能“加计校准”、“罗盘校准”和“姿态采集”，按功能“上”(薄膜按键1-5-2)、“下”(薄膜按键1-5-3)键可以选中相应功能，然后按“回车”(薄膜按键1-5-1)键选中相应功能。进入“加计校准”界面后，屏幕显示“前方朝下并保持水平回车键确认”，此时程序中将此位置的加速度计值视为x轴基准值；按下“回车”键(薄膜按键1-5-1)后，屏幕显示“左侧朝下并保持水平回车键确认”，此时程序中将此位置的加速度计值视为y轴基准值；按下“回车”键(薄膜按键1-5-1)后屏幕显示“加速度计校准成功”，两秒后回到主界面。按功能“下”(薄膜按键1-5-3)按键选中“罗盘校准”选项，按下“回车”键(薄膜按键1-5-1)后屏幕显示“沿各个方向旋转姿态仪按回车结束”，此时的磁罗盘进入椭圆校正状态，手动多方向、全方位转动仪器，转这时传感器会自动采集各方向的磁场数据，使传感器适用于当前的磁场环境，提高测量精度。按下“回车”键(薄膜按键1-5-1)屏幕显示“罗盘校正成功”，此时保存三维磁场的基准值，每次开机均读取该值。两秒后自动退回主菜单。

d.按功能“上”(薄膜按键1-5-2)、“下”(薄膜按键1-5-3)键选中“姿态采集”功能，此时屏幕显示界面出现gps模块中的时间显示，等待出现整分钟后，由stm32主控制1器发出开始采集的信号给fpga芯片1，随即fpga芯片1产生100hz的时钟触发信号，当主控制器捕获到该信号会将字符串“时分秒x轴加速度y轴加速度z轴加速度x轴速度y轴速度z轴速度横滚角俯仰角偏航角gps是否锁定高程”以触发时钟的频率存储至sd闪存卡1-3-2中。此时仪器连续工作，当采集到期望的数据量时，按任意键可实现结束采集功能，屏幕界面退回主菜单并准备下一次采集，数据保存为以开始采集时间命名的文本文件中；

f.将sd闪存卡1-3-2拔出，插在计算机上即可将存储的姿态数据读出；

g.在同一地理区域的多次采集可省略c的过程直接进行采集。

以上的仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明创造构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。