1、飛控裡面的地磁計的作用?
飛控裡的傳感器單元,最重要的是IMU,這裡一般是泛指,準确的說法是AHRS(姿态航向參考系統),前面有提到過,加速度計和陀螺儀能準确估計出飛行器的roll和pitch,然而yaw是不能通過這兩個準确得到的,這裡就需要地磁計了。地磁計主要是根據地磁向量,求出飛行器與磁北的夾角。
2、地磁計的原始數據?
姿态解算算法運行前,飛控驅動層要能準确獲取地磁計的數據,然而如何判定數據的有效性呢?
根據手冊,一般會提供如何配置,并轉換成高斯單位。判定數據的方法就是當模塊指向正北的時候,x/y軸的數據正向最大,指南的時候,為負值最大。而且一般地球磁場(忽略幹擾的話)數值很小,大約隻有0.5高斯。
3、計算yaw需要加速度計嗎?
需要用到加速度計校準飛行器的水平誤差,補償傾斜角度。
4、磁偏角?
姿态解算的時候,如要得到精确的yaw,則需要考慮磁偏角,這是什麼?
因為基于磁北方向的航向角與真北方向的航向角是有差異的,也就是磁北和真北存在角度偏差,而我們姿态解算是靠磁北來算與真北的角度,所以要補償這個夾角,這個就是磁偏角,因為地磁是會随着時間、地點變化而變化,所以磁偏角也不是一個固定值。
當然,一般這個角度不是很大的值,大約在5度左右,精度要求高的話可以補償。
5、如何計算磁偏角?
可以根據GPS得到當前飛行器的經緯度,通過經緯度去計算磁偏角,相應的計算參看開源飛控PX4代碼。
6、地磁幹擾?
由于地磁磁場太過微弱,隻有0.5高斯,所以很容易受到外界幹擾,數據變化較大。
一般将地磁幹擾分成兩種,一種是硬磁幹擾,另一種是軟磁幹擾。
硬磁幹擾:認為是飛行器上被磁化的物質所産生的,一般幹擾是一個固定值,不随着航向的變化而變化;
軟磁幹擾:認為是地磁磁場與飛行器周圍的磁化物質相互作用而産生的,這個幹擾數值通常不是一個固定值,與航向有關。
7、地磁校準?
那如何去除幹擾?通常是在使用前進行校準。
一般方法就是将飛行器按特定角度進行轉動,得到不同姿态下的磁場強度值,通過對測量值進行分析來校準,主要用來糾正零偏。
8、校準方法的區别?
校準地磁的算法,常見的有最小二乘拟合橢球、求取零點偏移等方法。
9、不校準的影響?
Mag如果不進行校準,而原始數據的零點偏移很大的時候,這時候計算yaw會有很大的誤差。
10、如何判定是否需要校準?
為什麼到一個新地方就需要校準?
不同的地理環境,會讓地磁數據發生變化,即零偏會發生變化,所以一般在新的地理環境下都需要進行校準。
a)看mag的原始數據值,旋轉一圈,最大最小值得到的零點是否偏離0很大;
b)又或者通過yaw進行判定,飛行過程中,飛行器往前飛行(隻打pitch杆),是否飛的很直;c)地面實時看yaw,每次旋轉90度,轉一圈,看每次yaw的收斂情況和收斂方向,如最終收斂的角度與旋轉的90度較大誤差,則需要進行校準。
11、地磁校準能解決一切問題嗎?
答案是否定的,在某些極端情況下,地磁的幹擾不能完全通過校準進行消除。
簡單來說,比如外界的幹擾造成地磁向量出現偏差,所以這時候通過這個有偏差的地磁向量作為參考去校準,所得到的值也是不正确的,校準隻能解決數據偏移問題,不能解決幹擾問題。因此會造成yaw不夠精确,保證飛行的直線,這個要求在植保機尤為重要。出現這種情況下,隻能通過其他辦法進行補償,比如加入GPS數據,這裡筆者提供一個思路,前飛時,獲取gps的heading_2d信息,即飛行器前進的角度,如果不是直線飛行,yaw有誤差,則兩者之間會有誤差,将該誤差進入解算中進行補償,可得到較為準确的yaw(注:該方法隻适用于飛行速度較快的情況下)。
12、地磁如何作用姿态解算?
舉兩個常見的例子說明:
a)mahony算法中,地磁校正的原理是,将參考坐标系(NED系)中的地磁向量作為參考,認為是(bx,0,bz)’,因為前面講過,地磁向量指向正北是,水平的x/y軸,值最大。所以飛行器的地磁在機體系下的測量值(mx,my,mz)’,經過矩陣轉換,得到參考坐标系下的值(hx,hy,hz)’,與參考向量相比,水平上的地磁向量值,肯定是相同的(不管坐标系如何變化),即bx2= hx2 hy2,再将其轉換到機體坐标系,得到的向量與測量向量(mx,my,mz)’求誤差,這個誤差就認為是yaw的誤差角度,對其做PI修正。
注意,這裡的z軸可以不考慮,即假定參考向量是(bx,0,0)’,參考坐标系的測量值為(hx,hy,0)’,這種方法的好處是mag數據隻會影響到yaw的計算,而不會與roll、pitch耦合。
b)PX4的attitude_estimator_q中,本質與mahony算法一樣,不過形式上地磁的部分處理有些不一樣。
将地磁的測量值轉換到參考坐标系(NED系)下後,通過atan(y/x)來得到yaw,不管角度是否正确,假定為有誤差的,水平認為是沒有誤差的,形成(0,0,mag_err)向量,再轉換到機體坐标系,乘以一個校正的參數,作為補償加入到解算中。(來源網絡)
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