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2023-09-23
如何优化无人机系统中的电子罗盘: 强磁计的位置
【摘要】：是一个关键问题，起码需要知道它与参考方向之间的相对关系，从而让无人机计算出应有的朝向，这时就要用到无人机系统中的电子罗盘：强磁计。）强磁计指明航向的原理非常简单，该模块在使用上也很容易，但却是无人机系统最大的“麻烦”所在，而这些麻烦是由强磁计本身的特点导致的。因此在无人机设计过程中，应尽量保持强磁计远离其他电子元件。而直升机型无人机经常把强磁计固定在离尾桨较近的部分，远离机身主体。
作为一名中国人，应该对强磁计有种天然的熟悉感，毕竟我们引以为豪的四大发明中就包括指南针这一项。指南针是通过地磁场与系统间的作用来指示方向的，强磁计的原理与指南针非常类似，只不过指南针是被人用来辨别方向，而强磁计则被加入到反馈模块中帮助无人机或其他智能系统辨别“航向”。对于无人机而言，“向哪个方向飞？”是一个关键问题，起码需要知道它与参考方向之间的相对关系，从而让无人机计算出应有的朝向，这时就要用到无人机系统中的电子罗盘：强磁计。（请思考问题：哪些环境、因素会对磁场造成干扰？）
强磁计指明航向的原理非常简单，该模块在使用上也很容易，但却是无人机系统最大的“麻烦”所在，而这些麻烦是由强磁计本身的特点导致的。电子罗盘对于自身磁场和外部磁场环境的强烈依赖使它成了整个无人机反馈模块中最容易受到干扰的传感器。一方面，当外部磁场、变化很强烈时会使得电子罗盘无法辨别地磁场影响，反而被外部的干扰磁场左右。这种情况下就会出现有趣的“马桶效应”，导致无人机一直处于旋转状态，不能定位悬停。二来，“电生磁、磁生电”，电场与磁场之间的相互关系导致强磁计很容易受到其他带电元件的干扰。因此在无人机设计过程中，应尽量保持强磁计远离其他电子元件。
图5.27 强磁计校正“舞蹈”（图片来源：斯凯智能）
由于不同飞行环境中地磁场情况不同，理论上说每一次飞行前都需要对强磁计进行校正，而强磁计的校正方式很有趣，需要操作者使强磁计围绕三个轴进行旋转，这对于较重的无人机，或布线、安装不太考究，同时又不太具备舞蹈天赋的无人机爱好者而言是个令人头痛的问题。
强磁计这么重要，又这么容易受到干扰，难道就没有办法克服么？任何问题总能够在一定的范围内进行解决，只是不同的方案、算法以及硬件会影响实现的范围和效果。对于无人机系统而言可以采用多种方法应对，比较直接一点的就是在布局上远离干扰，惹不起躲得起，对于多旋翼无人机而言，电子罗盘常常整合在GPS模块中，远离控制板和电池系统。而直升机型无人机经常把强磁计固定在离尾桨较近的部分，远离机身主体。另外也可以采用多传感器数据融合算法对无人机航向数据进行补偿、滤波，比如通过相应的算法“辨别”干扰并针对该种情况进行“滤波”“估计”等。（请思考问题：有没有可能结合外环姿态或内环姿态来估计飞行方向？）
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