多旋翼无人机磁罗盘校准方法
px4磁罗盘校准算法 -回复
px4磁罗盘校准算法-回复如何进行PX4磁罗盘校准。
第一步：背景介绍和准备工作（约200字）PX4是一种开源的自动驾驶飞行控制系统，其中磁罗盘传感器起着重要的作用。
磁罗盘主要用于测量地球磁场，以帮助飞行器在导航过程中确定自身的朝向。
然而，飞行器周围的磁场干扰或是硬件问题可能导致磁罗盘数据不准确，因此进行磁罗盘校准非常重要。
本文将详细介绍如何进行PX4磁罗盘校准，确保飞行器在飞行过程中能够准确的判断自身朝向。
在进行PX4磁罗盘校准之前，我们首先要做一些准备工作。
首先，确保你已经安装并配置好PX4飞控系统，并且接入了磁罗盘传感器。
其次，找到一个较为开阔的空旷地方，以避免周围的金属物体对罗盘校准的干扰。
最后，使用PX4固件提供的Ground Control Station(GCS)软件，例如QGroundControl，用于对飞行器进行校准操作。
第二步：启动PX4 GCS软件并进入校准模式（约200字）在准备工作完成后，启动PX4 GCS软件，连接到飞行器的飞控系统。
然后，在软件界面的顶部选择校准模式。
进入校准模式后，系统会要求进行几个不同类型的校准，包括陀螺仪、加速度计、磁罗盘等。
第三步：校准陀螺仪和加速度计（约300字）首先进行的是陀螺仪的校准。
校准陀螺仪的目的是确定飞行器的角速度测量的准确性。
在校准过程中，系统要求将飞行器放置在静止的平面上，以便测量出地球的重力加速度方向。
校准过程中，要确保飞行器平稳静止，避免任何震动或倾斜。
接下来，进行加速度计的校准。
加速度计的校准目的是确定飞行器的加速度测量的准确性。
校准过程中，系统要求将飞行器移动到不同的位置和方向，以便测量出地球的重力加速度在不同方向上的分量。
校准过程中，要确保飞行器在每个位置和方向上静止一段时间，以便传感器稳定并测量准确。
第四步：校准磁罗盘（约500字）在完成陀螺仪和加速度计的校准后，现在可以进行磁罗盘的校准了。
磁罗盘的校准过程相对较为复杂，需要保证正确的步骤和准确的动作。
浅谈无人机航向的罗差修正方法
浅谈无人机航向的罗差修正方法摘要：作为无人机航向误差校正的重要方式，罗差修正法的应用至关重要。
其不仅有助于罗差系数的合理计算，更对无人机外业精度把控具有重大影响。
本文在阐述航向系统及罗差内涵的基础上，对罗差形成的原因进行分析，并指出无人机航向罗差修正法的具体应用。
以期有利于罗差修正法应用水平的提升，进而实现无人机作业精度的有效控制。
关键词：无人机；航向测量；罗差修正；地磁随着科学技术的不断发展，无人机的应用技术不断成熟。
当前环境下，在无线电遥控设备和自备的程序控制装置的操纵下，无人机可以实现跟踪、定位、遥控、遥测和数字传输等功能的充分实现，其对于人们社会生产方式的转变和生活质量提升具有重大影响。
然而受地磁作用的影响，无人机应用过程中极易产生罗差现象，对其外业应用的精度造成影响。
新时期进行无人机罗差修正方法的研究已成为高效应用的基础，本文由此展开分析。
一、航向系统与罗差的基本内涵航向系统与罗差是相互依存的一组工程概念，其具体包含以下方面的具体内涵。
1.航向系统航向系统是以陀螺磁罗盘为基础发展起来方位控制系统。
现代航向系统包含了磁传感器、模拟电路、A/D转换和单片机等内容。
在应用过程中，若以地磁场H为基础，则磁传感器会对飞机纵轴、横轴和竖轴上的分量进行测量，并分别用Hx、Hy、Hz进行表示；然后在模拟电路和A/D转换的作用下，使得转换后的数据单元进入单片机；同时在飞机俯仰角θ、倾斜角γ、地磁场水平分量H0和磁倾角的控制下；人们即可通过公式的应用，实现航向ψ的有效计算[1]（如图1）。
图1 数字式磁航向测量系统2.罗差飞机运行过程中，罗盘是其方位校正的重要仪器。
在罗盘应用过程中，罗经线和磁经线是方位控制的两个重要因素；受地球磁场作用，飞机运行过程中，其罗经线和磁经线往往处于不重合状态，及即两者之间存在一定的角度差；此时人们将罗经线偏离磁经线的角度称为罗差。
一般情况下，罗经线位于磁经线以东，则其角度偏差称为正罗差；反之则为负罗差。
磁罗盘的校准方法及其重要性
磁罗盘的校准方法及其重要性磁罗盘是一种常见的导航工具，它通过指示地球磁场方向来帮助人们确定方向。
然而，由于各种原因，磁罗盘可能会发生偏差，影响导航的准确性。
校准磁罗盘是一项关键的任务，以确保其指示的方向与实际方向一致。
本文将介绍磁罗盘的校准方法及其重要性。
首先，让我们了解磁罗盘的工作原理。
磁罗盘内部包含一个磁针，它可以自由地旋转，并指向地球上的磁北极。
地球的磁场是不均匀的，因此磁针可能会受到其他磁场的干扰，导致偏差。
为了确保磁罗盘的准确性，校准是必要的。
有几种常见的磁罗盘校准方法。
首先是静态校准法。
这种方法要求在一个没有磁场干扰的地方进行，例如远离金属结构或电子设备的开阔区域。
校准过程中，将磁罗盘置于水平状态，通过旋转磁罗盘，使磁针与标尺上的刻度对齐。
这样可以消除罗盘的初始误差，并确保其准确度。
另一种常见的校准方法是比较校准法。
这种方法需要使用一个已知方向的指南针来校准磁罗盘。
将指南针与磁罗盘放在一起，然后旋转磁罗盘，使指南针上的指示方向与磁针对齐。
通过这种方法，可以通过已知的准确方向来校准磁罗盘，提高其导航准确性。
除了这些常见的校准方法外，还有一些高级的校准方法可以使用。
例如，动态校准法可以在运动中进行，通过观察指南针在移动状态下的指示来校准磁罗盘。
此外，某些现代导航设备还可以使用GPS或其他定位技术来校准磁罗盘，以提高准确性。
磁罗盘的校准非常重要，因为一个准确的指南针对于导航至关重要。
无论是在户外探险还是海上航行，正确的方向都是安全和成功的关键。
如果磁罗盘没有校准，它可能会给用户带来错误的方向指示，导致迷失方向或错过目标。
此外，磁罗盘的校准还对于地图阅读至关重要。
当使用地图进行导航时，需要结合磁罗盘的指示来确定自身位置和目标方向。
如果磁罗盘没有经过准确校准，地图阅读会变得困难甚至错误。
这有可能导致错误的行进方向或迷失在陌生的地方。
在户外运动、探险和旅行中，磁罗盘通常是不可或缺的工具。
无论是远足、露营还是登山，磁罗盘都能帮助人们找到正确的方向，避免迷路或遭遇危险。
小型多旋翼无人机三轴电子罗盘设计与误差分析校准
小型多旋翼无人机三轴电子罗盘设计与误差分析校准1. 引言- 研究背景与意义- 本文的研究目的和内容2. 多旋翼无人机三轴电子罗盘设计- 电子罗盘原理- 三轴电子罗盘设计- 硬件选型和电路设计3. 误差分析与校准- 罗盘误差类型及原因分析- 罗盘校准方法介绍- 校准实验设计和实验结果分析4. 算法实现与测试- 姿态解算算法- 航向角解算算法- 算法测试方法和结果分析5. 结论与展望- 本文研究的主要成果和贡献- 在未来的发展和应用前景- 对改进和优化的建议和展望第1章：引言随着全球定位系统（GPS）的不断发展和普及，无人飞行器（UAV）技术也得到了快速发展。
多旋翼无人机作为一种轻型、灵活、易操控的无人机，逐渐成为了广大航模爱好者、科研工作者和商业应用者的心头好。
作为一种航空器，多旋翼无人机需要对其航向进行准确测量和控制，以便实现精准操控和自主导航等功能。
而电子罗盘作为一种精度较高的传感器，被广泛应用于航空领域中。
本文基于多旋翼无人机平台，研究了三轴电子罗盘的设计和误差校准方法，并对其航向角解算算法进行了实现和测试。
本研究的目的是提高多旋翼无人机的航向角测量精度，以满足其高精度定位和导航等应用需求。
本文的研究内容主要包括三个方面：（1）电子罗盘的设计和选型，包括硬件选型和电路设计等；（2）误差分析和校准方法的实验；（3）航向角解算算法的实现和测试。
通过这些方面的研究，本文将为多旋翼无人机的导航和控制等方面提供有益的参考和指导。
本文的结构按照如下方式组织。
第2章将详细介绍电子罗盘的原理和设计，包括其硬件选型和电路设计等方面的内容。
第3章将分析电子罗盘的误差类型及其原因，并介绍罗盘校准的方法。
第4章将讨论航向角解算算法的实现和测试方法。
第5章将回顾本文的主要研究成果和贡献，并对未来的发展和应用前景进行展望。
第2章：多旋翼无人机三轴电子罗盘设计2.1 电子罗盘原理电子罗盘是一种基于地球磁场原理的传感器，主要用于航空、船舶等领域中航向角的测量。
【CN109798884A】一种多旋翼无人机磁力计动态实时校准方法【专利】
(19)中华人民共和国国家知识产权局(12)发明专利申请(10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请号 201910129958.3(22)申请日 2019.02.21(71)申请人 广东工业大学地址 510006 广东省广州市番禺区大学城外环西路100号(72)发明人 苏成悦 王木华 朱文杰 (74)专利代理机构 广州粤高专利商标代理有限公司 44102代理人 林丽明(51)Int.Cl.G01C 17/38(2006.01)(54)发明名称一种多旋翼无人机磁力计动态实时校准方法(57)摘要本发明公开了一种多旋翼无人机磁力计动态实时校准方法，包括以下步骤：S1：建立X -Y -Z坐标系，多旋翼无人机在稳定飞行过程中绕X、Y、Z轴小角度偏转；S2：利用多旋翼无人机稳定飞行过程中的小角度偏转，使磁力计实时生成磁场数据点，所有的磁场数据点能拟合成一个椭球表面；S3：将一段时间内连续生成的磁场数据点分别映射于X -Y -Z坐标系中的XOY平面、XOZ平面和YOZ平面；S4：在XOY平面内进行动态实时校准；S5：在XOZ平面和YOZ平面内进行动态实时校准。
本发明计算简捷，易于实现，能广泛应用于多旋翼无人机磁力计的动态实时校准。
权利要求书1页 说明书4页 附图2页CN 109798884 A 2019.05.24C N 109798884A1.一种多旋翼无人机磁力计动态实时校准方法，由多旋翼无人机中的飞控处理器完成校准过程，其特征在于，包括以下步骤：S1：建立X -Y -Z坐标系，多旋翼无人机在稳定飞行过程中绕X、Y、Z轴小角度偏转；S2：利用多旋翼无人机稳定飞行过程中的小角度偏转，使磁力计实时生成磁场数据点，所有的磁场数据点能拟合成一个椭球表面；S3：将一段时间内连续生成的磁场数据点分别映射于X -Y -Z坐标系中的XOY平面、XOZ平面和YOZ平面；S4：在XOY平面内进行动态实时校准；S5：在XOZ平面和YOZ平面内进行动态实时校准。
磁罗盘校准方法
磁罗盘校准方法
磁罗盘校准的方法可以分为以下几种：
1. 静态校准方法：将磁罗盘置于一个已知方向的磁场中，并将磁罗盘的指针对齐到该方向，达到校准的目的。
可以使用一个磁铁或者一个已知磁场强度的磁铁来进行校准。
2. 动态校准方法：将磁罗盘旋转360度，这样可以根据磁场的变化来校准磁罗盘的指针指向。
这种方法可以消除磁罗盘中的误差和漂移。
3. 复位校准方法：将磁罗盘复位到初始状态，通过按下复位按钮或者根据设备说明书中的方法来进行校准。
这种方法适用于一些数字或者电子磁罗盘。
4. 软件校准方法：通过使用特定的磁罗盘校准软件来进行校准。
这些软件一般提供了一系列的步骤和指导来帮助用户完成校准过程。
需要注意的是，校准磁罗盘时需要将磁罗盘远离磁场干扰源，例如电子设备、电缆等，以确保测量的准确性。
此外，校准的频率也取决于具体使用的磁罗盘和需要的精度。
一般来说，校准的频率可以根据设备的要求或者实际情况来决定。
多旋翼无人机磁罗盘校准方法
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Ｃｈｅｎｇ Ｗｅｉｗｅｉ１，ＳｏｎｇＹａｎｈｕａ１，Ｗａｎｇ Ｗｅｉ２
（１．ＪｉａｎｇｓｕＳｕｑｉａｎＥｃｏｎｏｍｉｃａｎｄＴｒａｄｅＶｏｃａｔｉｏｎａｌＣｏｌｌｅｇｅ，Ｓｕｑｉａｎ ２２３６００，Ｃｈｉｎａ； ２．ＣｏｌｌｅｇｅｏｆＩｎｆｏｒｍａｔｉｏｎａｎｄｃｏｎｔｒｏｌ，Ｎａｎｊｉｎｇ ＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＩｎｆｏｒｍａｔｉｏｎＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｎａｎｊｉｎｇ ２１００４４，Ｃｈｉｎａ）
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罗盘校准要点及方法
罗盘校准要点及方法罗盘校准是指将罗盘的指向与地理北极相一致的过程，它是航海、航空、测量等领域中必不可少的操作。
正确的罗盘校准可以确保导航的准确性和安全性。
本文将介绍罗盘校准的要点及方法，帮助读者更好地理解和应用罗盘校准。
首先，罗盘校准的要点包括罗盘的放置位置、校准过程中的环境因素、校准的适用对象等。
在进行罗盘校准时，应避免周围有磁性物品或强磁场的干扰，以免影响校准的准确性。
罗盘应放置在平稳的表面上，确保其水平仪的气泡在圆心位置，以保证校准的准确性。
此外，不同类型的罗盘在校准时可能有所不同，需要根据具体的罗盘类型和使用方法来确定校准的对象和流程。
接下来，我们将介绍一种常见的罗盘校准方法：磁北校准法。
这种方法适用于使用磁敏罗盘的场景。
首先，需要选择一个没有磁性干扰物的环境。
然后，将罗盘放置在平稳的表面上，并确保水平仪气泡在中心位置。
接着，将罗盘调整为正常使用状态，比如将罗盘底座调整为水平位置，打开罗盘底部的校准螺丝。
接下来，以图形的方式表示罗盘的四个方向，比如用“北”的字样表示罗盘的北方向，然后按照图形旋转罗盘至将指南针对准到图中的“北”方向。
当罗盘指向准确时，拧紧校准螺丝，固定罗盘。
除了磁北校准法，还有其他校准方法和工具。
比如，有些罗盘可以使用全球定位系统（GPS）进行校准。
这种方法通过接收卫星信号确定罗盘所在的位置，然后根据位置信息进行校准。
此外，还有一些专用的校准工具，比如专门用于校准航空罗盘的校准架。
这些工具可以提供更加精确和方便的校准方式，能够满足特定行业和场景的需求。
另外，关于罗盘校准还有一些值得注意的事项。
首先，罗盘校准不是一次性的过程，由于环境的变化和罗盘本身的精度问题，定期进行校准是非常必要的。
一般建议按照使用手册的要求，每隔一段时间或者在特定情况下进行校准。
其次，如果罗盘在使用过程中出现指向错误或者与其他导航设备不一致的情况，应及时进行校准。
最后，校准罗盘时应注意安全，避免将罗盘直接接触到大电流和强磁场，以免对罗盘产生损坏。
px4磁罗盘校准算法 -回复
px4磁罗盘校准算法-回复磁罗盘校准算法是飞行控制系统中重要的一部分，它用于校准和修正磁罗盘的测量误差，以提高飞行器的导航和定位精度。
在PX4飞控系统中，磁罗盘校准算法是基于解析算法及最小二乘法的组合，在整个校准过程中，用户只需按照系统提示进行一系列旋转和移动操作。
本文将一步一步详细回答关于PX4磁罗盘校准算法的问题。
第一步：什么是PX4磁罗盘校准算法？PX4磁罗盘校准算法是飞行控制系统用于修正磁罗盘测量误差的一种算法。
磁罗盘是一种能够测量周围地磁场强度和方向的传感器，用于定位和导航系统中的方向估计。
然而，磁罗盘的测量值可能会受到飞行器本身磁性和周围环境磁场的干扰，导致测量误差。
PX4磁罗盘校准算法通过分析磁罗盘测量值和飞行器的姿态信息，使用解析算法及最小二乘法来估计和修正测量误差，从而提高导航和定位的精度。
第二步：PX4磁罗盘校准算法的流程是什么？PX4磁罗盘校准算法主要分为两个步骤：数据采集和校准计算。
1. 数据采集：用户需要按照系统提示，将飞行器以多种姿态进行旋转和移动。
在这个过程中，磁罗盘会测量到不同的地磁场强度和方向，并将这些数据传输到PX4飞控系统。
2. 校准计算：根据采集到的数据，系统会使用解析算法和最小二乘法对磁罗盘的测量误差进行估计和修正。
在校准计算过程中，系统会分析不同姿态下的磁罗盘测量值，结合飞行器的姿态信息，通过最小二乘法拟合出一个误差模型。
然后，根据误差模型对磁罗盘测量值进行修正，从而获得更准确的方向估计值。
第三步：PX4磁罗盘校准算法的准确性如何？PX4磁罗盘校准算法使用了解析算法和最小二乘法进行校准计算，能够从一系列不同姿态下的磁罗盘数据中准确估计和修正测量误差。
算法的准确性受到多种因素的影响，包括姿态变化范围、采样率、环境噪声等。
在实际应用中，用户需要遵循系统提示的操作步骤，并确保数据采集过程中飞行器的姿态变化充分并能涵盖整个工作空间。
此外，根据实际环境噪声情况，可能需要进行多次校准来获得更准确的结果。
多旋翼无人机在变控制量下的三轴磁罗盘校正
多旋翼无人机在变控制量下的三轴磁罗盘校正徐东甫;白越;宫勋;吴子毅;续志军【摘要】为了在特殊环境下有效使用多旋翼无人机飞行器的磁罗盘,研究了大电流、控制量变化情况下磁罗盘的校正问题,提出了一种磁罗盘自适应校准方法.推导了磁罗盘误差的变化规律并建立了误差模型,分析了硬磁误差随控制量变化的规律,进而提出了一种基于整体最小二乘法的空间直线拟合方法.通过空间直线拟合,将得到的控制量和硬磁补偿的对应关系用于实时调整对空间飞行器的硬磁补偿,最终解决了控制量变化对磁罗盘的影响.进行了实验验证,结果表明:提出的方法可将飞行器控制量变化带来的磁罗盘硬磁误差基本抵消;在实际飞行中,多旋翼无人飞行器的偏航误差可由最大的15°减小到3°以内.本文所给出的方法在控制量变化,大电流情况下使用时,可以很好地校正磁罗盘航向角误差,提高导航精度.【期刊名称】《光学精密工程》【年(卷),期】2016(024)008【总页数】8页(P1940-1947)【关键词】多旋翼无人机;磁罗盘;变控制量;硬磁误差;误差补偿【作者】徐东甫;白越;宫勋;吴子毅;续志军【作者单位】中国科学院长春光学精密机械与物理研究所,吉林长春130033;中国科学院大学,北京100039;中国科学院长春光学精密机械与物理研究所,吉林长春130033;中国科学院长春光学精密机械与物理研究所,吉林长春130033;中国科学院长春光学精密机械与物理研究所,吉林长春130033;中国科学院大学,北京100039;中国科学院长春光学精密机械与物理研究所,吉林长春130033【正文语种】中文【中图分类】V279;V241.61近年来，随着无人飞行器技术的成熟[1-3],多旋翼飞行器因其结构简单、操作灵活、具有垂直起降和悬停能力等优点成为了研究热点[4-6]。
对于多旋翼飞行器自主飞行，航向角精度和航向角稳定性对其导航非常重要。
电子磁罗盘具有体积小、成本低、无累计误差、可自动寻北等特点,被广泛应用于飞行器、车辆的导航系统中，为其提供航向角。
磁罗盘校准方法
磁罗盘校准方法磁罗盘校准是指对航空器或船舶等装备上的磁罗盘进行校准调整，以确保其指向准确并且与真北方向一致。
磁罗盘是一种使用磁感应原理指示地球磁场方向的仪器，但由于各种外界因素的干扰，磁罗盘指示的方向可能偏离真北。
因此，在使用磁罗盘进行导航或定位时，进行校准是必不可少的。
磁罗盘校准的目的是调整磁罗盘的磁轴与真北方向一致，以及去除干扰因素对其指示的影响。
下面将介绍一些常用的磁罗盘校准方法。
1.无磁场校准方法：这是一种简单而常用的磁罗盘校准方法。
首先找到一个无磁场的环境，例如远离大型金属物体的开阔地带。
将磁罗盘放置在水平的表面上，静置一段时间，直到磁罗盘指针稳定不动。
然后旋转磁罗盘，将指针调整到标示北方的刻度上。
如此反复多次，直到得到相同的指向。
2.磁光法校准方法：这种方法使用磁感应数据和光感应数据相结合的方式进行磁罗盘校准。
通过测量磁感应数据和相应的光感应数据，可以建立一个校准模型，用于校准磁罗盘。
该方法的优点是减小了外界因素的干扰，提高了校准的准确性。
3.磁介质校准法：这种方法使用特殊的磁介质材料对磁罗盘进行校准。
首先，将磁介质放置在一个无磁场的环境中，然后将磁罗盘置于磁介质上。
根据磁介质的特性和磁罗盘的指示，调整磁罗盘，使其与磁介质对应指示的方向一致。
4.磁纠刺校准法：这种方法通常用于航空器上的磁罗盘校准。
它使用一个称为磁纠刺的装置对磁罗盘进行校准。
磁纠刺是一个可以在航空器上静止或旋转的装置，它产生一个已知方向的磁场。
通过调整磁罗盘，使其指示与磁纠刺指向的方向一致，完成校准。
5.磁罗盘校准软件：除了上述传统的校准方法，现代化的磁罗盘校准主要依赖于磁罗盘校准软件。
这种方法通过将磁罗盘和GPS数据结合起来，利用高精度的磁感应和GPS数据进行校准。
校准软件可以根据实时数据进行自动校准，不仅提高了校准的准确性，还节省了时间和劳动力。
以上是一些常用的磁罗盘校准方法。
在进行磁罗盘校准时，需要注意的是选择合适的环境，避免磁场干扰。
无人机——磁力计电子罗盘学习及校准
无人机——磁力计/电子罗盘学习及校准电子罗盘是一种重要的导航工具,能实时提供移动物体的航向和姿态｡随着半导体工艺的进步和手机操作系统的发展,集成了越来越多传感器的智能手机变得功能强大,很多手机上都实现了电子罗盘的功能｡而基于电子罗盘的应用(如Android的Skymap)在各个软件平台上也流行起来｡要实现电子罗盘功能,需要一个检测磁场的三轴磁力传感器和一个三轴加速度传感器｡随着微机械工艺的成熟,意法半导体推出将三轴磁力计和三轴加速计集成在一个封装里的二合一传感器模块LSM303DLH,方便用户在短时间内设计出成本低､性能高的电子罗盘｡本文以LSM303DLH为例讨论该器件的工作原理､技术参数和电子罗盘的实现方法｡1.地磁场和航向角的背景知识如图1所示,地球的磁场象一个条形磁体一样由磁南极指向磁北极｡在磁极点处磁场和当地的水平面垂直,在赤道磁场和当地的水平面平行,所以在北半球磁场方向倾斜指向地面｡用来衡量磁感应强度大小的单位是Tesla或者Gauss(1Tesla=10000Gauss)｡随着地理位置的不同,通常地磁场的强度是0.4-0.6 Gauss｡需要注意的是,磁北极和地理上的北极并不重合,通常他们之间有11度左右的夹角｡图1 地磁场分布图地磁场是一个矢量,对于一个固定的地点来说,这个矢量可以被分解为两个与当地水平面平行的分量和一个与当地水平面垂直的分量｡如果保持电子罗盘和当地的水平面平行,那么罗盘中磁力计的三个轴就和这三个分量对应起来,如图2所示｡图2 地磁场矢量分解示意图实际上对水平方向的两个分量来说,他们的矢量和总是指向磁北的｡罗盘中的航向角(Azimuth)就是当前方向和磁北的夹角｡由于罗盘保持水平,只需要用磁力计水平方向两轴(通常为X轴和Y轴)的检测数据就可以用式1计算出航向角｡当罗盘水平旋转的时候,航向角在0?- 360?之间变化｡2.ST集成磁力计和加速计的传感器模块LSM303DLH2.1 磁力计工作原理在LSM303DLH中磁力计采用各向异性磁致电阻(Anisotropic Magneto-Resistance)材料来检测空间中磁感应强度的大小｡这种具有晶体结构的合金材料对外界的磁场很敏感,磁场的强弱变化会导致AMR自身电阻值发生变化｡在制造过程中,将一个强磁场加在AMR上使其在某一方向上磁化,建立起一个主磁域,与主磁域垂直的轴被称为该AMR的敏感轴,如图3所示｡为了使测量结果以线性的方式变化,AMR材料上的金属导线呈45º角倾斜排列,电流从这些导线上流过,如图4所示｡由初始的强磁场在AMR材料上建立起来的主磁域和电流的方向有45º的夹角｡图3 AMR材料示意图图4 45º角排列的导线当有外界磁场Ha时,AMR上主磁域方向就会发生变化而不再是初始的方向了,那么磁场方向和电流的夹角θ也会发生变化,如图5所示｡对于AMR材料来说,θ角的变化会引起AMR自身阻值的变化,并且呈线性关系,如图6所示｡图5 磁场方向和电流方向的夹角图6 θ-R特性曲线ST利用惠斯通电桥检测AMR阻值的变化,如图7所示｡R1/R2/R3/R4是初始状态相同的AMR电阻,但是R1/R2和R3/R4具有相反的磁化特性｡当检测到外界磁场的时候,R1/R2阻值增加∆R而R3/R4减少∆R｡这样在没有外界磁场的情况下,电桥的输出为零;而在有外界磁场时电桥的输出为一个微小的电压∆V｡图7 惠斯通电桥当R1=R2=R3=R4=R,在外界磁场的作用下电阻变化为∆R时,电桥输出?V正比于?R｡这就是磁力计的工作原理｡2.2 置位/复位(Set/Reset)电路由于受到外界环境的影响,LSM303DLH中AMR上的主磁域方向不会永久保持不变｡LSM303DLH内置有置位/复位电路,通过内部的金属线圈周期性的产生电流脉冲,恢复初始的主磁域,如图8所示｡需要注意的是,置位脉冲和复位脉冲产生的效果是一样的,只是方向不同而已｡图8 LSM303DLH置位/复位电路置位/复位电路给LSM303DLH带来很多优点:1) 即使遇到外界强磁场的干扰,在干扰消失后LSM303DLH也能恢复正常工作而不需要用户再次进行校正｡2) 即使长时间工作也能保持初始磁化方向实现精确测量,不会因为芯片温度变化或内部噪音增大而影响测量精度｡3) 消除由于温漂引起的电桥偏差｡2.3 LSM303DLH的性能参数LSM303DLH集成三轴磁力计和三轴加速计,采用数字接口｡磁力计的测量范围从1.3 Gauss到8.1 Gauss共分7档,用户可以自由选择｡并且在20 Gauss以内的磁场环境下都能够保持一致的测量效果和相同的敏感度｡它的分辨率可以达到8 mGauss并且内部采用12位ADC,以保证对磁场强度的精确测量｡和采用霍尔效应原理的磁力计相比,LSM303DLH的功耗低,精度高,线性度好,并且不需要温度补偿｡LSM303DLH具有自动检测功能｡当控制寄存器A被置位时,芯片内部的自测电路会产生一个约为地磁场大小的激励信号并输出｡用户可以通过输出数据来判断芯片是否正常工作｡作为高集成度的传感器模组,除了磁力计以外LSM303DLH还集成一颗高性能的加速计｡加速计同样采用12位ADC,可以达到1mg的测量精度｡加速计可运行于低功耗模式,并有睡眠/唤醒功能,可大大降低功耗｡同时,加速计还集成了6轴方向检测,两路可编程中断接口｡3. ST电子罗盘方案介绍一个传统的电子罗盘系统至少需要一个三轴的磁力计以测量磁场数据,一个三轴加速计以测量罗盘倾角,通过信号条理和数据采集部分将三维空间中的重力分布和磁场数据传送给处理器｡处理器通过磁场数据计算出方位角,通过重力数据进行倾斜补偿｡这样处理后输出的方位角不受电子罗盘空间姿态的影响,如图9所示｡图9 电子罗盘结构示意图LSM303DLH将上述的加速计､磁力计､A/D转化器及信号条理电路集成在一起,仍然通过I2C总线和处理器通信｡这样只用一颗芯片就实现了6轴的数据检测和输出,降低了客户的设计难度,减小了PCB板的占用面积,降低了器件成本｡LSM303DLH的典型应用如图10所示｡它需要的周边器件很少,连接也很简单,磁力计和加速计各自有一条I2C总线和处理器通信｡如果客户的I/O接口电平为1.8V,Vdd_dig_M､Vdd_IO_A和Vdd_I2C_Bus 均可接1.8V供电,Vdd使用2.5V以上供电即可;如果客户接口电平为2.6V,除了Vdd_dig_M要求1.8V以外,其他皆可以用2.6V｡在上文中提到,LSM303DLH需要置位/复位电路以维持AMR的主磁域｡C1和C2为置位/复位电路的外部匹配电容,由于对置位脉冲和复位脉冲有一定的要求,建议用户不要随意修改C1和C2的大小｡图10 LSM303DLH典型应用电路图对于便携式设备而言,器件的功耗非常重要,直接影响其待机的时间｡LSM303DLH可以分别对磁力计和加速计的供电模式进行控制,使其进入睡眠或低功耗模式｡并且用户可自行调整磁力计和加速计的数据更新频率,以调整功耗水平｡在磁力计数据更新频率为7.5Hz､加速计数据更新频率为50Hz时,消耗电流典型值为0.83mA｡在待机模式时,消耗电流小于3uA｡4. 铁磁场干扰及校准电子指南针主要是通过感知地球磁场的存在来计算磁北极的方向｡然而由于地球磁场在一般情况下只有微弱的0.5高斯,而一个普通的手机喇叭当相距2厘米时仍会有大约4高斯的磁场,一个手机马达在相距2厘米时会有大约6高斯的磁场,这一特点使得针对电子设备表面地球磁场的测量很容易受到电子设备本身的干扰｡磁场干扰是指由于具有磁性物质或者可以影响局部磁场强度的物质存在,使得磁传感器所放置位置上的地球磁场发生了偏差｡如图11所示,在磁传感器的XYZ 坐标系中,绿色的圆表示地球磁场矢量绕z 轴圆周转动过程中在XY平面内的投影轨迹,再没有外界任何磁场干扰的情况下,此轨迹将会是一个标准的以O(0,0)为中心的圆｡当存在外界磁场干扰的情况时,测量得到的磁场强度矢量α将为该点地球磁场β与干扰磁场γ的矢量和｡记作:图11 磁传感器XY坐标以及磁力线投影轨迹一般可以认为,干扰磁场γ在该点可以视为一个恒定的矢量｡有很多因素可以造成磁场的干扰,如摆放在电路板上的马达和喇叭,还有含有铁镍钴等金属的材料如屏蔽罩,螺丝,电阻, LCD背板以及外壳等等｡同样根据安培定律有电流通过的导线也会产生磁场,如图12｡图12 电流对磁场产生的影响为了校准这些来自电路板的磁场干扰,主要的工作就是通过计算将γ求出｡4.1 平面校准方法针对XY轴的校准,将配备有磁传感器的设备在XY平面内自转,如图11,等价于将地球磁场矢量绕着过点O(γx,γy)垂直于XY平面的法线旋转, 而红色的圆为磁场矢量在旋转过程中在XY平面内投影的轨迹｡这可以找到圆心的位置为((Xmax + Xmin)/2, (Ymax + Ymin)/2). 同样将设备在XZ平面内旋转可以得到地球磁场在XZ平面上的轨迹圆,这可以求出三维空间中的磁场干扰矢量γ(γx, γy, γz).4.2 立体8字校准方法一般情况下,当带有传感器的设备在空中各个方向旋转时,测量值组成的空间几何结构实际上是一个圆球,所有的采样点都落在这个球的表面上,如图13所示,这一点同两维平面内投影得到的圆类似｡图13 地球磁场空间旋转后在传感器空间坐标内得到球体这种情况下,可以通过足够的样本点求出圆心O(γx, γy, γz), 即固定磁场干扰矢量的大小及方向｡公式如下:8字校准法要求用户使用需要校准的设备在空中做8字晃动,原则上尽量多的让设备法线方向指向空间的所有8个象限,如图14所示｡图14 设备的空中8字校准示意图4.2 十面校准方法同样,通过以下10面校准方法,也可以达到校准的目的｡图15 10面交准法步骤如图16所示,经过10面校准方法之后,同样可以采样到以上所述球体表面的部分轨迹,从而推导出球心的位置,即固定磁场干扰矢量的大小及方向｡图16 10面校准后的空间轨迹5.倾斜补偿及航偏角计算经过校准后电子指南针在水平面上已经可以正常使用了｡但是更多的时候手机并不是保持水平的,通常它和水平面都有一个夹角｡这个夹角会影响航向角的精度,需要通过加速度传感器进行倾斜补偿｡对于一个物体在空中的姿态,导航系统里早已有定义,如图17所示,Android中也采用了这个定义｡Pitch(Φ)定义为x轴和水平面的夹角,图示方向为正方向;Roll(θ)定义为y轴和水平面的夹角,图示方向为正方向｡由Pitch角引起的航向角的误差如图18所示｡可以看出,在x轴方向10度的倾斜角就可以引起航向角最大7-8度的误差｡图17 Pitch角和Roll角定义图18 Pitch角引起的航向角误差手机在空中的倾斜姿态如图19所示,通过3轴加速度传感器检测出三个轴上重力加速度的分量,再通过式2可以计算出Pitch和Roll｡图19 手机在空中的倾斜姿态式3可以将磁力计测得的三轴数据(XM,YM ,ZM)通过Pitch和Roll 转化为式1中计算航向角需要的Hy和Hx｡之后再利用式1计算出航向角｡6.Android平台指南针的实现在当前流行的android 手机中,很多都配备有指南针的功能｡为了实现这一功能,只需要配备有ST提供的二合一传感模块LSM303DLH,ST 提供整套解决方案｡Android中的软件实现可以由以下框图表示:其中包括:BSP ReferenceLinux Kernel Driver (LSM303DLH_ACC + LSM303DLH_MAG)HAL Library(Sensors_lsm303dlh + Liblsm303DLH) for sensors.default.so经过library 的计算,上层的应用可以很轻松的运用由Android定义由Library提供的航偏角信息进行应用程序的编写｡。
罗盘校正磁偏角详细步骤
地球上任一点的磁北方向与该点的正北方向不一致，这两方向间的夹角叫磁偏角。
地球上某点磁针北端偏于正北方向的东边叫做东偏，偏于西边称西偏。
东偏为(+)西偏为
地球上各地的磁偏角都按期计算，公布以备查用。
若某点的磁偏角已知，则一测线的
磁方位角A磁与正北方位角A的关系为A等于A磁加减磁偏角。
应用这一原理可进行磁
偏角的校正。
校正时可旋动罗盘的刻度螺旋，使水平刻度盘向左或向右转动，磁偏角东偏则向右，
西偏则向左，使罗盘底盘南北刻度线与水平刻度盘0--180度连线间夹角等于磁偏角。
经校正后测量时的读数就为真方位角。
杨四解释：
1、罗盘需要读出的数据应当为真北数据，包括通常用的GPS也是设置为真北数据。
2、地球上某点磁针北端偏于正北方向的东边叫做东偏，偏于西边称西偏。
东偏为(+)西偏为(-)。
见上图。
3、罗盘上的指针指示方向为磁北方向，一般罗盘带白点的针指向北，带磁线圈的针指向南。
4、中国除了新疆局部地方，其他地方均为西偏。
河北-6 度。
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多旋翼无人机磁罗盘校准方法程玮玮;宋延华;王伟【摘要】为提高多旋翼无人机航向角解算精度,研究磁罗盘校准和罗差补偿方法;通过详细分析罗差产生原因,并结合多旋翼应用,将磁罗盘干扰划分为机体坐标系静态干扰、机体坐标系动态干扰、导航坐标系静态干扰、导航坐标系动态干扰四大类;针对机体坐标系动态干扰,结合多旋翼应用背景,研究干扰的离线测量与在线补偿方法;针对机体坐标系静态干扰,提出一种飞行过程中实时校准方法;针对导航坐标系静态干扰,创新性采用GNSS模块的速度方向信息修正罗差;导航坐标系动态干扰为原理性误差,这里暂不讨论;结果表明:研究内容可有效补偿机体坐标系动态与静态干扰,以及导航坐标系静态干扰对磁罗盘和航向角解算精度的影响,有助于改善无人机的飞行性能.【期刊名称】《计算机测量与控制》【年(卷),期】2019(027)005【总页数】5页(P236-239,244)【关键词】磁罗盘;静态干扰;动态干扰;罗差补偿【作者】程玮玮;宋延华;王伟【作者单位】江苏省宿迁经贸高等职业技术学校,江苏宿迁223600;江苏省宿迁经贸高等职业技术学校,江苏宿迁223600;南京信息工程大学信息与控制学院,南京210044【正文语种】中文【中图分类】TP2420 引言多旋翼无人机凭借其垂直起降、定点悬停、成本低廉、使用方便、无人员伤亡等优点，在民用与军事领域得到了广泛的应用。
随着应用的推广，用户对无人机的飞行性能和安全性能要求也日益提升。
多旋翼无人机的自主飞行时，导航坐标系与机体坐标系之间的转换以航向角为基础。
航向角偏差会导致飞行时航线变斜、原地画圈等问题，甚至出现炸机的危险，严重影响无人机的飞行性能。
因此，如何提高航向角的准确性便显得尤为重要[1-2]。
目前，消费级和低端行业应用级飞控系统普遍采用磁罗盘作为航向测量设备。
传感器自身的准确性以及周边环境的磁干扰会对航向角推算产生非常大的影响。
针对如何校准磁罗盘，获取准确的航向信息，国内外机构都进行了大量的研究[3-6]。
传统的多旋翼无人机磁罗盘校准方法大都采用三维旋转，并对采集到的磁场数据椭圆拟合校准实现[7]。
然而，在具体应用时，用户往往会忽略这个步骤，只有在发现角度误差较大的情况下才会进行校准地磁。
而在飞行过程中发现角度偏差较大，存在非常大的安全隐患。
随着无人机行业应用发展，无人机轴距越来越大，转圈椭圆拟合校准的方法已经越来越困难。
此外，该校准方法仅对磁罗盘零偏和机体上的固定干扰有效，而忽略了机体产生的动态干扰以及周边环境的磁场干扰对磁罗盘产生的影响，具有一定的局限性。
本文结合多旋翼无人机的具体应用，从分析磁罗盘干扰的来源着手，进行机体坐标系的动态与静态校准。
并结合多旋翼的应用背景，采用GNSS模块输出的速度方向信息对航向角进行补偿，得到准确的航向角，保障无人机的飞行性能。
1 磁罗盘工作原理与测量误差分析1.1 磁罗盘工作原理磁罗盘是一种可测量环境磁场强度的传感器件，在多旋翼无人机领域应用非常广泛。
因为地球表面存在地磁场，且同一地理位置的地磁场的大小和方向基本保持恒定的。
地磁场方向与地理北极的夹角称之为磁偏角。
通过测量地磁场向量在磁罗盘内部三个相互垂直的坐标轴的磁场分量即可确定航向角。
磁罗盘一般与多旋翼机体固连，为方便讨论，建立机体坐标系与导航坐标系如下[8]：1)导航坐标系:导航坐标系可选取当地便于导航计算的点为原点On，Zn沿重力方向竖直向下，Xn指向正北方向，Yn指向正东方向。
2)机体坐标系:机体坐标系以机体的质心为原点Ob，Zb垂直于机体平面垂直向下，Xb指向飞行器前方，Yb指向飞行器右方。
机体坐标系与导航坐标系间的夹角即为机体的姿态角。
机体坐标系Xb轴与导航坐标系OnYnZn平面的夹角定义为俯仰角θ；机体坐标系Zb轴与通过机体坐标系Xb轴的铅垂面间的夹角定义为滚转角φ；机体坐标系Xb轴在导航坐标系OnXnYn平面的投影与正北方向的夹角定义航向角ψ，坐标系与姿态角示意图如图1所示。
图1 坐标系与姿态角定义导航坐标系下地磁场向量bNE与机体坐标系下地磁场向量bBE可表示为:(1)(2)式中，bnex、bney、bnez分别为地磁场在导航坐标系下三轴的磁场强度分量。
Bbex、bbey、bbez分别为地磁场在机体坐标系下三轴的磁场强度分量。
假设载体三维空间运动时，其滚转、俯仰、航向角分别为φ、θ、ψ，则有关系式:(3)式中，为机体坐标系到导航坐标系的旋转矩阵，令c=cos，s=sin，则旋转矩阵可表示为:(4)不考虑磁偏角前提下，地磁场方向与地理正北方向重合，其Y轴分量bney恒等于零，结合式(3)、式(4)则可求得航向角:(5)1.2 磁罗盘误差分析磁罗盘测量误差来源因素很多, 包括硬磁干扰、软磁干扰、传感器仪表误差等[9]。
根据干扰磁场源的相对位置以及干扰磁场强度是否恒定，可将干扰划分为机体坐标系下的静态磁干扰、机体坐标系下的动态磁干扰、导航坐标系下的静态磁干扰、导航坐标系下的动态磁干扰四类。
则机体坐标系下磁罗盘示数bB可表示为:bB =bBE +bBs +bBd +RBNTbNs +RBNTbNd(6)式中，RBNT为旋转矩阵的转置，bBs为机体坐标系下的静态干扰磁场，主要为机体上电机等磁感器件产生的相对机体恒定的磁场，以及磁罗盘自身的零偏等。
bBd 为机体坐标系下的动态干扰磁场，主要为多旋翼无人机飞行时，变化的电流产生的时变磁场。
bNs为外部环境中的静态干扰，如飞行环境中存在额外的恒定磁场。
bNd为导航坐标系下动态干扰。
当飞行环境出现动态干扰时，已不适宜采用磁罗盘测量航向，属于原理性问题。
因此，论文仅对前三种误差补偿进行详细分析，式(6)即可简化为:bB =bBE +bBs +bBd +RBNTbNs(7)2 机体坐标系动态干扰校准多旋翼无人机机体坐标系动态干扰校准的核心思想为：飞控系统安装完毕后，磁罗盘位置相对固定。
磁罗盘的动态干扰主要为飞行中电机与动力线产生的干扰磁场，其磁场强度应与电机转速有直接对应关系。
因此，可通过事先逐个测试电机在不同转速指令下产生的干扰磁场，拟合出对应关系式。
后续飞行过程中，根据每个电机的控制指令求得其产生的干扰磁场，叠加后即为合成的动态干扰磁场。
将磁罗盘原始数据减去合成的动态干扰磁场，即可得到准确的磁场数据。
以六轴植保机为例，首先逐个缓慢变化各电机PWM指令，其它电机保持静止。
采集该电机转动时对三轴磁场数据的影响。
测试过程中，电机的转速指令需缓慢变化，如图2所示。
电机转动引起的X、Y、Z轴的磁场强度变化曲线如图3所示。
图2 电机转速指令图3 磁场强度变化曲线图3可以发现，电机转动时，三轴磁场强度有较为明显变化。
为获取其对应关系，采用三阶多项式拟合电机指令到三轴磁场强度变化量的关系式。
以1号电机为例，X、Y、Z轴的三阶多项式可表示为:(8)式中,bBd1为1号电机产生的动态干扰，Δmx1、Δmy1、Δmz1电机转动引起的三轴磁场的变化量，a、b、c为三阶多项式系数，u为电机指令。
拟合曲线如图4所示。
图4 一号电机拟合曲线图同样方法，可以得到2～6号电机指令与产生的干扰磁场bBd2-bBd6关系式，则全部电机的动态干扰磁场bBd可表示为:bBd=bBd1+bBd2+bBd3+bBd4+bBd5+bBd6(9)动态干扰校准后，系统再次按照图1的转速指令工作时，三轴磁场强度如图5所示。
对比与图2，其磁场强度变化幅度明显减小，并趋于一条稳定直线。
因此，该校准方法对电机产生的动态干扰有了明显的改善。
实际应用时，根据飞行过程中的实时电机指令，在线求得其产生的动态干扰并校准，以获得更为准确的磁场强度信息。
图5 动态干扰校准后磁场强度变化曲线3 机体坐标系静态干扰校准机体坐标系静态干扰主要包括机体磁感材料产生的恒定磁干扰以及传感器零偏。
这类干扰的主要特点是，其干扰磁场向量在机体坐标系下恒定不变。
为方便校准，研究一种新型的静态干扰磁场校准方法。
该方法利用的测量的磁场向量的变化趋势，实现飞行过程中的实时校准。
假设机体坐标系动态干扰校准完成，式(7)可表示为:bB =bBE +bBs +RBNTbNs(10)已知旋转矩阵的转置等于矩阵的逆:RBNT=RBN- 1(11)结合式(3)、式(10)可得:(12)因为bNE与bNs在导航坐标系下恒定不变，令:bNE′=bNE+bNs(13)矢量大小的平方可由其自身的点积求得，用矩阵表示法表示即为向量的转置乘以本身，则有:|bB -bBs |2= (RBNTbE′)T(RBNTbE′) = |bE′|2(14)将上式展开，得到:(15)选取任意两个时刻点状态，分别为:(16)(17)将式(16)与式(17)相减得:(18)由式(18)无法直接求得准确的静态磁场干扰，但给出干扰的方向信息。
即bB2与bB1模值的相对大小决定了向量(bB2-bB1)与bBs之间的夹角为钝角还是锐角，因此可以根据bBs的方向逐步累积补偿其偏差。
(19)为估计的静态干扰，ks为增益参数。
通过调整k可实现数值稳定性和收敛速度的平衡的每一次更新都会进一步向真实的静态干扰收敛。
当稳定后，bB2与bB1的模值相等，即为最终推算的机体坐标系静态干扰。
实验时，事先人为给定静态偏差:(20)飞行校准过程中，不断改变机头方向，算法推测的静态干扰的变化曲线如图6所示。
图中可发现推测量经过约7 s可收敛到真实偏差附近，验证了该静态校准方法的有效性。
图6 推测的静态干扰变化曲线4 导航坐标系静态干扰的罗差补偿经机体坐标系静态补偿校准后，式(10)可更新为:(21)根据式(5)求得的航向角与真实角度之间的误差即为(bNE+bNs)合成向量在水平面投影与地理正北的夹角。
因bNE与bNs恒定不变，航向角误差亦恒定不变，假设ρ为推算的航向角ψm和真实的航向角ψ0之间的误差，则有:ψm=ψ0+ρ(22)因为ρ恒定，可通过高精度仪器校准补偿[10]。
但是该方法依赖于高精度仪器，不适应于户外作业。
因此，本文研究一种飞行过程中的罗差补偿方法。
多旋翼无人机速度飞行模式一般基于导航坐标系。
以前飞为例，其速度控制器运行过程可描述为：遥控器操作产生前向速度目标值；测量GNSS模块速度反馈值；控制器运算生成姿态角控制量并将姿态角控制量分解到机体坐标系。
下面对该过程进行详细推导。
遥控器前向操作时，对应的前向速度目标值为rvx，则北向和东向的速度目标值rvn、rve可表示为:(23)初始悬停状态下，反馈速度为零，PID控制器积分量为零，生成的控制量uvn、uve可近似表示为:(24)式中，kp为比例系数，将uvn、uve转换到机体坐标系:(25)由式(23)、式(24)、式(25)可得:(26)因此，无人机初期运动方向即为机头朝向。