二、电子罗盘
电子罗盘也称数字指南针、磁力计，是利用地磁场来确定北极的一种设备。现在一般用磁阻传感器和磁通门加工制成电子罗盘。
电子罗盘可由地球的磁场来感测方向，为导航提供方向数据。然而，电子设备所受到的磁场干扰，比地球磁场要强，导致电子罗盘容易受到各种环境因素的干扰。因此，电子罗盘需要经过频繁的校正，才能维持方向数据的准确度。
电子罗盘是无人机重要的导航工具，能实时提供运载体的航向和姿态。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，芯片厂商推出了将三轴磁力计和三轴加速度计集成在一个封装里的二合一传感器模块LSM303D。在开源飞控Pixhawk中就用到了LSM303D芯片（图3-50）。
图3-50 Pixhawk飞控上的LSM303D
1.地磁场和航向角
地球的磁场像一个条形磁体一样由地磁南极指向地磁北极（图3-51）。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特斯拉（T）或高斯（Gs）（1 T=10 000 Gs）。随着地理位置的不同，通常地磁场的强度是0.4～0.6 Gs。需要注意的是，磁北极和地理上的北极并不重合，通常它们之间有11.5°左右的夹角，一般称这个夹角为磁偏角。
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（图3-52）。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3个轴就与这3个分量对应起来。
图3-51 地球磁场分布
图3-52 地磁场矢量分解示意
实际上对水平方向的两个分量来说，它们的矢量和总是指向磁北的。罗盘中的航向角α为当前方向和磁北的夹角。在电子罗盘水平状态下，只需要用磁力计水平方向两轴（通常为X轴和Y轴）的测量数据，就可以用式（3-27）计算出航向角。当罗盘水平旋转时，航向角在0°～360°变化。
2.工作原理
在LSM303D中，磁力计采用各向异性磁致电阻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3-53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45°倾斜排列，电流从这些导线上流过，如图3-54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45°的夹角。
图3-53 AMR材料示意
图3-54 45°角排列的导线
当有外界磁场时，AMR上主磁域方向就会发生变化而不再是初始的方向，那么磁场方向和电流的夹角θ也会发生变化，如图3-55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3-56所示。
图3-55 磁场方向和电流方向的夹角
图3-56 θ-R特性曲线
在工程上，一般采用惠斯通电桥检测AMR阻值的变化，如图3-57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。当检测到外界磁场时，R1/R2阻值增加ΔR，而R3/R4减少ΔR。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ΔV。
图3-57 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ΔR时，电桥输出ΔV正比于ΔR，从而建立起磁场和电压的线性关系，这就是磁力计的工作原理。
LSM303D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 Gs 到8.1 Gs共分7挡，用户可以自由选择。并且在20 Gs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，其分辨率可以达到8 mGs，并且内部采用12位ADC，以保证对磁场强度的精确测量。与采用霍尔效应原理的磁力计相比，LSM303D的功耗低、精度高、线性度好，并且不需要温度补偿。
3.磁场干扰及校准
电子罗盘主要是通过感知地球磁场的存在来计算磁北极的方向。而在实际情况中，由于地球磁场在一般情况下只有微弱的0.5 Gs，而一个普通的手机喇叭相距2 cm时就会有大约4 Gs的磁场。而无人机上设备多、线路复杂、电流大，这就使得针对地球表面磁场的测量很容易受到磁场干扰，从而带来测量误差，所以需要对电子罗盘进行校正。
当没有磁场干扰时，让磁罗盘在当地水平面内旋转一圈。得到的测量曲线如图3-58所示，是一个标准的圆。
图3-58 无干扰时在水平面内测得的地磁场数据
当有磁场干扰时，测量曲线会是怎样的呢？这就需要了解干扰磁场的种类，无人机上的干扰磁场一般可分为硬磁场和软磁场。当罗盘所在的环境中存在磁偶极子时，便会产生硬磁干扰，如无人机上的电调、电机、导线中的电流和电池等。由于这些磁偶极子都会产生一个附加的磁场（恒定磁场，类似地磁场，可看作一个矢量场）。因此，当干扰磁场和地磁场叠加到一起时，实际的测量曲线将是在原图的基础上发生偏移（相当于原图各点都进行了相同的向量运算），如图3-59所示。
图3-59 硬磁场干扰情况下的地磁场测量数据
软磁干扰是由可磁化物质扭曲当地的磁场所造成的（图3-60）。这些物质主要包括镍、铁和其他能造成干扰的磁性材料。通过上面的分析，不难发现，在有软磁干扰情况下，测量所得的曲线将会是一个椭圆（图3-61）。因此，在利用各点的x值和y值计算旋转角度时，会比在硬磁干扰情况下难度更大。
图3-60 软磁干扰
图3-61 软磁场干扰情况下的实际地磁场测量数据
在绝大多数的应用中，硬磁干扰和软磁干扰同时存在，且需要补偿。在这种情况下，本地磁场的测量曲线表现为发生了一定程度上偏移（相对坐标中心）的椭圆（图3-62）。需要说明的是，本地的实际磁场可能会明显大于地球磁场，所以，罗盘中的磁传感器需要有足够的量程进行测量和校准。而对于环境中的这些磁干扰，只需确定其在空间上与传感器的位置关系后，就能够对其进行补偿校准。
图3-62 硬磁场和软磁场干扰下的实际地磁场测量数据
图3-63是在三维空间中，电子罗盘在周围有干扰磁场情况下的测量图。其中，椭球代表的是实际测量的磁场，球状线框则是罗盘的测量值在经过校准后应该得到的结果。
图3-63 实际磁场和校准后的磁场
另外一种磁场干扰的分类方式是按照干扰源的位置来分类，同样也可以分为两类：一类是干扰源在机体之外，其特点是磁场方向不随罗盘坐标系的转动而转动，如果距离无人机机体较近（如高压线、通信基站附近），这种情况下只能避免使用磁力计来进行导航，而无法通过校准去减弱或者消除；另一类是干扰源在机体上，如机载电子设备、电机、电源线等，它们产生的干扰磁场会随着电子罗盘坐标系的转动而转动，对于罗盘坐标系来说，是一个恒定值。
目前，电子罗盘的校准一般针对的都是干扰源在机体上的硬磁和软磁干扰，比较精准的校准方式是基于最小二乘法的椭球拟合校正方法。
4.磁罗盘校准
这里以Pixhawk飞控磁罗盘校准为例讲解磁罗盘校准方法。校准前需要准备一架组装好的无人机（装有Pixhawk飞控）、一根Micro USB线和一台装有Mission Planner的地面站。当飞控装在无人机上时，建议使用数传代替Micro USB线，同时注意远离磁场干扰强的地方，如高压线、通信基站附近及含铁、镍的制品。然后就可以开始校准了。
（1）打开地面站，连接飞控，设置COM端口号和波特率，选择“连接”选项，连接成功后进入“初始设置”页面，展开左侧“必要硬件”，可以看到如图3-64所示的选项。
图3-64 磁罗盘校准页面
（2）设置选项。“指南针#1”是GPS罗盘，属于外置罗盘，所以要勾选外部安装，同时在下拉框里要选择“None”，不可以选择“ROLL_180”，因为GPS的罗盘和Pixhawk飞控的罗盘一般是同一面且同方向的。“指南针#2”是飞控内置罗盘。另外，必须要勾选“常规指南针设置”里的“启用指南针”和“自动获取磁偏角”两项，“Onboard Mag Calibration”选项框里的“Fitness”下拉列表改为“Relaxed”或者“Default”。
由于Pixhawk飞控支持双罗盘校准，当Pixhawk飞控连接集成了电子罗盘的GPS模块时，这时需要保证外罗盘安装方向和飞控安装方向保持一致，否则系统会提示“Inconsistent Compasses”消息。
需要注意的是，由于内置罗盘容易受干扰，加上如果没有正确校准，容易出现罗盘不同步的错误。所以，如果飞控连接了GPS罗盘，完全可以只使用外置罗盘，因为外置罗盘相较于内置罗盘离磁场干扰更远，比较稳定。
确保选项按照上面的图正确设置，之后单击“开始”按钮即可开始校准。
（3）板载校准。板载校准就是校准程序运行在自驾仪上。单击“Onboard Mag Calibration”选项框中的“开始”按钮，会出现两个正在动的进度条（图3-65），“Mag 1”是GPS外置罗盘，“Mag 2”是飞控内置罗盘。
如果自驾仪有蜂鸣器会听到一阵长鸣，然后每秒一次短鸣。将飞机各个方向都指向地面，直到绿色进度条全满为止。
图3-65 校准进度条
进度条满后会出现数据，之后飞控断电重新连接。需要注意的是，出数据后不用单击“接受”按钮。如果罗盘进度条一直在动，一直不出数据，建议飞控刷最新版本，地面站用最新的；同时，GPS要用支架撑起来固定好，飞控的箭头和GPS的箭头保持一致。
（4）校准成功会响3声，飞控要断电，并重新连接地面站。
另外，也可以不依靠地面站来进行磁罗盘校准，步骤如下：
（1）进行遥控器校准；
（2）全油门和全右偏航打2 s；
（3）如果自驾仪有蜂鸣器会听到一阵长鸣，然后每秒一次短鸣，将飞机各个方向都指向地面；
（4）校准成功会响3声，需要给飞控断电，再重启自驾仪。
5.倾斜补偿及偏航角计算
经过校准的电子罗盘在水平面上已经可以正常使用了。但是更多的时候机体并不是保持水平的，通常它与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。
图3-66展示了物体在空中的姿态。Pitch（Φ）定义为x轴与水平面的夹角，图示方向为正方向；Roll（θ）定义为y轴与水平面的夹角，图示方向为正方向。由Pitch角引起的航向角的误差如图3-67所示。可以看出，在x轴方向10°的倾斜角就可以引起航向角最大8°的误差。
图3-67 Pitch角引起的航向角误差
图3-66 Pitch角和Roll角
假设无人机在空中的倾斜姿态如图3-68所示，通过三轴加速度传感器检测出3个轴上重力加速度的分量，再通过式（3-28）可以计算出俯仰角θ和滚转角φ。
图3-68 无人机在空中的倾斜姿态
式（3-29）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（3-27）中计算航向角需要的Hy和Hx。之后再利用式（3-27）计算出航向角。
假设，三轴磁阻传感器对准载体坐标系进行安装，以东北天坐标系作为参考坐标系。试验地点的磁场矢量强度为H，东北天3个轴向的地磁分量为Hx、Hy、Hz。同时，利用磁阻传感器测得的载体系下的三轴磁分量为XM、YM、ZM。则存在以下关系：
为从参考系到载体系的变换矩阵。
将式（3-31）展开再代入式（3-30）中，可得：
上述方程，Hx、Hy、Hz可以通过磁场模型获得，XM、YM、ZM通过磁阻传感器获得，但利用上式，还无法解出3个姿态角，因为上述3个方程不是互相独立的，因此需要知道至少一个姿态角，才能计算另外两个姿态角。所以地磁测姿系统常常需要配合其他装置一起使用。
在无人飞行器上常用加速度计+磁强计组合的定姿方法。静止状态或悬停状态，利用加速度计计算得到横滚角和俯仰角，利用磁强计解算得到偏航角。
上述方法忽略了磁偏角（图3-51）。图中的假设“磁地理坐标系与b系重合”，最终解算的偏航角是在磁地理坐标系下的，并非在常用的东北天地理坐标系下，因此，如果得到在地理坐标系下的偏航角，需要减去磁偏角。磁偏角需要根据观测点的经纬高，利用IGRF或WMM地磁模型计算。
【任务实施】
一、排故前注意事项
检修排故前，一定要将无人机桨叶拆卸下来。
二、检修
将无人机连接至Mission Planner地面站，尝试解锁。
1.故障信息为“Compass not healthy”
如果故障信息为“Compass not healthy”，其含义是罗盘不健康，可能的原因是硬件损坏；或者是环境温度低于0 ℃，导致罗盘传感器没有数据。
解决方案如下：
（1）无人机重新上电，重新校准罗盘，如果还是同样的故障信息，进行下一步。
（2）如果无人机所处环境温度过低，做好保温措施，重新上电。
（3）在地面站的状态窗口，检查罗盘数值是否正确（图3-69）。
图3-69 无人机状态信息
（4）如果故障信息依旧，则要考虑罗盘硬件损坏的原因，需要更换磁罗盘。
2.故障信息为“Compass not calibrated”
如果故障信息为“Compass not calibrated”，其含义为磁罗盘未校准，可能的原因是磁罗盘没有校准，或者磁罗盘被移除和新增，但并未校准。
解决方案为将磁罗盘安装好后，重新进行磁罗盘校准。机体坐标系下X、Y、Z轴方向的3个测量值的平方和开根号大于500，就会提示
3.故障信息为“Compass offsets too high”
如果故障信息为“Compass offsets too high”，其含义为罗盘偏移值太高。磁罗盘测得的
故障信息，一般都是磁罗盘附近有磁性物体（电动机、螺栓、电池等），或者环境有比较强的磁场干扰引起的。
解决方案如下：
（1）使用外置罗盘避开飞控内部各种干扰；
（2）确保无人机周围没有干扰磁场，比如远离高压线、基站以及含有铁和镍的金属物体；
（3）重新上电，并重新进行磁罗盘校准。
4.故障信息为“Check mag field”
如果故障信息为“Check mag field”，其含义是检查磁场。可能的原因是无人机在室内环境、改变了环境或者附近有磁场干扰。
解决方案如下：
（1）如果改变了环境，重新做校准即可；
（2）如果在室内或者有干扰源，远离干扰源即可。
5.故障信息为“Compasses inconsistent”
如果故障信息为“Compasses inconsistent”，其含义是罗盘不一致，原因是内部罗盘和外部罗盘指向不一致（＞45°）。通常是外部罗盘方向设置不正确导致。解决方案为在地面站的全部参数表中，修改Compass_orient参数；或者保持外罗盘方向和飞控方向一致，并重新做校准即可。
【拓展阅读】
Pixhawk飞控“Bad AHRS”解决方法
在调试无人机时，有时会莫名其妙地报错（图3-70）。
图3-70 Bad AHRS
那么这种错误如何解决呢？“Bad AHRS”意味着航姿参考系统有问题，而航姿参考系统主要由加速度计、陀螺仪和磁力计组成，所以问题可能出在这3个传感器上。
对于多轴无人机，可能的原因如下：
（1）加速度计和水平没校准，或者校准不对；
（2）加了GPS，但GPS没固定，或者GPS的箭头没有与飞控保持一致；
（3）磁罗盘没校准好。
相对应的解决的方法如下：
（1）正确校准加速度，校准后飞控断电，重新连接，校准水平。
（2）正确组装GPS，确保固定好GPS，并且GPS的箭头和飞控的箭头要一致。飞控和GPS要是一体的，也就是说，GPS和飞控要一起移动，不可以单个移动。
（3）正确校准罗盘。如果加了GPS，注意正确校准双罗盘。
对于固定翼无人机，如果安装多旋翼无人机的排故方法还是无法解决这个问题，那可能的原因是飞控搜不到卫星。
这是因为最新的Pixhawk固定翼飞控使用了GPS中AHRS算法的一部分。很多人是在室内调试飞控，而室内由于没法搜星或者搜星不足精度不够，导致GPS报错，从而导致AHRS报错。
解决方法如下：
（1）到室外空旷地方搜星，解决GPS搜星问题；
（2）把AHRS_GPS_USE的参数改为0，改后记得单击右边的“写入参数”按钮，改后还应记得飞控断电重新连接（图3-71）。
图3-71 AHRS_GPS_USE参数
第二种方法只是室内调试固定翼无人机的权宜之计，建议可以暂时改为0，等到室外后再改为1。
【巩固提高】
1.简述Pixhawk飞控上磁力计校准步骤。
2.简述AHRS和IMU的区别。
3.磁力计在使用过程中会遇到哪些磁场干扰？