一種無人機的磁傳感器模塊及其校準方法與流程
2023-12-09 15:00:06 5
本發明涉及無人機領域，尤其涉及一種無人機的磁傳感器模塊及其校準方法。
背景技術：
近年來，農業植保機逐步普及，但因成本所限，機載地磁傳感器的性能較差，尤其是地磁傳感器的零偏啟動重複性差和溫度穩定性不佳。為保證安全飛行，一般需要在無人機更換電池、斷電上電或環境變化後，進行磁校準工作。
現有無人機包括微小型航拍無人機和農業值保機上的磁傳感器的傳統校準需要將整機沿水平方向和垂直方向至少各旋轉一周。但農業植保機體積大、載荷重，少則十幾公斤多則幾十公斤，難以像輕便的航拍無人機進行磁校準操作，個人很難單獨完成校準工作，至少需要兩人協作完成，過程繁瑣降低了用戶體驗。為簡化磁校準方法，需要優化改進磁傳感器校準過程，基於此需要設計一種簡易的可拆卸式的磁傳感器模塊及其相應的校準步驟。
技術實現要素：
本發明的目的是提供一種可拆卸式磁傳感器裝置及其應用於無人機時的校準方法，它彌補了上述缺陷，用戶每次使用前取下可拆卸式磁傳感器模塊進行旋轉校準即可，操作方便快捷；此外，如果磁傳感器出現故障，更換部件進行維修也極為方便，提升了設備的可靠性和操作效率。具體如下：
一種磁傳感器模塊，包括磁傳感器、處理器、供電裝置、指示燈、開關、通信供電接口；
所述處理器用於採集磁傳感器上的數據來計算磁校準和補償參數、完成與飛行控制模塊之間的數據通信，並控制磁傳感器模塊校準指示燈的指示狀態；
所述供電裝置用於為磁傳感器模塊供電；
所述指示燈用於指示磁傳感器模塊電源的工作狀態；
所述開關用於控制供電裝置中電源的通斷；
所述通信供電接口用於磁傳感器模塊與飛行控制模塊之間進行數據傳輸及對磁傳感器模塊進行供電。
進一步地，所述磁傳感器模塊與飛行器控制模塊通過插接件進行連接，該連接方式是可拆卸的連接。
進一步地，所述供電裝置為可充電鋰電池，包括充電管理晶片和防反接電路。
本發明還提供一種包含上述磁傳感器模塊的無人機的校準方法，，所述方法包括如下步驟：
1)無人機組裝完成後，首先對磁傳感器模塊進行校準；
2)將磁傳感器模塊裝載在無人機上；
3)待飛行控制模塊上電後，調整無人機進入飛控工作模式，並進行磁校準。
進一步地，所述的首先對磁傳感器進行校準包括如下步驟：
1)將磁傳感器模塊置於空曠無磁幹擾的場地上，打開開關啟動磁傳感器校準程序；
2)觀察指示燈狀態，當指示燈提示用戶開始磁校準時，用戶拿著磁傳感器模塊正面朝上，水平旋轉一到兩圈，待指示燈提示水平旋轉校準成功後，繼續將磁傳感器模塊翻轉90度，使其水平軸豎直向下指向地面，繞所述水平軸旋轉磁傳感器模塊一圈到兩圈直至指示燈提示磁校準過程完成，磁傳感器誤差校準參數自動存儲到處理器中；
3)將所述磁傳感器模塊連接到無人機的飛行控制模塊上。
更進一步地，所述的水平軸為X軸或Y軸。
進一步地，所述的調整無人機進入飛控模式，並進行磁校準是通過遠程遙控方式進行控制的。
進一步地，無人機更換電池或環境變化後可僅對磁傳感器模塊進行校準，無需對無人機進行整機校準。
本發明涉及的帶有上述磁傳感器模塊的無人機為農業植保無人機。
綜上所述，本申請提供一種可拆卸式的磁傳感器模塊及包含該模塊的無人機的校準方法，通過將磁傳感器模塊與飛行控制器分開獨立設計，節省了無人機校準的時間，提高了校準的便利性，特別是在農業植保等行業有很高的應用價值。
附圖說明
參考所附附圖，以更加充分的描述本發明的實施例。然而，所附附圖僅用於說明和闡述，並不構成對本發明範圍的限制。
圖1是現有的磁傳感器與飛行控制模塊的連接結構。
圖2是本發明的可拆卸式的磁傳感器模塊與飛行控制模塊的連接結構。
圖3為本發明的帶有磁傳感器模塊的無人機校準方法。
具體實施方式
下面結合附圖和具體的實施例對本發明作進一步的說明，但是不作為本發明的限定。
通常帶有測量誤差的磁傳感器測量輸出的基本模型如式(1)所示：
Bout＝KBt+B0 (1)
上式中，等式左邊一項為磁傳感器的輸出矢量包含沿x、y、z三軸分量；等式右邊矩陣其對角線元素為刻度因子誤差，非對角線元素為安裝誤差，主要是由於磁傳感器的三個軸沒有構成標準正交而產生；為理想磁感應強度矢量，包含x、y、z三軸分量；為三軸零偏，即理想磁感應強度為0時傳感器的輸出。
通常磁傳感器的測量誤差受兩方面因素影響：一方面是磁傳感器安裝環境中的軟硬磁幹擾誤差，另一方面是磁傳感器由於生產工藝等造成的自身傳感器誤差。這兩方面的因素均會導致式(1)中產生零偏B0和刻度因子及安裝誤差陣K。磁傳感器安裝環境中的硬磁幹擾誤差主要由磁傳感器附近的電磁裝置(如馬達、電機等)和電路元件(如電池、電線中直流電等)造成，其特點是只要磁傳感器與幹擾源的安裝位置相對固定，其影響就不隨無人機的飛行環境和位置變化而發生變化。
硬磁幹擾主要對式(1)中的零偏B0產生影響，且磁傳感器安裝到無人機上後，經一次校準即可確定下來硬磁幹擾造成的磁傳感器測量誤差，由硬磁幹擾導致的磁傳感器誤差記為固定誤差δBfixed。而磁傳感器的軟磁幹擾會隨著實際無人機的飛行過程而不斷發生變化，很難在飛行前進行離線校準。另外一個磁傳感器自身誤差的影響因素導致的零偏B0和刻度因子及安裝誤差陣K，由於啟動重複性差以及溫度穩定性差，因此需要在磁傳感器每次上電使用前均需進行一次標校工作。
本發明針對由磁傳感器測量誤差的影響因素的來源，提出一種將無人機磁傳感器誤差校準參數分離的思想，將磁傳感器校準誤差分為硬磁幹擾造成的空間固定誤差δBfixed和磁傳感器每次開機使用前的時空變化誤差δBvar兩部分。因為空間固定誤差δBfixed主要由磁傳感器與飛機相對安裝位置決定，只要安裝位置固定就不發生變化，裝機後只需一次校準就可以確定；而時空變化誤差δBvar需要在磁傳感器每次開機使用前都要進行校準。基於此，本發明提出了一種將δBfixed和δBvar兩種誤差分開校準的磁傳感器模塊集成及相關的無人機校準方法。
圖1為傳統的磁傳感器與飛行控制器連接的方式，兩者為一體結構，在進行無人機校準時只能整機進行，對於像農業植保機這樣的大型設備，載荷較大，校準時至少需要兩人配合完成，很不方便。
針對上述問題本發明設計了一種可拆卸式的磁傳感器模塊，該一種磁傳感器模塊，包括磁傳感器、處理器、供電裝置、指示燈、開關、通信供電接口；
其中，處理器用於採集磁傳感器數據計算磁校準和補償參數，完成與飛行控制模塊之間的數據通信，並控制磁傳感器模塊校準狀態指示燈的指示模態；
供電裝置用於為磁傳感器模塊供電；
指示燈用於指示磁傳感器模塊電源的工作狀態；
開關用於控制供電裝置中電源的通斷；
通信供電接口用於磁傳感器模塊與飛行控制模塊之間進行數據傳輸及對磁傳感器模塊進行供電或充電。
磁傳感器模塊與飛行控制模塊獨立設計，為可拆卸式的連接方式，方便將磁傳感器模塊隨時取下單獨進行校準。
傳統的機載磁傳感器缺乏相應的狀態指示燈、供電電池以及開關按鈕等部件，無法在脫離飛控系統的情況下單獨對磁傳感器進行校準，而是需要通過傳送數據至其他模塊協同才能完成磁校準工作，因此無法規避繁瑣的校準流程；本發明的可拆卸式磁傳感器模塊，具備獨立的處理單元、狀態指示以及供電裝置，可以單獨完成磁傳感器的校準工作，能夠有效地優化現有的校準過程。
本發明還提供了一種帶有可拆卸式磁傳感器模塊的無人機校準方法，具體步驟如圖3所示，包括無人機首次進行磁傳感器模塊安裝前對磁傳感器模塊的單獨校準和安裝後對無人機整機校準兩部分。
首先，單獨對可拆卸式磁傳感器模塊進行校準。將可拆卸式磁傳感器模塊拿到空曠無磁幹擾場地，通過磁傳感器模塊上的開關啟動磁傳感器校準程序，觀察指示燈狀態，當指示燈提示用戶開始磁校準時，用戶拿著磁傳感器模塊正面朝上，水平旋轉一到兩圈，待指示燈提示水平旋轉校準成功後，繼續將磁傳感器模塊翻轉90度，使其某一水平軸(X軸或Y軸)豎直向下指向地面，繞這一水平軸旋轉磁傳感器模塊一到兩圈直至指示燈提示磁校準過程完成，此時磁傳感器誤差校準參數存儲到處理器中。校準完成後，不要關閉磁傳感器模塊開關，直接將其連接到無人機上的飛行控制模塊上。
然後，將可拆卸式磁傳感器模塊安裝後進行整機校準。
待無人機的飛控系統上電後，通過遠程遙控端控制飛控工作模態進入磁校準模式，然後將無人機拿到空曠無磁幹擾處，操作員手持無人機原地轉動一到兩圈後，觀察遠程遙控端是否提示水平校準結束；待遠程遙控端發出提示信息後，豎直翻轉無人機，操作員繼續原地轉動一到兩圈，直至飛控系統指示燈提示磁校準完畢。通過遠程遙控端控制飛控存儲此時獲得的磁傳感器校準誤差參數到飛控模塊內部非易失性存儲器(如flash、FRAM等)。
當無人機更換電池、斷電上電或環境變化後，單獨取下可拆卸式磁傳感器校準模塊進行獨立校準，校準結束後直接插入無人機的飛控模塊，此時無人機就可以正常起飛。
本發明所述的無人機主要可用於無人機載重較大，整機校準極不方便的農業植保行業。
綜上所述，本申請提供了一種可拆卸式的磁傳感器模塊及其在無人機應用中的校準方法，該種與飛行控制模塊獨立設計的結構可單獨進行校準，操作方便，而且節省了校準時間，可以滿足無人機載荷較大的應用場合。
通過說明和附圖，給出了具體實施方式的特定結構的典型實施例，基於本發明精神，還可作其他的轉換。儘管上述發明提出了現有的較佳實施例，然而，這些內容並不作為局限。
對於本領域的技術人員而言，閱讀上述說明後，各種變化和修正無疑將顯而易見。因此，所附的權利要求書應看作是涵蓋本發明的真實意圖和範圍的全部變化和修正。在權利要求書範圍內任何和所有等價的範圍與內容，都應認為仍屬本發明的意圖和範圍內。