無人機系統磁干擾對電子羅盤指向能力影響的分析

電子羅盤提供地磁指向功能,可提供電子系統產品絶對方位,在很多需設定路徑移動的設備上都需用到。電子羅盤也提供陀螺儀傳感器及GPS導航機運作的校正,對於可自由移動的電子設備,例如無人機、機器人、部分自動掃地機的運作穩定性有影響。

但對於一般的硬件設計者來說,由於接觸地磁及磁場的相關知識機會比較少,因此往往在做電子羅盤設計時疏漏了一些要點,而造成系統運作的不正常。常見相關的問題有:

♦電子羅盤校正不容易,繞了好久都無法校正完成

♦運作沒有很久就顯示需要校正,常常需要校正

♦動態運作時,才發生問題,例如高速飛行時才發生方向偏差

♦無論如何校正,運作都不正常

事實上,設計者只要選擇一個不易受到干擾的位置,放置電子羅盤元件,相對就會有比較好的指向功能。一般電子系統上電子羅盤受到的干擾可分為系統內及外部的干擾,由於磁場和距離的多次方(依磁場產生來源而不同)成反比,因而系統內的元件相對的影響是比較大,有了好的系統設計,就有了好的基礎。

以下針對無人機如何進行系統內磁場影響的性能評估,說明程序及資料解讀方法:

 

配置

本方法可應用於無人機己完成硬件打樣或試作的情況,無需實際飛行即可完成分析。

進行測試前必須先進行電子羅盤的校正,請依照無人機的使用說明進行校正。

為了解整體系統的性能,我們必須把無人機固定,請使用沒有磁場影響的材料來固定,例如木材、塑膠、泡棉、鋁材或其他材料,也請避開鐵的螺絲或是鐵釘會有磁性影響的零件。為了解完整的影響,最好是外殼也裝上,有時金屬固定件也會影響磁場;旋翼也必須裝上完整模擬實際飛行情況,否則旋翼沒有負荷,馬達電流會很小。

由於無人機的馬達及電流可能是干擾源,因此我們必須從I2C接口,接出以下幾個數據,以作為研判的依據:X軸磁場大小、Y軸磁場大小、Z軸磁場大小及油門/電門大小。並根據X, Y, Z軸磁場大小,算出整體磁場強度以及方向指向。

以上的數據,可以經由連接線送到外接的電腦,或是數量不多情況下先暫時存在系統的內存,再取出作分析。因為我們之前已將系統固定起來,因此除非要作移動的測試,否則將數據傳送到外接的電腦是比較方便的,而且資料記錄比較不受存儲空間的限制。

 

測試程序

本分析主要想了解電門變化對於電子羅盤感應磁場的分析。因此,只要使用無人機的遙控器將電門由最小開到最大,並記錄X軸磁場大小、Y軸磁場大小、Z軸磁場大小、整體磁場強度、方向指向、及油門/電門大小相對數據即可。X軸磁場大小、Y軸磁場大小、Z軸磁場大小可依磁傳感器的規格讀出,而油門/電門大小可由無人機系統讀出。將以上數據在同一個時間軸上劃出來即可進行分析。

 

正常設計的數據判讀

如果系統上的電子羅盤經過正確校正,由於測試期間無人機已被固定,沒有方向的變化,因此在油門變化的情況下,X軸磁場大小、Y軸磁場大小、Z軸磁場大小、整體磁場強度、方向指向應該保持不動才對。但實際上,由於電子羅盤元件本身及系統都會有噪聲,因此會有一定程度的上下抖動,但趨勢應該是不變的。這個抖動的幅度,越小越好,移動路線越穩定。

但實際上,由於油門由無到有及從有到無時,會產生一個突波影響電路,因此在初始加油門及放掉油門時,X軸磁場大小、Y軸磁場大小、Z軸磁場大小會有稍大的抖動,只要程度不是太大還算是正常。當然,這個抖動越小,也代表電子羅盤放置的位置比較好,及系統的設計比較好。

下圖是一個設計正確的無人機,可以看到四次油門變化,從零加速到100%,不管是X軸、Y軸、Z軸磁場大小趨勢都沒有動,只有初始加油門及從100%急收油門時,會有較大的抖動。

有這樣特性的無人機,表示在運作時電子羅盤不會受到系統內的磁場干擾影響,整體運作將有較好的操控性能。

 

異常設計的數據判讀

相對的,如果是設計不當的系統,雖然無人機是固定的,但是在加油門的過程中,系統內的電流及元件會發生磁場的變化。這是因為系統內運作時,其他元件產生的磁場,影響到電子羅盤各軸的讀值。更差的情況時,當油門回到零時,電子羅盤各軸的讀值仍無法回到加油門前的讀值,表示產生磁滯(如果電子羅盤感受磁場超過動態範圍)或電子羅盤週邊元件被磁化的情況,(在下一次進行校正前)永久地影響電子羅盤的指向能力了。

本案例中,可看到隨著油門增加,一開始X軸磁場漸漸變大,Y和Z軸磁場則漸漸變小,表示油門增加的電流大小及其他因素影響電子羅盤各軸的讀值,而在持續油門增加時,各軸讀軸出現反轉或持平的變化,代表各軸受到一個以上的干擾因素影響。而相對Z軸受到的影響比較大,其次為X軸及Y軸。但整體電子羅盤感受到磁場大小和油門變化趨勢相同。

而在收油門的過程中,可看到初期各軸的讀值比較沒有變化,後半段過程則發生X和Z軸磁場則漸漸上升,Y軸磁場漸漸下降的情況。但是在油門關閉後,仍持續發生X和Z軸磁場漸漸上升情況,而Y軸磁場則持平。

仔細觀察最後各軸的讀值,發現X軸磁場讀值相較於初始值有較大的變化,而Y軸及Z軸磁場讀值變化較小。因為此處使用的電子羅盤是愛盛科技的IST8310超低磁滯磁傳感器,於是在此看到的磁滯現象,主要是來自於週邊所擺放的元器件,例如電容,被磁化產生磁場影響所致。我們也可從受到影響最大的是X軸磁場的現象,來回推找出可能的原因。

以上無法回復到原點的情況,在某個程度以下可透過校正程序校正回來。但是以上述情況可以發現系統本身磁場變化很容易受到運作而變化,即使一時校正回來,但是由於容易變化的原因還在,一但運作後電子羅盤又無法正常工作。這時就會發生時時需要校正的情況。

因此,對於有上述現象的系統,建議重新檢討硬件設計,降低電子羅盤受到影響的情況,從基本改善問題。

 

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