【干货】飞控相关的地磁知识小结
文 / across【关于作者】：一位深藏不漏的飞控算法工程师
1、飞控里面的地磁计的作用？
飞控里的传感器单元，最重要的是IMU，这里一般是泛指，准确的说法是AHRS（姿态航向参考系统），前面有提到过，加速度计和陀螺仪能准确估计出飞行器的roll和pitch，然而yaw是不能通过这两个准确得到的，这里就需要地磁计了。地磁计主要是根据地磁向量，求出飞行器与磁北的夹角。
2、地磁计的原始数据？
姿态解算算法运行前，飞控驱动层要能准确获取地磁计的数据，然而如何判定数据的有效性呢？
根据手册，一般会提供如何配置，并转换成高斯单位。判定数据的方法就是当模块指向真北的时候，x/y轴的数据正向最大，指南的时候，为负值最大。而且一般地球磁场（忽略干扰的话）数值很小，大约只有0.5高斯。
3、计算yaw需要加速度计吗？
需要用到加速度计校准飞行器的水平误差，补偿倾斜角度。
4、磁偏角？
姿态解算的时候，如要得到精确的yaw，则需要考虑磁偏角，这是什么？
因为基于磁北方向的航向角与真北方向的航向角是有差异的，也就是磁北和真北存在角度偏差，而我们姿态解算是靠磁北来算与真北的角度，所以要补偿这个夹角，这个就是磁偏角，因为地磁是会随着时间、地点变化而变化，所以磁偏角也不是一个固定值。
当然，一般这个角度不是很大的值，大约在5度左右，精度要求高的话可以补偿。
5、如何计算磁偏角？
可以根据GPS得到当前飞行器的经纬度，通过经纬度去计算磁偏角，相应的计算参看开源飞控PX4代码。
6、地磁干扰？
由于地磁磁场太过微弱，只有0.5高斯，所以很容易受到外界干扰，数据变化较大。
一般将地磁干扰分成两种，一种是硬磁干扰，另一种是软磁干扰。
硬磁干扰：认为是飞行器上被磁化的物质所产生的，一般干扰是一个固定值，不随着航向的变化而变化；
软磁干扰：认为是地磁磁场与飞行器周围的磁化物质相互作用而产生的，这个干扰数值通常不是一个固定值，与航向有关。
7、地磁校准？
那如何去除干扰？通常是在使用前进行校准。
一般方法就是将飞行器按特定角度进行转动，得到不同姿态下的磁场强度值，通过对测量值进行分析来校准，主要用来纠正零偏。
8、校准方法的区别？
校准地磁的算法，常见的有最小二乘拟合椭球、求取零点偏移等方法。那不同的算法是否差异较大？或者效果更好？
以PX4的校准算法为例，
提取一组校准使用的mag数据，进行matlab仿真，结果如图所示：
前三个数据为求零偏计算的结果，后三个是考虑椭球拟合的px4算法结果，
红色是px4的校准算法结果，蓝色是求零偏的算法结果，几乎一致，效果差不多。可以看到，因为求取的结果差异不大，因此可以使用简单的校准算法即可。
那校准前与校准后的呢？下面是一组正常的mag数据（误差不大），
蓝色校准前，红色校准后。可见，校准还是会有一定差异的。
9、不校准的影响？
Mag如果不进行校准，而原始数据的零点偏移很大的时候，这时候计算yaw会有很大的误差。
10、如何判定是否需要校准？
为什么到一个新地方就需要校准？
不同的地理环境，会让地磁数据发生变化，即零偏会发生变化，所以一般在新的地理环境下都需要进行校准。
a)看mag的原始数据值，旋转一圈，最大最小值得到的零点是否偏离0很大；
b)又或者通过yaw进行判定，飞行过程中，飞行器往前飞行（只打pitch杆），是否飞的很直；c)地面实时看yaw，每次旋转90度，转一圈，看每次yaw的收敛情况和收敛方向，如最终收敛的角度与旋转的90度较大误差，则需要进行校准。
11、地磁校准能解决一切问题吗？
答案是否定的，在某些极端情况下，地磁的干扰不能完全通过校准进行消除。
简单来说，比如外界的干扰造成地磁向量出现偏差，所以这时候通过这个有偏差的地磁向量作为参考去校准，所得到的值也是不正确的，校准只能解决数据偏移问题，不能解决干扰问题。因此会造成yaw不够精确，保证飞行的直线，这个要求在植保机尤为重要。出现这种情况下，只能通过其他办法进行补偿，比如加入GPS数据，这里笔者提供一个思路，前飞时，获取gps的heading_2d信息，即飞行器前进的角度，如果不是直线飞行，yaw有误差，则两者之间会有误差，将该误差进入解算中进行补偿，可得到较为准确的yaw（注：该方法只适用于飞行速度较快的情况下）。
12、地磁如何作用姿态解算？
举两个常见的例子说明：
a)mahony算法中，地磁校正的原理是，将参考坐标系（NED系）中的地磁向量作为参考，认为是(bx,0,bz)’，因为前面讲过，地磁向量指向正北是，水平的x/y轴，值最大。所以飞行器的地磁在机体系下的测量值(mx,my,mz)’，经过矩阵转换，得到参考坐标系下的值(hx,hy,hz)’，与参考向量相比，水平上的地磁向量值，肯定是相同的（不管坐标系如何变化），即bx2= hx2+hy2，再将其转换到机体坐标系，得到的向量与测量向量(mx,my,mz)’求误差，这个误差就认为是yaw的误差角度，对其做PI修正。
注意，这里的z轴可以不考虑，即假定参考向量是(bx,0,0)’，参考坐标系的测量值为(hx,hy,0)’，这种方法的好处是mag数据只会影响到yaw的计算，而不会与roll、pitch耦合。
b)PX4的attitude_estimator_q中，本质与mahony算法一样，不过形式上地磁的部分处理有些不一样。
将地磁的测量值转换到参考坐标系（NED系）下后，通过atan（y/x）来得到yaw，不管角度是否正确，假定为有误差的，水平认为是没有误差的，形成（0,0,mag_err）向量，再转换到机体坐标系，乘以一个校正的参数，作为补偿加入到解算中。
小结：有关飞控地磁方面的知识较为分散难以理解，工程上，这个部分仍有很多难点，这里笔者做个简单的小结，包含常见的工程上的应用问题，和一些误区，如有错误，欢迎指出，谢谢！
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