CN106646281A - 一种无人机的磁传感器模块及其校准方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及无人机领域，尤其涉及一种无人机的磁传感器模块及其校准方法。本发明的磁传感器模块包括磁传感器、处理器、供电装置、指示灯、开关和通信供电接口；该磁传感器模块与飞行控制模块独立设计，应用到无人机上时可在每次使用前取下进行单独校准。本发明的无人机磁传感器模块具有校准方便快捷，部件更换方便，可适用于农业植保无人机等载荷较大的场合。

Description

一种无人机的磁传感器模块及其校准方法

技术领域

本发明涉及无人机领域，尤其涉及一种无人机的磁传感器模块及其校准方法。

背景技术

近年来，农业植保机逐步普及，但因成本所限，机载地磁传感器的性能较差，尤其是地磁传感器的零偏启动重复性差和温度稳定性不佳。为保证安全飞行，一般需要在无人机更换电池、断电上电或环境变化后，进行磁校准工作。

现有无人机包括微小型航拍无人机和农业值保机上的磁传感器的传统校准需要将整机沿水平方向和垂直方向至少各旋转一周。但农业植保机体积大、载荷重，少则十几公斤多则几十公斤，难以像轻便的航拍无人机进行磁校准操作，个人很难单独完成校准工作，至少需要两人协作完成，过程繁琐降低了用户体验。为简化磁校准方法，需要优化改进磁传感器校准过程，基于此需要设计一种简易的可拆卸式的磁传感器模块及其相应的校准步骤。

发明内容

本发明的目的是提供一种可拆卸式磁传感器装置及其应用于无人机时的校准方法，它弥补了上述缺陷，用户每次使用前取下可拆卸式磁传感器模块进行旋转校准即可，操作方便快捷；此外，如果磁传感器出现故障，更换部件进行维修也极为方便，提升了设备的可靠性和操作效率。具体如下：

一种磁传感器模块，包括磁传感器、处理器、供电装置、指示灯、开关、通信供电接口；

所述处理器用于采集磁传感器上的数据来计算磁校准和补偿参数、完成与飞行控制模块之间的数据通信，并控制磁传感器模块校准指示灯的指示状态；

所述供电装置用于为磁传感器模块供电；

所述指示灯用于指示磁传感器模块电源的工作状态；

所述开关用于控制供电装置中电源的通断；

所述通信供电接口用于磁传感器模块与飞行控制模块之间进行数据传输及对磁传感器模块进行供电。

进一步地，所述磁传感器模块与飞行器控制模块通过插接件进行连接，该连接方式是可拆卸的连接。

进一步地，所述供电装置为可充电锂电池，包括充电管理芯片和防反接电路。

本发明还提供一种包含上述磁传感器模块的无人机的校准方法，，所述方法包括如下步骤：

1)无人机组装完成后，首先对磁传感器模块进行校准；

2)将磁传感器模块装载在无人机上；

3)待飞行控制模块上电后，调整无人机进入飞控工作模式，并进行磁校准。

进一步地，所述的首先对磁传感器进行校准包括如下步骤：

1)将磁传感器模块置于空旷无磁干扰的场地上，打开开关启动磁传感器校准程序；

2)观察指示灯状态，当指示灯提示用户开始磁校准时，用户拿着磁传感器模块正面朝上，水平旋转一到两圈，待指示灯提示水平旋转校准成功后，继续将磁传感器模块翻转90度，使其水平轴竖直向下指向地面，绕所述水平轴旋转磁传感器模块一圈到两圈直至指示灯提示磁校准过程完成，磁传感器误差校准参数自动存储到处理器中；

3)将所述磁传感器模块连接到无人机的飞行控制模块上。

更进一步地，所述的水平轴为X轴或Y轴。

进一步地，所述的调整无人机进入飞控模式，并进行磁校准是通过远程遥控方式进行控制的。

进一步地，无人机更换电池或环境变化后可仅对磁传感器模块进行校准，无需对无人机进行整机校准。

本发明涉及的带有上述磁传感器模块的无人机为农业植保无人机。

综上所述，本申请提供一种可拆卸式的磁传感器模块及包含该模块的无人机的校准方法，通过将磁传感器模块与飞行控制器分开独立设计，节省了无人机校准的时间，提高了校准的便利性，特别是在农业植保等行业有很高的应用价值。

附图说明

参考所附附图，以更加充分的描述本发明的实施例。然而，所附附图仅用于说明和阐述，并不构成对本发明范围的限制。

图1是现有的磁传感器与飞行控制模块的连接结构。

图2是本发明的可拆卸式的磁传感器模块与飞行控制模块的连接结构。

图3为本发明的带有磁传感器模块的无人机校准方法。

具体实施方式

下面结合附图和具体的实施例对本发明作进一步的说明，但是不作为本发明的限定。

通常带有测量误差的磁传感器测量输出的基本模型如式(1)所示：

B_out＝KB_t+B₀ (1)

上式中，等式左边一项为磁传感器的输出矢量包含沿x、y、z三轴分量；等式右边矩阵其对角线元素为刻度因子误差，非对角线元素为安装误差，主要是由于磁传感器的三个轴没有构成标准正交而产生；为理想磁感应强度矢量，包含x、y、z三轴分量；为三轴零偏，即理想磁感应强度为0时传感器的输出。

通常磁传感器的测量误差受两方面因素影响：一方面是磁传感器安装环境中的软硬磁干扰误差，另一方面是磁传感器由于生产工艺等造成的自身传感器误差。这两方面的因素均会导致式(1)中产生零偏B₀和刻度因子及安装误差阵K。磁传感器安装环境中的硬磁干扰误差主要由磁传感器附近的电磁装置(如马达、电机等)和电路元件(如电池、电线中直流电等)造成，其特点是只要磁传感器与干扰源的安装位置相对固定，其影响就不随无人机的飞行环境和位置变化而发生变化。

硬磁干扰主要对式(1)中的零偏B₀产生影响，且磁传感器安装到无人机上后，经一次校准即可确定下来硬磁干扰造成的磁传感器测量误差，由硬磁干扰导致的磁传感器误差记为固定误差δB_fixed。而磁传感器的软磁干扰会随着实际无人机的飞行过程而不断发生变化，很难在飞行前进行离线校准。另外一个磁传感器自身误差的影响因素导致的零偏B₀和刻度因子及安装误差阵K，由于启动重复性差以及温度稳定性差，因此需要在磁传感器每次上电使用前均需进行一次标校工作。

本发明针对由磁传感器测量误差的影响因素的来源，提出一种将无人机磁传感器误差校准参数分离的思想，将磁传感器校准误差分为硬磁干扰造成的空间固定误差δB_fixed和磁传感器每次开机使用前的时空变化误差δB_var两部分。因为空间固定误差δB_fixed主要由磁传感器与飞机相对安装位置决定，只要安装位置固定就不发生变化，装机后只需一次校准就可以确定；而时空变化误差δB_var需要在磁传感器每次开机使用前都要进行校准。基于此，本发明提出了一种将δB_fixed和δB_var两种误差分开校准的磁传感器模块集成及相关的无人机校准方法。

图1为传统的磁传感器与飞行控制器连接的方式，两者为一体结构，在进行无人机校准时只能整机进行，对于像农业植保机这样的大型设备，载荷较大，校准时至少需要两人配合完成，很不方便。

针对上述问题本发明设计了一种可拆卸式的磁传感器模块，该一种磁传感器模块，包括磁传感器、处理器、供电装置、指示灯、开关、通信供电接口；

其中，处理器用于采集磁传感器数据计算磁校准和补偿参数，完成与飞行控制模块之间的数据通信，并控制磁传感器模块校准状态指示灯的指示模态；

供电装置用于为磁传感器模块供电；

指示灯用于指示磁传感器模块电源的工作状态；

开关用于控制供电装置中电源的通断；

通信供电接口用于磁传感器模块与飞行控制模块之间进行数据传输及对磁传感器模块进行供电或充电。

磁传感器模块与飞行控制模块独立设计，为可拆卸式的连接方式，方便将磁传感器模块随时取下单独进行校准。

传统的机载磁传感器缺乏相应的状态指示灯、供电电池以及开关按钮等部件，无法在脱离飞控系统的情况下单独对磁传感器进行校准，而是需要通过传送数据至其他模块协同才能完成磁校准工作，因此无法规避繁琐的校准流程；本发明的可拆卸式磁传感器模块，具备独立的处理单元、状态指示以及供电装置，可以单独完成磁传感器的校准工作，能够有效地优化现有的校准过程。

本发明还提供了一种带有可拆卸式磁传感器模块的无人机校准方法，具体步骤如图3所示，包括无人机首次进行磁传感器模块安装前对磁传感器模块的单独校准和安装后对无人机整机校准两部分。

首先，单独对可拆卸式磁传感器模块进行校准。将可拆卸式磁传感器模块拿到空旷无磁干扰场地，通过磁传感器模块上的开关启动磁传感器校准程序，观察指示灯状态，当指示灯提示用户开始磁校准时，用户拿着磁传感器模块正面朝上，水平旋转一到两圈，待指示灯提示水平旋转校准成功后，继续将磁传感器模块翻转90度，使其某一水平轴(X轴或Y轴)竖直向下指向地面，绕这一水平轴旋转磁传感器模块一到两圈直至指示灯提示磁校准过程完成，此时磁传感器误差校准参数存储到处理器中。校准完成后，不要关闭磁传感器模块开关，直接将其连接到无人机上的飞行控制模块上。

然后，将可拆卸式磁传感器模块安装后进行整机校准。

待无人机的飞控系统上电后，通过远程遥控端控制飞控工作模态进入磁校准模式，然后将无人机拿到空旷无磁干扰处，操作员手持无人机原地转动一到两圈后，观察远程遥控端是否提示水平校准结束；待远程遥控端发出提示信息后，竖直翻转无人机，操作员继续原地转动一到两圈，直至飞控系统指示灯提示磁校准完毕。通过远程遥控端控制飞控存储此时获得的磁传感器校准误差参数到飞控模块内部非易失性存储器(如flash、FRAM等)。

当无人机更换电池、断电上电或环境变化后，单独取下可拆卸式磁传感器校准模块进行独立校准，校准结束后直接插入无人机的飞控模块，此时无人机就可以正常起飞。

本发明所述的无人机主要可用于无人机载重较大，整机校准极不方便的农业植保行业。

综上所述，本申请提供了一种可拆卸式的磁传感器模块及其在无人机应用中的校准方法，该种与飞行控制模块独立设计的结构可单独进行校准，操作方便，而且节省了校准时间，可以满足无人机载荷较大的应用场合。

通过说明和附图，给出了具体实施方式的特定结构的典型实施例，基于本发明精神，还可作其他的转换。尽管上述发明提出了现有的较佳实施例，然而，这些内容并不作为局限。

对于本领域的技术人员而言，阅读上述说明后，各种变化和修正无疑将显而易见。因此，所附的权利要求书应看作是涵盖本发明的真实意图和范围的全部变化和修正。在权利要求书范围内任何和所有等价的范围与内容，都应认为仍属本发明的意图和范围内。

Claims (9)

1.一种磁传感器模块，其特征在于，包括磁传感器、处理器、供电装置、指示灯、开关和通信供电接口；

所述处理器用于采集磁传感器数据计算磁校准和补偿参数，完成与飞行控制模块之间的数据通信，并控制磁传感器模块校准状态指示灯的指示模态；

所述供电装置用于为磁传感器模块供电；

所述指示灯用于指示磁传感器模块电源的工作状态；

所述开关用于控制供电装置中电源的通断；

所述通信供电接口用于磁传感器模块与飞行控制模块之间进行数据传输及对磁传感器模块供电。

2.根据权利要求1中所述的一种磁传感器模块，其特征在于，所述模块与飞行器控制模块通过接插件进行连接，该连接方式是可拆卸的连接。

3.根据权利要求1-2中任一项所述的一种磁传感器模块，其特征在于，所述供电装置为可充电锂电池，包括充电管理芯片和防反接电路。

4.一种包含权利要求1-2中任一项所述的磁传感器模块的无人机的校准方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：

1)无人机组装完成后，首先对磁传感器模块进行校准；

2)将磁传感器模块装载在无人机上；

3)待飞行控制模块上电后，调整无人机进入飞控工作模式，并进行磁校准。

5.根据权利要求4所述的无人机的校准方法，其特征在于，所述的首先对磁传感器进行校准包括如下步骤：

1)将磁传感器模块置于空旷无磁干扰的场地上，打开开关启动磁传感器校准程序；

2)观察指示灯状态，当指示灯提示用户开始磁校准时，用户拿着磁传感器模块正面朝上，水平旋转一到两圈，待指示灯提示水平旋转校准成功后，继续将磁传感器模块翻转90度，使其水平轴竖直向下指向地面，绕所述水平轴旋转磁传感器模块一圈或两圈直至指示灯提示磁校准过程完成，磁传感器误差校准参数存储到处理器中；

3)将所述磁传感器模块连接到无人机的飞行控制模块上。

6.根据权利要求4所述的无人机的校准方法，其特征在于，所述的调整无人机进入飞控模式并进行磁校准是通过远程遥控方式进行控制的。

7.根据权利要求4所述的无人机的校准方法，其特征在于，无人机更换电池或环境变化后可仅对磁传感器模块进行校准，无需对无人机进行整机校准。

8.根据权利要求5所述的无人机的校准方法，其特征在于，所述的水平轴是X轴或Y轴。

9.一种包含权利要求1-2中任一项所述的磁传感器模块的无人机，其特征在于，所述无人机为农业植保无人机。