无人机指南针干扰 起飞前请校准指南针

　　指南针干扰之痛

　　玩飞机的模友都很害怕遇到“指南针干扰”这个“梦魇”， 每当APP上提示”指南针干扰“，心情都会立马变得很紧张，好像不可预测的危险即将出现。为了避免出现”指南针干扰“问题，模友们都习惯性地在飞行前校准指南针，但即使这样依旧会在空中出现这一提示，不免让人感到愤怒及疑惑。这里仅以个人拙见，毫无系统地对”指南针干扰“及其对无人机的飞行品质和安全造成影响的原因进行分析。

　　1 上层应用的核心

　　要说清楚指南针干扰的问题，我们还是应该先谈一谈GPS这个传感器。

　　GPS在我看来简直是现在各种APP及智能硬件的心脏。有了GPS就催生了一些列的基于位置信息的服务：百度地图使用GPS来定位及规划路线并推荐周围的各种娱乐等服务，微信/QQ通过位置信息推荐周围的朋友，Uber/滴滴通过位置信息推荐周围的司机和乘客，美团/糯米通过位置信息推荐周围的美食，携程/同程通过位置信息推荐周围的酒店及景点，各类运动APP及运动型的智能硬件通过GPS来计算运动的里程、速度以及消耗的卡路里，智能报警硬件也通过GPS来监控自行车或者小孩的丢失问题，等等。所以说，GPS催生了海量的服务，制造了无数的就业岗位，给我们的生活带来了不可思议的改变。

　　(1.1)基于GPS的无人机上层应用

　　言归正传，无人机可以说是APP和智能硬件的结合，自然也和GPS有莫大的关系。现在看看GPS都在上层应用中给无人机的使用者带来了哪些优质的服务：

　　(1)平稳的悬停。 飞过姿态模式的模友都知道，飞机在这种模式下会出现在水平面上漂移，每次拍照的时候，你将分心于控制飞机的飘动，而无法专注于镜头的美景。

　　( 2 ) 精准的返航。 没有GPS，模友将无法在飞机飞不见的时候，启动一键返航，使得飞机顺利地自动飞回来，也不能再出现低电压的时候自动飞回。

　　( 3)低电量预警。 没有GPS, 飞机将不知道自己距离起飞点的距离，不能根据距离实时的计算当前剩余多少电量的时候就应该返航了。

　　(4)地面站服务。 没有GPS, 模友们将无法在地面站上指点飞行器的航点，不能让无人机自动完成走航点，热点环绕等功能。

　　(5)Follow Me 。 没有GPS, 基于GPS实现的Follow Me 功能也是无法实现。

　　(6)APP轨迹显示。没有GPS, 模友将不能再APP上看着轨迹对飞机实现超视距的飞行。

　　( 7)各种行业应用。 没有GPS，基本上运输、监控、农业等各种行业应用也将无法进行。

　　所以说，没有GPS, 无人机将显得一点也不”智能“。

　　(1.2)基于GPS的导航系统

　　再来看看，GPS作为一个传感器对导航系统都带来了哪些信息。导航系统，可以简单地理解为是一个对各种传感器信息进行加工处理进而输出位置、速度、姿态及航向等信息的一个系统。现在无人机的导航系统，都是集成式的导航系统，集成的传感器包括：加速度、陀螺仪等重要的惯性测量单元(Innertial Measurement Unit, IMU), 指南针，GPS , 视觉传感器，雷达，超声波等等。多了GPS之后，导航系统将获得如下观测信息：(1)世界坐标系下的位置 和(2)世界坐标系下的速度。

　　有了GPS的位置和速度信息，理论上导航系统可以对这些粗略的信息进行加工，从而使得无人机知道自己在世界坐标系中的位置和速度。

　　2 无人机没有方向感

　　举个大家都很常见的问路场景:

　　Ctrl: ' 请问万达广场怎么走?'

　　Navi: ' 向北走300m，然后向东走100m就到了。'

　　Ctrl: ' 对不起，我没有方向感，不知道北在哪。'

　　Navi: ' 好吧，改种说法，你向前走300m，然后向右走100m就到了。'

　　Ctrl: ' 明白了，谢谢。'

　　在这个场景中，Navi 按 东西南北的方式给 Ctrl 指路的时候，Ctrl因为没有方向感，所以不理解。但是当Navi 按前后左右的方式给 Ctrl 指路的时候，Ctrl就明白怎么走了。从这个对话中，我们可以在对应的找到无人机坐标系的概念。无人机的坐标系，一般都会有这样两个坐标系：“世界坐标系”和“本体坐标系”：

　　(1)“世界坐标系” 可以简单的理解为按照 东西南北 的方式定义的坐标系。

　　(2)”本体坐标系“ 可以简单的理解为按照 前后左右 的方式定位的坐标系。

　　GPS就是在世界坐标系，告诉无人机在世界坐标系中的位置和速度。但很不幸的是，无人机也很没有方向感!

　　无人机最喜欢的运动方式是向左飞或者向右飞，而不是向东飞或者向北飞。于是，在飞控里，必须进行坐标转换，把”世界坐标系“转换到“本体坐标系”。

　　再回到问路这个场景，如果Ctrl的方向感很好，他可以立即搜索一下北向在哪里，然后根据Navi的第一句话，把Navi的北向转换成前向。无人机也是如此，需要找到自己的前方与北向的相对方位，才能够正在的理解”世界坐标系“里的位置和速度。而肩负这个责任的一个重要的传感器就是指南针，说道这里，貌似才进入了正题。

　　无人机的指南针貌似微不足道，其实作用很大，为了启用基于GPS的各项核心服务，无人机需要使用 指南针来 连接 ” 世界坐标“ 和”本体坐标“。

　　3 连接两个世界的独木桥

　　航向是连接世界坐标系和本体坐标系的独木桥，走歪了方向，将坠落漩涡。

　　还是先来举个场景：

　　A 不小心在坠机在沙漠中，并得以存活，他决定背上食物，选择一个方向，不转弯地一直往前走，希望能够走出沙漠。然而，几天之后他发现了一架飞机的残骸 。他绝望地发现自己回到了出发的地方。

　　在这个场景中，A一直往前走，最后又绕回了原地，原因其实很简单。A虽然一直往前走，但是因为人在走路的时候，如果没有一个固定的参照物在前方纠正自己的步伐，就会因为两个腿的步长有细微的差别而缓慢偏离一开始设定的前方，最终走出一个弧线出来。闭着眼睛走过路的人也能够有类似的体会，走不到十步，方向其实就已经歪了。在沙漠中，因为没有一个固定的远方的参照物，A不幸地走着一个巨大的圈。他是一直往前走，只是他的前方一直在变化。

　　回到无人机，如果无人机认为的航向总是和真实的航向有一个较大的误差角，那将会发生什么呢。

　　它将在空中画圈，这就是”走歪了方向，将坠落漩涡”：

　　(1) 如果是在悬停状态，航向误差小，速度本来比较小的情况，那就在空中画小圈，表现为悬停不稳。

　　(2)如果是在高速飞行，航向误差大的情况下，那将表现为一个较大的圈。

　　注：上诉推理的原因只是结果一种充分条件，而不是必要条件。

　　对于画圈的深层次机理，可以从高中物理等简单的知识中获取类比。一个物体做曲线运动的根本原因是有垂直于其速度方向的力作用于该物体。悬停，无非是通过反馈控制的原理，在速度的反方向上产生一个推力，使得速度减为零。

　　现在来模拟这样一个过程：

　　(1)GPS告知无人机在北向上有速度，为了悬停，希望无人机在南向上施加一个推力，将速度减为零。

　　(2)无人机因为认为的航向总是和真实的航向有一定的误差角，所以给出的推力方向是南偏东一点。

　　(3)于是，无人机的东向上就有了一个推力的分力。而这个分力就垂直于飞机真实的北向速度，曲线运动由此开始。

　　4 发生过的不会忘却

　　指南针干扰量不是一个瞬态量，它具有历史属性，和以前的状态有关，因此不是在干净的地方就一定会有干净的地磁测量值。

　　为什么无人机在很高的地方还是会出现指南针干扰，明明旷无一物，实在是令人费解?。这个小节，就来聊聊这些个令人费解的事儿。引用宫崎骏老爷子在《千与千寻》里表达的一个思想：”曾发生过的事请不可能忘记 ，只不过是你想不起罢了。" 尽可能简单地使大家明白这个道理，但还是要上一些晦涩的内容。

　　补充知识1：

　　指南针这个传感器能够测量周边的磁场矢量(就是既测磁场大小，又测磁场方向)。也就说，指南针严格意义上来说，应该叫做”指磁针“。现在需要对磁场、地磁以及北向这几个概念：

　　(1)磁场，某个地方一切磁场的叠加，这些磁场包括：地磁、周边大型的磁性物质产生的磁场如果钢筋混凝土等、周边电流产生的磁场。

　　(2)地磁，摸个地方由地球整体引起的磁场，在不同的地方地磁的方向和大小都不同。

　　(3)北向，北向可以简单地理解为沿着地面指向北极的方向吧。

　　再来讨论一下这几个概念之间的关系：

　　(1)磁场 不等于 地磁， 只是大部分时候，地磁占主要成分

　　(2)地磁的方向 不等于 北向，只是大部分时候，可以通过补差磁偏角(当地磁场方向和北向之间的差)而矫正到北向。

　　从公式的角度来看，我们可以表达为：

　　(式1) 磁场 = 地磁 + 磁场干扰量(其他的磁场)

　　(式2) 北向 = 磁场方向 - 磁场干扰量造成的磁场方向偏移 - 地磁本身的磁偏角。

　　补充知识2：现在的手机上都有指南针，而且它一般都有一个校准操作，用过的人可能会不叫熟悉。无人机也有一个指南