无人机系统磁干扰对电子罗盘指向能力影响的分析

   电子罗盘提供地磁指向功能，可提供电子系统产品絶对方位，在很多需设定路径移动的设备上都需用到。电子罗盘也提供陀螺仪传感器及GPS导航机运作的校正，对于可自由移动的电子设备，例如无人机、机器人、部分自动扫地机的运作稳定性有影响。

  但对于一般的硬件设计者来说，由于接触地磁及磁场的相关知识机会比较少，因此往往在做电子罗盘设计时疏漏了一些要点，而造成系统运作的不正常。常见相关的问题有：

♦ 电子罗盘校正不容易，绕了好久都无法校正完成

♦ 运作没有很久就显示需要校正，常常需要校正

♦ 动态运作时，才发生问题，例如高速飞行时才发生方向偏差

♦ 无论如何校正，运作都不正常

  事实上，设计者只要选择一个不易受到干扰的位置，放置电子罗盘组件，相对就会有比较好的指向功能。一般电子系统上电子罗盘受到的干扰可分为系统内及外部的干扰，由于磁场和距离的多次方(依磁场产生来源而不同)成反比，因而系统内的组件相对的影响是比较大，有了好的系统设计，就有了好的基础。

以下针对无人机如何进行系统内磁场影响的性能评估，说明程序及数据解读方法：

配置

  本方法可应用于无人机己完成硬件打样或试作的情况，无需实际飞行即可完成分析。

  进行测试前必须先进行电子罗盘的校正，请依照无人机的使用说明进行校正。

  为了解整体系统的性能，我们必须把无人机固定，请使用没有磁场影响的材料来固定，例如木材、塑料、泡棉、铝材或其他材料，也请避开铁的螺丝或是铁钉会有磁性影响的零件。为了解完整的影响，是外壳也装上，有时金属固定件也会影响磁场；旋翼也必须装上完整模拟实际飞行情况，否则旋翼没有负荷，马达电流会很小。

  由于无人机的马达及电流可能是干扰源，因此我们必须从I2C接口，接出以下几个数据，以作为分析的依据：X轴磁场大小、Y轴磁场大小、Z轴磁场大小及油门/电门大小。并根据X, Y, Z轴磁场大小，算出整体磁场强度以及方向指向。

  以上的数据，可以经由连接线送到外接的计算机，或是数量不多情况下先暂时存在系统的内存，再取出作分析。因为我们之前已将系统固定起来，因此除非要作移动的测试，否则将数据传送到外接的计算机是比较方便的，而且数据记录比较不受存储空间的限制。

测试程序

  本分析主要想了解电门变化对于电子罗盘感应磁场的分析。因此，只要使用无人机的遥控器将电门由开到，并记录X轴磁场大小、Y轴磁场大小、Z轴磁场大小、整体磁场强度、方向指向、及油门/电门大小相对数据即可。X轴磁场大小、Y轴磁场大小、Z轴磁场大小可依磁传感器的规格读出，而油门/电门大小可由无人机系统读出。将以上数据在同一个时间轴上划出来即可进行分析。

正常设计的数据判读

  如果系统上的电子罗盘经过正确校正，由于测试期间无人机已被固定，没有方向的变化，因此在油门变化的情况下，X轴磁场大小、Y轴磁场大小、Z轴磁场大小、整体磁场强度、方向指向应该保持不动才对。但实际上，由于电子罗盘组件本身及系统都会有噪声，因此会有一定程度的上下抖动，但趋势应该是不变的。这个抖动的幅度，越小越好，移动路线越稳定。

  但实际上，由于油门由无到有及从有到无时，会产生一个突波影响电路，因此在初始加油门及放掉油门时，X轴磁场大小、Y轴磁场大小、Z轴磁场大小会有稍大的抖动，只要程度不是太大还算是正常。当然，这个抖动越小，也代表电子罗盘放置的位置比较好，及系统的设计比较好。

  下图是一个设计正确的无人机，可以看到四次油门变化，从零加速到100%，不管是X轴、Y轴、Z轴磁场大小趋势都没有动，只有初始加油门及从100%急收油门时，会有较大的抖动。

  有这样特性的无人机，表示在运作时电子罗盘不会受到系统内的磁场干扰影响，整体运作将有较好的操控性能。

异常设计的数据判读

  相对的，如果是设计不当的系统，虽然无人机是固定的，但是在加油门的过程中，系统内的电流及组件会发生磁场的变化。这是因为系统内运作时，其他组件产生的磁场，影响到电子罗盘各轴的读值。更差的情况时，当油门回到零时，电子罗盘各轴的读值仍无法回到加油门前的读值，表示产生磁滞(如果电子罗盘感受磁场超过动态范围)或电子罗盘外围组件被磁化的情况，（在下进行校正前）地影响电子罗盘的指向能力了。

  本中，可看到随着油门增加，一开始X轴磁场渐渐变大，Y和Z轴磁场则渐渐变小，表示油门增加的电流大小及其他因素影响电子罗盘各轴的读值，而在持续油门增加时，各轴读轴出现反转或持平的变化，代表各轴受到一个以上的干扰因素影响。而相对Z轴受到的影响比较大，其次为X轴及Y轴。但整体电子罗盘感受到磁场大小和油门变化趋势相同。

  而在收油门的过程中，可看到初期各轴的读值比较没有变化，后半段过程则发生X和Z轴磁场则渐渐上升，Y轴磁场渐渐下降的情况。但是在油门关闭后，仍持续发生X和Z轴磁场渐渐上升情况，而Y轴磁场则持平。

  仔细观察各轴的读值，发现X轴磁场读值相较于初始值有较大的变化，而Y轴及Z轴磁场读值变化较小。因为此处使用的电子罗盘是爱盛科技的IST8310超低磁滞磁传感器，于是在此看到的磁滞现象，主要是来自于外围所摆放的元器件，例如电容，被磁化产生磁场影响所致。我们也可从受到影响的是X轴磁场的现象，来回推找出可能的原因。

  以上无法回复到原点的情况，在某个程度以下可透过校正程序校正回来。但是以上述情况可以发现系统本身磁场变化很容易受到运作而变化，即使一时校正回来，但是由于容易变化的原因还在，一但运作后电子罗盘又无法正常工作。这时就会发生时时需要校正的情况。

  因此，对于有上述现象的系统，建议重新检讨硬件设计，降低电子罗盘受到影响的情况，从基本改善问题。