Магнитный компас

Все что нужно знать о компасе на дроне.

Зачем дрону компас?

Зачем нужно калибровать компас?

Почему дроны улетают от вас «в Китай»?

По Сети гуляет огромное количество мифов и заблуждений о дронах. Как оказалось, многие связаны с такой деталью как компас. Мы привыкли, что компас это такая круглая коробочка с прозрачным верхом, внутри которой крутится магнитная стрелка. Красный конец стрелки показывает на юг, а синий — на север. Но зачем компас на вашем дроне, и как там эта коробочка помещается? Начнем с вопроса «Зачем?».

Навигационная система дрона обеспечивает удержание дрона на месте против порывов ветра, работу интеллектуальных режимов дрона, в том числе возврат домой при потере связи. Навигационная система состоит из двух основных частей — GPS приемника и компаса. GPS приемник 10 раз в секунду получает с помощью спутников координаты дрона. Если дрон сносит ветром, его координаты меняются. К примеру, ветер тащит дрон в юго-восточном направлении. Для того, чтобы не улетать от вас по ветру в Китай, дрону нужно все время двигаться в противоположную сторону против ветра. Но как дрону понять, в какую именно сторону нужно лететь? Именно для этого у вашего летательного аппарата есть компас, который сообщает ему, что, к примеру, север находится справа, а значит лететь нужно вперед и вправо, к северо-западу. То есть, компас указывает дрону, как он расположен в пространстве относительно сторон света. Это его основная задача. Если компас работает неправильно, перестает работать вся навигационная система дрона. Это значит, что дрон не вернется домой при потере сигнала, перестанет лететь по маршруту и т. д.

В качестве компаса на дронах применяют электронный трехосевой магнитометр — маленькую детальку, которая измеряет напряженность магнитного поля в разных направлениях.

Магнитный компас
Наручный магнитный компас
Трехосевой магнитометр
Электронный трехосевой магнитометр

Для любознательных
В повседневной жизни мы даже не задумываемся о том, что магнитный и географический северный полюс вовсе не одна и та же точка на глобусе. Это вообще разные геофизические понятия! Географический полюс, также называемый истинным севером, – это направление к фиксированной точке на поверхности Земли, которую мы называем Северным полюсом. Именно через эту точку проходит сверху ось на глобусе. Магнитный север – это условная точка в северной полярной области земной поверхности, в которой магнитное поле Земли направлено строго вниз (под углом 90° к поверхности). Расположение северного магнитного полюса не совпадает с географическим северным полюсом. Примерно с начала XVII века магнитный полюс располагается под паковыми льдами в границах нынешней канадской Арктики. Это расхождение приводит к тому, что стрелка компаса показывает на север не точно, а лишь приблизительно. Угол, который образуется между направлениями на географический Северный полюс и Магнитный полюс — называют магнитным склонением. Угол магнитного склонения будет разным для разных мест на поверхности земли. Более того, угол магнитного склонения меняется со временем, из за движения магнитного полюса. После 1831 года, когда положение полюса было зафиксировано впервые, к 2019 году полюс сместился уже более чем на 2300 км в сторону Сибири и продолжает двигаться с ускорением. Скорость его перемещения увеличилась с 15 км в год в 2000 году до 55 км в год в 2019 году.

Движение магнитного полюса Земли
Движение Магнитного полюса Земли за последние годы

Если вы прочли раздел «Для любознательных», то уже знаете о магнитном склонении, величина которого разная в разных местах и не постоянна. Для того, чтобы дрон мог правильно учитывать угол между направлением на истинный Север и магнитный полюс, компас (магнитометр) на дроне нужно время от времени калибровать. Смысл калибровки в том, что магнитометр должен записать уровни напряженности магнитного поля вокруг себя. Для этого, вы должны поворачивать дрон на 360 градусов. Так как магнитометр измеряет напряженность магнитного поля по всем осям, эту процедуру делают дважды. Второй раз дрон поворачивают на 360 градусов вокруг другой его оси.

Калибровка компаса на дроне
Процедура калибровки компаса на дроне

Как правильно вращать дрон во время калибровки? По или против часовой стрелки? В Сети гуляет множество слухов и легенд относительно этого. Одни говорят, что дрон нужно крутить строго вокруг его центральной оси, другие, что можно стоя на месте самому, крутить дрон вокруг себя. Одни советуют делать это прямо на земле, другие рекомендуют поднять повыше. Что же из этого правильно? На самом деле, направление вращения дрона при калибровке, радиус описываемых кругов и высота над землей не важны, если нет магнитных помех вблизи. В условиях магнитных помех у земли — железная или железо-бетонная поверхность уйти с которой вы не можете, лучше калибровать компас дрона подняв его повыше над головой и запускать дрон тоже из поднятых рук. Такой алгоритм действий уменьшает влияние магнитных помех от поверхности. В нашей школе все ученики обучаются запуску и посадке дрона из рук. В большинстве случаев это дает возможность дрону взлететь в тех местах, где у земли очень сильная магнитная помеха.

Когда и как часто нужно проводить калибровку компаса? В ранних моделях дронов рекомендовалось проводить эту процедуру на каждом новом месте проведения полетов. Сейчас можно калибровать компас значительно реже, только тогда, когда дрон сам об этом просит. «Просьба» дрона выглядит как сообщение об ошибке компаса и предложение сменить место старта или провести новую калибровку.

От чего возникают ошибки компаса, и что делать в таких ситуациях? Ошибки компаса появляются тогда, когда уровень напряженности магнитного поля возле дрона выходит за пределы записанные при калибровке. Такое случается в районе магнитных аномалий. Магнитная аномалия, это место, в котором уровень магнитного поля значительно отличается от обычных значений. Природные аномалии находятся в районах залегания магнитных руд. В районе Кривого Рога и Курска есть крупные месторождения магнетита и мощные магнитные аномалии площадью в десятки квадратных километров. Чаще всего пилоты дронов сталкиваются с магнитными аномалиями искусственного происхождения. Большие железные объекты имеют свойство самостоятельно намагничиваться от движения магнитного поля Земли. Трубопроводы, железные мосты, железобетонные здания, даже металлические ограды могут быть источниками небольших но мощных магнитных аномалий. К счастью, напряженность магнитного поля очень быстро уменьшается с увеличением расстояния от магнитного объекта, так что помехой для полетов искусственные сооружения будут только в непосредственной близости от них. Как правило, размеры искусственных аномалий не превышают несколько десятков метров. Не опытные пользователи путают магнитные помехи от намагниченных поверхностей и электромагнитные высокочастотные помехи от работы радиооборудования. Первые — влияют на компас и не влияют на дальность связи. Вторые — наоборот, не оказывают влияния на компас, но уменьшают максимальную дальность уверенной связи.

Если вы видите сообщение о проблеме с компасом перед полетом (надпись Compas Error на красной полосе вверху экрана), и калибровка завершается ошибкой, скорее всего вы находитесь вблизи какого то намагниченного объекта. Даже канализационный люк может вызывать ошибку компаса, если поставить дрон на него.

Во время полета отказ навигационной системы выглядит как внезапный самостоятельный улет дрона по ветру. Когда ветер сильный, дрон улетает от вас так быстро, что кажется будто кто то перехватил управление. Это происходит либо при отказе GPS (что бывает очень редко), либо при ошибке компаса. В случае ошибки компаса в приложении появляется надпись «Compas Error» на красном фоне. Если ошибка компаса появилась в воздухе, не стоит паниковать. Дрон от этого сам не перевернется, не упадет на землю, не потеряет связь и управляемость. Единственное что произойдет — отключится навигационная система, перестанут работать интеллектуальные режимы полета, дрон перестанет удерживать позицию и полетит по ветру. Это может быть опасно только если у вас нет навыков управления дроном в ручном режиме или дрон находится за пределами видимости.

В нашей школе мы даем ученикам алгоритмы реагирования на экстремальные ситуации. Умение управлять дроном при отключенной навигационной системе является для студентов обязательными практическим навыком. Ученики отрабатывают с инструктором управление дроном в ручном режиме и в других экстремальных ситуациях. Умея управлять дроном в ручную, вы можете либо вернуть дрон немного назад, где ошибки компаса не было, либо дать ему самому вылететь за приделы магнитной аномалии вместе с ветром и продолжить ваш полет.