Magnetometrická kalibrácia: Kompenzácia rušenia pre presné určenie headingu UAV

Prečo je mapovanie magnetického rušenia kritické pre heading UAV

Bezpečná a presná navigácia UAV závisí od spoľahlivého odhadu smeru (headingu). Ten sa často opiera o magnetometer (kompas), ktorý dopĺňa gyroskop a GNSS/INS fúzia. Magnetické rušenie – prirodzené aj umelé – môže spôsobiť odchýlky od desiatok po stovky stupňov, čo vedie k driftu, zlej orientácii pri vzlete/návrate alebo k spusteniu failsafe režimov. Mapovanie magnetického poľa v prostredí, v trupe dronu aj v jeho okolí umožňuje prediktívne zmiernenie chýb, lepšie plánovanie misií a robustnejšiu fúziu senzorov.

Zdroje magnetického rušenia: hard-iron, soft-iron a dynamické javy

• Hard-iron efekty: Permanentne zmagnetizované časti (skrutky, motory, magnety v gimbaloch) pridávajú konštantný vektor k poľu. Prejavujú sa ako posun elipsy meraní od stredu.
• Soft-iron efekty: Feromagnetické materiály bez permanentnej magnetizácie deformujú a anizotropne zosilňujú pole. Prejavujú sa elipticitou a rotáciou meracej elipsy.
• Elektromagnetické zdroje: Prúdy vo vedeniach, ESC spínanie, vysokoprúdové káble batérií, invertory, solárne regulátory.
• Okolité infraštruktúry: Vysokonapäťové vedenia, trafostanice, koľajnice, výťahové motory, automobily, oceľové konštrukcie, armované betóny.
• Geomagnetické javy: Lokálne anomálie hornín, magnetické búrky, svahované gradienty deklinácie.
• Dynamické vplyvy: Zahriatie motorov, zmena prúdu pri akcelerácii, pohyb serv, prehadzovanie káblov pri manévroch.

Fyzika a metrika: čo presne meriame

Magnetometer meria vektor magnetickej indukcie 𝐁 v osiach senzora. Pre navigáciu sa porovnáva s modelom Zeme (deklinácia D, inklinácia I, intenzita |B|). Heading je odvodený z horizontálnej projekcie vektora po odrollovaní a odpitchovaní (kompenzácia attitude z gyra/akcelerometra). Základné metriky pre kvalitu sú:

• Norma vektora |B|: odchýlka od očakávanej intenzity (napr. 45–55 µT) indikuje rušenie.
• Dot produkt s referenciou: uhly medzi meraným a referenčným poľom.
• Residuals po kalibrácii: zvyškové chyby po hard/soft-iron kompenzácii.
• Heading error (HE): rozdiel medzi magnetickým a referenčným headingom (GNSS-course pri konštantnej rýchlosti > 3 m/s, optická referencia).

Architektúra mapovania: tri vrstvy

1. Mapa „on-frame“ (interná): magnetické pole vs. poloha senzora v trupe, otáčky motorov, prúdové zaťaženie, poloha batérie a káblov.
2. Mapa „on-site“ (miestna): raster polia nad plánovaným letiskom/trajektóriou vo výškach 0–30 m AGL kvôli infraštruktúram; identifikácia „no-compass“ zón.
3. Mapa „regional“ (globálna): deklinácia a jej gradienty z geomagnetického modelu (WMM/IGRF) a známe anomálie.

Postup kalibrácie hard/soft-iron: robustné 3D fitovanie

1. Zber dát: rotácie vo všetkých osiach („čajka“/„8“), ideálne 500–2000 vzoriek v rôznych attitude a prúdoch. Zbierajte B, teplotu, RPM, prúd, napätie.
2. Model: Elipsoidové fitovanie (M, b), kde M je 3×3 matica (soft-iron) a b je posun (hard-iron). Normalizujte na jednotkovú guľu.
3. Validácia: Skontrolujte reziduá, normu |B| a stabilitu parametrov pri rôznych prúdoch (ESC off/on).
4. On-line adaptácia: Udržujte pomalý adaptívny filter pre teplotnú drift korekciu a dlhodobé zmeny montáže.

Mapovanie „on-frame“: kde a ako umiestniť magnetometer

• Vzdialenosť od zdrojov: 10–20 cm od vysokoprúdových zväzkov, mimo uzlov ESC; preferujte mast-mount (na stĺpiku) pri väčších UAV.
• Twisted pairs a hviezdicové uzemnenie: minimalizujte slučky; orientujte káble tak, aby vektor prúdov neprechádzal blízko senzora.
• Diferenciálne mapovanie: zaznamenajte |B| pri rôznych RPM (0 %, 25 %, 50 %, 100 %) a prúdoch; vytvorte charakteristiku „B vs. I“.
• Fyzická orientácia: presne dokumentujte montážne offsety pre správnu transformáciu do NED rámca.

Mapovanie „on-site“: predletový magnetický survey

1. Ground scan: ručný magnetometer (alebo UAV v manuálnom režime vo výške 1–2 m) v rastri 2×2 m; vzorkovanie 10–20 Hz.
2. Identifikácia hotspotov: miesta s |B| > ±15 % od regionálneho priemeru alebo s prudkým gradientom (> 5 µT/m).
3. Výškový profil: krátke stúpanie do 10–30 m AGL nad podozrivými bodmi; často rušenie rýchlo klesá s výškou.
4. Maska pre plánovač misií: vyznačte no-compass zóny, kde autopilot nesmie spoliehať na magnetometer (prepnúť na gyroskopickú integráciu + GNSS yaw).

Referenčné modely Zeme: deklinácia, inklinácia a aktualizácie

Heading musí byť korigovaný o magnetickú deklináciu (uhol medzi geografickým a magnetickým severom). Používajte aktuálne koeficienty WMM/IGRF pre danú polohu a dátum. V oblastiach s rýchlymi zmenami alebo anomáliami overte model lokálnym meraním. Pre presnosť < 1° je vhodné sezónne aktualizovať a pri prelete > 500 km re-evaluovať deklináciu.

Fúzia senzorov: EKF, odmietanie magnetometra a fallback

• EKF s gatingom: používajte Mahalanobis gate na reziduá magnetometra. Pri prebytku reziduí → downweight alebo dočasne vypnúť magnetometer.
• GNSS yaw: pri RTK dual-antena GNSS možno získať absolútny yaw bez magnetometra (výborný fallback pre kovové prostredia).
• Optický flow / vizuálna odometria: doplnkový heading v nízkych rýchlostiach a indoor.
• Detection logic: pravidlá „noisy mag“: prudká zmena |B|, nezhoda s gyrom > X°, korelácia s PWM motorov.

Dátový pipeline pre magnetický survey a mapu

1. Zber: logujte time, lat, lon, alt, Bx, By, Bz, |B|, roll, pitch, yaw, I (prúd), RPM, temp.
2. Čistenie: odstráňte saturácie, outliery (Hampel filter), synchronizujte časové značky.
3. Normalizácia: transformujte merania do lokálneho NED rámca; kompenzujte attitude.
4. Interpolácia: Kriging alebo IDW pre 2D/3D mriežku (x, y, z → |B|, Δheading).
5. Publikácia: raster (GeoTIFF) + vektorové masky (GeoJSON) pre plánovače misií a GCS.

Modelovanie dopadu na heading: odchýlka a pravdepodobnosť zlyhania

Heading error závisí od vektora rušenia a od smeru skutočného poľa. Praktická aproximácia:

• Lokálna lineárna citlivosť: malá parazitná zložka horizontálneho poľa spôsobí odchýlku ~ arctan(ΔBh / Bh).
• Pravdepodobnostný model: použite empirickú distribúciu ΔBh z mapy → Monte Carlo simulácia profilu letu → distribúcia HE(t).
• Rizikové KPI: P(HE > 10°) počas štartu/pristátia; MTTF do „mag reject“ udalosti.

Experimentálny dizajn: ako spoľahlivo validovať heading

1. Stati cké testy: UAV na nevodivom stojane, porovnanie s referenčným kompasom vo vzdialenosti > 3 m; test s ESC off/on.
2. Taxi test: pojazd v známom azimute (dráhový heading) – porovnanie s magnetometrom.
3. Letové prielety: rovné úseky > 5 s pri rýchlosti > 5 m/s; porovnanie s GNSS course a dual-antenna yaw (ak je).
4. Step test otáčok: postupné zvyšovanie PWM; sledujte koreláciu heading vs. RPM.

Praktické inžinierske zásady návrhu kabeláže a mechaniky

• Trasy káblov: vysokoprúdové zväzky viesť čo najďalej od senzora, krátke priamky, minimum slučiek.
• Symetria prúdov: odchádzajúci a vracajúci prúd veďte spolu (twisted), aby sa rušivé polia čiastočne rušili.
• Materiály: vyhnite sa feromagnetickým držiakom pri senzore; používajte kompozity, hliník (pozor na vodivosť, ale je nemagnetický).
• Uchytenie senzora: pevná, vibráciám odolná montáž; vibrácie ovplyvňujú gyra, ale aj mikro-pohyby voči lokálnym zdrojom.

Algoritmické techniky: od elipsoid fitu po ML detekciu rušenia

• Elipsoid fit (Gauss-Newton, Taubin): de-bias + whitening meraní pre hard/soft-iron.
• Adaptive weighting: váženie meraní podľa |B| odchýlky a korelácie s RPM.
• Outlier rejection: RANSAC/Huber strata pre robustnosť voči krátkym pulzom rušenia.
• ML klasifikátor: detekcia „rušených“ segmentov podľa feature setu: Δ|B|, d|B|/dt, spektrum PWM, teplota; výstup → flag pre EKF.

Integrácia do plánovania misií a GCS

• Predletová kontrola: GCS varovanie, ak lokálny raster naznačuje hotspot v štartovacej zóne; odporúčanie „armovať s mag ignore“ alebo presun štartu.
• Trajektórie: vyhýbanie sa koridorom s vysokou P(HE > prah); pri absencii GNSS yaw prednostne lietať rýchlosti > 3–4 m/s pre stabilnejší course.
• Failover logika: automatický prechod na gyro+GNSS yaw, zvýšenie bezpečnostnej výšky, obmedzenie agresivity obratov.

Špecifiká pre rôzne typy platforiem

• Multikoptéry: silná korelácia s prúdom; odporúča sa mast-mount magnetometra a prísna kabeláž.
• VTOL/konvertoplány: dvojregimové rušenie (hover vs. forward flight); potrebné dve sady kalibračných profilov.
• Pevné krídlo: zvyčajne nižšie rušenie, ale dlhé káble batérií môžu tvoriť slučky; dôležité je uloženie v trupe mimo servomotorov klapiek.

Limity a kedy „vypnúť kompas“

Ak reziduá a |B| odchýlky prekročia limit alebo je heading nekonzistentný s gyrom a GNSS, autopilot by mal dočasne ignorovať magnetometer. Po návrate do „čistej“ zóny sa môže re-enable. V „ťažkých“ prostrediach (lodné paluby, priemyselné areály) plánujte misie bez závislosti na kompasoch (dual GNSS yaw, vizuálna odometria).

Checklist pred letom: magnetická hygiena

• Aktuálne koeficienty deklinácie a časová synchronizácia.
• Kontrola |B| v idle vs. 50 % a 100 % throttle (nesmie prekročiť ±10–15 %).
• Gating parametre EKF a prah pre „mag reject“ otestované.
• Mapa hotspotov pre štartovacie miesto; ak je hotspot, zmena LZ alebo vyšší vzlet.
• Logovanie rozšírených veličín (RPM, prúd, teplota) povolené.

Tabuľka: prahové hodnoty a odporúčania

Metrika	Odporúčaný prah	Akcie pri prekročení
Odchýlka |B| od modelu	> ±15 %	Prehodnotiť LZ, zdvihnúť výšku, znížiť rely na magnetometer
Heading vs. GNSS course (stabilný let)	> 8–10°	Downweight mag v EKF, diagnostika rušenia
Korelácia HE s RPM	p < 0,01	Redizajn kabeláže, presun senzora
Reziduá po kalibrácii	> 3 µT RMS	Rekalibrácia, kontrola feromateriálov

Bezpečnostné aspekty a regulácie

Magnetické zlyhania headingu môžu viesť k RTH zlyhaniam a porušeniu bezpečných vzdialeností. Implementujte geo-fencing, definujte bezpečný heading fallback a testujte loss-of-magnetometer scénar v kontrolovanom prostredí. V niektorých priemyselných areáloch môžu byť požadované predletové survey protokoly ako súčasť bezpečnostného plánu.

Prípadová minikazuistika: štart pri trafostanici

Multikoptéra s magnetometrom v trupe hlásila heading drift ~25°. Ground survey ukázal |B| +30 % v pásme 5 m od plotu. Po presunutí LZ o 20 m a prechode na mast-mount klesol drift na < 5°. EKF gating znížil váhu magnetometra počas štartu a po dosiahnutí 15 m AGL sa váha postupne obnovila.

Kombinácia inžinierstva a prevádzkových návykov

Žiadny jediný krok problém magnetického rušenia úplne neodstráni. Kombinácia kvalitnej mechanickej integrácie, disciplinovaného mapovania, adaptívnej fúzie senzorov a plánovania misií prináša robustný heading aj v náročných prostrediach. Systematický prístup – od návrhu kabeláže cez elipsoid fit, on-site survey až po inteligentný gating v EKF – znižuje riziko incidentov a zvyšuje spoľahlivosť UAV flotíl.