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Nueva versión de estimador de UAV Navigation: ahora con OLHIC

En UAV Navigation estamos muy orgullosos de presentar nuestra última actualización (v5.54) del software de Estimación, con la capacidad de Online Hard Iron Calibration  (OLHIC).

INTRODUCCIÓN A OLHIC


1.   La capacidad de realizar calibraciones de magnetómetros autónomos a bordo en tiempo real y sin apoyo en tierra es un desafío para todas las aeronaves modernas, incluyendo los UAVs.

2.   En los autopilotos de los UAV, el magnetómetro está integrado en el IMU para ayudar a calcular la actitud y el rumbo. Mide las componentes 'x', 'y' y 'z' del campo magnético de la Tierra, que es bien conocido y modelado. Véase https://www.ngdc.noaa.gov/geomag/WMM/back.shtml para más detalles

3.   Las medidas tomadas por el magnetómetro se ven afectadas por la plataforma en la que está instalado, produciendo una desviación y una distorsión denominada hard iron y soft iron respectivamente. Cuantas más partes ferromagnéticas tenga la plataforma, más fuertes serán los efectos del hard y del soft iron.

4.   Después de la instalación, el magnetómetro debe ser calibrado para compensar las variaciones de hard iron y soft iron antes de que pueda producir lecturas fiables. La calibración implica mover físicamente la plataforma en todas las orientaciones posibles para recoger las mediciones del sensor magnético y realizar una regresión matemática. Este es un proceso que se realiza una sola vez y sigue siendo válido mientras no se cambie el entorno magnético de la plataforma. La práctica demuestra que los factores de escala y la distorsión (soft iron) del sensor magnético resistente (comúnmente utilizado en los sistemas de referencia de actitud y rumbo AHRS) son muy estables con el tiempo.

5.   Por otro lado, el sesgo del sensor está sujeto a la variación de la temperatura y no es muy estable. Puede cambiar lentamente durante el vuelo o puede cambiar con el paso del tiempo. Este comportamiento es inconveniente en relación con los cálculos realizados por el piloto automático. Los cambios pueden impedir que el AHRS funcione o incluso pueden producir un error significativo en el rumbo. Si se produce este sesgo en el sensor, el usuario se ve obligado a realizar una calibración completa de nuevo solo para corregir el sesgo del sensor. La rotación de una pequeña aeronave en todas las orientaciones puede hacerse, incluso si lleva tiempo. Sin embargo, no es práctico para plataformas más grandes.

6.   De lo anterior se puede concluir que existe una clara necesidad de compensar esta variación aleatoria del offset. La mejor manera de hacerlo es utilizando un algoritmo en línea que se mantiene funcionando en el fondo del procesador de tiempo real AHRS. Simplemente volando y cambiando el rumbo de vez en cuando es posible identificar y compensar el offset del sensor (hard iron).

7.   En resumen, la primera vez que se instala un AHRS en un avión se debe realizar una calibración magnética completa (hard iron y soft iron). Esta calibración completa debe repetirse en caso de que el entorno magnético del avión cambie, lo que en la práctica es muy inusual. A partir de este momento, el sistema OLHIC corregirá automáticamente cualquier desfase magnético.
 

DESCRIPCIÓN DEL SISTEMA OLHIC

8.   OLHIC es un algoritmo ligero y recurrente basado en una idea simple: independientemente de la orientación de la aeronave (cabeceo, alabeo y guiñada) el módulo de campo magnético permanece constante (es decir, el Modelo Magnético Mundial - WMM). Si en cualquier orientación particular el campo magnético es mayor de lo esperado, entonces la desviacióndel sensor (hard iron) puede ser corregido en la dirección opuesta. Por lo tanto, simplemente volando y cambiando de dirección de vez en cuando se consigue el valor correcto del acero.
 

Magnetic field
 

¿POR QUÉ LA SOLUCIÓN DE UAV NAVIGATION ES MEJOR QUE LA DE LA COMPETENCIA?

9.   Otros pilotos automáticos generalmente no utilizan magnetómetros internos integrados como parte de su AHRS. En aquellos casos en los que un magnetómetro interno está presente, generalmente sólo se utiliza con carácter secundario para estimar el rumbo de la plataforma en 2D. La razón por la que se utiliza este enfoque simplista tiene que ver probablemente con las dificultades asociadas a la calibración.

10.   La solución OLHIC de UAV Navigation supera los problemas asociados con la calibración para proporcionar información útil del magnetómetro en 3D (Balanceo, Alabeo y Guiñada).

Magnetosphere

11.   Las principales ventajas de utilizar un magnetómetro interno 3D son:

  • La estimación de la actitud es más precisa en todas las orientaciones: balanceo, alabeo y sobre todo en la guiñada.
  • La actitud proporcionada es más robusta en presencia de fallas en los sensores (por ejemplo, falla del GPS u otro sensor IMU).  
  • Permite que el piloto automático continúe funcionando en un entorno sin GPS, ya que sigue proporcionando una excelente estimación del rumbo. Esta fortaleza crucial del sistema de UAV Navigation es una de las debilidades presentes en otras unidades AHRS del mercado.
  • El Estimador de UAV Navigation utiliza un modelo incorporado del campo magnético global. Este modelo proporciona información sobre el campo magnético teórico para cualquier lugar de la superficie de la Tierra y también la declinación e inclinación magnética. Esta información se utiliza para calcular y reducir cualquier error existente en las mediciones proporcionadas por el magnetómetro.
  • El magnetómetro, combinado con la información proporcionada por el ADS (Sistema de Datos Aéreos), permite obtener un cálculo muy preciso de la dirección y la velocidad del viento. Usando esta información, el ángulo de deslizamiento puede ser obtenido con precisión (el ángulo de deslizamiento es el que se forma entre el viento y los ejes del cuerpo). Esta ventaja adicional del sistema de UAV Navigation proporciona una mejor navegación para todos los tipos de plataformas reduciendo el ángulo de deslizamiento; en cambio, los productos de la competencia utilizan únicamente información GPS y la influencia del viento no se evalúa.

Hard Iron

 

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UAV Navigation is a privately-owned company that has specialized in the design of flight control solutions for Unmanned Aerial Vehicles (UAVs) since 2004. It is used by a variety of Tier 1 aerospace manufacturers in a wide range of UAV - also known as Remotely Piloted Aircraft Systems (RPAS) or 'drones'. These include high-performance tactical unmanned planes, aerial targets, mini-UAVs and helicopters.