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UAV Navigation en profundidad: Magnetómetros, ¿por qué son críticos para la navegación de un UAV?

INTRODUCCIÓN

Desde los comienzos de la aviación, los pilotos han utilizado una brújula magnética para la navegación, como un instrumento para obtener información sobre el rumbo.

Los magnetómetros utilizados en la aviación miden el campo magnético de la Tierra para mostrar la orientación. Existen dos tipos: Absoluto y Relativo (clasificados por sus métodos de calibración).

  • Los magnetómetros absolutos se calibran usando sus propias constantes internas conocidas.

    Los magnetómetros relativos deben ser calibrados por referencia a un campo magnético conocido y medido con precisión. Normalmente, se carga un Modelo Magnético Mundial (World Magnetic Model, WMM) en él.

Magnetic Field

Además de los magnetómetros de rumbo más simples, los magnetómetros de tres ejes, también se utilizan ampliamente a bordo de las aeronaves modernas. Las pequeñas distorsiones en las mediciones del magnetómetro ocurren típicamente durante el vuelo. Cuando se vuela en latitudes altas o bajas, el vector del campo magnético local forma un ángulo significativo con la superficie del elipsoide local (en el caso de España esto equivale aproximadamente a 55 grados). Para obtener mediciones magnéticas en dos hemisferios de la esfera ideal del magnetómetro es necesario que la aeronave tenga al menos una de las siguientes capacidades:

  • Capacidad de volar con un ángulo de cabeceo mayor que el ángulo que forma el vector magnético local con la superficie del elipsoide local (éste debe ser mayor en valor absoluto, aunque no importa si es de cabeceo hacia arriba o hacia abajo).

  • Capacidad de volar con un ángulo de alabeo mayor que el ángulo que forma el vector magnético local con la superficie elipsoidal local (debe ser mayor en valor absoluto, aunque no importa si se alabea a la derecha o a la izquierda).

  • Capacidad de volar con una combinación de ángulo de alabeo y ángulo de cabeceo que logre un ángulo del plano XY en el cuerpo de la aeronave con la superficie elipsoidal local mayor que el ángulo que forma el vector magnético local con la superficie local.

El magnetómetro absoluto más simple, diseñado en 1832 por el destacado matemático alemán, Carl Friedrich Gauss, consiste en una barra magnética permanente suspendida horizontalmente por una fibra de oro. La unidad de inducción magnética Gauss se llama así en su honor.

Los campos magnéticos pueden ser medidos de varias maneras. La técnica más sencilla que se sigue empleando hoy en día es el uso de una aguja permanentemente magnetizada que se monta de forma que pueda pivotar en el plano horizontal. Mientras no haya interferencias, como los efectos de la gravedad en el montaje, la aguja se alineará exactamente a lo largo del vector del campo magnético local. Si se permite que la gravedad afecte al rendimiento de la aguja, entonces el efecto de la gravedad se convertirá en un componente de la medición. Esta es la razón por la que se utilizan magnetómetros para medir el rumbo.

El magnetómetro es, por lo tanto, un instrumento para medir tanto la fuerza como la dirección de los campos magnéticos.

Se puede calcular un rumbo extremadamente preciso y robusto utilizando un magnetómetro y combinándolo con los datos de los paquetes de sensores GNSS y IMU.

Magnetosphere

VARIACIONES Y ERRORES MAGNÉTICOS

El norte magnético es la dirección del componente horizontal del campo magnético de la Tierra. Esta dirección puede considerarse como el Norte Verdadero, excepto cerca de los polos. El ángulo entre la dirección del Norte Magnético local y el Norte Verdadero se llama "variación magnética" o "declinación magnética".

Un error común es que las líneas del campo magnético de la Tierra corren directamente de polo a polo en la distancia más corta posible y que la fuerza de estas líneas es la misma alrededor de la circunferencia de la Tierra. Este no es el caso. De hecho, el campo magnético de la Tierra sufre muchas variaciones locales, que además cambian con el tiempo.

El siguiente diagrama muestra los meridianos magnéticos del campo magnético de la Tierra:

Magnetic Field Lat 0 Long 0

Magnetic Field Lat 0 Long 90

Magnetic Field Lat 30 Long 0

Centered on the point at

latitude 0° and longitude 0°

Centered on the point at

latitude 0° and longitude 90°

Centered on the point at

latitude 30° and longitude 0°

Magnetic Field Lat 30 Long -133.16

Magnetic Field Lat -64.44 Long 137.44

Magnetic Field Lat 85.19 Long -133.16

Centered on the point at

latitude 30° and longitude -133.16°

Centered on the point at

latitude 85.19° and longitude -113.16°

(i.e., the arctic magnetic pole in 2010)

Centered on the point at

latitude -64.44° and longitude 137.44°

(i.e., the antarctic magnetic pole in 2010)

Un enfoque común utilizado para estimar el rumbo es calcular las componentes ortogonales (Hx/Hy) del vector magnético de la siguiente manera:

Rumbo = arctan(Hx/Hy)

Esto es correcto cuando la aeronave está completamente nivelada. Sin embargo, cuando hay alguna inclinación, este cálculo no es preciso.

Aunque la brújula magnética es generalmente un instrumento fiable debido a su simplicidad, también es propensa a errores y a veces difícil de interpretar.

Además, como es bien sabido, la Ley Biot-Savart establece que las corrientes eléctricas pueden inducir una perturbación magnética local. Por esta razón, la presencia de dispositivos eléctricos cerca de un magnetómetro puede causar perturbaciones en las mediciones obtenidas.

ERRORES

Error de caída.   Como ya se ha mencionado, al calcular el rumbo en la mayoría de las aeronaves pequeñas, la técnica más común es la brújula magnética.

Los errores sufridos con este tipo de brújula pueden ser causados por varios tipos de errores, incluyendo el creado por la "caída" o pendiente descendente del campo magnético de la Tierra. El error de caída hace que la brújula magnética se lea incorrectamente cuando la aeronave se inclina, y también durante la aceleración o la desaceleración. Este fenómeno crea problemas para el uso de las brújulas magnéticas en cualquier condición de vuelo que no sea un vuelo no acelerado, perfectamente recto y nivelado.

Magnetometer Acceleration Variation

Errores de aceleración

Errores de giro.   En un giro coordinado la brújula magnética, como los ocupantes del avión, siente una fuerza gravitacional efectiva a lo largo del eje vertical del avión, lo que hace que la tarjeta de la brújula se salga de la horizontal.

Supongamos por ejemplo que un avión (en el hemisferio norte) está realizando un giro coordinado en dirección norte o sur. En cada caso, debido a la inclinación magnética, el Norte que busca el extremo de la brújula gira hacia abajo, de modo que la brújula ya no indica con precisión el Norte o el Sur respectivamente.

Magnetometer Turn Variation

Errores de giro hacia el Norte

La magnitud del error resultante, conocido como "error de giro hacia el Norte", depende del rumbo, la dirección del giro, el ángulo de viraje y el ángulo de inclinación.

Al dirigirnos al este o al oeste no hay ningún error causado por la caída magnética.

Errores de inclinación.   Para evitar errores de inclinación, se puede utilizar un sensor magnético de 3 ejes con un acelerómetro adicional. El sensor de 3 ejes proporciona información sobre las coordenadas del vector magnético de la Tierra y el sensor del acelerómetro mide los ángulos entre la brújula y la gravedad, de modo que se pueden estimar los componentes del vector de rumbo y restar el error de la lectura.

Corrección de errores en los sistemas de UAV Navigation.   Los sistemas de la Compañía están diseñados para tener en cuenta los efectos de todos estos tipos de error. Se utiliza la información de los acelerómetros para reducir el error y proporcionar la información de rumbo más precisa y robusta posible.

VARIACIONES DE SOFT AND HARD IRON

Un TAM puede utilizarse para recoger mediciones del campo magnético local rotándolo por los tres ejes para producir una esfera de datos. El lugar de las mediciones formará una esfera de radio igual a la intensidad local del campo magnético (M).

Local Magnetic Field

La presencia de un campo magnético constante adicional, conocido como Hard Iron, distorsionará esta esfera al desplazar su origen.

La presencia de un campo magnético inducido adicional dependiente de la orientación del TAM, conocido como Soft Iron, distorsionará esta esfera transformándola en un elipsoide.

Cuanto más partes ferromagnéticas, y/o efectos magnéticos inducidos por circuitos eléctricos, el vehículo se verá afectado más fuertemente por los efectos del Soft and Hard Iron.

Hard Iron

Soft Iron

Además, la desalineación o la no ortogonalidad de los sensores individuales pueden desplazar o rotar el eje de medición. Esto se debe típicamente a los gradientes térmicos dentro del magnetómetro o a la tensión mecánica de la aeronave.

Los efectos no magnéticos, como la rotación del TAM demasiado rápida mientras se recogen las mediciones (velocidades angulares superiores a 150 grados por segundo aproximadamente) pueden distorsionar aún más localmente el elipsoide.

La calibración del magnetómetro eliminará (idealmente) o reducirá en gran medida (en la práctica) estos errores magnéticos.

CONCLUSIONES

Todos los UAVs deben tener algún método para medir el rumbo con precisión para poder completar una misión con seguridad. Normalmente esta información de rumbo es suministrada por un magnetómetro, aunque la precisión y fiabilidad de este instrumento puede ser aumentada utilizando otros sistemas como el GNSS o un IMU.

Los magnetómetros son fundamentales para las operaciones de las plataformas de ala rotatoria, ya que proporcionan información sobre la orientación de la plataforma cuando está en vuelo o cuando la información del sistema GNSS no puede definirla con suficiente precisión.

Por el contrario, para la mayoría de las plataformas de ala fija la información de orientación puede derivarse de un sistema GNSS (porque la aeronave siempre está en movimiento hacia adelante y por lo tanto establece un "rastro" de lecturas). Sin embargo, el GNSS por sí solo no puede proporcionar toda la información de rumbo, ya que este método no tiene en cuenta ningún ángulo de guiñada que pueda experimentar la aeronave. La utilización de un sistema GNSS por sí solo también puede dar lugar a problemas de navegación si la señal GNSS se pierde o se degrada, o si hay un exceso de viento cruzado ("ángulo de resbalamiento"). Por esta razón, en las plataformas de ala fija se utilizan magnetómetros para proporcionar datos adicionales para el cálculo del rumbo y también para la redundancia (para detectar y aislar el fallo del sensor).

 

UAV Navigation implementa varios métodos y lógicas diferentes para minimizar los efectos de la deriva y los errores inherentes a los magnetómetros, así como para minimizar los efectos de las influencias externas (como los campos magnéticos creados por los dispositivos eléctricos), a fin de obtener las mediciones más precisas del magnetómetro. Uno de estos métodos es la Calibración del Hard Ironen Línea (OLHIC) para los magnetómetros.

Uno de los objetivos principales del sistema de control de vuelo de UAV Navigation es asegurar la integridad de la plataforma a través de la redundancia múltiple. En caso de fallo de otros subsistemas (por ejemplo, GNSS), el rumbo se calculará utilizando las mediciones del magnetómetro.

 

 

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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.