Все що потрібно знати про компас на дроні.

Навіщо дрону компас?

Навіщо потрібно калібрувати компас?

Чому квадрокоптери відлітають від вас «в Китай»?

Навіщо компас на вашому дроні, та як там ця коробочка поміщається? У Всесвітньої Мережі гуляє величезна кількість міфів та помилок стосовно дронів. Як виявилося, багато з них пов’язані з такою деталлю як компас. Ми звикли, що компас це така кругла коробочка з прозорим верхом, всередині якої крутиться магнітна стрілка. Червоний кінець стрілки показує на південь, а синій – на північ. Почнемо з питання «Навіщо?».

Навігаційна система дрона забезпечує утримання дрона на місці проти поривів вітру, та забезпечує роботу інтелектуальних режимів дрона, у тому числі повернення додому при втраті зв’язку (Fail Safe). Навігаційна система складається з двох основних частин – GPS приймача та компаса. GPS приймач 10 раз в секунду отримує за допомогою супутників координати дрона. Якщо дрон зносить вітром, його координати змінюються. Наприклад, вітер тягне дрон в південно-східному напрямку. Для того, щоб не летіти від вас за вітром в Китай, дрону потрібно весь час рухатися в протилежну сторону проти вітру. Але як дрону зрозуміти, в яку саме сторону потрібно летіти? Саме для цього у вашого літального апарату є компас, який повідомляє йому, що, наприклад, північ знаходиться праворуч, а значить летіти потрібно вперед та вправо, на північний захід. Тобто, компас вказує дрону, як він розташований в просторі відносно сторін світу . Це його основне завдання. Якщо компас не працює належним чином, перестає працювати вся навігаційна система дрона. Це означає, що ваш квадрокоптер не повернеться додому при втраті сигналу, перестане летіти за маршрутом та т. п.

В якості компаса на дроні застосовують електронний трехосевой магнітометр – маленьку детальку-мікросхему, яка вимірює напруженість магнітного поля в різних напрямках.

Магнитный компас
Звичайний магнітний компас
Трехосевой магнитометр
Електронний трехвісевий магнітометр

Для допитливих
У повсякденному житті ми навіть не замислюємося про те, що магнітний та географічний північний полюс зовсім не одна і та ж точка на глобусі. Це взагалі різні геофізичні поняття! Географічний полюс, також званий істинним північчю, – це напрямок до фіксованій точці на поверхні Землі, яку ми називаємо Північним полюсом. Саме через цю точку проходить зверху вісь на глобусі. Магнітний північ – це умовна точка в північній полярній області земної кулі, в якій магнітне поле Землі направлено строго вниз (під кутом 90° до поверхні). Розташування північного магнітного полюса не збігається з географічним північним полюсом. Приблизно з початку XVII століття магнітний полюс розташовується під паковими льодами в межах нинішньої канадської Арктики. Ця розбіжність призводить до того, що стрілка компаса показує на північ не точно, а лише приблизно. Кут, який утворюється між напрямками на географічний Північний полюс та Магнітний полюс – має назву магнітним схиленням. Кут магнітного схилення буде різним для різних місць на поверхні Землі. Більш того, кут магнітного схилення змінюється з часом, через рухомість магнітного полюса. Після 1831 року, коли становище полюса було зафіксовано вперше, до 2019 року полюс змістився вже більш ніж на 2300 км в сторону Сибіру, та продовжує рухатися з прискоренням. Швидкість його переміщення збільшилася з 15 км на рік у 2000 році до 55 км на рік в 2019 році.

Движение магнитного полюса Земли
Рух магнітного полюса Землі за останні роки

Якщо ви прочитали розділ «Для допитливих», то вже знаєте про магнітне схилення, величина якого різна в різних місцях та взагалі не постійна. Для того, щоб дрон міг вірно враховувати кут між напрямком на істинний Північ та магнітний полюс, компас (магнітометр) на квадрокоптері потрібно час від часу калібрувати. Сенс калібрування в тому, що магнітометр повинен записати рівні напруженості магнітного поля навколо себе. Для цього, ви повинні повертати дрон на 360 градусів. Так як магнітометр вимірює напруженість магнітного поля по всіх осях, цю процедуру роблять двічі. Другий раз дрон повертають на 360 градусів навколо іншої його осі.

Калибровка компаса на дроне
Процедура калібрування компаса на дроні

Як треба обертати дрон під час калібрування? За або проти годинникової стрілки? У Мережі гуляє безліч чуток та легенд щодо цього. Одні кажуть, що дрон потрібно крутити строго навколо його центральної осі, інші, що можна стоячи на місці самому, крутити дрон навколо себе. Одні радять робити це прямо на землі, інші рекомендують підняти дрона вище. Що ж з цього має сенс? Насправді, напрямок обертання дрона при калібрування, радіус описуваних кіл та висота над землею не важливі, якщо немає магнітних перешкод поблизу. В умовах магнітних перешкод у землі – залізна або залізо-бетонна поверхня піти з якої ви не можете, краще калібрувати компас дрона піднявши його як умога вище над головою, та потім запускати дрон теж з піднятих рук. Такий алгоритм дій зменшує вплив магнітних перешкод від поверхні. У нашій школі всі учні навчаються запуску та посадці дрона з рук. У більшості випадків це дає можливість дрону злетіти в тих місцях, де у землі дуже сильна магнітна перешкода.

Коли та як часто потрібно проводити калібрування компаса? У ранніх моделях дронів DJI рекомендувалося проводити цю процедуру на кожному новому місці проведення польотів. Зараз можна калібрувати компас значно рідше, тільки тоді, коли дрон сам про це просить. «Прохання» дрона виглядає як повідомлення про помилку компаса (Compas Error) та пропозиція змінити місце старту або провести нове калібрування.

Від чого виникають помилки компаса, та що слід робити у таких випадках? Помилки компаса з’являються тоді, коли рівень напруженості магнітного поля біля дрона виходить за межі записані під час попереднього калібрування. Таке трапляється в районі магнітних аномалій. Магнітна аномалія, це місце, в якому рівень магнітного поля значно відрізняється від звичайних значень. Природні аномалії знаходяться в районах залягання магнітних руд. В районі Кривого Рогу та Курська є великі родовища магнетиту та потужні магнітні аномалії площею в десятки квадратних кілометрів. Найчастіше пілоти дронів стикаються з магнітними аномаліями штучного походження. Великі залізні об’єкти мають властивість самостійно намагнічуватися від руху магнітного поля Землі. Трубопроводи, залізні мости, залізобетонні будівлі, навіть металеві огорожі можуть бути джерелами невеликих але потужних магнітних аномалій. На щастя, напруженість магнітного поля дуже швидко зменшується зі збільшенням відстані від магнітного об’єкта, так що перешкодою для польотів штучні споруди будуть тільки в безпосередній близькості від них. Як правило, розміри штучних аномалій не перевищують кілька десятків метрів. Чи не досвідчені користувачі плутають магнітні перешкоди від намагнічених поверхонь та електромагнітні високочастотні перешкоди від роботи радіообладнання. Перші – впливають на компас, та не впливають на дальність зв’язку. Другі – навпаки, не роблять впливу на компас, але зменшують максимальну дальність впевненого зв’язку.

Якщо ви бачите повідомлення про проблему з компасом перед польотом (напис Compas Error на червоній смузі у верхній частині екрану), та калібрування завершується помилкою, швидше за все ви перебуваєте поблизу якогось намагніченого об’єкта. Навіть каналізаційний люк може викликати помилку компаса, якщо поставити дрон на нього.

Під час польоту відмова навігаційної системи виглядає як раптовий самостійний ульот дрона за вітром. Коли вітер сильний, дрон відлітає від вас так швидко, що здається ніби хтось перехопив керування. Це відбувається або при відмові GPS (що буває рідко), або при помилки компаса. У разі помилки компаса в додатку з’являється напис «Compas Error» на червоному тлі. Якщо помилка компаса з’явилася в повітрі, не варто панікувати. Дрон від цього сам не перевернеться, не впаде на землю, не втратить зв’язок та керованість. Єдине що станеться – відключиться навігаційна система, перестануть працювати інтелектуальні режими польоту, дрон перестане утримувати позицію та полетить за вітром. Це може бути небезпечно тільки якщо у вас немає навичок управління дроном в ручному режимі або дрон знаходиться за межами видимості.

В нашій школі ми даємо учням та відпрацьовуемо алгоритми реагування у екстремальніх ситуаціях. Уміння управляти дроном при відключеною навігаційній системі є для студентів обов’язковими практичним досвідом. Учні відпрацьовують з інструктором навички керування дроном в ручному режимі та в інших екстремальних ситуаціях. Вміючи управляти дроном в ручну, ви можете або повернути дрон трохи назад, де помилки компаса не було, або дати йому самому вилетіти за кордон магнітної аномалії разом з вітром та продовжити ваш політ.