问过许多（duō）玩无（wú）人机（jī）的选手，都大概（gài）知道无人（rén）机可以自动悬停，但具（jù）体根据什么实（shí）现悬停（tíng）的，都说不上（shàng）来（lái），哪（nǎ）怕有些玩（wán）了很多年的老手也说（shuō）不（bú）出个道道来。当然，人家只（zhī）是为了玩的尽兴，尤其业（yè）余选（xuǎn）手（shǒu），无可厚非。今天（tiān）我（wǒ）们就一（yī）块（kuài）探索探索无人机（jī）是如何实现自动悬停的，看完您（nín）就全明白了。
自动（dòng）悬停的就是将无人机固定在预（yù）设的（de）高度位置与水平位置（zhì）上，也就是一组三维（wéi）座标，空间中只有三维才能定位（wèi）。然而，无人（rén）机（jī）是如何知道自（zì）己的位置的呢（ne）？说起（qǐ）来也很简单，高度（dù）一般是通过（guò）超声（shēng）波（bō）传感器（测（cè）量与地（dì）面的距（jù）离）或者是气压计（高度会影（yǐng）响大气（qì）压（yā）的变化）来测量的，而水平位置的座标则由GPS模块来确定。当然，GPS也可以提供高（gāo）度信息，但（dàn）对于主流的无（wú）人（rén）机来说，更倾向于使用（yòng）气压（yā）计，因为低（dī）成本的GPS的数据刷新率太低，在高速运（yùn）动的（de）时（shí）候数据滞后会导致无人机高度跌（diē）落。
除了GPS模式来定位外，无（wú）人机还（hái）有（yǒu）一种“姿态模式”，依靠的是内部（bù）的IMU（惯性测量（liàng）单元，实际上就是（shì）一组陀螺（luó）仪+加速度计传感器）来识别自身（shēn）的飞行状态和相（xiàng）对位移，凭借飞控员的手（shǒu）动操作，让它（tā）到达预定位置（zhì）进行悬停。
在（zài）室内GPS信号不好的情况下，还可以（yǐ）通过摄像头进行“视觉定位”实现无人（rén）机（jī）的自（zì）动悬停。
【GPS如何定位坐标？】
GPS定位（wèi），实际上就是通过四颗已知位置的卫星来确定GPS接收器的位置。
1、位置信息从哪里来？
实（shí）际上，运行于宇宙（zhòu）空（kōng）间的GPS卫星（xīng），每（měi）一个都在时刻不停地（dì）通过卫星信号向（xiàng）全世界（jiè）广播（bō）自（zì）己的当前位置（zhì）坐（zuò）标信息（xī）。任何一个GPS接收器都可以通过天线（xiàn）很轻（qīng）松地接收（shōu）到这些信息，并且（qiě）能够读（dú）懂（dǒng）这些信息（这（zhè）其实也是每一（yī）个GPS芯片的核心（xīn）功能之一）。这就是这些位（wèi）置信息（xī）的来源。
2、距离信息（xī）从（cóng）哪里来？
我们（men）已经（jīng）知道每一个GPS卫（wèi）星（xīng）都在不辞辛劳地广（guǎng）播自己的位置，那么在发（fā）送位（wèi）置（zhì）信息的同时，也（yě）会附（fù）加（jiā）上（shàng）该数（shù）据包发出时的时间（jiān）戳。GPS接（jiē）收器收到（dào）数据包后，用（yòng）当前时间（当前时（shí）间当然只能由GPS接收器自（zì）己来确定了）减去时（shí）间戳（chuō）上的时间，就是（shì）数据包在空中传输所用（yòng）的时间了。知道了数据包在空中的传输（shū）时间，那（nà）么乘上他（tā）的传输速度，就是数（shù）据包在（zài）空中传输（shū）的距离，也就是（shì）该卫星到GPS接收器的距离（lí）了。数据包是通过无（wú）线电波（bō）传送（sòng）的，那么理想速（sù）度就是光速c，把传（chuán）播时间记（jì）为（wéi）Ti的话（huà），用公式（shì）表示就是：
di=c*Ti(i=1,2,3,4);这就是（shì）di(i=1,2,3,4)的来源了。
3、为什么需要4颗卫星
从理（lǐ）论上来说，以地面点的三维坐标（biāo）（X，Y，Z）为待定（dìng）参数，确实只需要测出3颗（kē）卫星到地面点的距离（lí）就可以确定该点的三维坐标了。但（dàn）是（shì），卫（wèi）地距离是通过信号的传播（bō）时间差Δt乘以信号的传播速度v而得到的（de）。其（qí）中，信号的传播速度v接（jiē）近于真空中的光速，量值非常大。因此，这（zhè）就要求对（duì）时间差Δt进行非常准确的测定，如果稍有偏差，那么测得的卫地距（jù）离就会谬以千里。而时间差Δt是通过（guò）将卫星处测得的信号发射时间（jiān）tS与接收机处测得的（de）信号达到的时间tR求差得到（dào）的。其中，卫星上安置的原（yuán）子钟，稳定度（dù）很高（gāo），我们认为这种钟的时间与（yǔ）GPS时吻（wěn）合（hé）；接收机处的时钟是石英钟，稳定度一般（bān），我（wǒ）们认为它的时钟时间与GPS时存在时间同步误差，并将这种误差作为一个待定参数。这（zhè）样，对于每（měi）个地面点实际上需要（yào）求解（jiě）就（jiù）有4个待定参数（shù），因（yīn）此至少（shǎo）需要观测（cè）4颗卫（wèi）星至地（dì）面点的卫（wèi）地距离数（shù）据。从（cóng）数学的角（jiǎo）度（dù）来讲（jiǎng），简（jiǎn）而言之（zhī）就是求解（jiě）4个未知参数，必然最（zuì）少需要（yào）4个方（fāng）程式。
【超声波如何定高？】
超声波测距定高，就是通过（guò）超声波发（fā）射（shè）装置发出超声波，根据接收器（qì）收（shōu）到（dào）超声波时的时间差（chà）计算出距离。这（zhè）与雷达测（cè）距原理相似。 超声波发射器向某一方（fāng）向发射超声波（bō），在发（fā）射时刻的同时开始计时，超（chāo）声波在空气中传播，途中碰到（dào）障碍物就立即返回来（lái），超声波（bō）接收器收到（dào）反射波（bō）就立即停止计时。(超声波在空气（qì）中的传播速度（dù）为340m/s，根据计时（shí）器记（jì）录（lù）的时（shí）间（jiān）t，就（jiù）可以计算（suàn）出（chū）发射（shè）点距（jù）障碍物的距离（lí）(s)，即:s=340t/2)
超声波指向性（xìng）强，在介质中传播的距离较远（yuǎn），因而超声波经常（cháng）用于（yú）距离的测（cè）量。再加上超声（shēng）波检（jiǎn）测往往比较（jiào）迅速（sù）、方便、计算简单、易于做到实时控制（zhì），并且在（zài）测量精度方面能达到工业实用的要求，因（yīn）此在移 动机器人的研制上也（yě）得到了广泛的（de）应用。
【视觉定位如（rú）何实现？】
无人机室内视觉定位系统，一般俗（sú）称“光流”。 光流(optic flow)是什么呢，其实（shí）这种（zhǒng）视觉现象我们每天都在经（jīng）历,从本（běn）质上说（shuō），光（guāng）流（liú）就（jiù）是你在这个运动着的世界里感觉到的明（míng）显的视觉运动（没（méi）有绝对的静止（zhǐ），也没有（yǒu）绝对（duì）的运（yùn）动）。视觉定位系统包含有（yǒu）摄像头和超声波模块，它主要（yào）利用内置的光流传感（gǎn）器（qì），将像素分布及颜色、亮度等信息转（zhuǎn）变为（wéi）数（shù）字信号传送（sòng）给图像处理系统进（jìn）行各种运（yùn）算来抽取目标的特征，进而（ér）根据判别的结果来控制飞行器的动作，超声波传感器来（lái）判别相对高度，通过（guò）高（gāo）效的视觉处理器计算让无（wú）人机实（shí）现精确（què）室内定位悬停和平稳飞行。
视觉定位系统适用于高度为3 米以下、无GPS 信号或（huò）GPS 信号（hào）欠佳的（de）环境，特别适（shì）用于室内飞行。它依赖地表图像来获取位移（yí）信息（xī），因而必须保证周边环境光源充足，地面纹理丰富。视（shì）觉定位系统在水（shuǐ）面、光线昏暗的（de）环境以（yǐ）及地（dì）面无清晰纹理（lǐ）的环境中无（wú）法定位。
【如（rú）何智能调节保持稳定？】
通过各种传感器知（zhī）道自己的（de）高度与水平位置之后，无人机要如何悬停在这个预设（shè）的位置上呢？这其实就是一套负（fù）反馈自（zì）动控制系统（偏离预设（shè）值就（jiù）自动调整回来）。以GPS模（mó）式（shì）为例，当无人机受到外界影响，高度有升高或者降低的趋势（shì）时，控制（zhì）单元就调节马（mǎ）达（dá）的功率进行反方向运动（dòng）补偿；如果无（wú）人机（jī）有被风（fēng）横向吹离悬停位置（zhì）的趋势，控制（zhì）单元可以启动侧飞模式与之抵消（xiāo）——这些反应都（dōu）是比（bǐ）较快（kuài）的，只要外界影响（xiǎng）不是大得离谱（专业多轴无人机一般（bān）抗四级风没有（yǒu）问题），专业的无人机都可以应付，所以它可以稳稳地定在那里。
在天气（qì）不是（shì）很好，GPS搜星（xīng）困难（nán）的（de）时候（hòu），姿态模式就派上用场（chǎng）了（le）。依（yī）靠无人机内部的IMU单元，系统可以识别当前的飞行（háng）姿（zī）态，进行自动平（píng）衡补偿，同样可以实现高度和水平位置的锁定。（掌上（shàng）无人机）
咨询航（háng）拍服务可加（jiā）昆明俊鹰无人（rén）机飞（fēi）控手老鹰的微信（xìn）laoyingfly |
