问（wèn）过（guò）许多玩（wán）无人机的选手，都大概知道无人机可以（yǐ）自动悬（xuán）停，但（dàn）具体根据什么实（shí）现悬停的，都说不上来，哪（nǎ）怕有些玩了（le）很多年的老手（shǒu）也（yě）说不出个道道来。当然，人家只是（shì）为了玩的尽（jìn）兴，尤（yóu）其（qí）业余选（xuǎn）手（shǒu），无可厚非。今天我们就（jiù）一块探索探（tàn）索无人机是如何实现自动悬停的，看完您就全明白了。
自动悬停的就是将无人机固定（dìng）在预设（shè）的高度位置与水平（píng）位置上，也就是一组三（sān）维座标，空间中只（zhī）有三维才能定位。然（rán）而，无人机（jī）是如何（hé）知道自己的位置的呢？说起来也很简单，高度一般是（shì）通（tōng）过超声波传感器（测（cè）量与地面的距离）或者是气（qì）压计（高度会影响（xiǎng）大气压的变化）来测量的，而水平位置（zhì）的座标则由GPS模块（kuài）来确定。当然，GPS也（yě）可（kě）以提供高度（dù）信息，但对于（yú）主流的（de）无人机来说，更（gèng）倾向于（yú）使用气（qì）压（yā）计，因为低成本的GPS的数（shù）据刷新率太低（dī），在高速（sù）运动（dòng）的时候（hòu）数（shù）据滞后会导（dǎo）致无人（rén）机高（gāo）度跌落（luò）。
除了GPS模式来定位外，无人机还有（yǒu）一种“姿态模式”，依靠的是内部的IMU（惯性测量单元，实（shí）际上就（jiù）是一组陀螺（luó）仪+加速度计（jì）传感器）来识（shí）别（bié）自身的飞行（háng）状态和相对位移，凭（píng）借飞控员的（de）手动操作，让（ràng）它到达预（yù）定位置进行悬停。
在室内GPS信号不好（hǎo）的情况下，还可以通过摄像头进行“视觉定位（wèi）”实现无人（rén）机的自动（dòng）悬（xuán）停。
【GPS如何（hé）定（dìng）位坐标？】
GPS定位，实际上（shàng）就是通（tōng）过四（sì）颗已知位置的卫星来确（què）定（dìng）GPS接收器的位置。
1、位置（zhì）信息从哪里（lǐ）来？
实际上，运行于宇宙空间的（de）GPS卫（wèi）星，每一个都在时刻不（bú）停地通过（guò）卫（wèi）星信号（hào）向全世界广播自己的当前位置坐标信息。任（rèn）何一个GPS接收器都（dōu）可以通过天线很轻松地接收（shōu）到这些信息（xī），并且能够读懂（dǒng）这些信息（xī）（这其实也是每一个GPS芯（xīn）片的（de）核心功能（néng）之（zhī）一）。这就是这些位置信息的来源。
2、距离信息从哪里来？
我们已（yǐ）经知道每（měi）一个GPS卫星都在不辞辛（xīn）劳地广播自己的位（wèi）置，那么在发送位置信息（xī）的同（tóng）时，也会附加上该数据包发（fā）出时的（de）时间戳。GPS接收器收到数据包后（hòu），用当前（qián）时间（当前时间当然只能由（yóu）GPS接（jiē）收器自己（jǐ）来确定了（le））减去时间戳（chuō）上的时间，就是数据包在空（kōng）中（zhōng）传（chuán）输（shū）所（suǒ）用的时间了。知道了（le）数据包（bāo）在空中的传输（shū）时间，那么乘（chéng）上他的（de）传输速（sù）度，就是（shì）数据包在空中（zhōng）传输的距离，也就是该（gāi）卫星（xīng）到GPS接收器的距（jù）离了（le）。数据包是通过无线电波传（chuán）送的，那么理（lǐ）想速（sù）度就是光速c，把传播时间（jiān）记为Ti的话，用公式表（biǎo）示就是：
di=c*Ti(i=1,2,3,4);这就是di(i=1,2,3,4)的来（lái）源了。
3、为什么需（xū）要4颗卫星
从理论上（shàng）来说，以地面点的（de）三维坐标（X，Y，Z）为待定参数，确实（shí）只（zhī）需（xū）要测出3颗卫（wèi）星到地面点（diǎn）的距离（lí）就可以确定该点的三维坐（zuò）标（biāo）了。但是，卫（wèi）地距离是通（tōng）过信号的传播时间差Δt乘（chéng）以信号的传（chuán）播速（sù）度v而得到的（de）。其中，信号的传播速度v接近于真空中的（de）光速（sù），量值非常（cháng）大。因此，这（zhè）就要（yào）求对时间（jiān）差Δt进行非常准确的测定，如果稍（shāo）有偏（piān）差，那么测得的卫地距离就（jiù）会谬以千里。而（ér）时（shí）间差Δt是通过将卫星处测得的信号发射时（shí）间（jiān）tS与接收机（jī）处测（cè）得的信号达到的（de）时间tR求差（chà）得到的。其中，卫星（xīng）上安置的原子钟，稳定度很高，我们认为这种钟的时间与GPS时吻（wěn）合；接收机处的时钟是（shì）石英钟，稳定度一（yī）般，我们（men）认为它（tā）的时钟时间与GPS时存在时间同步误（wù）差，并将这（zhè）种误（wù）差作为一（yī）个待（dài）定参数。这样，对于每个地（dì）面点实际上需要求解就有（yǒu）4个待定参数，因（yīn）此至少需要观测4颗（kē）卫星至地面点的卫地（dì）距离数据。从数学的角度来讲，简而言之就是求解4个（gè）未（wèi）知参（cān）数，必然最少需要4个方程式。
【超声波如（rú）何定高？】
超声波测（cè）距定（dìng）高，就是（shì）通过超声波发射装（zhuāng）置发出超声波，根据接收器（qì）收到超（chāo）声波时的时间差计算出（chū）距离（lí）。这与雷达（dá）测距原（yuán）理相似。 超声波发射器向某一方（fāng）向发（fā）射超声波，在（zài）发射（shè）时刻的同时开始计时，超声波在空气中（zhōng）传（chuán）播（bō），途中碰到（dào）障碍物就立即返回来，超（chāo）声波接收（shōu）器收到（dào）反射波就立（lì）即停止计时。(超声波在（zài）空气中的传播速度为340m/s，根据计时器记录的时间t，就可以计（jì）算出（chū）发射点距障碍物的（de）距离(s)，即:s=340t/2)
超声波指向（xiàng）性强（qiáng），在介质中传（chuán）播的距（jù）离较远，因（yīn）而超声波经（jīng）常用于距离的测量。再加上超（chāo）声（shēng）波检测往往比较（jiào）迅速、方便、计算简单（dān）、易于做到实（shí）时控（kòng）制，并且在测量精（jīng）度方面能达到（dào）工业实用的要求，因（yīn）此在移 动机（jī）器人的（de）研制上也得到了广泛的应用。
【视（shì）觉定位如（rú）何（hé）实现？】
无人（rén）机室内视觉定位系统，一（yī）般（bān）俗称（chēng）“光流”。 光流(optic flow)是什么呢，其实（shí）这种视觉现象我们每天都在经历,从本质上说，光流就是你在这个运动着的（de）世界里感觉到的（de）明显的（de）视觉运动（dòng）（没有绝对的静止，也没有绝对的（de）运动）。视觉定位系统包含有摄像头和超声波模块，它主要利用内置的光流传感器，将像素（sù）分（fèn）布及颜色、亮度等信息转变为数字（zì）信号（hào）传送给图像处理系统（tǒng）进（jìn）行各种（zhǒng）运算（suàn）来抽取目（mù）标的特（tè）征，进而根据判别的结果来控（kòng）制飞行器的动作，超声波传感器来判别相对高度，通过高效的（de）视（shì）觉处理器计（jì）算让（ràng）无人机实现精确室内定位悬停（tíng）和平（píng）稳飞行。
视觉定位系统适用于（yú）高度为3 米（mǐ）以下、无GPS 信（xìn）号（hào）或GPS 信号欠佳（jiā）的环境，特别适用于室内飞行。它依（yī）赖地（dì）表图像来获取位移信息，因而必须保（bǎo）证周边（biān）环境光源充足（zú），地面（miàn）纹理丰富。视觉（jiào）定位系统在水面、光（guāng）线昏暗的环境以及地面无清晰纹理的环境中无法定位。
【如何智能调（diào）节保持（chí）稳定？】
通（tōng）过各种传感器知道（dào）自己的高度与水平（píng）位（wèi）置之后，无（wú）人机要（yào）如何悬停在（zài）这个（gè）预设的位（wèi）置上呢（ne）？这（zhè）其实就是一套负反馈（kuì）自动控制（zhì）系统（偏离预（yù）设值就自动调整回来）。以GPS模式为例（lì），当（dāng）无人机受到外界影响，高度有升高或者降（jiàng）低（dī）的趋（qū）势时，控制单元就调节马达的（de）功率进行（háng）反方向运动补（bǔ）偿；如果无人机（jī）有（yǒu）被风横向吹（chuī）离悬停位置的趋（qū）势，控制单元可以启动侧飞模式与（yǔ）之（zhī）抵消——这些（xiē）反应都是比较快的（de），只要外界（jiè）影响不是大得离谱（专业（yè）多轴无人机一般抗四级风没有问（wèn）题（tí）），专业的无人机都可以应付，所（suǒ）以它可以稳稳（wěn）地（dì）定在那里。
在天气（qì）不是很（hěn）好，GPS搜（sōu）星困难的时（shí）候，姿态（tài）模式就派上（shàng）用场了。依靠无人机内部的IMU单元，系统可以识别当前的飞行姿态，进行自动平衡补偿，同样可以实现高（gāo）度和水平（píng）位置（zhì）的锁定。（掌上无（wú）人机）
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