问过许多（duō）玩无（wú）人机的选手，都（dōu）大概知道无人机可以自动（dòng）悬停，但具体根据什（shí）么实现悬停的，都说不上来（lái），哪（nǎ）怕有（yǒu）些玩了很多年（nián）的（de）老手也说不出个道道（dào）来。当然，人家只是为了玩的（de）尽兴，尤其业余选手，无（wú）可厚非（fēi）。今天我们（men）就一块探索探（tàn）索无人机（jī）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（zài）预设的高（gāo）度位置与水平（píng）位置上，也就是一（yī）组（zǔ）三（sān）维座标，空（kōng）间中只有三（sān）维才能定（dìng）位。然而，无人机（jī）是如何（hé）知道自己（jǐ）的位（wèi）置的呢（ne）？说起来也很简单，高度（dù）一（yī）般是通过超声波传感器（测量与（yǔ）地（dì）面的距离）或者是气（qì）压计（高度会影（yǐng）响（xiǎng）大气压的变化）来测量的，而水（shuǐ）平位置的座标则（zé）由GPS模块来确定（dìng）。当然，GPS也（yě）可以提供（gòng）高度信息，但（dàn）对于（yú）主流的无人机（jī）来（lái）说，更倾向（xiàng）于使用气压（yā）计，因为（wéi）低成本的GPS的数据刷新（xīn）率太低，在高（gāo）速运动的时候数据滞后会（huì）导致无人机高度跌落。
除了GPS模式（shì）来定（dìng）位外（wài），无人机还有一种“姿态模式”，依靠的是（shì）内部（bù）的IMU（惯性测量（liàng）单元，实际上就是一（yī）组陀螺仪+加速（sù）度计传感器）来识别自（zì）身的飞行状态和相对位移，凭（píng）借飞控（kòng）员（yuán）的（de）手动操（cāo）作，让它到（dào）达预定位置进行悬停。
在室内GPS信号不好的情况下，还可以（yǐ）通过摄像头进行“视（shì）觉定位”实现（xiàn）无人机的自动悬（xuán）停。
【GPS如何定位坐（zuò）标？】
GPS定位，实际上就（jiù）是通过四颗已（yǐ）知位置的卫星来确定GPS接（jiē）收器的位置。
1、位置信息从哪里来？
实际上，运（yùn）行（háng）于宇宙空间的（de）GPS卫星，每一个都在时（shí）刻不停地通过卫星信号向全世（shì）界广播（bō）自己的当前位置（zhì）坐标信（xìn）息（xī）。任（rèn）何一个GPS接收器（qì）都可以通过天线很轻（qīng）松地接（jiē）收到这些信（xìn）息，并且能够读懂（dǒng）这些信息（这其实也是每一（yī）个（gè）GPS芯片的核心功（gōng）能（néng）之（zhī）一）。这就（jiù）是这些（xiē）位置信息（xī）的来源。
2、距离信息从（cóng）哪里来？
我们已经（jīng）知道每（měi）一个GPS卫（wèi）星都在（zài）不辞辛劳地广播自己（jǐ）的位置，那（nà）么在发（fā）送位（wèi）置信息（xī）的同（tóng）时，也（yě）会附加上该数据包（bāo）发出（chū）时的时间（jiān）戳。GPS接收器（qì）收到数据包后，用当前（qián）时间（当前时间当然只能（néng）由GPS接（jiē）收器自己来确（què）定了（le））减去（qù）时间戳上的时间，就是数据包在空中传输所用的时间了。知道了数据包在空中的（de）传输时间，那么乘上他的传输（shū）速（sù）度，就是数据包在（zài）空中（zhōng）传（chuán）输（shū）的（de）距离，也就是该（gāi）卫星到（dào）GPS接收器的（de）距（jù）离了。数据包是通过无线电波（bō）传送的，那么理想速度就是光速c，把（bǎ）传播时间记为Ti的（de）话（huà），用（yòng）公式表示就是（shì）：
di=c*Ti(i=1,2,3,4);这就是di(i=1,2,3,4)的来源了。
3、为什么需要4颗卫星
从理论上来（lái）说，以地面（miàn）点的三维（wéi）坐标（biāo）（X，Y，Z）为待定参数，确实（shí）只（zhī）需要测（cè）出3颗（kē）卫星（xīng）到地面点（diǎn）的距离就可以确定该点的三维坐（zuò）标（biāo）了。但是，卫地距离是通（tōng）过信号的传播时间（jiān）差Δt乘以信号的传播速度v而得到的。其中，信号（hào）的传（chuán）播速度v接（jiē）近于真空（kōng）中的光速，量值非常大。因（yīn）此，这就要求对时（shí）间差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（dì）距（jù）离就会谬以千（qiān）里。而时间差Δt是通过将卫星处（chù）测得的信号发射时间tS与（yǔ）接收机处（chù）测得的（de）信号（hào）达到（dào）的时间tR求差（chà）得到的（de）。其中，卫（wèi）星上（shàng）安置的原子钟，稳定度很高，我们认（rèn）为这种钟的时间与GPS时吻合；接（jiē）收（shōu）机处的（de）时钟是石英钟，稳定度一般，我（wǒ）们认（rèn）为它的时钟时（shí）间与GPS时（shí）存在时间同步误差，并将这（zhè）种误差作为一个待定参数。这（zhè）样，对（duì）于每个地面点实际上需要求解就有4个待定参数，因此至少需要（yào）观测（cè）4颗卫星至地面点的卫地距离数据。从数学的角度来（lái）讲，简而言之就是（shì）求解4个未知参数，必然最少需要4个方程式。
【超声波如何定高（gāo）？】
超声波测（cè）距定（dìng）高，就是通过超声波发射装置（zhì）发出超声波，根（gēn）据（jù）接收器（qì）收（shōu）到超声波（bō）时的（de）时（shí）间差计算出距离（lí）。这与雷达测距原理相（xiàng）似。 超声波发射器向某一方向发射超（chāo）声波，在发射时刻的同时开始计（jì）时，超声波在空气中（zhōng）传播，途（tú）中碰到障碍物就立即返回（huí）来，超声波（bō）接收器收到反射波（bō）就立即停止计（jì）时。(超声波在空（kōng）气中的传（chuán）播（bō）速度为340m/s，根据计时（shí）器记录（lù）的时间（jiān）t，就（jiù）可以计算出发射点距障（zhàng）碍物的距离(s)，即:s=340t/2)
超声波（bō）指向性强，在介（jiè）质中传播的距（jù）离较远，因而超声波经常用于距（jù）离的测量。再（zài）加上（shàng）超声波检测往往比较迅速、方便、计算简单、易于（yú）做到实时（shí）控制，并且在测量精度方面能（néng）达（dá）到工业（yè）实用（yòng）的要求，因此在移 动机器（qì）人（rén）的研制上也得到了广泛（fàn）的应用。
【视觉定位（wèi）如何（hé）实现？】
无（wú）人机室内视觉定位系统，一（yī）般俗称“光流”。 光流(optic flow)是什么（me）呢，其实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世界里感（gǎn）觉到的（de）明显的（de）视觉运动（没有（yǒu）绝对的静止，也没有（yǒu）绝（jué）对的运动）。视（shì）觉定（dìng）位系（xì）统包含有（yǒu）摄（shè）像头和超声波（bō）模块，它主要利用（yòng）内置的光流传（chuán）感（gǎn）器，将像素分布及颜色、亮（liàng）度等信息转变（biàn）为数字信号传送给图像处理系统进行各种运（yùn）算来（lái）抽取目标的特征（zhēng），进（jìn）而（ér）根据（jù）判别（bié）的结果来控制飞行器的动作，超（chāo）声波（bō）传感器来判别相对高度，通过高（gāo）效的视觉处理器计算让无人（rén）机（jī）实现精（jīng）确（què）室内定（dìng）位悬停和平（píng）稳飞行。
视觉定（dìng）位系统适（shì）用于高度为3 米以下、无GPS 信号（hào）或GPS 信号欠（qiàn）佳的环境，特别（bié）适用于室内飞行。它依赖（lài）地表图像（xiàng）来获（huò）取位移信息，因（yīn）而必须（xū）保证周（zhōu）边环境光源充足，地（dì）面纹理丰富。视觉定位系（xì）统在水面、光线昏（hūn）暗（àn）的环境以及地面无清晰纹理的环境中无法定位。
【如何智能调节（jiē）保持稳定？】
通过（guò）各（gè）种传感器知道自己（jǐ）的高度与（yǔ）水平（píng）位（wèi）置之后，无人机要如（rú）何（hé）悬停在这个预设的位置上呢（ne）？这其实（shí）就是（shì）一（yī）套负反（fǎn）馈自动控（kòng）制系统（偏离预设值就自动调整回（huí）来）。以GPS模式（shì）为例（lì），当（dāng）无人（rén）机受到外界影响，高度有升（shēng）高（gāo）或者降低（dī）的（de）趋（qū）势时，控（kòng）制单元就调节马达的功（gōng）率进（jìn）行反方向（xiàng）运动补（bǔ）偿；如果无人机有（yǒu）被风（fēng）横向（xiàng）吹离悬停位置的趋势，控制单元可以启动侧飞模（mó）式（shì）与之抵消——这些反应（yīng）都是比较快的，只要外界影响不（bú）是大得离谱（专（zhuān）业（yè）多轴无人机一般抗四（sì）级风没有（yǒu）问题），专（zhuān）业的无人机都可以应付（fù），所以它可以稳稳地定在（zài）那里（lǐ）。
在天气不（bú）是很好，GPS搜星（xīng）困（kùn）难的（de）时候，姿态模式就派上用场了。依靠无人机内部的IMU单（dān）元（yuán），系统可以（yǐ）识（shí）别当前的（de）飞行姿态，进（jìn）行自动平衡补偿，同（tóng）样可以（yǐ）实现高度和水（shuǐ）平位置的（de）锁定。（掌上无（wú）人机）
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