问过许多玩（wán）无人机的选手，都（dōu）大概知道（dào）无人机可以自（zì）动悬停，但具体根（gēn）据（jù）什么实（shí）现悬停的，都（dōu）说不上来，哪怕有些玩了很（hěn）多年（nián）的老（lǎo）手也说不出个道道来。当然，人家只（zhī）是为了（le）玩的尽兴（xìng），尤其业余选（xuǎn）手，无可厚非。今天（tiān）我们就一块探索探索无人机（jī）是如何实现自动（dòng）悬停的，看（kàn）完您就全明白了。
自动悬停的就（jiù）是将无人机固定（dìng）在预设的（de）高度位置与水平位置上，也就是一组三维座标，空间中只有三（sān）维才能定（dìng）位。然而，无人机是（shì）如（rú）何知道自（zì）己的位置的呢？说起来（lái）也很简单（dān），高（gāo）度一般是通过超声波传感器（qì）（测量与地面的距离）或者是气压计（高度会影（yǐng）响大（dà）气压的（de）变（biàn）化）来测量的，而水（shuǐ）平位置的座标则由GPS模块来确定。当（dāng）然，GPS也可（kě）以提（tí）供高度（dù）信息，但对于主流的无人（rén）机来说，更倾向于使用气压（yā）计，因为低成本的GPS的数据（jù）刷新率太（tài）低，在高速运动的时候数据滞（zhì）后会导致无人机高度跌落。
除了（le）GPS模式来定位（wèi）外，无人机还有一种“姿（zī）态模式”，依（yī）靠的是内部的IMU（惯性测量单元，实际上（shàng）就是一组陀（tuó）螺（luó）仪+加速度（dù）计传感器（qì））来识（shí）别（bié）自身的飞行状态和相对位移，凭借飞控员的手（shǒu）动操作，让它到达预定位置进行悬停。
在室内GPS信号不（bú）好的情况下，还可以通过摄像头进行“视觉定位”实（shí）现无人机的自动（dòng）悬（xuán）停。
【GPS如（rú）何定位坐标？】
GPS定位（wèi），实际（jì）上就是通过四颗（kē）已知位置的卫（wèi）星来确定GPS接收器的位置。
1、位置信息从哪里来？
实际上，运行于宇宙（zhòu）空间的GPS卫星，每（měi）一个都在时刻不停地通过卫星（xīng）信号（hào）向全（quán）世界广播（bō）自（zì）己的当前（qián）位（wèi）置坐标信（xìn）息。任（rèn）何一个GPS接收器都（dōu）可以通过天（tiān）线很（hěn）轻松（sōng）地接收到这些（xiē）信息，并且能（néng）够（gòu）读懂（dǒng）这（zhè）些信息（这其实也（yě）是每一个GPS芯片的（de）核心功能（néng）之一）。这就是这些位置（zhì）信息的（de）来源。
2、距离信息（xī）从哪里来？
我们已经（jīng）知道每一（yī）个GPS卫星都在不（bú）辞辛劳地广播（bō）自（zì）己的位置，那么在（zài）发送（sòng）位置信息的同时（shí），也（yě）会附加上（shàng）该数据包发出时的时（shí）间戳（chuō）。GPS接收器收到数据包（bāo）后，用当前时（shí）间（当前（qián）时（shí）间当然只能由GPS接（jiē）收器自己来确（què）定（dìng）了）减去时间（jiān）戳上（shàng）的时（shí）间，就是数（shù）据包在空（kōng）中传输所用的时间了。知道了数据包在空（kōng）中的传输时间（jiān），那么乘上（shàng）他的（de）传输（shū）速度，就（jiù）是（shì）数据包在空中传输的距离，也就是该卫星到GPS接收器的距离了。数据包是通过（guò）无线电波传送的（de），那么（me）理（lǐ）想（xiǎng）速度就是光速c，把传播时（shí）间记为Ti的（de）话（huà），用公（gōng）式表示就是：
di=c*Ti(i=1,2,3,4);这就是di(i=1,2,3,4)的来源（yuán）了（le）。
3、为什么需要4颗卫星（xīng）
从理论上来说，以地面点的三维坐标（X，Y，Z）为待（dài）定参数，确（què）实只需要测出3颗卫星到地（dì）面点（diǎn）的距（jù）离就（jiù）可以确定该点的三维坐（zuò）标了（le）。但是，卫地距离是（shì）通过信号的传播时间差Δt乘以信号的传播速度v而得（dé）到的（de）。其中，信号（hào）的传播速度v接（jiē）近于真空中的光（guāng）速，量值非常大（dà）。因此，这就要求对时（shí）间差Δt进（jìn）行非（fēi）常准（zhǔn）确的测定（dìng），如果稍有偏差，那么测得的卫（wèi）地距离就会谬以千里。而（ér）时间差（chà）Δt是通过将（jiāng）卫星处测（cè）得的信号发射时间tS与接收机处（chù）测得的信号达（dá）到的时间tR求差得（dé）到的（de）。其中，卫星上（shàng）安置的原子（zǐ）钟，稳定（dìng）度很高，我们认为这（zhè）种钟的时间与GPS时吻合；接收机处的时（shí）钟是石（shí）英钟，稳定度一（yī）般，我们认为它（tā）的时钟时间与GPS时存在（zài）时（shí）间同步误差，并将这种误差作（zuò）为一个待定参数（shù）。这样，对于每个地面点实（shí）际（jì）上（shàng）需要求解就有4个待（dài）定参（cān）数（shù），因此至少需要观测（cè）4颗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（yán）之就是求（qiú）解4个未知参数，必然最（zuì）少需要4个方程式。
【超声（shēng）波如何定高？】
超声波测（cè）距（jù）定高，就是通过超声波发射装置发出超声波，根据（jù）接收（shōu）器（qì）收到（dào）超声波时的时间差计算出距离（lí）。这与（yǔ）雷达测距原理相似。 超声波发射器（qì）向某（mǒu）一方向发射超声波，在发射（shè）时刻的同时开始计（jì）时，超（chāo）声（shēng）波在空气中传播，途中碰到障碍物就立即返回来（lái），超声波接收器收到反射波就立即停（tíng）止计（jì）时。(超（chāo）声波（bō）在（zài）空气中的传播速（sù）度为340m/s，根据计（jì）时（shí）器记（jì）录的时间t，就可（kě）以（yǐ）计（jì）算（suàn）出发射（shè）点距障（zhàng）碍物（wù）的距离(s)，即:s=340t/2)
超声波指向（xiàng）性强，在（zài）介质中传（chuán）播（bō）的距离较远，因而超声波经常用于距离的测量。再加上（shàng）超声波检测往往比较迅速（sù）、方便、计算（suàn）简单、易于做到实时控制，并且（qiě）在测量精度方面能达到工业（yè）实（shí）用的要求，因此在移 动机器人（rén）的（de）研制上也得（dé）到了广泛的应用。
【视觉定（dìng）位（wèi）如何实（shí）现？】
无人机室内视觉定位系统（tǒng），一般俗称“光流”。 光流(optic flow)是什么呢，其实这种（zhǒng）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觉（jiào）到的明（míng）显的视觉（jiào）运动（没有（yǒu）绝对的静止，也没有绝对的运动）。视觉定位系统包含有摄（shè）像头和超声波模块，它主要利（lì）用内置（zhì）的（de）光流传（chuán）感器，将像素分布（bù）及颜色、亮度（dù）等信息转变为数字（zì）信号传送给图（tú）像处理系统进行各种运算来抽取目标的特征，进而根据判别的结果来控（kòng）制（zhì）飞行器（qì）的（de）动（dòng）作，超（chāo）声（shēng）波传感（gǎn）器来（lái）判别相对高度，通（tōng）过（guò）高效的视（shì）觉处理器计算让无（wú）人机实现精确室内（nèi）定位悬（xuán）停和平稳飞行。
视觉定位系统适用于高度为3 米以下（xià）、无GPS 信（xìn）号或（huò）GPS 信号欠佳的环境，特别适用于室内飞行。它依赖地表图像来获取位移信息，因（yīn）而必须保证周边环（huán）境（jìng）光源充足，地（dì）面纹理（lǐ）丰富。视觉定位（wèi）系统在（zài）水面、光线昏暗（àn）的环境以及（jí）地面无（wú）清（qīng）晰纹（wén）理的环境中无法定位（wèi）。
【如何智能调节（jiē）保持稳（wěn）定（dìng）？】
通过各种传感器（qì）知道自己的高度（dù）与水平位置之后，无人（rén）机要如何悬停在这个预设的（de）位置上呢？这其实就是一套（tào）负反馈（kuì）自动控（kòng）制系统（偏离预设（shè）值就（jiù）自动调整（zhěng）回（huí）来）。以GPS模（mó）式（shì）为例，当无（wú）人（rén）机受（shòu）到（dào）外（wài）界影（yǐng）响，高度有升高或（huò）者降低的趋（qū）势时，控制单元就（jiù）调节马达的功率进行反方向（xiàng）运动补偿；如果（guǒ）无（wú）人机有被风横向吹离（lí）悬停位置的趋势，控制单元可以启动侧飞模（mó）式与之抵消——这些（xiē）反应都是比较快的，只要（yào）外界影响不（bú）是大（dà）得离（lí）谱（专（zhuān）业多轴无人机一般（bān）抗（kàng）四级（jí）风没有（yǒu）问题），专业的无人机都可以（yǐ）应付，所以（yǐ）它可以稳稳地（dì）定（dìng）在（zài）那（nà）里。
在天气不是很（hěn）好，GPS搜星困难（nán）的时候，姿（zī）态（tài）模式就派上（shàng）用场了（le）。依靠无（wú）人（rén）机（jī）内部的IMU单元，系统（tǒng）可（kě）以识别（bié）当前的飞行姿态，进行自动平衡（héng）补偿，同（tóng）样可（kě）以实现高度和水平位置的锁定。（掌上（shàng）无人机（jī））
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