自動懸停的就是將無人機固定在預設的高度位置與水平位置上，也就是一組三維座標，空間中只有三維才能定位。然而，無人機是如何知道自己的位置的呢？說起來也很簡單，高度一般是通過超聲波傳感器（測量與地面的距離）或者是氣壓計（高度會影響大氣壓的變化）來測量的，而水平位置的座標則由GPS模塊來確定。當然，GPS也可以提供高度信息，但對于主流的無人機來說，更傾向于使用氣壓計，因為低成本的GPS的數(shù)據(jù)刷新率太低，在高速運動的時候數(shù)據(jù)滯后會導致無人機高度跌落。
除了GPS模式來定位外，無人機還有一種“姿態(tài)模式”，依靠的是內(nèi)部的IMU（慣性測量單元，實際上就是一組陀螺儀+加速度計傳感器）來識別自身的飛行狀態(tài)和相對位移，憑借飛控員的手動操作，讓它到達預定位置進行懸停。
在室內(nèi)GPS信號不好的情況下，還可以通過攝像頭進行“視覺定位”實現(xiàn)無人機的自動懸停。例如，大疆的“悟”系列高端產(chǎn)品都有該功能。
【GPS如何定位坐標？】
GPS定位，實際上就是通過四顆已知位置的衛(wèi)星來確定GPS接收器的位置。
1） 位置信息從哪里來？
實際上，運行于宇宙空間的GPS衛(wèi)星，每一個都在時刻不停地通過衛(wèi)星信號向全世界廣播自己的當前位置坐標信息。任何一個GPS接收器都可以通過天線很輕松地接收到這些信息，并且能夠讀懂這些信息（這其實也是每一個GPS芯片的核心功能之一）。這就是這些位置信息的來源。
2）距離信息從哪里來？
我們已經(jīng)知道每一個GPS衛(wèi)星都在不辭辛勞地廣播自己的位置，那么在發(fā)送位置信息的同時，也會附加上該數(shù)據(jù)包發(fā)出時的時間戳。GPS接收器收到數(shù)據(jù)包后，用當前時間（當前時間當然只能由GPS接收器自己來確定了）減去時間戳上的時間，就是數(shù)據(jù)包在空中傳輸所用的時間了。知道了數(shù)據(jù)包在空中的傳輸時間，那么乘上他的傳輸速度，就是數(shù)據(jù)包在空中傳輸?shù)木嚯x，也就是該衛(wèi)星到GPS接收器的距離了。數(shù)據(jù)包是通過無線電波傳送的，那么理想速度就是光速c，把傳播時間記為Ti的話，用公式表示就是：
di=c*Ti(i=1,2,3,4);這就是di(i=1,2,3,4)的來源了。
3）為什么需要4顆衛(wèi)星
從理論上來說，以地面點的三維坐標（X，Y，Z）為待定參數(shù)，確實只需要測出3顆衛(wèi)星到地面點的距離就可以確定該點的三維坐標了。但是，衛(wèi)地距離是通過信號的傳播時間差Δt乘以信號的傳播速度v而得到的。其中，信號的傳播速度v接近于真空中的光速，量值非常大。因此，這就要求對時間差Δt進行非常準確的測定，如果稍有偏差，那么測得的衛(wèi)地距離就會謬以千里。而時間差Δt是通過將衛(wèi)星處測得的信號發(fā)射時間tS與接收機處測得的信號達到的時間tR求差得到的。其中，衛(wèi)星上安置的原子鐘，穩(wěn)定度很高，我們認為這種鐘的時間與GPS時吻合；接收機處的時鐘是石英鐘，穩(wěn)定度一般，我們認為它的時鐘時間與GPS時存在時間同步誤差，并將這種誤差作為一個待定參數(shù)。這樣，對于每個地面點實際上需要求解就有4個待定參數(shù)，因此至少需要觀測4顆衛(wèi)星至地面點的衛(wèi)地距離數(shù)據(jù)。從數(shù)學的角度來講，簡而言之就是求解4個未知參數(shù)，必然最少需要4個方程式。
【超聲波如何定高？】
超聲波測距定高，就是通過超聲波發(fā)射裝置發(fā)出超聲波，根據(jù)接收器收到超聲波時的時間差計算出距離。這與雷達測距原理相似。 超聲波發(fā)射器向某一方向發(fā)射超聲波，在發(fā)射時刻的同時開始計時，超聲波在空氣中傳播，途中碰到障礙物就立即返回來，超聲波接收器收到反射波就立即停止計時。(超聲波在空氣中的傳播速度為340m/s，根據(jù)計時器記錄的時間t，就可以計算出發(fā)射點距障礙物的距離(s)，即:s=340t/2)
超聲波指向性強，在介質中傳播的距離較遠，因而超聲波經(jīng)常用于距離的測量。再加上超聲波檢測往往比較迅速、方便、計算簡單、易于做到實時控制，并且在測量精度方面能達到工業(yè)實用的要求，因此在移 動機器人的研制上也得到了廣泛的應用。
【視覺定位如何實現(xiàn)？】
無人機室內(nèi)視覺定位系統(tǒng)，一般俗稱“光流”。 光流(optic flow)是什么呢，其實這種視覺現(xiàn)象我們每天都在經(jīng)歷,從本質上說，光流就是你在這個運動著的世界里感覺到的明顯的視覺運動（沒有絕對的靜止，也沒有絕對的運動）。視覺定位系統(tǒng)包含有攝像頭和超聲波模塊，它主要利用內(nèi)置的光流傳感器，將像素分布及顏色、亮度等信息轉變?yōu)閿?shù)字信號傳送給圖像處理系統(tǒng)進行各種運算來抽取目標的特征，進而根據(jù)判別的結果來控制飛行器的動作，超聲波傳感器來判別相對高度，通過高效的視覺處理器計算讓無人機實現(xiàn)精確室內(nèi)定位懸停和平穩(wěn)飛行。
視覺定位系統(tǒng)適用于高度為3 米以下、無GPS 信號或GPS 信號欠佳的環(huán)境，特別適用于室內(nèi)飛行。它依賴地表圖像來獲取位移信息，因而必須保證周邊環(huán)境光源充足，地面紋理豐富。視覺定位系統(tǒng)在水面、光線昏暗的環(huán)境以及地面無清晰紋理的環(huán)境中無法定位。
【如何智能調(diào)節(jié)保持穩(wěn)定？】
通過各種傳感器知道自己的高度與水平位置之后，無人機要如何懸停在這個預設的位置上呢？這其實就是一套負反饋自動控制系統(tǒng)（偏離預設值就自動調(diào)整回來）。以GPS模式為例，當無人機受到外界影響，高度有升高或者降低的趨勢時，控制單元就調(diào)節(jié)馬達的功率進行反方向運動補償；如果無人機有被風橫向吹離懸停位置的趨勢，控制單元可以啟動側飛模式與之抵消——這些反應都是比較快的，只要外界影響不是大得離譜（專業(yè)多軸無人機一般抗四級風沒有問題），專業(yè)的無人機都可以應付，所以它可以穩(wěn)穩(wěn)地定在那里。
在天氣不是很好，GPS搜星困難的時候，姿態(tài)模式就派上用場了。依靠無人機內(nèi)部的IMU單元，系統(tǒng)可以識別當前的飛行姿態(tài)，進行自動平衡補償，同樣可以實現(xiàn)高度和水平位置的鎖定。
（原創(chuàng)文章，轉載請注明出處）
無人機全產(chǎn)業(yè)鏈服務平臺
www.uav-world.cn
掌上無人機世界--不只是資訊
查產(chǎn)品、詢報價、學法規(guī)、找服務
一號在手，信息盡有
?