问过许多（duō）玩无（wú）人机的选手，都（dōu）大概知道（dào）无人机（jī）可以自动悬停，但具体根据什么实现（xiàn）悬（xuán）停的，都说不上（shàng）来，哪怕有些（xiē）玩了很多年的老（lǎo）手也说不出个道道来。当然（rán），人家只是为了玩的尽兴，尤其业余选手（shǒu），无（wú）可厚非。今天我（wǒ）们就一块（kuài）探索探索无人机是如何实现（xiàn）自动悬停的（de），看（kàn）完您就全明白了（le）。
自动悬停的（de）就是将无人机（jī）固定（dìng）在预设的高（gāo）度位（wèi）置与水平位置上（shàng），也就是一组三维（wéi）座标（biāo），空间中只（zhī）有三维才能定位。然（rán）而，无人机是如何知（zhī）道（dào）自己的位置（zhì）的呢？说起来也很（hěn）简（jiǎn）单，高度一般是通过超声波传感器（测量（liàng）与地面的距离）或（huò）者（zhě）是气压计（jì）（高（gāo）度（dù）会（huì）影（yǐng）响大（dà）气压的（de）变化）来测量的，而水平位置的座标则由GPS模（mó）块（kuài）来确定。当然，GPS也可以提（tí）供高度信息，但对于主流的无人机来（lái）说（shuō），更倾向（xiàng）于使用气压计，因（yīn）为低成本的GPS的数据刷新率太（tài）低，在（zài）高速运动的时候数据滞后会导致无人机高度跌落。
除了GPS模式来定位外，无人机还（hái）有一种“姿态模式”，依靠的是（shì）内部（bù）的IMU（惯性测量单元，实际上就是一组陀螺仪+加速（sù）度计传感器）来（lái）识别自（zì）身（shēn）的（de）飞行状态和相对位（wèi）移，凭借飞控员的手（shǒu）动操作，让它到（dào）达预定（dìng）位置进行悬停。
在室内GPS信（xìn）号（hào）不好的情（qíng）况（kuàng）下，还可以通过摄像头进行（háng）“视觉（jiào）定（dìng）位”实现无人机的自（zì）动（dòng）悬（xuán）停。
【GPS如何定位坐标？】
GPS定（dìng）位，实（shí）际上（shàng）就是通过（guò）四颗已知位（wèi）置的（de）卫星来确（què）定GPS接（jiē）收器的位（wèi）置。
1、位置信息从哪里来？
实际上，运行（háng）于宇（yǔ）宙空间的GPS卫星，每一（yī）个都在时刻不停地通（tōng）过（guò）卫星信（xìn）号（hào）向全世界广播自己的当前位（wèi）置坐标信息。任何一（yī）个（gè）GPS接收器都可以通过天（tiān）线很轻（qīng）松地接收到这些（xiē）信（xìn）息（xī），并（bìng）且能（néng）够读懂这些信息（这其实也是每一个GPS芯片的核心功能之（zhī）一）。这（zhè）就是这些位置信（xìn）息的来源。
2、距离（lí）信息从哪里来？
我们已经知道每一个GPS卫星都在不辞辛劳地广播自（zì）己的位置，那么在发送位置信（xìn）息的同时，也会附加上该数据包发出时的（de）时间戳（chuō）。GPS接收器收到数据包后，用（yòng）当前时间（当前（qián）时间当然只（zhī）能由GPS接收器自己来确定了）减去时间戳上的时间，就（jiù）是数据包在空（kōng）中传输所（suǒ）用的时间了。知（zhī）道了数据包在（zài）空中的传输时间，那么乘上他的（de）传输（shū）速（sù）度（dù），就是数据包在空中传（chuán）输的距离，也就是该卫星（xīng）到GPS接收器的距离了。数据包（bāo）是通过无线电波传（chuán）送的，那（nà）么（me）理想（xiǎng）速度就（jiù）是光速c，把传播时（shí）间（jiān）记为Ti的话，用公式表示就是：
di=c*Ti(i=1,2,3,4);这就是di(i=1,2,3,4)的（de）来源了。
3、为什么（me）需要4颗（kē）卫（wèi）星
从理论上来说（shuō），以地面点的三维坐标（X，Y，Z）为待定参数（shù），确实只需要测出3颗卫星到地面点的距离就可以确定（dìng）该点的三维坐标了。但是，卫（wèi）地距离是通过信号的传（chuán）播时间差Δt乘以（yǐ）信号的传播速度v而得（dé）到的。其（qí）中，信号的传（chuán）播速度v接近于真（zhēn）空（kōng）中的光（guāng）速，量值非常大。因此，这就要（yào）求对时间差Δt进行（háng）非常准确（què）的（de）测定（dìng），如果稍（shāo）有偏差（chà），那（nà）么测得的卫地距离就会谬以千里。而时间差Δt是通过（guò）将卫星处测得的信号（hào）发（fā）射时间tS与接（jiē）收机处测（cè）得的信号达到的时间tR求差得到的。其（qí）中，卫星上（shàng）安置的（de）原子钟（zhōng），稳定（dìng）度很高，我（wǒ）们认为这种钟的时（shí）间与GPS时吻（wěn）合；接收机处的时（shí）钟是石英（yīng）钟，稳定度一般，我们认为它的时钟时（shí）间与（yǔ）GPS时（shí）存在时间同步误差，并将（jiāng）这种误差作为一个待（dài）定参数。这样，对于每个（gè）地面点实际上需要（yào）求解就有4个待定参数（shù），因此至少需要观（guān）测4颗卫星至地面点（diǎn）的卫地（dì）距离数据（jù）。从数学的角度来讲，简而（ér）言之（zhī）就（jiù）是求（qiú）解4个未知参数，必然最少需要（yào）4个方程式。
【超（chāo）声波如何（hé）定高（gāo）？】
超声（shēng）波测距（jù）定高（gāo），就是（shì）通过超声波发射装置发出（chū）超（chāo）声波，根据接收（shōu）器收（shōu）到超声波时的时间差计算（suàn）出距离。这与雷达测距原理相似。 超声波发射器向某一方向发射超声波，在发射时（shí）刻的同时开始（shǐ）计时，超声（shēng）波在空（kōng）气中传播，途中碰到障碍物就立即返回来，超声波（bō）接（jiē）收器收（shōu）到反射波就立即停止计时。(超（chāo）声波（bō）在空气中的（de）传（chuán）播速度为（wéi）340m/s，根据计时器（qì）记录的时间t，就（jiù）可以（yǐ）计算出（chū）发（fā）射点（diǎn）距障碍物的距（jù）离(s)，即:s=340t/2)
超声（shēng）波指（zhǐ）向性（xìng）强（qiáng），在（zài）介质（zhì）中传播的距离较远，因（yīn）而超声波经常用于距离的测量（liàng）。再加上超声波检（jiǎn）测往往（wǎng）比较（jiào）迅速、方便（biàn）、计算简单、易于做到实时控制，并且在测量精度（dù）方（fāng）面能达（dá）到（dào）工业实用的要求（qiú），因此在移（yí） 动机器（qì）人（rén）的研（yán）制（zhì）上（shàng）也（yě）得到了广（guǎng）泛的应（yīng）用。
【视觉定位如何实现？】
无人机室（shì）内视觉定位系统（tǒng），一般（bān）俗（sú）称“光流”。 光流(optic flow)是什么呢，其实这种视觉现象我们每天都在经（jīng）历,从本质上说，光流就是你在这个运动着的世界里感（gǎn）觉到的明显的（de）视觉运动（没有绝对的（de）静止，也没有绝对（duì）的运动（dòng））。视觉（jiào）定位系统包含有摄像头（tóu）和超（chāo）声波模（mó）块（kuài），它（tā）主要（yào）利（lì）用内置（zhì）的光流传感器，将（jiāng）像素分布及颜色、亮度等信息转变为数字信（xìn）号传送给图像处理系统进（jìn）行各种（zhǒng）运算来抽（chōu）取目标的特征，进而根据（jù）判别的结果来控制飞行器的动作，超声（shēng）波传感器（qì）来判别相对高（gāo）度，通（tōng）过高（gāo）效的视觉处理（lǐ）器计（jì）算让无人机实（shí）现精确室内定位悬停和平稳飞行。
视（shì）觉定位（wèi）系统适用于高度为3 米以下、无GPS 信号或GPS 信号欠（qiàn）佳的环境，特别适（shì）用于室内飞（fēi）行。它（tā）依（yī）赖地表（biǎo）图像（xiàng）来获取位移信息，因而必（bì）须保证周边环境光源充足（zú），地面纹理丰富。视觉定位系统在水（shuǐ）面、光（guāng）线昏暗的环境以及地（dì）面无清晰纹理（lǐ）的环境中无法（fǎ）定位（wèi）。
【如何智（zhì）能（néng）调节保持稳定？】
通过各种传感器知道自（zì）己的高度与水平位（wèi）置之（zhī）后，无人机要（yào）如何悬停在这个预设的位置上（shàng）呢？这其（qí）实就（jiù）是一套负反馈自（zì）动控制系统（偏离预设值就自动调整（zhěng）回来）。以GPS模式为例（lì），当无人机受到外界影响（xiǎng），高度有升高或者降（jiàng）低的趋势（shì）时，控（kòng）制单元就调节马达的功率进行反（fǎn）方向（xiàng）运（yùn）动（dòng）补（bǔ）偿；如果无（wú）人机有被风横向吹（chuī）离悬（xuán）停位置的趋势，控制单元可以启（qǐ）动侧飞模式与之抵消——这些反应都（dōu）是比较快（kuài）的，只要外（wài）界影响不是大得离谱（专（zhuān）业多轴无人机一（yī）般抗四级（jí）风没（méi）有问（wèn）题），专业的无人机都可以应付（fù），所以它可以稳稳地定（dìng）在那里。
在天气不是很（hěn）好，GPS搜星困难的时候（hòu），姿（zī）态模式就派上用场了。依靠无人机（jī）内部的IMU单（dān）元，系统可（kě）以识（shí）别当前的飞行（háng）姿（zī）态，进（jìn）行自动平（píng）衡（héng）补偿，同样可以实现（xiàn）高度和水平（píng）位置的锁定。（掌（zhǎng）上无人（rén）机）
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