问过许多（duō）玩无人机的（de）选手，都大（dà）概知道无人机可以（yǐ）自动悬停（tíng），但具体根（gēn）据（jù）什么实现悬停（tíng）的（de），都说不（bú）上来（lái），哪怕有些玩了很多年的老手也说（shuō）不出个道（dào）道来。当然，人家只是为（wéi）了玩的（de）尽兴，尤其业余（yú）选手，无可厚非。今天我们就一块探索探索无人机是如何实现自动（dòng）悬停的，看完您（nín）就全（quán）明（míng）白了（le）。
自动悬（xuán）停的就（jiù）是将无人机（jī）固（gù）定在预设的高度位置与水平位置（zhì）上，也就（jiù）是一（yī）组三维座标，空间中只有三维才（cái）能（néng）定位（wèi）。然（rán）而，无（wú）人机是如何（hé）知道自己（jǐ）的位置的呢？说起来也很简单，高度一般（bān）是通过（guò）超声波传感器（测量与地（dì）面（miàn）的距（jù）离）或者是气压计（高（gāo）度（dù）会影响大气压的变（biàn）化）来测量的，而水平位置的座标则由GPS模块来（lái）确（què）定。当然，GPS也可以提供高（gāo）度信息，但对于主流（liú）的（de）无人机来说，更倾（qīng）向于使用气压计（jì），因为低成本的GPS的数据刷新率太低（dī），在高速运动的时候数据（jù）滞（zhì）后会导致无（wú）人机高度（dù）跌落（luò）。
除了GPS模式来（lái）定位外，无人机还有一（yī）种（zhǒng）“姿态模式（shì）”，依靠的是（shì）内部的IMU（惯性（xìng）测（cè）量单元，实际上就是一组陀螺仪+加速度（dù）计传感器）来识（shí）别（bié）自身的飞行状态和相对位移（yí），凭借飞（fēi）控（kòng）员的手动操作，让它到达预定位置进行悬停。
在室内（nèi）GPS信号不（bú）好的（de）情况下，还可以通过摄像头进行“视觉定位”实现无人（rén）机（jī）的（de）自动悬（xuán）停。
【GPS如何定位坐（zuò）标？】
GPS定位，实际上就是通（tōng）过四颗已知位置的卫星来确定GPS接收器的位置。
1、位（wèi）置信息从（cóng）哪里来？
实（shí）际上（shàng），运行于（yú）宇（yǔ）宙空（kōng）间的GPS卫星，每（měi）一个都在时刻不停地通过卫星信号向（xiàng）全世（shì）界广播自（zì）己的当前位置坐标信息（xī）。任（rèn）何一个GPS接收器都（dōu）可以通（tōng）过天线很轻松地接收到这些信息，并且能够读懂这些信息（这其实（shí）也是（shì）每一个GPS芯片的（de）核心功能之一）。这就（jiù）是（shì）这些（xiē）位置（zhì）信息的来源。
2、距离信息从哪里来？
我们已经（jīng）知道每一个GPS卫星都在（zài）不辞辛（xīn）劳地广播（bō）自己的位置，那么在发送位置信（xìn）息的（de）同时，也会附加上该（gāi）数据包发（fā）出时（shí）的时间戳。GPS接收器（qì）收到数据包后，用当前时间（当前时间当然只能由GPS接收器自己来确定了）减去时间（jiān）戳（chuō）上的时间，就是数（shù）据（jù）包（bāo）在空中传输所（suǒ）用的时间了。知道了（le）数据包在空中（zhōng）的传输时间，那么乘上他的传（chuán）输速度，就是（shì）数据包在（zài）空中传输的距（jù）离，也就（jiù）是该卫星到GPS接收器的距（jù）离（lí）了。数据包是通过无线（xiàn）电波传送的，那么理想速度就是光速c，把（bǎ）传播时间记为Ti的话，用公式（shì）表示就是：
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（yào）4颗（kē）卫星
从理论（lùn）上来说，以地面点的三维坐标（X，Y，Z）为待定参（cān）数，确实只需要测出3颗（kē）卫星到地面点的距离就可以确定该（gāi）点的三维坐（zuò）标了。但是（shì），卫地距（jù）离是通过信号的传播（bō）时间差Δt乘（chéng）以信号的（de）传（chuán）播速度v而得到（dào）的。其中，信（xìn）号的传播速度v接近于真空中的光速，量值（zhí）非常大（dà）。因此，这就要求对时间差Δt进行非常准（zhǔn）确的测（cè）定，如果稍有（yǒu）偏差（chà），那（nà）么测得的卫地距离就（jiù）会谬（miù）以千里。而时间（jiān）差Δt是通过将卫星处测得的信号发射（shè）时间tS与接收机处测得的信号达到的时间tR求差得到（dào）的。其（qí）中，卫星上安置的原子钟，稳（wěn）定度很高，我们认为这（zhè）种钟的（de）时间（jiān）与GPS时吻合；接收机处的时钟（zhōng）是石英钟，稳（wěn）定度一般，我（wǒ）们认为它的时钟时间（jiān）与（yǔ）GPS时存在（zài）时间同步误差，并将这（zhè）种（zhǒng）误（wù）差作为一个（gè）待定参数。这样，对于（yú）每个地面（miàn）点实际上需（xū）要求（qiú）解就有（yǒu）4个待定参数（shù），因此至（zhì）少需要观测（cè）4颗（kē）卫星至地面（miàn）点的卫（wèi）地（dì）距离（lí）数（shù）据。从数学的角（jiǎo）度来讲（jiǎng），简而言之就是求解4个（gè）未（wèi）知参数，必（bì）然最少需要4个方程式（shì）。
【超（chāo）声（shēng）波如何定（dìng）高？】
超声（shēng）波测距定高，就是通过超声（shēng）波发射（shè）装（zhuāng）置（zhì）发出超声波（bō），根据接（jiē）收（shōu）器（qì）收（shōu）到超声波时的（de）时间差计（jì）算（suàn）出距离。这与雷达（dá）测（cè）距原理相似。 超声波发射器向某（mǒu）一方向发（fā）射超声波，在发射时刻（kè）的同时开始计时，超声波在空气中传播，途中碰到障碍物就立即返回来（lái），超声波（bō）接收器收（shōu）到反射（shè）波就（jiù）立即停止计时。(超声波在空气中的传（chuán）播速度为340m/s，根据计时器记录的时（shí）间t，就可（kě）以计算出（chū）发（fā）射点（diǎn）距障碍物的距离(s)，即:s=340t/2)
超声波指（zhǐ）向性强，在介质中（zhōng）传播（bō）的距离（lí）较远，因而超声波经常用于距离的测量。再加上超声波检测往往比较迅速、方便、计算简单、易于做（zuò）到（dào）实时控制，并且在测量精度方面能达（dá）到工业实用的要求，因此在移 动机（jī）器人的研制上也得到了（le）广泛（fàn）的应用。
【视觉定位（wèi）如何（hé）实现？】
无（wú）人机（jī）室内视（shì）觉定（dìng）位系统（tǒng），一般俗称（chēng）“光流”。 光流(optic flow)是什么呢（ne），其实这种视觉现象我们每天都在经历（lì）,从本质上（shàng）说（shuō），光（guāng）流就是你（nǐ）在（zài）这（zhè）个运动着（zhe）的世（shì）界里感觉到（dào）的明显的视觉运动（没（méi）有绝对的静止，也（yě）没（méi）有（yǒu）绝对的运动）。视觉（jiào）定位系统包含有摄像头和（hé）超（chāo）声波模块，它（tā）主要（yào）利用内置的光流传感器（qì），将像（xiàng）素分布及（jí）颜色、亮（liàng）度等信息转变为数字信号传送给图像处理系统进行各种运算（suàn）来抽取目标的（de）特征，进而根据（jù）判别的（de）结果来控制飞（fēi）行（háng）器的动作，超声（shēng）波传感器来判别相（xiàng）对高度，通过高效的视觉处理器计算让无人机实现（xiàn）精确室（shì）内定位悬停和（hé）平稳飞行。
视觉定位系统适用于高度为3 米以下、无（wú）GPS 信号或GPS 信号欠佳的环境，特别适用于室内飞行（háng）。它依赖地表（biǎo）图像（xiàng）来（lái）获取位（wèi）移信息，因而必须保证（zhèng）周边环境光（guāng）源充足，地（dì）面纹理丰富。视（shì）觉定（dìng）位系统在（zài）水面（miàn）、光线昏暗的环境以及地面无清（qīng）晰（xī）纹理的环（huán）境中无法定位。
【如何智能（néng）调节保持稳定（dìng）？】
通（tōng）过各（gè）种传感器知（zhī）道自己的高度与水（shuǐ）平位（wèi）置（zhì）之后，无人机要如何悬停在这个预设的（de）位置上呢？这（zhè）其（qí）实就（jiù）是（shì）一套负反馈自动控制系（xì）统（tǒng）（偏离（lí）预（yù）设值就自动调整回来（lái））。以GPS模式为例，当（dāng）无（wú）人（rén）机受到外界（jiè）影响，高度（dù）有升（shēng）高或者降低的趋势（shì）时，控（kòng）制单（dān）元就调节马达的功率进行反方（fāng）向运动补偿；如果（guǒ）无人机有被风横（héng）向吹离悬停位置的（de）趋势，控（kòng）制单元可以启动侧飞模（mó）式（shì）与之抵消（xiāo）——这（zhè）些反应（yīng）都是比较快的，只要外界影响不是大得离谱（专业多轴无人机一般（bān）抗四（sì）级风没有问题），专业的无（wú）人机都可以应付，所以它可以稳稳地定在那里。
在天气不是（shì）很（hěn）好，GPS搜星困难的（de）时候，姿态（tài）模式（shì）就派上用（yòng）场了。依靠无人机内部的IMU单元，系统可以识别当前（qián）的飞行姿态，进行自（zì）动（dòng）平衡补偿，同样（yàng）可以实现高度和水（shuǐ）平（píng）位置（zhì）的锁定。（掌上无人机）
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