问过许多玩（wán）无（wú）人机的选手（shǒu），都大概知道无人机可以自动悬停，但具体根据什么实现悬停的，都说（shuō）不上来，哪怕有些玩了很多年的老（lǎo）手也说不出个道（dào）道来。当然，人（rén）家只是为了玩（wán）的尽兴，尤其业余选（xuǎn）手，无可厚非。今天我们就（jiù）一（yī）块探索探索无人机是如何实现自动悬停的，看（kàn）完您就全明白了。
自（zì）动（dòng）悬停的就（jiù）是将无人机固定在预设的（de）高度位（wèi）置与（yǔ）水平位置上（shàng），也就是一（yī）组三（sān）维座标，空间中只有三维（wéi）才能（néng）定位。然而，无人（rén）机是如何知道自己的位置的呢？说（shuō）起（qǐ）来（lái）也很简（jiǎn）单（dān），高度（dù）一般是通过超声波传感器（测量与地（dì）面的距（jù）离（lí））或者是气压计（高度（dù）会影响大气压的变（biàn）化）来测量的，而水（shuǐ）平（píng）位（wèi）置的座标（biāo）则由GPS模块（kuài）来确定。当然，GPS也（yě）可以提供高度信息，但对于主（zhǔ）流的无人机来（lái）说，更倾向（xiàng）于使用气压计，因为低成（chéng）本的GPS的数据刷新率太低（dī），在高速运动的时候数（shù）据滞后（hòu）会导致无人机高度跌落。
除了GPS模式（shì）来定位外，无人机还有一种（zhǒng）“姿（zī）态模式”，依靠的是内（nèi）部的IMU（惯性（xìng）测量单元，实际上就是一组陀螺仪+加速度计传感器）来识别（bié）自身的飞行状态和相对位移（yí），凭借飞控员（yuán）的手（shǒu）动操作，让它（tā）到达预定位置进行悬停。
在室（shì）内GPS信号不（bú）好的（de）情况下，还可以通（tōng）过摄像头进行“视觉（jiào）定位”实现无人（rén）机的自动悬（xuán）停。
【GPS如何定位（wèi）坐标？】
GPS定位（wèi），实际上就是通过四颗已知位置的卫星来确定GPS接收器的（de）位置。
1、位（wèi）置（zhì）信息从哪（nǎ）里来？
实际上，运行（háng）于宇宙空间的（de）GPS卫星，每一个都在（zài）时刻不停地通过卫（wèi）星信号向全世界（jiè）广播自己（jǐ）的（de）当前位置坐标信息。任何一个（gè）GPS接收器都可以通过（guò）天线很轻（qīng）松（sōng）地接收到（dào）这些信息，并且能够读懂这些（xiē）信息（xī）（这其实（shí）也是每一个（gè）GPS芯片的核心功能之一）。这就是这些位置信息（xī）的来源。
2、距（jù）离信息从哪里来（lái）？
我们已（yǐ）经知道每一个GPS卫星（xīng）都在不辞辛（xīn）劳地广播自己的位置，那么在（zài）发送位置信息（xī）的同（tóng）时，也会附加上该数（shù）据包发（fā）出时的时间戳。GPS接收器收到数据包后，用当前时间（当前时间当然只能由（yóu）GPS接（jiē）收器自己来确定了）减去时间（jiān）戳（chuō）上的时间，就是（shì）数据（jù）包在空中传输所用的时间了。知道了数据包在空中的传输时间，那么乘上他的（de）传输（shū）速（sù）度，就是数据包在空中（zhōng）传输的距离，也就是该卫星（xīng）到（dào）GPS接收器的距离了。数据包（bāo）是通过无（wú）线电波传送的，那么理想（xiǎng）速（sù）度就是光速c，把传播时间（jiān）记为Ti的（de）话，用公（gōng）式表示就是：
di=c*Ti(i=1,2,3,4);这就（jiù）是di(i=1,2,3,4)的来源（yuán）了。
3、为什么需要4颗卫星
从理论上来说，以地面点的三维坐标（X，Y，Z）为待定参数，确（què）实（shí）只需要测出3颗卫星到地面点的距（jù）离就可以确定（dìng）该点的三维（wéi）坐（zuò）标了。但是（shì），卫地距（jù）离是通过信号的传（chuán）播时（shí）间差Δt乘以（yǐ）信（xìn）号的传播速度v而得到的。其中，信（xìn）号的传播（bō）速度v接近于（yú）真空中的光速，量值（zhí）非常大。因（yīn）此，这就要求对时间差Δt进行非常准确的（de）测（cè）定（dìng），如果稍有（yǒu）偏差，那（nà）么测得的卫地距离就会谬以千里。而时间（jiān）差Δt是通过将（jiāng）卫星处测得的（de）信（xìn）号发射时间tS与接收机处测得的（de）信号达到（dào）的时（shí）间tR求差得到的。其中，卫星上安置的原子（zǐ）钟，稳定度（dù）很高，我们认为这（zhè）种钟的时间与（yǔ）GPS时吻合；接（jiē）收机处的时钟是（shì）石（shí）英钟，稳定度一般，我（wǒ）们认为它的时钟时间与（yǔ）GPS时存在时间同步误差，并将这种误差作为一个待定参数（shù）。这样，对于每个（gè）地面点实（shí）际上需（xū）要求解（jiě）就有4个待定参数，因（yīn）此（cǐ）至少需要观测4颗卫星至地面点的（de）卫地（dì）距离数（shù）据。从数学的角度来讲，简（jiǎn）而（ér）言之就是求解4个未知参数，必然最少（shǎo）需要4个方程式。
【超声波如何定高（gāo）？】
超声波（bō）测距定高，就是（shì）通过超声（shēng）波发射（shè）装置发出超（chāo）声（shēng）波，根据接（jiē）收器收到超声波时的时间差计算（suàn）出（chū）距离。这与雷达测距原（yuán）理相似。 超（chāo）声波发射器向某一方向发射（shè）超声波，在发射时刻的（de）同时开始（shǐ）计时，超声波在空气中传播，途中碰到障碍物就立即返回来，超声波（bō）接收器收到反射波就立即停止（zhǐ）计（jì）时。(超声波在（zài）空（kōng）气中的传播速度为340m/s，根据计（jì）时器记（jì）录的时间t，就可以计算出发射点距障碍物的距离(s)，即:s=340t/2)
超声（shēng）波指向性强，在介质中传播的距离较远，因而超声波经常用于（yú）距离的（de）测量。再（zài）加上超声波检测往往比（bǐ）较（jiào）迅速（sù）、方便、计算简单、易于（yú）做到实时控制，并且（qiě）在测（cè）量精度方面能（néng）达到（dào）工业实用的（de）要（yào）求，因此在移 动机器人的研制上（shàng）也得到了广（guǎng）泛（fàn）的应用。
【视觉定（dìng）位如何（hé）实现？】
无人（rén）机（jī）室内视觉（jiào）定（dìng）位系统（tǒng），一般俗称“光流（liú）”。 光流(optic flow)是（shì）什么呢（ne），其实这（zhè）种（zhǒng）视觉现象我（wǒ）们每天（tiān）都在经历,从本质上说，光流就是（shì）你在这（zhè）个运动着的世界里感（gǎn）觉（jiào）到的明显的（de）视觉（jiào）运动（没有绝对的静止，也没有绝对的运动）。视觉（jiào）定位系统包（bāo）含（hán）有摄像头和（hé）超（chāo）声波模块（kuài），它主要利用内置的光流（liú）传感器，将像素分布及（jí）颜（yán）色、亮度等信息（xī）转变为数字信号传送给图像处理（lǐ）系（xì）统进（jìn）行各种运（yùn）算（suàn）来抽（chōu）取目标的特征（zhēng），进（jìn）而根据判别（bié）的结果来（lái）控制飞行器的动作（zuò），超（chāo）声波（bō）传感器来判别相对高度（dù），通过高效（xiào）的视觉处理器计（jì）算让无（wú）人（rén）机实现精确室内（nèi）定位悬停和平稳飞行。
视觉（jiào）定位系（xì）统适（shì）用于高度（dù）为3 米以下、无GPS 信号或GPS 信号欠（qiàn）佳的环境，特别适用（yòng）于室内飞行。它（tā）依赖地表图像来获取位移（yí）信息，因而必须保证周边环境光源充（chōng）足，地面纹理（lǐ）丰富。视觉定位系统在水面、光线昏暗的环境以及地（dì）面无清（qīng）晰纹理的环境中（zhōng）无法定位。
【如何智能调（diào）节保（bǎo）持稳定？】
通过各（gè）种传感器知道自己的高度与水平（píng）位置之后，无人机要如何悬停（tíng）在（zài）这个预（yù）设的位（wèi）置（zhì）上呢（ne）？这其实就是一套负反馈自动控制系统（偏离预设（shè）值（zhí）就自动调整回来）。以GPS模式为例（lì），当（dāng）无人机（jī）受到外（wài）界影响，高度（dù）有升高或者降低的趋势时，控制单元就调节马达的功率进行反方向运动补偿；如果无人机有被风横向吹离悬停位置的趋势，控制单元可以启动侧飞模式与之抵（dǐ）消（xiāo）——这些反应都是（shì）比（bǐ）较快的，只（zhī）要外（wài）界影（yǐng）响不是大得离谱（专业多轴无人机（jī）一（yī）般抗四级风没有问题），专业的无人机都可以应付，所（suǒ）以它可以稳稳地定在那里。
在天气不是很好（hǎo），GPS搜星困难的时候，姿态模式（shì）就（jiù）派上用场了。依靠无人机内部的IMU单（dān）元，系统可以（yǐ）识别当前的飞（fēi）行姿（zī）态，进行自动（dòng）平衡补偿，同样可以实现高度（dù）和水平位置的锁（suǒ）定（dìng）。（掌上（shàng）无人机）
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