问过（guò）许多玩无人（rén）机的选手，都大概知道无人机可以自（zì）动悬停，但（dàn）具（jù）体根（gēn）据什么（me）实现悬停的，都（dōu）说不上（shàng）来，哪（nǎ）怕有（yǒu）些（xiē）玩了很多年（nián）的老手（shǒu）也说不出个道道来。当然（rán），人家只是为了玩的尽兴（xìng），尤其业余选手，无可厚（hòu）非。今天我们就（jiù）一（yī）块探（tàn）索（suǒ）探索无人机是如何实现（xiàn）自动悬停的，看完（wán）您就全明白（bái）了。
自（zì）动悬停的（de）就是将（jiāng）无（wú）人机（jī）固定在预设的高度位（wèi）置与水平位置上，也就是一组三维（wéi）座标，空（kōng）间中只有三维才能定位。然而（ér），无人机（jī）是如（rú）何（hé）知道自己的位（wèi）置的呢？说起来（lái）也很简（jiǎn）单，高（gāo）度一般是通过超声（shēng）波传感器（qì）（测（cè）量与地面的距（jù）离）或者是气压计（高度会影（yǐng）响大气压的变化）来测量的，而水平位置（zhì）的座标则由GPS模块来确定。当然，GPS也可（kě）以提供高度信（xìn）息（xī），但对（duì）于主（zhǔ）流的无人机来说（shuō），更倾向（xiàng）于使用气压（yā）计，因为低（dī）成（chéng）本的GPS的数（shù）据刷新率太低，在高速（sù）运动的（de）时候数据滞（zhì）后会导致无人机（jī）高度跌落（luò）。
除了GPS模式（shì）来定位外，无人机还有一种“姿态模式（shì）”，依靠（kào）的是内部的IMU（惯性测（cè）量单元，实际上就是（shì）一组陀螺仪（yí）+加（jiā）速（sù）度（dù）计传感器）来识别自（zì）身（shēn）的飞行（háng）状态（tài）和相对位移，凭借（jiè）飞控员的手动操作（zuò），让它到（dào）达预定位置（zhì）进行悬（xuán）停。
在室内GPS信（xìn）号不（bú）好的情况下，还可以通过摄像头进行（háng）“视觉定位”实现无人（rén）机的自动悬停。
【GPS如何定位坐标？】
GPS定（dìng）位（wèi），实际上就是通过四颗已知位置的卫星来确（què）定GPS接收器的位置（zhì）。
1、位（wèi）置信息从哪里来（lái）？
实际上，运行（háng）于（yú）宇宙（zhòu）空间的GPS卫星，每（měi）一个都在时刻不停地通（tōng）过卫星信号向全世界（jiè）广播（bō）自己的（de）当前位置坐标信息。任何一个GPS接收（shōu）器都可以通过天线（xiàn）很轻松地接收到这些信息，并且能够读懂这（zhè）些信息（这其实也是（shì）每一个GPS芯片的核心功能之一）。这就是这些位置信息的来源（yuán）。
2、距离信息从哪里来？
我们已经知道（dào）每一个GPS卫（wèi）星（xīng）都在（zài）不辞（cí）辛（xīn）劳地广播自己的（de）位置，那么在发送位（wèi）置（zhì）信息（xī）的（de）同时，也会附加上该数据包发出时的（de）时间（jiān）戳。GPS接收器收到数据包后，用当前时间（jiān）（当前时间当然只能由GPS接收器自己来确定了）减去（qù）时间（jiān）戳上（shàng）的时间，就是数（shù）据（jù）包在空中传输（shū）所（suǒ）用的时间了。知（zhī）道了（le）数（shù）据包在空中（zhōng）的传（chuán）输时间，那（nà）么乘上他的传输（shū）速（sù）度，就是数据包在空中传输的距离，也就（jiù）是该卫星（xīng）到GPS接收器的距离了。数据包（bāo）是通过无（wú）线电（diàn）波传送的（de），那么理想速度就是光速c，把传播时间记为Ti的话，用公（gōng）式表示（shì）就（jiù）是：
di=c*Ti(i=1,2,3,4);这就是di(i=1,2,3,4)的来（lái）源了（le）。
3、为什么（me）需要4颗卫（wèi）星
从理论上来（lái）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（cè）出3颗卫星（xīng）到地面点的距离就可以确定该点的三维坐标了。但是，卫地距离（lí）是通（tōng）过信号的传播时间差Δt乘（chéng）以信号的传（chuán）播速度v而得（dé）到的。其中，信号的传播速度v接近于（yú）真空（kōng）中（zhōng）的光速，量值非常大。因此，这（zhè）就要（yào）求对（duì）时（shí）间差Δt进行非常（cháng）准确的（de）测定（dìng），如果稍有（yǒu）偏差，那（nà）么测得的卫地距离就会谬以千里（lǐ）。而时间差Δt是通过将卫（wèi）星处（chù）测得（dé）的信（xìn）号（hào）发射时间（jiān）tS与接收机处（chù）测得的信号达到的时间tR求差得到的。其中，卫星上安置的原子钟，稳定（dìng）度很高（gāo），我（wǒ）们认为这种钟的时间与（yǔ）GPS时吻合；接收（shōu）机处的时钟是石（shí）英钟，稳定度一般，我们认为它的时钟时间（jiān）与（yǔ）GPS时存在（zài）时间同步误差，并（bìng）将这（zhè）种（zhǒng）误差作为一个待定参数。这样，对于每个地面（miàn）点实际上需要求（qiú）解就（jiù）有4个（gè）待定（dìng）参数（shù），因此至少需（xū）要观测4颗卫星至地面点的卫地（dì）距（jù）离（lí）数（shù）据。从数学（xué）的（de）角度来讲（jiǎng），简而言之就是求（qiú）解（jiě）4个未知参数，必（bì）然（rán）最少（shǎo）需要4个（gè）方程式（shì）。
【超声波如何定高？】
超（chāo）声（shēng）波测距（jù）定高（gāo），就是（shì）通过（guò）超声（shēng）波发射装置发（fā）出超声波，根据接（jiē）收器收到超声波时的时间差计算出距离。这与（yǔ）雷达（dá）测距（jù）原理相似。 超（chāo）声波（bō）发射器向（xiàng）某一方向发射超声波，在发射（shè）时刻的同时（shí）开始计时，超声（shēng）波在（zài）空气（qì）中传（chuán）播，途（tú）中（zhōng）碰到障（zhàng）碍物就（jiù）立（lì）即返回来，超声波接收器收到反（fǎn）射波就立即停止计时。(超声波在空气中的传播速（sù）度为340m/s，根据（jù）计时器记录的时间（jiān）t，就（jiù）可以计（jì）算（suàn）出（chū）发射（shè）点（diǎn）距障碍物的距（jù）离(s)，即:s=340t/2)
超声（shēng）波指向（xiàng）性强，在介质（zhì）中传（chuán）播（bō）的距（jù）离较（jiào）远，因而超声波经常用于距（jù）离的（de）测量（liàng）。再加上超声波检测往往比较迅速、方便、计算简单、易（yì）于做到实（shí）时控制，并且在测量（liàng）精度（dù）方面能达到工业实用（yòng）的要（yào）求，因此在移 动机器人的研制上也得到了广泛（fàn）的应用。
【视觉定位如（rú）何实现（xiàn）？】
无（wú）人机室内视觉定位系统，一般（bān）俗称“光流”。 光流(optic flow)是什（shí）么呢，其实这种视觉现象（xiàng）我们每天都（dōu）在经历,从本质（zhì）上说，光流就是你在这个（gè）运动（dòng）着的（de）世界里感觉到的明显（xiǎn）的视觉运（yùn）动（dòng）（没有（yǒu）绝对（duì）的静止，也没有绝对（duì）的运动）。视觉定位系（xì）统（tǒng）包（bāo）含有摄像头和（hé）超（chāo）声波模块，它主要利用内置的光流（liú）传感器，将像素分布及颜（yán）色（sè）、亮度等信息转变为（wéi）数字（zì）信号（hào）传送给图像处理系统进行各种运算来抽（chōu）取目标的特征，进而根据判别的结（jié）果（guǒ）来控制飞行（háng）器的动作，超声波（bō）传感器来判别相对高（gāo）度，通过高效的（de）视（shì）觉处（chù）理器计（jì）算让无人机实现精（jīng）确（què）室内定位悬停和平稳飞行。
视觉定位系统（tǒng）适用于高度为（wéi）3 米以下、无GPS 信（xìn）号或GPS 信号欠佳的环境，特别（bié）适用于室内（nèi）飞行。它依（yī）赖地表图像来获取位移信（xìn）息，因而必须保证周边环境（jìng）光源充（chōng）足，地面纹理丰富（fù）。视觉定（dìng）位系统在水面、光（guāng）线昏（hūn）暗的环境以及地面无清晰纹（wén）理的环境中无法定位。
【如何智能调节保持稳定？】
通过各种传感器知道（dào）自己的高度与水平位置之后，无人机要如何悬停在这个预设的位置（zhì）上（shàng）呢（ne）？这其实就（jiù）是一套负反馈自（zì）动控制（zhì）系统（偏离预设值就自（zì）动调整（zhěng）回来）。以（yǐ）GPS模式为（wéi）例，当（dāng）无（wú）人机受（shòu）到外界影响，高（gāo）度（dù）有升高或者降（jiàng）低的趋（qū）势（shì）时，控制单元（yuán）就调节马达的功率进行反方向（xiàng）运动（dòng）补（bǔ）偿；如果无人机有（yǒu）被风横向吹（chuī）离悬停位置的趋势，控（kòng）制单元可以启动侧飞模式（shì）与（yǔ）之抵消——这些反应都是比较快的，只要（yào）外（wài）界影响不是大得离（lí）谱（pǔ）（专业多轴无人机一般抗四（sì）级风没有问（wèn）题（tí）），专业（yè）的无人（rén）机都可（kě）以应付，所以它（tā）可以稳稳地定在那里。
在（zài）天（tiān）气不是很（hěn）好，GPS搜星困难的时候，姿态模式就派（pài）上（shàng）用（yòng）场了。依靠无人机内部（bù）的（de）IMU单元，系统可以识别（bié）当前的飞行（háng）姿态，进行自动平衡补偿，同样可以（yǐ）实现高（gāo）度和水（shuǐ）平位置的锁定。（掌上无人机）
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