问过许（xǔ）多玩无人机（jī）的选手，都大概知道无人机可以自动悬停，但具体根（gēn）据什么实现悬停（tíng）的，都说不上来，哪怕有些玩（wán）了很多年的老手（shǒu）也说不（bú）出个道道来（lái）。当（dāng）然（rán），人家（jiā）只是为了（le）玩的尽兴，尤其业余选手，无（wú）可厚非。今天我们就一块探索（suǒ）探索无人机是如何实现自动悬（xuán）停的，看（kàn）完您就全明白了。
自（zì）动悬停的就是将无人机（jī）固定在预（yù）设的高度位置与水平位置上，也就是一组（zǔ）三（sān）维座标，空间中（zhōng）只有三维才能定（dìng）位。然而，无人机是如何知道（dào）自己（jǐ）的位置的呢？说起来也很简单，高度（dù）一（yī）般是通过超声波（bō）传感器（测量与地面的距离）或者是气压计（高度（dù）会（huì）影响大气压的变化）来测量（liàng）的（de），而水平位置（zhì）的座标则由GPS模块（kuài）来确定。当然，GPS也（yě）可以提供高度信息，但对于主流的（de）无人机来说，更倾向于使用气压计，因为低成（chéng）本的GPS的数（shù）据刷新率太低，在高（gāo）速运动的（de）时候数据滞后会导致无人机高度跌（diē）落。
除了GPS模式来定位外（wài），无人机还有一种“姿态模式”，依靠的是内部的IMU（惯性测量单元，实际上就是一组陀螺仪+加速度（dù）计（jì）传感器）来识别自身（shēn）的飞行状（zhuàng）态（tài）和相对位（wèi）移，凭借飞控员的手动操作（zuò），让（ràng）它到达预定位置进行悬停。
在室内GPS信号不好的情况下（xià），还可以通过摄像头进行“视觉定（dìng）位”实现无人机（jī）的自动悬停。
【GPS如（rú）何定位坐标（biāo）？】
GPS定位，实际上（shàng）就是通过四颗（kē）已知位置的卫星（xīng）来确定GPS接收器的（de）位置。
1、位置信息从哪（nǎ）里来？
实际上，运行于宇宙空间（jiān）的GPS卫星，每一个都（dōu）在（zài）时刻（kè）不停地通过卫星（xīng）信号向全世界广播自己（jǐ）的当前位置坐标信息。任何一（yī）个GPS接收器都（dōu）可（kě）以通过（guò）天线很轻松地接收到这些信（xìn）息，并且能够（gòu）读（dú）懂这些信息（这（zhè）其实也是每一个GPS芯片的核心功（gōng）能（néng）之一）。这就是这（zhè）些位（wèi）置信息的来源（yuán）。
2、距离（lí）信（xìn）息（xī）从哪（nǎ）里来？
我（wǒ）们已（yǐ）经知（zhī）道每（měi）一（yī）个（gè）GPS卫星都在不辞辛劳地广播自己的（de）位置，那（nà）么在发（fā）送位置信息的同时（shí），也（yě）会附加（jiā）上该数据包发出时（shí）的时间（jiān）戳（chuō）。GPS接收器收到数（shù）据（jù）包后，用当（dāng）前（qián）时间（当前时间当然（rán）只能由GPS接收器自（zì）己来确定（dìng）了）减（jiǎn）去（qù）时间戳上的时间（jiān），就是（shì）数据包在空中传输所（suǒ）用的时间了。知道了（le）数据包在（zài）空中的（de）传输时（shí）间，那么乘上他的传输速度，就是（shì）数据包在空中传输的距离，也就（jiù）是（shì）该卫星（xīng）到GPS接收器的（de）距离了。数据包是通过无（wú）线电波传送的，那（nà）么理想速度就是光（guāng）速c，把传播时间记为Ti的话，用公式表示就是：
di=c*Ti(i=1,2,3,4);这就（jiù）是（shì）di(i=1,2,3,4)的（de）来源了（le）。
3、为什么需要（yào）4颗卫星
从理论上（shàng）来说，以地面点的三维坐标（biāo）（X，Y，Z）为待定参（cān）数，确实只需要（yào）测出3颗卫星到地面点的（de）距离就（jiù）可以确定该点的三维坐（zuò）标（biāo）了。但是，卫地距离是通过（guò）信号的传播时间差Δt乘以信号的传播速度v而得到的（de）。其中，信号的（de）传播速度v接近（jìn）于真空中（zhōng）的光速，量值非常大。因此，这就要求对时间差（chà）Δt进行非常准确的测定，如果稍有偏差，那么测得（dé）的（de）卫地距离就会谬以千里。而（ér）时（shí）间差Δt是通（tōng）过（guò）将卫星处测得的（de）信号发（fā）射时间tS与接收机处测得的信号达到的时间tR求差（chà）得到的。其中，卫星上安置（zhì）的原子钟，稳定度很高，我们认为这种钟的时间（jiān）与GPS时吻合；接收机（jī）处（chù）的时（shí）钟是（shì）石英钟，稳定度一般，我们认为它的（de）时钟时（shí）间与GPS时存在时（shí）间同步误差（chà），并将这（zhè）种误差作为（wéi）一个待（dài）定参数。这样，对于每个地面点实际（jì）上需要求解就有4个（gè）待（dài）定参数，因（yīn）此至少需要观测4颗卫星至地（dì）面（miàn）点的卫地距离数（shù）据。从数学的角度来讲，简（jiǎn）而言之就是求解4个（gè）未知（zhī）参数（shù），必（bì）然最（zuì）少需要4个方程式（shì）。
【超声波如何定高（gāo）？】
超声（shēng）波测（cè）距定高，就是通过超声（shēng）波发（fā）射装置发出超声波，根据接收（shōu）器（qì）收到（dào）超（chāo）声波时（shí）的（de）时间差计算出距（jù）离。这与（yǔ）雷达测（cè）距原理相似。 超声波发（fā）射（shè）器向某一方向发射超声波，在发射（shè）时刻的同时开始（shǐ）计时，超声波（bō）在（zài）空气中传（chuán）播，途中碰到障碍物就立即返（fǎn）回来，超声波（bō）接收器收到（dào）反射波就（jiù）立即停止（zhǐ）计时。(超声波在空气中（zhōng）的传播速度为（wéi）340m/s，根据计时（shí）器记（jì）录的时间t，就可以计算出发（fā）射点距障碍物（wù）的（de）距离(s)，即:s=340t/2)
超声（shēng）波指向性强，在介质中（zhōng）传播（bō）的距离（lí）较远，因而超（chāo）声波经常用于距离（lí）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（yú）做到实时控制，并且在测量（liàng）精度方面能达到工业实用的要求，因此在移 动机器人的（de）研制上也得到了广泛的应用。
【视（shì）觉定位如何（hé）实现？】
无人机室内视觉（jiào）定位系统，一般俗称“光流”。 光流(optic flow)是什（shí）么（me）呢，其实这（zhè）种视觉现象我们每天（tiān）都（dōu）在经历,从本（běn）质上（shàng）说，光流就是你在这（zhè）个运动着的世界（jiè）里感觉到的（de）明显的视（shì）觉运动（没有绝对的静止（zhǐ），也没有绝对的运动）。视觉定（dìng）位系（xì）统包含有摄像（xiàng）头和超声波（bō）模块，它主要利（lì）用（yòng）内置（zhì）的光流传感器，将像素分布及颜色、亮（liàng）度等信息转变为数字信号传（chuán）送（sòng）给（gěi）图（tú）像处理（lǐ）系统进行各种（zhǒng）运算来抽（chōu）取目标的特征，进（jìn）而根据（jù）判别的结（jié）果来控（kòng）制飞行器的动作，超声波传感器来判别相对高度，通（tōng）过高效的视觉（jiào）处理器计算让无人机实现精确室内定位悬停和平稳飞行（háng）。
视（shì）觉定位系统适用（yòng）于高度为3 米以下（xià）、无GPS 信（xìn）号（hào）或GPS 信号（hào）欠佳的环境，特别适用（yòng）于室内飞行。它依赖（lài）地表图像来获取位移（yí）信（xìn）息（xī），因而必须保证（zhèng）周（zhōu）边环境光源充（chōng）足（zú），地面纹理丰富（fù）。视觉定位系（xì）统在（zài）水面、光（guāng）线昏暗的环境（jìng）以及（jí）地面无清晰纹理（lǐ）的（de）环境中无（wú）法定（dìng）位。
【如何智能调节保持稳定？】
通过各种传感器知（zhī）道自（zì）己的高度与水（shuǐ）平位（wèi）置之后，无人机要如（rú）何悬（xuán）停在这个预设的位置上呢（ne）？这其实就是一套负（fù）反馈自（zì）动控制系统（偏离预设值（zhí）就（jiù）自动（dòng）调整回来）。以GPS模式为例，当无（wú）人机受到外界影响（xiǎng），高（gāo）度有升高或（huò）者降低的趋势时（shí），控制单元就调节（jiē）马（mǎ）达（dá）的功率进行（háng）反方（fāng）向运（yùn）动（dòng）补偿；如果无人机有（yǒu）被风横（héng）向吹离悬停位置的趋势，控制单元可（kě）以启动侧飞模式与之抵（dǐ）消（xiāo）——这些反应都（dōu）是比较快的（de），只要外界影响不是大得离谱（专业多轴无人（rén）机一般抗四级风没有问题），专业的无人（rén）机都可（kě）以应付，所以它可以稳稳（wěn）地定（dìng）在那里。
在天气不是很好，GPS搜（sōu）星（xīng）困难的时候，姿态模式（shì）就派上用场了。依靠无人机内部的IMU单元，系统可以识别当前的飞行姿态，进行自动平（píng）衡补偿，同（tóng）样可（kě）以实现高度和水平位（wèi）置的锁定。（掌上无人机）
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