无人机自动悬停的实现方法

作者 | 硬件十万个为什么

来源 | 硬件十万个为什么

二次排版编辑 | 张巧龙

自动悬停的意思就是将无人机固定在预设的高度位置与水平位置上，其实也就是一组三维座标。

不过，无人机是如何知道自己的位置的呢？其实说起来也很简单，高度一般来说是通过超声波传感器（测量与地面的距离，比较少见）

或者是气压计（高度会影响大气压的变化）来测量的，而水平位置的座标则由GPS模块来确定。

当然，GPS也可以提供高度信息，但对于主流的无人机来说，更倾向于使用气压计，因为低成本的GPS的数据刷新率太低，在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+加速度计传感器）来识别自身的飞行状态和相对位移。

智能调节系统消除外界干扰

通过各种传感器知道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上呢？这其实就是一套负反馈自动控制系统（意思就是偏离预设值就自动调整回来）。

以GPS模式为例，当无人机受到外界影响，高度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消——这些反应都是比较快的，只要外界影响不是大得离谱（专业多轴无人机一般抗四级风没有问题），专业的无人机都可以应付，你所看到的就是它稳稳地定在那里没有动。

在天气不是很好，GPS搜星困难的时候，姿态模式就派上用场了。依靠无人机内部的IMU单元，系统可以识别当前的飞行姿态，进行自动平衡补偿，同样可以实现高度和水平位置的锁定。

无人机悬停精度如何？

一般来说，万元以下的发烧玩家级无人机可以实现误差在垂直0.8米、水平2.5米精度范围内自动悬停，其他机型的悬停精度在产品参数表中都有标明。当然，这个级别的无人机也具备“专家模式”，你可以通过手动来进行高精度的微调。

2000元级的无人机也有带GPS系统的机型，可以实现智能悬停，当然稳定性会比发烧级要差一些；

800～1000元级别的机型，一般还是可以依靠IMU单元来实现悬停，精度和稳定度则更差一些；至于更入门的娱乐机型——就只能靠你灵巧的双手来稳住了。

大疆的“悟”系列可以在没有GPS信号的室内通过“视觉定位”实现定点悬停

无人机得知道自己在三维空间里的坐标，也就是知道自己在哪儿，才能找到需要悬停的位置，而这个坐标是靠GPS、气压计或者是超声波传感器、摄像头来实现的。GPS就很好理解了，大家都用过手机的GPS导航，无人机也一样，可以方便地通过GPS读数来了解自己所处的水平坐标。

除了水平坐标，还需要一个高度值才能确定无人机悬停的位置。虽然GPS也可以读取高度参数，但数据刷新率不够理想，可能会导致无人机高度掉落，所以现在专业无人机一般都采用气压计来读取高度参数（原理很简单，大气压是随高度变化而变化的）。

剩下的事就交给飞控了，它会通过负反馈（高了就调低，远了就调近）的自动控制方式来让无人机稳定在预设的坐标点上进行悬停。

另外，如果没有GPS信号（天气不好，搜不到卫星的情况也比较常见），无人机也可以依靠自身的IMU（惯性单元）来实现姿态飞控模式，凭借飞控员的手动操作，让它到达预定位置进行悬停。大疆的“悟”系列高端产品在没有GPS信号的室内可以通过超声波传感器和摄像头进行“视觉定位”，在同类产品中比较突出。

而悬停精度方面，像大疆精灵2这类产品水平精度可达2.5m，垂直精度可达0.8m（最高端的“悟”系列也只是把垂直精度提升到了0.5m）

超声测距

通过超声波发射装置发出超声波，根据接收器接到超声波时的时间差就可以知道距离了。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，在发射时刻的同时开始计时，超声波在空气中传播，途中碰到障碍物就立即返回来，超声波接收器收到反射波就立即停止计时。(超声波在空气中的传播速度为340m/s，根据计时器记录的时间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距离的测量，如测距仪和物 位测量仪等都可以通过超声波来实现。利用超声波检测往往比较迅速、方便、计算简单、易于做到实时控制，并且在测量精度方面能达到工业实用的要求，因此在移 动机器人的研制上也得到了广泛的应用。

为了使移动机器人能自动避障行走，就必须装备测距系统，以使其及时获取距障碍物的距离信息(距离和方向)。

本文所介绍的三方向(前、左、右)超声波测距系统，就是为机器人了解其前方、左侧和右侧的环境而提供一个运动距离信息。

为了研究和利用超声波，人们已经设计和制成了许多超声波发生器。总体上讲，超声波发生器可以分为两大类:一 类是用电气方式产生超声波，一类是用机械方式产生超声波。电气方式包括压电型、磁致伸缩型和电动型等;机械方式有加尔统笛、液哨和气流旋笛等。它们所产生 的超声波的频率、功率和声波特性各不相同，因而用途也各不相同。目前较为常用的是压电式超声波发生器。

GPS如何定位水平位置和垂直高度？

GPS定位，实际上就是通过四颗已知位置的卫星来确定GPS接收器的位置。

如上图所示，图中的GPS接收器为当前要确定位置的设备，卫星1、2、3、4为本次定位要用到的四颗卫星:

• Position1、Position2、Position3、Position4分别为四颗卫星的当前位置（空间坐标），已知

• d1、d2、d3、d4分别为四颗卫星到要定位的GPS接收器的距离

1.位置信息从哪里来？

实际上，运行于宇宙空间的GPS卫星，每一个都在时刻不停地通过卫星信号向全世界广播自己的当前位置坐标信息。任何一个GPS接收器都可以通过天线很轻松地接收到这些信息，并且能够读懂这些信息（这其实也是每一个GPS芯片的核心功能之一）。这就是这些位置信息的来源。

2.距离信息从哪里来？

我们已经知道每一个GPS卫星都在不辞辛劳地广播自己的位置，那么在发送位置信息的同时，也会附加上该数据包发出时的时间戳。GPS接收器收到数据包后，用当前时间（当前时间当然只能由GPS接收器自己来确定了）减去时间戳上的时间，就是数据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，那么乘上他的传输速度，就是数据包在空中传输的距离，也就是该卫星到GPS接收器的距离了。数据包是通过无线电波传送的，那么理想速度就是光速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);

这就是di(i=1,2,3,4)的来源了。

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（N，E，H）为待定参数，确实只需要测出3颗卫星到地面点的距离就可以确定该点的三维坐标了。但是，卫地距离是通过信号的传播时间差Δt乘以信号的传播速度v而得到的。其中，信号的传播速度v接近于真空中的光速，量值非常大。因此，这就要求对时间差Δt进行非常准确的测定，如果稍有偏差，那么测得的卫地距离就会谬以千里。而时间差Δt是通过将卫星处测得的信号发射时间tS与接收机处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，稳定度很高，我们认为这种钟的时间与GPS时吻合；接收机处的时钟是石英钟，稳定度一般，我们认为它的时钟时间与GPS时存在时间同步误差，并将这种误差作为一个待定参数。这样，对于每个地面点实际上需要求解就有4个待定参数，因此至少需要观测4颗卫星至地面点的卫地距离数据。

气压计测量高度原理：

工作原理是将输入信号（压力）转换为电阻变化，即通过惠斯登电桥架构的压阻式压力传感器感应施加在薄隔膜上的压力。压力传感器的一个重要参数是灵敏度，高分辨率的小型压力传感器使得气压计/高度计应用得以在移动终端中实现，比如在导航仪上面，可以通过高度计能够准确判断出位置是在桥上还是桥下。

惠斯登电桥(Wheatstone Bridge)是用于精确测量中值电阻(10—105W)的测量装置。最简单直接的测量电阻的方法是伏安法。用伏安法测量电阻时，通过测出流经电阻 R 的电流 I 和电阻两端的电位差 V ，依据欧姆定律 R=V/I 即可求出被测电阻值。但这种方法存在较大的测量误差。由于电表本身具有内阻，不论采用电流表内接还是外接，都不能同时准确测出流经电阻的电流 I 和电阻两端的电位差 V ，因而不可避免地存在线路本身的缺陷带来的误差，这个误差被称为电表的接入误差。

电表的接入误差是一个可定系统误差，如果我们能够事先确定电流表或电压表的内阻，就可以通过加修正值的办法消除此误差。然而，伏安法测量中使用的电流表和电压表精度都不可能很高(电表的准确度等级最高为0.1级)，由仪器误差限制带来的测量不确定度是无法减小的。

举例来说，如果电流表和电压表都是0.5级，被测电流和电压都是接近电表量程的二分之一，仅由于电表准确度等级限制带来的测量误差便可能达到1.5%。

用电桥法测电阻，实质是把被测电阻与标准电阻相比较，以确定其值。由于电阻的制造可以达到很高的精度，所以电桥法测电阻可以达到很高的精确度。

电桥分为直流电桥和交流电桥两大类。直流电桥又分为单臂电桥和双臂电桥。惠斯登电桥是直流电桥中的单臂电桥；双臂电桥又称为开尔文电桥(Kelvin Bridge)，适用于测量低电阻（10-6—10W）。

由于电桥测量法比较灵敏、精确、使用方便，它已被广泛地应用于电工技术和非电量的电测法等方面。