自動(dòng)懸停的就是將無人機(jī)固定在預(yù)設(shè)的高度位置與水平位置上，也就是一組三維座標(biāo)，空間中只有三維才能定位。然而，無人機(jī)是如何知道自己的位置的呢？說起來也很簡(jiǎn)單，高度一般是通過超聲波傳感器（測(cè)量與地面的距離）或者是氣壓計(jì)（高度會(huì)影響大氣壓的變化）來測(cè)量的，而水平位置的座標(biāo)則由GPS模塊來確定。當(dāng)然，GPS也可以提供高度信息，但對(duì)于主流的無人機(jī)來說，更傾向于使用氣壓計(jì)，因?yàn)榈统杀镜腉PS的數(shù)據(jù)刷新率太低，在高速運(yùn)動(dòng)的時(shí)候數(shù)據(jù)滯后會(huì)導(dǎo)致無人機(jī)高度跌落。
除了GPS模式來定位外，無人機(jī)還有一種“姿態(tài)模式”，依靠的是內(nèi)部的IMU（慣性測(cè)量單元，實(shí)際上就是一組陀螺儀+加速度計(jì)傳感器）來識(shí)別自身的飛行狀態(tài)和相對(duì)位移，憑借飛控員的手動(dòng)操作，讓它到達(dá)預(yù)定位置進(jìn)行懸停。
在室內(nèi)GPS信號(hào)不好的情況下，還可以通過攝像頭進(jìn)行“視覺定位”實(shí)現(xiàn)無人機(jī)的自動(dòng)懸停。例如，大疆的“悟”系列高端產(chǎn)品都有該功能。
【GPS如何定位坐標(biāo)？】
GPS定位，實(shí)際上就是通過四顆已知位置的衛(wèi)星來確定GPS接收器的位置。
1） 位置信息從哪里來？
實(shí)際上，運(yùn)行于宇宙空間的GPS衛(wèi)星，每一個(gè)都在時(shí)刻不停地通過衛(wèi)星信號(hào)向全世界廣播自己的當(dāng)前位置坐標(biāo)信息。任何一個(gè)GPS接收器都可以通過天線很輕松地接收到這些信息，并且能夠讀懂這些信息（這其實(shí)也是每一個(gè)GPS芯片的核心功能之一）。這就是這些位置信息的來源。
2）距離信息從哪里來？
我們已經(jīng)知道每一個(gè)GPS衛(wèi)星都在不辭辛勞地廣播自己的位置，那么在發(fā)送位置信息的同時(shí)，也會(huì)附加上該數(shù)據(jù)包發(fā)出時(shí)的時(shí)間戳。GPS接收器收到數(shù)據(jù)包后，用當(dāng)前時(shí)間（當(dāng)前時(shí)間當(dāng)然只能由GPS接收器自己來確定了）減去時(shí)間戳上的時(shí)間，就是數(shù)據(jù)包在空中傳輸所用的時(shí)間了。知道了數(shù)據(jù)包在空中的傳輸時(shí)間，那么乘上他的傳輸速度，就是數(shù)據(jù)包在空中傳輸?shù)木嚯x，也就是該衛(wèi)星到GPS接收器的距離了。數(shù)據(jù)包是通過無線電波傳送的，那么理想速度就是光速c，把傳播時(shí)間記為Ti的話，用公式表示就是：
di=c*Ti(i=1,2,3,4);這就是di(i=1,2,3,4)的來源了。
3）為什么需要4顆衛(wèi)星
從理論上來說，以地面點(diǎn)的三維坐標(biāo)（X，Y，Z）為待定參數(shù)，確實(shí)只需要測(cè)出3顆衛(wèi)星到地面點(diǎn)的距離就可以確定該點(diǎn)的三維坐標(biāo)了。但是，衛(wèi)地距離是通過信號(hào)的傳播時(shí)間差Δt乘以信號(hào)的傳播速度v而得到的。其中，信號(hào)的傳播速度v接近于真空中的光速，量值非常大。因此，這就要求對(duì)時(shí)間差Δt進(jìn)行非常準(zhǔn)確的測(cè)定，如果稍有偏差，那么測(cè)得的衛(wèi)地距離就會(huì)謬以千里。而時(shí)間差Δt是通過將衛(wèi)星處測(cè)得的信號(hào)發(fā)射時(shí)間tS與接收機(jī)處測(cè)得的信號(hào)達(dá)到的時(shí)間tR求差得到的。其中，衛(wèi)星上安置的原子鐘，穩(wěn)定度很高，我們認(rèn)為這種鐘的時(shí)間與GPS時(shí)吻合；接收機(jī)處的時(shí)鐘是石英鐘，穩(wěn)定度一般，我們認(rèn)為它的時(shí)鐘時(shí)間與GPS時(shí)存在時(shí)間同步誤差，并將這種誤差作為一個(gè)待定參數(shù)。這樣，對(duì)于每個(gè)地面點(diǎn)實(shí)際上需要求解就有4個(gè)待定參數(shù)，因此至少需要觀測(cè)4顆衛(wèi)星至地面點(diǎn)的衛(wèi)地距離數(shù)據(jù)。從數(shù)學(xué)的角度來講，簡(jiǎn)而言之就是求解4個(gè)未知參數(shù)，必然最少需要4個(gè)方程式。
【超聲波如何定高？】
超聲波測(cè)距定高，就是通過超聲波發(fā)射裝置發(fā)出超聲波，根據(jù)接收器收到超聲波時(shí)的時(shí)間差計(jì)算出距離。這與雷達(dá)測(cè)距原理相似。 超聲波發(fā)射器向某一方向發(fā)射超聲波，在發(fā)射時(shí)刻的同時(shí)開始計(jì)時(shí)，超聲波在空氣中傳播，途中碰到障礙物就立即返回來，超聲波接收器收到反射波就立即停止計(jì)時(shí)。(超聲波在空氣中的傳播速度為340m/s，根據(jù)計(jì)時(shí)器記錄的時(shí)間t，就可以計(jì)算出發(fā)射點(diǎn)距障礙物的距離(s)，即:s=340t/2)
超聲波指向性強(qiáng)，在介質(zhì)中傳播的距離較遠(yuǎn)，因而超聲波經(jīng)常用于距離的測(cè)量。再加上超聲波檢測(cè)往往比較迅速、方便、計(jì)算簡(jiǎn)單、易于做到實(shí)時(shí)控制，并且在測(cè)量精度方面能達(dá)到工業(yè)實(shí)用的要求，因此在移 動(dòng)機(jī)器人的研制上也得到了廣泛的應(yīng)用。
【視覺定位如何實(shí)現(xiàn)？】
無人機(jī)室內(nèi)視覺定位系統(tǒng)，一般俗稱“光流”。 光流(optic flow)是什么呢，其實(shí)這種視覺現(xiàn)象我們每天都在經(jīng)歷,從本質(zhì)上說，光流就是你在這個(gè)運(yùn)動(dòng)著的世界里感覺到的明顯的視覺運(yùn)動(dòng)（沒有絕對(duì)的靜止，也沒有絕對(duì)的運(yùn)動(dòng)）。視覺定位系統(tǒng)包含有攝像頭和超聲波模塊，它主要利用內(nèi)置的光流傳感器，將像素分布及顏色、亮度等信息轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字信號(hào)傳送給圖像處理系統(tǒng)進(jìn)行各種運(yùn)算來抽取目標(biāo)的特征，進(jìn)而根據(jù)判別的結(jié)果來控制飛行器的動(dòng)作，超聲波傳感器來判別相對(duì)高度，通過高效的視覺處理器計(jì)算讓無人機(jī)實(shí)現(xiàn)精確室內(nèi)定位懸停和平穩(wěn)飛行。
視覺定位系統(tǒng)適用于高度為3 米以下、無GPS 信號(hào)或GPS 信號(hào)欠佳的環(huán)境，特別適用于室內(nèi)飛行。它依賴地表圖像來獲取位移信息，因而必須保證周邊環(huán)境光源充足，地面紋理豐富。視覺定位系統(tǒng)在水面、光線昏暗的環(huán)境以及地面無清晰紋理的環(huán)境中無法定位。
【如何智能調(diào)節(jié)保持穩(wěn)定？】
通過各種傳感器知道自己的高度與水平位置之后，無人機(jī)要如何懸停在這個(gè)預(yù)設(shè)的位置上呢？這其實(shí)就是一套負(fù)反饋?zhàn)詣?dòng)控制系統(tǒng)（偏離預(yù)設(shè)值就自動(dòng)調(diào)整回來）。以GPS模式為例，當(dāng)無人機(jī)受到外界影響，高度有升高或者降低的趨勢(shì)時(shí)，控制單元就調(diào)節(jié)馬達(dá)的功率進(jìn)行反方向運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償；如果無人機(jī)有被風(fēng)橫向吹離懸停位置的趨勢(shì)，控制單元可以啟動(dòng)側(cè)飛模式與之抵消——這些反應(yīng)都是比較快的，只要外界影響不是大得離譜（專業(yè)多軸無人機(jī)一般抗四級(jí)風(fēng)沒有問題），專業(yè)的無人機(jī)都可以應(yīng)付，所以它可以穩(wěn)穩(wěn)地定在那里。
在天氣不是很好，GPS搜星困難的時(shí)候，姿態(tài)模式就派上用場(chǎng)了。依靠無人機(jī)內(nèi)部的IMU單元，系統(tǒng)可以識(shí)別當(dāng)前的飛行姿態(tài)，進(jìn)行自動(dòng)平衡補(bǔ)償，同樣可以實(shí)現(xiàn)高度和水平位置的鎖定。
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