自動(dòng)懸停的意思就是將無(wú)人機(jī)固定在預(yù)設(shè)的高度位置與水平位置上，其實(shí)也就是一組三維座標(biāo)。不過(guò)，無(wú)人機(jī)是如何知道自己的位置的呢？其實(shí)說(shuō)起來(lái)也很簡(jiǎn)單，高度一般來(lái)說(shuō)是通過(guò)超聲波傳感器（測(cè)量與地面的距離，比較少見(jiàn)）或者是氣壓計(jì)（高度會(huì)影響大氣壓的變化）來(lái)測(cè)量的，而水平位置的座標(biāo)則由GPS模塊來(lái)確定。
當(dāng)然，GPS也可以提供高度信息，但對(duì)于主流的無(wú)人機(jī)來(lái)說(shuō)，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(wú)人機(jī)高度跌落。
除了GPS模式來(lái)定位外，無(wú)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(lái)識(shí)別自身的飛行狀態(tài)和相對(duì)位移。
智能調(diào)節(jié)系統(tǒng)消除外界干擾
通過(guò)各種傳感器知道自己的高度與水平位置之后，無(wú)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)（意思就是偏離預(yù)設(shè)值就自動(dòng)調(diào)整回來(lái)）。
以GPS模式為例，當(dāng)無(wú)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(wú)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(wú)人機(jī)一般抗四級(jí)風(fēng)沒(méi)有問(wèn)題），專業(yè)的無(wú)人機(jī)都可以應(yīng)付，你所看到的就是它穩(wěn)穩(wěn)地定在那里沒(méi)有動(dòng)。
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(wú)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。
無(wú)人機(jī)懸停精度如何？
一般來(lái)說(shuō)，萬(wàn)元以下的發(fā)燒玩家級(jí)無(wú)人機(jī)可以實(shí)現(xiàn)誤差在垂直0.8米、水平2.5米精度范圍內(nèi)自動(dòng)懸停，其他機(jī)型的懸停精度在產(chǎn)品參數(shù)表中都有標(biāo)明。當(dāng)然，這個(gè)級(jí)別的無(wú)人機(jī)也具備“專家模式”，你可以通過(guò)手動(dòng)來(lái)進(jìn)行高精度的微調(diào)。2000元級(jí)的無(wú)人機(jī)也有帶GPS系統(tǒng)的機(jī)型，可以實(shí)現(xiàn)智能懸停，當(dāng)然穩(wěn)定性會(huì)比發(fā)燒級(jí)要差一些；800～1000元級(jí)別的機(jī)型，一般還是可以依靠IMU單元來(lái)實(shí)現(xiàn)懸停，精度和穩(wěn)定度則更差一些；至于更入門的娛樂(lè)機(jī)型——就只能靠你靈巧的雙手來(lái)穩(wěn)住了。
大疆的“悟”系列可以在沒(méi)有GPS信號(hào)的室內(nèi)通過(guò)“視覺(jué)定位”實(shí)現(xiàn)定點(diǎn)懸停
無(wú)人機(jī)得知道自己在三維空間里的坐標(biāo)，也就是知道自己在哪兒，才能找到需要懸停的位置，而這個(gè)坐標(biāo)是靠GPS、氣壓計(jì)或者是超聲波傳感器、攝像頭來(lái)實(shí)現(xiàn)的。GPS就很好理解了，大家都用過(guò)手機(jī)的GPS導(dǎo)航，無(wú)人機(jī)也一樣，可以方便地通過(guò)GPS讀數(shù)來(lái)了解自己所處的水平坐標(biāo)。
除了水平坐標(biāo)，還需要一個(gè)高度值才能確定無(wú)人機(jī)懸停的位置。雖然GPS也可以讀取高度參數(shù)，但數(shù)據(jù)刷新率不夠理想，可能會(huì)導(dǎo)致無(wú)人機(jī)高度掉落，所以現(xiàn)在專業(yè)無(wú)人機(jī)一般都采用氣壓計(jì)來(lái)讀取高度參數(shù)（原理很簡(jiǎn)單，大氣壓是隨高度變化而變化的）。
剩下的事就交給飛控了，它會(huì)通過(guò)負(fù)反饋（高了就調(diào)低，遠(yuǎn)了就調(diào)近）的自動(dòng)控制方式來(lái)讓無(wú)人機(jī)穩(wěn)定在預(yù)設(shè)的坐標(biāo)點(diǎn)上進(jìn)行懸停。
另外，如果沒(méi)有GPS信號(hào)（天氣不好，搜不到衛(wèi)星的情況也比較常見(jiàn)），無(wú)人機(jī)也可以依靠自身的IMU（慣性單元）來(lái)實(shí)現(xiàn)姿態(tài)飛控模式，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。大疆的“悟”系列高端產(chǎn)品在沒(méi)有GPS信號(hào)的室內(nèi)可以通過(guò)超聲波傳感器和攝像頭進(jìn)行“視覺(jué)定位”，在同類產(chǎn)品中比較突出。
而懸停精度方面，像大疆精靈2這類產(chǎn)品水平精度可達(dá)2.5m，垂直精度可達(dá)0.8m（最高端的“悟”系列也只是把垂直精度提升到了0.5m）
超聲測(cè)距
通過(guò)超聲波發(fā)射裝置發(fā)出超聲波，根據(jù)接收器接到超聲波時(shí)的時(shí)間差就可以知道距離了。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(kāi)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(lái)，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，如測(cè)距儀和物 位測(cè)量?jī)x等都可以通過(guò)超聲波來(lái)實(shí)現(xiàn)。利用超聲波檢測(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。
為了使移動(dòng)機(jī)器人能自動(dòng)避障行走，就必須裝備測(cè)距系統(tǒng)，以使其及時(shí)獲取距障礙物的距離信息(距離和方向)。本文所介紹的三方向(前、左、右)超聲波測(cè)距系統(tǒng)，就是為機(jī)器人了解其前方、左側(cè)和右側(cè)的環(huán)境而提供一個(gè)運(yùn)動(dòng)距離信息。
為了研究和利用超聲波，人們已經(jīng)設(shè)計(jì)和制成了許多超聲波發(fā)生器?？傮w上講，超聲波發(fā)生器可以分為兩大類:一 類是用電氣方式產(chǎn)生超聲波，一類是用機(jī)械方式產(chǎn)生超聲波。電氣方式包括壓電型、磁致伸縮型和電動(dòng)型等;機(jī)械方式有加爾統(tǒng)笛、液哨和氣流旋笛等。它們所產(chǎn)生 的超聲波的頻率、功率和聲波特性各不相同，因而用途也各不相同。目前較為常用的是壓電式超聲波發(fā)生器。
GPS如何定位水平位置和垂直高度？
GPS定位，實(shí)際上就是通過(guò)四顆已知位置的衛(wèi)星來(lái)確定GPS接收器的位置。
如上圖所示，圖中的GPS接收器為當(dāng)前要確定位置的設(shè)備，衛(wèi)星1、2、3、4為本次定位要用到的四顆衛(wèi)星:
Position1、Position2、Position3、Position4分別為四顆衛(wèi)星的當(dāng)前位置（空間坐標(biāo)），已知d1、d2、d3、d4分別為四顆衛(wèi)星到要定位的GPS接收器的距離
1、位置信息從哪里來(lái)？
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(guò)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(guò)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(lái)源。
2、距離信息從哪里來(lái)？
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(lái)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(guò)無(wú)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(lái)源了。
3、為什么需要4顆衛(wèi)星
從理論上來(lái)說(shuō)，以地面點(diǎn)的三維坐標(biāo)（N，E，H）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(guò)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(guò)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)。
氣壓計(jì)測(cè)量高度原理：
工作原理是將輸入信號(hào)（壓力）轉(zhuǎn)換為電阻變化，即通過(guò)惠斯登電橋架構(gòu)的壓阻式壓力傳感器感應(yīng)施加在薄隔膜上的壓力。壓力傳感器的一個(gè)重要參數(shù)是靈敏度，高分辨率的小型壓力傳感器使得氣壓計(jì)/高度計(jì)應(yīng)用得以在移動(dòng)終端中實(shí)現(xiàn)，比如在導(dǎo)航儀上面，可以通過(guò)高度計(jì)能夠準(zhǔn)確判斷出位置是在橋上還是橋下。
惠斯登電橋(Wheatstone Bridge)是用于精確測(cè)量中值電阻(10—105W)的測(cè)量裝置。最簡(jiǎn)單直接的測(cè)量電阻的方法是伏安法。用伏安法測(cè)量電阻時(shí)，通過(guò)測(cè)出流經(jīng)電阻R 的電流 I 和電阻兩端的電位差 V ，依據(jù)歐姆定律 R=V/I 即可求出被測(cè)電阻值。但這種方法存在較大的測(cè)量誤差。由于電表本身具有內(nèi)阻，不論采用電流表內(nèi)接還是外接，都不能同時(shí)準(zhǔn)確測(cè)出流經(jīng)電阻的電流 I 和電阻兩端的電位差 V ，因而不可避免地存在線路本身的缺陷帶來(lái)的誤差，這個(gè)誤差被稱為電表的接入誤差。電表的接入誤差是一個(gè)可定系統(tǒng)誤差，如果我們能夠事先確定電流表或電壓表的內(nèi)阻，就可以通過(guò)加修正值的辦法消除此誤差。然而，伏安法測(cè)量中使用的電流表和電壓表精度都不可能很高(電表的準(zhǔn)確度等級(jí)最高為0.1級(jí))，由儀器誤差限制帶來(lái)的測(cè)量不確定度是無(wú)法減小的。舉例來(lái)說(shuō)，如果電流表和電壓表都是0.5級(jí)，被測(cè)電流和電壓都是接近電表量程的二分之一，僅由于電表準(zhǔn)確度等級(jí)限制帶來(lái)的測(cè)量誤差便可能達(dá)到1.5%。
用電橋法測(cè)電阻，實(shí)質(zhì)是把被測(cè)電阻與標(biāo)準(zhǔn)電阻相比較，以確定其值。由于電阻的制造可以達(dá)到很高的精度，所以電橋法測(cè)電阻可以達(dá)到很高的精確度。
電橋分為直流電橋和交流電橋兩大類。直流電橋又分為單臂電橋和雙臂電橋?；菟沟请姌蚴侵绷麟姌蛑械膯伪垭姌?；雙臂電橋又稱為開(kāi)爾文電橋(Kelvin Bridge)，適用于測(cè)量低電阻（10-6—10W）。由于電橋測(cè)量法比較靈敏、精確、使用方便，它已被廣泛地應(yīng)用于電工技術(shù)和非電量的電測(cè)法等方面。
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