作者 |?硬件十萬個為什么

來源 |?硬件十萬個為什么

二次排版編輯 |?張巧龍

自動懸停的意思就是將無人機固定在預(yù)設(shè)的高度位置與水平位置上，其實也就是一組三維座標。

不過，無人機是如何知道自己的位置的呢？其實說起來也很簡單，高度一般來說是通過超聲波傳感器（測量與地面的距離，比較少見）

或者是氣壓計（高度會影響大氣壓的變化）來測量的，而水平位置的座標則由GPS模塊來確定。

當(dāng)然，GPS也可以提供高度信息，但對于主流的無人機來說，更傾向于使用氣壓計，因為低成本的GPS的數(shù)據(jù)刷新率太低，在高速運動的時候數(shù)據(jù)滯后會導(dǎo)致無人機高度跌落。

除了GPS模式來定位外，無人機還有一種“姿態(tài)模式”，依靠的是內(nèi)部的IMU（慣性測量單元，實際上就是一組陀螺儀+加速度計傳感器）來識別自身的飛行狀態(tài)和相對位移。

智能調(diào)節(jié)系統(tǒng)消除外界干擾

通過各種傳感器知道自己的高度與水平位置之后，無人機要如何懸停在這個預(yù)設(shè)的位置上呢？這其實就是一套負反饋自動控制系統(tǒng)（意思就是偏離預(yù)設(shè)值就自動調(diào)整回來）。

以GPS模式為例，當(dāng)無人機受到外界影響，高度有升高或者降低的趨勢時，控制單元就調(diào)節(jié)馬達的功率進行反方向運動補償；

如果無人機有被風(fēng)橫向吹離懸停位置的趨勢，控制單元可以啟動側(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)多軸無人機一般抗四級風(fēng)沒有問題），專業(yè)的無人機都可以應(yīng)付，你所看到的就是它穩(wěn)穩(wěn)地定在那里沒有動。

在天氣不是很好，GPS搜星困難的時候，姿態(tài)模式就派上用場了。依靠無人機內(nèi)部的IMU單元，系統(tǒng)可以識別當(dāng)前的飛行姿態(tài)，進行自動平衡補償，同樣可以實現(xiàn)高度和水平位置的鎖定。

無人機懸停精度如何？

一般來說，萬元以下的發(fā)燒玩家級無人機可以實現(xiàn)誤差在垂直0.8米、水平2.5米精度范圍內(nèi)自動懸停，其他機型的懸停精度在產(chǎn)品參數(shù)表中都有標明。當(dāng)然，這個級別的無人機也具備“專家模式”，你可以通過手動來進行高精度的微調(diào)。

2000元級的無人機也有帶GPS系統(tǒng)的機型，可以實現(xiàn)智能懸停，當(dāng)然穩(wěn)定性會比發(fā)燒級要差一些；

800～1000元級別的機型，一般還是可以依靠IMU單元來實現(xiàn)懸停，精度和穩(wěn)定度則更差一些；至于更入門的娛樂機型——就只能靠你靈巧的雙手來穩(wěn)住了。

大疆的“悟”系列可以在沒有GPS信號的室內(nèi)通過“視覺定位”實現(xiàn)定點懸停

無人機得知道自己在三維空間里的坐標，也就是知道自己在哪兒，才能找到需要懸停的位置，而這個坐標是靠GPS、氣壓計或者是超聲波傳感器、攝像頭來實現(xiàn)的。GPS就很好理解了，大家都用過手機的GPS導(dǎo)航，無人機也一樣，可以方便地通過GPS讀數(shù)來了解自己所處的水平坐標。

除了水平坐標，還需要一個高度值才能確定無人機懸停的位置。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，可能會導(dǎo)致無人機高度掉落，所以現(xiàn)在專業(yè)無人機一般都采用氣壓計來讀取高度參數(shù)（原理很簡單，大氣壓是隨高度變化而變化的）。

剩下的事就交給飛控了，它會通過負反饋（高了就調(diào)低，遠了就調(diào)近）的自動控制方式來讓無人機穩(wěn)定在預(yù)設(shè)的坐標點上進行懸停。

另外，如果沒有GPS信號（天氣不好，搜不到衛(wèi)星的情況也比較常見），無人機也可以依靠自身的IMU（慣性單元）來實現(xiàn)姿態(tài)飛控模式，憑借飛控員的手動操作，讓它到達預(yù)定位置進行懸停。大疆的“悟”系列高端產(chǎn)品在沒有GPS信號的室內(nèi)可以通過超聲波傳感器和攝像頭進行“視覺定位”，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2.5m，垂直精度可達0.8m（最高端的“悟”系列也只是把垂直精度提升到了0.5m）

超聲測距

通過超聲波發(fā)射裝置發(fā)出超聲波，根據(jù)接收器接到超聲波時的時間差就可以知道距離了。這與雷達測距原理相似。超聲波發(fā)射器向某一方向發(fā)射超聲波，在發(fā)射時刻的同時開始計時，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時。(超聲波在空氣中的傳播速度為340m/s，根據(jù)計時器記錄的時間t，就可以計算出發(fā)射點距障礙物的距離(s)，即:s=340t/2)

超聲波指向性強，在介質(zhì)中傳播的距離較遠，因而超聲波經(jīng)常用于距離的測量，如測距儀和物 位測量儀等都可以通過超聲波來實現(xiàn)。利用超聲波檢測往往比較迅速、方便、計算簡單、易于做到實時控制，并且在測量精度方面能達到工業(yè)實用的要求，因此在移 動機器人的研制上也得到了廣泛的應(yīng)用。

為了使移動機器人能自動避障行走，就必須裝備測距系統(tǒng)，以使其及時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)超聲波測距系統(tǒng)，就是為機器人了解其前方、左側(cè)和右側(cè)的環(huán)境而提供一個運動距離信息。

為了研究和利用超聲波，人們已經(jīng)設(shè)計和制成了許多超聲波發(fā)生器。總體上講，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、磁致伸縮型和電動型等;機械方式有加爾統(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。

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），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？

實際上，運行于宇宙空間的GPS衛(wèi)星，每一個都在時刻不停地通過衛(wèi)星信號向全世界廣播自己的當(dāng)前位置坐標信息。任何一個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（這其實也是每一個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，也會附加上該數(shù)據(jù)包發(fā)出時的時間戳。GPS接收器收到數(shù)據(jù)包后，用當(dāng)前時間（當(dāng)前時間當(dāng)然只能由GPS接收器自己來確定了）減去時間戳上的時間，就是數(shù)據(jù)包在空中傳輸所用的時間了。

知道了數(shù)據(jù)包在空中的傳輸時間，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，以地面點的三維坐標（N，E，H）為待定參數(shù)，確實只需要測出3顆衛(wèi)星到地面點的距離就可以確定該點的三維坐標了。但是，衛(wèi)地距離是通過信號的傳播時間差Δt乘以信號的傳播速度v而得到的。其中，信號的傳播速度v接近于真空中的光速，量值非常大。因此，這就要求對時間差Δt進行非常準確的測定，如果稍有偏差，那么測得的衛(wèi)地距離就會謬以千里。而時間差Δt是通過將衛(wèi)星處測得的信號發(fā)射時間tS與接收機處測得的信號達到的時間tR求差得到的。其中，衛(wèi)星上安置的原子鐘，穩(wěn)定度很高，我們認為這種鐘的時間與GPS時吻合；接收機處的時鐘是石英鐘，穩(wěn)定度一般，我們認為它的時鐘時間與GPS時存在時間同步誤差，并將這種誤差作為一個待定參數(shù)。這樣，對于每個地面點實際上需要求解就有4個待定參數(shù)，因此至少需要觀測4顆衛(wèi)星至地面點的衛(wèi)地距離數(shù)據(jù)。

氣壓計測量高度原理：

工作原理是將輸入信號（壓力）轉(zhuǎn)換為電阻變化，即通過惠斯登電橋架構(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/高度計應(yīng)用得以在移動終端中實現(xiàn)，比如在導(dǎo)航儀上面，可以通過高度計能夠準確判斷出位置是在橋上還是橋下。

惠斯登電橋(Wheatstone Bridge)是用于精確測量中值電阻(10—105W)的測量裝置。最簡單直接的測量電阻的方法是伏安法。用伏安法測量電阻時，通過測出流經(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 即可求出被測電阻值。但這種方法存在較大的測量誤差。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，都不能同時準確測出流經(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的誤差，這個誤差被稱為電表的接入誤差。

電表的接入誤差是一個可定系統(tǒng)誤差，如果我們能夠事先確定電流表或電壓表的內(nèi)阻，就可以通過加修正值的辦法消除此誤差。然而，伏安法測量中使用的電流表和電壓表精度都不可能很高(電表的準確度等級最高為0.1級)，由儀器誤差限制帶來的測量不確定度是無法減小的。

舉例來說，如果電流表和電壓表都是0.5級，被測電流和電壓都是接近電表量程的二分之一，僅由于電表準確度等級限制帶來的測量誤差便可能達到1.5%。

用電橋法測電阻，實質(zhì)是把被測電阻與標準電阻相比較，以確定其值。由于電阻的制造可以達到很高的精度，所以電橋法測電阻可以達到很高的精確度。

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。惠斯登電橋是直流電橋中的單臂電橋；雙臂電橋又稱為開爾文電橋(Kelvin Bridge)，適用于測量低電阻（10-6—10W）。

由于電橋測量法比較靈敏、精確、使用方便，它已被廣泛地應(yīng)用于電工技術(shù)和非電量的電測法等方面。

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總結(jié)

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