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你知道无人机如何实现自动悬停的吗?

发布日期:2016-06-04  来源:掌上无人机世界我要投稿我要评论
        问过许多玩无人机的选手,都大概知道无人机可以自动悬停,但具体根据什么实现悬停的,都说不上来,哪怕有些玩了很多年的老手也说不出个道道来。当然,人家只是为了玩的尽兴,尤其业余选手,无可厚非。今天我们就一块探索探索无人机是如何实现自动悬停的,看完您就全明白了。

          自动悬停的就是将无人机固定在预设的高度位置与水平位置上,也就是一组三维座标,空间中只有三维才能定位。然而,无人机是如何知道自己的位置的呢?说起来也很简单,高度一般是通过超声波传感器(测量与地面的距离)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。

你知道无人机如何实现自动悬停的吗?

          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,凭借飞控员的手动操作,让它到达预定位置进行悬停。

         在室内GPS信号不好的情况下,还可以通过摄像头进行“视觉定位”实现无人机的自动悬停。例如,大疆的“悟”系列高端产品都有该功能。

     【GPS如何定位坐标?】

        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。
你知道无人机如何实现自动悬停的吗?

     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(X,Y,Z)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。从数学的角度来讲,简而言之就是求解4个未知参数,必然最少需要4个方程式。

     【超声波如何定高?】

             超声波测距定高,就是通过超声波发射装置发出超声波,根据接收器收到超声波时的时间差计算出距离。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。再加上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。

     【视觉定位如何实现?】

       无人机室内视觉定位系统,一般俗称“光流”。 光流(optic flow)是什么呢,其实这种视觉现象我们每天都在经历,从本质上说,光流就是你在这个运动着的世界里感觉到的明显的视觉运动(没有绝对的静止,也没有绝对的运动)。视觉定位系统包含有摄像头和超声波模块,它主要利用内置的光流传感器,将像素分布及颜色、亮度等信息转变为数字信号传送给图像处理系统进行各种运算来抽取目标的特征,进而根据判别的结果来控制飞行器的动作,超声波传感器来判别相对高度,通过高效的视觉处理器计算让无人机实现精确室内定位悬停和平稳飞行。

    视觉定位系统适用于高度为3 米以下、无GPS 信号或GPS 信号欠佳的环境,特别适用于室内飞行。它依赖地表图像来获取位移信息,因而必须保证周边环境光源充足,地面纹理丰富。视觉定位系统在水面、光线昏暗的环境以及地面无清晰纹理的环境中无法定位。

     【如何智能调节保持稳定?】

      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(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,所以它可以稳稳地定在那里。

        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。

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标签:  自动悬停
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