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无人机自动悬停的实现

2016-01-21 19:59 性质:转载 作者: 陆空无人机 来源: 陆空无人机
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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?...

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。
  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。
  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。
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