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无人机自动悬停的实现方法

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一直以来飞机精准悬停的问题困扰大家,有幸看到这篇文章,与大家共同学习。

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。
无人机得以悬停依靠哪些模块,一直都比较让大家困惑,无意间看到这篇文章,转载与大家共勉。

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。


大疆的“悟”系列可以在没有GPS信号的室内通过“视觉定位”实现定点悬停
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。大疆的“悟”系列高端产品在没有GPS信号的室内可以通过超声波传感器和摄像头进行“视觉定位”,在同类产品中比较突出。
而悬停精度方面,像大疆精灵2这类产品水平精度可达2.5m,垂直精度可达0.8m(最高端的“悟”系列也只是把垂直精度提升到了0.5m)
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。

为了使移动机器人能自动避障行走,就必须装备测距系统,以使其及时获取距障碍物的距离信息(距离和方向)。本文所介绍的三方向(前、左、右)超声波测距系统,就是为机器人了解其前方、左侧和右侧的环境而提供一个运动距离信息。

为了研究和利用超声波,人们已经设计和制成了许多超声波发生器。总体上讲,超声波发生器可以分为两大类:一 类是用电气方式产生超声波,一类是用机械方式产生超声波。电气方式包括压电型、磁致伸缩型和电动型等;机械方式有加尔统笛、液哨和气流旋笛等。它们所产生 的超声波的频率、功率和声波特性各不相同,因而用途也各不相同。目前较为常用的是压电式超声波发生器。

GPS如何定位水平位置和垂直高度?

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。


如上图所示,图中的GPS接收器为当前要确定位置的设备,卫星1、2、3、4为本次定位要用到的四颗卫星:
  • Position1、Position2、Position3、Position4分别为四颗卫星的当前位置(空间坐标),已知d1、d2、d3、d4分别为四颗卫星到要定位的GPS接收器的距离
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(N,E,H)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。
气压计测量高度原理:

工作原理是将输入信号(压力)转换为电阻变化,即通过惠斯登电桥架构的压阻式压力传感器感应施加在薄隔膜上的压力。压力传感器的一个重要参数是灵敏度,高分辨率的小型压力传感器使得气压计/高度计应用得以在移动终端中实现,比如在导航仪上面,可以通过高度计能够准确判断出位置是在桥上还是桥下


惠斯登电桥(Wheatstone Bridge)是用于精确测量中值电阻(10—105W)的测量装置。最简单直接的测量电阻的方法是伏安法。用伏安法测量电阻时,通过测出流经电阻 R 的电流 I 和电阻两端的电位差 V ,依据欧姆定律 R=V/I 即可求出被测电阻值。但这种方法存在较大的测量误差。由于电表本身具有内阻,不论采用电流表内接还是外接,都不能同时准确测出流经电阻的电流 I 和电阻两端的电位差 V ,因而不可避免地存在线路本身的缺陷带来的误差,这个误差被称为电表的接入误差。电表的接入误差是一个可定系统误差,如果我们能够事先确定电流表或电压表的内阻,就可以通过加修正值的办法消除此误差。然而,伏安法测量中使用的电流表和电压表精度都不可能很高(电表的准确度等级最高为0.1级),由仪器误差限制带来的测量不确定度是无法减小的。举例来说,如果电流表和电压表都是0.5级,被测电流和电压都是接近电表量程的二分之一,仅由于电表准确度等级限制带来的测量误差便可能达到1.5%。
用电桥法测电阻,实质是把被测电阻与标准电阻相比较,以确定其值。由于电阻的制造可以达到很高的精度,所以电桥法测电阻可以达到很高的精确度。

电桥分为直流电桥和交流电桥两大类。直流电桥又分为单臂电桥和双臂电桥。惠斯登电桥是直流电桥中的单臂电桥;双臂电桥又称为开尔文电桥(Kelvin Bridge),适用于测量低电阻(10-6—10W)。由于电桥测量法比较灵敏、精确、使用方便,它已被广泛地应用于电工技术和非电量的电测法等方面。

备注:转自微信,作者无人机, 如果不愿转载,请联系秋香删除
标签:控制系统  无人机  超声波  传感器  大气压
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ZDD   认证飞友 2015-12-14 3#
占领沙发,然后点赞!!!
一起装逼一起飞
温州三哥  Phantom 3 Professional认证用户 2015-12-14 4#




占领沙发,然后点赞!!!

此刻脑海里面。就几个词:  GPS定位。。超声波。视觉定位。。。气压计定位。。


唉。。

飞行安全是第一要务!还需要做一个内心强大的人!
楼主  管理员 2015-12-14 5#
温州三哥 发表于 2015-12-14 19:29
占领沙发,然后点赞!!!

此刻脑海里面。就几个词:  GPS定位。。超声波。视觉定位。。。气压计定位 ...
我读完了也是在默默的回味这几个~总算有一个比较详细的说明。
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nznz988   2015-12-14 6#
气压计原理这次是第一次学习原理!!谢谢了。
panzerelite  Inspire 1 Pro认证用户 2015-12-14 7#
真的技术贴啊
我的设备:Inspire1 X5升级版 双控
jingrongren  Phantom 3 Advanced认证用户 2015-12-14 8#
大家好,我是秋香,我来讲讲云台平衡的实现原理:任何物体在空间中一切的运动可分解为6个方向的运动,分别是 垂直上下、水平左右、水平前后、水平转动、俯仰转动、前后方向为轴的转动
如果空间用x、y、z建立起坐标系的话,那么物体的移动就是xyz方向的移动,以及沿xyz轴的转动。


故,当物体发生抖动时,可以通过控制这六个轴上的运动,从将其抵消。
一个轴需要用一个电机来实现负反馈。理论上六轴增稳就是彻底的稳如Poi了。


悟和精灵的云台有3轴,分别用来抵消沿xyz轴转动的量,当传感器检测到加速度时,便相应改变进行补偿。
“Roll轴微调”,便是重调平衡点,让飞机不会歪头。


至于xyz方向,则是通过飞行器的运动来保持稳定。所以精灵3视频很稳,但OSMO同样是3轴防抖,却依然有起伏和左右晃动。


于此同时有个问题,如果抖动地太快太重来不及反应怎么办?

因此加上了云台避震球(或者说先有避震球后有云台),在阻尼作用下,一方面震动被消耗,一方面延长了自振周期——原本云台每秒抖1000下,现在每秒抖20下,机器应付起来绰绰有余。

云台防抖优势是轻巧、效果好,缺点是成本高、结构脆弱、有一定延迟、承重有限制、可能晕掉。拍电影时还有种增稳器是斯坦尼康(不过以后估计要淘汰),是用一个自然垂下的杠杆上下分别连接相机和配重,当有旋转抖动产生时,配重会在重力作用下施加反向的力,从而抵消相机的抖动。
除了山川大地,还有我的后脑勺。
专业飞手  Goggles认证用户 2015-12-14 9#
深入浅出的教程
w4444   2015-12-14 10#
靠IMU可以实现定位?为什么飞机还会漂移?
千北阳   认证飞友 2015-12-15 11#
今天期末考试考《测试技术》,还考到了 压阻式压力传感器 和 惠斯通电桥,其中电桥分 单臂半桥、双臂半桥 和 全桥,敏感度分别为1/4U、1/2U、U,所以全桥的敏感度最大。对于这科要挂的人也就只能秀这么多了:'(
dyphcchai  Mavic Pro认证用户 2015-12-15 12#
有点水平啊秋香!
Homsheng  Osmo Mobile 3认证用户 2015-12-15 13#
所幸我还能看懂。
只缘感君一回顾 使我思君朝与暮.
DJI-我不是DJI工作人员  Osmo Mobile认证用户 2015-12-15 14#
dyphcchai 发表于 2015-12-15 08:34
有点水平啊秋香!
估计是转的
楼主  管理员 2015-12-15 15#
我也觉得写的很好
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楼主  管理员 2015-12-15 16#
jingrongren 发表于 2015-12-14 21:50
大家好,我是秋香,我来讲讲云台平衡的实现原理:任何物体在空间中一切的运动可分解为6个方向的运动,分别 ...
哥~你啥时候成了秋香了啊
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1179118301   2015-12-15 17#
理解了一点点,还需继续学习
1102467813   2015-12-15 18#
涨知识了,感谢分享!
楼主  管理员 2015-12-15 19#
nznz988 发表于 2015-12-14 21:22
气压计原理这次是第一次学习原理!!谢谢了。
大家一起学习~
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楼主  管理员 2015-12-15 20#
w4444 发表于 2015-12-14 23:14
靠IMU可以实现定位?为什么飞机还会漂移?
依靠IMU来悬停,精度和稳定度则更差一些
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楼主  管理员 2015-12-15 21#
肯定没有看我的第一句话,意外看到这篇文章转载供大家一起学习
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楼主  管理员 2015-12-15 22#
Homsheng 发表于 2015-12-15 11:27
所幸我还能看懂。
那就好,大家一起学习
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lukai90  Phantom 3 Professional认证用户 2015-12-15 23#
还好我不是学渣。
楼主  管理员 2015-12-15 24#
lukai90 发表于 2015-12-15 17:25
还好我不是学渣。
那就是学霸咯
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童心未泯  DJI Avata 单机认证用户 2015-12-15 25#
好文章,学习了。
gaoxiaojian  Phantom 4 Pro V2.0认证用户 2015-12-15 26#
我早就知道啦,啦啦啦
楼主  管理员 2015-12-15 27#
gaoxiaojian 发表于 2015-12-15 19:43
我早就知道啦,啦啦啦
咋不分享下
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gaoxiaojian  Phantom 4 Pro V2.0认证用户 2015-12-15 28#
秋香 发表于 2015-12-15 20:06
咋不分享下
额(⊙o⊙)…
Joker_yin  Phantom 3 Advanced认证用户 2015-12-15 29#
对于我这种脑子不好使的  这么多字,看得也是醉了
350238091  Phantom 3 Professional认证用户 2015-12-16 30#
学习班理论联系实际
楼主  管理员 2015-12-16 31#
Joker_yin 发表于 2015-12-15 23:03
对于我这种脑子不好使的  这么多字,看得也是醉了
慢慢看还是挺有趣的
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csliaw  DJI Mavic 3E认证用户 2015-12-16 32#
超棒的文章。感谢分享。
楼主  管理员 2015-12-16 33#
csliaw 发表于 2015-12-16 10:54
超棒的文章。感谢分享。
大家一起学习
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phiva  Phantom 3 Advanced认证用户 2015-12-16 34#
很好的技术贴,要顶,要多发!
楼主  管理员 2015-12-16 35#
phiva 发表于 2015-12-16 14:24
很好的技术贴,要顶,要多发!
一定一定,还有下文
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617785600  Phantom 3 Advanced认证用户 2015-12-16 36#
有一个疑问!!!  高度是采用气压计的压力来计算的,那么海拔700米和海拔300米的气压肯定是不一样的。而我们分别从海拔700米和海拔300米起飞 30米,为什么显示的高度都是30米???这是怎么回事???
杉木  Phantom 3 Professional认证用户 2015-12-16 37#
617785600 发表于 2015-12-16 20:00
有一个疑问!!!  高度是采用气压计的压力来计算的,那么海拔700米和海拔300米的气压肯定是不一样的。而我 ...
显示相对高度而不是绝对高度
楼主  管理员 2015-12-16 38#
617785600 发表于 2015-12-16 20:00
有一个疑问!!!  高度是采用气压计的压力来计算的,那么海拔700米和海拔300米的气压肯定是不一样的。而我 ...
楼下正解哦,我们只显示相对高度,不是绝对高度
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LikeUav   2015-12-16 39#
利用视觉在室内定位。大疆的室内视觉定位同样是超声波定高+光流计定点吧?光流计定点靠的是像素点差,如果背景特别单一的话就无法区分了。大疆的悟在室内定位的时候如果地面颜色特别单一能达到比较良好的定位吗?面对颜色特别单一的背景,室内定利用光流法很难定位,楼主有没有什么好的办法呢?我有几个方案正在试验:室内超声波三点定位,还有室内高出固定一个摄像头,利用摄像头捕捉飞行器进行定位。希望大家能帮我开拓下思路。
穿心箭  DJI Air 3认证用户 2015-12-16 40#
认真学习!
617785600  Phantom 3 Advanced认证用户 2015-12-17 41#
秋香 发表于 2015-12-16 21:11
楼下正解哦,我们只显示相对高度,不是绝对高度
意思明白了,能不能详细一点说说他的原理啊
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