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无人机自动悬停的秘密

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我们时常看到专业的无人机像蜻蜓一样在半空悬停进行航拍,这些中高端的无人机为什么可以做到这一点?它是如何处理气流的影响的?为什么我们自己玩的遥控飞机没办法做到自动悬停(一股微风一来就飘走了)?其中的奥秘就在于无人机上各种传感器和自动控制系统。

要想自动悬停,首先得知道自己的位置
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专业无人机的飞控系统中都备有IMU(右上)和GPS(下)套件

我们知道,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
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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?
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淘宝上2000元级的无人机已经内置了GPS系统

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。

你知道吗:GPS系统还能让无人机自动返航
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要是无人机飞出了遥控器的控制范围怎么办?具备GPS系统的无人机可以根据卫星定位自动返航,而且还能预判现有电量是否够返航,如果电量即将低于返航下限值,也会自动返航。

开天眼了

无人机图传这活儿是谁干的?

@疯狂博士
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玩《战地4》里面的无人攻击机时,无人机上摄像头采集的图像能够实时显示在电脑屏幕上,就好象自己在开飞机一样,无论是攻击还是操控飞机,都非常带感。那现实中无人机航拍时的实时图像,是怎么显示在操控者眼前的呢?这就不得不提到无人机的图传系统,无人机圈里称之为FPV(第一人称视角)系统。

专业的图传系统可实现1.7km/1080P 30fps传输

如图所示,无人机上挂载的视频拍摄装置将采集的视频信号传输到安装在无人机上的图传信号发送器,然后由图传信号发送器的2.4GHz无线信号(市面上单卖的无人机图传套件有1.2GHz、2.4GHz、5.8GHz频段可选,抗干扰能力、带宽各有不同)传送到地面的接收系统,由接收系统再通过HDMI传输到显示设备上(显示器或平板电视),或者是通过USB传输到手机与平板电脑上。由此,操控者就能实时地监控到无人机航拍的图像。目前,专业的图传系统已经做到了在1.7km的距离下传输1080P/30fps的全高清视频图像。

航拍控制:同一系统的双向控制
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图传系统如果仅仅是实时监控无人机拍摄的画面当然是不够的。实际上,对于无人机航拍来说,要随时能够调整摄影机拍摄的角度以及焦距、光圈等拍摄参数才是最重要的。而图传系统实际上也能完成这样的任务。

以大疆的Lightbridge图传系统为例,机载单元和地面单元通过2.4GHz无线信号连接后,地面的遥控器就能向无人机上的云台发送操作信号,从而实现拍摄角度、光圈等参数的调整,让航拍真正地无拘无束。

另外,Lightbridge图传系统还能支持双路输出,也就是说一台无人机上可以安装两套视频拍摄设备,一套方便无人机操控手驾驶,另一套提供给云台手控制拍摄。

几百元可以搞定一套基本的图传收发系统
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淘宝上一般的5.8GHz图传收发套装(可以直接搜索“FPV收发套装”)也不过600元左右,当然摄像头和显示器要自己另配了,整个算下来也要千元左右了。要配这一套玩意,你的无人机也不能太低端,最好是载重能力在800g以上,毕竟还有一套视频设备需要搭载,而且图传信号发送器也是要靠无人机电池供电的。

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