无人机如何实现空中悬停？

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无人机能在空中停留，主要依赖于一个核心原理：通过旋翼产生的升力与自身重力相平衡。

（图片来源网络，侵删）

这听起来简单，但要实现稳定、精准的悬停，背后涉及复杂的飞控系统、传感器和物理原理,我们可以从几个层面来理解：

核心原理：力与力矩的平衡

想象一下，无人机在空中静止不动,它必须满足几个平衡条件：

升力 = 重力 (垂直方向平衡)
- 无人机的所有旋翼（或单个旋翼）拼命旋转，向下推动空气，根据牛顿第三定律（作用力与反作用力），空气会给无人机一个向上的反作用力，这就是升力。
- 当升力的大小等于无人机自身的总重量时，无人机就不会上升也不会下降,从而实现垂直方向上的悬停。
前后、左右力矩平衡 (水平方向稳定)
（图片来源网络，侵删）
- 这是最关键也最复杂的一点，无人机在空中会受到各种干扰，比如一阵风吹过，或者电机转速有微小差异,导致它倾斜。
- 为了保持水平，飞控系统必须像一个经验丰富的飞行员一样，不断微调各个电机的转速，产生一个反向的力矩来抵消倾斜,使无人机保持水平姿态。

光有原理还不够，无人机是如何实时做到这一点的？这主要归功于三大技术支柱：

飞控是无人机的核心，它是一个微型计算机，负责所有的计算和决策，悬停时,它的主要任务是：

传感器是飞控的“眼睛”和“耳朵”，为它提供必要的信息，不同的无人机传感器配置不同,常见的有：

惯性测量单元：
（图片来源网络，侵删）
- 陀螺仪：测量无人机的角速度，即旋转的快慢,能非常灵敏地检测到无人机是否在倾斜。
- 加速度计：测量无人机的加速度，可以用来感知重力方向，从而判断无人机的姿态（是否水平）。
- IMU是悬停的基础，但它在静止状态下会有漂移,长时间不准确。
气压计：
- 通过测量大气压力来估算相对高度，气压越低,海拔越高。
- 它可以帮助无人机维持一个稳定的高度,但容易受到气流和温度变化的影响。
视觉传感器：
- 下视视觉：摄像头朝向地面，通过连续拍摄地面照片，利用算法（如光流法）分析地面纹理的移动，从而精确判断水平位置和高度,这在GPS信号弱的室内或近地面悬停时至关重要。
- 双目视觉/深度传感器：类似于人眼，可以更精确地测量与障碍物或地面的距离,实现精准定高和避障。
GPS模块：
- 这是实现GPS定点悬停的关键，接收多颗卫星的信号,可以计算出无人机的精确经纬度坐标。
- 当无人机被风吹离原位时，GPS会发现当前位置与目标坐标有偏差，飞控就会计算出需要飞回去的方向和距离，调整电机,使其返回原点悬停。

电调：接收来自飞控的指令,精确控制每个无刷电机的转速。
电机和螺旋桨：电机的转速直接决定了螺旋桨的推力（升力），通过差速控制，即改变不同位置电机的转速，来实现姿态的调整。
- 例如：当无人机需要向左修正时，飞控会增加右侧电机的转速，产生更大的升力，同时减小左侧电机的转速，从而产生一个向左的力矩,使无人机向左平移。

根据旋翼布局的不同,悬停的实现方式也有细微差别：

这是最常见的类型，悬停原理如上所述，通过差速控制各个电机的转速来调整姿态和位置，它的优点是机动性极强，悬停非常稳定，但飞行效率较低,续航时间短。

它有一个主旋翼和一个尾桨。
主旋翼：通过改变桨盘倾斜角度（总距+周期变距）来同时控制升力和前进/后退、左右平移，想让直升机向前飞，主旋桨盘整体向前倾斜,升力就产生了一个向前的分力。
尾桨：主要作用是抵消主旋翼旋转时产生的反扭矩,并控制机头的朝向。
这种无人机悬停时非常灵活，但操控比多旋翼复杂,需要更精密的机械结构和飞控。