工作，进行空中定位悬停这一基本的飞行姿态总是不可或缺的。无论是在起始阶段的待命状态，工作阶段的监控状态，或是结束阶段的回收状态，无人机都需要以完成定位悬停飞行姿态为基础。在如今无人机正被逐渐应用的阶段，对其进行精确的空间定位方法的研究尤为重要。本文介绍了几种较为常规的旋翼无人机空间定位方案，并在此基础上提出了一种用于实现超高精度空间定位的方案，并对几种方式进行了比较。
关键词：旋翼式无人机；定位悬停；讨论
DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.03.250
1 绪论
无人机即所谓的无人驾驶飞机（Unmanned Aerial Vehicle，UAV），是指不需要飞行员在机上驾驶，而是利用无线电遥控设备以及自备的程序控制装置实行对飞行器的控制。无人机在接收到地面传达的遥控信息后，可以完成一些自主控制功能。位于控制站的人员可以通过各种设备，通过无人机实现远程巡视，监控，定位，打击等操作。如今，随着无人机技术的飞速发展，其实现了成本低，体积小，重量轻与飞行灵活等特点，越来越多的政府和机构开始关注起它来。
在本文中所讨论的无人机的定位悬停动作，是以多旋翼式无人机为平台的。
定位悬停是指将无人机固定在预先设定的高度位置和水平位置上。这是无人机实现应用所需的一个基本的飞行姿态。
以最近亚马逊公司推出的无人机配送货物服务为例，亚马逊公司所提交的方案细节中表示：
（1）无人机会直接把货物送到客户个人所在地，并在下单时启用定位系统；
（2）无人机需要特定感应器来确定路线以及准确着陆，比如相机和红外感应装置。
在亚马逊公司所构想的无人机配送货物方案中，有两个关键词，一是定位系统，二是精准着陆，而在无人机定位悬停动作的研究中，定位系统是研究的出发点，精准着陆是研究可以收获的成果。可见，几乎在所有无人机应用中，对精确的定位悬停姿态控制的研究都是一项十分重要的课题。
2 无人机的几种高精度定位方案
现如今，无人机定位悬停的精度并不高，大疆公司的最新型无人机Phantom 3可实现误差在垂直10厘米，水平1米精度范围内的自动悬停，当需要更高精度时，便需要在“专家模式”下手动来进行微调。
无人机实现自动悬停实质上便是将其固定在预先设定好的高度位置与水平位置上，这也就是说，要实现悬停这一动作，事先读取自身的位置，即产生一组三维坐标这一步显得至关重要。比较准确地确定无人机的位置信息是无人机完成定位悬停这一动作的前提与基础。
2.1 以GPS模块为主的定位
2.1.1 无人机GPS定位工作原理
GPS在综合至少4颗卫星的位置信息后，可实现无人机的空间定位。利用以GPS为中心，辅助以各种传感器的定位方法是如今无人机所采用的主流定位方案。无人机在悬停之前首先需要明确自身的高度信息和水平信息，而在以GPS模块为主的定位方式中，GPS模块主要负责提供无人机的水平位置坐标，而其高度位置坐标一般来讲是通过气压计，利用不同高度上大气压力的变化来计算提供。同样，GPS模块也可以提供高度信息，但是在主流无人机上很少使用，因为低成本的GPS数据的刷新率不高，无人机在高速运动时，会导致GPS读取的数据滞后，引起高度跌落。
2.1.2 差分GPS（DGPS）的应用
为了应对GPS系统中选择可用性技术（Selective availability，SA）造成的误差，无人机所搭载的GPS通常利用差分GPS技术来提高定位精度。GPS的差分技术有两种，分别是坐标差分技术与伪距差分技术。无人机所搭载的GPS常采用的技术是伪距差分技术。该技术是通过计算已知点伪距与真实距离之间差值以修正误差。所以机载GPS常需要两个接收器同时接收同一卫星组发出的信号。这种方案的定位精度较高，但对地面设施有一定要求，不利于快速部署。
2.2 运用视觉系统的定位
目前出现了较新的定位技术采用了视觉定位系统，如深圳大疆公司最新型号的无人机Phantom 3便采用了这种方式。
2.2.1 视觉系统结构
所谓的视觉系统定位是指为搭载了摄像头的无人机提出的一个基于影像的控制系统。该控制系统有两种实现方式，一是仅靠机载摄像机拍摄提供的图像数据来分析，控制无人机；二是结合运用惯性测量部件和视觉里程计，这种结合工作的视觉系统可以有效地减少系统的工作量，而且可以为无人机提供更精确的定位。如图1是结合各种传感器的视觉定位系统结构图。
视觉控制在机器人技术的研究里是一个很活跃的领域。而在无人机的研究中，视觉里程计被用作帮助实现飞行器的自主控制。常利用搭载的三维影像帮助提高无人机的稳定性，并指示无人机与所处环境中有关物体之间的相对位置关系，达到定位的目的。
2.2.2 视觉系统的定位原理
机载摄像机的持续拍摄，为导航系统提供连续的图像帧。在图像特征匹配的计算程序中，特征追踪器从连续的两个图像帧中获取自然地标信息，并在一对自然特征中测出位移。通过周期性地记录新特征点，并比较重复的特征点，便可以测算出各图像捕捉序列之间用作3D几何投影的单应性矩阵，从而可以实现对无人机的定位。
2.3 无线电加激光定点的高精度定位方案
本文作者构想了一种用于定点位的高精度悬停方案。预想结合无线电技术与激光传感器，实现无人机的高精度定位悬停。
2.3.1 无线电定位
无线电定位是在已知导航台的精确位置下，通过接收器对导航台所发出的无线电信号进行接收，计算信号发出到接收之间间隔的时间，以处理得到导航台至目标物之间的相对距离来达成位置的确定。除了延迟时间外接收器还会处理所接收到无线电信号的一系列电参量，比如频率，相位或振幅，根据电波传播的特性，转换得到实现导航所需要的数据。
但仅通过一个导航台是不能确定目标物体的位置的，通常会运用“几何原理”来实现对一点的位置确定。所谓的“几何原理”是指，当接收器只接收一个导航台所发出的无线电参量时，仅仅可以确定目标点相对于导航台的轨迹线，当用两个及以上的信号量时，便可以利用几何线相交来完成定位的工作。当有两个导航参量时，可以实现平面上的定位；当有三个及以上的导航参量时，可以实现空间上的定位。
2.3.2 激光传感器
所谓的激光传感器是指利用激光来实现测距的传感器。由于激光具有高单色性，高方向性与抗干扰性等优点，对于精确测量技术来说是很关键的一部分。激光传感器的工作原理其实与无线电雷达是相似的。在发射器将激光对目标物发射出去后，计算激光往返的时间，利用光在空气中的传播速度便可以得到与目标物之间的距离，便可以实现精确测高的目的。
一个激光传感器常由三部分组成，一是激光器；二是激光检测器；三是测量电路。激光器可以分为固体激光器，气体激光器，液体激光器和半导体激光器四种类型。其中半导体激光器是一种比较新型的种类，较成熟的是砷化镓激光器。该种类的激光器体积小，重量轻，结构简单，比较适合在无人机上配备。
2.3.3 定位实现方案
无人机搭载有无线电模块，半导体式激光器。
A.陆基无线电引导粗定位。无线电模块负责提供一个第一阶段的定位悬停控制信息。利用无线电范围传播的特点，可以在一个范围内对无人机进行初步的引导定位工作。根据“几何原理”，预定地点位置布置三个导航台，无人机上接收器在接收三个信号量后实现其空间上的定位。利用空间散布面积较大的无线电信号，可让无人机实现快速的定位信号截获而进入定位程序。因为无线电波长较大且易受干扰，并不适用于超高精确定位的目的，这时便需要激光传感器进行第二阶段的精确调整。
B.激光引导高精度定位。由于激光直线传播的特点，为了简化设备，可以预先安置于所需要进行悬停的水平点位处，进行垂直高度的测距。考虑到无人机底部并非整块平面，存在高度差，这种情况下，如果仅采用单一的信号量提供高度信息，此高度信息必然会有偏差，并不能保证无人机中心位置的高度与之相符。而且在单一的信息量下，仅可以提供高度信息，无法二次限制无人机的水平位置。
考虑到该方面的不足，为了在无线电的基础上尽可能提高水平方向的精度，安排无人机上与地面两个激光传感器同时进行测距。地面激光器四周需平坦，而无人机底置的激光器四周也需要小块平面以提供测量精度。两台激光器将测量到的高度信号以无线电的形式发送到终端电脑，控制无人机进行姿态的微调，直到两信号量达到一致且符合预定值后，停止调整，保持无人机悬停的飞行状态。
安排两台激光器进行信号量对比的目的主要有两个：
（1）为了确保测量高度与无人机中心点位距离地面的高度量一致。由于所测高度量有地面距无人机底部高度与无人机中心点高度两方面，此种情况下即使由于粗定位的偏差，使地面激光器是通过与无人机底部非中心点处构成的预定高度值，这样机载激光器数值必然与预定值有偏差，不会结束定位过程，直至无人机中心点位距地面高度与预定值一致。
（2）为了提高二次定位精度，在高度基础上，进行水平修正。无人机底部设计是中心点处相对四周凸起，表面平滑，且凸起处嵌入机载激光器。这样当两高度量一致时，地面激光器采集的高度信息必然为地面相对于无人机底部凸起平面的距离。当地面激光器所测高度并非距无人机底部凸起平面距离时，必然会有两个高度量的不一致，也就是说，双激光器测距的设计，间接限制了无人机的水平位置。
当两信号量完全一致后，此刻无人机处于精确点位，完成悬停动作。如图2是该方式实现的示意图。
2.3.4 利用摩尔斯码对陆基台站的识别
考虑到在同一地区放置多个该种精确定位设备，无人机在返航阶段可能无法确定某一专属的定位设备。为解决该问题，可以尝试在装置粗定位阶段所用的无线电信号中加入摩尔斯码，每一架无人机设定识别相应装置的摩尔斯码，这样可以进一步提高多陆基台站情况下多无人机在返航阶段的自动化程度，从而实现在较小区域范围内进行高密度的多无人机起降控制。
2.3.5 激光充电技术
激光充电是美国的洛克希德·马丁公司与美国激光动力公司合作，测试成功的一种新型的充电方式。该技术初始研究阶段的目的便是希望实现无人机永久地滞留在空中。洛克希德·马丁公司与激光动力公司对一架美国特种部队使用的小型无人机Stalker进行改造，配备了激光充电系统，最后测试发现，该无人机的续航能力提高了2400%。
利用激光充电技术，在本方案中可以在无人机利用激光传感器进行第二阶段的高精度定位时发挥作用，在定位的同时为无人进进行电量的补充，从而提高无人机的续航能力。
3 不同方案的比较与分析
3.1 各定位方案的应用性能比较
从可适用的广泛性来讲，GPS定位>视觉系统定位>无线电引导，辅助激光定位。由于GPS信号的全球性，并且只需要接收四颗卫星信号便可以完成一个精度不错的定位，非常的方便。而视觉系统定位受光亮与地形特征的限制，就广泛性来讲，不如GPS定位。最后的无线电引导，辅助激光系统定位，相比于前两种来讲，广泛性最低，因为该方案仅仅适用于某一些特殊的工作任务中。
从各方案应对周围变化环境的灵活性来讲，视觉系统定位>GPS定位>无线电引导，辅助激光定位。视觉系统定位可以从采集的图像信息中读取出无人机相对于四周物体的方位，就对四周环境的反应灵活性来讲，是最高的。GPS定位仅对线路有一个认识，对四周环境无法感知，灵活性不高。无线电引导，辅助激光定位的灵活性最低，因为该方案局限于某一预定方位实行定位，并不可做出其它反应。
从战时可靠性来讲，无线电引导，辅助激光定位>视觉系统定位>GPS定位。考虑到战场环境的复杂性，多变性，无线电引导，辅助激光定位方案的可靠性最高，因为该方案是两种定位阶段的结合，稳定，可靠。视觉系统定位由于对环境的特征度有要求，考虑到战场炮火引发的烟雾环境可能会对其辨识度造成干扰，可靠性次之。GPS定位的可靠性最低，因为战时情况下，GPS卫星很可能被关闭，使得该方案失效。
3.2 各定位方案的应用场合
3.2.1 GPS定位
GPS信号的接收易受建筑物，树木的阻隔而被干扰，并且由于多路径效应，接收机会接收到经过建筑物或者水面等一系列反射面反射后的干扰信号，使得信号的路径变长了，伪距产生系统偏差，最后导致定位不准。由此可以分析出，当无人机的工作环境处于空旷无遮挡地带，并且四周水域不算多时，比如在广场，田地，沙漠等地区，GPS定位可以达到比较好的效果。
GPS定位的定位悬停方式适用于一些对悬停精度要求不是太高的工作任务，比如对电网情况巡视，监控等一些在相对空旷地区进行的任务。
3.2.2 视觉系统定位
由于视觉系统摆脱了需要接收GPS信号的束缚，可以在没有GPS信号的情况下通过与惯性传感器等部件的配合，保持无人机的稳定，所以使用该方案的无人机可以运用在一些环境特征明显的地区，如附近有河流，房屋等一些工作环境中。
最近提出的无人机送货物方式，顾客一般居住在小区之中，而小区之中房屋林立，对GPS信号的接收有影响，这种情况下，便比较适合运用视觉系统帮助定位。并且需要无人机在封闭空间内完成悬停监控的任务，也比较适合通过利用视觉系统来实现。
3.2.3 无线电引导，激光精确定位
根据该方案高精度，但工作位置固定的特点，比较适合用作无人机在执行任务前或者执行完任务后的方位待命工作。
比如说现在尝试的利用无人机完成农药喷洒任务的设想，实际应用时，考虑到效率问题，一片田会用到多架无人机同时工作，那么在工作完成后，无人机的回收工作便出现在了面前。如果进行人为的一架架进行手动遥控回收便会大大增加工作的繁琐度。此时在固定点位布置激光传感器，采用无线电引导，激光定点的方案使无人机定位悬停达到回收的目的，便可以大大的提高任务的自动化程度，提高工作效率。并且由于该构想方案定位精确的特点，可以避免无人机在回收过程中在空中发生碰撞的事故风险。
甚至在作战时期，对数架出外执行任务的无人机进行回收工作时，同样可利用无线电引导，激光定点的方案提高战时效率与作战秩序，并且结合在悬停状态下的激光充电能力，可以增加无人机的续航能力。如表1是对各定位方式的总结。
4 总结与展望
本文所归纳的三种定位方案，各有特征点，可以满足不同工作环境的需求。未来继续对无人机定位方面工作的研究，可以从如下的几个方面进行。
（1）所运用的视觉系统，运用摄像机采集图像信息，而摄像机有限的测量范围，当无人机飞行超过一定高度时，便不能测算高度信息，要进一步研究视觉系统的工作高度，探究与气压传感器测高的结合方法。
（2）提高控制算法下，无人机的响应速度，以进一步增加无人机响应的及时性。
对本文作者所构想的一种运用无线电加激光定点的高精度悬停定位方案，在今后的工作中，可以从以下的几个方面展开，对该方案进一步补充和完善。
（1）为解决同一地点多无人机悬停时，对地面装置的识别问题，未来的工作中可以尝试在粗定位阶段的无线电信号中，加入摩尔斯码，实现无人机与相应的地面装置的匹配。
（2）当今无人机在执行任务中，能耗是必须考虑的问题之一。为提高无人机的续航问题，在本方案第二阶段激光引导高精度定位中，可以考虑加入激光充电功能，使得无人机即使在悬停时，也可以得到能耗补充，短时间得以重新投入新工作中。
（3）本文构想方案如今最大的不足是需要提前安置地面设备，这样设备安置问题会造成对工作地点的限制。为解决该不足，在未来的研究工作中，可以从两方面考虑，一是考虑与其他定位方案的结合作业，比如GPS+本方案，视觉系统+本方案等等，二是考虑工作环境，将本方案拆分作业，如单无线电方式或者单激光方式。在一些空间广阔，且对无人机悬停精度并不是很高的工作中，可以单纯使用无线电方案，而在深井等一些狭小区域的无人机悬停，则可以省略无线电粗定位阶段，单纯使用激光方案。
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