為什么要將超聲波傳感器用于無(wú)人機(jī)設(shè)計(jì)？

近年來(lái)，消費(fèi)類無(wú)人機(jī)越來(lái)越受歡迎，用于拍攝震撼的的片段、運(yùn)送救援物資，甚至用于競(jìng)賽。大多數(shù)無(wú)人機(jī)使用各種傳感技術(shù)實(shí)現(xiàn)自主導(dǎo)航、碰撞檢測(cè)和許多其他功能。超聲波傳感尤其有助于無(wú)人機(jī)著陸、懸停和地面跟蹤。

無(wú)人機(jī)降落輔助是無(wú)人機(jī)所具有的一項(xiàng)功能，可以檢測(cè)無(wú)人機(jī)底部與著陸區(qū)域的距離，判定著陸點(diǎn)是否安全，然后緩慢下降到著陸區(qū)域。盡管GPS監(jiān)測(cè)、氣壓傳感和其他傳感技術(shù)有助于著陸過(guò)程，但在這個(gè)過(guò)程中，超聲波傳感是無(wú)人機(jī)的主要和最準(zhǔn)確的判斷依據(jù)。大多數(shù)無(wú)人機(jī)中還有懸停和地面跟蹤模式，主要用于捕捉連續(xù)鏡頭和陸地導(dǎo)航，其中超聲波傳感器有助于將無(wú)人機(jī)保持在高于地面的恒定高度。本文將探討超聲波傳感可用于無(wú)人機(jī)應(yīng)用的原因。

超聲波原理

超聲波的定義是使用高于人類聽(tīng)力上限頻率的聲波 —— 見(jiàn)圖1。

圖1：超聲波范圍

超聲波可以穿過(guò)各種介質(zhì)（氣體、液體、固體）來(lái)檢測(cè)聲阻抗不匹配的物體。聲速是聲波在彈性介質(zhì)中傳播時(shí)每單位時(shí)間的距離。例如，在20°C (68°F)的干燥空氣中，聲速為343米每秒（1,125英尺每秒）?？諝庵械某暡ㄋp隨著頻率和濕度的增加而增加。因此，由于過(guò)度的路徑損耗/吸收，空氣耦合超聲波通常被限制在500kHz以下的頻率。

超聲波ToF

與許多超聲波傳感應(yīng)用一樣，無(wú)人機(jī)著陸輔助系統(tǒng)使用飛行時(shí)間（ToF）原理。ToF是從傳感器發(fā)射到目標(biāo)物體，然后從物體反射回傳感器的超聲波的往返時(shí)間估計(jì)，如圖2所示。

圖2：用于無(wú)人機(jī)著陸的超聲波ToF示意圖

在圖2和圖3中的點(diǎn)1，無(wú)人機(jī)的超聲波傳感器發(fā)出聲波，在返回信號(hào)處理路徑上表示為飽和數(shù)據(jù)。發(fā)送后，信號(hào)處理路徑變?yōu)殪o音（點(diǎn)2），直到回波從物體反射回來(lái)（點(diǎn)3）為止。

圖3：超聲波ToF的相位

公式1計(jì)算從無(wú)人機(jī)到地面或從無(wú)人機(jī)到另一個(gè)物體的距離：

距離（d）是從無(wú)人機(jī)上的超聲波傳感器到地面/物體的距離，ToF（t）是前面定義的ToF，而SpeedOfSound（v）是通過(guò)介質(zhì)的聲速。ToF（t）×SpeedOfSound（v）除以2，因?yàn)門(mén)oF計(jì)算超聲回波往返物體的時(shí)間。

為什么要將超聲波感應(yīng)用于無(wú)人機(jī)著陸？

雖然眾多的傳感技術(shù)可以檢測(cè)物體的接近程度，但是超聲波傳感可在無(wú)人機(jī)著陸時(shí)的探測(cè)距離、方案成本以及不同表面的可靠性方面良好運(yùn)行。

無(wú)人機(jī)地面跟蹤和著陸的共同要求是能夠可靠地檢測(cè)到距離地面5米高的距離。假設(shè)信號(hào)調(diào)節(jié)和處理正確，40-60kHz范圍內(nèi)的超聲波傳感器通常可以滿足這個(gè)范圍。

德州儀器的PGA460是超聲波信號(hào)處理器和傳感器驅(qū)動(dòng)器，用于無(wú)人機(jī)等空氣耦合應(yīng)用中的超聲波傳感，可達(dá)到或超過(guò)5米的要求。然而，超聲波傳感的協(xié)調(diào)是物體近場(chǎng)檢測(cè)中的限制。所有用于空氣耦合應(yīng)用的超聲波傳感器都有一段激勵(lì)期，稱為衰減時(shí)間或振蕩時(shí)間，在這個(gè)時(shí)間內(nèi)，壓電薄膜振動(dòng)并發(fā)出超聲波能量，難以檢測(cè)到任何進(jìn)入的回波。

為了在振鈴期間有效地測(cè)量物體，許多無(wú)人機(jī)設(shè)計(jì)者為發(fā)射機(jī)和接收機(jī)安裝單獨(dú)的傳感器。通過(guò)分離接收器，無(wú)人機(jī)可以在發(fā)射器的激勵(lì)期間檢測(cè)物體。因此PGA460具有優(yōu)越的近場(chǎng)檢測(cè)性能——低至5cm或更少。

超聲波傳感技術(shù)也是一項(xiàng)具有成本競(jìng)爭(zhēng)力的技術(shù)，特別是在使用PGA460等集成解決方案時(shí)，其中已包括大部分所需的芯片。PGA460既可以使用半橋或H橋直接驅(qū)動(dòng)傳感器，也可以使用變壓器驅(qū)動(dòng)傳感器；后者主要用于密封的的“密閉”傳感器。PGA460還包括用于接收和調(diào)節(jié)超聲回波的完整模擬前端。此外，該器件還可以通過(guò)數(shù)字信號(hào)處理來(lái)計(jì)算ToF（見(jiàn)圖4）。

圖4：PGA460功能框圖

最后，超聲波傳感可以檢測(cè)其他技術(shù)難以解決的的表面。例如，無(wú)人機(jī)經(jīng)常會(huì)遇到建筑物上的玻璃窗和其他玻璃表面。光傳感技術(shù)有時(shí)會(huì)穿過(guò)玻璃和其他透明材料，這對(duì)無(wú)人機(jī)懸停在玻璃建筑物上造成困難。超聲波則能夠可靠地反射出玻璃表面。

雖然超聲波傳感主要用于無(wú)人機(jī)著陸輔助和懸停，但其強(qiáng)大的性價(jià)比正促使無(wú)人機(jī)設(shè)計(jì)人員探索該技術(shù)的其他應(yīng)用?？焖侔l(fā)展的無(wú)人機(jī)領(lǐng)域潛力巨大。