超聲波原理分析以及在汽車(chē)及無(wú)人機(jī)上的應(yīng)用

超聲波原理

超聲波的定義是使用高于人類(lèi)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。

第一部分：用于汽車(chē)應(yīng)用

多年以來(lái)，超聲波感應(yīng)器在乘用車(chē)上應(yīng)用廣泛如超聲波停車(chē)輔助可幫助車(chē)輛在低速停車(chē)時(shí)檢測(cè)周?chē)矬w。此外，踢腳開(kāi)啟后備箱和入侵檢測(cè)報(bào)警則是超聲波傳感器的兩個(gè)新興應(yīng)用。如圖1所示。本文將為您詳細(xì)解釋這三種應(yīng)用為何以及如何使用超聲波感應(yīng)器。

圖1：用于乘用車(chē)中的超聲波感應(yīng)器

超聲波停車(chē)輔助系統(tǒng)

超聲波停車(chē)輔助也被稱(chēng)為停車(chē)輔助系統(tǒng)、停車(chē)引導(dǎo)系統(tǒng)和倒車(chē)輔助。這些系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)從簡(jiǎn)單地檢測(cè)周?chē)矬w并通過(guò)聲音警示駕駛員，到幾乎沒(méi)有人為操作的自動(dòng)停車(chē)。通常，這些系統(tǒng)擁有4-16個(gè)感應(yīng)器，巧妙地圍繞車(chē)身安裝，以提供所需的檢測(cè)覆蓋，如圖2所示。

圖2：使用PGA460-Q1的超聲波停車(chē)輔助星型配置

設(shè)計(jì)這些類(lèi)型應(yīng)用的工程師應(yīng)尋求驅(qū)動(dòng)超聲波傳感器（發(fā)射器）的集成電路，同時(shí)接收、調(diào)節(jié)和處理確定物體與車(chē)輛距離的超聲回波。例如，PGA460-Q1能夠可靠地檢測(cè)距離最遠(yuǎn)為5米的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織（ISO）桿（用于超聲波停車(chē)輔助的聚氯乙烯（PVC）管作為性能標(biāo)準(zhǔn)）。該器件還通過(guò)了嚴(yán)格的靜電放電（ESD）和大電流注入（BCI）測(cè)試，即在進(jìn)行超聲波停車(chē)輔助系統(tǒng)開(kāi)發(fā)時(shí)的常規(guī)測(cè)試。

由于原始設(shè)備制造商（OEMs）面臨每輛車(chē)需要增加超聲波感應(yīng)器數(shù)量的需求，超聲波停車(chē)輔助的成本壓力將在未來(lái)數(shù)年持續(xù)增加。而PGA460-Q1則能夠?yàn)楦弋a(chǎn)量的一級(jí)供應(yīng)商提供具有競(jìng)爭(zhēng)力的成本結(jié)構(gòu)。

超聲波停車(chē)輔助模塊的常見(jiàn)要求，包括：

? 從30厘米到5米的物體檢測(cè)的能力。

? 時(shí)間指令接口（TCI）或者從模塊連接到局部電子控制單元或直接連接到車(chē)身控制模塊（BCM）（總線配置）的局域互連網(wǎng)絡(luò)（LIN）通信。

為滿(mǎn)足自動(dòng)駕駛汽車(chē)的需求，短距離和長(zhǎng)距離物體檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)將變得更加嚴(yán)格。從2025年開(kāi)始，超聲波模塊將必須能夠檢測(cè)距離在10厘米到7米的物體。半導(dǎo)體供應(yīng)商在模擬前端（AFE）敏感度和驅(qū)動(dòng)方法的改進(jìn)對(duì)于滿(mǎn)足這些檢測(cè)距離的要求至關(guān)重要。

TCI和LIN是當(dāng)今超聲波停車(chē)輔助系統(tǒng)中最常見(jiàn)的兩種通信接口。然而，隨著汽車(chē)高級(jí)駕駛輔助系統(tǒng)（ADAS）視覺(jué)處理能力的提高，預(yù)計(jì)外圍感應(yīng)器接口（PSI）5、分布式系統(tǒng)接口（DSI）3或控制器局域網(wǎng)（CAN）等更高速協(xié)議將被應(yīng)用來(lái)傳送大量的超聲回波數(shù)據(jù)。

踢腳開(kāi)啟后備箱

踢腳開(kāi)啟后備箱也稱(chēng)為智能后備箱開(kāi)啟系統(tǒng)。該功能使車(chē)主將腳放在后保險(xiǎn)杠下方，無(wú)需使用雙手，僅需踢腳動(dòng)作就能打開(kāi)汽車(chē)后備箱，如圖3所示。

圖3：踢腳開(kāi)啟后備箱

傳統(tǒng)的踢腳開(kāi)啟后備箱系統(tǒng)使用位于保險(xiǎn)杠底部的電容式感應(yīng)條。但許多汽車(chē)一級(jí)供應(yīng)商正在探索使用超聲波感應(yīng)技術(shù)在這一應(yīng)用上，一些系統(tǒng)已經(jīng)批量生產(chǎn)。與電容式感應(yīng)相比，超聲波感應(yīng)的優(yōu)勢(shì)是在污垢和水等環(huán)境因素影響下的可靠性和堅(jiān)固性，電容式感應(yīng)對(duì)環(huán)境因素非常敏感，如果車(chē)身被弄臟，該功能可能就無(wú)法正常使用。

針對(duì)踢腳開(kāi)啟系統(tǒng)的超聲波解決方案常見(jiàn)要求包括：

• 從15厘米到1米處檢測(cè)物體的能力

• 低靜態(tài)電流

• 在12V汽車(chē)電池供電下正常工作

讓我們逐一介紹這些要求。

距離15厘米到1米的物體檢測(cè)

使用超聲波感應(yīng)技術(shù)于踢腳開(kāi)啟后備箱的挑戰(zhàn)之一是近距離檢測(cè)范圍。超聲波感應(yīng)器精確檢測(cè)近場(chǎng)物體的能力取決于感應(yīng)器的質(zhì)量和傳感器的規(guī)格、驅(qū)動(dòng)方法和設(shè)計(jì)以及接收路徑（AFE和數(shù)字處理）的性能。

高品質(zhì)的傳感器，如Murata的MA58MF14-7N，在傳感器激發(fā)階段具有更穩(wěn)定可靠的衰減或“振鈴”。通過(guò)選擇高品質(zhì)的傳感器，可以減少衰減的時(shí)間長(zhǎng)度，更準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)衰減的穩(wěn)定性。

傳感器驅(qū)動(dòng)器的方法和設(shè)計(jì)將顯著影響超聲波衰減周期和曲線。在需要近場(chǎng)性能的踢腳開(kāi)啟后備箱應(yīng)用中，TI建議使用變壓器驅(qū)動(dòng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。圖4是使用PGA460-Q1的變壓器驅(qū)動(dòng)原理圖示例。

圖4：PGA460-Q1變壓器驅(qū)動(dòng)原理圖

當(dāng)使用變壓器增加電源電壓激活傳感器時(shí)，衰減曲線更加穩(wěn)定可測(cè)，使得近距離物體檢測(cè)性能更優(yōu)。

最后，AFE和數(shù)字處理的性能也會(huì)影響近距離和遠(yuǎn)距離的物體檢測(cè)。例如，PGA460-Q1具有低噪聲放大器，配有可編程時(shí)變?cè)鲆婕?jí)，嵌入12位逐次逼近寄存器模數(shù)轉(zhuǎn)換器。低噪聲放大器可以減少接收信號(hào)的噪聲，并且可編程增益放大器的時(shí)變?cè)鲆嫣匦钥梢詫?shí)現(xiàn)對(duì)近場(chǎng)物體應(yīng)用較小增益和對(duì)遠(yuǎn)場(chǎng)物體檢測(cè)應(yīng)用較大增益。您可以將寄存器中的增益曲線設(shè)置存儲(chǔ)在電可擦除可編程只讀存儲(chǔ)器（EEPROM）中。

低靜態(tài)電流

由于踢腳開(kāi)啟超聲波感應(yīng)器必須在汽車(chē)熄火的情況下運(yùn)行，所以系統(tǒng)靜態(tài)電流很重要，是OEM很關(guān)注的性能。PGA460-Q1具有?500μA電流消耗的睡眠模式，可以間歇地使用該模式，使整個(gè)系統(tǒng)的電流消耗達(dá)到必要水平。

在12V汽車(chē)電池供電下正常工作

PGA460-Q1器件用于從6V至28V的輸入電壓范圍工作。在踢腳開(kāi)啟后備箱應(yīng)用中，PGA460-Q1器件直接連接到汽車(chē)電池。適當(dāng)?shù)耐獠拷M件保護(hù)措施，例如瞬態(tài)電壓抑制（TVS）二極管有助于保護(hù)器件免受電池瞬態(tài)和反向電池電流的影響。

入侵檢測(cè)報(bào)警

在歐洲，入侵檢測(cè)報(bào)警是消費(fèi)者在購(gòu)車(chē)時(shí)的可選設(shè)備或在購(gòu)車(chē)后安裝。當(dāng)汽車(chē)熄火和停靠時(shí)，這些報(bào)警器將使用超聲波感應(yīng)器來(lái)檢測(cè)車(chē)內(nèi)的任何移動(dòng)。該報(bào)警用作主報(bào)警系統(tǒng)的后備系統(tǒng)，如果兒童或?qū)櫸镌谲?chē)內(nèi)移動(dòng)，也會(huì)發(fā)出報(bào)警。根據(jù)由于已經(jīng)有附加的防盜和安全保障，消費(fèi)者時(shí)常會(huì)因其車(chē)輛擁有這項(xiàng)功能而獲得保險(xiǎn)折扣。

大多數(shù)系統(tǒng)使用一到兩個(gè)超聲波發(fā)射器和一到兩個(gè)接收器。超聲波感應(yīng)器如PGA460-Q1可以驅(qū)動(dòng)和接收一個(gè)發(fā)射器和一個(gè)接收器，因此可能需要一到兩個(gè)PGA460-Q1器件。

總結(jié)

盡管這三種應(yīng)用場(chǎng)景是最常使用超聲波感應(yīng)器，一級(jí)供應(yīng)商和原始設(shè)備制造商還在開(kāi)發(fā)鷗翼車(chē)門(mén)，盲點(diǎn)偵測(cè)系統(tǒng)以及前向主動(dòng)避撞系統(tǒng)等附加應(yīng)用。你還了解其他使用超聲波感應(yīng)器的汽車(chē)應(yīng)用嗎？請(qǐng)?jiān)谙路皆u(píng)論。

第二部分：用于無(wú)人機(jī)應(yīng)用

近年來(lái)，消費(fèi)類(lèi)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。第1部分討論了如何將超聲波傳感器與汽車(chē)應(yīng)用相結(jié)合。接下來(lái)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?？梢詽M(mǎn)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(chēng)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?xún)r(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。