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超声波感应器会被用于何处？—— 第二部分

由 cathy 提交于

<p><span>近年来，消费类无人机越来越受欢迎，用于拍摄震撼的的片段、运送救援物资，甚至用于竞赛。大多数无人机使用各种传感技术实现自主导航、碰撞检测和许多其他功能。超声波传感尤其有助于无人机着陆、悬停和地面跟踪。</span></p>

<p><span>无人机降落辅助是无人机所具有的一项功能，可以检测无人机底部与着陆区域的距离，判定着陆点是否安全，然后缓慢下降到着陆区域。尽管</span><span>GPS</span><span>监测、气压传感和其他传感技术有助于着陆过程，但在这个过程中，超声波传感是无人机的主要和最准确的判断依据。大多数无人机中还有悬停和地面跟踪模式，主要用于捕捉连续镜头和陆地导航，其中超声波传感器有助于将无人机保持在高于地面的恒定高度。</span><span lang="EN-US"><a href="http://e2e.ti.com/blogs_/b/analogwire/archive/2017/06/29/where-are-ultr… lang="EN-US"><span lang="EN-US">本博文系列的第1</span></span><span lang="EN-US"><span lang="EN-US">部分</span></span></a></span><span>讨论了如何将超声波传感器与汽车应用相结合。本博文将探讨超声波传感可用于无人机应用的原因。</span></p>

<h4><strong><span>超声波原理</span></strong></h4>

<p><span>超声波的定义是使用高于人类听力上限频率的声波</span><span> </span><span>——</span><span> </span><span>见图</span><span lang="EN-US">1</span><span>。</span></p>

<center><img src="http://mouser.eetrend.com/files/2017-12/wen_zhang_/100009355-31601-l1.p…; alt=“图1：超声波范围” width="600"></center><center><i>图1：超声波范围</i></center>

<p><span>超声波可以穿过各种介质（气体、液体、固体）来检测声阻抗不匹配的物体。声速是声波在弹性介质中传播时每单位时间的距离。例如，在</span><span lang="EN-US">20</span><span lang="EN-US">°</span><span lang="EN-US">C (68</span><span lang="EN-US">°</span><span lang="EN-US">F)</span><span>的干燥空气中，声速为</span><span>343</span><span>米每秒（</span><span>1,125</span><span>英尺每秒）。空气中的超声波衰减随着频率和湿度的增加而增加。因此，由于过度的路径损耗</span><span>/</span><span>吸收，空气耦合超声波通常被限制在</span><span>500kHz</span><span>以下的频率。</span></p>

<h4><strong><span>超声波</span></strong><strong><span lang="EN-US">ToF</span></strong></h4>

<p><span>与许多超声波传感应用一样，无人机着陆辅助系统使用飞行时间（</span><span lang="EN-US">ToF</span><span>）原理。</span><span lang="EN-US">ToF</span><span>是从传感器发射到目标物体，然后从物体反射回传感器的超声波的往返时间估计，如图</span><span lang="EN-US">2</span><span>所示。</span></p>

<center><img src="http://mouser.eetrend.com/files/2017-12/wen_zhang_/100009355-31602-l2.p…; alt=“图2：用于无人机着陆的超声波ToF示意图” width="600"></center><center><i>图2：用于无人机着陆的超声波ToF示意图</i></center>

<p><span>在图</span><span lang="EN-US">2</span><span>和图</span><span lang="EN-US">3</span><span>中的点</span><span lang="EN-US">1</span><span>，无人机的超声波传感器发出声波，在返回信号处理路径上表示为饱和数据。发送后，信号处理路径变为静音（点</span><span lang="EN-US">2</span><span>），直到回波从物体反射回来（点</span><span lang="EN-US">3</span><span>）为止。</span><span> </span></p>

<center><img src="http://mouser.eetrend.com/files/2017-12/wen_zhang_/100009355-31603-l3.p…; alt=“图3：超声波ToF的相位” width="600"></center><center><i>图3：超声波ToF的相位</i></center>
<center><img src="http://mouser.eetrend.com/files/2017-12/wen_zhang_/100009355-31604-l4.p…; alt=“” width="600"></center>

<p><span>公式</span><span lang="EN-US">1</span><span>计算从无人机到地面或从无人机到另一个物体的距离：</span></p>

<p><span>距离（</span><span lang="EN-US">d</span><span>）是从无人机上的超声波传感器到地面</span><span lang="EN-US">/</span><span>物体的距离，</span><span lang="EN-US">ToF</span><span>（</span><span lang="EN-US">t</span><span>）是前面定义的</span><span lang="EN-US">ToF</span><span>，而</span><span lang="EN-US">SpeedOfSound</span><span>（</span><span lang="EN-US">v</span><span>）是通过介质的声速。</span><span lang="EN-US">ToF</span><span>（</span><span lang="EN-US">t</span><span>）×</span><span lang="EN-US">SpeedOfSound</span><span>（</span><span lang="EN-US">v</span><span>）</span> 除以2，因为ToF计算超声回波往返物体的时间。</p>

<h4><strong><span>为什么要将超声波感应用于无人机着陆？</span></strong></h4>

<p><span>虽然众多的传感技术可以检测物体的接近程度，但是超声波传感可在无人机着陆时的探测距离、方案成本以及不同表面的可靠性方面良好运行。</span></p>

<p><span>无人机地面跟踪和着陆的共同要求是能够可靠地检测到距离地面</span><span lang="EN-US">5</span><span>米高的距离。假设信号调节和处理正确，</span><span lang="EN-US">40-60kHz</span><span>范围内的超声波传感器通常可以满足这个范围。</span></p>

<p><span>德州仪器的</span><span lang="EN-US"><a href="http://www.ti.com.cn/product/cn/PGA460/description?HQS=asc-sensing-null…;是超声波信号处理器和传感器驱动器，用于无人机等空气耦合应用中的超声波传感，可达到或超过</span><span>5</span><span>米的要求。然而，超声波传感的协调是物体近场检测中的限制。所有用于空气耦合应用的超声波传感器都有一段激励期，称为衰减时间或振荡时间，在这个时间内，压电薄膜振动并发出超声波能量，难以检测到任何进入的回波。</span></p>

<p><span>为了在振铃期间有效地测量物体，许多无人机设计者为发射机和接收机安装</span><span>单独的传感器。通过分离接收器，无人机可以在发射器的激励期间检测物体。因此</span><span lang="EN-US"><a href="http://www.ti.com.cn/product/cn/PGA460/description?HQS=asc-sensing-null…;具有优越的近场检测性能——低至</span><span>5cm</span><span>或更少。</span></p>

<p><span>超声波传感技术也是一项具有成本竞争力的技术，特别是在使用</span><span lang="EN-US"><a href="http://www.ti.com.cn/product/cn/PGA460/description?HQS=asc-sensing-null…;等集成解决方案时，其中已包括大部分所需的芯片。</span><span lang="EN-US"><a href="http://www.ti.com.cn/product/cn/PGA460/description?HQS=asc-sensing-null…;既可以使用半桥或</span><span>H</span><span>桥直接驱动传感器，也可以使用变压器驱动传感器；后者主要用于密封的的“密闭”传感器。</span><span lang="EN-US"><a href="http://www.ti.com.cn/product/cn/PGA460/description?HQS=asc-sensing-null…;还包括用于接收和调节超声回波的完整模拟前端。此外，该器件还可以通过数字信号处理来计算</span><span>ToF</span><span>（见图</span><span>4</span><span>）。</span></p>

<center><img src="http://mouser.eetrend.com/files/2017-12/wen_zhang_/100009355-31605-l5.p…; alt=“图4：PGA460功能框图” width="600"></center><center><i>图4：PGA460功能框图</i></center>

<p><span>最后，超声波传感可以检测其他技术难以解决的的表面。例如，无人机经常会遇到建筑物上的玻璃窗和其他玻璃表面。光传感技术有时会穿过玻璃和其他透明材料，这对无人机悬停在玻璃建筑物上造成困难。超声波则能够可靠地反射出玻璃表面。</span></p>

<p><span>虽然超声波传感主要用于无人机着陆辅助和悬停，但其强大的性价比正促使无人机设计人员探索该技术的其他应用。快速发展的无人机领域潜力巨大。</span></p>

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