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詳解:無人機中超聲波原理

發布日期:2018-05-27我要投稿我要評論

  近年來,消費類無人機越來越受歡迎,多用于拍攝震撼的片段、運送救援物資,多數無人機使用各種傳感技術實現自主導航、碰撞檢測。而你又是否知道,超聲波傳感尤其有助于無人機著陸、懸停、地面跟蹤。

  無人機降落輔助是無人機所具有的一項功能,可以檢測無人機底部與著陸區域的距離,判定著陸點是否安全,然后緩慢下降到著陸區域。 盡管GPS監測、氣壓傳感和其他傳感技術有助于著陸過程,但在這個過程中,超聲波傳感是無人機的主要和最準確的判斷依據。大多數無人機中還有懸停地面跟蹤模式 ,主要用于捕捉連續鏡頭陸地導航 ,其中超聲波傳感器有助于將無人機保持在高于地面的恒定高度。

  超聲波原理

  超聲波的定義是使用高于人類聽力上限頻率的聲波 —— 見圖1。

無人機中超聲波原理

圖1:超聲波范圍

  超聲波可以穿過各種介質(氣體、液體、固體)來檢測聲阻抗不匹配的物體。 聲速是聲波在彈性介質中傳播時每單位時間的距離。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)。空氣中的超聲波衰減隨著頻率和濕度的增加而增加。 因此,由于過度的路徑損耗/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用一樣,無人機著陸輔助系統使用飛行時間(ToF)原理 。ToF是從傳感器發射到目標物體,然后從物體反射回傳感器的超聲波的往返時間估計,如圖2。

圖2:用于無人機著陸的超聲波ToF示意圖

  在圖2和圖3中的點1,無人機的超聲波傳感器發出聲波,在返回信號處理路徑上表示為飽和數據。發送后,信號處理路徑變為靜音(點2),直到回波從物體反射回來(點3)為止。

圖3:超聲波ToF的相位

公式1計算從無人機到地面或從無人機到另一個物體的距離:

  距離(d)是從無人機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)是通過介質的聲速。ToF(t)×SpeedOfSound(v)除以2,因為ToF計算超聲回波往返物體的時間。

  為什么要將超聲波感應用于無人機著陸?

  雖然眾多的傳感技術可以檢測物體的接近程度,但是超聲波傳感可在無人機著陸時的探測距離、方案成本以及不同表面的可靠性方面良好運行

  無人機地面跟蹤和著陸的共同要求是能夠可靠地檢測到距離地面5米高的距離。 假設信號調節和處理正確,40-60kHz范圍內的超聲波傳感器通常可以滿足這個范圍。

  德州儀器的PGA460 是超聲波信號處理器和傳感器驅動器,用于無人機等空氣耦合應用中的超聲波傳感,可達到或超過5米的要求。然而,超聲波傳感的協調是物體近場檢測中的限制。所有用于空氣耦合應用的超聲波傳感器都有一段激勵期,稱為衰減時間或振蕩時間,在這個時間內,壓電薄膜振動并發出超聲波能量,難以檢測到任何進入的回波。

  為了在振鈴期間有效地測量物體,許多無人機設計者為發射機和接收機安裝單獨的傳感器。通過分離接收器,無人機可以在發射器的激勵期間檢測物體。因此PGA460 具有優越的近場檢測性能——低至5cm或更少。

  超聲波傳感技術也是一項具有成本競爭力的技術,特別是在使用PGA460 等集成解決方案時,其中已包括大部分所需的芯片。PGA460 既可以使用半橋或H橋直接驅動傳感器,也可以使用變壓器驅動傳感器;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節超聲回波的完整模擬前端。此外,該器件還可以通過數字信號處理來計算ToF(見圖4)。

圖4:PGA460 功能框圖

  超聲波傳感可以檢測其他技術難以解決的的表面 。例如,無人機經常會遇到建筑物上的玻璃窗和其他玻璃表面。光傳感技術有時會穿過玻璃和其他透明材料,這對無人機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人機著陸輔助和懸停,但其強大的性價比正促使無人機設計人員探索該技術的其他應用 。快速發展的無人機領域潛力巨大。

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