近年來，消費類無人機越來越受歡迎，用于拍攝震撼的的片段、運送救援物資，甚至用于競賽。大多數(shù)無人機使用各種傳感技術(shù)實現(xiàn)自主導(dǎo)航、碰撞檢測和許多其他功能。超聲波傳感尤其有助于無人機著陸、懸停和地面跟蹤。

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(qū)域的距離，判定著陸點是否安全，然后緩慢下降到著陸區(qū)域。盡管GPS監(jiān)測、氣壓傳感和其他傳感技術(shù)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(zhǔn)確的判斷依據(jù)。大多數(shù)無人機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人機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人機應(yīng)用的原因。

超聲波原理

超聲波的定義是使用高于人類聽力上限頻率的聲波 —— 見圖1。

圖1：超聲波范圍

超聲波可以穿過各種介質(zhì)（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(zhì)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(yīng)用一樣，無人機著陸輔助系統(tǒng)使用飛行時間（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間估計，如圖2所示。

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(fā)出聲波，在返回信號處理路徑上表示為飽和數(shù)據(jù)。發(fā)送后，信號處理路徑變?yōu)殪o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(zhì)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(yīng)用于無人機著陸？

雖然眾多的傳感技術(shù)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(shè)信號調(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范圍。

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

為了在振鈴期間有效地測量物體，許多無人機設(shè)計者為發(fā)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(fā)射器的激勵期間檢測物體。因此PGA460具有優(yōu)越的近場檢測性能——低至5cm或更少。

超聲波傳感技術(shù)也是一項具有成本競爭力的技術(shù)，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(qū)動傳感器，也可以使用變壓器驅(qū)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(diào)節(jié)超聲回波的完整模擬前端。此外，該器件還可以通過數(shù)字信號處理來計算ToF（見圖4）。

圖4：PGA460功能框圖

最后，超聲波傳感可以檢測其他技術(shù)難以解決的的表面。例如，無人機經(jīng)常會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(shè)計人員探索該技術(shù)的其他應(yīng)用。快速發(fā)展的無人機領(lǐng)域潛力巨大。