超声波原理分析以及在汽车及无人机上的应用

超声波原理

超声波的定义是使用高于人类听力上限频率的声波 —— 见图1。

图1：超声波范围

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20°C (68°F)的干燥空气中，声速为343米每秒（1,125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/吸收，空气耦合超声波通常被限制在500kHz以下的频率。

第一部分：用于汽车应用

多年以来，超声波感应器在乘用车上应用广泛如超声波停车辅助可帮助车辆在低速停车时检测周围物体。此外，踢脚开启后备箱和入侵检测报警则是超声波传感器的两个新兴应用。如图1所示。本文将为您详细解释这三种应用为何以及如何使用超声波感应器。

图1：用于乘用车中的超声波感应器

超声波停车辅助系统

超声波停车辅助也被称为停车辅助系统、停车引导系统和倒车辅助。这些系统可实现从简单地检测周围物体并通过声音警示驾驶员，到几乎没有人为操作的自动停车。通常，这些系统拥有4-16个感应器，巧妙地围绕车身安装，以提供所需的检测覆盖，如图2所示。

图2：使用PGA460-Q1的超声波停车辅助星型配置

设计这些类型应用的工程师应寻求驱动超声波传感器（发射器）的集成电路，同时接收、调节和处理确定物体与车辆距离的超声回波。例如，PGA460-Q1能够可靠地检测距离最远为5米的国际标准化组织（ISO）杆（用于超声波停车辅助的聚氯乙烯（PVC）管作为性能标准）。该器件还通过了严格的静电放电（ESD）和大电流注入（BCI）测试，即在进行超声波停车辅助系统开发时的常规测试。

由于原始设备制造商（OEMs）面临每辆车需要增加超声波感应器数量的需求，超声波停车辅助的成本压力将在未来数年持续增加。而PGA460-Q1则能够为高产量的一级供应商提供具有竞争力的成本结构。

超声波停车辅助模块的常见要求，包括：

Ÿ   从30厘米到5米的物体检测的能力。

Ÿ   时间指令接口（TCI）或者从模块连接到局部电子控制单元或直接连接到车身控制模块（BCM）（总线配置）的局域互连网络（LIN）通信。

为满足自动驾驶汽车的需求，短距离和长距离物体检测标准将变得更加严格。从2025年开始，超声波模块将必须能够检测距离在10厘米到7米的物体。半导体供应商在模拟前端（AFE）敏感度和驱动方法的改进对于满足这些检测距离的要求至关重要。

TCI和LIN是当今超声波停车辅助系统中最常见的两种通信接口。然而，随着汽车高级驾驶辅助系统（ADAS）视觉处理能力的提高，预计外围感应器接口（PSI）5、分布式系统接口（DSI）3或控制器局域网（CAN）等更高速协议将被应用来传送大量的超声回波数据。

踢脚开启后备箱

踢脚开启后备箱也称为智能后备箱开启系统。该功能使车主将脚放在后保险杠下方，无需使用双手，仅需踢脚动作就能打开汽车后备箱，如图3所示。

图3：踢脚开启后备箱

传统的踢脚开启后备箱系统使用位于保险杠底部的电容式感应条。但许多汽车一级供应商正在探索使用超声波感应技术在这一应用上，一些系统已经批量生产。与电容式感应相比，超声波感应的优势是在污垢和水等环境因素影响下的可靠性和坚固性，电容式感应对环境因素非常敏感，如果车身被弄脏，该功能可能就无法正常使用。

针对踢脚开启系统的超声波解决方案常见要求包括：

• 从15厘米到1米处检测物体的能力

• 低静态电流

• 在12V汽车电池供电下正常工作

让我们逐一介绍这些要求。

距离15厘米到1米的物体检测

使用超声波感应技术于踢脚开启后备箱的挑战之一是近距离检测范围。超声波感应器精确检测近场物体的能力取决于感应器的质量和传感器的规格、驱动方法和设计以及接收路径（AFE和数字处理）的性能。

高品质的传感器，如Murata的MA58MF14-7N，在传感器激发阶段具有更稳定可靠的衰减或“振铃”。通过选择高品质的传感器，可以减少衰减的时间长度，更准确地预测衰减的稳定性。

传感器驱动器的方法和设计将显著影响超声波衰减周期和曲线。在需要近场性能的踢脚开启后备箱应用中，TI建议使用变压器驱动拓扑结构。图4是使用PGA460-Q1的变压器驱动原理图示例。

图4：PGA460-Q1变压器驱动原理图

当使用变压器增加电源电压激活传感器时，衰减曲线更加稳定可测，使得近距离物体检测性能更优。

最后，AFE和数字处理的性能也会影响近距离和远距离的物体检测。例如，PGA460-Q1具有低噪声放大器，配有可编程时变增益级，嵌入12位逐次逼近寄存器模数转换器。低噪声放大器可以减少接收信号的噪声，并且可编程增益放大器的时变增益特性可以实现对近场物体应用较小增益和对远场物体检测应用较大增益。您可以将寄存器中的增益曲线设置存储在电可擦除可编程只读存储器（EEPROM）中。

低静态电流

由于踢脚开启超声波感应器必须在汽车熄火的情况下运行，所以系统静态电流很重要，是OEM很关注的性能。PGA460-Q1具有〜500μA电流消耗的睡眠模式，可以间歇地使用该模式，使整个系统的电流消耗达到必要水平。

在12V汽车电池供电下正常工作

PGA460-Q1器件用于从6V至28V的输入电压范围工作。在踢脚开启后备箱应用中，PGA460-Q1器件直接连接到汽车电池。适当的外部组件保护措施，例如瞬态电压抑制（TVS）二极管有助于保护器件免受电池瞬态和反向电池电流的影响。

入侵检测报警

在欧洲，入侵检测报警是消费者在购车时的可选设备或在购车后安装。当汽车熄火和停靠时，这些报警器将使用超声波感应器来检测车内的任何移动。该报警用作主报警系统的后备系统，如果儿童或宠物在车内移动，也会发出报警。根据由于已经有附加的防盗和安全保障，消费者时常会因其车辆拥有这项功能而获得保险折扣。

大多数系统使用一到两个超声波发射器和一到两个接收器。超声波感应器如PGA460-Q1可以驱动和接收一个发射器和一个接收器，因此可能需要一到两个PGA460-Q1器件。

总结

尽管这三种应用场景是最常使用超声波感应器，一级供应商和原始设备制造商还在开发鸥翼车门，盲点侦测系统以及前向主动避撞系统等附加应用。你还了解其他使用超声波感应器的汽车应用吗？请在下方评论。

第二部分：用于无人机应用

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。

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GPS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。第1部分讨论了如何将超声波传感器与汽车应用相结合。接下来将探讨超声波传感可用于无人机应用的原因。

超声波ToF

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（ToF）原理。ToF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2所示。

图2：用于无人机着陆的超声波ToF示意图

在图2和图3中的点1，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2），直到回波从物体反射回来（点3）为止。

图3：超声波ToF的相位

公式1计算从无人机到地面或从无人机到另一个物体的距离：

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

为什么要将超声波感应用于无人机着陆？

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。

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5米高的距离。假设信号调节和处理正确，40-60kHz范围内的超声波传感器通常可以满足这个范围。

德州仪器的PGA460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5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。

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PGA460具有优越的近场检测性能——低至5cm或更少。

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PGA460等集成解决方案时，其中已包括大部分所需的芯片。PGA460既可以使用半桥或H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。PGA460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ToF（见图4）。

图4：PGA460 功能框图

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。

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。