无人机中超声波原理

近年来，消费类无人机越来越受欢迎，多用于拍摄震撼的片段、运送救援物资，多数无人机使用各种传感技术实现自主导航、碰撞检测。而你又是否知道，超声波传感尤其有助于无人机着陆、悬停、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。

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。

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。

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

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。