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2018“芯”知|看超聲波感應(yīng)器如何完美助攻無人機(jī)應(yīng)用!

中國投影網(wǎng)投影機(jī)資訊  來源:德州儀器  2018-1-5 8:52:01  編輯:巧樂滋  [ ]

近年來
消費類無人機(jī)越來越受歡迎
多用于拍攝震撼的片段、運送救援物資
多數(shù)無人機(jī)使用各種傳感技術(shù)實現(xiàn)自主導(dǎo)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(jī)著陸、懸停、地面跟蹤

無人機(jī)降落輔助是無人機(jī)所具有的一項功能,可以檢測無人機(jī)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(jī)的主要和最準(zhǔn)確的判斷依據(jù)。大多數(shù)無人機(jī)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(jī)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。

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)?諝庵械某暡ㄋp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(jī)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。

圖2:用于無人機(jī)著陸的超聲波ToF示意圖

在圖2和圖3中的點1,無人機(jī)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(jī)到地面或從無人機(jī)到另一個物體的距離:
    距離(d)是從無人機(jī)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(jī)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(jī)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(jī)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(jī)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(jī)設(shè)計者為發(fā)射機(jī)和接收機(jī)安裝單獨的傳感器。通過分離接收器,無人機(jī)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

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(jī)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(jī)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(jī)著陸輔助和懸停,但其強(qiáng)大的性價比正促使無人機(jī)設(shè)計人員探索該技術(shù)的其他應(yīng)用?焖侔l(fā)展的無人機(jī)領(lǐng)域潛力巨大。


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