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无人机中国足球协会超级联赛声波原理

2019年07月08日 08:56 ? 次阅读

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,其中国足球协会超级联赛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。

无人机中国足球协会超级联赛声波原理

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/吸取,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。

无人机中国足球协会超级联赛声波原理

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。

无人机中国足球协会超级联赛声波原理

图3:超声波ToF的相位

无人机中国足球协会超级联赛声波原理

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)。

无人机中国足球协会超级联赛声波原理

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。

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