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超声波感应器会被用于何处?

作者 : 海森智能科技 文章来源 : 海森智能 更新日期:

近年来,无人驾驶无人机越来越受欢迎,用于拍摄令人惊叹的镜头,运输救援物资,甚至用于竞争。大多数无人机使用多种传感技术进行自主导航,碰撞检测和许多其他功能。超声波感应器对于无人机着陆,悬停和地面跟踪特别有用。

 

       无人机着陆辅助工具是无人机的功能,可以检测无人机底部与着陆区域之间的距离,确定陆点是否安全,然后缓慢下降到着陆区域。尽管GPS监视,气压传感和其他传感技术有助于着陆过程,但在此过程中,超声波感应器是无人机的主要且最准确的基础。大多数无人机还具有悬停和地面跟踪模式,主要用于捕获镜头和地面导航,其中超声波传感器有助于将无人机保持在地面上方恒定的高度。 博文系列的第1部分讨论了如何将超声传感器与汽车应用结合起来。该博文将探讨在无人机应用中使用超声波感应的原因。

 

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。

 

微波感应图-768x686.jpg 

1

 

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,声速为每秒343米(每秒1,125英尺)。空气中的超声波衰减随着频率和湿度的增加而增加。因此,由于过多的路径损耗/吸收,空气耦合的超声波通常限于低于500 kHz的频率。

 

超声波 ToF

与许多超声波感测应用程序一样,无人机着陆辅助系统使用飞行时间(ToF)原理。 ToF是从感应器发射到目标对象然后再从对象反射返回的超声波的往返时间估计,如图2所示。 

图片1.png

2:用于无人机着陆的超声波 ToF 示意图

 

在图23中的点1,无人机的超声感应器发出声波,这些声波表示为返回信号处理路径上的饱和数据。传输后,信号处理路径变为静音(点2),直到回波从对象反射(点3)返回为止。

 

 

 图片2.png

3:超声波 ToF 的相位

 

图片3.png 

 

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感应器到地面/物体的距离,ToFt)是之前定义的ToFSpeedOfSoundv)是通过介质的声速。 ToFt×SpeedOfSoundv)除以2是因为ToF会计算超声波回波来回传播到对象的时间。

 

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,许多无人机设计人员为发射器和接收器安装了单独的传感器。通过分离接收器,无人机可以在发射器激发期间检测物体。因此,PGA460具有低至5 cm或更小的33,354的出色近场检测性能。

 

超声波感应技术也是一项具有成本竞争力的技术,尤其是在使用集成解决方案时,该解决方案已经包含了大多数必需的芯片。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封闭传感器。 ToF(见图 4)。


 

4PGA460 功能框图

 

 

最后,超声波感应器可以检测其他技术难以解决的表面。例如无人机经常在建筑物上遇到玻璃和其他玻璃表面。光感测技术有时会穿过玻璃和其他透明材料,这使得无人机很难将其悬停在玻璃建筑物上。超声波可以将反射可靠地从玻璃表面中取出。

 

尽管超声感应器主要用于无人机辅助和悬停,但是其强大的性价比却促使无人机设计者探索该技术的其他应用。迅速发展的无人机领域具有巨大的潜力。

 


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