超声波感应器会被用于何处?—— 第二部分

时间:2022-03-15来源:佚名

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。本博文系列的第1部分讨论了如何将超声波传感器与汽车应用相结合。本博文将探讨超声波传感可用于无人机应用的原因。

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。

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。

    相关阅读

    城市亮化工程如何设计才能具有层次感?

    城市亮化工程 的主要目地是为夜间带来一体化照明,考虑基础的视觉识别规定,自然环境照明的光层级与光线总数的多少相关,假如空间中的自然环境照明比工作照明低许多 ,在工作...
    2022-10-11
    城市亮化工程如何设计才能具有层次感?

    城市道路照明工程主要有哪些?

    在城市建设中,道路照明 是必不可少的基础设施,也是城市夜景的重要组成部分。在某种程度上,它还反映了城市的经济实力,社会进步和现代化的标志。它为夜间在城市中的车辆和行...
    2022-07-12
    城市道路照明工程主要有哪些?

    安全出口指示标志灯为什么是绿色而不是红色?

    对于安全出口指示标志灯相信大家都不陌生,我们在日常生活中在任何公众场所的紧急疏散的安全出口都可以看到这个安全出口指示标志灯,大家有没有想过安全出口的指示标志为什么...
    2022-05-21
    安全出口指示标志灯为什么是绿色而不是红色?

    消防应急灯的寿命有多长?一般可以使用多长时间?

    对于消防应急灯的使用寿命相信很多人都想了解这个问题,因为消防应急灯安装了就不需要时时刻刻盯着,这需要定时检查就可以了,但是很多人都不知道消防应急灯的寿命有多长,不...
    2022-05-21
    消防应急灯的寿命有多长?一般可以使用多长时间?

    【标准分享】GB19517-2023 国家电气设备安全技术规范

    ...
    2024-08-30
    【标准分享】GB19517-2023 国家电气设备安全技术规范

    路灯照明合理的布置方式

    路灯的布置方式主要有单侧布置、双侧交错布置、双侧对称布置、中心对称布置、横向悬索布置五种形式,随着城市道路的不断拓宽,平交路口转弯半径越来越大,根据《城市道路亮化...
    2022-07-15

    泛光照明工程是什么?应用范围有哪些?

    很多人提及 泛光照明工程 会有一些生疏,不理解泛光照明包含哪些,也不知道 泛光照明工程 跟普通照明工程有哪些不一样。 实际上泛光照明工程便是归属于城市景观照明工程或环境...
    2022-10-17
    泛光照明工程是什么?应用范围有哪些?

    快投派智能无线投屏器,让无线互联更加简单便捷

    没有WiFi的情况下可以进行无线投屏吗? 长期使用投屏功能的人,或多或少都知道自己的手机可以通过【无线投屏】【屏幕镜像】功能,直接连接到智能电视或无线投屏器,下意识地认...
    2022-05-11
    快投派智能无线投屏器,让无线互联更加简单便捷

    网站栏目