近年來，無人駕駛無人機越來越受歡迎，用于拍攝令人驚嘆的鏡頭，運輸救援物資，甚至用于競爭。大多數無人機使用多種傳感技術進行自主導航，碰撞檢測和許多其他功能。超聲波感應器對于無人機著陸，懸停和地面跟蹤特別有用。

       無人機著陸輔助工具是無人機的功能，可以檢測無人機底部與著陸區域之間的距離，確定陸點是否安全，然后緩慢下降到著陸區域。盡管GPS監視，氣壓傳感和其他傳感技術有助于著陸過程，但在此過程中，超聲波感應器是無人機的主要且最準確的基礎。大多數無人機還具有懸停和地面跟蹤模式，主要用于捕獲鏡頭和地面導航，其中超聲波傳感器有助于將無人機保持在地面上方恒定的高度。 博文系列的第1部分討論了如何將超聲傳感器與汽車應用結合起來。該博文將探討在無人機應用中使用超聲波感應的原因。

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

超聲波可以穿過各種介質（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，聲速為每秒343米（每秒1,125英尺）?？諝庵械某暡ㄋp隨著頻率和濕度的增加而增加。因此，由于過多的路徑損耗/吸收，空氣耦合的超聲波通常限于低于500 kHz的頻率。

超聲波 ToF

與許多超聲波感測應用程序一樣，無人機著陸輔助系統使用飛行時間（ToF）原理。 ToF是從感應器發射到目標對象然后再從對象反射返回的超聲波的往返時間估計，如圖2所示。 

圖 2：用于無人機著陸的超聲波 ToF 示意圖

在圖2和3中的點1，無人機的超聲感應器發出聲波，這些聲波表示為返回信號處理路徑上的飽和數據。傳輸后，信號處理路徑變為靜音（點2），直到回波從對象反射（點3）返回為止。

圖 3：超聲波 ToF 的相位

公式 1 計算從無人機到地面或從無人機到另一個物體的距離：

距離（d）是從無人機上的超聲波感應器到地面/物體的距離，ToF（t）是之前定義的ToF，SpeedOfSound（v）是通過介質的聲速。 ToF（t）×SpeedOfSound（v）除以2是因為ToF會計算超聲波回波來回傳播到對象的時間。

為什么要將超聲波感應用于無人機著陸？

雖然眾多的傳感技術可以檢測物體的接近程度，但是超聲波傳感可在無人機著陸時的探測距離、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。假設信號調節和處理正確，40-60kHz 范圍內的超聲波傳感器通?？梢詽M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動器，用于無人機等空氣耦合應用中的超聲波傳感，可達到或超過 5 米的要求。然而，超聲波傳感的協調是物體近場檢測中的限制。所有用于空氣耦合應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，壓電薄膜振動并發出超聲波能量，難以檢測到任何進入的回波。

為了在振鈴期間有效地測量物體，許多無人機設計人員為發射器和接收器安裝了單獨的傳感器。通過分離接收器，無人機可以在發射器激發期間檢測物體。因此，PGA460具有低至5 cm或更小的33,354的出色近場檢測性能。

超聲波感應技術也是一項具有成本競爭力的技術，尤其是在使用集成解決方案時，該解決方案已經包含了大多數必需的芯片。既可以使用半橋或H橋直接驅動傳感器，也可以使用變壓器驅動傳感器。后者主要用于密封的“封閉”傳感器。 ToF（見圖 4）。

圖 4：PGA460 功能框圖

最后，超聲波感應器可以檢測其他技術難以解決的表面。例如無人機經常在建筑物上遇到玻璃和其他玻璃表面。光感測技術有時會穿過玻璃和其他透明材料，這使得無人機很難將其懸停在玻璃建筑物上。超聲波可以將反射可靠地從玻璃表面中取出。

盡管超聲感應器主要用于無人機輔助和懸停，但是其強大的性價比卻促使無人機設計者探索該技術的其他應用。迅速發展的無人機領域具有巨大的潛力。