超声波感应器会被用于何处？—— 第二部分
近年来，消费类四轴飞行器越来越受欢迎，用于拍摄震撼的的片段、运送救援物资，甚至用于竞赛。大多数四轴飞行器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四轴飞行器着陆、悬停和地面跟踪。
四轴飞行器降落辅助是四轴飞行器所具有的一项功能，可以检测四轴飞行器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，超声波传感是四轴飞行器的主要和最准确的判断依据。大多数四轴飞行器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四轴飞行器保持在高于地面的恒定高度。第1部分讨论了如何将超声波传感器与汽车应用相结合。本文将探讨超声波传感可用于四轴飞行器应用的原因。
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，四轴飞行器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：用于四轴飞行器着陆的超声波ToF示意图
在图2和图3中的点1，四轴飞行器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计算从四轴飞行器到地面或从四轴飞行器到另一个物体的距离：
距离（d）是从四轴飞行器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四轴飞行器着陆？
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四轴飞行器着陆时的探测距离、方案成本以及不同表面的可靠性方面良好运行。
四轴飞行器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，用于四轴飞行器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，许多四轴飞行器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，四轴飞行器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，四轴飞行器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，这对四轴飞行器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四轴飞行器着陆辅助和悬停，但其强大的性价比正促使四轴飞行器设计人员探索该技术的其他应用。快速发展的四轴飞行器领域潜力巨大。
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