無人機(jī)降落輔助是無人機(jī)所具有的一項(xiàng)功能,，可以檢測(cè)無人機(jī)底部與著陸區(qū)域的距離,，判定著陸點(diǎn)是否安全，然后緩慢下降到著陸區(qū)域,。盡管 GPS 監(jiān)測(cè),、氣壓傳感和其他傳感技術(shù)有助于著陸過程，但在這個(gè)過程中,，超聲波傳感是無人機(jī)的主要和最準(zhǔn)確的判斷依據(jù),。大多數(shù)無人機(jī)中還有懸停和地面跟蹤模式，主要用于捕捉連續(xù)鏡頭和陸地導(dǎo)航,，其中超聲波傳感器有助于將無人機(jī)保持在高于地面的恒定高度,。
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：超聲波范圍
超聲波可以穿過各種介質(zhì)（氣體,、液體,、固體）來檢測(cè)聲阻抗不匹配的物體。聲速是聲波在彈性介質(zhì)中傳播時(shí)每單位時(shí)間的距離,。例如,，在 20°C （68°F）的干燥空氣中，聲速為 343 米每秒（1,，125 英尺每秒）,。空氣中的超聲波衰減隨著頻率和濕度的增加而增加,。因此,，由于過度的路徑損耗 / 吸收，空氣耦合超聲波通常被限制在 500kHz 以下的頻率,。
超聲波 ToF
與許多超聲波傳感應(yīng)用一樣,，無人機(jī)著陸輔助系統(tǒng)使用飛行時(shí)間（ToF）原理。ToF 是從傳感器發(fā)射到目標(biāo)物體,，然后從物體反射回傳感器的超聲波的往返時(shí)間估計(jì),，如圖 2。
圖 2：用于無人機(jī)著陸的超聲波 ToF 示意圖
在圖 2 和圖 3 中的點(diǎn) 1,，無人機(jī)的超聲波傳感器發(fā)出聲波,，在返回信號(hào)處理路徑上表示為飽和數(shù)據(jù)。發(fā)送后,，信號(hào)處理路徑變?yōu)殪o音（點(diǎn) 2）,，直到回波從物體反射回來（點(diǎn) 3）為止。
圖 3：超聲波 ToF 的相位
公式 1 計(jì)算從無人機(jī)到地面或從無人機(jī)到另一個(gè)物體的距離：
距離（d）是從無人機(jī)上的超聲波傳感器到地面 / 物體的距離,，ToF（t）是前面定義的 ToF,，而 SpeedOfSound（v）是通過介質(zhì)的聲速,。ToF（t）×SpeedOfSound（v）除以 2，因?yàn)?ToF 計(jì)算超聲回波往返物體的時(shí)間,。
為什么要將超聲波感應(yīng)用于無人機(jī)著陸？
雖然眾多的傳感技術(shù)可以檢測(cè)物體的接近程度,，但是超聲波傳感可在無人機(jī)著陸時(shí)的探測(cè)距離,、方案成本以及不同表面的可靠性方面良好運(yùn)行。
無人機(jī)地面跟蹤和著陸的共同要求是能夠可靠地檢測(cè)到距離地面 5 米高的距離,。假設(shè)信號(hào)調(diào)節(jié)和處理正確,，40-60kHz 范圍內(nèi)的超聲波傳感器通常可以滿足這個(gè)范圍,。
德州儀器的 PGA460 是超聲波信號(hào)處理器和傳感器驅(qū)動(dòng)器,，用于無人機(jī)等空氣耦合應(yīng)用中的超聲波傳感，可達(dá)到或超過 5 米的要求,。然而,，超聲波傳感的協(xié)調(diào)是物體近場檢測(cè)中的限制。所有用于空氣耦合應(yīng)用的超聲波傳感器都有一段激勵(lì)期,，稱為衰減時(shí)間或振蕩時(shí)間,，在這個(gè)時(shí)間內(nèi)，壓電薄膜振動(dòng)并發(fā)出超聲波能量,，難以檢測(cè)到任何進(jìn)入的回波,。
為了在振鈴期間有效地測(cè)量物體，許多無人機(jī)設(shè)計(jì)者為發(fā)射機(jī)和接收機(jī)安裝單獨(dú)的傳感器,。通過分離接收器,，無人機(jī)可以在發(fā)射器的激勵(lì)期間檢測(cè)物體。因此 PGA460 具有優(yōu)越的近場檢測(cè)性能--低至 5cm 或更少,。
超聲波傳感技術(shù)也是一項(xiàng)具有成本競爭力的技術(shù),，特別是在使用 PGA460 等集成解決方案時(shí)，其中已包括大部分所需的芯片,。PGA460 既可以使用半橋或 H 橋直接驅(qū)動(dòng)傳感器,，也可以使用變壓器驅(qū)動(dòng)傳感器；后者主要用于密封的的“密閉”傳感器,。PGA460 還包括用于接收和調(diào)節(jié)超聲回波的完整模擬前端,。此外，該器件還可以通過數(shù)字信號(hào)處理來計(jì)算 ToF（見圖 4）,。
圖 4：PGA460 功能框圖
超聲波傳感可以檢測(cè)其他技術(shù)難以解決的的表面,。例如，無人機(jī)經(jīng)常會(huì)遇到建筑物上的玻璃窗和其他玻璃表面,。光傳感技術(shù)有時(shí)會(huì)穿過玻璃和其他透明材料,，這對(duì)無人機(jī)懸停在玻璃建筑物上造成困難,。超聲波則能夠可靠地反射出玻璃表面。
雖然超聲波傳感主要用于無人機(jī)著陸輔助和懸停,，但其強(qiáng)大的性價(jià)比正促使無人機(jī)設(shè)計(jì)人員探索該技術(shù)的其他應(yīng)用,。快速發(fā)展的無人機(jī)領(lǐng)域潛力巨大,。