近年來，隨著無人機產業的發展，傳感器行業也將會形成更大的市場。在無人機飛行控制系統中，一般安裝有高精度的感應器元件，主要由用于飛行姿態感知的陀螺儀，加速度傳感器，氣壓傳感器這些控制電路等部件組成，這其中傳感器起到的作用是精準地感應并計算出飛行器的飛行姿態等數據，實現精準的控制無人機的飛行和懸停。超聲波傳感尤其有助于無人機著陸、懸停和地面跟蹤。

無人機降落輔助是無人機所具有的一項功能，可以檢測無人機底部與著陸區域的距離，判定著陸點是否安全，然后緩慢下降到著陸區域。盡管GPS監測、氣壓傳感和其他傳感技術有助于著陸過程，但在這個過程中，超聲波傳感是無人機的主要和最準確的判斷依據。大多數無人機中還有懸停和地面跟蹤模式，主要用于捕捉連續鏡頭和陸地導航，其中超聲波傳感器有助于將無人機保持在高于地面的恒定高度。本博文系列的第1部分討論了如何將超聲波傳感器與汽車應用相結合。本博文將探討超聲波傳感可用于無人機應用的原因。

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：超聲波范圍

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用一樣，無人機著陸輔助系統使用飛行時間（ToF）原理。ToF是從傳感器發射到目標物體，然后從物體反射回傳感器的超聲波的往返時間估計，如圖2所示。

在圖2和圖3中的點1，無人機的超聲波傳感器發出聲波，在返回信號處理路徑上表示為飽和數據。發送后，信號處理路徑變為靜音（點2），直到回波從物體反射回來（點3）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）是通過介質的聲速。ToF（t）×SpeedOfSound（v）除以2，因為ToF計算超聲回波往返物體的時間。

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常可以滿足這個范圍。

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，許多無人機設計者為發射機和接收機安裝單獨的傳感器。通過分離接收器，無人機可以在發射器的激勵期間檢測物體。因此PGA460具有優越的近場檢測性能——低至5cm或更少。

超聲波傳感技術也是一項具有成本競爭力的技術，特別是在使用PGA460等集成解決方案時，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的“密閉”傳感器。PGA460還包括用于接收和調節超聲回波的完整模擬前端。此外，該器件還可以通過數字信號處理來計算ToF（見圖4）。

圖4：PGA460功能框圖

最后，超聲波傳感可以檢測其他技術難以解決的的表面。例如，無人機經常會遇到建筑物上的玻璃窗和其他玻璃表面。光傳感技術有時會穿過玻璃和其他透明材料，這對無人機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著陸輔助和懸停，但其強大的性價比正促使無人機設計人員探索該技術的其他應用。快速發展的無人機領域潛力巨大。