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超声波原理
' q$ O: v& l7 Z9 v8 u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。- U+ R. P2 X. `# X8 \% @( \" j y- L4 Y& f3 x0 j
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图1：用于乘用车中的超声波感应器9 q7 k& u ?* v$ J
超声波停车辅助系统2 ?, X6 R1 o) ]1 h1 c5 g2 C( v- Q/ T7 Y5 G9 ?
超声波停车辅助也被称为停车辅助系统、停车引导系统和倒车辅助。这些系统可实现从简单地检测周围物体并通过声音警示驾驶员，到几乎没有人为操作的自动停车。通常，这些系统拥有4-16个感应器，巧妙地围绕车身安装，以提供所需的检测覆盖，如图2所示。
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) Q* ]0 r* \5 k) V: P% A图3：踢脚开启后备箱
8 k7 P% M! U; V. W* H4 z( c' ^. \( H传统的踢脚开启后备箱系统使用位于保险杠底部的电容式感应条。但许多汽车一级供应商正在探索使用超声波感应技术在这一应用上，一些系统已经批量生产。与电容式感应相比，超声波感应的优势是在污垢和水等环境因素影响下的可靠性和坚固性，电容式感应对环境因素非常敏感，如果车身被弄脏，该功能可能就无法正常使用。 8 y C6 @6 E3 P/ D7 e8 H" z0 T* `4 x
针对踢脚开启系统的超声波解决方案常见要求包括： 2 c, p6 Q) |- ]2 `# R* u3 D, W5 ^" x
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( Z. P q1 i0 L* v( T4 u" O$ |) H# g& G+ @- 从15厘米到1米处检测物体的能力 E: k8 n8 M) F8 b0 \9 e& D
- 低静态电流
- 在12V汽车电池供电下正常工作8 T$ W- ?* q! ^* [* L6 H* i& z/ v1 D. N
让我们逐一介绍这些要求。 ' b% S( z; w1 o! t9 z
距离15厘米到1米的物体检测 9 i8 h# n( Z' g& B
使用超声波感应技术于踢脚开启后备箱的挑战之一是近距离检测范围。超声波感应器精确检测近场物体的能力取决于感应器的质量和传感器的规格、驱动方法和设计以及接收路径（AFE和数字处理）的性能。% z2 ~0 Q3 j% s: g
$ X/ ?; q! m' ~# n3 ^- {* x7 R高品质的传感器，如Murata的MA58MF14-7N，在传感器激发阶段具有更稳定可靠的衰减或“振铃”。通过选择高品质的传感器，可以减少衰减的时间长度，更准确地预测衰减的稳定性。: r- G+ O0 }( p" K; `
传感器驱动器的方法和设计将显著影响超声波衰减周期和曲线。在需要近场性能的踢脚开启后备箱应用中，TI建议使用变压器驱动拓扑结构。图4是使用PGA460-Q1的变压器驱动原理图示例。8 _* ~7 v4 I9 w2 N0 U; R6 R$ E
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图2：用于无人机着陆的超声波ToF示意图; M0 x" U9 f O1 e7 b8 E
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8 I. U; {7 g$ _ r# E' Q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。
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2 E0 _5 d4 s$ N* |% _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：
; U) k2 E% v( `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。3 Q3 D( K3 ]# j& k. Z5 N
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# S* d) c& j, c v4 c L3 b为什么要将超声波感应用于无人机着陆？$ [) K( h% z) F
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。2 K$ F8 V. Z4 l! x
( w+ r: T# W1 ~" n7 I3 R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。, b7 O+ J `" S _* |- Y
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。
: S9 u+ Q( ^9 G( u" P! B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。
+ b% h8 G; r3 ^- v) S8 A$ l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。) l! W |4 x# f" x0 _6 A
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发表于 2022-12-1 10:50
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