無(wú)人機(jī)(正式名稱(chēng)為“無(wú)人駕駛飛機(jī)系統(tǒng)”)正迅速成為一項(xiàng)普遍的技術(shù)，個(gè)人或企業(yè)可以相對(duì)自由地購(gòu)買(mǎi)和操作(這并不意味著可以在任何地方或出于任何目的飛行)。 更現(xiàn)代化的系統(tǒng)安裝有吊艙，能進(jìn)行互換性有效載荷操作，接受多種傳感器、光源和視頻鏈路。

雖然單獨(dú)駕駛的無(wú)人機(jī)很少在空中發(fā)生碰撞，但隨著隨機(jī)、非同步的無(wú)人機(jī)操作數(shù)量的增加，這種事件的可能性也隨之增加。 通過(guò)使用巧妙的編程和控制機(jī)制，多個(gè)裝置可以一起協(xié)同工作，以移動(dòng)有效載荷，空投阻燃劑，幫助執(zhí)行救援，或進(jìn)行監(jiān)控。 在這些情況下，必須具備精確的遙控和局部自主防撞技術(shù)。

本文探討接近無(wú)人機(jī)的異物的局部感應(yīng)和檢測(cè)解決方案。 這些傳感器系統(tǒng)可插入內(nèi)嵌于本地處理器的安全防撞保護(hù)層，當(dāng)主線(xiàn)通信斷開(kāi)時(shí)，讓無(wú)人機(jī)進(jìn)入自主模式。

接近技術(shù)

有多種技術(shù)可用于檢測(cè)接近無(wú)人機(jī)的其他未使用同一數(shù)字控制中心進(jìn)行通信的、或未與之直接通信的無(wú)人機(jī)或物體。 光學(xué)感應(yīng)就是其中的一種技術(shù)。

IR 光學(xué)發(fā)射器可以發(fā)射脈沖信號(hào)，光學(xué)檢測(cè)器(基于光電二極管和光電晶體管)可以從中提取其獨(dú)特頻率、占空比和模式。 這些信號(hào)被饋送到可以尋找反射信號(hào)(其自身頻率)或其他頻率信號(hào)的嵌入式控制器。 線(xiàn)性調(diào)頻脈沖模式甚至可以編碼一個(gè) ID 號(hào)碼，以便無(wú)人機(jī)了解鄰近者的身份。

發(fā)射器和檢測(cè)器小而輕，因此可用它們來(lái)覆蓋無(wú)人機(jī)的四周。 這種方法與電梯中常用來(lái)檢測(cè)電梯關(guān)門(mén)與否的光幕采用的方法類(lèi)似。 但是，光幕只進(jìn)行二維平面侵入檢測(cè)，而我們這里則需要三維信息。 僅知道有物體在附近遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠， 我們還需要知道它有多遠(yuǎn)。

雖然該傳感器技術(shù)成本低、功耗低(功率相對(duì)較低;發(fā)射器會(huì)消耗相當(dāng)多的電流)、尺寸小，但它依賴(lài)于無(wú)人機(jī)本身的反射率。 如果它們擁有隱形的扁平設(shè)計(jì)且為黑色，那么這種技術(shù)可能無(wú)法產(chǎn)生足夠的效果。 反射器可按照均勻的間隔放置在機(jī)身四周。 還需注意的是，可能需要在頂部和底部放置不同模式的反射器。

尤其是當(dāng)無(wú)人機(jī)用于隱蔽型軍事應(yīng)用時(shí)，此技術(shù)存在另一個(gè)問(wèn)題，即該發(fā)射器可充當(dāng)防無(wú)人機(jī)武器的歸航信標(biāo)。 敵人會(huì)借此制造低成本的自導(dǎo)向炮彈，毀滅無(wú)人機(jī)。 反射器還可以使前視發(fā)射器以精確的反射模式繪制目標(biāo)。

盡管如此，對(duì)于大多數(shù)民用應(yīng)用，良好的光學(xué)反射器解決方案效果甚佳，如低成本、小尺寸的 Silicon Labs SI1102-A-GMR。 在這種情況下，表面貼裝的非金屬組合式光學(xué)發(fā)射器和接收器(圖 1)能夠檢測(cè) 20 英寸遠(yuǎn)的反射信號(hào)，但在 2.2 至 5.25 伏時(shí)需要 400 mA。 該公司的 SI1102EK 評(píng)估板可用于對(duì)這一器件或 Silicon Labs QuickSense 系列的其它器件進(jìn)行學(xué)習(xí)和測(cè)試，此外 Digi-Key 網(wǎng)站上還提供了相應(yīng)的產(chǎn)品培訓(xùn)單元。

圖 1：小型表面貼裝光學(xué)發(fā)射器和接收器緊密集成到提供接近檢測(cè)解決方案的單片式封裝中。

聲波技術(shù)

基于聲音的技術(shù)，特別是超聲波，可用來(lái)計(jì)量接近度和距離，許多超聲波變送器現(xiàn)在可用于此用途。 如果使用緊密過(guò)濾，則選擇和微調(diào)工作頻率可讓不同的相鄰裝置獨(dú)立操作并降低干擾。 與光學(xué)技術(shù)一樣，如果提供脈寬調(diào)制或足夠的捷變頻率范圍，則 ID 可編碼成線(xiàn)性調(diào)頻脈沖模式。

像 Murata MA40S4R 這樣的分立變送器就是現(xiàn)成的解決方案，或如 Honeywell SCN-1530SC 之類(lèi)可作為集成測(cè)距裝置。 聲波信號(hào)隨著距離增加而更快地散射，因此這種技術(shù)非常有局限性，并且距離較遠(yuǎn)時(shí)可能更難檢測(cè)——用于軍事目的時(shí)，就難以保護(hù)無(wú)人機(jī)免受自導(dǎo)向武器的攻擊。 背景噪聲，特別是戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境中的噪聲，可能會(huì)干擾嵌入式微處理器持續(xù)提取可靠信號(hào)的能力。 此外，電機(jī)噪聲(聲學(xué)或電氣噪聲)會(huì)影響處理器提取持續(xù)可靠信號(hào)的能力。

與光學(xué)接近技術(shù)一樣，聲波測(cè)距的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是，有開(kāi)發(fā)系統(tǒng)和評(píng)估板可以快速讓您測(cè)試此技術(shù)。 例如，Analog Devices 提供 EVAL-CN0343-EB1Z 傳感器開(kāi)發(fā)套件，專(zhuān)用于聲波測(cè)距。Maxim 還基于其嵌入式處理器，提供了 MAXQ7667EVKIT-1# 超聲波測(cè)距評(píng)估套件(圖 2)。

圖 2：超聲波變送器尺寸較大但重量通常較輕，已可靠地用于檢測(cè)接近度和距離。 評(píng)估套件讓您能夠在采用特定技術(shù)之前，以較低的成本和風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行測(cè)試和學(xué)習(xí)。

GPS 解決方案

對(duì)于非常接近的操作，使用磁性和霍爾效應(yīng)裝置是可行的，但是對(duì)于較長(zhǎng)距離的感應(yīng)通常不可行。 由于需要使用銅線(xiàn)圈，使得這種解決方案既占空間又昂貴。 此外，還會(huì)消耗大量電能，以使線(xiàn)圈實(shí)現(xiàn)更遠(yuǎn)距離的信號(hào)傳送。

雖然視頻在這里具有潛在的應(yīng)用，但實(shí)時(shí)提取邊緣并確定局部物體所需的處理可能會(huì)成為阻撓因素。 更重要的是，雖然提取的邊緣增強(qiáng)信息可能有助于看到外形，但嘗試輕松、準(zhǔn)確地辨別距離則并不可行。 對(duì)于近旁的小物體或距離遠(yuǎn)的大物體，可能會(huì)顯示為相同的圖像。

一個(gè)可能的解決方案是在每架無(wú)人機(jī)上使用 GPS 接收器，并且配置自組織型網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)，以便讓每架相鄰無(wú)人機(jī)與其它無(wú)人機(jī)之間保持可控制的距離。 GPS 裝置可作為芯片或模塊，提供相當(dāng)確定的信息，此外許多全球兼容的解決方案都支持 GPS、GLONASS 和 GNSS 標(biāo)準(zhǔn)。 另外，眾多優(yōu)質(zhì)制造商均在提供 GPS 天線(xiàn)，因此能找到合適的器件布置到無(wú)人機(jī)上，從而實(shí)現(xiàn)可靠的信號(hào)采集。 而且，由于 GPS 系統(tǒng)只能接收，所以沒(méi)有監(jiān)視發(fā)射器來(lái)引導(dǎo)導(dǎo)彈和無(wú)人機(jī)追蹤者進(jìn)入。

簡(jiǎn)單的 UART、SPI 或 IIC 串行控制和數(shù)據(jù)訪(fǎng)問(wèn)能力使其成為與嵌入式微控制器實(shí)現(xiàn)無(wú)縫集成的不錯(cuò)選擇。 例如，考慮針對(duì) GPS、GLONASS 和 GNSS 標(biāo)準(zhǔn)的通用 Telit Wireless Solutions SL869GNS115T001 模塊(圖 3)。 作為具有 24 引腳、僅重 1.8 克的表面貼裝 LLC 封裝部件，這個(gè) 3 至 3.6 伏裝置在數(shù)據(jù)采集過(guò)程中要消耗高達(dá) 67 mA 的電流，而待機(jī)電流僅 73 uA。

圖 3：使用串行協(xié)議將 GPS 實(shí)現(xiàn)到專(zhuān)門(mén)的 GPS 模塊中，從而提供了一個(gè)小型、低成本解決方案，且所需的設(shè)計(jì)時(shí)間短。 通過(guò)語(yǔ)音便捷地告知無(wú)人機(jī)去向何處，無(wú)人機(jī)便能自動(dòng)前往。

雷達(dá)

一個(gè)非?？尚械慕鉀Q方案是，使用按比例縮小的超緊湊型雷達(dá)。 射頻技術(shù)可完美地適用于本應(yīng)用，特別是當(dāng)頻率非常高而導(dǎo)致天線(xiàn)和元件縮為極小的情況下。

另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是，汽車(chē)行業(yè)已經(jīng)推動(dòng)了具有防撞雷達(dá)和升降門(mén)接近檢測(cè)功能的眾多此類(lèi)技術(shù)的發(fā)展;并且由于汽車(chē)也具有多個(gè)面，因此集成式多通道雷達(dá)解決方案和前端也是適用的。

例如，Texas Instruments 的 AFE5401TRGCTQ1 是一款單片式四通道模擬雷達(dá)前端，配有集成式低噪聲放大器、均衡器、可編程增益放大器、抗鋸齒以及帶有 12 位分辨率的 A/D(圖 4)。 請(qǐng)注意這款 1.8 伏零件如何以 25 Msps 的采樣率在所有通道中實(shí)現(xiàn)同步采樣，以及 12 位 CMOS 兼容型并行總線(xiàn)如何將采集數(shù)據(jù)快速傳輸?shù)街鳈C(jī)控制器上。

圖 4：市面上已經(jīng)出現(xiàn)專(zhuān)為汽車(chē)行業(yè)開(kāi)發(fā)了像這款四通道接收器這樣的多通道單片雷達(dá)器件，它們對(duì)于測(cè)試和研發(fā)無(wú)人機(jī)的接近和防撞系統(tǒng)也是理想之選。

由于用于防撞和其他應(yīng)用的小型和緊湊型雷達(dá)日益普及，一些好的雷達(dá)開(kāi)發(fā)套件(如 Analog Devices 的 AD8285CP-EBZ)現(xiàn)在也可用于測(cè)試和評(píng)估這項(xiàng)技術(shù)。

雷達(dá)是一項(xiàng)值得密切關(guān)注的技術(shù)，因?yàn)檫@項(xiàng)技術(shù)正在被微型化，用作手勢(shì)識(shí)別接口器件。 Google 和 Infineon 共同合作推出 Soli 項(xiàng)目，正是使用雷達(dá)技術(shù)開(kāi)發(fā)這種全新的交互傳感器。 通過(guò)檢測(cè)手指在空中的位置和動(dòng)作，完全可以利用多普勒效應(yīng)來(lái)檢測(cè)速度——同樣可用來(lái)實(shí)現(xiàn)豐富的設(shè)備交互。 Soli 傳感器能夠高速、高精度地追蹤人手指的亞毫米運(yùn)動(dòng)。 這種傳感器適合安裝到芯片上，可進(jìn)行規(guī)模生產(chǎn)，甚至可以直接用于小型可穿戴設(shè)備中。 Soli 項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)正計(jì)劃發(fā)布一個(gè)開(kāi)發(fā)工具包，允許開(kāi)發(fā)人員創(chuàng)建新的交互和應(yīng)用。