无人机异物接近检测解决方案

无人机（正式名称为“无人驾驶飞机系统”）正迅速成为一项普遍的技术，个人或企业可以相对自由地购买和操作（这并不意味着可以在任何地方或出于任何目的飞行）。 更现代化的系统安装有吊舱，能进行互换性有效载荷操作，接受多种传感器、光源和视频链路。

虽然单独驾驶的无人机很少在空中发生碰撞，但随着随机、非同步的无人机操作数量的增加，这种事件的可能性也随之增加。 通过使用巧妙的编程和控制机制，多个装置可以一起协同工作，以移动有效载荷，空投阻燃剂，帮助执行救援，或进行监控。 在这些情况下，必须具备精确的遥控和局部自主防撞技术。

本文探讨接近无人机的异物的局部感应和检测解决方案。 这些传感器系统可插入内嵌于本地处理器的安全防撞保护层，当主线通信断开时，让无人机进入自主模式。

接近技术

有多种技术可用于检测接近无人机的其他未使用同一数字控制中心进行通信的、或未与之直接通信的无人机或物体。 光学感应就是其中的一种技术。

IR 光学发射器可以发射脉冲信号，光学检测器（基于光电二极管和光电晶体管）可以从中提取其独特频率、占空比和模式。 这些信号被馈送到可以寻找反射信号（其自身频率）或其他频率信号的嵌入式控制器。 线性调频脉冲模式甚至可以编码一个 ID 号码，以便无人机了解邻近者的身份。

发射器和检测器小而轻，因此可用它们来覆盖无人机的四周。 这种方法与电梯中常用来检测电梯关门与否的光幕采用的方法类似。 但是，光幕只进行二维平面侵入检测，而我们这里则需要三维信息。 仅知道有物体在附近远远不够， 我们还需要知道它有多远。

虽然该传感器技术成本低、功耗低（功率相对较低；发射器会消耗相当多的电流）、尺寸小，但它依赖于无人机本身的反射率。 如果它们拥有隐形的扁平设计且为黑色，那么这种技术可能无法产生足够的效果。 反射器可按照均匀的间隔放置在机身四周。 还需注意的是，可能需要在顶部和底部放置不同模式的反射器。

尤其是当无人机用于隐蔽型军事应用时，此技术存在另一个问题，即该发射器可充当防无人机武器的归航信标。 敌人会借此制造低成本的自导向炮弹，毁灭无人机。 反射器还可以使前视发射器以精确的反射模式绘制目标。

尽管如此，对于大多数民用应用，良好的光学反射器解决方案效果甚佳，如低成本、小尺寸的 Silicon Labs SI1102-A-GMR。 在这种情况下，表面贴装的非金属组合式光学发射器和接收器（图 1）能够检测 20 英寸远的反射信号，但在 2.2 至 5.25 伏时需要 400 mA。 该公司的 SI1102EK 评估板可用于对这一器件或 Silicon Labs QuickSense 系列的其它器件进行学习和测试，此外 Digi-Key 网站上还提供了相应的产品培训单元。

图 1：小型表面贴装光学发射器和接收器紧密集成到提供接近检测解决方案的单片式封装中。

声波技术

基于声音的技术，特别是超声波，可用来计量接近度和距离，许多超声波变送器现在可用于此用途。 如果使用紧密过滤，则选择和微调工作频率可让不同的相邻装置独立操作并降低干扰。 与光学技术一样，如果提供脉宽调制或足够的捷变频率范围，则 ID 可编码成线性调频脉冲模式。

像 Murata MA40S4R 这样的分立变送器就是现成的解决方案，或如 Honeywell SCN-1530SC 之类可作为集成测距装置。 声波信号随着距离增加而更快地散射，因此这种技术非常有局限性，并且距离较远时可能更难检测——用于军事目的时，就难以保护无人机免受自导向武器的攻击。 背景噪声，特别是战场环境中的噪声，可能会干扰嵌入式微处理器持续提取可靠信号的能力。 此外，电机噪声（声学或电气噪声）会影响处理器提取持续可靠信号的能力。

与光学接近技术一样，声波测距的另一个优点是，有开发系统和评估板可以快速让您测试此技术。 例如，Analog Devices 提供 EVAL-CN0343-EB1Z 传感器开发套件，专用于声波测距。Maxim 还基于其嵌入式处理器，提供了 MAXQ7667EVKIT-1＃ 超声波测距评估套件（图 2）。

图 2：超声波变送器尺寸较大但重量通常较轻，已可靠地用于检测接近度和距离。 评估套件让您能够在采用特定技术之前，以较低的成本和风险进行测试和学习。

GPS 解决方案

对于非常接近的操作，使用磁性和霍尔效应装置是可行的，但是对于较长距离的感应通常不可行。 由于需要使用铜线圈，使得这种解决方案既占空间又昂贵。 此外，还会消耗大量电能，以使线圈实现更远距离的信号传送。

虽然视频在这里具有潜在的应用，但实时提取边缘并确定局部物体所需的处理可能会成为阻挠因素。 更重要的是，虽然提取的边缘增强信息可能有助于看到外形，但尝试轻松、准确地辨别距离则并不可行。 对于近旁的小物体或距离远的大物体，可能会显示为相同的图像。

一个可能的解决方案是在每架无人机上使用 GPS 接收器，并且配置自组织型网状网络，以便让每架相邻无人机与其它无人机之间保持可控制的距离。 GPS 装置可作为芯片或模块，提供相当确定的信息，此外许多全球兼容的解决方案都支持 GPS、GLONASS 和 GNSS 标准。 另外，众多优质制造商均在提供GPS 天线，因此能找到合适的器件布置到无人机上，从而实现可靠的信号采集。 而且，由于 GPS 系统只能接收，所以没有监视发射器来引导导弹和无人机追踪者进入。

简单的 UART、SPI 或 IIC 串行控制和数据访问能力使其成为与嵌入式微控制器实现无缝集成的不错选择。 例如，考虑针对 GPS、GLONASS 和 GNSS 标准的通用Telit WirelessSolutions SL869GNS115T001 模块（图 3）。 作为具有 24 引脚、仅重 1.8 克的表面贴装 LLC 封装部件，这个 3 至 3.6 伏装置在数据采集过程中要消耗高达 67 mA 的电流，而待机电流仅 73 uA。

图 3：使用串行协议将 GPS 实现到专门的 GPS 模块中，从而提供了一个小型、低成本解决方案，且所需的设计时间短。 通过语音便捷地告知无人机去向何处，无人机便能自动前往。

雷达

一个非常可行的解决方案是，使用按比例缩小的超紧凑型雷达。 射频技术可完美地适用于本应用，特别是当频率非常高而导致天线和元件缩为极小的情况下。

另一个优点是，汽车行业已经推动了具有防撞雷达和升降门接近检测功能的众多此类技术的发展；并且由于汽车也具有多个面，因此集成式多通道雷达解决方案和前端也是适用的。

例如，Texas Instruments 的 AFE5401TRGCTQ1 是一款单片式四通道模拟雷达前端，配有集成式低噪声放大器、均衡器、可编程增益放大器、抗锯齿以及带有 12 位分辨率的 A/D（图 4）。 请注意这款 1.8 伏零件如何以 25 Msps 的采样率在所有通道中实现同步采样，以及 12 位 CMOS 兼容型并行总线如何将采集数据快速传输到主机控制器上。

图 4：市面上已经出现专为汽车行业开发了像这款四通道接收器这样的多通道单片雷达器件，它们对于测试和研发无人机的接近和防撞系统也是理想之选。

由于用于防撞和其他应用的小型和紧凑型雷达日益普及，一些好的雷达开发套件（如 Analog Devices 的AD8285CP-EBZ）现在也可用于测试和评估这项技术。

雷达是一项值得密切关注的技术，因为这项技术正在被微型化，用作手势识别接口器件。 Google 和 Infineon 共同合作推出 Soli 项目，正是使用雷达技术开发这种全新的交互传感器。 通过检测手指在空中的位置和动作，完全可以利用多普勒效应来检测速度——同样可用来实现丰富的设备交互。 Soli 传感器能够高速、高精度地追踪人手指的亚毫米运动。 这种传感器适合安装到芯片上，可进行规模生产，甚至可以直接用于小型可穿戴设备中。 Soli 项目团队正计划发布一个开发工具包，允许开发人员创建新的交互和应用。