時(shí)間測量芯片：無人機(jī)避障系統(tǒng)的好幫手

幾個(gè)月前，一架無人機(jī)墜毀在美國總統(tǒng)居住地白宮的草坪上，引起了人們對于無人機(jī)安全操作的廣泛關(guān)注。無人機(jī)想要繼續(xù)發(fā)展，除了續(xù)航、功能進(jìn)步之外，安全性也是不可小覷的方面。

無人機(jī)在飛行過程中能否自動(dòng)識別到飛行軌跡上的障礙物(固定、移動(dòng)或突然出現(xiàn))，并且能及時(shí)的躲避，改變和調(diào)整飛行軌跡，這個(gè)是影響無人機(jī)安全運(yùn)行的重要方面。這樣的系統(tǒng)被稱為自動(dòng)避障系統(tǒng)”(Obstacle Avoidance)，屬于飛控子系統(tǒng)的重要組成部分之一。

目前主流的無人機(jī)避障系統(tǒng)主要有三種，超聲波雷達(dá)、TOF測距、以及相對更復(fù)雜的、由多種測距方法和視覺圖像處理組成的復(fù)合型避障系統(tǒng)。

超聲波測距

超聲波測距的原理是利用超聲波在空氣中的傳播速度為已知，超聲波發(fā)射器向某一方向發(fā)射超聲波，在發(fā)射的同時(shí)開始計(jì)時(shí)，超聲波在空氣中傳播，途中碰到障礙物就立即返回來，超聲波接收器收到反射波就立即停止計(jì)時(shí)。超聲波在空氣中的傳播速度為340m/s，根據(jù)計(jì)時(shí)器記錄的時(shí)間t，就可以計(jì)算出發(fā)射點(diǎn)距障礙物的距離(S)，即：S=340t/2 。這就是時(shí)間差測距法。超聲波測距原理與雷達(dá)原理是一樣的。

無人機(jī)上飛控系統(tǒng)即可。加裝定向的超聲波發(fā)射和接收器，由于超聲波易于定向發(fā)射、方向性好、強(qiáng)度易控制、與被測量物體不需要直接接觸的優(yōu)點(diǎn)。

TOF測距

TOF是飛行時(shí)間（Time of Flight）技術(shù)的縮寫，飛行時(shí)間 – 這是一個(gè)光脈沖前往目標(biāo)并返回的時(shí)間。即傳感器發(fā)出經(jīng)調(diào)制的近紅外光，遇物體后反射，傳感器通過計(jì)算光線發(fā)射和反射時(shí)間差或相位差，來換算被拍攝景物的距離 。

對于小距離測距(<10m)，通常使用三角測量法。 使用這種方法實(shí)現(xiàn)的精度在微米級范圍內(nèi)，但測量的距離很有限。對于100米左右的距離，人經(jīng)常使用的相移測量技術(shù)。 通過激光調(diào)制，傳出和傳入的光之間的相移給計(jì)算出距離。 為了達(dá)到毫米范圍內(nèi)的分辨率，對采樣率的要求非常高。使用時(shí)間數(shù)字轉(zhuǎn)換器，人們有了捷徑來數(shù)字化飛行時(shí)間。 它使直接測量光的飛行時(shí)間成為可能。 原理很簡單，但是細(xì)節(jié)是難點(diǎn)！總所周知，光的飛行速度很快。

C=299792458

C:=光速

因此, 必須能夠處理極短的時(shí)間。 在僅僅 1 微秒的時(shí)間里， 光線就可以穿過 300 米! 高分辨率意味著在時(shí)間測量中的最高精度。一般情況下，光線能夠通過一個(gè)物體和鏡子反射回來，所有光線通過兩倍

的實(shí)際距離。所以我們得出：

D=C/2*TOF

這個(gè)范圍非常適合使用杭州瑞盟公司的MS1022。 單個(gè)芯片TDC 有一個(gè)單一的分辨率 90ps ，它相當(dāng)于13.5mm 距離。通過平均可以提高分辨率到<10ps or<1.5mm。MS1022 是一個(gè)非常通用的集成電路，它可以在不同的模式下被使用。具體哪個(gè)模式被選擇，我們看一下具體的說明：

MS1022內(nèi)部框圖及典型應(yīng)用，如圖1

圖1：MS1022內(nèi)部框圖及典型應(yīng)用

MS1022 測量范圍從0到300m

? 測量范圍從 3.5 ns 到 2. 0 μs (0到2.0μs在不同的Stop通道之間)

? Typ.90ps分辨率rms (13.5 mm)

? 可以通過平均來達(dá)到更好的分辨率

? 直到每秒500,000 次測量

? 20 ns 最小脈沖間隔, 最多接受 4個(gè)脈沖

? 對于每一個(gè)通道的四次采樣能力

? 對于每個(gè)通道可選擇上升 和/或下降沿觸發(fā)

? 窗口功能的使能引腳

MS1022無人機(jī)避障系統(tǒng)應(yīng)用框圖，如圖2：

圖2：MS1022無人機(jī)避障系統(tǒng)應(yīng)用框圖

MS1022 從微處理器得到一個(gè)假測量的開始。光學(xué)參考觸發(fā)Stop1, 反射光束觸發(fā)Stop2。通過MS1022內(nèi)部高速DSP進(jìn)行計(jì)算，得到無人機(jī)與障礙物之間的實(shí)時(shí)距離，將數(shù)據(jù)傳輸給飛控主控器，做為系統(tǒng)控制參數(shù)之一，調(diào)整飛行的速度和方向，保證無人機(jī)的安全、可靠飛行。