作者：TDK公司新兴传感器产品营销总监Massimo Mascotto
自主无人机在室内飞行时所面临的挑战，远比在室外飞行时更为频繁。在室内环境中，无人机更容易遭遇有机玻璃墙、半透明门、玻璃窗以及镜面等障碍物。而配备传统传感器的无人机往往难以探测并规避这些障碍。
相比之下，搭载超声波飞行时间(ToF)传感器的无人机则能够轻松识别此类障碍，几乎完全避免因未能识别透明或反射表面而导致的碰撞事故。
基于MEMS技术的超声波ToF传感器，可帮助无人机及其他自主设备在复杂环境中实现安全高效的导航。本文将探讨为何超声波ToF技术正逐渐成为室内无人机飞行的首选传感方案。
什么是超声波ToF？
MEMS超声波ToF是一种较新的测距技术，其原理与红外ToF利用光信号测距相似——均通过发射信号并测量其往返时间来确定距离。
在这两种技术中，发射器发出信号(超声波或光信号)，当信号遇到物体后发生反射，由接收传感器捕获。物体的距离由公式计算得出，该公式综合考虑信号传播速度及其往返所需的时间。“飞行时间”即指信号从发射到被接收之间的时间间隔。
超声波位于射频频谱中20kHz以上的频段，这是大多数人耳所能感知的最高频率。实际应用中，提供超声波ToF技术的厂商通常采用若干特定频率，例如低端的50kHz和高端的178kHz。
相比之下，红外线位于可见光频谱范围内，频率介于300GHz至400THz之间。
需要注意的是，ToF技术与传统的接近传感器有本质区别。以红外接近传感器为例，其工作机理完全不同：它发射红外波，并通过检测反射角度判断是否存在物体。这种方法可用于探测一定范围内的目标，但无法实现精确的距离测量。
红外ToF的优缺点
红外ToF传感器擅长测量几厘米至约五米的距离，通常精度可达数毫米。相比传统接近传感器，其最大优势在于能够提供具体的距离信息。过去十年间，红外ToF已广泛应用于各类需要测距功能的场景。
其中自然包括无人机。然而，随着红外ToF无人机在室内环境中的使用日益增多，该技术的一些固有缺陷也逐渐显现。
红外ToF传感器易受阳光和强光干扰(如同摄像头和其他光学系统)。此外，其性能对被测物体的颜色较为敏感，在检测透明物体(如窗户、饮水机等)时表现不佳。更严重的是，镜面及高反射表面会因光线异常反射而误导红外ToF及其他传统光学传感器，导致误判。
超声波ToF的优势
超声波ToF在与红外ToF相当的距离范围(数厘米至约五米)内同样具备高精度。相较于传统接近传感器和早期测距技术，它具有显著优势，尤其在室内应用场景中表现突出：声学频段相对不易受到外界干扰。
与光学技术不同，超声波ToF对目标颜色基本不敏感，且可在完全黑暗环境下正常工作。更重要的是，不同于光学方法，超声波ToF能有效检测透明物体。事实上，其灵敏度之高，甚至可用于测定透明容器内的液位高度——例如监测咖啡机水箱中的水量。
声速较慢也为超声波ToF带来了另一项优势。声速约为343m/s，而光速高达3×10⁸m/s。这意味着，在进行距离测量时，即使没有高速电子电路，也能准确捕捉微小的距离变化。此外，MEMS超声波ToF的能效优于包括红外ToF在内的多种光学方案。
得益于更低的处理复杂度、更低成本的硬件需求以及更低的功耗，MEMS超声波ToF通常是室内无人机最具成本效益的传感解决方案。
实际意义
配备传统传感器(如摄像头及其他光学系统，包括红外ToF)的无人机，可能因无法识别透明或反射表面而发生坠毁。此外，还存在一些非灾难性的运行问题：识别这类障碍所需的时间和不确定性，常导致突发性的航向调整或紧急避障动作。这种飞行过程中的低效行为，无形中加剧了电池消耗。
若改用超声波传感器，则可有效避免这一“运行负担”。超声波能在大多数表面上产生有效反射，使搭载超声波ToF技术的无人机能够精准测量到透明或反射障碍物的距离。由此带来的飞行轨迹更加平稳、高效，有助于节省电量，延长续航时间，提升任务执行效率。
安全即多功能性
稳定、平顺且可预测的飞行性能，直接提升了无人机的操作安全性。
目前，无人机已普遍应用于人烟稀少或无人区域，如仓库及其他商业设施，用于室内巡检、安防巡逻和库存盘点等任务。
更高的安全性意味着无人机有望拓展至人员密集环境的应用，例如办公楼、购物中心、设有大面积玻璃窗或隔断的住宅，以及布满镜子或高反射表面的空间，如零售商店、博物馆和美术馆。
对于商业用户与个人爱好者而言，对无人机安全导航能力的信任至关重要。超声波ToF技术通过确保无人机在复杂室内环境中可靠应对各类挑战性表面，显著增强了用户的信心。这种可靠性与安全性的提升，将进一步推动室内无人机在娱乐、科研及工业等领域的广泛应用。
文章来源：电子工程专辑