CN104678397A - 用于小型无人机的超声波高度表 - Google Patents

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    • G01S15/02—Systems using the reflection or reradiation of acoustic waves, e.g. sonar systems using reflection of acoustic waves
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Abstract

本发明涉及一种用于小型无人机的超声波高度表，属于中低速小型无人机近地测距技术领域。本发明将超声波测距技术引入无人机近地测距，所设计出的超声波高度表体积小、功耗低，适于安装在载重较轻的小型无人机上。该超声波高度表包括超声波探头和信号采集盒，输出信号为超声波在飞机与地面之间往返所用的时间脉冲。本发明的优点是：造价低廉、小巧轻盈、功耗低、精度高、实时性强。

Description

用于小型无人机的超声波高度表
技术领域
本发明涉及中低速小型无人机近地测距技术领域，具体涉及一种用于小型无人机的超声波高度表。
背景技术
目前，在世界范围内，小型无人机的自主起降技术仍然是一个技术难点，最主要的原因在于：无人机自主起降时，无人机自动驾驶仪需要精确控制飞机的离地高度，但是一般飞行器上使用的测距装置，如无线电高度表、激光高度表等，很难满足小型无人机对其体积、重量、功耗以及成本方面的苛刻需求。然而，相比弹射、伞降、撞网等发射回收方式，无人机自主起降方式的优势是不言而喻的，对于用户而言，它既不需要任何额外的支援保障设备，又不需要人工操控干预，显然是最经济、最便于使用的发射回收方式。对于无人机厂商尤其是民营厂商而言，具有自主起降能力的产品既节约开发成本，又具有很强的市场竞争力。
因此，为了解决使用需求与技术瓶颈之间的突出矛盾，亟需设计一种体积小、成本低、功耗低、精度高的用于小型无人机的测距装置，为自动驾驶仪提供无人机近地时的离地高度，从而使无人机实现自主起降功能。
发明内容
（一）要解决的技术问题
本发明要解决的技术问题是：如何设计一种体积小、成本低、功耗低、精度高的用于小型无人机的测距装置。
（二）技术方案
为了解决上述技术问题，本发明提供了一种用于小型无人机的超声波高度表，包括：超声波探头和信号采集盒，其中，所述超声波探头用于在信号采集盒的控制下，将电脉冲转换成超声波束，以及将障碍物反射回来的超声波束转换成电脉冲传送给信号采集盒；所述信号采集盒包括工装壳体和电路板，所述工装壳体上安装有两个电连接器，第一电连接器与所述超声波探头连接，用于收、发超声波探头的电脉冲，第二电连接器用于向外发送距离信号以及接收对超声波高度表的使能控制信号；所述电路板包括第一电路板和第二电路板，所述第一电路板为测距控制模块，用于驱动超声波探头发出超声波束，所述第二电路板上安装有微控制器与电源模块，这两块电路板通过插针焊接的方式叠摞在一起。
优选地，所述工装壳体为铝合金六面体，底面带有凸缘，凸缘上有四个安装孔位；所述超声波探头通过同轴电缆及同轴插头与第一电连接器相连；所述工装壳体上的两个电连接器均为弯插印制板焊接形式的电连接器，尾部焊接在第二电路板上，与同轴插头对插的第一电连接器的一端通过螺钉固定在工装壳体上；第一电连接器为50Ω特性阻抗的同轴连接器；第二电连接器为4芯航空连接器。
优选地，所述同轴电缆的长度小于5m。
优选地，所述插针的长度为3cm。
优选地，所述微控制器采用PIC12C508A芯片实现，电源模块采用MIC29301芯片实现。
（三）有益效果
本发明将超声波测距技术引入无人机近地测距中，设计了一种用于小型无人机的超声波高度表，其具有如下优点：
1、造价低廉。本发明所选用的元器件都是工业级常见产品，成本低廉，不会对无人机整机造价造成较大影响，从而使无人机系统更具价格竞争力。
2、体积小。超声波高度表的探头无任何额外防护装置，可直接安装在无人机的机腹或机翼底部，占用空间很小，不会对无人机蒙皮强度造成较大影响；超声波高度表的信号采集盒采用电路板叠摞方式，将体积压缩到最小，降低了无人机舱位排布及配重难度。
3、功耗可控。超声波高度表选用低功耗元器件，自身的功耗已经很小，但是为了进一步节约小型无人机极为有限的电力供应，超声波高度表具有使能控制功能，以便无人机自动驾驶仪在必要的时候即起降阶段才使其开启，而其它飞行阶段都使其处于待机模式。
4、精度高。超声波高度表的测距范围为0.15m～11m，相对精度为±1%。因此，无人机离地高度越小，绝对误差越小，无人机停机时，超声波探头的离地高度即为超声波测距误差，本发明可达到0.5cm。所以，超声波高度表的测距误差完全满足无人机自主起降需求。
5、实时性强。超声波高度表为自动驾驶仪提供5Hz的数据刷新率，可满足自动驾驶仪对无人机的降高速率控制。
附图说明
图1为本发明的超声波高度表的组成框图；
图2为本发明的超声波高度表中电路板的组成框图；
图3为本发明的超声波高度表的电路板上的工作流程图。
具体实施方式
为使本发明的目的、内容、和优点更加清楚，下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。
如图1所示，本发明提供了一种用于小型无人机的超声波高度表，包括：超声波探头6和信号采集盒，其中，所述超声波探头6超声波探头集超声波束的收、发于一体，用于在信号采集盒的控制下，将电脉冲转换成超声波束，以及将障碍物反射回来的超声波束转换成电脉冲传送给信号采集盒；所述信号采集盒包括工装壳体5和电路板，所述工装壳体5上安装有两个电连接器，第一电连接器（即第一插座3）与所述超声波探头6连接，用于收、发超声波探头6的电脉冲，第二电连接器（即第二插座4）与自动驾驶仪接口，用于向自动驾驶仪发送距离信号，以及接收自动驾驶仪向超声波高度表发送的使能控制信号；所述电路板包括第一电路板1和第二电路板2，所述第一电路板1为测距控制模块，用于驱动超声波探头发出超声波束，所述第二电路板2上安装有微控制器与电源模块，这两块电路板通过插针焊接的方式叠摞在一起，以便减小超声波高度表的尺寸。
所述工装壳体5为铝合金六面体，底面带有凸缘，凸缘上有四个安装孔位；所述超声波探头6通过同轴电缆7及同轴插头8与第一电连接器相连；所述工装壳体5上的两个电连接器均为弯插印制板焊接形式的电连接器，尾部焊接在第二电路板2上，与同轴插头8对插的第一电连接器的一端通过螺钉固定在工装壳体5上；第一电连接器为50Ω特性阻抗的同轴连接器；第二电连接器为4芯航空连接器。超声波探头6是一个独立的部件，采用SensComp公司的Series600，探头通过软质同轴电缆及同轴插头与第一电连接器相连，电缆的长度可根据飞机尺寸及超声波探头安装位置而定，最长不超过5m。第二电路板2也是一个独立部件，与超声波探头配套使用，选用SensComp公司的6500测距控制模块，它与第一电路板1元件面相向，并通过3cm长的插针焊接在一起，插针既提供了二者信号交互的介质，又是第二电路板2的固定装置，插针既提供了通信介质，又作为紧固装置，这样的结构安装方式极大减小了超声波高度表的尺寸和重量。
如图2所示，工装壳体内的第一电路板上安装微控制器PIC12C508A和电源模块MIC29301，第二电路板为6500测距控制模块。MIC29301为整个电路板提供5V电源，它还接收外部使能控制信号。6500测距控制模块与微控制器PIC12C508A之间的接口信号包括：启动信号、消隐禁止信号和回声信号。微控制器PIC12C508A对外输出一路距离脉冲信号。测距流程如下：
（1）微控制器用GP4引脚作为距离脉冲信号，初始态置1；同时用GP0引脚驱动测距控制模块的INIT引脚，测距控制模块再驱动超声波探头发出超声波束；
（2）微控制器延时1ms，避开超声波束发送起始阶段可能收到的杂波，然后用GP2引脚驱动测距控制模块的BINH引脚，允许测距控制模块反馈ECHO回声信号；
（3）微控制器GP3引脚接收测距控制模块的ECHO回声信号，同时将距离脉冲信号GP4置0，于是GP4高电平代表的时间就是超声波传播一个来回所用的时间。
（4）外部需要距离数据的设备（自动驾驶仪）将GP4高电平时间乘以声音速度便得到距离值。
工装壳体内的电路板所设计选用的元器件均采用能够在-40℃～85℃温度条件下正常工作的元件，以满足温度环境要求。
电路板上的工作流程如图3所示。整个循环周期为200ms，即距离数据的刷新率为5Hz。本流程的巧妙之处在于：无论有没有ECHO回声信号，都要延时80ms之后再走下一步流程。这样一来，若没有收到ECHO信号，则距离脉冲信号GP4就变成80ms，其代表的距离为80/1.8=44英尺=13.5米（声音传播1英尺来回时间为1.8毫秒）。13.5米超过了高度表的最大量程，这显然是一个错误值。因此，本装置并没有纠错能力，而将明显错误的数据提供给数据接收方（自动驾驶仪），让其自行纠错。另一方面，80ms的固定延时也有利于保证整个循环周期稳定。本流程没有将距离脉冲直接转换成距离数字量，而是让数据接收方（自动驾驶仪）自行转换。本流程不纠错、不转换的好处在于：虽然微控制器PIC12C508A处理能力很弱，但是成本极低，将纠错、计算等较为复杂耗时的任务交给处理能力很强的数据接收方（自动驾驶仪），就可以在保证微控制器PIC12C508A满足必要的实时性同时，让产品成本最低。
由以上实施例可以看出，本发明将超声波测距技术引入无人机近地测距，所设计出的超声波高度表体积小、功耗低，适于安装在载重较轻的小型无人机上。该超声波高度表包括超声波探头和信号采集盒，输出信号为超声波在飞机与地面之间往返所用的时间脉冲。本发明的优点是：造价低廉、小巧轻盈、功耗低、精度高、实时性强。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种用于小型无人机的超声波高度表，其特征在于，包括：超声波探头和信号采集盒，其中，所述超声波探头用于在信号采集盒的控制下，将电脉冲转换成超声波束，以及将障碍物反射回来的超声波束转换成电脉冲传送给信号采集盒；所述信号采集盒包括工装壳体和电路板，所述工装壳体上安装有两个电连接器，第一电连接器与所述超声波探头连接，用于收、发超声波探头的电脉冲，第二电连接器用于向外发送距离信号以及接收外部对超声波高度表的使能控制信号；所述电路板包括第一电路板和第二电路板，所述第一电路板为测距控制模块，用于驱动超声波探头发出超声波束，所述第二电路板上安装有微控制器与电源模块，这两块电路板通过插针焊接的方式叠摞在一起。
2.如权利要求1所述的超声波高度表，其特征在于，所述工装壳体为铝合金六面体，底面带有凸缘，凸缘上有四个安装孔位；所述超声波探头通过同轴电缆及同轴插头与第一电连接器相连；所述工装壳体上的两个电连接器均为弯插印制板焊接形式的电连接器，尾部焊接在第二电路板上，与同轴插头对插的第一电连接器的一端通过螺钉固定在工装壳体上；第一电连接器为50Ω特性阻抗的同轴连接器；第二电连接器为4芯航空连接器。
3.如权利要求2所述的超声波高度表，其特征在于，所述同轴电缆的长度小于5m。
4.如权利要求1所述的超声波高度表，其特征在于，所述插针的长度为3cm。
5.如权利要求1～4中任一项所述的超声波高度表，其特征在于，所述微控制器采用PIC12C508A芯片实现，电源模块采用MIC29301芯片实现。
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