CN204479749U - 一种用于室内飞行无人机的超声波测距系统 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种用于室内飞行无人机的超声波测距系统，其包括：定时器，用于输出PWM调制波；振荡电路，用于接收所述PWM调制波并产生脉冲信号；超声波发射器，用于接收所述脉冲信号并向障碍物发射超声波信号，所述超声波信号经障碍物反射，形成回波信号；超声波接收器，用于接收所述回波信号；信号调理电路，用于对所述超声波接收器接收的回波信号进行放大和抗干扰处理，以提高所述回波信号的信噪比；计时器，其两个输入端分别与振荡电路的输出端和带通滤波电路的输出端，用于获取超声波发射器发射超声波信号以及超声波接收器接收回波信号的时间差。本实用新型在节约成本的同时，提高测量精度和增加测量距离。
Description
技术领域
本实用新型涉及超声测距技术领域，具体涉及一种用于室内飞行无人机的超声波测距系统。
背景技术
目前，随着无人机技术的高速发展，越来越多的无人机开始走入消费类领域，被大众消费者在各种场合使用。出于对微小型无人机在狭小的室内环境飞行时的安全考虑，无人机上配置的安装辅助系统也需要得到更多的重视，其中要解决的一个技术问题是测量无人机室内飞行时与地面、四周障碍物的距离。结合微小型室内无人机的具体情况，对该测距系统提出如下要求：
1)小型化。微小型室内飞行无人机的尺寸较小(轴距低于500mm)，对携带安装的测距系统提出了轻量化的要求，要求体积、重量小型化。另一方面减少无人机载重对保障无人机的运动性能和飞行安全都有积极意义。
2)实时性高。微小型室内飞行无人机系统反应的实时性高，对测距系统的响应时间提出了较高的实时性要求。
3)成本低。服务于消费级产品，要求测距系统低成本，便于普通消费者接受。
现阶段很多微小型无人机采用红外测距系统，其面临的问题是受光线条件影响及反射面材质影响较大，导致测量精度不高和测量距离不远。另一个解决方案是采用激光测距系统，但这在消费类市场成本太高，难以实际使用。
实用新型内容
为了解决上述问题，本实用新型的目的在于提出一种用于室内飞行无人机的超声波测距系统，其通过超声波发射器和超声波接收器的配合，由信号调理电路进行信号放大以及抗干扰处理，节约成本的同时，提高测量精度。
为了实现上述目的，本实用新型采用如下技术方案：
一种用于室内飞行无人机的超声波测距系统，其包括：
定时器，用于输出PWM调制波；
振荡电路，用于接收所述PWM调制波并产生脉冲信号；
超声波发射器，用于接收所述脉冲信号并向障碍物发射超声波信号，所述超声波信号经障碍物反射，形成回波信号；
超声波接收器，用于接收所述回波信号；
信号调理电路，用于对所述超声波接收器接收的回波信号进行放大和抗干扰处理，以提高所述回波信号的信噪比，所述信号调理电路包括前置放大器、增益调节电路以及带通滤波电路，所述回波信号经超声波接收器接收后依次经过前置放大器、增益调节电路以及带通滤波电路；
计时器，其两个输入端分别与振荡电路的输出端和带通滤波电路的输出端，用于获取超声波发射器发射超声波信号以及超声波接收器接收回波信号的时间差。
所述振荡电路和超声波发射器之间还连接有一功率放大器。
所述定时器的测量周期为100ms。
所述增益调节电路包括可控增益放大器、采样电路、比较器和参考电压源，其中，所述可控增益放大器的输入端和输出端分别连接前置放大器的输出端和带通滤波电路的输入端，所述采样电路的输入端连接至可控增益放大器的输出端，所述采样电路的输出端以及参考电压源的输出端分别连接至比较器的正、负输入端，所述比较器的输出端连接至可控增益放大器的增益电压控制参考端。
所述可控增益放大器为芯片AD603。
所述前置放大器包括电阻R1、R2和R3以及放大器A1，其中，放大器A1的负输入端通过电阻R1连接至超声波接收器的输出端，放大器A1的正输入端通过电阻R3接地，放大器A1的输出端连接至可控增益放大器的输入端，电阻R2跨接于放大器A1的输出端和负输入端之间。
所述带通滤波电路包括电阻R4、R5、R7、R8和R9、电容C1和C2以及放大器A2，所述放大器A2的正输入端通过电容C2和电阻R4连接至可控增益放大器的输出端；所述电阻R5和电容C1的一端均连接于电阻R4和电容C2之间，二者的另一端分别连接于放大器A2的输出端和地线；所述电阻R7的两端分别连接于放大器A2的正输入端和地线；所述电阻R8和电阻R9的一端均连接于放大器A2的负输入端，二者的另一端分别连接于放大器A2的输出端和地线。
所述放大器A2为运算放大器TL082。
所述超声波发射器和超声波接收器分别为超声发射传感器UCM40和超声接收探头UCM40R。
本实用新型与现有技术相比，其有益效果在于：
1、采用超声波测距，其本身受光线条件以及反射面材质影响小，提高测量精度、增加测量距离，同时，成本较低。
2、通过前置放大器对回波信号进行放大的同时，有效抑制地线噪声的干扰，提高信噪比；通过增益调节电路抑制环境噪声和人为噪声的影响，提高增益效果；再通过带通滤波电路对室内环境噪声进一步滤除，同时对50Hz工频干扰以及超声波接收器内部噪声进行滤除，大大提高测量精度。
附图说明
图1为本实用新型一种用于室内飞行无人机的超声波测距系统的结构原理图；
图2为图1中前置放大器的电路原理图；
图3为图1中带通滤波电路的电路原理图。
其中：1、无人机主控制器；2、定时器；3、振荡电路；4、超声波发射器；5、障碍物；6、超声波接收器；7、前置放大器；8、增益调节电路；81、可控增益放大器；82、采样电路；83、比较器；84、参考电压源；9、带通滤波电路；10、计时器。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本实用新型的内容做进一步详细说明。
实施例
请参照图1所示，一种用于室内飞行无人机的超声波测距系统，其包括：定时器2、振荡电路3、超声波发射器4、超声波接收器6、由前置放大器7、增益调节电路8以及带通滤波电路9组成的信号调理电路、计时器10。其中，在定时器2上设置测量周期为100ms，其输出PWM调制波经过振荡电路3后产生40KHZ脉冲信号，输出给超声波发射器4以使超声波发射器4发出超声波信号，超声波发射器4和振荡电路3之间可连接功率放大器。超声波发射器4可以采用传统通用的压电陶瓷传感器(如UCM40)，超声波信号经过障碍物5反射形成回波信号，由超声波接收器6进行接收，超声波接收器6采用与超声波发射器4匹配的接收探头(如UCM40R)，最终将超声波调制脉冲转变为交变电压信号，该交变电压信号微弱，属于mV级别的微弱电压信号，需要经过信号调理后才能被无人机主控制器1所采集，因此，信号调理电路主要用于对超声波接收器6接收的回波信号进行放大和抗干扰处理，以提高回波信号的信噪比，其包括前置放大器7、增益调节电路8以及带通滤波电路9，其中，前置放大器7对回波信号进行放大的同时，有效抑制地线噪声的干扰，提高信噪比；增益调节电路8抑制环境噪声和人为噪声的影响，提高增益效果；带通滤波电路9对室内环境噪声进一步滤除，同时对50Hz工频干扰以及超声波接收器内部噪声进行滤除，大大提高测量精度。经过信号调理后，回波信号被送至无人机主控制器1，此时记录二个输入端分别与振荡电路3和带通滤波电路9的输出端连接的计时器10的时间，二者的差值即为超声波发射器4发射超声波信号和超声波接收器6接收回波信号的时间差(脉冲信号到达超声波发射器4以及回波信号由超声波接收器6经信号调理电路到达计时器10的时间可以忽略)，然后通过常规计算公式S＝VT/2即可计算该无人机与障碍物5之间的距离，其中，S为距离，V为声速，T为上述的时间差。定时器2和计时器10可以集成于无人机主控制器1中，也可以是通过无人机主控制器1配置的GPIO口与无人机主控制器1进行连接的分立元件。
具体地，为了防止干扰信号对系统的影响，导致降低测量精度，在本实用新型较佳的实施例中，增益调节电路8包括可控增益放大器81、采样电路82、比较器83和参考电压源84，其中，可控增益放大器81采用芯片AD603，其输入端和输出端分别连接前置放大器7的输出端和带通滤波电路9的输入端，采样电路82的输入端连接至可控增益放大器81的输出端，采样电路82的输出端以及参考电压源84的输出端分别连接至比较器83的正、负输入端，比较器83的输出端连接至可控增益放大器81的增益电压控制参考端。增益调节电路8主要完成对采样电压的反向缩放调整功能，形成最终增益控制电压。其原始信号(来自前置放大器7输出端)输入到可控增益放大器81后有采样电路82进行积分采样并保峰值电平信号，该电平信号与参考电压源84提供的参考电源通过比较器83进行电压比例调整后转换为增益控制电压进入可控增益放大器81的增益电压控制参考端，待前置放大器7输出端后续信号输入到可控增益放大器81时，可控增益放大器81完成对采样电压的反向缩放调整功能。
请参照图2所示，前置放大器7为一反向比例放大电路，其包括电阻R1、R2和R3以及采用高精度、高输入阻抗运算放大器TL082的放大器A1，其中，放大器A1的负输入端通过电阻R1连接至超声波接收器6的输出端，放大器A1的正输入端通过电阻R3接地，放大器A1的输出端连接至可控增益放大器81的输入端，电阻R2跨接于放大器A1的输出端和负输入端之间。
请参照图3所示，为滤除低频段室内环境噪声和50Hz工频干扰以及在高频段的超声波接收器6的内部噪声，因此采用由高精度、高输入阻抗运算放大器TL082的放大器A2以及外围电阻电容构成的带通滤波电路9，具体地，外围电阻电容包括带通滤波电路9包括电阻R4、R5、R7、R8和R9、以及电容C1和C2。放大器A2的正输入端通过电容C2和电阻R4连接至可控增益放大器81的输出端；电阻R5和电容C1的一端均连接于电阻R4和电容C2之间，二者的另一端分别连接于放大器A2的输出端和地线；电阻R7的两端分别连接于放大器A2的正输入端和地线；电阻R8和电阻R9的一端均连接于放大器A2的负输入端，二者的另一端分别连接于放大器A2的输出端和地线。经过该带通滤波电路9后，40KHz左右的有用回波信号被保留，其它的无用信号被削弱，从而为无人机主控制器提供高信噪比的输入信号。
上列详细说明是针对本实用新型可行实施例的具体说明，该实施例并非用以限制本实用新型的专利范围，凡未脱离本实用新型所为的等效实施或变更，均应包含于本案的专利范围中。
Claims (9)
1.一种用于室内飞行无人机的超声波测距系统，其特征在于，其包括：
定时器(2)，用于输出PWM调制波；
振荡电路(3)，用于接收所述PWM调制波并产生脉冲信号；
超声波发射器(4)，用于接收所述脉冲信号并向障碍物(5)发射超声波信号，所述超声波信号经障碍物(5)反射，形成回波信号；
超声波接收器(6)，用于接收所述回波信号；
信号调理电路，用于对所述超声波接收器(6)接收的回波信号进行放大和抗干扰处理，以提高所述回波信号的信噪比，所述信号调理电路包括前置放大器(7)、增益调节电路(8)以及带通滤波电路(9)，所述回波信号经超声波接收器(6)接收后依次经过前置放大器(7)、增益调节电路(8)以及带通滤波电路(9)；
计时器(10)，其两个输入端分别与振荡电路(3)的输出端和带通滤波电路(9)的输出端，用于获取超声波发射器(4)发射超声波信号以及超声波接收器(6)接收回波信号的时间差。
2.根据权利要求1所述的用于室内飞行无人机的超声波测距系统，其特征在于，所述振荡电路(3)和超声波发射器(4)之间还连接有一功率放大器。
3.根据权利要求1所述的用于室内飞行无人机的超声波测距系统，其特征在于，所述定时器(2)的测量周期为100ms。
4.根据权利要求1所述的用于室内飞行无人机的超声波测距系统，其特征在于，所述增益调节电路(8)包括可控增益放大器(81)、采样电路(82)、比较器(83)和参考电压源(84)，其中，所述可控增益放大器(81)的输入端和输出端分别连接前置放大器(7)的输出端和带通滤波电路(9)的输入端，所述采样电路(82)的输入端连接至可控增益放大器(81)的输出端，所述采样电路(82)的输出端以及参考电压源(84)的输出端分别连接至比较器(83)的正、负输入端，所述比较器(83)的输出端连接至可控增益放大器(81)的增益电压控制参考端。
5.根据权利要求4所述的用于室内飞行无人机的超声波测距系统，其特征在于，所述可控增益放大器(81)为芯片AD603。
6.根据权利要求4所述的用于室内飞行无人机的超声波测距系统，其特征在于，所述前置放大器(7)包括电阻R1、R2和R3以及放大器A1，其中，放大器A1的负输入端通过电阻R1连接至超声波接收器(6)的输出端，放大器A1的正输入端通过电阻R3接地，放大器A1的输出端连接至可控增益放大器(81)的输入端，电阻R2跨接于放大器A1的输出端和负输入端之间。
7.根据权利要求4所述的用于室内飞行无人机的超声波测距系统，其特征在于，所述带通滤波电路(9)包括电阻R4、R5、R7、R8和R9、电容C1和C2以及放大器A2，所述放大器A2的正输入端通过电容C2和电阻R4连接至可控增益放大器(81)的输出端；所述电阻R5和电容C1的一端均连接于电阻R4和电容C2之间，二者的另一端分别连接于放大器A2的输出端和地线；所述电阻R7的两端分别连接于放大器A2的正输入端和地线；所述电阻R8和电阻R9的一端均连接于放大器A2的负输入端，二者的另一端分别连接于放大器A2的输出端和地线。
8.根据权利要求7所述的用于室内飞行无人机的超声波测距系统，其特征在于，所述放大器A2为运算放大器TL082。
9.根据权利要求1-8任一项所述的用于室内飞行无人机的超声波测距系统，其特征在于，所述超声波发射器(4)和超声波接收器(6)分别为超声发射传感器UCM40和超声接收探头UCM40R。
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