01 - 超声波雷达

当给传感器内部的压电晶体施加电压时，晶体会产生机械振动，进而转换成超声波脉冲并由发射换能器发送出去。一旦这些超声波遇到前方的物体，就会被反射回来，再由接收换能器捕捉。接收到的超声波再次作用于压电晶体，产生相应的电信号。这就是超声波传感器的基本原理。

飞行控制器或其他处理单元根据发射到接收的时间差 T 和空气中超声波的速度 V（约343米/秒，在20°C条件下），通过公式 D=V×T/2来计算出传感器与障碍物之间的距离 D。这里除以2是因为超声波往返了一次。

超声波传感器相对于激光雷达、毫米波雷达在成本上有明显优势，而且在短距离（如0~10米）范围内提供了较高的测量精度。与激光测距仪或红外线传感器相比，超声波传感器不需要可见光或红外光即可工作，因此非常适合在黑暗环境中使用。

然而，超声波传感器也存在一些局限性。首先，它的有效测量范围有限，通常不超过十几米，并且随着距离增加，精度会有所下降。其次，温度、湿度变化以及风速等环境因素会影响声波传播速度，从而影响测量精度。尽管超声波传感器在许多方面表现出色，但它并非没有挑战。其中最为棘手的问题之一就是多路径效应。

02 - 在无人机中的应用

● 高度保持

超声波传感器可以通过测量无人机与地面之间的距离来帮助实现这一点。特别是在GPS信号不可用或不稳定的环境中，如室内或密集建筑物区域，超声波传感器提供的高度信息就显得尤为关键。通过实时监控高度变化，无人机可以根据需要调整姿态，确保平稳飞行。这种能力使得无人机即使在复杂环境下也能顺利完成各种任务，比如仓库库存盘点或是建筑内部结构检查。

● 避障功能

超声波传感器能够检测前方、下方或其他方向上的障碍物，并将信息反馈给飞行控制器。结合先进的算法，无人机可以在接近障碍物之前采取规避动作，避免碰撞事故的发生。这不仅提高了无人机的安全性和可靠性，还拓展了其应用范围，使其能够在更为复杂的环境中执行任务。例如，在森林巡检或搜救行动中，超声波传感器可以帮助无人机穿越茂密植被或避开危险地形，从而提高工作效率。

● 着陆辅助

无人机着陆是一个需要特别小心的过程，尤其是在自动降落模式下。此时，超声波传感器可以起到至关重要的作用。当无人机接近地面准备降落时，传感器能够准确地确定离地高度，确保平稳且安全地着陆。

03 - 优化多路径效应的方法

多路径效应简单来说，当超声波遇到多个反射面时，会产生多个回波信号，而不仅仅是来自目标物体的直接回波。这些额外的回波可能会干扰对真实距离的准确判断，导致测量误差。特别是在复杂环境中，如城市街区或室内空间，多路径效应的影响尤为明显。因此，找到有效的解决方案来减轻或消除这种现象，为了克服多路径效应带来的挑战，研究人员提出了多种优化方法和技术：

● 时间门控（Time Gating）：时间门控通过设定一个特定的时间窗口或“门”，只接受在这个时间段内的回波信号，从而排除来自较远路径的间接回波。这种方法基于超声波传播速度恒定的假设，即直接回波总是先于间接回波到达接收器。比如说，无人机使用超声波传感器的距离就是5米以内，那就可以只开启从发送后的291ms左右5ms（5m*2/343）这个窗口,这样就能有效过滤掉多路径效应的回波了。

● 动态阈值检测：动态阈值检测是一种智能方法，它根据接收到的回波强度动态调整阈值水平，以区分有效回波和噪声或多重反射波。当接收到强回波时，系统会立即提升阈值，忽略后续较弱的间接回波。：特别适合用于避障功能，在无人机接近障碍物时提供更准确的距离信息。通过实时调整阈值，可以避免由环境变化导致的误判。

● 多传感器融合：多传感器融合结合了不同类型传感器的数据，如红外、激光测距仪等，利用它们之间的互补信息来确认或校正超声波传感器的结果。

● 波形分析：对回波信号的波形特征进行深入分析，比如振幅、相位、频率特性等，以此来区分直接回波和多路径回波。比如说频率上的变化，多径回波可能会经历频率偏移，这是由于多普勒效应或其他因素引起的，如果反射面是移动的或者超声波在不同介质之间传播，可能会引起频率的变化。

● 空间分集：采用多个不同位置布置的超声波传感器，通过比较各传感器接收到的信号强度和时间差，来消除多路径效应。这种方法增加了硬件成本，但在复杂环境下能显著改善性能。

每种方法都有其适用范围和局限性，实际应用中通常会根据具体情况选择合适的策略或者将几种方法结合起来使用，以达到最佳效果。随着技术的发展，越来越多的智能算法被应用于解决多路径问题，使得超声波传感器的应用更加广泛和可靠。

2025-09-13

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