时间测量芯片：无人机避障系统的好帮手

几个月前，一架无人机坠毁在美国总统居住地白宫的草坪上，引起了人们对于无人机安全操作的广泛关注。无人机想要继续发展，除了续航、功能进步之外，安全性也是不可小觑的方面。

无人机在飞行过程中能否自动识别到飞行轨迹上的障碍物(固定、移动或突然出现)，并且能及时的躲避，改变和调整飞行轨迹，这个是影响无人机安全运行的重要方面。这样的系统被称为自动避障系统”(Obstacle Avoidance)，属于飞控子系统的重要组成部分之一。

目前主流的无人机避障系统主要有三种，超声波雷达、TOF测距、以及相对更复杂的、由多种测距方法和视觉图像处理组成的复合型避障系统。

超声波测距

超声波测距的原理是利用超声波在空气中的传播速度为已知，超声波发射器向某一方向发射超声波，在发射的同时开始计时，超声波在空气中传播，途中碰到障碍物就立即返回来，超声波接收器收到反射波就立即停止计时。超声波在空气中的传播速度为340m/s，根据计时器记录的时间t，就可以计算出发射点距障碍物的距离(S)，即：S=340t/2 。这就是时间差测距法。超声波测距原理与雷达原理是一样的。

无人机上飞控系统即可。加装定向的超声波发射和接收器，由于超声波易于定向发射、方向性好、强度易控制、与被测量物体不需要直接接触的优点。

TOF测距

TOF是飞行时间（Time of Flight）技术的缩写，飞行时间 – 这是一个光脉冲前往目标并返回的时间。即传感器发出经调制的近红外光，遇物体后反射，传感器通过计算光线发射和反射时间差或相位差，来换算被拍摄景物的距离 。

对于小距离测距(<10m)，通常使用三角测量法。 使用这种方法实现的精度在微米级范围内，但测量的距离很有限。对于100米左右的距离，人经常使用的相移测量技术。 通过激光调制，传出和传入的光之间的相移给计算出距离。 为了达到毫米范围内的分辨率，对采样率的要求非常高。使用时间数字转换器，人们有了捷径来数字化飞行时间。 它使直接测量光的飞行时间成为可能。 原理很简单，但是细节是难点！总所周知，光的飞行速度很快。

C=299792458

C:=光速

因此, 必须能够处理极短的时间。 在仅仅 1 微秒的时间里， 光线就可以穿过 300 米! 高分辨率意味着在时间测量中的最高精度。一般情况下，光线能够通过一个物体和镜子反射回来，所有光线通过两倍

的实际距离。所以我们得出：

D=C/2*TOF

这个范围非常适合使用杭州瑞盟公司的MS1022。 单个芯片TDC 有一个单一的分辨率 90ps ，它相当于13.5mm 距离。通过平均可以提高分辨率到<10ps or<1.5mm。MS1022 是一个非常通用的集成电路，它可以在不同的模式下被使用。具体哪个模式被选择，我们看一下具体的说明：

MS1022内部框图及典型应用，如图1

图1：MS1022内部框图及典型应用

MS1022 测量范围从0到300m

• 测量范围从 3.5 ns 到 2. 0 μs (0到2.0μs在不同的Stop通道之间)

• Typ.90ps分辨率rms (13.5 mm)

• 可以通过平均来达到更好的分辨率

• 直到每秒500,000 次测量

• 20 ns 最小脉冲间隔, 最多接受 4个脉冲

• 对于每一个通道的四次采样能力

• 对于每个通道可选择上升 和/或下降沿触发

• 窗口功能的使能引脚

MS1022无人机避障系统应用框图，如图2：

图2：MS1022无人机避障系统应用框图

MS1022 从微处理器得到一个假测量的开始。光学参考触发Stop1, 反射光束触发Stop2。通过MS1022内部高速DSP进行计算，得到无人机与障碍物之间的实时距离，将数据传输给飞控主控器，做为系统控制参数之一，调整飞行的速度和方向，保证无人机的安全、可靠飞行。