時間測量芯片：無人機避障系統的好幫手

幾個月前，一架無人機墜毀在美國總統居住地白宮的草坪上，引起了人們對于無人機安全操作的廣泛關注。無人機想要繼續發展，除了續航、功能進步之外，安全性也是不可小覷的方面。

無人機在飛行過程中能否自動識別到飛行軌跡上的障礙物(固定、移動或突然出現)，并且能及時的躲避，改變和調整飛行軌跡，這個是影響無人機安全運行的重要方面。這樣的系統被稱為自動避障系統”(Obstacle Avoidance)，屬于飛控子系統的重要組成部分之一。

目前主流的無人機避障系統主要有三種，超聲波雷達、TOF測距、以及相對更復雜的、由多種測距方法和視覺圖像處理組成的復合型避障系統。

超聲波測距

超聲波測距的原理是利用超聲波在空氣中的傳播速度為已知，超聲波發射器向某一方向發射超聲波，在發射的同時開始計時，超聲波在空氣中傳播，途中碰到障礙物就立即返回來，超聲波接收器收到反射波就立即停止計時。超聲波在空氣中的傳播速度為340m/s，根據計時器記錄的時間t，就可以計算出發射點距障礙物的距離(S)，即：S=340t/2 。這就是時間差測距法。超聲波測距原理與雷達原理是一樣的。

無人機上飛控系統即可。加裝定向的超聲波發射和接收器，由于超聲波易于定向發射、方向性好、強度易控制、與被測量物體不需要直接接觸的優點。

TOF測距

TOF是飛行時間（Time of Flight）技術的縮寫，飛行時間 – 這是一個光脈沖前往目標并返回的時間。即傳感器發出經調制的近紅外光，遇物體后反射，傳感器通過計算光線發射和反射時間差或相位差，來換算被拍攝景物的距離 。

對于小距離測距(<10m)，通常使用三角測量法。 使用這種方法實現的精度在微米級范圍內，但測量的距離很有限。對于100米左右的距離，人經常使用的相移測量技術。 通過激光調制，傳出和傳入的光之間的相移給計算出距離。 為了達到毫米范圍內的分辨率，對采樣率的要求非常高。使用時間數字轉換器，人們有了捷徑來數字化飛行時間。 它使直接測量光的飛行時間成為可能。 原理很簡單，但是細節是難點！總所周知，光的飛行速度很快。

C=299792458

C:=光速

因此, 必須能夠處理極短的時間。 在僅僅 1 微秒的時間里， 光線就可以穿過 300 米! 高分辨率意味著在時間測量中的最高精度。一般情況下，光線能夠通過一個物體和鏡子反射回來，所有光線通過兩倍

的實際距離。所以我們得出：

D=C/2*TOF

這個范圍非常適合使用杭州瑞盟公司的MS1022。 單個芯片TDC 有一個單一的分辨率 90ps ，它相當于13.5mm 距離。通過平均可以提高分辨率到<10ps or<1.5mm。MS1022 是一個非常通用的集成電路，它可以在不同的模式下被使用。具體哪個模式被選擇，我們看一下具體的說明：

MS1022內部框圖及典型應用，如圖1

圖1：MS1022內部框圖及典型應用

MS1022 測量范圍從0到300m

? 測量范圍從 3.5 ns 到 2. 0 μs (0到2.0μs在不同的Stop通道之間)

? Typ.90ps分辨率rms (13.5 mm)

? 可以通過平均來達到更好的分辨率

? 直到每秒500,000 次測量

? 20 ns 最小脈沖間隔, 最多接受 4個脈沖

? 對于每一個通道的四次采樣能力

? 對于每個通道可選擇上升 和/或下降沿觸發

? 窗口功能的使能引腳

MS1022無人機避障系統應用框圖，如圖2：

圖2：MS1022無人機避障系統應用框圖

MS1022 從微處理器得到一個假測量的開始。光學參考觸發Stop1, 反射光束觸發Stop2。通過MS1022內部高速DSP進行計算，得到無人機與障礙物之間的實時距離，將數據傳輸給飛控主控器，做為系統控制參數之一，調整飛行的速度和方向，保證無人機的安全、可靠飛行。