無人機（正式名稱為“無人駕駛飛機系統”）正迅速成為一項普遍的技術，個人或企業可以相對自由地購買和操作（這并不意味著可以在任何地方或出于任何目的飛行）。 更現代化的系統安裝有吊艙，能進行互換性有效載荷操作，接受多種傳感器、光源和視頻鏈路。

雖然單獨駕駛的無人機很少在空中發生碰撞，但隨著隨機、非同步的無人機操作數量的增加，這種事件的可能性也隨之增加。 通過使用巧妙的編程和控制機制，多個裝置可以一起協同工作，以移動有效載荷，空投阻燃劑，幫助執行救援，或進行監控。 在這些情況下，必須具備精確的遙控和局部自主防撞技術。

本文探討接近無人機的異物的局部感應和檢測解決方案。 這些傳感器系統可插入內嵌于本地處理器的安全防撞保護層，當主線通信斷開時，讓無人機進入自主模式。

接近技術

有多種技術可用于檢測接近無人機的其他未使用同一數字控制中心進行通信的、或未與之直接通信的無人機或物體。 光學感應就是其中的一種技術。

IR 光學發射器可以發射脈沖信號，光學檢測器（基于光電二極管和光電晶體管）可以從中提取其獨特頻率、占空比和模式。 這些信號被饋送到可以尋找反射信號（其自身頻率）或其他頻率信號的嵌入式控制器。 線性調頻脈沖模式甚至可以編碼一個 ID 號碼，以便無人機了解鄰近者的身份。

發射器和檢測器小而輕，因此可用它們來覆蓋無人機的四周。 這種方法與電梯中常用來檢測電梯關門與否的光幕采用的方法類似。 但是，光幕只進行二維平面侵入檢測，而我們這里則需要三維信息。 僅知道有物體在附近遠遠不夠， 我們還需要知道它有多遠。

雖然該傳感器技術成本低、功耗低（功率相對較低；發射器會消耗相當多的電流）、尺寸小，但它依賴于無人機本身的反射率。 如果它們擁有隱形的扁平設計且為黑色，那么這種技術可能無法產生足夠的效果。 反射器可按照均勻的間隔放置在機身四周。 還需注意的是，可能需要在頂部和底部放置不同模式的反射器。

尤其是當無人機用于隱蔽型軍事應用時，此技術存在另一個問題，即該發射器可充當防無人機武器的歸航信標。 敵人會借此制造低成本的自導向炮彈，毀滅無人機。 反射器還可以使前視發射器以精確的反射模式繪制目標。

盡管如此，對于大多數民用應用，良好的光學反射器解決方案效果甚佳，如低成本、小尺寸的 Silicon Labs SI1102-A-GMR。 在這種情況下，表面貼裝的非金屬組合式光學發射器和接收器（圖 1）能夠檢測 20 英寸遠的反射信號，但在 2.2 至 5.25 伏時需要 400 mA。 該公司的 SI1102EK 評估板可用于對這一器件或 Silicon Labs QuickSense 系列的其它器件進行學習和測試，此外 Digi-Key 網站上還提供了相應的產品培訓單元。

圖 1：小型表面貼裝光學發射器和接收器緊密集成到提供接近檢測解決方案的單片式封裝中。

聲波技術

基于聲音的技術，特別是超聲波，可用來計量接近度和距離，許多超聲波變送器現在可用于此用途。 如果使用緊密過濾，則選擇和微調工作頻率可讓不同的相鄰裝置獨立操作并降低干擾。 與光學技術一樣，如果提供脈寬調制或足夠的捷變頻率范圍，則 ID 可編碼成線性調頻脈沖模式。

像 Murata MA40S4R 這樣的分立變送器就是現成的解決方案，或如 Honeywell SCN-1530SC 之類可作為集成測距裝置。 聲波信號隨著距離增加而更快地散射，因此這種技術非常有局限性，并且距離較遠時可能更難檢測——用于軍事目的時，就難以保護無人機免受自導向武器的攻擊。 背景噪聲，特別是戰場環境中的噪聲，可能會干擾嵌入式微處理器持續提取可靠信號的能力。 此外，電機噪聲（聲學或電氣噪聲）會影響處理器提取持續可靠信號的能力。

與光學接近技術一樣，聲波測距的另一個優點是，有開發系統和評估板可以快速讓您測試此技術。 例如，Analog Devices 提供 EVAL-CN0343-EB1Z 傳感器開發套件，專用于聲波測距。Maxim 還基于其嵌入式處理器，提供了 MAXQ7667EVKIT-1＃ 超聲波測距評估套件（圖 2）。

圖 2：超聲波變送器尺寸較大但重量通常較輕，已可靠地用于檢測接近度和距離。 評估套件讓您能夠在采用特定技術之前，以較低的成本和風險進行測試和學習。

GPS 解決方案

對于非常接近的操作，使用磁性和霍爾效應裝置是可行的，但是對于較長距離的感應通常不可行。 由于需要使用銅線圈，使得這種解決方案既占空間又昂貴。 此外，還會消耗大量電能，以使線圈實現更遠距離的信號傳送。

雖然視頻在這里具有潛在的應用，但實時提取邊緣并確定局部物體所需的處理可能會成為阻撓因素。 更重要的是，雖然提取的邊緣增強信息可能有助于看到外形，但嘗試輕松、準確地辨別距離則并不可行。 對于近旁的小物體或距離遠的大物體，可能會顯示為相同的圖像。

一個可能的解決方案是在每架無人機上使用 GPS 接收器，并且配置自組織型網狀網絡，以便讓每架相鄰無人機與其它無人機之間保持可控制的距離。 GPS 裝置可作為芯片或模塊，提供相當確定的信息，此外許多全球兼容的解決方案都支持 GPS、GLONASS 和 GNSS 標準。 另外，眾多優質制造商均在提供GPS 天線，因此能找到合適的器件布置到無人機上，從而實現可靠的信號采集。 而且，由于 GPS 系統只能接收，所以沒有監視發射器來引導導彈和無人機追蹤者進入。

簡單的 UART、SPI 或 IIC 串行控制和數據訪問能力使其成為與嵌入式微控制器實現無縫集成的不錯選擇。 例如，考慮針對 GPS、GLONASS 和 GNSS 標準的通用Telit WirelessSolutions SL869GNS115T001 模塊（圖 3）。 作為具有 24 引腳、僅重 1.8 克的表面貼裝 LLC 封裝部件，這個 3 至 3.6 伏裝置在數據采集過程中要消耗高達 67 mA 的電流，而待機電流僅 73 uA。

圖 3：使用串行協議將 GPS 實現到專門的 GPS 模塊中，從而提供了一個小型、低成本解決方案，且所需的設計時間短。 通過語音便捷地告知無人機去向何處，無人機便能自動前往。

雷達

一個非常可行的解決方案是，使用按比例縮小的超緊湊型雷達。 射頻技術可完美地適用于本應用，特別是當頻率非常高而導致天線和元件縮為極小的情況下。

另一個優點是，汽車行業已經推動了具有防撞雷達和升降門接近檢測功能的眾多此類技術的發展；并且由于汽車也具有多個面，因此集成式多通道雷達解決方案和前端也是適用的。

例如，Texas Instruments 的 AFE5401TRGCTQ1 是一款單片式四通道模擬雷達前端，配有集成式低噪聲放大器、均衡器、可編程增益放大器、抗鋸齒以及帶有 12 位分辨率的 A/D（圖 4）。 請注意這款 1.8 伏零件如何以 25 Msps 的采樣率在所有通道中實現同步采樣，以及 12 位 CMOS 兼容型并行總線如何將采集數據快速傳輸到主機控制器上。

圖 4：市面上已經出現專為汽車行業開發了像這款四通道接收器這樣的多通道單片雷達器件，它們對于測試和研發無人機的接近和防撞系統也是理想之選。

由于用于防撞和其他應用的小型和緊湊型雷達日益普及，一些好的雷達開發套件（如 Analog Devices 的AD8285CP-EBZ）現在也可用于測試和評估這項技術。

雷達是一項值得密切關注的技術，因為這項技術正在被微型化，用作手勢識別接口器件。 Google 和 Infineon 共同合作推出 Soli 項目，正是使用雷達技術開發這種全新的交互傳感器。 通過檢測手指在空中的位置和動作，完全可以利用多普勒效應來檢測速度——同樣可用來實現豐富的設備交互。 Soli 傳感器能夠高速、高精度地追蹤人手指的亞毫米運動。 這種傳感器適合安裝到芯片上，可進行規模生產，甚至可以直接用于小型可穿戴設備中。 Soli 項目團隊正計劃發布一個開發工具包，允許開發人員創建新的交互和應用。