德國(guó)TURCK超聲波傳感器,圖爾克TURCK超聲波傳感器,，TURCK/39529830/39529839：?jiǎn)螛s兵
TURCK超聲波傳感器 安全避障是移動(dòng)機(jī)器人研究的個(gè)基本問(wèn)題。障礙物與機(jī)器人之間距離的獲得 是研究安全避障的前提,，超聲波傳感器以其信息處理簡(jiǎn)單,、價(jià)格低廉、硬件容易實(shí)現(xiàn) 等優(yōu)點(diǎn),，被廣泛用作測(cè)距傳感器,。本超聲波測(cè)距系統(tǒng)選用了 senscomp 公司的 polaroid6500 系列超聲波距離模塊和 600 系列傳感器，微處理器采用了 atmel 公司 的 at89c51,。本文對(duì)此超聲波測(cè)距系統(tǒng)進(jìn)行了詳細(xì)的分析與介紹,。 1、超聲波傳感器及其測(cè)距原理 超聲波是指頻率高于 20khz 的機(jī)械波[1],。為了以超聲波作為檢測(cè)手段,，必須產(chǎn) 生超生波和接收超聲波。完成這種功能的裝置就是超聲波傳感器,，習(xí)慣上稱(chēng)為超聲 波換能器或超聲波探頭,。超聲波傳感器有發(fā)送器和接收器，但個(gè)超聲波傳感器也 可具有發(fā)送和接收聲波的雙重作用,。超聲波傳感器是利用壓電效應(yīng)[1]的原理將電能 和超聲波相互轉(zhuǎn)化,，即在發(fā)射超聲波的時(shí)候，將電能轉(zhuǎn)換,，發(fā)射超聲波,；而在收到 回波的時(shí)候，則將超聲振動(dòng)轉(zhuǎn)換成電信號(hào),。 超聲波測(cè)距的原理般采用渡越時(shí)間法 tof（timeofflight）[2],。測(cè)出超聲波 從發(fā)射到遇到障礙物返回所經(jīng)歷的時(shí)間，再乘以超聲波的速度就得到二倍的聲源與 障礙物之間的距離,，即 1,、硬件電路設(shè)計(jì) 我們?cè)O(shè)計(jì)的超聲波測(cè)距系統(tǒng)由德國(guó)TURCK超聲波傳感器,圖爾克TURCK超聲波傳感器，TURCK/39529830/39529839：?jiǎn)螛s兵

為了從返回信號(hào)識(shí)別消除超聲波傳感 器的發(fā)送信號(hào),，要檢測(cè)返回信號(hào)必須在啟動(dòng)發(fā)射信號(hào)后 2.38ms 才可以檢測(cè),，這樣 就可以抑制輸出得干擾。當(dāng)超聲波信號(hào)碰到障礙物時(shí)信號(hào)立刻返回,，微處理器不停 的掃描 int0 引腳,，如果 int0 接收的信號(hào)由高電平變?yōu)榈碗娖剑藭r(shí)表明信號(hào)已經(jīng)返 回,，微處理器進(jìn)入中斷關(guān)閉定時(shí)器,。再把定時(shí)器中的數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)換算就可以得出超聲 波傳感器與障礙物之間的距離,。 4、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理 由于受環(huán)境溫度,、濕度的影響,，超聲傳感器的測(cè)量值與實(shí)際值總有些偏差， 表 1 列出了本超聲測(cè)距系統(tǒng)測(cè)量值與對(duì)應(yīng)的實(shí)際值： 表 1 超聲測(cè)距系統(tǒng)測(cè)量值與實(shí)際值單位：cm 從表中的數(shù)據(jù)可以看出,，測(cè)量值總是比實(shí)際值大出大約 7cm,，經(jīng)過(guò)分析原因主 要有三個(gè)方面：*方面，超聲波傳感器測(cè)得的數(shù)據(jù)受環(huán)境溫度的影響,；二方面,， 指令運(yùn)行需占用定的時(shí)間而使得測(cè)量的數(shù)據(jù)偏大；三方面,，為了防止其他信號(hào) 的干擾,，單片機(jī)開(kāi)始計(jì)數(shù)時(shí)，驅(qū)動(dòng)電路發(fā)送 16 個(gè)脈沖串,。對(duì)于單個(gè)回聲的方式,， 當(dāng) 驅(qū)動(dòng)電路接收到碰到障礙物返回的四個(gè)脈沖時(shí)就停止計(jì)數(shù)，所以zui終測(cè)得的時(shí)間 比實(shí)際距離所對(duì)應(yīng)的時(shí)間多出四個(gè)脈沖發(fā)送的時(shí)間,。為了減小測(cè)量值與實(shí)際值的偏 差,，我們采用zui小二乘法[4~5]對(duì)表 1 的數(shù)據(jù)進(jìn)行修正。經(jīng)過(guò)擬合,，我們得到下面的 方程：德國(guó)TURCK超聲波傳感器,圖爾克TURCK超聲波傳感器,，TURCK/39529830/39529839：?jiǎn)螛s兵
 y=1.0145x-9.3354（其中：y 為實(shí)際值，x 為測(cè)量值） 修正后本超聲波測(cè)距系統(tǒng)測(cè)量值與實(shí)際值的對(duì)應(yīng)關(guān)系如表 2 所示： 表 2 修正后超聲測(cè)距系統(tǒng)測(cè)量值與實(shí)際值單位： 從修正后的數(shù)據(jù)我們可以看出,，系統(tǒng)的測(cè)量誤差在±2%以?xún)?nèi),，滿(mǎn)足我們的測(cè)量 要求。 5,、結(jié)論 利用超聲波傳感器進(jìn)行測(cè)距,，其中主要的就是要保證在電路設(shè)計(jì)上定要滿(mǎn)足 電路工作的可靠性、穩(wěn)定性,。經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)與分析,，我們認(rèn)為用 6500 系列距離模塊和 600 系列超聲波傳感器進(jìn)行距離的測(cè)量簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì),、可靠,，測(cè)得數(shù)據(jù)的誤差比較小 機(jī)器人上使用超聲波傳感器的原理/39529830/39529839：?jiǎn)螛s兵
超聲波傳感器是用來(lái)測(cè)量物體的距離。,，超聲波傳感器會(huì)發(fā)射組高頻聲波,， 般為 40-45KHz，當(dāng)聲波遇到物體后,，就會(huì)被反彈回,，并被接受到,。通過(guò)計(jì)算聲 波從發(fā)射到返回的時(shí)間，再乘以聲波在媒介中的傳播速度（344 米/秒,，空氣中）,。 就可以獲得物體相對(duì)于傳感器的距離值了。 聲波換能器特性聲波換能器就好比個(gè)喇叭,，能將電流信號(hào)轉(zhuǎn)換成高頻聲波,，或者將聲波轉(zhuǎn)換成電 信號(hào)。（其實(shí)多數(shù)喇叭都可以當(dāng)作話(huà)筒用,，不信大家可以去試下,，用喇叭代替麥 克風(fēng),，也是可以的,，只不過(guò)麥克風(fēng)將聲波轉(zhuǎn)化成電信號(hào)的能力比較強(qiáng)點(diǎn)。所以,， 更加靈敏點(diǎn),。） 換能器在將電型號(hào)轉(zhuǎn)化成聲波的過(guò)程中，所產(chǎn)生的聲波并不是理想中的矩形,，（圖 1-a）,，而是個(gè)類(lèi)似花瓣樣形狀，參見(jiàn)（圖 1-b,，c）： 圖 1：聲波特性 值得提的是,，在實(shí)際應(yīng)用中，產(chǎn)生的波形應(yīng)該是三維的,，類(lèi)似柱狀體,。 對(duì)于機(jī)器人的應(yīng)用來(lái)說(shuō)，超聲波傳感器主要用來(lái)探測(cè)物體的距離以及相對(duì)于傳感器 的方位,，以便可以進(jìn)行避障動(dòng)作,。就是矩形，不但可以準(zhǔn)確的獲得物體的距 離值,，也可以準(zhǔn)確的獲得方位值,，就是正前方。但是實(shí)際上,，超聲波的波束根據(jù)應(yīng) 用不同,，有寬波束，和窄波束,。寬波束（圖 1-b）的傳感器會(huì)檢測(cè)到任何在波束范 圍的物體,，它可以檢測(cè)到物體的距離，但是確無(wú)法檢測(cè)到物體的方位,，誤差zui高會(huì) 有 100 度左右,，機(jī)器人將無(wú)法準(zhǔn)確的確定其避障的動(dòng)作,。當(dāng)然，作為只要探測(cè)物體 有或者無(wú)的用途來(lái)說(shuō),，寬波束的傳感器是比較理想的,。同理，窄波束可以相對(duì)寬波 束獲得更加的方位角,。在選擇超聲波傳感器的時(shí)候,，這個(gè)波形特性是必須要考 慮的。 超聲波的問(wèn)題 超聲波傳感器應(yīng)用起來(lái)原理簡(jiǎn)單,，也很方便,，成本也很低。但是目前的超聲波傳感 器都有些缺點(diǎn),，比如,，反射問(wèn)題，噪音,，交叉問(wèn)題,。 反射問(wèn)題：如果被探測(cè)物體始終在合適的角度，那超聲波傳感器將會(huì)獲得正確的角度,。但是不 幸的是,，在實(shí)際使用中，很少被探測(cè)物體是能被正確的檢測(cè)的,。圖二給出了幾個(gè)例 子,。 圖 2：聲波反射 圖 2.a 中的情況叫做三角誤差，當(dāng)被測(cè)物體與傳感器成定角度的時(shí)候,，所探測(cè)的 距離和實(shí)際距離有個(gè)三角誤差,。 圖 2.b 中的情況叫做鏡面反射，這個(gè)問(wèn)題和高中物理中所學(xué)的光的反射是樣的,。 在特定的角度下,，發(fā)出的聲波被光滑的物體鏡面反射出去，因此無(wú)法產(chǎn)生回波,，也 就無(wú)法產(chǎn)生距離讀數(shù),。這時(shí)超聲波傳感器會(huì)忽視這個(gè)物體的存在。/39529830/39529839：?jiǎn)螛s兵
 圖 2.c 中的情況可以叫做多次反射,。這種現(xiàn)象在探測(cè)墻角或者類(lèi)似結(jié)構(gòu)的物體時(shí)比 較常見(jiàn),。聲波經(jīng)過(guò)多次反彈才被傳感器接收到，因此實(shí)際的探測(cè)值并不是真實(shí)的距 離值,。 這些問(wèn)題可以通過(guò)使用多個(gè)按照定角度排列的超聲波圈來(lái)解決,。通過(guò)探測(cè)多個(gè)超 聲波的返回值，用來(lái)篩選出正確的讀數(shù)。 噪音：雖然多數(shù)超聲波傳感器的工作頻率為 40-45Khz,，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于人類(lèi)能夠聽(tīng)到的頻率,。 但是周?chē)h(huán)境也會(huì)產(chǎn)生類(lèi)似頻率的噪音。 比如,，電機(jī)在轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程會(huì)產(chǎn)生定的高頻,， 輪子在比較硬的地面上的摩擦所產(chǎn)生的高頻噪音，機(jī)器人本身的抖動(dòng),，甚當(dāng)有多 個(gè)機(jī)器人的時(shí)候,，其它機(jī)器人超聲波傳感器發(fā)出的聲波，這些都會(huì)引起傳感器接收 到錯(cuò)誤的信號(hào),。 這個(gè)問(wèn)題可以通過(guò)對(duì)發(fā)射的超聲波進(jìn)行編碼來(lái)解決,， 比如發(fā)射組長(zhǎng)短不同的音波， 只有當(dāng)探測(cè)頭檢測(cè)到相同組合的音波的時(shí)候,，才進(jìn)行距離計(jì)算,。這樣可以的避 免由于環(huán)境噪音所引起的誤讀。 交叉問(wèn)題：交叉問(wèn)題是當(dāng)多個(gè)超聲波傳感器按照定角度被安裝在機(jī)器人上的時(shí)候所引起的,， 如圖 3 所示,。 圖 3：交叉對(duì)話(huà)問(wèn)題 超聲波 X 發(fā)出的聲波,，經(jīng)過(guò)鏡面反射,，被傳感器 Z 和 Y 獲得，這時(shí) Z 和 Y 會(huì)根據(jù) 這個(gè)信號(hào)來(lái)計(jì)算距離值,，從而無(wú)法獲得正確的測(cè)量,。 解決的方法可以通過(guò)對(duì)每個(gè)傳感器發(fā)出的信號(hào)進(jìn)行編碼。讓每個(gè)超聲波傳感器只聽(tīng) 自己的聲音,。既然換能器發(fā)出的聲波是瓣?duì)?那在考慮反射問(wèn)題引起的誤差時(shí)為什麼只討論中軸上的波束的 反射情況,而不需要討論其他方向上的波束呢?像圖 2.a,在超聲瓣內(nèi)偏離中軸方向的波束可以更 早地反射回來(lái),實(shí)際測(cè)量到的距離會(huì)更短吧? 解決三角誤差的方法是是安裝的 7 個(gè)傳感器,松下 的更狠 50 個(gè).可是還是搞不動(dòng)如何排列才能解決這個(gè)問(wèn)題. 不知道;樓主能不能給解說(shuō)下請(qǐng)問(wèn)可以編碼發(fā)送組長(zhǎng)短不同的音波,，請(qǐng)問(wèn)是指頻率還是指振 幅， 我不是學(xué)這方面的,， 很多不太懂,， 但是我們做畢業(yè)設(shè)計(jì)要用到超聲波傳感器， 希望多多指教,！ ,！ 謝謝 恩，這個(gè)方法是挺不錯(cuò)的,，也直在用,！我封裝腔體用的就是硅膠，定程度上會(huì)增大傳感器 的震動(dòng)阻尼,， 但是有個(gè)弊端,， 會(huì)降低傳感器的靈敏度！ 不知道改變消音材料會(huì)不會(huì)能夠果？ 樓主有沒(méi)有好的消音材料推薦,？另外,，我現(xiàn)在設(shè)計(jì)的這款傳感器是高頻超聲傳感器/39529830/39529839：?jiǎn)螛s兵