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德國TURCK傳感器,，原裝圖爾克傳感器
閱讀：465 發(fā)布時(shí)間：2012-11-2圖爾克傳感器的原理一般采用渡越時(shí)間法 tof（timeofflight）[2]。首先測出超聲波 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) 我們設(shè)計(jì)的超聲波測距系統(tǒng)由德國TURCK超聲波傳感器,圖爾克TURCK超聲波傳感器,，TURCK超聲波傳感器 安全避障是移動機(jī)器人研究的一個(gè)基本問題,。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)，被廣泛用作測距傳感器,。本超聲波測距系統(tǒng)選用了 ,。本文對此超聲波測距系統(tǒng)進(jìn)行了詳細(xì)的分析與介紹。超聲波傳感器及其測距原理 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，但一個(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，則將超聲振動轉(zhuǎn)換成電信號,。
TURCK超聲波傳感器經(jīng)過實(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)行距離的測量簡單、經(jīng)濟(jì),、可靠,，測得數(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德國TURCK超聲波傳感器,圖爾克TURCK超聲波傳感器，超聲波傳感器是用來測量物體的距離,。首先,，超聲波傳感器會發(fā)射一組高頻聲波， 一般為 40-45KHz,，當(dāng)聲波遇到物體后,，就會被反彈回，并被接受到,。通過計(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）。聲波反射 圖 2.a 中的情況叫做三角誤差,，當(dāng)被測物體與傳感器成一定角度的時(shí)候,，所探測的 距離和實(shí)際距離有個(gè)三角誤差。但是周圍環(huán)境也會產(chǎn)生類似頻率的噪音,。 比如,，電機(jī)在轉(zhuǎn)動過程會產(chǎn)生一定的高頻， 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,，甚至當(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,，這些都會引起傳感器接收 到錯誤的信號,。 這個(gè)問題可以通過對發(fā)射的超聲波進(jìn)行編碼來解決， 比如發(fā)射一組長短不同的音波,， 只有當(dāng)探測頭檢測到相同組合的音波的時(shí)候,，才進(jìn)行距離計(jì)算。
TURCK開關(guān)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,。 超聲波的問題 超聲波傳感器應(yīng)用起來原理簡單，也很方便,，成本也很低,。這時(shí)超聲波傳感器會忽視這個(gè)物體的存在。德國TURCK超聲波傳感器,圖爾克TURCK超聲波傳感器,，圖 2.c 中的情況可以叫做多次反射,。這種現(xiàn)象在探測墻角或者類似結(jié)構(gòu)的物體時(shí)比 較常見。聲波經(jīng)過多次反彈才被傳感器接收到,，因此實(shí)際的探測值并不是真實(shí)的距 離值。 這些問題可以通過使用多個(gè)按照一定角度排列的超聲波圈來解決,。通過探測多個(gè)超 聲波的返回值,，用來篩選出正確的讀數(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)高于人類能夠聽到的頻率,。既然換能器發(fā)出的聲波是瓣?duì)?那在考慮反射問題引起的誤差時(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,實(shí)際測量到的距離會更短吧? 但是目前的超聲波傳感 器都有一些缺點(diǎn)，比如,，反射問題,，噪音，交叉問題,。對于單個(gè)回聲的方式,， 當(dāng) 驅(qū)動電路接收到碰到障礙物返回的第四個(gè)脈沖時(shí)就停止計(jì)數(shù)，所以zui終測得的時(shí)間 比實(shí)際距離所對應(yīng)的時(shí)間多出四個(gè)脈沖發(fā)送的時(shí)間。為了減小測量值與實(shí)際值的偏 差,，我們采用zui小二乘法[4~5]對表 1 的數(shù)據(jù)進(jìn)行修正,。TURCK超聲波傳感器但是實(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）的傳感器會檢測到任何在波束范 圍的物體,，它可以檢測到物體的距離,，但是確無法檢測到物體的方位，誤差zui高會 有 100 度左右,，機(jī)器人將無法準(zhǔn)確的確定其避障的動作,。當(dāng)然，作為只要探測物體 有或者無的用途來說,，寬波束的傳感器是比較理想的,。
圖爾克傳感器特性聲波換能器就好比一個(gè)喇叭，能將電流信號轉(zhuǎn)換成高頻聲波,，或者將聲波轉(zhuǎn)換成電 信號,。TURCK超聲波傳感器（其實(shí)多數(shù)喇叭都可以當(dāng)作話筒用，不信大家可以去試一下,，用喇叭代替麥 克風(fēng),，也是可以的，只不過麥克風(fēng)將聲波轉(zhuǎn)化成電信號的能力比較強(qiáng)一點(diǎn),。所以,， 更加靈敏一點(diǎn)。） 換能器在將電型號轉(zhuǎn)化成聲波的過程中,，所產(chǎn)生的聲波并不是理想中的矩形,，（圖 1-a），而是一個(gè)類似花瓣一樣形狀,，參見（圖 1-b,，c）： 圖 1：聲波特性 值得一提的是，在實(shí)際應(yīng)用中,，產(chǎn)生的波形應(yīng)該是三維的,，類似柱狀體。 對于機(jī)器人的應(yīng)用來說,，超聲波傳感器主要用來探測物體的距離以及相對于傳感器 的方位,，以便可以進(jìn)行避障動作。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。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理 由于受環(huán)境溫度,、濕度的影響,，超聲傳感器的測量值與實(shí)際值總有一些偏差， 表 1 列出了本超聲測距系統(tǒng)測量值與對應(yīng)的實(shí)際值： 表 1 超聲測距系統(tǒng)測量值與實(shí)際值單位：cm 從表中的數(shù)據(jù)可以看出,，測量值總是比實(shí)際值大出大約 7cm,，經(jīng)過分析原因主 要有三個(gè)方面：*方面，超聲波傳感器測得的數(shù)據(jù)受環(huán)境溫度的影響,；第二方面,， 指令運(yùn)行需占用一定的時(shí)間而使得測量的數(shù)據(jù)偏大；第三方面,，為了防止其他信號 的干擾,，單片機(jī)開始計(jì)數(shù)時(shí)，驅(qū)動電路發(fā)送 16 個(gè)脈沖串,。結(jié)論 利用超聲波傳感器進(jìn)行測距,，其中主要的就是要保證在電路設(shè)計(jì)上一定要滿足 電路工作的可靠性、穩(wěn)定性,。
TURCK超聲波傳感器這樣可以有效的避 免由于環(huán)境噪音所引起的誤讀,。 交叉問題：交叉問題是當(dāng)多個(gè)超聲波傳感器按照一定角度被安裝在機(jī)器人上的時(shí)候所引起的， 如圖 3 所示,。圖二給出了幾個(gè)例 子,。經(jīng)過擬合，我們得到下面的 方程y=1.0145x-9.3354（其中：y 為實(shí)際值,，x 為測量值） 修正后本超聲波測距系統(tǒng)測量值與實(shí)際值的對應(yīng)關(guān)系如表 2 所示： 表 2 修正后超聲測距系統(tǒng)測量值與實(shí)際值單位： 從修正后的數(shù)據(jù)我們可以看出,，系統(tǒng)的測量誤差在±2%以內(nèi)，滿足我們的測量 要求,。2.b 中的情況叫做鏡面反射,，這個(gè)問題和高中物理中所學(xué)的光的反射是一樣的。 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,，因此無法產(chǎn)生回波，也 就無法產(chǎn)生距離讀數(shù),。 就可以獲得物體相對于傳感器的距離值了。 圖 3：交叉對話問題 超聲波 X 發(fā)出的聲波,，經(jīng)過鏡面反射,，被傳感器 Z 和 Y 獲得，這時(shí) Z 和 Y 會根據(jù) 這個(gè)信號來計(jì)算距離值,，從而無法獲得正確的測量,。 解決的方法可以通過對每個(gè)傳感器發(fā)出的信號進(jìn)行編碼。讓每個(gè)超聲波傳感器只聽 自己的聲音。同理,，窄波束可以相對寬波 束獲得更加的方位角,。反射問題：如果被探測物體始終在合適的角度，那超聲波傳感器將會獲得正確的角度,。但是不 幸的是,，在實(shí)際使用中，很少被探測物體是能被正確的檢測的,。
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