德國TURCK超聲波傳感器,圖爾克TURCK超聲波傳感器，TURCK/39529830/39529839：單榮兵
TURCK超聲波傳感器 安全避障是移動機器人研究的個基本問題。障礙物與機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、價格低廉、硬件容易實現(xiàn) 等優(yōu)點，被廣泛用作測距傳感器。本超聲波測距系統(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。本文對此超聲波測距系統(tǒng)進行了詳細的分析與介紹。 1、超聲波傳感器及其測距原理 超聲波是指頻率高于 20khz 的機械波[1]。為了以超聲波作為檢測手段，必須產 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，但個超聲波傳感器也 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[1]的原理將電能 和超聲波相互轉化，即在發(fā)射超聲波的時候，將電能轉換，發(fā)射超聲波；而在收到 回波的時候，則將超聲振動轉換成電信號。 超聲波測距的原理般采用渡越時間法 tof（timeofflight）[2]。測出超聲波 從發(fā)射到遇到障礙物返回所經歷的時間，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、硬件電路設計 我們設計的超聲波測距系統(tǒng)由德國TURCK超聲波傳感器,圖爾克TURCK超聲波傳感器，TURCK/39529830/39529839：單榮兵

為了從返回信號識別消除超聲波傳感 器的發(fā)送信號，要檢測返回信號必須在啟動發(fā)射信號后 2.38ms 才可以檢測，這樣 就可以抑制輸出得干擾。當超聲波信號碰到障礙物時信號立刻返回，微處理器不停 的掃描 int0 引腳，如果 int0 接收的信號由高電平變?yōu)榈碗娖?，此時表明信號已經返 回，微處理器進入中斷關閉定時器。再把定時器中的數(shù)據(jù)經過換算就可以得出超聲 波傳感器與障礙物之間的距離。 4、實驗數(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際值總有些偏差， 表 1 列出了本超聲測距系統(tǒng)測量值與對應的實際值： 表 1 超聲測距系統(tǒng)測量值與實際值單位：cm 從表中的數(shù)據(jù)可以看出，測量值總是比實際值大出大約 7cm，經過分析原因主 要有三個方面：*方面，超聲波傳感器測得的數(shù)據(jù)受環(huán)境溫度的影響；二方面， 指令運行需占用定的時間而使得測量的數(shù)據(jù)偏大；三方面，為了防止其他信號 的干擾，單片機開始計數(shù)時，驅動電路發(fā)送 16 個脈沖串。對于單個回聲的方式， 當 驅動電路接收到碰到障礙物返回的四個脈沖時就停止計數(shù)，所以zui終測得的時間 比實際距離所對應的時間多出四個脈沖發(fā)送的時間。為了減小測量值與實際值的偏 差，我們采用zui小二乘法[4~5]對表 1 的數(shù)據(jù)進行修正。經過擬合，我們得到下面的 方程：德國TURCK超聲波傳感器,圖爾克TURCK超聲波傳感器，TURCK/39529830/39529839：單榮兵
 y=1.0145x-9.3354（其中：y 為實際值，x 為測量值） 修正后本超聲波測距系統(tǒng)測量值與實際值的對應關系如表 2 所示： 表 2 修正后超聲測距系統(tǒng)測量值與實際值單位： 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，滿足我們的測量 要求。 5、結論 利用超聲波傳感器進行測距，其中主要的就是要保證在電路設計上定要滿足 電路工作的可靠性、穩(wěn)定性。經過實驗與分析，我們認為用 6500 系列距離模塊和 600 系列超聲波傳感器進行距離的測量簡單、經濟、可靠，測得數(shù)據(jù)的誤差比較小 機器人上使用超聲波傳感器的原理/39529830/39529839：單榮兵
超聲波傳感器是用來測量物體的距離。，超聲波傳感器會發(fā)射組高頻聲波， 般為 40-45KHz，當聲波遇到物體后，就會被反彈回，并被接受到。通過計算聲 波從發(fā)射到返回的時間，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喇叭，能將電流信號轉換成高頻聲波，或者將聲波轉換成電 信號。（其實多數(shù)喇叭都可以當作話筒用，不信大家可以去試下，用喇叭代替麥 克風，也是可以的，只不過麥克風將聲波轉化成電信號的能力比較強點。所以， 更加靈敏點。） 換能器在將電型號轉化成聲波的過程中，所產生的聲波并不是理想中的矩形，（圖 1-a），而是個類似花瓣樣形狀，參見（圖 1-b，c）： 圖 1：聲波特性 值得提的是，在實際應用中，產生的波形應該是三維的，類似柱狀體。 對于機器人的應用來說，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，以便可以進行避障動作。就是矩形，不但可以準確的獲得物體的距 離值，也可以準確的獲得方位值，就是正前方。但是實際上，超聲波的波束根據(jù)應 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，機器人將無法準確的確定其避障的動作。當然，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。同理，窄波束可以相對寬波 束獲得更加的方位角。在選擇超聲波傳感器的時候，這個波形特性是必須要考 慮的。 超聲波的問題 超聲波傳感器應用起來原理簡單，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，比如，反射問題，噪音，交叉問題。 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，在實際使用中，很少被探測物體是能被正確的檢測的。圖二給出了幾個例 子。 圖 2：聲波反射 圖 2.a 中的情況叫做三角誤差，當被測物體與傳感器成定角度的時候，所探測的 距離和實際距離有個三角誤差。 圖 2.b 中的情況叫做鏡面反射，這個問題和高中物理中所學的光的反射是樣的。 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，因此無法產生回波，也 就無法產生距離讀數(shù)。這時超聲波傳感器會忽視這個物體的存在。/39529830/39529839：單榮兵
 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構的物體時比 較常見。聲波經過多次反彈才被傳感器接收到，因此實際的探測值并不是真實的距 離值。 這些問題可以通過使用多個按照定角度排列的超聲波圈來解決。通過探測多個超 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，遠遠高于人類能夠聽到的頻率。 但是周圍環(huán)境也會產生類似頻率的噪音。 比如，電機在轉動過程會產生定的高頻， 輪子在比較硬的地面上的摩擦所產生的高頻噪音，機器人本身的抖動，甚當有多 個機器人的時候，其它機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。 這個問題可以通過對發(fā)射的超聲波進行編碼來解決， 比如發(fā)射組長短不同的音波， 只有當探測頭檢測到相同組合的音波的時候，才進行距離計算。這樣可以的避 免由于環(huán)境噪音所引起的誤讀。 交叉問題：交叉問題是當多個超聲波傳感器按照定角度被安裝在機器人上的時候所引起的， 如圖 3 所示。 圖 3：交叉對話問題 超聲波 X 發(fā)出的聲波，經過鏡面反射，被傳感器 Z 和 Y 獲得，這時 Z 和 Y 會根據(jù) 這個信號來計算距離值，從而無法獲得正確的測量。 解決的方法可以通過對每個傳感器發(fā)出的信號進行編碼。讓每個超聲波傳感器只聽 自己的聲音。既然換能器發(fā)出的聲波是瓣狀,那在考慮反射問題引起的誤差時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,在超聲瓣內偏離中軸方向的波束可以更 早地反射回來,實際測量到的距離會更短吧? 解決三角誤差的方法是是安裝的 7 個傳感器,松下 的更狠 50 個.可是還是搞不動如何排列才能解決這個問題. 不知道;樓主能不能給解說下請問可以編碼發(fā)送組長短不同的音波，請問是指頻率還是指振 幅， 我不是學這方面的， 很多不太懂， 但是我們做畢業(yè)設計要用到超聲波傳感器， 希望多多指教！ ！ 謝謝 恩，這個方法是挺不錯的，也直在用！我封裝腔體用的就是硅膠，定程度上會增大傳感器 的震動阻尼， 但是有個弊端， 會降低傳感器的靈敏度！ 不知道改變消音材料會不會能夠果？ 樓主有沒有好的消音材料推薦？另外，我現(xiàn)在設計的這款傳感器是高頻超聲傳感器/39529830/39529839：單榮兵