超聲波傳感器在移動(dòng)機(jī)器人中的應(yīng)用"/>

超聲波傳感器是移動(dòng)機(jī)器人避障、測(cè)距常用傳感器之一。傳感器安裝在機(jī)器人上時(shí)距離地面不能太近，太近容易產(chǎn)生干擾信號(hào)，而且容易將可以翻越的障礙物當(dāng)成無(wú)法逾越的障礙物。傳感器兩探頭間的距離不能太遠(yuǎn)也不能太近，太遠(yuǎn)測(cè)量誤差過(guò)大，太近串?dāng)_信號(hào)過(guò)強(qiáng)。

1、超聲波發(fā)射模塊設(shè)計(jì)

外加信號(hào)頻率等于兩壓電晶片的固有振動(dòng)頻率時(shí)，將會(huì)發(fā)生共振，課題中采用的超聲波傳感器中心頻率為40kHz，因此在超聲波發(fā)射電路中，通過(guò)軟件編程方式，對(duì)單片機(jī)I/O口置高和置低，產(chǎn)生40kHz脈沖信號(hào)，輸出到發(fā)射電路中。由于AT89S51單片機(jī)I/O口使用時(shí)能提供20mA灌電流能力，而吸電流能力較小，所以用74HC04來(lái)提高其輸出電流的能力，保證40kHz的脈沖信號(hào)有一定的功率。超聲波發(fā)射模塊原理圖如圖所示。

2、超聲波接收模塊設(shè)計(jì)

如圖所示，超聲波接收處理電路采用集成電路CX20106. CX20106接收到與其中心頻率相符的信號(hào)時(shí)， 7腳就輸出低電平。 7腳輸出的脈沖下降沿和紅外傳感器測(cè)距信號(hào)相與后接單片機(jī)中斷口。

在超聲波傳感器的使用過(guò)程中，需考慮到以下八個(gè)問(wèn)題：

1、壓電式超聲波傳感器，在物理模型上，相當(dāng)于一個(gè)平板電容器。這種傳感器具有很高的內(nèi)部阻抗。當(dāng)作為接收器使用時(shí)，由于輸出信號(hào)很小，不能直接由主控MCU進(jìn)行處理，故需要在進(jìn)入主控MCU之前進(jìn)行阻抗變換和信號(hào)放大。其前置放大電路需具有較高的輸入阻抗。一般在前端還會(huì)加入RC有源帶通濾波器，以消除超聲波傳播過(guò)程中所受干擾信號(hào)的影響。

2、壓電陶瓷晶片都有一個(gè)固定的諧振頻率。發(fā)射超聲波時(shí)，加在其上面的交變電壓的頻率只有與它的固有諧振頻率一致時(shí)，超聲波傳感器才會(huì)有較高的靈敏度。當(dāng)所用壓電材料不變時(shí)，改變壓電陶瓷晶片的幾何尺寸，就可非常方便的改變其固有諧振頻率。

3、在發(fā)射狀態(tài)時(shí)，超聲波感器的振蕩波形要經(jīng)過(guò)一段時(shí)間才能達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。為使傳感器充分振蕩起來(lái)，需結(jié)合傳感器的盲區(qū)距離，慎重選擇發(fā)射脈寬，以使發(fā)射幅度達(dá)到最大值。

4、超聲波傳感器是有一定的波束角的。如果被探測(cè)物體處于合適的角度中，超聲波傳感器會(huì)獲得正確的檢測(cè)結(jié)果。但是，如果被測(cè)物體的角度有偏差，則傳感器的測(cè)量結(jié)果中就會(huì)包含誤差。其中可能會(huì)出現(xiàn)的誤差有三角誤差、鏡面反射、多次反射等。

5、由于溫度會(huì)對(duì)聲波速度產(chǎn)生影響。要保證足夠的測(cè)距精度，這也是要考慮的一個(gè)因素。在傳感器設(shè)計(jì)中使用溫度補(bǔ)償功能，可以在環(huán)境溫度緩慢改變時(shí)保持穩(wěn)定的性能。但是，在環(huán)境溫度快速變化時(shí)，傳感器性能仍會(huì)受到很大影響。

6、多數(shù)超聲波傳感器的工作頻率為40-45Khz，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出人耳能夠聽(tīng)到的頻率范圍。但是周圍環(huán)境有時(shí)也會(huì)產(chǎn)生類似頻率的噪音。這些噪聲會(huì)影響超聲波傳感器的測(cè)量結(jié)果。這時(shí)，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)射一組長(zhǎng)短不同的音波，只有當(dāng)探測(cè)頭檢測(cè)到相同組合的音波時(shí)，才進(jìn)行距離計(jì)算。這樣就可以有效的避免由于環(huán)境噪音所引起的誤讀。

7、當(dāng)多個(gè)超聲波傳感器一起工作時(shí)，由于聲波的反射，也會(huì)對(duì)測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性產(chǎn)生影響，這是需要注意的。通過(guò)對(duì)超聲波傳感器的安放位置及其本身的性能指標(biāo)進(jìn)行仔細(xì)的設(shè)計(jì)，這種影響是可以消除的。

8、被測(cè)物體的大小，也會(huì)對(duì)超聲波傳感器的探測(cè)能力有一定的影響。一般來(lái)說(shuō)，對(duì)同一個(gè)超聲波傳感器來(lái)說(shuō)，被測(cè)物體的體積越大，則反射的超聲回波也越大，相應(yīng)的探測(cè)距離就會(huì)越遠(yuǎn)。反之，被測(cè)物體較小時(shí)，則超聲波傳感器的探測(cè)距離也會(huì)比較近。