超声波测距仪在机器人系统有着中举足轻重的作用

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超声波测距仪在机器人系统有着中举足轻重的作用

超声波测距仪的发展历程

毕业设计--超声波测距仪

超声波测距原理的特点

一、超声波测距仪在机器人系统有着中举足轻重的作用

在当今消费、专业服务、社交，甚至是工业机器人中最为普遍的传感器技术之一是超声波传感器。下面工采网小编围绕本来简单说说机器人超声测距的数据采集及处理方案。

机器人中使用的超声波传感器是一个电子模块，测量距离在3cm到400cm之间。它可以用于帮助机器人避开障碍物，或用于其他相关项目的距离测量和避障工程。传感器可谓是用来检测机器人自身的工作状态，以及机器人智能探测外部工作环境和对象状态的核心部件。不仅能感受规定的被测量，还能按照一定的规律转换成可用输出信号的器件或装置。

由于超声波指向性强，在介质中传播的距离较远，因而超声波经常用于距离的测量，如测距仪和物位测量仪等,都可以通过超声波来实现。利用超声波检测往往比较迅速、方便、计算简单、易于做到实时控制，并且在测量精度方面能达到工业实用的要求，因此在移动机器人的研制上也得到了广泛的应用。

工采网提供的一款MaxBotix 高性能声呐测距仪 超声波传感器 - MB7040工业室外I2CXL-MaxSonar-WR传感器有一个坚固的PVC外壳，用于满足IP67的水入侵。这些传感器提供短到长的距离探测和范围狭窄的波束角。I2CXL-MaxSonar-WR户外超声波传感器具有高功率输出、噪声抑制、自动校准。除了标准的I2CXL-MaxSonar-WR外，还开发了在一些危险的化学环境中需要额外保护的F选项。极具腐蚀性的气体或液体会降低或损害传感装置的运行。因此，我们提供了一种化学惰性的密封，使我们的传感器能够在所有的化学环境中操作。除了化学电阻外，传感器在潮湿或尘埃环境中性能也有所提高。

同时，超声波传感器也正被用于存在感测。与用于汽车倒车时的安全报警系统传感器相同，机器人中的超声波传感器用于检测附近的障碍物，以防撞到墙壁、物体、其他机器人和人。另外，它们可以在机器人执行主要功能任务时发挥作用。因此，超声波传感器在近场导航和避障中起着重要作用，最终提高了机器人的整体性能和安全性。

但是，超声波传感器的作用距离有限，大约为一厘米到几米，而最大角度锥体约为 30 度。它们的成本相对较低，并在近距离范围内具有较高的精度，但随着距离和测量角度的增加，其精度会下降。它们也易受温度和压力变化的影响，还会受到使用调谐在相同频率的其他机器人的超声波传感器的干扰。尽管如此，当与其他存在传感器结合使用时，它们还是可以提供实用可靠的位置信息。

为此工采网为客户提供了另一款MaxBotix 机器人超声波传感器 - MB7360。 MB7360是一款高分辨率（1mm）、高精度低功耗的超声波传感器，它在设计上，不仅对干扰噪音做了处理，具备抗噪音干扰能力。而且对于大小不同的目标，和变化的供电电压，做了灵敏度的补偿。另外还具备标准的的内部温度补偿，可选的外部温度补偿，使得测量出来的距离数据更加精准。直接输出精确的距离读数，节省了MCU的资源，更合适应用于机器人领域。

一、超声波测距仪的发展历程

随着机器人技术在其诞生后短短几十年中的迅猛发展,它的应用范围也逐步由工业生产走向人们的生活。如此广泛的应用使得提高人们对机器人的了解显得尤为重要。机器人通过其感知系统察觉前方障碍物距离和周围环境来实现绕障、自动寻线、测距等功能。超声波测距相对其他测距技术而言成本低廉,测量精度较高,不受环境的限制,应用方便，将它与红外、灰度传感器等结合共同实现机器人寻线和绕障功能。超声波由于指向性强、能量消耗缓慢且在介质中传播的距离较远，因而经常用于距离的测量。它主要应用于倒车雷达、测距仪、物位测量仪、移动机器人的研制、建筑施工工地以及一些工业现场等，例如：距离、液位、井深、管道长度、流速等场合。利用超声波检测往往比较迅速、方便，且计算简单、易于做到实时控制，在测量精度方面也能达到工业实用的要求，因此得到了广泛的应用。本课题的研究是非常有实用和有商业价值的。
由于超声波指向性强，能量消耗缓慢，在介质中传播的距离较远，因而超声波经常用于距离的测量，如测距仪和物位测量仪等都可以通过超声波来实现。利用超声波检测往往比较迅速、方便、计算简单、易于做到实时控制，并且在测量精度方面能达到工业实用的要求，因此在移动机器人的研制上
也得到了广泛的应用。为了使移动机器人能自动避障行走，就必须装备测距系统，以使其及时获取距障碍物的距离信息（距离和方向）。超声波测距系统，就是为机器人了解其前方、左侧和右侧的环境而提供一个运动距离信息。
为了研究和利用超声波，人们已经设计和制成了许多超声波发生器。总体上讲，超声波发生器可以分为两大类：一类是用电气方式产生超声波，一类是用机械方式产生超声波。电气方式包括压电型、磁致伸缩型和电动型等；机械方式有加尔统笛、液哨和气流旋笛等。它们所产生的超声波的频率、功率和声波特性各不相同，因而用途也各不相同。目前较为常用的是压电式超声波发生器。

二、毕业设计--超声波测距仪

相关资料，请参考

超声波测距仪设计及其应用分析

[摘要] 本文利用超声波传输中距离与时间的关系，采用AT89C51单片机进行控制及数据处理，设计出了能精确测量两点间距离的超声波测距仪。该测距仪主要由超声波发射器电路、超声波接收器电路、单片机控制电路、环境温度检测电路及显示电路构成。利用所设计出的超声波测距仪，对不同距离进行了测试，并进行了详尽的误差分析。
[关键词] 超声波测距 单片机 温度传感器

随着社会的发展，人们对距离或长度测量的要求越来越高。超声波测距由于其能进行非接触测量和相对较高的精度，越来越被人们所重视。本设计的超声波测距仪，可以对不同距离进行测试，并可以进行详尽的误差分析。

一、设计原理

超声测距仪是根据超声波遇到障碍物反射回来的特性进行测量的。超声波发射器向某一方向发射超声波，在发射同时开始计时，超声波在空气中传播，途中碰到障碍物就立即返回来，超声波接收器收到反射波就立即中断停止计时。 通过不断检测产生波发射后遇到障碍物所反射的回波，从而测出发射超声波和接收到回波的时间差T，然后求出距离L。基本的测距公式为：L=(△t/2)*C
式中 L——要测的距离
T——发射波和反射波之间的时间间隔
C——超声波在空气中的声速，常温下取为340m/s
声速确定后，只要测出超声波往返的时间，即可求得L。

二、超声波测距仪设计目标

测量距离: 5米的范围之内;通过LED能够正确显示出两点间的距离;误差小于5%。

三、数据测量和分析

1.数据测量与分析
由于实际测量工作的局限性，最后在测量中选取了一米以下的30cm、50cm、70cm、80cm、90cm、100cm 六个距离进行测量，每个距离连续测量七次，得出测量数据(温度:29℃),如表所示。从表中的数据可以看出，测量值一般都比实际值要大几厘米，但对于连续测量的准确性还是比较高的。
对所测的每组数据去掉一个最大值和最小值，再求其平均值，用来作为最终的测量数据，最后进行比较分析。这样处理数据也具有一定的科学性和合理性。从表中的数据来看，虽然对超声波进行了温度补偿，但在比较近的距离的测量中其相对误差也比较大。特别是对30cm和50cm的距离测量上，相对误差分别达到了5%和4.8%。但从全部测量结果看，本设计的绝对误差都比较小，也比较稳定。本设计盲区在22.6cm左右，基本满足设计要求。
2.误差分析
测距误差主要来源于以下几个方面：
(1)超声波发射与接收探头与被测点存在一定的角度，这个角度直接影响到测量距离的精确值;(2)超声波回波声强与待测距离的远近有直接关系，所以实际测量时，不一定是第一个回波的过零点触发;(3)由于工具简陋，实际测量距离也有误差。影响测量误差的因素很多，还包括现场环境干扰、时基脉冲频率等等。

四、应用分析

采用超声波测量大气中的地面距离，是近代电子技术发展才获得正式应用的技术，由于超声测距是一种非接触检测技术，不受光线、被测对象颜色等的影响，在较恶劣的环境(如含粉尘)具有一定的适应能力。因此，用途极度广泛。例如:测绘地形图，建造房屋、桥梁、道路、开挖矿山、油井等，利用超声波测量地面距离的方法，是利用光电技术实现的，超声测距仪的优点是:仪器造价比光波测距仪低，省力、操作方便。
超声测距仪在先进的机器人技术上也有应用，把超声波源安装在机器人身上，由它不断向周围发射超声波并且同时接收由障碍物反射回波来确定机器人的自身位置，用它作为传感器控制机器人的电脑等等。由于超声波易于定向发射，方向性好，强度好控制，它的应用价值己被普遍重视。
总之，由以上分析可看出:利用超声波测距，在许多方面有很多优势。因此，本课题的研究是非常有实用和商业价值。

五、结论

本设计的测量距离符合市场要求，测量的盲区也控制在23cm以内。针对市场需求，本设计还可以加大发射功率，让测量的距离更加的远。在显示方面，也可以对程序做适当改动，使开始发射超声波时LED显示出温度值，到超声波回波接收到以后通过计算得出距离值时，LED自动切换显示距离值，这样在视觉效果上得到更加直观的了解。

参考文献:
[1]孙涵芳徐爱卿:MCS一51／96系列单片机原理及应用(修订版)[M].北京：北京航空航天大学出版社.2002.46-170
[2]金篆芷王明时:现代传感器技术[M].电子工业出版社.1995.331—335
[3]孙涵芳徐爱卿:MCS一51／96系列单片机原理及应用(修订版)[M].北京:北京航空航天大学出版社.2002.46-170
[4]路锦正王建勤杨绍国赵珂赵太飞:超声波测距仪的设计[J].传感器技术.2002

三、超声波测距原理的特点

超声波指向性强，在介质中传播的距离较远，因而超声波经常用于距离的测量，如测距仪和物 位测量仪等都可以通过超声波来实现。利用超声波检测往往比较迅速、方便、计算简单、易于做到实时控制，并且在测量精度方面能达到工业实用的要求，因此在移 动机器人的研制上也得到了广泛的应用。
为了使移动机器人能自动避障行走，就必须装备测距系统，以使其及时获取距障碍物的距离信息（距离和方向）。本文所介绍的三方向（前、左、右）超声波测距系统，就是为机器人了解其前方、左侧和右侧的环境而提供一个运动距离信息。