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超聲波傳感器在移動機器人中的應用"/>

超聲波傳感器是移動機器人避障、測距常用傳感器之一。傳感器安裝在機器人上時距離地面不能太近，太近容易產生干擾信號，而且容易將可以翻越的障礙物當成無法逾越的障礙物。傳感器兩探頭間的距離不能太遠也不能太近，太遠測量誤差過大，太近串擾信號過強。

1、超聲波發射模塊設計

外加信號頻率等于兩壓電晶片的固有振動頻率時，將會發生共振，課題中采用的超聲波傳感器中心頻率為40kHz，因此在超聲波發射電路中，通過軟件編程方式，對單片機I/O口置高和置低，產生40kHz脈沖信號，輸出到發射電路中。由于AT89S51單片機I/O口使用時能提供20mA灌電流能力，而吸電流能力較小，所以用74HC04來提高其輸出電流的能力，保證40kHz的脈沖信號有一定的功率。超聲波發射模塊原理圖如圖所示。

2、超聲波接收模塊設計

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時， 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距信號相與后接單片機中斷口。

在超聲波傳感器的使用過程中，需考慮到以下八個問題：

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

2、壓電陶瓷晶片都有一個固定的諧振頻率。發射超聲波時，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，超聲波傳感器才會有較高的靈敏度。當所用壓電材料不變時，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、在發射狀態時，超聲波感器的振蕩波形要經過一段時間才能達到穩定狀態。為使傳感器充分振蕩起來，需結合傳感器的盲區距離，慎重選擇發射脈寬，以使發射幅度達到最大值。

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

5、由于溫度會對聲波速度產生影響。要保證足夠的測距精度，這也是要考慮的一個因素。在傳感器設計中使用溫度補償功能，可以在環境溫度緩慢改變時保持穩定的性能。但是，在環境溫度快速變化時，傳感器性能仍會受到很大影響。

6、多數超聲波傳感器的工作頻率為40-45Khz，遠遠超出人耳能夠聽到的頻率范圍。但是周圍環境有時也會產生類似頻率的噪音。這些噪聲會影響超聲波傳感器的測量結果。這時，可以通過對發射的超聲波進行編碼來解決，比如發射一組長短不同的音波，只有當探測頭檢測到相同組合的音波時，才進行距離計算。這樣就可以有效的避免由于環境噪音所引起的誤讀。

7、當多個超聲波傳感器一起工作時，由于聲波的反射，也會對測量結果的準確性產生影響，這是需要注意的。通過對超聲波傳感器的安放位置及其本身的性能指標進行仔細的設計，這種影響是可以消除的。

8、被測物體的大小，也會對超聲波傳感器的探測能力有一定的影響。一般來說，對同一個超聲波傳感器來說，被測物體的體積越大，則反射的超聲回波也越大，相應的探測距離就會越遠。反之，被測物體較小時，則超聲波傳感器的探測距離也會比較近。