超声波导航原理与优势

2016-11-02 16:55:44 来源：网络编辑：agvbaike

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超声波是一种具有一定频率范围的声波。它具有在同种媒质中以恒定速率传播的特性，而在不同的媒质界面处，会产生反射现象。利用这一特性；就可以根据测量发射波与反射波之间的时间间隔，从而达到测量距离的作用。其主要有三种测距方法：

(1)相位检测法，相位检测法虽然精度高，但检测范围有限。（2)声波幅值检测法,声波幅值检测法易受反射波的影响。（3)渡越时间检测法,渡越时间检测法的工作方式简单，直观，在硬件控制和软件设计上都非常容易实现。其原理为:检测从发射传感器发射超声波，经气体介质传播到接收传感器的时间，这个时间就是渡越时间。在自动导航小车中，小车需要实时的采集环境信息，以实现避障、环境地图建立以及定位等功能，然后进行路径规划等工作。这些任务必须依靠能实时感知环境信息的传感器系统来完成。为了在复杂环境中获取有效的信息，小车系统往往需要配置各种类型的传感器,其中，超声波传感器被广泛地应用到机器人感知系统中。在实际应用中，超声波传感器存在一定的局限性，常常是配合其他传感器来实现准确定位及灵活避障等功能。

传感器性能指标如下：快速简便的按键编程设定，无需电位器调整；开关量和模拟量输出可以同时或单独使用，可选增量或减量输出；远程设定输人可保证设定安全和方便；超声波精确检测距离为350mm ~ 2000mm ；盲区 200mm ~ 350mm ;开角 (-3dB ) € 10° ;宽范围操作温度-20°C〜+7CTC;开关量输出可选NPN和PNP型，模拟量输出0〜10V。

由于超声波传感器存在测量盲区，因而在实际测量中，35cm以内则由红外传感器完成，通过红外开关和超声波传感器配合进行自动导航小车避障控制。

提高超声波测距精度的方法

(1 )采用合适的频率和波长:使用超声波传感器测距，频率取得太低，外界杂音干扰较多,频率取得太高，在传播过程中衰减较大。并且,超声波传感器在测量过程中容易产生盲区，接收端易接收到泄漏波。改善这一缺点，须减少发射波串的长度,增髙发射波频率。但发射波串长度过短会使得发射换能器不能被激振或激振达不到最大值；发射波频率过高则衰减大，作用距离下降。有试验表明：使用40kHz的超声波，发射脉冲群含有10〜20个脉冲，具有较好的传播性能。

(2)提高系统的计时精度也可提高超声波的测距精度,计时器的计数频率越高,则由于时间的量化误差所引起的测距误差就越小。

(3)对系统电路的时间延迟进行补偿可以减小测距误差，提高测距精度。

采用的超声波测距方式具有以下优点：

(1)超声波的传播速度仅为光波的百万分之一，因此可以直接测量较近的距离，纵向分辨率较高。

(2)超声波对色彩、光照度不敏感，可适用于识别透明、半透明及漫反射差的物体（如玻璃、抛光体

等）。

(3)超声波对外界光线和电磁场不敏感,可用于黑暗、有灰尘或烟雾、电磁干扰强等恶劣环境中。

(4)超声波传感器结构简单,体积小,费用低，信息处理简单可靠,易于小型化和集成化。

在自动导航小车中应用的超声波传感器，是利用超声波在空气中的定向传播和固体反射特性（纵波），通过接收自身发射的超声波反射信号,根据超声波发出及回波接收的时间差和传播速度，计算传播距离，从而得到障碍物到小车的距离。从发射波束特性知，由于扩散角的原因，使超声波的角度分辨率较低,但距离分辨率较高。超声波传感器具有反应灵敏、探测速度快的优点,而且结构简单，体积小，成本低，因此应用比较广泛。

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