用于機(jī)器人的超聲波傳感器模塊

隨著傳感器技術(shù)的推廣應(yīng)用，機(jī)器人的發(fā)展也備受關(guān)注，同時(shí)也因?yàn)閭鞲衅骷夹g(shù)的進(jìn)步，使得工業(yè)機(jī)器人的發(fā)展有了支持?？梢妭鞲衅鳛橥苿?dòng)中國機(jī)器人產(chǎn)業(yè)快速有序發(fā)展立下了汗馬功勞。在機(jī)器人中使用的超聲波傳感器是一個(gè)電子模塊，測量距離在3cm到400cm之間。它可以用于幫助機(jī)器人避開障礙物，或用于其他相關(guān)項(xiàng)目的距離測量和避障工程。傳感器可謂是用來檢測機(jī)器人自身的工作狀態(tài)，以及機(jī)器人智能探測外部工作環(huán)境和對象狀態(tài)的核心部件。不僅能感受規(guī)定的被測量，還能按照一定的規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用輸出信號的器件或裝置。

由于超聲波指向性強(qiáng)，在介質(zhì)中傳播的距離較遠(yuǎn)，因而超聲波經(jīng)常用于距離的測量，如測距儀和物位測量儀等,都可以通過超聲波來實(shí)現(xiàn)。利用超聲波檢測往往比較迅速、方便、計(jì)算簡單、易于做到實(shí)時(shí)控制，并且在測量精度方面能達(dá)到工業(yè)實(shí)用的要求，因此在移動(dòng)機(jī)器人的研制上也得到了廣泛的應(yīng)用。

為了使移動(dòng)機(jī)器人能自動(dòng)避障行走，就必須裝備測距系統(tǒng)，以使其及時(shí)獲取距障礙物的距離信息（距離和方向）。在三方向（前、左、右）組成超聲波測距系統(tǒng)，就是為機(jī)器人了解其前方、左側(cè)和右側(cè)的環(huán)境而提供一個(gè)運(yùn)動(dòng)距離信息。超聲波傳感器接上電源可以單獨(dú)作為超聲波測距使用， 超聲波傳感器還可以指定從單片機(jī)I/O端口上輸出分段距離檢測信號，可以直接裝在機(jī)器人上，作為尋物、避障探測等應(yīng)用。下面讓我們以韓國Hagisonic 機(jī)器人超聲波傳感器模塊 - HG-M40系列、HG-L40系列一起來了解用于機(jī)器人的超聲波傳感器模塊具體方案。

一、機(jī)器人超聲波傳感器模塊 - HG-M40系列, HG-L40系列產(chǎn)品特性

探測物體、測量距離

中距

多方向

“點(diǎn)擊噪聲”低

室內(nèi)環(huán)境

死區(qū)最小化

實(shí)時(shí)信號(5V TTL)

在 40kHz 下工作

3 種模塊 ? 收發(fā)器(HG-M40D) ? 發(fā)送器(HG-M40T) ? 接收器(HG-M40R)

二、超聲波測距原理

超聲波發(fā)射器向某一方向發(fā)射超聲波，在發(fā)射時(shí)刻的同時(shí)計(jì)數(shù)器開始計(jì)時(shí)，超聲波在空氣中傳播，途中碰到障礙物面阻擋就立即反射回來，超聲波兩個(gè)接收器分別收到反射波就立即停止計(jì)時(shí)，并測量每條路徑的距離和飛行時(shí)間的比例 (P1+P2, P1+P3)。超聲波在空氣中的傳播速度為340m/s，根據(jù)計(jì)時(shí)器記錄的時(shí)間t，就可以計(jì)算出發(fā)射點(diǎn)距障礙物面的距離s，即：s=340t/2。

三、機(jī)器人超聲波傳感器模塊 - HG-M40系列, HG-L40系列模塊與模式的區(qū)別

1、模塊

① 收發(fā)器(D) : ? 不僅可用作收發(fā)器模塊，而且在不同的接線方式下，可以作為接收器或發(fā)送器使用。

因?yàn)槭瞻l(fā)器要發(fā)出超聲波并等待回復(fù)，它可探測 30cm~40cm 及更遠(yuǎn)的距離。無論怎

樣，它會(huì)盡可能識別出物體是否在某處。

② 發(fā)送器(T) : 僅發(fā)送超聲波。

③ 接收器(R) : 僅接收超聲波。

※ 使用 2 套或更多發(fā)送器和接收器時(shí)，可以進(jìn)行 1~2cm 的近距離探測。

※ 同樣，如果所用的是收發(fā)器，當(dāng)它獨(dú)立用作發(fā)射器或接收器時(shí)，也可以探測到距離短至 1?2Cm 的障礙物。

2、模式

觸發(fā)輸入模式 (M-type)

脈沖串輸入模式(L-type) 3. M-type 與 L-type 間的差別。

由于用超聲波測量距離并不是一個(gè)點(diǎn)測量。超聲波傳感器具有一定的擴(kuò)散特性，發(fā)射的超聲能量主要集中在主波瓣上，沿著主波軸兩側(cè)呈波浪型衰減，（常規(guī)）左右約60°的擴(kuò)散角（可選）。事實(shí)上，距離計(jì)算是基于超聲波成功、垂直的反射名義下進(jìn)行的。但對于移動(dòng)機(jī)器人很難保證其自身運(yùn)動(dòng)姿態(tài)的穩(wěn)定性，采用超聲波傳感器固定在移動(dòng)機(jī)器人車身的探測方式，當(dāng)移動(dòng)機(jī)器人偏離平行墻面時(shí)，探測系統(tǒng)往往很難得到實(shí)際的距離。另外，超聲波這種發(fā)散特性在應(yīng)用于測量障礙物的時(shí)候，只能提供目標(biāo)障礙物的距離信息，而不能提供目標(biāo)的方向和邊界信息。因此需要用多個(gè)超聲傳感器以及其他傳感器共同工作。