超聲波傳感器技術(shù)改進(jìn)要點(diǎn)

李海龍

摘要 本文結(jié)合超聲波測(cè)距原理，對(duì)避障機(jī)器人超聲傳感器技術(shù)的的技術(shù)發(fā)展要點(diǎn)展開(kāi)深入分析，對(duì)其技術(shù)發(fā)展路線和重要專(zhuān)利節(jié)點(diǎn)技術(shù)進(jìn)行了中微觀解讀。從專(zhuān)利的視角分析了超聲傳感器的技術(shù)發(fā)展歷程，并對(duì)超聲傳感器未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行預(yù)測(cè)。

【關(guān)鍵詞】機(jī)器人 避障 超聲 傳感器 專(zhuān)利分析

1 引言

目前用于移動(dòng)機(jī)器人的避障傳感器技術(shù)主要有視覺(jué)、紅外、激光、超聲波傳感器等技術(shù)分支，而與視覺(jué)及激光傳感器比較，超聲波價(jià)格低，設(shè)備堅(jiān)固，當(dāng)機(jī)器人行走時(shí)，往往僅須區(qū)分障礙物的基本形狀以及它們彼此的遠(yuǎn)近，而不用獲得色彩、性態(tài)等數(shù)據(jù);與紅外線傳感器比較，超聲波不但能夠掃描到環(huán)境中物體的有無(wú)，并且可以獲得物體離機(jī)器人的遠(yuǎn)近，比較有利于自主移動(dòng)機(jī)器人取得判斷結(jié)果。本文將對(duì)超聲波傳感器的國(guó)內(nèi)外研究進(jìn)行綜述，并對(duì)其發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行展望。

2 超聲波傳感器避障檢測(cè)方法

超聲波傳感器避障檢測(cè)的方法有多，如渡越時(shí)間檢測(cè)法、相位檢測(cè)法、聲波幅值檢測(cè)法等，其中，渡越時(shí)間檢測(cè)法是通過(guò)回波的返回時(shí)延判斷距離;相位檢測(cè)法是通過(guò)測(cè)量返回波與發(fā)射波之間相差多少相位，判斷距離;聲波幅值檢測(cè)法是根據(jù)回波的幅度大小，判斷距離。

結(jié)合以上各種方法的優(yōu)缺點(diǎn)及具體應(yīng)用，對(duì)移動(dòng)機(jī)器人超聲波避障傳感器國(guó)內(nèi)外專(zhuān)利進(jìn)行篩選，并繪制出針對(duì)各種檢測(cè)方法的重要專(zhuān)利申請(qǐng)時(shí)間節(jié)點(diǎn)，借此形成該領(lǐng)域技術(shù)發(fā)展的脈絡(luò)，如圖l所不。

3 超聲波傳感器技術(shù)改進(jìn)要點(diǎn)

3.1 溫度干擾

當(dāng)超聲波傳感器工作時(shí)，由于測(cè)量超聲波在空氣中的時(shí)間來(lái)測(cè)量距離，聲速必須是一定值，而實(shí)際上聲速是受空氣的溫度、濕度、壓力等的變化影響的，通常情況下，大氣壓力和濕度變化可以忽略不計(jì)，主要影響超聲波傳播速度的就是溫度，一般溫度每變化1℃，聲速變化0.607m/s。把溫度值的變化補(bǔ)償?shù)匠暡ǖ牟ㄋ僦?，可降低溫度?duì)測(cè)距結(jié)果的影響。

1979年，三菱電機(jī)株式會(huì)社提出一種超聲波式距離測(cè)定裝置的溫度補(bǔ)償方法，在不使用熱敏電阻等的情況下高精度地校正溫度，進(jìn)行精準(zhǔn)的超聲波測(cè)距（JPS5612781A）;1984年，Blackwelders公司提出了一種存在溫度補(bǔ)償電路的超聲波測(cè)距裝置，可在寬溫度范圍內(nèi)進(jìn)行精準(zhǔn)輸出（US4567766A）;1989年，韓國(guó)人KimSong-Kun提出了一種帶有溫度補(bǔ)償電路的超聲波測(cè)距裝置（KR920006502BI）：1997年，日本和泉電氣株式會(huì)社，提出了一種超聲波測(cè)距裝置，能夠精確補(bǔ)償大氣溫度而不受參考電壓的影響，產(chǎn)生頻率隨溫度變化而變化的時(shí)鐘信號(hào)（JPH1144759A）：2002年，有國(guó)內(nèi)申請(qǐng)人提出一種采用直接誤差補(bǔ)償方法的高精度超聲測(cè)距儀，采用誤差補(bǔ)償標(biāo)桿，其在測(cè)量中產(chǎn)生的誤差補(bǔ)償系數(shù)，消除了因聲波傳輸介質(zhì)的溫度變化所帶來(lái)的測(cè)量上的誤差（CN2598000Y）;2004年，日本陶瓷株式會(huì)社提出在不降低反射靈敏度的情況下，抑制因溫度變化帶來(lái)的靜電容量的變化，并抑制混響的變化，在不使用溫度補(bǔ)償電容器的狀態(tài)下，實(shí)現(xiàn)了在較寬的溫度范圍內(nèi)近距離穩(wěn)定檢測(cè)障礙物的超聲傳感器（JP2006-135573A）。

3.2 超聲串?dāng)_

超聲串?dāng)_，是指在多個(gè)超聲測(cè)距傳感器同時(shí)工作時(shí)，其中的一個(gè)超聲傳感器接收到的信號(hào)是其他傳感器發(fā)射的超聲或超聲碰到物體以后的回波，并非是自己發(fā)射超聲的回波，由此會(huì)導(dǎo)致測(cè)量的障礙物距離結(jié)果發(fā)生錯(cuò)誤。因此，如何有效地消除超聲串?dāng)_，是當(dāng)前研究熱點(diǎn)。

1991年，Michigan大 學(xué) 的JohannBorenstein和Yoram Koren教授首次提出了“錯(cuò)誤消除快速超聲激勵(lì)（ Error-EliminatingRapid Ultrasonic Firing）”，針對(duì)兩種不同的串?dāng)_源，此法采用“連續(xù)讀數(shù)比較”和“交替延遲比較”分別消除外部和內(nèi)部串?dāng)_源（US005239515A）：2002年，F(xiàn)ortuna、Rizzo和Frasca等提出利用混沌通信領(lǐng)域中的“CPPM混沌脈沖位置調(diào)制（Chaotic PulsePosition Modulation）”的方法來(lái)消除串?dāng)_，CPPM可把超聲傳感器發(fā)射的脈沖之間的間隔和混沌信號(hào)的特性結(jié)合起來(lái)組成屬于每個(gè)超聲傳感器的特殊信號(hào)（US2003/0133362A1）;2006年，天津大學(xué)的孟慶浩教授提出“混沌脈沖序列寬度調(diào)制序列”針對(duì)每個(gè)超聲測(cè)距裝置的超聲傳感器分配唯一的發(fā)射序列，可有效去除超聲串?dāng)_（CN1888932A）：2008年，孟慶浩教授又進(jìn)一步提出“使用遺傳優(yōu)化算法優(yōu)化偽隨機(jī)脈沖位置調(diào)制序列中相鄰脈沖之間的時(shí)間間隔”消除機(jī)器人超聲測(cè)距系統(tǒng)串?dāng)_問(wèn)題（CN101271154A）：2014年，重慶郵電大學(xué)的祿盛副教授等人通過(guò)“引入卷積編碼和相關(guān)函數(shù)結(jié)合”，對(duì)超聲波發(fā)射信號(hào)進(jìn)行卷積編碼，對(duì)超聲波回波信號(hào)進(jìn)行減噪處理，達(dá)到多通道超聲波障礙物防串?dāng)_（CN105277933A）。

4 結(jié)論

超聲波傳感器因安裝簡(jiǎn)單、價(jià)格低廉、不易受光線灰塵和電磁波的影響，廣泛應(yīng)用于移動(dòng)機(jī)器人避障領(lǐng)域，但由于超聲波傳感器不能獲取障礙物的邊界信息、對(duì)障礙物不能準(zhǔn)確定位，存在測(cè)量盲區(qū)，這也將是超聲波傳感器的下一個(gè)重要研究方向。在移動(dòng)機(jī)器人避障傳感器研究方面，將多個(gè)不同類(lèi)型的傳感器結(jié)合使用，充分發(fā)揮各檢測(cè)方法的優(yōu)勢(shì)，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人搜索路徑的高效性、實(shí)用性、優(yōu)化性，這種模式是未來(lái)機(jī)器人避障傳感器的發(fā)展趨勢(shì)。

參考文獻(xiàn)

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