1引言

　　超聲波測距是一種非接觸檢測技術(shù)，利用超聲波從聲波源處發(fā)出，當(dāng)檢測到障礙物時超聲波反射回到聲波源處，并根據(jù)聲速在空氣中的傳播速度計算障礙物的距離。因超聲波指向性好，不受光線和被測對象顏色等影響，廣泛在機(jī)器人避障上應(yīng)用。傳感器能感知到機(jī)器人在行走路線上出現(xiàn)的靜態(tài)或動態(tài)障礙物，實時將障礙物的距離和方向信息上報，機(jī)器人根據(jù)信息能正確的執(zhí)行下一步動作。

　　隨著機(jī)器人應(yīng)用技術(shù)的高速發(fā)展，市場上出現(xiàn)了不同應(yīng)用領(lǐng)域的機(jī)器人，對傳感器提出了新的要求，如何適配不同領(lǐng)域機(jī)器人的應(yīng)用，是每一個傳感器工程師思考和探索的問題。

　　本文通過對超聲波傳感器在機(jī)器人上的應(yīng)用，來更深入了解避障傳感器的使用。

　　A21、A22、R01產(chǎn)品圖片

　　2傳感器介紹

　　A21、A22、R01是基于機(jī)器人自動控制應(yīng)用而設(shè)計的傳感器，具備了盲區(qū)小、測量適配性強(qiáng)、響應(yīng)時間短、過濾同頻干擾、安裝適配性高、防塵防水、壽命長、可靠性高等一系列優(yōu)點，可以根據(jù)不同的機(jī)器人適配不同參數(shù)的傳感器。

　　功能摘要：

　　?寬電壓供電，工作電壓3.3~24V;

　　?盲區(qū)最小可達(dá)2.5cm;

　　?最遠(yuǎn)量程可設(shè)置，可通過指令設(shè)置50cm-500cm共5級量程等級;

　　?多種輸出方式可選，UART自動/受控、PWM受控、開關(guān)量TTL電平(3.3V)、RS485、IIC等(UART受控和PWM受控可支持超低休眠功耗，休眠功耗≤10uA);

　　?默認(rèn)波特率為115200，可支持波特率修改;

　　?毫秒級響應(yīng)時間，數(shù)據(jù)輸出時間最快可達(dá)13mS;

　　?單、雙角度可選，共支持4級角度等級設(shè)置，以適用不同應(yīng)用場景;

　　?內(nèi)置降噪功能，可支持5級降噪等級設(shè)置;

　　?智能聲波處理技術(shù)，內(nèi)置智能算法過濾干擾聲波，能識別干擾聲波并自動執(zhí)行過濾;

　　?整機(jī)防水設(shè)計，防水等級IP67;

　　?安裝適配性強(qiáng)，安裝方式簡便、穩(wěn)固可靠;

　　?支持遠(yuǎn)程固件升級;

　　3產(chǎn)品參數(shù)

　　(1)基本參數(shù)

　　(2)探測范圍

　　超聲波避障傳感器有雙角度版本選擇，當(dāng)產(chǎn)品豎立安裝時，水平左右方向探測角度大，可以增大避障覆蓋范圍，垂直上下方向探測角度小，同時規(guī)避了行駛過程因路面不平導(dǎo)致誤觸發(fā)。

測量范圍示意圖

　　4超聲波避障傳感器技術(shù)方案

　　(1)硬件結(jié)構(gòu)示意圖

　　(2)工作流程

　　a、傳感器上電為各電路供電。

　　b、處理器啟動自檢，保證各電路工作正常。

　　c、處理器自檢辨別環(huán)境是否存在超聲波同頻干擾信號，及時進(jìn)行過濾處理異體聲波，當(dāng)發(fā)現(xiàn)無法給到用戶正確距離值時，給出異常標(biāo)志數(shù)據(jù)以防止出錯，然后跳到流程k

　　d、處理器發(fā)送指令給升壓激勵脈沖電路，根據(jù)角度和量程控制激勵強(qiáng)度。

　　e、超聲波探頭T工作后發(fā)射聲波信號。

　　f、超聲波探頭R工作后接收聲波信號。

　　g、微弱的聲波信號經(jīng)信號放大電路進(jìn)行放大，返回處理器

　　h、放大后的信號經(jīng)整形后返回處理器，內(nèi)置智能算法過濾干擾聲波技術(shù)，可以有效篩選出真目標(biāo)。

　　i、溫度檢測電路，檢測外界環(huán)境溫度反饋給處理器。

　　j、處理器辨別回波返回的時間結(jié)合外界環(huán)境溫度進(jìn)行溫度補(bǔ)償，算出距離值(s=v*t/2)。

　　k、處理器將算好的數(shù)據(jù)信號通過連接線傳送給客戶端，并返回a。

　　(3)干擾處理技術(shù)

　　超聲在機(jī)器人領(lǐng)域運用，會面對各種干擾源，如供電的電源噪聲、跌落、浪涌、瞬變等。機(jī)器人內(nèi)部控制電路和電機(jī)的輻射干擾。超聲是以空氣為媒介工作的，當(dāng)一臺機(jī)器人安裝多個超聲傳感器，多臺機(jī)器人同時相鄰工作時，空間同一時域內(nèi)會有很多非本機(jī)的超聲信號，此時機(jī)器人之間的相互干擾會很嚴(yán)重。

　　針對這些干擾問題，傳感器內(nèi)置了非常靈活的適配技術(shù)，可支持5級降噪等級設(shè)置，同頻干擾過濾可設(shè)置，量程和角度可設(shè)置，運用回波過濾算法，有較強(qiáng)的抗干擾能力。

　　經(jīng)過電應(yīng)普實驗室通過如下測試方式：使用4臺超聲波避障傳感器對沖測量，模擬多機(jī)工作環(huán)境，記錄數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)正確率達(dá)到98%以上。

　　抗干擾技術(shù)測試示意圖

　　(4)波束角可調(diào)

    可軟件配置傳感器波束角4個等級：40°、45°、55°、65°，滿足不同場景應(yīng)用需求。

　　5超聲波避障傳感器技術(shù)方案

　　在機(jī)器人避障應(yīng)用領(lǐng)域中，傳感器就相當(dāng)于機(jī)器人的眼睛，機(jī)器人能否靈活快速運動很大程度取決于傳感器返回的測量信息，超聲波避障傳感器在同類型傳感器中，是一種低成本，低速行駛的可靠避障產(chǎn)品，產(chǎn)品在機(jī)器人四周安裝，與機(jī)器人控制中心進(jìn)行通訊，根據(jù)機(jī)器人的運動方向啟動不同的測距傳感器進(jìn)行距離探測，實現(xiàn)快速響應(yīng)，按需檢測的要求，同時超聲波傳感器擁有的大FOV視場角有助于機(jī)器獲得更大的測量空間，從而覆蓋正前方所需探測區(qū)域。

   　6超聲波傳感器在機(jī)器人避障應(yīng)用的方案亮點

　　?超聲波避障雷達(dá)FOV與深度攝像頭類似，成本約為深度攝像頭的20%;

　　?全量程毫米級精度分辨率，優(yōu)于深度攝像頭;

　　?測試結(jié)果不受外界環(huán)境顏色、光線強(qiáng)度影響，透明材質(zhì)障礙物可穩(wěn)定檢測，如玻璃、透明塑料等;

　　?不受灰塵、污泥、霧氣、酸堿環(huán)境的干擾，高可靠性，省心，維護(hù)率低;

　　?體積小，巧滿足機(jī)器人外置和內(nèi)嵌設(shè)計，可應(yīng)用于多種場景的服務(wù)機(jī)器人，滿足客戶多樣性需求，降低成本。