用于机器人的超声波传感器模块

随着传感器技术的推广应用，机器人的发展也备受关注，同时也因为传感器技术的进步，使得工业机器人的发展有了支持。可见传感器为推动中国机器人产业快速有序发展立下了汗马功劳。在机器人中使用的超声波传感器是一个电子模块，测量距离在3cm到400cm之间。它可以用于帮助机器人避开障碍物，或用于其他相关项目的距离测量和避障工程。传感器可谓是用来检测机器人自身的工作状态，以及机器人智能探测外部工作环境和对象状态的核心部件。不仅能感受规定的被测量，还能按照一定的规律转换成可用输出信号的器件或装置。

由于超声波指向性强，在介质中传播的距离较远，因而超声波经常用于距离的测量，如测距仪和物位测量仪等,都可以通过超声波来实现。利用超声波检测往往比较迅速、方便、计算简单、易于做到实时控制，并且在测量精度方面能达到工业实用的要求，因此在移动机器人的研制上也得到了广泛的应用。

为了使移动机器人能自动避障行走，就必须装备测距系统，以使其及时获取距障碍物的距离信息（距离和方向）。在三方向（前、左、右）组成超声波测距系统，就是为机器人了解其前方、左侧和右侧的环境而提供一个运动距离信息。超声波传感器接上电源可以单独作为超声波测距使用， 超声波传感器还可以指定从单片机I/O端口上输出分段距离检测信号，可以直接装在机器人上，作为寻物、避障探测等应用。下面让我们以韩国Hagisonic 机器人超声波传感器模块 - HG-M40系列、HG-L40系列一起来了解用于机器人的超声波传感器模块具体方案。

一、机器人超声波传感器模块 - HG-M40系列, HG-L40系列产品特性

探测物体、测量距离

中距

多方向

“点击噪声”低

室内环境

死区最小化

实时信号(5V TTL)

在 40kHz 下工作

3 种模块 − 收发器(HG-M40D) − 发送器(HG-M40T) − 接收器(HG-M40R)

二、超声波测距原理

超声波发射器向某一方向发射超声波，在发射时刻的同时计数器开始计时，超声波在空气中传播，途中碰到障碍物面阻挡就立即反射回来，超声波两个接收器分别收到反射波就立即停止计时，并测量每条路径的距离和飞行时间的比例 (P1+P2, P1+P3)。超声波在空气中的传播速度为340m/s，根据计时器记录的时间t，就可以计算出发射点距障碍物面的距离s，即：s=340t/2。

三、机器人超声波传感器模块 - HG-M40系列, HG-L40系列模块与模式的区别

1、模块

① 收发器(D) : • 不仅可用作收发器模块，而且在不同的接线方式下，可以作为接收器或发送器使用。

因为收发器要发出超声波并等待回复，它可探测 30cm~40cm 及更远的距离。无论怎

样，它会尽可能识别出物体是否在某处。

② 发送器(T) : 仅发送超声波。

③ 接收器(R) : 仅接收超声波。

※ 使用 2 套或更多发送器和接收器时，可以进行 1~2cm 的近距离探测。

※ 同样，如果所用的是收发器，当它独立用作发射器或接收器时，也可以探测到距离短至 1〜2Cm 的障碍物。

2、模式

触发输入模式 (M-type)

脉冲串输入模式(L-type) 3. M-type 与 L-type 间的差别。

由于用超声波测量距离并不是一个点测量。超声波传感器具有一定的扩散特性，发射的超声能量主要集中在主波瓣上，沿着主波轴两侧呈波浪型衰减，（常规）左右约60°的扩散角（可选）。事实上，距离计算是基于超声波成功、垂直的反射名义下进行的。但对于移动机器人很难保证其自身运动姿态的稳定性，采用超声波传感器固定在移动机器人车身的探测方式，当移动机器人偏离平行墙面时，探测系统往往很难得到实际的距离。另外，超声波这种发散特性在应用于测量障碍物的时候，只能提供目标障碍物的距离信息，而不能提供目标的方向和边界信息。因此需要用多个超声传感器以及其他传感器共同工作。