超聲波傳感器的原理？

超聲波傳感器是用來(lái)測(cè)量物體的距離。首先，超聲波傳感器會(huì)發(fā)射一組高頻聲波，一般為40-45KHz，當(dāng)聲波遇到物體后，就會(huì)被反彈回，并被接受到。通過(guò)計(jì)算聲波從發(fā)射到返回的時(shí)間，再乘以聲波在媒介中的傳播速度（344米/秒，空氣中）。就可以獲得物體相對(duì)于傳感器的距離值了。

聲波換能器特性

聲波換能器就好比一個(gè)喇叭，能將電流信號(hào)轉(zhuǎn)換成高頻聲波，或者將聲波轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。（其實(shí)多數(shù)喇叭都可以當(dāng)作話筒用，不信大家可以去試一下，用喇叭代替麥克風(fēng)，也是可以的，只不過(guò)麥克風(fēng)將聲波轉(zhuǎn)化成電信號(hào)的能力比較強(qiáng)一點(diǎn)。所以，更加靈敏一點(diǎn)。）

換能器在將電型號(hào)轉(zhuǎn)化成聲波的過(guò)程中，所產(chǎn)生的聲波并不是理想中的矩形，（圖1-a），而是一個(gè)類似花瓣一樣形狀，參見(jiàn)（圖1-b，c）：

圖1：聲波特性

值得一提的是，在實(shí)際應(yīng)用中，產(chǎn)生的波形應(yīng)該是三維的，類似柱狀體。

對(duì)于機(jī)器人的應(yīng)用來(lái)說(shuō)，超聲波傳感器主要用來(lái)探測(cè)物體的距離以及相對(duì)于傳感器的方位，以便可以進(jìn)行避障動(dòng)作。最理想就是矩形，不但可以準(zhǔn)確的獲得物體的距離值，也可以準(zhǔn)確的獲得方位值，就是正前方。但是實(shí)際上，超聲波的波束根據(jù)應(yīng)用不同，有寬波束，和窄波束。寬波束（圖1-b）的傳感器會(huì)檢測(cè)到任何在波束范圍的物體，它可以檢測(cè)到物體的距離，但是確無(wú)法檢測(cè)到物體的方位，誤差最高會(huì)有100度左右，機(jī)器人將無(wú)法準(zhǔn)確的確定其避障的動(dòng)作。當(dāng)然，作為只要探測(cè)物體有或者無(wú)的用途來(lái)說(shuō)，寬波束的傳感器是比較理想的。同理，窄波束可以相對(duì)寬波束獲得更加精確的方位角。在選擇超聲波傳感器的時(shí)候，這個(gè)波形特性是必須要考慮的。

超聲波的問(wèn)題

超聲波傳感器應(yīng)用起來(lái)原理簡(jiǎn)單，也很方便，成本也很低。但是目前的超聲波傳感器都有一些缺點(diǎn)，比如，反射問(wèn)題，噪音，交叉問(wèn)題。

反射問(wèn)題

如果被探測(cè)物體始終在合適的角度，那超聲波傳感器將會(huì)獲得正確的角度。但是不幸的是，在實(shí)際使用中，很少被探測(cè)物體是能被正確的檢測(cè)的。圖二給出了幾個(gè)例子。

圖2：聲波反射

圖2.a中的情況叫做三角誤差，當(dāng)被測(cè)物體與傳感器成一定角度的時(shí)候，所探測(cè)的距離和實(shí)際距離有個(gè)三角誤差。

圖2.b中的情況叫做鏡面反射，這個(gè)問(wèn)題和高中物理中所學(xué)的光的反射是一樣的。在特定的角度下，發(fā)出的聲波被光滑的物體鏡面反射出去，因此無(wú)法產(chǎn)生回波，也就無(wú)法產(chǎn)生距離讀數(shù)。這時(shí)超聲波傳感器會(huì)忽視這個(gè)物體的存在。

圖2.c中的情況可以叫做多次反射。這種現(xiàn)象在探測(cè)墻角或者類似結(jié)構(gòu)的物體時(shí)比較常見(jiàn)。聲波經(jīng)過(guò)多次反彈才被傳感器接收到，因此實(shí)際的探測(cè)值并不是真實(shí)的距離值。

這些問(wèn)題可以通過(guò)使用多個(gè)按照一定角度排列的超聲波圈來(lái)解決。通過(guò)探測(cè)多個(gè)超聲波的返回值，用來(lái)篩選出正確的讀數(shù)。

噪音

雖然多數(shù)超聲波傳感器的工作頻率為40-45Khz，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于人類能夠聽(tīng)到的頻率。但是周圍環(huán)境也會(huì)產(chǎn)生類似頻率的噪音。比如，電機(jī)在轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程會(huì)產(chǎn)生一定的高頻，輪子在比較硬的地面上的摩擦所產(chǎn)生的高頻噪音，機(jī)器人本身的抖動(dòng)，甚至當(dāng)有多個(gè)機(jī)器人的時(shí)候，其它機(jī)器人超聲波傳感器發(fā)出的聲波，這些都會(huì)引起傳感器接收到錯(cuò)誤的信號(hào)。

這個(gè)問(wèn)題可以通過(guò)對(duì)發(fā)射的超聲波進(jìn)行編碼來(lái)解決，比如發(fā)射一組長(zhǎng)短不同的音波，只有當(dāng)探測(cè)頭檢測(cè)到相同組合的音波的時(shí)候，才進(jìn)行距離計(jì)算。這樣可以有效的避免由于環(huán)境噪音所引起的誤讀。

交叉問(wèn)題

交叉問(wèn)題是當(dāng)多個(gè)超聲波傳感器按照一定角度被安裝在機(jī)器人上的時(shí)候所引起的，如圖3所示。

圖3：交叉對(duì)話問(wèn)題

超聲波X發(fā)出的聲波，經(jīng)過(guò)鏡面反射，被傳感器Z和Y獲得，這時(shí)Z和Y會(huì)根據(jù)這個(gè)信號(hào)來(lái)計(jì)算距離值，從而無(wú)法獲得正確的測(cè)量。

解決的方法可以通過(guò)對(duì)每個(gè)傳感器發(fā)出的信號(hào)進(jìn)行編碼。讓每個(gè)超聲波傳感器只聽(tīng)自己的聲音。