基于HC—SR04超聲波傳感器的智能避障小車設(shè)計(jì)

李方旭+++馬彬瀚+++丁偉+++趙靜秋

摘 要：針對智能避障小車采用多路傳感器導(dǎo)致的串口資源的浪費(fèi)，以及無法準(zhǔn)確的對存在間距的障礙物執(zhí)行避障操作和避障后偏離軌道的缺陷，設(shè)計(jì)了一種三回路超聲波傳感器避障的方法，通過對距離的計(jì)算和判斷，使小車能夠在與障礙物不發(fā)生碰撞的情況下執(zhí)行避障操作，并使小車回到原始方向。

關(guān)鍵詞：智能小車；避障；超聲波傳感器

1 概述

機(jī)器人從最初的示范模仿機(jī)器人，到現(xiàn)在的具有感知能力的智能機(jī)器人，在技術(shù)上有了很大的進(jìn)步[1-2]。隨著機(jī)器人科學(xué)的發(fā)展，機(jī)器人已經(jīng)應(yīng)用到生活、娛樂、軍事、醫(yī)學(xué)等各個(gè)方面。其中智能避障小車就是應(yīng)用于生活、娛樂軍事等領(lǐng)域的產(chǎn)品。智能避障小車采用兩輪或四輪驅(qū)動，行動靈活，操作方便，其避障系統(tǒng)能夠在行進(jìn)中對小車的前進(jìn)方向進(jìn)行調(diào)節(jié)，避免發(fā)生碰撞或摩擦[3]。目前智能小車在實(shí)現(xiàn)避障功能時(shí)，往往在前方安裝兩個(gè)及以上的超聲波傳感器，由于超聲波以聲波的形式傳播，存在波束角，這會引起傳感器之間的干擾，而且安裝多個(gè)傳感器也會占用多個(gè)串口資源。故設(shè)計(jì)出了一種在前端使用一個(gè)傳感器的情況下任然能夠精確避障的算法。

2 超聲波測距原理

方法設(shè)計(jì)中使用HC-SR04超聲波測距傳感器，其使用方法簡單，模塊性能穩(wěn)定，測度距離精確，普遍用于智能小車的避障系統(tǒng)中。超聲波測距有相位探測法、渡越時(shí)間探測法和聲波幅值探測法三種方法[4]。

渡越時(shí)間探測法，指的是超聲波發(fā)生器往某個(gè)方向發(fā)射超聲波，計(jì)時(shí)開始于發(fā)射的時(shí)間點(diǎn)，此后超聲波沿直線傳播，當(dāng)超聲波撞擊到物體時(shí)就被反射回來，當(dāng)超聲波接收器接收到返回來的回波時(shí)計(jì)時(shí)停止。超傳感器與物體之間的距離d可以由公式（2.1）得出，其中c為空氣中超聲波沿直線傳播的速度，t為傳感器測量的時(shí)間[5-6]。

但由于發(fā)射的超聲波存在波束角，當(dāng)障礙物偏離傳感器一定角度時(shí)，傳感器將檢測不到障礙物，因此小車就可能與障礙物發(fā)生碰撞或摩擦。

3 避障距離計(jì)算

該設(shè)計(jì)基于兩輪驅(qū)動的智能小車，計(jì)算出多個(gè)避障距離，最終選用最大的距離作為安全避障距離（以下均討論臨界狀態(tài)）。小車的模型及傳感器布置分別如圖2所示。

安全距離R（或D）：

若小車在轉(zhuǎn)彎時(shí)采用單輪轉(zhuǎn)動的方法，則安全距離為小車的直徑D，若是采用兩個(gè)輪子反向同速轉(zhuǎn)動，則安全距離為小車半徑R。

安全距離d1：

由于傳感器發(fā)出的超聲波有波束角，可以測量角度為？茲的扇形范圍內(nèi)的障礙物，若小車的避障距離過近，在圖3所示的情況中，即使前方有障礙物，傳感器1也檢測不到，所以需要提高避障距離。只有當(dāng)障礙物的距離a大于小車的直徑D時(shí)，小車才能安全通過，如圖4所示，其中避障距離d1可根據(jù)公式3.1計(jì)算得出。

若車體距離障礙物等于d1時(shí)能檢測到障礙物，則說明前方無法通過，需執(zhí)行避障操作；若大于d1時(shí)檢測到無障礙物，說明前方無障礙或可以通過障礙的間隙，可通過。

安全距離d2：

若執(zhí)行避障操作，假設(shè)左轉(zhuǎn)。存在以下兩種情況：

情況1：若兩輪反向同速轉(zhuǎn)動，則左轉(zhuǎn)后車體右側(cè)與障礙物的仍為d1，如圖5（a）所示。若傳感器3檢測到障礙物，則繼續(xù)直行，若在前進(jìn)時(shí)檢測到右側(cè)無障礙，則執(zhí)行右轉(zhuǎn)，通過障礙回到原始方向。

情況2：若單輪轉(zhuǎn)動，則左轉(zhuǎn)后車體右側(cè)與障礙物的距離變?yōu)閐1-R，如圖5（b）所示。然后繼續(xù)直行。若要在此之后再次右轉(zhuǎn)回到原始方向，由于是單輪轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)彎，則障礙物間距a應(yīng)大于等于D，在臨界狀態(tài)下，傳感器3剛檢測到障礙物時(shí)，如圖6所示，可以得出a/2=D。

綜上所述，若選擇兩輪反向同速轉(zhuǎn)彎，則避障距離選擇Max（R，d1）（即R和d1中的最大值）；若選擇單輪轉(zhuǎn)彎，由于安全距離d2恒大于安全距離d1，故避障距離選擇Max（R，d2）；若采用差速轉(zhuǎn)彎，避障距離仍可采用上述思路進(jìn)行計(jì)算。

4 實(shí)驗(yàn)測試

基于以上的避障距離算法，設(shè)計(jì)了一款智能避障小車。小車直徑為14cm，采用兩輪反向同速轉(zhuǎn)彎，HC-SR04超聲波傳感器的波束角為10°，計(jì)算得出安全距離d1=80cm，在障礙物如圖7所示（其中 始終大于D）。a1為直行時(shí)障礙物的間離，a2為左轉(zhuǎn)后車體右側(cè)障礙物的間距。

由表中數(shù)據(jù)可以看出基于該設(shè)計(jì)的智能避障小車在有間距的障礙物情況下避障或通過的成功率遠(yuǎn)大于前端安裝兩個(gè)傳感器的避障小車，有效的實(shí)現(xiàn)該設(shè)計(jì)避障小車的避障以及回到原方向的成功率。

5 結(jié)束語

文章采用三回路的HC-SR04超聲波傳感器對障礙物進(jìn)行檢測，在車體前方安裝一個(gè)超聲波傳感器，節(jié)約了串口資源，并且能夠在避障后回到原始的前進(jìn)方向上，避免了由于避障導(dǎo)致的偏離方向。該設(shè)計(jì)仍存在局限性，如無法用于尺寸較大的智能避障小車。因此該方向仍有很大的提升空間。

參考文獻(xiàn)

[1]楊瑩.國內(nèi)外機(jī)器人研究領(lǐng)域的知識計(jì)量[D].大連：大連理工大學(xué)管理科學(xué)與工程學(xué)院，2009：24-41.

[2]顧志華，戈惠梅，徐曉慧，等.基于多傳感器的智能小車避障系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].南京師范大學(xué)學(xué)報(bào)，2014，14（1）：11.

[3]戈惠梅，徐曉慧，顧志華，等.基于Arduino的智能小車避障系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2014，37（11）：118.

[4]渠笑納.超聲波測距在泊車輔助系統(tǒng)中的應(yīng)用[D].大連理工大學(xué)，2010.

[5]潘元驍.基于Arduino的智能小車自動避障系統(tǒng)設(shè)計(jì)與研究[D].西安：長安大學(xué)，2015.

[6]Ge L， Xiang-jie M， Xiao-hua W， et al. Research and application status on domestic ultrasonic ranging[J].Science of Surveying & Mapping，2011.

作者簡介：李方旭（1995-），男，安徽省淮南市人，工作單位：中國礦業(yè)大學(xué)（北京），職務(wù)：學(xué)生，研究方向：測控技術(shù)與儀器。