超聲波傳感器技術改進要點

李海龍

摘要 本文結合超聲波測距原理，對避障機器人超聲傳感器技術的的技術發展要點展開深入分析，對其技術發展路線和重要專利節點技術進行了中微觀解讀。從專利的視角分析了超聲傳感器的技術發展歷程，并對超聲傳感器未來發展趨勢進行預測。

【關鍵詞】機器人 避障 超聲 傳感器 專利分析

1 引言

目前用于移動機器人的避障傳感器技術主要有視覺、紅外、激光、超聲波傳感器等技術分支，而與視覺及激光傳感器比較，超聲波價格低，設備堅固，當機器人行走時，往往僅須區分障礙物的基本形狀以及它們彼此的遠近，而不用獲得色彩、性態等數據;與紅外線傳感器比較，超聲波不但能夠掃描到環境中物體的有無，并且可以獲得物體離機器人的遠近，比較有利于自主移動機器人取得判斷結果。本文將對超聲波傳感器的國內外研究進行綜述，并對其發展趨勢進行展望。

2 超聲波傳感器避障檢測方法

超聲波傳感器避障檢測的方法有多，如渡越時間檢測法、相位檢測法、聲波幅值檢測法等，其中，渡越時間檢測法是通過回波的返回時延判斷距離;相位檢測法是通過測量返回波與發射波之間相差多少相位，判斷距離;聲波幅值檢測法是根據回波的幅度大小，判斷距離。

結合以上各種方法的優缺點及具體應用，對移動機器人超聲波避障傳感器國內外專利進行篩選，并繪制出針對各種檢測方法的重要專利申請時間節點，借此形成該領域技術發展的脈絡，如圖l所不。

3 超聲波傳感器技術改進要點

3.1 溫度干擾

當超聲波傳感器工作時，由于測量超聲波在空氣中的時間來測量距離，聲速必須是一定值，而實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，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。把溫度值的變化補償到超聲波的波速中，可降低溫度對測距結果的影響。

1979年，三菱電機株式會社提出一種超聲波式距離測定裝置的溫度補償方法，在不使用熱敏電阻等的情況下高精度地校正溫度，進行精準的超聲波測距（JPS5612781A）;1984年，Blackwelders公司提出了一種存在溫度補償電路的超聲波測距裝置，可在寬溫度范圍內進行精準輸出（US4567766A）;1989年，韓國人KimSong-Kun提出了一種帶有溫度補償電路的超聲波測距裝置（KR920006502BI）：1997年，日本和泉電氣株式會社，提出了一種超聲波測距裝置，能夠精確補償大氣溫度而不受參考電壓的影響，產生頻率隨溫度變化而變化的時鐘信號（JPH1144759A）：2002年，有國內申請人提出一種采用直接誤差補償方法的高精度超聲測距儀，采用誤差補償標桿，其在測量中產生的誤差補償系數，消除了因聲波傳輸介質的溫度變化所帶來的測量上的誤差（CN2598000Y）;2004年，日本陶瓷株式會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的靜電容量的變化，并抑制混響的變化，在不使用溫度補償電容器的狀態下，實現了在較寬的溫度范圍內近距離穩定檢測障礙物的超聲傳感器（JP2006-135573A）。

3.2 超聲串擾

超聲串擾，是指在多個超聲測距傳感器同時工作時，其中的一個超聲傳感器接收到的信號是其他傳感器發射的超聲或超聲碰到物體以后的回波，并非是自己發射超聲的回波，由此會導致測量的障礙物距離結果發生錯誤。因此，如何有效地消除超聲串擾，是當前研究熱點。

1991年，Michigan大 學 的JohannBorenstein和Yoram Koren教授首次提出了“錯誤消除快速超聲激勵（ Error-EliminatingRapid Ultrasonic Firing）”，針對兩種不同的串擾源，此法采用“連續讀數比較”和“交替延遲比較”分別消除外部和內部串擾源（US005239515A）：2002年，Fortuna、Rizzo和Frasca等提出利用混沌通信領域中的“CPPM混沌脈沖位置調制（Chaotic PulsePosition Modulation）”的方法來消除串擾，CPPM可把超聲傳感器發射的脈沖之間的間隔和混沌信號的特性結合起來組成屬于每個超聲傳感器的特殊信號（US2003/0133362A1）;2006年，天津大學的孟慶浩教授提出“混沌脈沖序列寬度調制序列”針對每個超聲測距裝置的超聲傳感器分配唯一的發射序列，可有效去除超聲串擾（CN1888932A）：2008年，孟慶浩教授又進一步提出“使用遺傳優化算法優化偽隨機脈沖位置調制序列中相鄰脈沖之間的時間間隔”消除機器人超聲測距系統串擾問題（CN101271154A）：2014年，重慶郵電大學的祿盛副教授等人通過“引入卷積編碼和相關函數結合”，對超聲波發射信號進行卷積編碼，對超聲波回波信號進行減噪處理，達到多通道超聲波障礙物防串擾（CN105277933A）。

4 結論

超聲波傳感器因安裝簡單、價格低廉、不易受光線灰塵和電磁波的影響，廣泛應用于移動機器人避障領域，但由于超聲波傳感器不能獲取障礙物的邊界信息、對障礙物不能準確定位，存在測量盲區，這也將是超聲波傳感器的下一個重要研究方向。在移動機器人避障傳感器研究方面，將多個不同類型的傳感器結合使用，充分發揮各檢測方法的優勢，實現機器人搜索路徑的高效性、實用性、優化性，這種模式是未來機器人避障傳感器的發展趨勢。

參考文獻

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[2]潘仲明等.大作用距離超聲波傳感器技術研究[J]，傳感技術學報，2006，19 （01）.

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