基于超聲波傳感器的掃地機器人避障技術研究＊

袁茂鴻，王 姝，林心如

（福州大學至誠學院，福建 福州 350002）

隨著科技的日新月異，掃地機器人進入了人們的日常生活，掃地機器人的研究和應用也引起了人們的廣泛關注。其中的避障技術是討論的熱門話題之一，這需要掃地機器人運用各類傳感器檢查周圍環境，獲取相對應的信息，然后通過獲取到的信息轉換成各種復雜的指令，控制掃地機器人在復雜環境中完成避障指令。避障技術的實現最基本應做到對環境的感知，而環境的感知往往通過傳感器來獲取周圍的環境信息，包括大小、位置以及材質。通過傳感器收到的信息傳回“大腦”，并及時對當前環境進行分析后，做出最優解，反饋給驅動部分，達到避障作用。

1 超聲波傳感器測距避障原理

超聲波簡單來說是一種頻率高于20kHz 的聲波，屬于機械波的一種，其反射性強、能量集中、具有良好的定向性，在各個領域均有廣泛應用。超聲波的振動方向可簡單的分為橫波和縱波兩種。超聲波在固體、液體、氣體等介質中傳播時，衰減很少，且穿透能力較強。超聲波傳感器的主要工作原理是通過傳感器對前方發出超聲波，當遇到障礙物時，通過介質表面進行發射，傳感器將捕捉并接收到一部分被放射回來的超聲波，并轉化為電信號。從發射到接收超聲波所間隔的時間（T）和傳感器與前方障礙物的距離（S）成正比，超聲波以聲波的速度（V）在介質中傳播，可由式（1）算出傳感器與前方障礙物之間的距離：

超聲波傳感器主要由壓電晶體或鎳鐵鋁合金組成，由于較大的機電耦合系數，輸出的能量較大，工作具有很高的靈敏度，可以適用于高負荷傳感器條件下的操作需求[1]。

2 超聲波傳感器電路設計

目前，常應用在掃地機器人避障方面的方法有：超聲波避障、紅外避障、激光避障和視覺避障等[2]，在本文中，將對超聲波避障進行研究和介紹。

2.1 超聲波傳感器整體電路設計

HC-SR04超聲波模塊可對前方半徑2cm～400cm、角度100°以內進行障礙物感知和距離測量等功能，測量精度可達到毫米級別；模塊主要有聲波發射部分和聲波接收部分組成。當初始狀態觸發信號時，HC-SR04超聲波模塊將會連續對外界發送高電平脈沖（脈沖寬度至少為10us）。在發送的同時，啟動計時器，在捕捉到回響信號后，將得到計時器的時間。式（2）即可算出超聲波與障礙物之間的距離（S）。

式（2）中，S為距離，T為高電平時間，340為聲速（m/s）。

超聲波模塊的電路圖如圖1所示，將得到的測試距離通過P1.0端口和P1.2端口導入單片機當中，進行數據的處理和分析，及時計算與障礙物之間的最佳避障方案，通過控制驅動裝置進行小車的驅動，來確保掃地機器人能夠準確避障。

圖1 HC-SR04 模塊電路圖

2.2 超聲波傳感器聲波發射部分的電路設計

超聲波傳感器發射部分采用了換能器 TCT40-16T向外界發射40kHz 左右的方波脈沖信號。由單片機輸出端將方波脈沖信號分成兩路，一路傳輸至功率放大電路進行功率放大以便使發射距離足夠遠，滿足測距要求，另一路傳輸至換能器 TCT40-16T，以聲波形式發射到外界[3]。

超聲波傳感器聲波發射部分電路圖如圖2所示，可通過調節可變電阻R14 使得換能器TCT40-16T 產生合適的振蕩頻率。將計時器的輸入信號端與單片機引腳相連，使得超聲波的發射受到單片機的控制[4]。

圖2 超聲波傳感器聲波發射部分電路圖

2.3 超聲波傳感器聲波接收部分電路設計

當發射部分發射超聲波，在超聲波遇到障礙物后，通過障礙物表面進行發射，由接收器及時接收并轉化為電信號。由于電信號較為微弱，在超聲波傳感器聲波接收部分電路圖中加入了一組兩級功率放大電路。其第一級固定放大倍數20 倍，第二級通過調節可變電阻R22 來改變放大倍數，可改變的區間為1～20 倍，故總放大倍數的區間為1～40倍，使得轉化的電信號得到充足放大[5]。

超聲波傳感器聲波接收部分電路圖如圖3所示，經過兩級放大后的電信號，被輸送到通用鎖相環電路(LM567)的輸入端。在LM567捕捉到電信號后，輸出低電平（被捕捉時呈現高電平），電平跳變將引起單片機中斷，計時器停止計時，記錄的時段即為超聲波從發射到接收的時段[6]。

圖3 超聲波傳感器聲波接收部分電路圖

2.4 多組超聲波傳感器電路設計

多組超聲波傳感器避障模塊示意圖如圖4所示，在保證單個避障模塊可以滿足掃地機器人的正常運行前提下，在傳感器避障模塊的左側和右側分別加裝了兩個相同的模塊，以保障掃地機器人在測距避障方面的精度，并在實驗過程中能明顯感受到在行進過程中避障能力有效的提升[7]。

圖4 多組超聲波傳感器避障模塊示意圖

3 超聲波避障策略

掃地機器人的超聲波避障策略設計流程圖如圖5所示。

圖5 超聲波避障策略設計流程圖

當掃地機器人開始工作時，掃地機器人左側、正前方、右側的超聲波傳感器將進入工作狀態，通過單片機檢測超聲波測距值。距離前方障礙物的距離小于提前設置好的預警值時，將執行下一步指令，若未達到預警值，則不斷重復執行上一步指令。單片機將傳感器得到的數據進行整合并分析比較，并做出相對應的反饋，最終都將決定掃地機器人當前狀態是否正常，若不正常則將重新返回第一步指令，正常則結束。

4 結束語

本文通過對超聲波傳感器發射部分和接收部分的電路圖進行研究，結合多組傳感器運用于掃地機器人，使得掃地機器人避障測距精度和避障能力得到有效提升，對避障策略進行重新設計，該技術可廣泛運用于其他領域當中。