內容摘要：針對自主移動機器人沿墻導航過程,設計一種收發一體式超聲波傳感器與步進電機組成的探測系統。介紹此系統的結構和軟硬件設計。實驗總結超聲波波束與目標物的入射角大小對測距穩定性的影響,提出搜尋離墻 近點的方法并應用于移動機器人自身位姿的矯正,且推廣應用于移動機器人的環境探測。

    移動機器人要獲得自主行為，其 重要的任務之一是獲取關于環境的知識。這是用不同的傳感器測量并從那些測量中提取有意義的信息而實現的。視覺、紅外、激光、超聲波等傳感器都在移動機器人中得到實際應用。超聲波傳感器以其性價比高、硬件實現簡單等優點，在移動機器人感知系統中得到了廣泛的應用。但是超聲波傳感器也存在一定的局限性，主要是因為波束角大、方向性差、測距的不穩定性(在非垂直的反射下)等，因此往往采用多個超聲波傳感器或采用其他傳感器來補償。為了彌補超聲波傳感器本身的不足，又能提高其獲取環境信息的能力，本文設計由一體式超聲波傳感器與步進電機組成的探測系統。

    1 超聲波傳感器的探測原理及方法分析

    超聲波傳感器的基本原理是發送(超聲)壓力波包，并測量該波包發射和回到接收器所占用的時間。

    其中，l為目標距超聲波傳感器的距離;c為超聲波波速(為了簡化說明，本文以下討論的測量距離時不考慮波速受溫度的影響);t為發射到接收的時間間隔。

    由于用超聲波測量距離并不是一個點測量。超聲波傳感器具有一定的擴散特性，發射的超聲能量主要集中在主波瓣上，沿著主波軸兩側呈波浪型衰減，左右約30°的擴散角。事實上，式(1)計算度越時間的方式是基于超聲波成功、垂直的反射名義下進行的。但對于移動機器人很難保證其自身運動姿態的穩定性，采用超聲波傳感器固定在移動機器人車身的探測方式，當移動機器人偏離平行墻面時，探測系統往往很難得到實際的距離。另外，超聲波這種發散特性在應用于測量障礙物的時候，只能提供目標障礙物的距離信息，而不能提供目標的方向和邊界信息。這些缺陷都大大限制了超聲波傳感器的實際應用和推廣。

    本文在通過理論的分析和不斷地試驗的基礎上，采用四相步進電機帶動單個一體式超聲波傳感器旋轉的方式，組成一個動態的感測系統。

    2 一體式超聲波傳感器與步進電機組成的探測系統

    2.1 結構設計

    實物照片如圖1所示，超聲波傳感器焊在pcb板上，板子通過鋼管樹起，鋼管另一端和步進電機軸相連，步進電機固定在機器人底盤下方。傳感器控制信號與輸出信號通過信號線和車身上的控制板相連。另外在超聲波傳感器的探頭前加一泡沫材料制成的圓臺形套筒，上口直徑為22 mm，下口直徑為16 mm，高20 mm。這樣發射波的波束角以及反射波被接收的角度都大大受限制。為了機器人自我調整姿態，需要確定其自身的轉動方向和基準位置。因而自制一片由直射式紅外光電傳感器和轉盤組成的簡易光電編碼器。2個直射式紅外光電傳感器分布如圖2中2個i，ⅱ所示以180°間隔水平安置在機器人小車車身兩側邊的中點連接線上。轉盤與轉臂連接在同心圓上，如圖中外圓所示，1，3刻線間相隔27°;2，1刻線相隔180°，其中1刻線與超聲波傳感器的中心保持在同一水平線上。i單獨導通作為基準坐標，i，ⅱ同時導通用來判斷旋轉方向，ⅱ單通作為機器人沿墻回歸時的導航基準。

    通過步進電機帶動一體式超聲波傳感器轉動，以傳感器中軸垂直于機器人車體的方向作為其自身姿態調整的坐標基準，步進電機采用4相4拍步距角為1.8°，每轉1步，超聲波傳感器檢測1次，將測量值通過串口送上位機。

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