摘要：矿山救援机器人必须通过自身的敏感器件实时地获取其所处环境中的障碍物信息来规划其移动路径，这对敏感器件的测量精度提出很高要求。超声波传感器作为测距的主要敏感器件，在研究超声波测距原理的基础上，分析可能引起测量误差的原因，针对不同原因，分别给出了可行的消除方法，使超声波测距传感器系统整体可以达到很高的精度，能够为矿山救援机器人提供准确和可靠的障碍物信息。

    关键词：超声波传感器；误差消除；矿山救援机器人

    中图分类号：TP24   文献标志码：A   文章编号：1003-0794(2007)01-0162-03

Abstract: Mine emergency rescue robot has to program its move path exactly by its own sensor used to get the information of the stumbling block around it, which puts forward a very high request to the measuring accuracy of the sensor. The ultrasonic ranging sensor is one of the major measuring-distance sensors. Basing on studying the ultrasonic measuring distance principles, analyzes the various reasoas contributed to measuring-errors and then gives the feasible methods to remove them respectively. This ultrasonic raging system can provide mine emergency rescue robot with the aocurate and reliable information of stumbling block.

Keywords: ultrasonic ranging sensor; eliminate measuring-errors; mine emergency rescue robot

    机器人作为一种能代替人工作业的智能机器，人们越来越关注其在各种危险和恶劣环境中的应用，以减少人员的伤亡，例如在海底探测、矿难勘察、火灾救援等方面的应用研究。在这些环境中，有时无法保证与机器人(进行)实时通讯(的安全性)，有的甚至无法实现与机器人的通讯，这就要求机器人系统本身具有环境感知和自主导航的能力。目前机器人研究的一个热点就在于基于各种传感器技术，使机器人具有和人类一样的视觉、听觉、嗅觉和触觉等。超声波传感器以其价格低廉，硬件容易实现，被广泛用作测距传感器，实现定位及环境建模。利用超声波测距相对于其他测距方法主要优点有：

    (1)波速小，可以直接测量较近目标的距离，纵向分辨率较高；

    (2)超声波对色彩、光照度、电磁场不敏感，不受环境的限制，适应范围广及环境恶劣的场所；同时超声波传感器不易受到如天气条件、表面粗糙度、裂缝等外界环境条件的影响，虽然超声波检测容易受到被测环境温度的干扰，但其补偿方法多样，可根据不同精度要求采用不同的方法；

(3)超声波传感器发出的超声波波长很短，成为方向性很强的波束，具有一定的覆盖性，因此，可以用较少的传感器数量覆盖较大的测量范围。

    超声波测距的基本工作原理：发射探头发出超声波，在介质中传播，遇到障碍物反射后再通过介质返回到接收探头，测出超声波从发射到接收所需的时间，然后根据介质中的声速，就能算出从探头到障碍物的距离。根据所用探头的工作方式，又可分为自发自收单探头方式和一发一收双探头方式。

    根据经验，单探头自发自收的工作方式是优先考虑采用的方式，这是因为：(1)单探头方式中计算距离的公式比较简单，而双探头方式的计算公式中都需进行一些修正；(2)探头多了，占地就多，所用的接插件和电缆等附件的数量都增多，出现故障的可能性也相应增大。

    在某些特殊情况下，却不得不采用双探头方式。原因：(1)当测量距离很远时，为了增大发射功率，需采用特殊形式的大功率超声波发射换能器，但这些换能器的接收灵敏度一般很低，甚至无法用于接收，不得不采用另一种换能器来当作接收器件；(2)同一个探头同时充当发射和接收的情况下，余震对回波影响较大；(3)双探头有一个特点，就是盲区很小。

所以在实际选用超声波传感器时，应该根据不同的应用场合、测量精度、测量范围进行确定。

    从超声波测距的工作原理可以看出，影响测量结果的因素主要有：超声波波速、从发射到接收的时间、障碍物的距离、超声波探头的工作方式，另外还有盲区干扰信号等。

    (1)超声波传播速度补偿一温度补偿法

    超声波在空气中传播的速度会受到温度的影响。见表1。

    因此在测距时应通过温度补偿的方法对传播速度加以校正。这里采用美国国家半导体公司的 LM92数字温度传感器作为感温元件，实时探测环境温度，这样单片机可以随时了解环境温度，利用经验公式C=332+0．607T对超声波波速进行修正，测温电路如图1所示。

    (2)减小时间误差

    ①提高计时精度，减少时间量化误差

    单片机内置计时器的计数频率只有晶振频率的1/12。所以理论上，测距时间量化误差较大。引入专用的定时/计数器8254进行计时，可在很大程度上减小测距时间量化误差，提高测距系统的准确性，电路如图2所示。

  ②准确地确定回波时间

  脉冲超声波回波可近似表示为一个衰减的正弦曲线，其数学模型为

    由于m，u均为常数，所以超声回波包络线的最大值处与超声回波包络线开始处的时间差为固定值。由于回波包络线峰顶处信噪比最大，测量更为精确。可以通过测量该回波最大值出现的时间来间接测量回波时间。

    (3)在接收回路中串人自动增益调节环节

    由于超声波回波的幅值随传播距离的增大呈指数规律衰减，所以在超声波接收回路中串入自动增益调节(AGV)环节，使电路放大倍数随测量距离的增大成指数规律增加，从而使接收的回波幅值不随测量距离的变化而大幅度变化。电路如图3所示。

    (4)入射角的影响

    在测量面与点的距离时，被测物，发射头与接收头之间存在一个几何角度，即反射波入射和回波的角度，当这个角度不是900时，系统测量到的距离是障碍物与换能器之间的距离而不是和测量参考平面之间的距离，造成测量误差，如图4所示。当障碍物的距离较小时，这个误差就会成为近距离时的主要误差来源，可以利用几何关系来消除误差。

   

 

(5)盲区干扰信号的消除

当发射头和接收头距离较近时，发射头就会直接串扰到接收头，而出现错误的测量结果，所以必须将其隐去。可以采取从发射开始一直到“虚假反射波”结束这段时间，利用软件使屏蔽中断，可有效消除干扰。

    通过以上方法结合实验数据，可以看出，此方法可使超声波传感器的测量精度得到有效的提高，为矿山救援机器人的自主导航算法提供可靠的环境信息，使其能更加有效地避开障碍物，大大提高该机器人的避障能力。

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