汽车倒车防撞自动测距报警系统设计

超声波测距系统的障碍物检测

摘要

从超声波传感器获取的信息受传感系统的特性如

敏感度，方向性等影响。为了探讨其影响力，我们建立了两个特性互不相同的超

声波测距系统，相互借鉴，研究，以检测他们的性能如障碍物检测性及合成的声

纳图。

关键词：超声波测距，障碍物检测，声纳地图。

I引言

对于移动机器人，无论是否具有环境地图，其都需要具有识别环境的功能来

寻找不可预知的障碍物和机器人可以通过的路径，。至于射程传感器，可以测量

与物体间的距离，超声波传感器普遍用于移动机器人中，因为它体积小，价格低

廉，更易于距离的计算。

目前的超声波传感器系统通常使用的飞行时间计算距

离（飞行时间）方法。到反射物的距离1通过公式kct/2计算。其中c是超声波

在空气中的传播速度，I是往返飞行时间（图1）。飞行时间方法在回波幅度首次

超过临界值后产生一个范围值。尽管像这样简单的方法，从超声波传感器获取的

信息仍受传感系统的特性影响，例如它的环境等。

为了探讨传感器系统的影响，我们建立了两个特性互

不相同的超声波测距系统，相互借鉴，研究，检测他们的性能如障碍物检测性及

合成的声纳图。

图1TOF原理图

在第二节，我们介绍两个我们开发的超声波测距系统，。其障碍物检测的可

用性在第三节验证，声纳地图制作使用在第四部分。最后，给出的结论是在第五

节。

II两个超声波测距系统

图2显示了反射波的模型，其中有两个对象在视野中。

随着一个超声波的衰减和传播，反射回波幅度越远，对象就较小（甚至来自同一

对象）。由于我们使用的压电式超声波传感器，我们分别使用一个发射器和接收

器。因此，收到的波，包括从发射器接收的直接波必须被忽视。

我们已经开发出一种超声波测距系统A,其中一个根

本的方法是采用以下的[4][3]。超声波是由具有长爆破波的发射器发出，为了压

电振子充分振动。一个范围值的计算方式是使用扩增回声飞行时间和阈值法水

平。检测回声的阈值恒定不变，以简化电路。A系统每个信号的概念如图3所示。

但是，这种系统存在一些问题。首先，回波信号是缓慢上升，然而回波信号强度

没有那么大。因此，易造成测量误差。为了减少这种测量误差，超声波必须加速

增加。其次，测量范围是有限的，它由固定阈值水平决定。当级别设置较高时，不

可能检测远距离物体。或者它当级别设置为低时可能检测出近距离的噪声。此外,

喇叭连接到A体系中增加波强度。然而，它使方向性狭窄。

图2反射波的模型

为了解决A系统的问题，我们改进了发送和接收电路，开

发了一种新型超声波传感器系统B。B系统每个信号的概念如图4所示。为了扩

大回波信号的强度，加快了它的增加，一个单脉冲高电压用于发射器。峰值电压

约为720V,尽管它在系统A中是12V的。这种方法有以下好处。首先，掩蔽时

间随着传送时间的缩短可缩短。因此，它可以测量近距离物体。其次，通过利用

高电压超声波脉冲发射，发射波上升时间缩短了。因此，测量误差可减少。对于

接收，阈值水平随时间递减，并逐步适应回波振幅减少随距离增加。我们把这种

方法称为时间阈值控制。此方法对于近处物体具有很强的噪声，而且可以测量较

远距离的对象。宝丽来超声波测距定位传感器解决了随时间变化的放大系数这个

问题。这就是所谓的时间增益控制。但电路复杂。为了以一个简单的电路解决这

个问题，而不是放大因素，阈值水平应随时间变化。系统B增加衡量的范围，减

少测量误差，并以一个简单的电路提高测量性能。

0.1

s

P9005

=mO4.

md

v05

-0.1

01234

time[msec]

图5A系统获取的信号举例

图5显示了由A系统获得的回声信号的例子。左边是一个直接波，右边是一个回

音。在这种情况下，如果忽视了直接波，这时附近返回回声的物体则无法测量。

此外，由于超声波缓慢上升造成测量误差。图6显示了由B系统获得的回声信号

的例子。其表明直接波缩短，以及超声波上升时间也缩短。图7显示了B系统中

的放大接收信号和阈值水平。接收波在4V左右达到饱和。直接波通过起初设置

高的阈值水平被忽略。在此之后，阈值水平随时间递减。

20.05

a

zp

K0

VE

-0.05

-0.1

01234

time【msec】

图6B系统获取的信号举例

5

【

之4

①

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n

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2

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0

01234

tima

图7B系统中放大的接收信号及极限值举例

III障碍物检测

为了检测前面提到的两个超声波测距系统障碍物检测的实用性，我们测量

了一个反射物体宽度的最大量测距离。传统的系统连接到角，以增加回波强度。

我们测量的最大范围，而这些数据可以检测对象与实际距离误差。实验设置如图

8,实验结果如图9所示。在图9,系统A的结果在图形下方，系统B在图形上方。

实线表示测量值，虚线表示的到物体的实际距离。如图所示在A和B两个系统中,

如果反射物体的宽度小于10厘米其可测量的距离锐减。不过，这个数字表明，系

统B在不使用喇叭时可以比系统A测量得更远，而且系统B与实际物体的误差

比A小。我们得出结论可靠性和测量性能的改善B系统实现。

在许多情况下，超声波传感器连接到一个喇吠，以增加换能器视线内波的强

度，所以方向性变窄。窄指向性是为了更好地知道确切存在障碍的方向。然而，只

有隙碍物垂直于换能器的视线内，其才可以被检测到。了解障碍物存在与否及有

多远对于移动机器人的障碍物检测很重要。因此，如图10所示宽指向性对于障

碍物检测也很需要。带有喇叭的系统B较系统A可以获得较多的敏感性，因此,

在下一节验证系统B的指向性可以较宽，并提供更适合的障碍检测。

匕

U

3

W

P

Transmitter/Receiver

图8反射物体宽度的最大量测距离实验设置

400

350

300

250

200

150

100

50

05101520253035404550

Objectwidth[cm]

图9反射物体宽度的最大量测距离实验结果

图10障碍物检测的超声波测距方向性

IV声纳地图理解

我们调查了使用两个超声波测距系统制作的环境地图。该地图的制作方法是

为将一定范围的数据沿传感器放置在一个方向测量范围内。其有围墙和直角弯道

（凸，凹）。A系统使用了一个喇叭，以增加其强度。每个系统都安装在我们的移

动机器人"YAMABICO"±[5]（图11）,以及该系统的旋转方向是由机器人改

变。实验环境如图12,系统A和B的实验结果分别显示在图13和14中。这些

传感器被放在原点（0,0）o

图11系统B安装在移动机器人"YAMABIC0”上。右侧是一个方向的发送和接

收电路（70毫米*60毫米），左边是为4个发送和接收电路供电的高电压电路（70

毫米*72毫米）。传感器直接连接到电路板，没有喇叭。

图12实验环境。传感器被置于0点

图13表明系统A只可以检测到传感器视线内到

墙的垂直回声。因为此系统中回声信号的强度很低，而且当回声从传感器反射回

来时，其信号幅度无法超过其极限值。作为一个结果，看来这个系统有一个狭窄

的方向性。另外，当传感器的线路和围墙的法线方向角变大时，回波强度变小。

然后，后来的回声振幅超过一个阈值水平。因此，该区域的数据显示在圆与墙的

接触弧上，其中心在墙外。

与上述相比，图14表明，系统B可以检测在每一

个方向的回声，由于在这个系统中的回波信号的强度足够大。从这个图形可以看

到，该系统B指向性宽，由于距离数据躺在一个传感器与圆的弧线上且其中心在

传感器上。因此，当一个机器人移动，障碍是可以检测到的，即使他们没有垂直

面对到换能器的视线。因此，系统B可以改善检测障碍物的能力。

V结论

从上述结果可以得到以下结论：

・障碍物检测的性能随着不同传感器系统变化。

・传感器的指向性不仅取决于换能器得方向性，而且取决于传感器的敏感

性。

・由此得到的声纳地图形状急剧变化，根据传感器的特点，如灵敏度，方向性

等。・声纳地图的认识应当做到细心，因为声纳地图形状可能在很大程度上与真

实的环境不符合。

如果机器人感知能力与人类几乎无异，我们可以信任机器人。不幸的是，几乎大

多数的电流传感器并没有那么聪明，而且能力是有限的。因此，我们必须小心处

理机器人的存在。

图13系统A的合成声纳地图

图14系统B的合成声纳地图

ObstacleDetectabilityofUltrasonicRangingSystem

andSonarMapUnderstanding

Abstract

Informatio.obtaine.b.th.ultrasoni.senso.i.influence.b.th.characteristic.o.th.sensin.syste.suc.a.se

nsitivity.directivit.an.s.on.Lorde.t.investigat.it.influence.w.constructe.tw.ultrasoni.rangin.syste

m.o.whic.characteristic.differ.fro.eac.othe.an.examine.thei.perfbrmanc.suc.a.obstacl.detectabil

it.an.resultan.sona.map.

Keywords'.UltrasonicSensing,ObstacleDetection,SonarMap

I.Introduction

Fo.mobil.robots.function,whic.recogniz.environment.ar.reqnire.t.fin.iinpredictabl

.obstacle.an.path.throug.whic.th.robo.ca.pass.whethe.havin.a.environmenta.ma.o.not.

A.monl.us

e.wit.mobil.robot.becaus.i.i.small.inexpensiv.an.eas.t.calculat.distances.

Presen.ultrasoni.senso.system.generalLcalculat.distanc.usin.th.time-of-fligh.(TO

F.method.Th.distanc..t..reflecte.objec.ixalculate.b..=.t/2.(1.

whcr..i.th.spee.o.sound.an..i.th.round-tri.time-of-fligh.(Fig.l).Th.TO.duce..r

ang.valu.whe.th.ech.amplitud.firs.exceed.th.threshol.leve.afte.transmitting.1.spit.o.th.si

nnatio.obtaine.b.th.ultrasoni.senso.i.influence.b.th.characteristi

c.o.th.sensin.system.i.o.environmen.an.s.on.

Inthispaper,inordertoinvestigatetheinfluenceofthesensorsystem,we

constructedtwoultrasonicrangingsystemsofwhichcharacteristicsdiffersfromeach

otherandexaminedtheirperformancesuchasobstacledetectabilityandresultant

sonarmap.

I.sectio.lI.roduc.tw.ultrasoni.rangin.systcm.whic.w.dcvclopcd.Thci.a

vailabilit.fo.obstacl.detectio.i.examine.i.sectio.III.sona.ma.makin.usin.the.i.sectio.IV.F

inally.th.conclusion.ar.prcscntc.i.scctio.V.

Fig.1.Th.principle.o.th.time-of-fligh.(TOF.method

II.Tw.Ultrasoni.Rangin.Systems

Fig..show..mode.o.reflecte.waves.wher.ther.ar.tw.object.i..fiel.o.view.A.a.ultrason

i.wav.attenuate.an.spreads.th.ech.amplitud.reflecte.of.frirthc.objec.i.sma11e.(eve.fro.th.

sam.object[2]).Becaus.w.us.piezoelectri.ultrasoni.sensors.w.us..transmitte.an..receive,

separately.So.th.receive.wave.includ.th.direc.wav.fro.th.transmitte.whic.mus.b.neglect

ed.

W.hav.develope..ultrasoni.rang.findin.syste..i.whic.th.folio

win.fundamenta.metho.i.employedf4]f3].Ultrasoni.wave.ar.discharge.fro..transmitte.g

parativel.Ion.burs.wave.i.orde.t.vibrat.it.piezoelectri.vibrato.fully..rang,valu.i.c

alculate.b.TO.metho.usin.th.amplifie.ech.an..threshol.level.Th.threshol.leve.t.detec.ec

hoe.i.constan.i.orde.t.simplif.th.circuit.Th.concep.o.eac.signa.fo.Syste..i.show.i.Fig.3.

Hblems.Fensit.o.th.

ech.signa.i.no.s.large.S.ineasurin.eiTor.resiilt.T.rediic.sue.measurin.errors.th.ris.o.ultra

soni.wave.mus.b.quickened.Next.th.measurin.rang.i.limite.b..fixe.threshoLlevel.I.i.im

possibLt.detec.fa.distanc.object.whc.th.leve.i.se.highcr.o.i.i.likel.t.detec.nois.fro.nea.di

stanc.object.whe.th.leve.i.se.lower.Also.horn.ar.attache.t.Sensit.o.

waves.However.i.make.th.directivit.narrow.

Fig.2..mode.o.reflecte.waves.

T.blcm.o.Systc.A.w.improvc.th.transmi.an.rccciv.circuit.an.dcvclopc..

ne.ultrasoni.senso.syste.B.Th.concep.o.eac.signa.fo.Syste..i.show.i.Fig.4.Lorde.t.enlar

ensit.o.ech.signa.an.quicke.th.ris.o.it..hig.voltag.singl.puls.i.employe.fb.transmi

tting.Th.pea.voltag.i.abou.720V.whil.i.i.abou.l2.i.Syste.A.Thi.metho.ha.th.foliowin.b

enefits.First.thcmaskin.tim.ca.b.shortene.b.shortenin.th.transmittin.time.Thu.i.i.possibl

.t.measur.nea.distances.Second.th.ris.tim.o.transmittin.wave.i.shortene.byusin..hig.volt

ag.fo.dischargin.ultrasoni.pulses.Therefor.th.measurin.error.ca.b.reduced.Fo.receiving

.th.threshol.leve.i.decrease.wit.time.an.i.graduall.adjusted.th.ech.amplitud.decreasin.w

it.th.distance.W.cal.thi.metho.timethreshold-control.Thi.metho.i.robus.t.noise.fro.clos.

objects.an.make.i.possibLt.measur.fa.dislanc.object.Th.Polaroi.ultrasoni.rang.sensor[l

.ble.b.changin.th.ampliflcatio.facto.wit.time.Thi.i.calle.time-gain-controI.

Bplicated.T.ble.wit..simpl.circuit.no.th.amplificatio.facto.

bu.th.threshol.leve.shoul.b.varie.wit.time.Syste..realize.increase.i.th.measurabl.range.d

ecrease.measurin.errors.an.increase.measurin.perfbrnianc.wit..simpl.circuit.

Fig..show.a.exampl.o.ech.signa.ohtaine.h.Syste.A.Th.lef.on.i..dir

ec.wave.an.th.righ.i.a.echo.Lthi.case.i.ignorin.th.direc.wave.i.wa.impossibLt.measur.n

ea.object.whos.ech.return.i.thi.time.Also.measurin.error.resulte.becaus.o.slo.ris.o.ultra

soni.wave.Fig..show.a.exampLo.ech.signa.obtaine.b.Syste.B.Lshow.tha.th.direc.wav.i.

shortened.an.th.ris.tim.o.ultrasoni.wave.i.als.shortened.Fig..show.th.amplifie.receive.s

igna.an.th.threshol.leve.i.Syste.B.Th.receive.wave.ar.saturate.aroun.4V.Th.direc.wav.i

.ignore.b.makin.threshol.leve.hig.a.first.Afte.that.th.threshol.leve.i.decrease.wit.time.

Fig.3.Th.concep.o.eac.signa.fo.Sysle.A.

Fig.4.Th.concep.o.eac.signa.fo.Syste.B.

Fig.5.A.exampl.o.ech.signa.obtaine.b.Syste.A.

Fig.6.A.exampLo.ech.siona.obtaine.b.Syste.B.

Fig.V.A.exanipLo.th.amplifie.receive.signa.an.th.threshol.leve.

i.Syste.B

III.ObstacLDctcctability

T.examin.th.availabilit.fo.obstacl.detectio.o.tw.ultrasoni.rangin.system.mentione.i.pre

viou.section.w.mcasurc.th.rclatio.o.th.maxima.mcasurabl.distanc.t.th.widt.o..rcflccte.o

bject.Tensit.o.echoes.W.measure.th.

maximu.rang.dat.t.th.objec.whic.ca.b.dctectcd.an.crror.t.th.rea.distance.Th.expcrimcnt

a.set-u.i.show.i.Fig.8.an.th.experimenta.result.ar.sho\v.i.Fig.9.l.Fig.9.th.resul.o.Syste..i

.bclo.th.graph.an.Syste..i.above.Soli.line.mca.th.mcasure.valuc.an.dotte.line.mca.th.re

a.distanc.t.th.object.A.show.i.thi.figured.bot.Syste..an.B.th.maximu.measurabLdistanc

e.dccreas.stecpLi.th.widt.o.th.reflecte.objcc.i.smalle.tha.IOcm.However.thi.figur.indic

ate.tha.Syste..ca.measur.farthe.distance.tha.Syste.A.withou.usin.hor.i.Syste.B.Als.th.er

ror.o.Syste..t.th.rea.distanc.ar.smalle.tha.tha.o.Syste.A.w.conclud.th.rcliabilit.an.th.me

asurin.performanc.ar.improve.wit.Syste.B.

Fig.8.Experimenta.set-u.fo.th.measuremen.o.th.relatio.o.th.maximu.measurable

distancetothewidthofareflectedobject.

400

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