淘宝腐败黑幕调查智库时代 ·281·
智者论道
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吴瑞锐 朱晓峰 宋宗峰
（广州工商学院，广东佛山 528000）
摘要：机器人安全避障技术可以利用超声波传感器作为信息采集的前端单元，由单个超声传感器对空间信息检测盲区大，存在幻影干扰[1]。本文提出利用多个超声传感器采集信息，通过确定障碍物的方向距离来改变前行方向的角度偏移，实现安全避障。并通过理论研究与实验证明，相对于其他的避障技术，利用HC-SR04多超声波避障前行技术稳定性、智能性高于单超声波避障前行技术，更适合简单家庭环境下智能机器人的使用。关键词：超声波传感器；机器人；安全避障中图分类号：TP23 文献标识码：A
文章编号：2096-4609（2020）03-0281-002
一、HC-SR04超声传感器测距原理超声传感器测距的原理是依据超声波在空气中传播的速度，通过计算源声波发送时刻和回波信号接收时刻的时间间隔来获取障碍物的距离信息
[2]
，距离
表达式如（1）式所示。（1）式中，S 为传感器与障碍物的距离，T 为回响高电平的持续时间。
2cm-400cm 的非接触式距离。其工作时序图如图1所示。HC-SR04需要提供一个10uS 以上的脉冲触发信号来激活模块进入工作状态，进入工作状态后，模块内部发出8个40kHz 周期电平并检测回波的到来。当检测到有回波信号时输出回响信号。回响信号脉冲宽度与所测距离成线性相关。为了防止发射信号对回响信号的干扰，触发信号周期为60ms 以上。
二、HC-SR04超声波模块隶属度
障碍物所在方位记为集合A，A={L=-70°，LL=-35°，F=0°，LR=35°，R=70°}
传感器命名分别为L-T，LL-T，F-T，LR-T，R-T。
（一）HC-SR04超声波模块位置分布
HC-SR04超声波传感模块的排列位置如图2所示，超声模块以0°方位向正负方向上每隔35°，间隔7.5cm 放置超声波模块，形成多超声测距。实际设计中可基于机器人的体积大小进行传感器个数的增减和放置角度的调整。
（二）HC-SR04超声波模块测距实验
本次实验环境模拟日常生活室内环境，气温28°C，无风。实验障碍物模拟日常生活常见障碍物体积，障碍物为半径4cm 的圆柱体，高度高于传感器检测位置。实验原理如图3所示。
设置四组实验组，每组HC-SR04超声波模块按图2位置排布。实验中将圆柱障碍物底面圆心放置于超声波模块的正方向线上且障碍物底面与距离水平线相切。分别测量图2分布位置上单个传感器获取不同方位障碍物距离的数据。取四组实验数据平均数值得数据表
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1。
图2 HC-SR04超声波模块位置分布图
表1中“×”表示传感器无法检测到该条件下的障碍物距离。表1中显示，当障碍物距离传感器较近且位于传感器的非垂直方向上时，测量数据较大于实际距离，存在幻影干扰。
故由表1可知，超声波传感器具有扩散特性，发射的超声能量主要在主波瓣上集中且沿着主波轴两侧呈波浪型衰减，扩散角约为35°[3]，当障碍物处于传感器的非垂直方向上时，障碍物距离越近，所测数据误差越大，存在幻影干扰。因此采用多个传感器来获取多个方向上的障碍物距离信息的方法，使得机器人的超声波检测面积加大，改善了单传感器机器人只能获取单一方位上障碍物的缺点，克服幻影干扰带来的不良影响，提高了避障的安全稳定性能。
（三）HC-SR04超声波模块的隶属频率
根据模糊统计法隶属频率函数[4]如（2）式所示。其中，VA 为A 的隶属频率，NA 为v0∈A 的次数，N 为试验总次数。
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误差范围取±1.3cm 以内为能准确
测量到障碍物距离。根据公式（2）及表1数据，得HC-SR04超声波模块位置隶属表2。
表2 HC-SR04超声波模块位置隶属表
障碍物方位
传感器
0°35°75°-35°-75°F-T 10.600.50.1LR-T 0.710.900LL-T 060010.8R-T
西太平洋0.30.8100L-T
0.2
0.8
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图1 HC-SR04超声波模块工作时序图
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