李海龍

摘要 本文結(jié)合超聲波測距原理，對避障機器人超聲傳感器技術(shù)的的技術(shù)發(fā)展要點展開深入分析，對其技術(shù)發(fā)展路線和重要專利節(jié)點技術(shù)進行了中微觀解讀。從專利的視角分析了超聲傳感器的技術(shù)發(fā)展歷程，并對超聲傳感器未來發(fā)展趨勢進行預測。

【關(guān)鍵詞】機器人 避障 超聲 傳感器 專利分析

1 引言

目前用于移動機器人的避障傳感器技術(shù)主要有視覺、紅外、激光、超聲波傳感器等技術(shù)分支，而與視覺及激光傳感器比較，超聲波價格低，設(shè)備堅固，當機器人行走時，往往僅須區(qū)分障礙物的基本形狀以及它們彼此的遠近，而不用獲得色彩、性態(tài)等數(shù)據(jù);與紅外線傳感器比較，超聲波不但能夠掃描到環(huán)境中物體的有無，并且可以獲得物體離機器人的遠近，比較有利于自主移動機器人取得判斷結(jié)果。本文將對超聲波傳感器的國內(nèi)外研究進行綜述，并對其發(fā)展趨勢進行展望。

2 超聲波傳感器避障檢測方法

超聲波傳感器避障檢測的方法有多，如渡越時間檢測法、相位檢測法、聲波幅值檢測法等，其中，渡越時間檢測法是通過回波的返回時延判斷距離;相位檢測法是通過測量返回波與發(fā)射波之間相差多少相位，判斷距離;聲波幅值檢測法是根據(jù)回波的幅度大小，判斷距離。

結(jié)合以上各種方法的優(yōu)缺點及具體應(yīng)用，對移動機器人超聲波避障傳感器國內(nèi)外專利進行篩選，并繪制出針對各種檢測方法的重要專利申請時間節(jié)點，借此形成該領(lǐng)域技術(shù)發(fā)展的脈絡(luò)，如圖l所不。

3 超聲波傳感器技術(shù)改進要點

3.1 溫度干擾

當超聲波傳感器工作時，由于測量超聲波在空氣中的時間來測量距離，聲速必須是一定值，而實際上聲速是受空氣的溫度、濕度、壓力等的變化影響的，通常情況下，大氣壓力和濕度變化可以忽略不計，主要影響超聲波傳播速度的就是溫度，一般溫度每變化1℃，聲速變化0.607m/s。把溫度值的變化補償?shù)匠暡ǖ牟ㄋ僦校山档蜏囟葘y距結(jié)果的影響。

1979年，三菱電機株式會社提出一種超聲波式距離測定裝置的溫度補償方法，在不使用熱敏電阻等的情況下高精度地校正溫度，進行精準的超聲波測距（JPS5612781A）;1984年，Blackwelders公司提出了一種存在溫度補償電路的超聲波測距裝置，可在寬溫度范圍內(nèi)進行精準輸出（US4567766A）;1989年，韓國人KimSong-Kun提出了一種帶有溫度補償電路的超聲波測距裝置（KR920006502BI）：1997年，日本和泉電氣株式會社，提出了一種超聲波測距裝置，能夠精確補償大氣溫度而不受參考電壓的影響，產(chǎn)生頻率隨溫度變化而變化的時鐘信號（JPH1144759A）：2002年，有國內(nèi)申請人提出一種采用直接誤差補償方法的高精度超聲測距儀，采用誤差補償標桿，其在測量中產(chǎn)生的誤差補償系數(shù)，消除了因聲波傳輸介質(zhì)的溫度變化所帶來的測量上的誤差（CN2598000Y）;2004年，日本陶瓷株式會社提出在不降低反射靈敏度的情況下，抑制因溫度變化帶來的靜電容量的變化，并抑制混響的變化，在不使用溫度補償電容器的狀態(tài)下，實現(xiàn)了在較寬的溫度范圍內(nèi)近距離穩(wěn)定檢測障礙物的超聲傳感器（JP2006-135573A）。

3.2 超聲串擾

超聲串擾，是指在多個超聲測距傳感器同時工作時，其中的一個超聲傳感器接收到的信號是其他傳感器發(fā)射的超聲或超聲碰到物體以后的回波，并非是自己發(fā)射超聲的回波，由此會導致測量的障礙物距離結(jié)果發(fā)生錯誤。因此，如何有效地消除超聲串擾，是當前研究熱點。

1991年，Michigan大 學 的JohannBorenstein和Yoram Koren教授首次提出了“錯誤消除快速超聲激勵（ Error-EliminatingRapid Ultrasonic Firing）”，針對兩種不同的串擾源，此法采用“連續(xù)讀數(shù)比較”和“交替延遲比較”分別消除外部和內(nèi)部串擾源（US005239515A）：2002年，F(xiàn)ortuna、Rizzo和Frasca等提出利用混沌通信領(lǐng)域中的“CPPM混沌脈沖位置調(diào)制（Chaotic PulsePosition Modulation）”的方法來消除串擾，CPPM可把超聲傳感器發(fā)射的脈沖之間的間隔和混沌信號的特性結(jié)合起來組成屬于每個超聲傳感器的特殊信號（US2003/0133362A1）;2006年，天津大學的孟慶浩教授提出“混沌脈沖序列寬度調(diào)制序列”針對每個超聲測距裝置的超聲傳感器分配唯一的發(fā)射序列，可有效去除超聲串擾（CN1888932A）：2008年，孟慶浩教授又進一步提出“使用遺傳優(yōu)化算法優(yōu)化偽隨機脈沖位置調(diào)制序列中相鄰脈沖之間的時間間隔”消除機器人超聲測距系統(tǒng)串擾問題（CN101271154A）：2014年，重慶郵電大學的祿盛副教授等人通過“引入卷積編碼和相關(guān)函數(shù)結(jié)合”，對超聲波發(fā)射信號進行卷積編碼，對超聲波回波信號進行減噪處理，達到多通道超聲波障礙物防串擾（CN105277933A）。

4 結(jié)論

超聲波傳感器因安裝簡單、價格低廉、不易受光線灰塵和電磁波的影響，廣泛應(yīng)用于移動機器人避障領(lǐng)域，但由于超聲波傳感器不能獲取障礙物的邊界信息、對障礙物不能準確定位，存在測量盲區(qū)，這也將是超聲波傳感器的下一個重要研究方向。在移動機器人避障傳感器研究方面，將多個不同類型的傳感器結(jié)合使用，充分發(fā)揮各檢測方法的優(yōu)勢，實現(xiàn)機器人搜索路徑的高效性、實用性、優(yōu)化性，這種模式是未來機器人避障傳感器的發(fā)展趨勢。

參考文獻

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