基于HC—SR04超聲波傳感器的智能避障小車設(shè)計

李方旭+++馬彬瀚+++丁偉+++趙靜秋

摘 要：針對智能避障小車采用多路傳感器導(dǎo)致的串口資源的浪費，以及無法準(zhǔn)確的對存在間距的障礙物執(zhí)行避障操作和避障后偏離軌道的缺陷，設(shè)計了一種三回路超聲波傳感器避障的方法，通過對距離的計算和判斷，使小車能夠在與障礙物不發(fā)生碰撞的情況下執(zhí)行避障操作，并使小車回到原始方向。

關(guān)鍵詞：智能小車；避障；超聲波傳感器

1 概述

機器人從最初的示范模仿機器人，到現(xiàn)在的具有感知能力的智能機器人，在技術(shù)上有了很大的進(jìn)步[1-2]。隨著機器人科學(xué)的發(fā)展，機器人已經(jīng)應(yīng)用到生活、娛樂、軍事、醫(yī)學(xué)等各個方面。其中智能避障小車就是應(yīng)用于生活、娛樂軍事等領(lǐng)域的產(chǎn)品。智能避障小車采用兩輪或四輪驅(qū)動，行動靈活，操作方便，其避障系統(tǒng)能夠在行進(jìn)中對小車的前進(jìn)方向進(jìn)行調(diào)節(jié)，避免發(fā)生碰撞或摩擦[3]。目前智能小車在實現(xiàn)避障功能時，往往在前方安裝兩個及以上的超聲波傳感器，由于超聲波以聲波的形式傳播，存在波束角，這會引起傳感器之間的干擾，而且安裝多個傳感器也會占用多個串口資源。故設(shè)計出了一種在前端使用一個傳感器的情況下任然能夠精確避障的算法。

2 超聲波測距原理

方法設(shè)計中使用HC-SR04超聲波測距傳感器，其使用方法簡單，模塊性能穩(wěn)定，測度距離精確，普遍用于智能小車的避障系統(tǒng)中。超聲波測距有相位探測法、渡越時間探測法和聲波幅值探測法三種方法[4]。

渡越時間探測法，指的是超聲波發(fā)生器往某個方向發(fā)射超聲波，計時開始于發(fā)射的時間點，此后超聲波沿直線傳播，當(dāng)超聲波撞擊到物體時就被反射回來，當(dāng)超聲波接收器接收到返回來的回波時計時停止。超傳感器與物體之間的距離d可以由公式（2.1）得出，其中c為空氣中超聲波沿直線傳播的速度，t為傳感器測量的時間[5-6]。

但由于發(fā)射的超聲波存在波束角，當(dāng)障礙物偏離傳感器一定角度時，傳感器將檢測不到障礙物，因此小車就可能與障礙物發(fā)生碰撞或摩擦。

3 避障距離計算

該設(shè)計基于兩輪驅(qū)動的智能小車，計算出多個避障距離，最終選用最大的距離作為安全避障距離（以下均討論臨界狀態(tài)）。小車的模型及傳感器布置分別如圖2所示。

安全距離R（或D）：

若小車在轉(zhuǎn)彎時采用單輪轉(zhuǎn)動的方法，則安全距離為小車的直徑D，若是采用兩個輪子反向同速轉(zhuǎn)動，則安全距離為小車半徑R。

安全距離d1：

由于傳感器發(fā)出的超聲波有波束角，可以測量角度為？茲的扇形范圍內(nèi)的障礙物，若小車的避障距離過近，在圖3所示的情況中，即使前方有障礙物，傳感器1也檢測不到，所以需要提高避障距離。只有當(dāng)障礙物的距離a大于小車的直徑D時，小車才能安全通過，如圖4所示，其中避障距離d1可根據(jù)公式3.1計算得出。

若車體距離障礙物等于d1時能檢測到障礙物，則說明前方無法通過，需執(zhí)行避障操作；若大于d1時檢測到無障礙物，說明前方無障礙或可以通過障礙的間隙，可通過。

安全距離d2：

若執(zhí)行避障操作，假設(shè)左轉(zhuǎn)。存在以下兩種情況：

情況1：若兩輪反向同速轉(zhuǎn)動，則左轉(zhuǎn)后車體右側(cè)與障礙物的仍為d1，如圖5（a）所示。若傳感器3檢測到障礙物，則繼續(xù)直行，若在前進(jìn)時檢測到右側(cè)無障礙，則執(zhí)行右轉(zhuǎn)，通過障礙回到原始方向。

情況2：若單輪轉(zhuǎn)動，則左轉(zhuǎn)后車體右側(cè)與障礙物的距離變?yōu)閐1-R，如圖5（b）所示。然后繼續(xù)直行。若要在此之后再次右轉(zhuǎn)回到原始方向，由于是單輪轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)彎，則障礙物間距a應(yīng)大于等于D，在臨界狀態(tài)下，傳感器3剛檢測到障礙物時，如圖6所示，可以得出a/2=D。

綜上所述，若選擇兩輪反向同速轉(zhuǎn)彎，則避障距離選擇Max（R，d1）（即R和d1中的最大值）；若選擇單輪轉(zhuǎn)彎，由于安全距離d2恒大于安全距離d1，故避障距離選擇Max（R，d2）；若采用差速轉(zhuǎn)彎，避障距離仍可采用上述思路進(jìn)行計算。

4 實驗測試

基于以上的避障距離算法，設(shè)計了一款智能避障小車。小車直徑為14cm，采用兩輪反向同速轉(zhuǎn)彎，HC-SR04超聲波傳感器的波束角為10°，計算得出安全距離d1=80cm，在障礙物如圖7所示（其中 始終大于D）。a1為直行時障礙物的間離，a2為左轉(zhuǎn)后車體右側(cè)障礙物的間距。

由表中數(shù)據(jù)可以看出基于該設(shè)計的智能避障小車在有間距的障礙物情況下避障或通過的成功率遠(yuǎn)大于前端安裝兩個傳感器的避障小車，有效的實現(xiàn)該設(shè)計避障小車的避障以及回到原方向的成功率。

5 結(jié)束語

文章采用三回路的HC-SR04超聲波傳感器對障礙物進(jìn)行檢測，在車體前方安裝一個超聲波傳感器，節(jié)約了串口資源，并且能夠在避障后回到原始的前進(jìn)方向上，避免了由于避障導(dǎo)致的偏離方向。該設(shè)計仍存在局限性，如無法用于尺寸較大的智能避障小車。因此該方向仍有很大的提升空間。

參考文獻(xiàn)

[1]楊瑩.國內(nèi)外機器人研究領(lǐng)域的知識計量[D].大連：大連理工大學(xué)管理科學(xué)與工程學(xué)院，2009：24-41.

[2]顧志華，戈惠梅，徐曉慧，等.基于多傳感器的智能小車避障系統(tǒng)設(shè)計[J].南京師范大學(xué)學(xué)報，2014，14（1）：11.

[3]戈惠梅，徐曉慧，顧志華，等.基于Arduino的智能小車避障系統(tǒng)的設(shè)計[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2014，37（11）：118.

[4]渠笑納.超聲波測距在泊車輔助系統(tǒng)中的應(yīng)用[D].大連理工大學(xué)，2010.

[5]潘元驍.基于Arduino的智能小車自動避障系統(tǒng)設(shè)計與研究[D].西安：長安大學(xué)，2015.

[6]Ge L， Xiang-jie M， Xiao-hua W， et al. Research and application status on domestic ultrasonic ranging[J].Science of Surveying & Mapping，2011.

作者簡介：李方旭（1995-），男，安徽省淮南市人，工作單位：中國礦業(yè)大學(xué)（北京），職務(wù)：學(xué)生，研究方向：測控技術(shù)與儀器。