基于超声波技术的避障检测系统设计

避障检测传感器简介

——基于超声波技术的避检测系统的文献综述

陈香敏10807030202

摘要：避障系统技术在工业现场、车辆导航、水声工程等领域都具有广泛的应用价值，目前已经应用于物位测量、机器人自动导航以及空气中与水下的目标探测、识别、定位等场合。本文主要介绍避障使用的传感器，主要有超声波传感器、视觉传感器、红外传感器、激光传感器等。

0.引言：

随着计算机的应用和传感技术的发展，移动机器人的研究又出现了新的高潮。以研制高水平的环境信息传感器和信息处理技术，高适应性的移动机器人控制技术，真实环境下的规划技术为标准，开展了移动机器人更高层次的研究。避障是智能移动机器人基本的功能，具体的实现方法多种多样。

在自主移动机器人的实时避障和路径规划过程中，机器人须依赖于外部环境信息的获取，感知障碍物的存在，测量障碍物的距离。目前，机器人避障和测距传感器有红外、超声波、激光及视觉传感器。激光传感器和视觉传感器价格贵，对控制器的要求较高，因而，在移动机器人系统中多采用红外及超声波传感器。多数系统采用单一传感器进行信息采集，但超声波传感器因为存在测量盲区的问题，测距范围一般在30～300cm之间；而红外测距传感器的探测距离较短，一般在几十厘米之内，它可以在一定程度上弥补超声波传感器近距离无法测量的缺点。因而，一般情况下多采用多路红外和超声波传感器进行距离信息的测量和采集。

关键字：避障系统超声波传感器红外传感器激光传感器视觉传感器

1、激光传感器

1.1、基本工作原理

激光传感器工作时，先由激光发射二极管对准目标发射激光脉冲。经目标反射后激光向各方向散射。部分散射光返回到传感器接收器，被光学系统接收后成像到雪崩光电二极管上。雪崩光电二极管是一种内部具有放大功能的光学传感器，因此它能检测极其微弱的光信号，并将其转化为相应的电信号。常见的是激光测距传感器，它通过记录并处理从光脉冲发出到返回被接收所经历的时间，即可测定目标距离。激光传感器必须极其精确地测定传输时间，因为光速太快。

例如，光速约为3´108m/s，要想使分辨率达到1mm，则传输时间测距传感器的电子电路必须能分辨出以下极短的时间：

0.001m¸(3´108m/s)=3ps

要分辨出3ps的时间，这是对电子技术提出的过高要求，实现起来造价太高。但是如今的激光测距传感器巧妙地避开了这一障碍，利用一种简单的统计学原理，即平均法则实现了1mm的分辨率，并且能保证响应速度。1．2、特点：

激光测距传感器的方向性特别好，对一般应用可以认为是理想的直线。激光测距传感器的波束很窄，所以方向性好，因此可得到障碍物的准确位置。激光测距的精确度很高，但是激光测距的技术复杂，实现难度较大，而且一些激光传感器发射的激光，对人的眼睛有伤害。

2、红外传感器

2.1、基本工作原理

红外线是介于可见光和微波之间的一种电磁波，因此，它不仅具有可见光直线传播、反射、折射等特性，还具有微波的某些特性，如较强的穿透能力和能贯穿某些不透明物质等。红外传感器包括红外发射器件和红外接收器件。自然界的所有物体只要温度高于绝对零度都会辐射红外线，因而，红外传感器须具有更强

的发射和接收能力。

红外传感器的的测距基本原理为发光管发出红外光，光敏接收管接收前方物体反射光，据此判断前方是否有障碍物。根据发射光的强弱可以判断物体的距离，它的原理是接收管接收的光强随反射物体的距离而变化的，距离近则反射光强，距离远则反射光弱。

目前，使用较多的一种传感器-红外光电开关，它的发射频率一般为38 kHz 左右，探测距离一般比较短，通常被用作近距离障碍目标的识别。本系统采用的即为此种传感器。

2.2、特点：

受器件特性的影响，一般的红外光电开关抗干扰性差，受环境光影响较大；并且，探测物体的颜色、表面光滑程度不同，反射回的红外线强弱就会有所不同。

3、超声波传感器

3.1、基本工作原理：

系统利用超声测距来探测障碍的位置，超声波测距采用时间差测距法，即超声波发射器向某一方向发射超声波，在发射时刻的同时开始计时，超声波在空气中传播，途中碰到障碍物就立即返回来，超声波接收器收到反射波就立即停止计时，根据超声波在空气中的传播速度和计时器记录的时间[6]，就可以计算出发射点距障碍物的距离。

距离与声速、时间的关系表示为

式中：s为与障碍物间的距离，m; c为声速，m/s；t为第一个回波到达的时刻与发射脉冲时刻的时间差，s。

c与温度有关，空气中声速与温度的关系可表示为

式中c为声速，m/s;θ为环境温度，℃。

3.2、特点

超声传感器的成本低，实现方法简单，技术成熟，是避障系统的常用传感器。超声波是指谐振频率高于20 Hz的声波，频率越高反射能力越强。超声波传感器价格低廉，其性能几乎不受光线、粉尘、烟雾、电磁干扰的影响，并且，金属、木材、混凝土、玻璃、橡胶和纸等可以反射近乎100％的超声波，因而，可以用来探测物体。

由于超声波在空气中的速度和空气的温度湿度有关，在比较精确的测量中，可以把温度的变化和其它因素考虑进去。因为单超声传感器避障存在由于超声波的方向性不好造成对障碍物的定位不精确，存在探测盲区等缺点。

4、视觉避障

4.1、基本工作原理

视觉传感器具有从一整幅图像捕获光线的数以千计的像素。图像的清晰和细腻程度通常用分辨率来衡量，以像素数量表示。Banner 工程公司提供的部分视觉传感器能够捕获 130 万像素。因此，无论距离目标数米或数厘米远，传感器都能“看到”十分细腻的目标图像。

在捕获图像之后，视觉传感器将其与内存中存储的基准图像进行比较，以做出分析。例如，若视觉传感器被设定为辨别正确地插有八颗螺栓的机器部件，则传感器知道应该拒收只有七颗螺栓的部件，或者螺栓未对准的部件。此外，无论该机器部件位于视场中的哪个位置，无论该部件是否在 360 度范围内旋转，视觉传感器都能做出判断

4.2、特点：

视觉避障的优点是探测范围广，可以获得物体的形状、速度等信息。实际应用中使用多个摄像机，或是利用一个摄像机的序列图像来计算目标的距离和速度，还可采用SSD算法，根据一个摄像机的运动图像来计算机器人与目标的相对位移，并用自适应滤波对测量数据进行处理，以减小因环境不稳定性造成的测量