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一、引言

超声波测距是一种非接触检测技术，利用超声波从声波源处发出，当检测到障碍物时超声波反射回到声波源处，并根据声速在空气中的传播速度计算障碍物的距离。因超声波指向性好，不受光线和被测对象颜色等影响，广泛在机器人避障上应用。传感器能感知到机器人在行走路线上出现的静态或动态障碍物，实时将障碍物的距离和方向信息上报，机器人根据信息能正确的执行下一步动作。

随着机器人应用技术的高速发展，市场上出现了不同应用领域的机器人，对传感器提出了新的要求，如何适配不同领域机器人的应用，是每一个传感器工程师思考和探索的问题。

本文通过对超声波传感器在机器人上的应用，来更深入了解避障传感器的使用。

二、传感器介绍

电应普A21、A22、R01是基于机器人自动控制应用而设计的传感器，具备了盲区小、测量适配性强、响应时间短、过滤同频干扰、安装适配性高、防尘防水、寿命长、可靠性高等一系列优点，可以根据不同的机器人适配不同参数的传感器。

A21、A22、R01产品图片

功能摘要：

?宽电压供电，工作电压3.3～24V；

?盲区最小可达2.5cm；

?最远量程可设置，可通过指令设置50cm-cm共5级量程等级；

?多种输出方式可选，UART自动/受控、PWM受控、开关量TTL电平(3.3V)、RS、IIC等(UART受控和PWM受控可支持超低休眠功耗，休眠功耗≤10uA)；

?默认波特率为，可支持波特率修改；

?毫秒级响应时间，数据输出时间最快可达13mS；

?单、双角度可选，共支持4级角度等级设置，以适用不同应用场景；

?内置降噪功能，可支持5级降噪等级设置；

?智能声波处理技术，内置智能算法过滤干扰声波，能识别干扰声波并自动执行过滤；

?整机防水设计，防水等级IP67；

?安装适配性强，安装方式简便、稳固可靠；

?支持远程固件升级；

三、产品参数

(1)基本参数

(2)探测范围

超声波避障传感器有双角度版本选择，当产品竖立安装时，水平左右方向探测角度大，可以增大避障覆盖范围，垂直上下方向探测角度小，同时规避了行驶过程因路面不平导致误触发。

测量范围示意图

四、超声波避障传感器技术方案

(1)硬件结构示意图

硬件结构示意图

(2)工作流程

a、传感器上电为各电路供电。

b、处理器启动自检，保证各电路工作正常。

c、处理器自检辨别环境是否存在超声波同频干扰信号，及时进行过滤处理异体声波，当发现无法给到用户正确距离值时，给出异常标志数据以防止出错，然后跳到流程k

d、处理器发送指令给升压激励脉冲电路，根据角度和量程控制激励强度。

e、超声波探头T工作后发射声波信号。

f、超声波探头R工作后接收声波信号。

g、微弱的声波信号经信号放大电路进行放大，返回处理器

h、放大后的信号经整形后返回处理器，内置智能算法过滤干扰声波技术，可以有效筛选出真目标。

i、温度检测电路，检测外界环境温度反馈给处理器。

j、处理器辨别回波返回的时间结合外界环境温度进行温度补偿，算出距离值（s=v*t/2）。

k、处理器将计算好的数据信号通过连接线传送给客户端，并返回a。

(3)干扰处理技术

超声在机器人领域运用，会面对各种干扰源，如供电的电源噪声、跌落、浪涌、瞬变等。机器人内部控制电路和电机的辐射干扰。超声是以空气为媒介工作的，当一台机器人安装多个超声传感器，多台机器人同时相邻工作时，空间同一时域内会有很多非本机的超声信号，此时机器人之间的相互干扰会很严重。

针对这些干扰问题，传感器内置了非常灵活的适配技术，可支持5级降噪等级设置，同频干扰过滤可设置，量程和角度可设置，运用回波过滤算法，有较强的抗干扰能力。

经过电应普实验室通过如下测试方式：使用4台超声波避障传感器对冲测量，模拟多机工作环境，记录数据，数据正确率达到98%以上。

抗干扰技术测试示意图

(4)波束角可调

可软件配置传感器波束角4个等级：40°、45°、55°、65°，满足不同场景应用需求。

波束角等级

五、超声波避障传感器技术方案

在机器人避障应用领域中，传感器就相当于机器人的眼睛，机器人能否灵活快速运动很大程度取决于传感器返回的测量信息，超声波避障传感器在同类型传感器中，是一种低成本，低速行驶的可靠避障产品，产品在机器人四周安装，与机器人控制中心进行通讯，根据机器人的运动方向启动不同的测距传感器进行距离探测，实现快速响应，按需检测的要求，同时超声波传感器拥有的大FOV视场角有助于机器获得更大的测量空间，从而覆盖正前方所需探测区域。

机器人避障应用

六、超声波传感器在机器人避障应用的方案亮点

?超声波避障雷达FOV与深度摄像头类似，成本约为深度摄像头的20%；

?全量程毫米级精度分辨率，优于深度摄像头；

?测试结果不受外界环境颜色、光线强度影响，透明材质障碍物可稳定检测，如玻璃、透明塑料等；

?不受灰尘、污泥、雾气、酸碱环境的干扰，高可靠性，省心，维护率低；

?体积小，巧满足机器人外置和内嵌设计，可应用于多种场景的服务机器人，满足客户多样性需求，降低成本。

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