超聲波測距傳感器以其測量精度高、響應快和價格低廉而廣泛應用在工業現場測距、移動機器人導航和定位等場合。超聲波測距傳感器常用的方式是1個發射頭對應1個接收頭，也有多個發射頭對應1個接收頭。它們共同之處是：每個接收頭只測量一個位置，這個位置就是除盲區內因發射的超聲波旁瓣引起的接收信號超聲波包絡峰值外，第1個接收信號超聲波包絡峰值對應的距離。在機器人自主導航避障時，機器人只關心最近障礙物的距離，是能夠完成自主避障的。但是在機器人定位時，尤其在動態環境下，1個接收頭同時測量多個距離，能夠更多地描述環境信息，這對機器人用超聲波定位具有重要意義。

1超聲波

1. 1超聲波測距原理

超聲波測距原理比較簡單，一般是采用時差法。即：通過檢測發射的超聲波與其遇到障礙物后產生回波之間的時間差Δt ,求出障礙物的距離d ,計算公式為：d = cΔt/ 2,其中：

c 為超聲波波速，T1為環境攝氏溫度。

1. 2發射信號超聲波包絡

在發射頭兩端加40kHZ 的矩形脈沖電壓，壓電晶體把電能轉變成機械能，帶動其上振動板運動，見圖1. 振動板的固有頻率是40kHZ,由于共振，振動板很快起振，然后穩定，脈沖電壓撤銷，振動板作阻尼振蕩衰減。若振動板長時間工作在最大振幅狀態，即振動板新增能量與其損耗能量相等，這樣產生的超聲波能量大，有利于提高信噪比，但是接收信號超聲波包絡從起振到峰值的時間將變長（放大器增益小，不出現削頂的情況下）,不利于閾值選擇，誤差變大，也不利于第二個位置的測量，另外盲區也會增大。振動板振動時，空氣、壓電晶體（起振時是激勵）等消耗振動板能量，其中受空氣阻力消耗的能量轉變成發射超聲波。壓電晶體激勵撤銷，則振動板振動作阻尼呈指數關系衰減。把振動板簡化成是一個彈簧振子，設振動板在一個正弦周期（T = 25μs）內是標準正弦波，則在發射頭振動板運動周期數N≤發射頭激勵脈沖數N時，發射頭振動板運動滿足：

x= a（n）sinωt（1）

式中t ∈[ （N- 1）T , nT ] , a（n）是第N個周期內的振幅。

k 是常數，E（n）是第N個周期內振動板的機械能。

a是一個與衰減有關的常系數，Ef （n）第N個周期內振動板損耗的機械能。

ΔE 是壓電晶片每次施加的能量。

在N> N時，發射頭振動板運動能量滿足：

1. 3接收信號超聲波包絡

發射頭產生的超聲波遇到不同介質就會產生回波，接收頭把回波轉變成電能，產生接收信號。現分析超聲波垂直入射到墻壁面時的接收信號，接收信號超聲波包絡由起振階段和衰減階段兩部分組成，如圖1。

接收信號與回波超聲包絡的各正弦波幅值關系是：

式中W R 是接收信號包絡峰值，W Echo 是回波包絡峰值，H 是回波的單位沖擊響應。

圖1實際接收信號（N= 5）

從圖1中可看出，接受信號包絡從起振到峰值的時間要小于從峰值衰減至噪聲幅值的時間。實際總長度接近1. 5 ~ 2ms ,而從起振到包絡峰值只需250μs 左右，即9 ~ 12個T , T = 25μs.

根據發射的超聲波能量特點，得出接收信號每個周期能量的表達式，設每個周期內的正弦波是標準正弦波且發射頭振動板尚未達穩定振動狀態。

　　N是發射頭激勵脈沖數。

由（6）、（7）式知：在N, a一定的情況下，每個反射面產生的回波作用接收頭得到的接收信號經歸一化后是相同的。為了便于取閾值，分析接收信號包絡的特性與n、N的關系是必要的。首先找出定值a,方法是取N= 5 , a值在一定范圍內變化得到多幅仿真圖，經比較a= 5 000/ s 時得到的圖2與圖1接近。根據得到的a值可仿真N= 12時的接收信號，見圖3.

圖2 接收信號仿真（N= 5 , a= 5 000/ s）

圖3 接收信號仿真（N= 12, a= 5 000/ s）

2 閾值和分辨率