超聲波傳感器的局限性 一般而言，由于超聲波傳感器存在固有的局限性，探測(cè)的精度不會(huì)很高，此外，超聲波探測(cè)精度還受環(huán)境溫度、發(fā)射角輻射范圍和障礙物表面特性等因素的影響。因此，在移動(dòng)機(jī)器人實(shí)時(shí)避障系統(tǒng)中存在一定的局限性，主要表現(xiàn)在四個(gè)方面：
一是因?yàn)槌暡ǖ牟ㄩL(zhǎng)相對(duì)長(zhǎng)一些，對(duì)于稍大的扁平的障礙物可以發(fā)生鏡面反射，傳感器由于接收不到反射信號(hào)，使此障礙物不能被檢測(cè)到。
二是盲區(qū)較大，因?yàn)槊總�(gè)超聲換能器既作超聲發(fā)射器又作超聲接收器，因此不能同時(shí)發(fā)射超聲波和接收超聲波。在發(fā)射超聲波后必須經(jīng)過(guò)一段時(shí)間才能處理返回的聲波。如果障礙物距離太近（< 30cm左右），則傳感器收不到返回的聲波，所以該類(lèi)傳感器存在測(cè)量盲區(qū)。
三是表現(xiàn)在探測(cè)波束角過(guò)大，方向性差。往往只能獲得目標(biāo)的距離信息，不能準(zhǔn)確地提供目標(biāo)的邊界信息，而且單一傳感器的穩(wěn)定性不理想。在實(shí)際應(yīng)用中，往往采用其它傳感器來(lái)補(bǔ)償，或采用多傳感器融合技術(shù)提高檢測(cè)精度等。
四是由于超聲波受環(huán)境溫度、濕度等條件的影響，以及超聲波固有的寬波束角，超聲波傳感器在測(cè)距時(shí)，所測(cè)量值與實(shí)際值的誤差較大。
五是當(dāng)超聲波傳感器和障礙物形成一定的角度時(shí)，會(huì)發(fā)生鏡面反射產(chǎn)生幻影。在圖2-3中傳感器發(fā)出的超聲波發(fā)生了鏡面反射，雖然障礙物和機(jī)器人很近，但是由于幻影的產(chǎn)生，機(jī)器人誤認(rèn)為障礙物很遠(yuǎn)，機(jī)器人就會(huì)和障礙物發(fā)生碰撞。
圖2-3 幻影的產(chǎn)生
2.2 光電式傳感器
2.2.1 光電傳感器的工作原理
反射式光電傳感器的光源有多種，常用的有紅外發(fā)光二極管，普通發(fā)光二極管，以及激光二極管，前兩種光源容易受到外界光源的干擾，而激光二極管發(fā)出的光的頻率較集中，傳感器只接收很窄的頻率范圍信號(hào)，不容易被干擾但價(jià)格較貴。理論上光電傳感器只要位于被測(cè)區(qū)域，反射表面可受到光源照射同時(shí)又能被接收管接收到的范圍就能進(jìn)行檢測(cè)，然而這是一種理想的結(jié)果。因?yàn)楣獾姆瓷涫艿蕉喾N因素的影響，如反射表面的形狀、顏色、光潔度、日光、日光燈照射等不確定因素。如果直接用發(fā)射和接收管進(jìn)行測(cè)量將因?yàn)楦蓴_產(chǎn)生錯(cuò)誤信號(hào)，采用對(duì)反射光強(qiáng)進(jìn)行測(cè)量的方法可以提高系統(tǒng)的可靠性和準(zhǔn)確性。紅外反射光強(qiáng)法的測(cè)量原理是將發(fā)射信號(hào)經(jīng)調(diào)制后由紅外發(fā)光二極管發(fā)射，再由光敏管接收調(diào)制的紅外信號(hào)，原理如圖2-4所示。
圖2-4 紅外發(fā)射接收原理
反射光強(qiáng)度的輸出信號(hào)電壓Vout是反射面與傳感器之間距離X的函數(shù)，設(shè)反射面物質(zhì)為同種物質(zhì)時(shí)，X與Vout的響應(yīng)曲線是非線性的，如圖2-5所示。設(shè)定輸出電壓達(dá)到某一閾值時(shí)作為目標(biāo)，不同的目標(biāo)距離閾值電壓是不同的。
2.2.2 紅外反射式探測(cè)器硬件電路
圖2-5 光強(qiáng)度的相應(yīng)曲線
在圖2-6中，電路包含兩個(gè)檢測(cè)器（IC3和IC4）、兩個(gè)LED檢測(cè)指示燈（LED1和LED2）、兩個(gè)紅外線發(fā)射器（LED3和LED4）和一個(gè)38kHz信號(hào)發(fā)生器。
1.產(chǎn)生38kHz方波
R5、R6、C5和IC1的引腳1、2構(gòu)成了一個(gè)壓控振蕩器（VCO）。這部分電路的作用就是產(chǎn)生頻率為38kHz的方波。
R5和R6就是一個(gè)22的固定電阻串接一個(gè)10的可變電阻（電位器）。當(dāng)R6撥到0時(shí)，它們就相當(dāng)于一個(gè)22的電阻；當(dāng)R6撥到10時(shí)，它們就相當(dāng)于一個(gè)32的電阻。R6可以是0～10之間任何一個(gè)阻值。這樣以來(lái)，R5和R6就相當(dāng)于一個(gè)22～32之間的一個(gè)電阻。
C5是一個(gè)0.001μF的電容。當(dāng)IC1的引腳2輸出5V的電壓時(shí)，通過(guò)電阻器R5和R6的電流就會(huì)給C5充電；當(dāng)IC1的引腳2輸出0V的電壓時(shí)，電流就會(huì)從C5流經(jīng)R5和R6。電容C5充放電的時(shí)間取決于電位器R6的設(shè)置。低一點(diǎn)的阻值會(huì)讓充放電過(guò)程快一些。C5總是與IC1的輸入端相聯(lián)。輸入端引腳1控制著輸出端引腳2（與引腳1相反）。當(dāng)C5充電完全時(shí)，輸入引腳1顯示高電平，引腳2電壓降到0V，C5即開(kāi)始放電；當(dāng)C5放電完全時(shí)，輸入端引腳1顯示低電平，引腳2升高到5V。這一充放電的過(guò)程就
這樣反復(fù)進(jìn)行。
2.發(fā)射38kHz方波
在圖2-6中IC1的輸出引腳2與輸入引腳3是相連的。輸入引腳3控制著輸出引腳4。因此，當(dāng)引腳2由5V變?yōu)?V或由0V變?yōu)?V時(shí)，輸出引腳4也會(huì)相應(yīng)發(fā)生變化。由于這是一個(gè)反相器芯片，所以輸出引腳4總是與輸出引腳2反相，但這無(wú)關(guān)緊要。重要的一點(diǎn)是：輸出引腳4來(lái)回變動(dòng)的頻率跟輸出引腳2一樣，這樣就復(fù)制了一個(gè)38kHz的信號(hào)。
與輸出引腳4連在一起的是一個(gè)固定電阻（R3）和一個(gè)可變電阻（R7）。R3和R7構(gòu)成了一個(gè)組合電阻，其阻值可以從100變到1100。紅外線發(fā)光二極管（LED3和LED4）與電阻R7相連。通過(guò)調(diào)整R7的阻值，可以控制發(fā)光二極管的亮度。固定電阻R3的作用是保障安全，即使把可變電阻的阻值調(diào)到0，R3仍可限制通過(guò)發(fā)光二極管的電流。
如果機(jī)器人看得太遠(yuǎn)，可以通過(guò)增加R7的阻值來(lái)調(diào)低發(fā)光二極管的亮度；如果看得不夠遠(yuǎn)，那么可以降低R7的阻值，提高發(fā)光二極管的亮度。因?yàn)镮C3和IC4要檢測(cè)從物體上反射回來(lái)的信號(hào)，而這些信號(hào)是由LED3和LED4發(fā)射的，所以信號(hào)亮度的控制很重要。R7不會(huì)改變信號(hào)的頻率。紅外LED的開(kāi)閉由IC1的引腳4控制，引腳4與IC1引腳2的振蕩頻率一致。引腳2的頻率由R6來(lái)設(shè)定。
3.鉭電容的作用
圖2-6 紅外反射式探測(cè)器電路原理圖
不包括5V電源上的電容在內(nèi)，反射式檢測(cè)電路中共有5個(gè)電容。C1、C3和C4是一般的單片陶瓷旁路電容器，其目的是降噪和保護(hù)芯片IC1、IC3和IC4。其中還有一個(gè)鉭電容，它的作用是用來(lái)減少外部干擾。
2.2.3 紅外反射式探測(cè)器的局限性及解決方法
紅外反射式探測(cè)器在很多情況下性能良好，所以在很多機(jī)器人的設(shè)計(jì)中都用到它。然而，機(jī)器人可能遇到的很多環(huán)境條件限制了光反射探測(cè)器的使用。
1.在室外或強(qiáng)光下不能工作
在日光照射條件下或室內(nèi)強(qiáng)光下，探測(cè)可能無(wú)法進(jìn)行，或者探測(cè)范圍嚴(yán)重受限。這是因?yàn)榄h(huán)境中大量的光照在光敏二極管（置于光電探測(cè)器芯片中）中從而產(chǎn)生電流的緣故。這樣以來(lái)，由38kHz紅外線引起的相對(duì)較弱的電流就沒(méi)什么意義了。有兩種情況：第一是高亮度的環(huán)境光照引起了光電二極管的飽和；第二種是環(huán)境光照引起的噪聲（陰影、輸出波動(dòng)等）的波峰和波谷超過(guò)了來(lái)自二極管的38kHz信號(hào)的波峰和波谷。
以下是一些可行的解決辦法：
在發(fā)射器、探測(cè)器和被檢測(cè)物體的上部加一個(gè)頂或蓋子，避免上面環(huán)境光源的直接照射。當(dāng)然，在探測(cè)墻壁時(shí)，這種方法無(wú)能為力。
在發(fā)射電路中加一個(gè)晶體管，這樣更多的電流就會(huì)流過(guò)額定的紅外線LED。但問(wèn)題是：除了耗電之外，由于發(fā)射器的功率太大，在沒(méi)有背景光噪聲的室內(nèi)或晚上，探測(cè)器可能探測(cè)到房間對(duì)面的物體。
2.無(wú)法檢測(cè)某些特定物體
紅外線反射探測(cè)器的另一個(gè)可能存在的問(wèn)題是：如果物體容易吸收紅外線或者可以透過(guò)紅外線，探測(cè)器將檢測(cè)不到物體。原因是探測(cè)器是依靠物體反射的模式工作的。很明顯，如果物體吸收紅外線或紅外線可以簡(jiǎn)單地透過(guò)物體，探測(cè)器對(duì)這種物體的檢測(cè)效果會(huì)很差。
用紅外線探測(cè)的辦法完全檢測(cè)不到可以透過(guò)紅外線的物體。但是，吸收紅外線的物體可以通過(guò)重新安置發(fā)射器和探測(cè)器位置的辦法探測(cè)到。把紅外線LED直接對(duì)準(zhǔn)探測(cè)器，在它們之間保持一定的距離，如果一個(gè)吸收紅外線的目標(biāo)在它們之間經(jīng)過(guò)，就可以被檢測(cè)到。這叫做中斷器或斷續(xù)式傳感器，它跟反射式傳感器正好相反。
斷續(xù)式傳感器可以轉(zhuǎn)化檢測(cè)到目標(biāo)的電壓值。由于LED這時(shí)正對(duì)準(zhǔn)檢測(cè)器，所以當(dāng)沒(méi)有檢測(cè)到目標(biāo)時(shí)，引腳1的電壓為0V（檢測(cè)到信號(hào)）。當(dāng)有不透光的物體在二極管和探測(cè)器之間通過(guò)時(shí)，由于信號(hào)被打斷，引腳1會(huì)顯示5V（沒(méi)有信號(hào)）。
3.無(wú)法檢測(cè)到太遠(yuǎn)或過(guò)近的目標(biāo)
紅外線反射式傳感器的另一個(gè)缺點(diǎn)在其它所有類(lèi)型的主動(dòng)式（發(fā)射式）傳感器中都會(huì)遇到，那就是它們有最小和最大檢測(cè)范圍。反射式傳感器必須通過(guò)被探測(cè)目標(biāo)反射回來(lái)的信號(hào)來(lái)檢測(cè)。如果目標(biāo)太近，從發(fā)射器發(fā)射出去的光線散射的不夠以至于不能反射回來(lái)。相反的情況，如果目標(biāo)太遠(yuǎn)，信號(hào)就會(huì)散射太嚴(yán)重，這樣當(dāng)信號(hào)反射回來(lái)的時(shí)候會(huì)減弱很多，也檢測(cè)不到物體。
為了特定的效果，可以采用調(diào)整發(fā)光二極管的光束角、選擇其它類(lèi)型的二極管，或選用透鏡等方法。小一些的光束角可以使探測(cè)的距離加大，但同時(shí)覆蓋的面積會(huì)降低。寬一些的光束角適合近距離探測(cè)，但不能準(zhǔn)確地定位目標(biāo)。
綜上所述，對(duì)超聲波式和光電式兩種傳感器進(jìn)行比較分析可知，超聲波探測(cè)器可以快速精確的得到深度信息，但是它的方位角不能準(zhǔn)確測(cè)得，這就使得探測(cè)障礙時(shí)無(wú)法很快判斷障礙物的形狀和寬度，進(jìn)而給避障決策帶來(lái)麻煩。然而紅外反射式探測(cè)器由于探測(cè)響應(yīng)快，精確度高，比較適用于小型機(jī)器人探測(cè)路障，因此，本機(jī)器人控制電路選擇的是紅外反射式探測(cè)器。紅外反射式探測(cè)器在自主式導(dǎo)航及避障機(jī)器人上應(yīng)用廣泛，用紅外反射式傳感器作為機(jī)器人的近距離感覺(jué)傳感器是可行的。當(dāng)距離小于10mm時(shí)，有較好的可靠性和抗干擾能力，而傳感器的探頭尺寸僅為幾個(gè)毫米，特別適合小型化，在相應(yīng)的智能控制系統(tǒng)中可進(jìn)行有意義的嘗試。紅外傳感器的顯著特點(diǎn)是非接觸、不受電的干擾、靈敏度高、時(shí)間分辨率和空間分辨率高，可進(jìn)行全方位的測(cè)試。當(dāng)然，單一傳感器獲得的信息非常有限，而且傳感器受到自身性能的影響帶有不確定性。隨著傳感器種類(lèi)的增多，一個(gè)強(qiáng)大的智能系統(tǒng)應(yīng)該是一個(gè)多傳感器系統(tǒng)，也是信息感知的新的研究方向。http://www.hiaddragon.cn/
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