基于HC—SR04超声波传感器的智能避障小车设计

李方旭+++马彬瀚+++丁伟+++赵静秋

摘 要：针对智能避障小车采用多路传感器导致的串口资源的浪费，以及无法准确的对存在间距的障碍物执行避障操作和避障后偏离轨道的缺陷，设计了一种三回路超声波传感器避障的方法，通过对距离的计算和判断，使小车能够在与障碍物不发生碰撞的情况下执行避障操作，并使小车回到原始方向。

关键词：智能小车；避障；超声波传感器

1 概述

机器人从最初的示范模仿机器人，到现在的具有感知能力的智能机器人，在技术上有了很大的进步[1-2]。随着机器人科学的发展，机器人已经应用到生活、娱乐、军事、医学等各个方面。其中智能避障小车就是应用于生活、娱乐军事等领域的产品。智能避障小车采用两轮或四轮驱动，行动灵活，操作方便，其避障系统能够在行进中对小车的前进方向进行调节，避免发生碰撞或摩擦[3]。目前智能小车在实现避障功能时，往往在前方安装两个及以上的超声波传感器，由于超声波以声波的形式传播，存在波束角，这会引起传感器之间的干扰，而且安装多个传感器也会占用多个串口资源。故设计出了一种在前端使用一个传感器的情况下任然能够精确避障的算法。

2 超声波测距原理

方法设计中使用HC-SR04超声波测距传感器，其使用方法简单，模块性能稳定，测度距离精确，普遍用于智能小车的避障系统中。超声波测距有相位探测法、渡越时间探测法和声波幅值探测法三种方法[4]。

渡越时间探测法，指的是超声波发生器往某个方向发射超声波，计时开始于发射的时间点，此后超声波沿直线传播，当超声波撞击到物体时就被反射回来，当超声波接收器接收到返回来的回波时计时停止。超传感器与物体之间的距离d可以由公式（2.1）得出，其中c为空气中超声波沿直线传播的速度，t为传感器测量的时间[5-6]。

但由于发射的超声波存在波束角，当障碍物偏离传感器一定角度时，传感器将检测不到障碍物，因此小车就可能与障碍物发生碰撞或摩擦。

3 避障距离计算

该设计基于两轮驱动的智能小车，计算出多个避障距离，最终选用最大的距离作为安全避障距离（以下均讨论临界状态）。小车的模型及传感器布置分别如图2所示。

安全距离R（或D）：

若小车在转弯时采用单轮转动的方法，则安全距离为小车的直径D，若是采用两个轮子反向同速转动，则安全距离为小车半径R。

安全距离d1：

由于传感器发出的超声波有波束角，可以测量角度为？兹的扇形范围内的障碍物，若小车的避障距离过近，在图3所示的情况中，即使前方有障碍物，传感器1也检测不到，所以需要提高避障距离。只有当障碍物的距离a大于小车的直径D时，小车才能安全通过，如图4所示，其中避障距离d1可根据公式3.1计算得出。

若车体距离障碍物等于d1时能检测到障碍物，则说明前方无法通过，需执行避障操作；若大于d1时检测到无障碍物，说明前方无障碍或可以通过障碍的间隙，可通过。

安全距离d2：

若执行避障操作，假设左转。存在以下两种情况：

情况1：若两轮反向同速转动，则左转后车体右侧与障碍物的仍为d1，如图5（a）所示。若传感器3检测到障碍物，则继续直行，若在前进时检测到右侧无障碍，则执行右转，通过障碍回到原始方向。

情况2：若单轮转动，则左转后车体右侧与障碍物的距离变为d1-R，如图5（b）所示。然后继续直行。若要在此之后再次右转回到原始方向，由于是单轮转动转弯，则障碍物间距a应大于等于D，在临界状态下，传感器3刚检测到障碍物时，如图6所示，可以得出a/2=D。

综上所述，若选择两轮反向同速转弯，则避障距离选择Max（R，d1）（即R和d1中的最大值）；若选择单轮转弯，由于安全距离d2恒大于安全距离d1，故避障距离选择Max（R，d2）；若采用差速转弯，避障距离仍可采用上述思路进行计算。

4 实验测试

基于以上的避障距离算法，设计了一款智能避障小车。小车直径为14cm，采用两轮反向同速转弯，HC-SR04超声波传感器的波束角为10°，计算得出安全距离d1=80cm，在障碍物如图7所示（其中 始终大于D）。a1为直行时障碍物的间离，a2为左转后车体右侧障碍物的间距。

由表中数据可以看出基于该设计的智能避障小车在有间距的障碍物情况下避障或通过的成功率远大于前端安装两个传感器的避障小车，有效的实现该设计避障小车的避障以及回到原方向的成功率。

5 结束语

文章采用三回路的HC-SR04超声波传感器对障碍物进行检测，在车体前方安装一个超声波传感器，节约了串口资源，并且能够在避障后回到原始的前进方向上，避免了由于避障导致的偏离方向。该设计仍存在局限性，如无法用于尺寸较大的智能避障小车。因此该方向仍有很大的提升空间。

参考文献

[1]杨莹.国内外机器人研究领域的知识计量[D].大连：大连理工大学管理科学与工程学院，2009：24-41.

[2]顾志华，戈惠梅，徐晓慧，等.基于多传感器的智能小车避障系统设计[J].南京师范大学学报，2014，14（1）：11.

[3]戈惠梅，徐晓慧，顾志华，等.基于Arduino的智能小车避障系统的设计[J].现代电子技术，2014，37（11）：118.

[4]渠笑纳.超声波测距在泊车辅助系统中的应用[D].大连理工大学，2010.

[5]潘元骁.基于Arduino的智能小车自动避障系统设计与研究[D].西安：长安大学，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.

作者简介：李方旭（1995-），男，安徽省淮南市人，工作单位：中国矿业大学（北京），职务：学生，研究方向：测控技术与仪器。