矿山救援机器人中的超声波传感器应用

史兆伟，潘 涛，樊 宙

（兰州资源环境职业技术学院，甘肃 兰州 730020）

机器人是一种能够代替人工作业的智能机器，在各行各业得到了广泛的应用，比如说卫生、教育等领域，随着现代社会的发展，人们越来越关注机器人在危险和恶劣环境中的应用，源于当事故发生的时候机器人能够在一定程度上减少人员的伤亡，比如说在海底探测、矿难侦查的过程中，能够代替救援人员对现场的情况进行勘查。在相对比较复杂的环境中，没有办法和救援机器人进行实时的畅通，就需要机器人利用自身的环境感应系统和自主导航能力完成相关的救援探查工作。在文章的分析中主要是针对矿山救援中的机器人进行分析和研究，对自身系统中具备的超声波感应系统进行探讨，旨在促进救援机器人的传感器技术。

1 超声波传感器的特点

超声波传感器在救援过程中被得到了广泛的运用，因此价格相对比较低廉，并且在实际运用的过程中受到环境影响的因素比较少，能够有效的实现定位和环境的建模，就超声波传感器本身具有的特点和其他的测距方法进行分析和研究，主要存在以下几个特点：

（1）分辨率高。和其他的测距方式进行对比，超声波传感器的波速相对比较小，能够直接测量目标距离，纵向的分辨率也比较高。

（2）不受环境影响。和其他的测距方法进行对比，超声波对光照度和电磁场的反应不是那么敏感，由此受环境影响的因素比较少，能够广泛的应用在相对比较恶劣的环境中，比如说在矿难事故发生的时候，应用在气体爆炸的有害环境中，并且在运用超声波的过程中其自身的传感系统不会受到外界环境条件的影响，比如说气候、温度等等相关的外界气候条件，因此在使用超声波传感器的过程中会受到外界环境温度的干扰，但是能够运用多种方法进行补偿，有效的降低失误率，根据不用的精度要求使用不同的方法进行弥补，在一定程度上提高了超声波传感器的精准度。

（3）范围较大。和其他的测距技术进行对比，超声波传感器所发出的波长比较短，能够对周围的环境进行覆盖，因此在开展相关救援工作的时候能够使用较少的超声波传感器数量对较大的测量范围进行有效的覆盖，这在一定程度上也提高了工作的效率，实现了高效的救援开展。

2 超声波传感器的选择

（1）基本工作原理。超声波传感器的工作原理就是通过超声波在介质中进行传播，在传播的过程中会遇到障碍物，在遇到障碍物之后会进行超声波的反射，在介质中反射之后达到探头，实现探头的接收，这是超声波的工作过程。在这个过程中测距的主要原则是通过超声波从发射之后到接收到探头信息所需要的时间并根据超声波在介质中的传播速度以此对探头到障碍物的间距进行计算。一般来说在探头进行发射的时候有两种工作方式，第一种是单探头的方式，第二种是双探头的方式[1]。

（2）工作方式。自发自收的单探头方式是普遍使用的工作方式，因为在计算测量距离的时候相对比较简单，而双探头计算的工作方式在进行在计算的时候需要做一些修正。其次是因为如果使用双探头测距方式那么所需要的探头数量就会增加，所使用的插件和电缆的数量就会不断的增加，在这个过程中发生故障的可能性就会逐渐的增大。但是在特殊的情况下也会使用一发一收的双探头方式，比如说当测量的距离相对较大的时候，为了在一定程度上增加发射的功率，就需要用大功率的超声波发射换能器进行接收[2]。

因此在选择超声波传感器的时候要根据当时的实际情况和测量的精度、范围选择合适的超声波传感器开展相关的救援工作。

3 提高测量精度、消除误差

在超声波传感器开展相关救援活动的过程中，会受到各个因素的影响，进而影响到最后的测量结果，比如说超声波传感器在发射过程中的波速，探头从发射到接收过程中产生的时间以及探头不同的工作方式等等，因此要从各个方面提高测量的精度，有效的消除误差[3]。

（1）超声波速度的温度补偿法。超声波的探头因为是在介质中传播的，而介质因气候、天气等原因所产生的温度也是不一样的，因此超声波会受到温度的影响，通过实践的分析证明，声速会受到温度的影响，声速会随着温度的升高在逐渐的升高。因此在用超声波测量距离的时候用温度补偿法对最后的结果进行有效的矫正。

（2）减少时间误差。在减少时间误差的过程中可以通过计时精度的提高在一定程度上减少时间量化的误差，或者是针对回波时间准确的进行确定有效的减少时间上面的误差。

（3）调节接收回路。在超声波回波的过程中其幅值会因为传播距离造成一定的影响，因此在超声波传感器运用的过程中可以在回路中串入自动增益调节的环境，这样能够促使电路的方法变数随着和障碍物之间的距离逐渐的进行增加，这样最后的幅值结果并不会因为测量距离的增加受到一定的影响。

（4）入射角。在对面和点的距离进行测量的时候，障碍物、探头和接收头之间存在一定的角度，也就是说反射和回波之间存在一个角度，如果这两者之间所形成的角度不是直角的时候，那么超声波传感器系统所测量出来的距离就不会实际上存在的距离，也就是说最后的结果会产生一定的偏差，实际的距离和测量出来的距离是不相符合的，那么为了有效地降低误差，当障碍物的距离较小的时候就可以利用几何的关系来消除误差，降低最后实际距离存在的误差率。

（5）消除盲区信号干扰。当发射头和接收头之间的距离相对比较近的时候，就会导致发射头的串扰，在一定程度上影响到最后的测量结果，所以在利用超声波传感器工作的过程中，要对现有的干扰情况进行有效的消除，采取从发射到虚假发射的时间利用软件进行屏蔽中断，这样就能够消除盲区信号的干扰。

4 总结

综上所述，在矿山救援机器人使用的过程中，其超声波传感器会受到多种因素的影响，造成最后测量数据结果的误差，要采取有效的促使提高测量的精准度，这样才能在开展矿山救援工作的过程中发挥最大的价值，保障救援人员的安全，降低事故发生之后人员的伤亡和经济的损失。