超声波传感器测距是通过超声波发射器向某一方向发射超声波，并在发射超声波的同时开始计时，超声波在空气中传播时碰到障碍物就立即反射回来，超声波接收器收到反射波后就立即停止计时[73]。已知超声波在空气中的传播速度为v，根据计时器记录的发射声波和接收回波的时间差Δt，就可以计算出超声波发射点距障碍物的距离S，即[74]：
上述测距方法即是所谓的时间差测距法。
需要指出的是，由于超声波也是一种声波，其声速c与环境温度有关。在使用超声波传感器测距时，如果环境温度变化不大，则可认为声速是基本不变的[75]。常温下超声波的传播速度是334 m/s，但其传播速度v易受空气中温度、湿度、压强等因素的影响，其中受温度的影响较大。如环境温度每升高1℃，声速增加约0.6 m/s。如果测距精度要求很高，则应通过温度补偿的方法加以校正。
在许多应用场合，采用小角度、小盲区的超声波测距传感器具有测量准确、无接触、防水、防腐蚀、低成本等优点。有时还可根据需要采用超声波传感器阵列来进行测量，可提高测量精度、扩大测量范围[76]。图3-6所示为超声波传感器阵列，图3-7所示为搭载了超声波测距阵列的电动小车。
图3-6 超声波传感器阵列
图3-7 搭载了超声波传感器的电动小车
2.红外线测距传感器的工作原理
红外线测距传感器利用红外信号遇到障碍物距离的不同其反射的强度也不同的原理，进行障碍物远近的检测[77]。红外线测距传感器具有一对红外信号发射与接收的二极管，发射管发射特定频率的红外信号，接收管接收这种特定频率的红外信号，当红外信号在检测方向遇到障碍物时，会产生反射，反射回来的红外信号被接收管接收，经过处理之后，通过数字传感器接口返回到机器人主机，机器人即可利用红外的返回信号来识别周围环境的变化。需要说明的是，机器人在这里利用了红外线传播时不会扩散的原理，由于红外线在穿越其他物质时折射率很小，所以长距离测量用的测距仪都会考虑红外线测距方式。红外线的传播是需要时间的，当红外线从测距仪发出一段时间碰到反射物经过反射回来被接收管收到，人们根据红外线从发出到被接收到的时间差（Δt）和红外线的传播速度（c）就可以算出测距仪与障碍物之间的距离[78]。简言之，红外线的工作原理就是利用高频调制的红外线在待测距离上往返产生的相位移推算出光渡度越时间Δt，从而根据D=（c×Δt）/2得到距离D。图3-4所示红外线测距传感器的型号为GP2Y0A21YK0F，该传感器是由位置敏感探测集成单元（PSD）、红外发光二极管（IRED）和信号处理电路组成，工作原理如图3-8所示，其测距功能是基于三角测量原理实现的（见图3-9）[79]。
由图3-9可知，红外线发射器按照一定的角度发射红外光束，当遇到物体以后，这束光会反射回来，反射回来的红外光束被CCD检测器检测到以后，会获得一个偏移值L[80]。在知道了发射角度a、偏移值L、中心距X，以及滤镜的焦距f以后，传感器到物体的距离D就可以利用三角几何关系计算出来了。(www.xing528.com)
可以看到，当距离D很小时，L值会相当大，可能会超过CCD的探测范围。这时虽然物体很近，但传感器反而看不到了。而当距离D很大时，L值就会非常小。这时CCD检测器能否分辨得出这个很小的L值也难以肯定。换言之，CCD的分辨率决定能不能获得足够精确的L值。要检测越远的物体，CCD的分辨率要求就越高。由于采用的是三角测量法，物体的反射率、环境温度和操作持续时间等因素反而不太容易影响距离的检测精度。
图3-8 红外线传感器工作原理图
图3-9 三角测量原理
红外线测距传感器可以用于测量距离、实现避障、进行定位等作业，广泛应用于移动机器人和智能小车等运动平台上。图3-10所示为一款装置了红外线测距传感器和超声波测距传感器的智能小车。
图3-10 装置了红外线测距传感器和超声波测距传感器的智能小车
3.激光测距传感器的工作原理
激光测距传感器工作时，先由激光发射器对准目标发射激光脉冲，经目标反射后激光向各方向散射，部分散射光返回到激光接收器，被光学系统接收后成像到雪崩光电二极管上[81]。雪崩光电二极管是一种内部具有放大功能的光学传感器，因此它能检测到极其微弱的光信号。记录并处理从激光脉冲发出到返回被接收所经历的时间，即可测定目标的距离[82]。需要说明的是，激光测距传感器必须极其精确地测定传输时间，因为光速太快，微小的时间误差也会导致极大的测距误差。该传感器的工作原理如图3-11所示。
图3-11 激光测距传感器的工作原理
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