HC-SR 04超声波传感器微型雷达的设计与研究
1.徐州一中综合实践活动（研究性学习）课题实施方案申报表
课题名称 |
HC-SR 04超声波传感器微型雷达的设计与研究 |
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课 题 组 成 员 及 有 关 情 况 |
姓名 |
性别 |
班级 |
职务 |
学号 |
彭笑吾 |
男 |
高一14 |
组长 |
Zp06g04n01 |
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蔡昊良 |
男 |
高一14 |
组员 |
Zp06g04n02 |
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王镌翰 |
男 |
高一14 |
组员 |
zp06g04n03 |
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郑泽仲 |
男 |
高一14 |
组员 |
zp06g04n04 |
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齐中弈 |
男 |
高一14 |
组员 |
zp06g04n05 |
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指导老师 |
邵馨阅 |
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课 题 研 究 的 目 的 及 主 要 内 容 |
目的： 超声波雷达技术广泛用于现实生活中，小组成员打算通过三个小实验来了解超声波雷达在检测障碍物方面的效果，以此对我国目前雷达技术有更深入的认识。 主要内容： 实验一、通过研究障碍物的不同材质（海绵、高密度泡沫、塑料、木头），来了解超声波雷达检测障碍物的效果； 实验二、通过探究障碍物不同角度（0°15°30°45°60°75°），来了解超声波雷达检测障碍物的精确度； 实验三、通过研究障碍物高密度泡沫实际宽度（1cm、 2cm、 3cm 、4cm 、5cm），来了解雷达估算障碍物的宽度。 |
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研 究 假 设 |
不同材质、不同角度、不同宽度的障碍物对HC-SR 04超声波传感器微型雷达的检测效果有影响。 |
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研 究 方 法 |
实验、查找资料。 |
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研 究 步 骤 （各 阶 段 的 主 要 内 容 和 时 间 安 排） |
一 、8月22日-8月30日 领取科学盒子和科学海报 录制开箱视频，拍摄开箱照片。 二、9月1日-9月10日 加入课题微信群、组建课题小组，参加课题群科学第一课。 三、9月1日-10月8日 1. 登录在线学习平台 2. 完成探究性学习导论，合作讨论课程学习； 3. 完成实验探究的课程学习和课题任务的节点任务提交； 4. 利用科探方舟盒子完成课题探究实验。 四、10月11日-11月9日 进行课题研究进展线上中期汇报。 五、11月13日-11月20日 成果制作和修改 六、11月14日-11月30日 1. 科学海报评选 2. ppt 预答辩 3. 科技论文评选 七、12月初 闭幕式，进行成果的汇报与表彰 |
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成 果 形 式 |
PPT，论文 |
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论 证 小 组 意 见 |
论证人签名： 年 月 日 |
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2.徐州一中综合实践活动（研究性学习）记录表
课题题目：HC-SR 04超声波传感器微型雷达的设计与研究 |
编号：zp06g04n |
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活动时间：11月1日 |
第 3 次 |
活动地点：教室 |
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指导教师：邵馨阅 |
班级：高一14班 |
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参加活动成员： 彭笑吾、蔡昊良、王镌翰、郑泽仲、齐中弈 |
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活动内容： 1）目的（解决什么问题）： 不同材质、不同角度、不同宽度的障碍物，HC-SR 04超声波传感器微型雷达能否都能检测到及检测的效果。 2）形式（小组讨论、试验、查阅资料、实地测量）： 实验、查阅资料、小组讨论。 3）过程： ①小组成员各自领取任务，分别在家进行查阅、试验。 ②小组展示各自查阅的资料、实验及结果 ③讨论形成共识。 4）结果（得到什么结论、解决哪些问题、是否完成预定目标和计划、提出新问题） ①结论：利用超声波HC-SR 04传感器等元件，自主搭建雷达测距系统，并通过编程实时显示不同材质、不同角度、不同宽度障碍物对超声波雷达识别效果有一定的影响，成功模拟了雷达的基本工作原理。。 ②解决了大家一直疑惑的问题：超声波雷达在检测障碍物时不是都能检测到，测距的精确度有一定的局限性。课题提出的假设成立。 ③完成了预定目标和计划。提出新问题：若能结合多传感器(如摄像头、红外或激光雷达)，或优化信号算法融合，微型雷达系统识别的精确度应该会提高。 记录者: 彭笑吾 |
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注：1、由课题组长负责填写，备追踪课题研究过程时使用。
2、本表一式三份，交由年级处、指导教师、课题组长存档。
3.徐州一中综合实践活动（研究性学习）课题研究成果报告
题目：HC-SR 04超声波传感器微型雷达的设计与研究 |
编号：zp06g04n |
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课题组成员 |
组长：彭笑吾 |
组员：蔡昊良、王镌翰、郑泽仲、齐中弈 |
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指导教师：邵馨阅 |
报告执笔人： 彭笑吾 |
完成时间：12月8日 |
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主导课程：雷达设计与测距 |
相关课程：信息技术学、物理学 |
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（一）书面材料 |
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课题成果： 1） 预期的成果： 三个实验均成功，符合预定推测。 2） 课题实际取得的成果： 实验一结果：塑料板、木头板等坚硬平整材料的障碍物容易被超声波雷达检测到；海绵、高密度泡沫等柔软多孔材料的障碍物不易被超声波雷达检测到。障碍物的材质会影响超声波雷达的探测效果。 实验二结果：当障碍物角度与雷达角度范围一致时，雷达可以探测到障碍物；当障碍物角度与雷达角度范围不一致时，雷达不能探测到障碍物。障碍物在雷达检测中被探测到的角宽度和障碍物实际角宽度基本不变，也约等于雷达角度。 实验三结果：被检测物体的实际宽度越宽，超声波雷达检测到的宽度越宽;物体的实际宽度和超声波雷达检测到的宽度不一致（有误差）。 |
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参考书目及资料： 《HC-SR 04超声波传感器的微型雷达设计与研究指导书》 《智能检测技术与应用》 |
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附录材料（要求提交原始记录）包括： 活动记录表（1）份 实验记录（3）份 测量数据记录（3）份 |
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（二）实物材料，如制作的图片，模型，照片，事物样本，音像资料等 编号：p10 名称： HC-SR 04超声波传感器微型雷达设计 制作者：彭笑吾 内容： 设计微型雷达 功能：检测障碍物 |
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（三）演示课题成果所需要的条件，要求（如特别需要，请说明）： |
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4.论文成果
HC-SR 04超声波传感器的微型雷达设计与研究
徐州市第一中学高一14班 彭笑吾
【摘要】超声波雷达作为一种基于超声波测距的传感器，因其成本低、抗干扰性强、环境适应性好等特点，广泛应用于汽车辅助驾驶、工业检测、医疗成像、家居生活等领域。本文系统阐述超声波雷达的研究背景、工作原理、实验材料、研究过程、典型应用场景，并探讨其未来技术发展方向。
【关键词】超声波雷达；测距；传感器；声波反射
一、研究背景
雷达技术广泛应用于无人机测距、自动驾驶、防撞系统等领域。在科研活动中,对 HC-SR04 超声波传感器的微型雷达设计展开了研究。我们运用了假设推理、控制变量、反复测试、数据分析等方法探索超声波在不同材质、不同宽度、不同角度障碍物距离测量中的精度与局限。
其主要原理是雷达发射器发射超声波信号，信号遇到障碍物时，部分信号会被反射回来，根据信号传播的时间差来测试或感知物体。
研究的目的是希望未来若能多传感器(如摄像头、红外或激光雷达)，或优化信号算法融合，微型雷达系统能运用到更广阔的领域。研究中通过不断调整电路与程序，实验操作更规范、数据更充分,才能得出可靠结论。
研究的意义是提高超声波雷达的感知性和安全性。
二、实验材料
实验器件：
SG90舵机、Arduino UNO开发板、SUBSHI数据线、超声波传感器、雷达结构木片、海绵、透明支架底座、卷螺丝螺母、量角器、双通六角铜柱、杜邦线等。
三、研究过程
1、障碍物不同材质（海绵、高密度泡沫、塑料、木头）对超声波雷达检测效果的影响
摆放雷达装置，将开发板连接电脑，打开雷达显示面板，截图记录数据，每次材质实验记录三次。
1）海绵距离雷达10cm处、20米处、25厘米处，重复做3次，雷达能检测到海绵。
2）高密度泡沫距离雷达10cm处、20cm处、25cm处，重复做3次，雷达能检测到高密度泡沫。
3)塑料距离雷达10cm处、20cm处、25cm处，重复做3次雷达能检测到塑料。
4)木头距离雷达10cm处、20cm处、25cm处，重复做3次雷达能检测到木头。
结果如表1所示。
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表 1
2、障碍物不同角度（0°15°30°45°60°75°）对超声波雷达检测效果的影响。
摆放雷达装置，将开发板连接电脑，打开雷达显示面板，截图记录数据。
1）障碍物海绵置放于雷达0°，雷达能检测到海绵，海绵的视角为75°。
2）障碍物海绵置放于雷达15°，雷达能检测到海绵，海绵的视角是60°。
3）障碍物海绵置放于雷达30°时，雷达能检测到海绵，海绵的视角是45°。
4）障碍物海绵置放于雷达45°时，雷达能检测到海绵，海绵的视角是25°。
5）障碍物海绵置放于雷达60°时，雷达能检测到海绵，海绵的视角是20°。
6）障碍物海绵置放于雷达75°时，雷达能检测到海绵，海绵的视角是15°。
结果如表2所示。
表 2
3、障碍物高密度泡沫实际宽度（1cm、2cm、3cm、4cm、5cm）对雷达估算宽度的影响
用裁纸刀将高密度泡沫裁成五份，宽为变量，裁取1~5cm。摆放雷达装置，将泡沫板分别摆放于装置前20cm处，将开发板连接电脑，打开雷达显示面板，截图记录数据，每次宽度记录三次。
1）高密度泡沫的实际宽度1cm，重复三次，雷达估算的高密度泡沫的宽度分别是4.06cm，3.13cm，2.57cm。
2)高密度泡沫的实际宽度2cm，重复三次，雷达估算的高密度泡沫的宽度分别是4.56cm，3.71cm，5.68cm。
3)高密度泡沫的实际宽度3cm，重复三次，雷达估算的高密度泡沫的宽度分别是3.47cm，4.51cm，5.01cm。
4)高密度泡沫的实际宽度4cm，重复三次，雷达估算的高密度泡沫的宽度分别是4.47cm，4.56cm，3.99cm。
5）高密度泡沫的实际宽度5cm，重复三次，雷达估算的高密度泡沫的宽度分别是5.07cm，5.12cm，5.79cm。
结果如表3所示。
表 3
四、结果与分析
实验1结果：塑料板、木头板等坚硬平整材料的障碍物容易被超声波雷达检测到；海绵、高密度泡沫等柔软多孔材料的障碍物不易被超声波雷达检测到。障碍物的材质会影响超声波雷达的探测效果。
实验2结果：当障碍物与雷达角度范围一致时，雷达可以探测到障碍物；当障碍物与雷达角度范围不一致时，雷达不能探测到障碍物。障碍物在雷达中被探测到的角宽度和障碍物实际角宽度基本不变，也约等于雷达角度。
实验3结果：被检测物体的实际宽度越宽，超声波雷达检测到的宽度越宽;物体的实际宽度和超声波雷达检测到的宽度不一致（小误差）。
通过以上实验结果分析出：超声波雷达在检测障碍物时，障碍物的不同材质、不同角度、不同宽度都会影响到超声波雷达的检测效果，超声波雷达在检测障碍物方面存在一定的误差，有局限性。
五、结论
利用超声波HC-SR 04传感器等元件，自主搭建雷达测距系统，并通过编程实时显示不同材质、不同角度、不同宽度障碍物对超声波雷达识别效果的影响，成功模拟了雷达的基本工作原理。在动手实践中，不仅深刻理解了声波反射、信号处理等抽象概念，更展现了出色的跨学科学习与团队协作能力。了解超声波雷达识别效果的局限。未来若能结合多传感器(如摄像头、红外或激光雷达)，或优化信号算法融合，微型雷达系统的应用范围会更加广阔。
参考文献
1. HC-SR 04超声波传感器的微型雷达设计与研究指导书
2. 吕栋腾：《智能检测技术与应用》，西北大学出版社2024年版。
附录：
实验场景记录
实验1过程
实验2过程
实验3过程
数据记录
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