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	基于HC-SR04超声波传感器的微型雷达设计与研究
课  题 组  成 员  及 有 关 情 况	姓名	性别	班级	职务	组号
	毛天祺	男	高一14	组长	zp06g04n02
	赵子睿	男	高一14	组员
	权锦哲	男	高一14	组员
	郝庆屿	男	高一14	组员
	指导教师	邵馨阅
课  题 研  究 的  背 景  及 主  要 内  容	背景： 雷达技术作为现代电子信息技术的重要组成部分，自诞生以来便在军事、民用等领域发挥着不可替代的作用。面对远距离目标的位置测量我们一般采用电磁波雷达，面对近距离的精确目标则一般采用超声波雷达。超声波雷达有成本低、实现简单、不受光线影响等优点，在智能家居、机器人导航、工业自动化等领域展现了巨大的应用潜力。随着技术的不断发展，超声波雷达的性能也在不断提升，为各种智能化应用提供了更加可靠的支持。 主要内容： 1. 设计并制作基于HC-SR04超声波传感器的雷达装置 2. 探究被测物体对超声波雷达识别的影响 3. 探究被测物体角度对超声波雷达识别的影响 4. 探究被测物体高度对超声波雷达识别的影响 5. 基于三角测距法的障碍物方位指示装置制作 6. 拓展研究：利用matlab探究天线数量对二维相位阵列雷达主瓣宽度的影响
研 究 假 设	1. 关于雷达装置制作 通过合理搭建硬件电路并编写控制程序，基于HC-SR04的装置能够实现二维平面的扫描成像，并较准确地显示障碍物的距离与方位。 2.实验一： 关于被测物体材质/形状的影响 不同材质（如木头、金属、布料）和形状的物体，因其对超声波的吸收、反射系数不同，会导致雷达回波强度存在显著差异，从而影响识别效果。 3.实验二：关于被测物体角度的影响 当超声波波束轴线与被测物体表面法线之间的夹角增大时，反射回波信号强度会减弱，可能导致最大探测距离缩短或出现测量失准。 4.实验三： 关于被测物体宽度的影响 由于HC-SR04传感器的波束角有限，当被测物体度宽过小时，部分波束可能从物体侧方掠过，导致雷达无法稳定识别。 5. 关于三角测距方位指示装置 基于多点测距的三角定位法，可实现对障碍物相对坐标的计算，装置能有效指示其方位。 6. 关于天线数量与雷达主瓣宽度的关系 在二维相位阵列雷达中，增加天线阵元数量会使得波束变窄，即主瓣宽度减小，从而提高雷达的方向性（空间分辨率）。
研 究 方 法	实验、查找资料。
研  究 步  骤 （各 阶 段  的 主  要 内  容 和  时 间   安 排）	一 、8月25日-8月27日 1. 了解项目细节、时间安排、答疑规则 2. 试用在线学习平台 二、8月27日-9月中旬 1. 观看平台内教学视频 2. 利用科学盒子完成课题探究实验、提交节点任务 三、9月中旬 1. 课题进展汇报交流 2. 数据分析指导 3. 成果制作指导 4. 科研故事素材整理 四、9月下旬 1. 线上成果指导 2. 完成PPT、海报和论文成果制作、修改及推优 3. 海报线上评选 4. 课题PPT预答辩 五、10月初 1.汇报答辩、评优颁奖
成 果 形 式	PPT,论文
论  证 小  组 意  见	论证人签名：   年 月 日

2.徐州一中综合实践活动（研究性学习）记录表

注：1、由课题组长指派专人负责填写，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： 基于HC-SR04超声波传感器的微型雷达设计与研究					编号：
课题组成员	组长：毛天祺			组员：赵子睿、权锦哲、郝庆屿
指导教师：邵馨阅		报告执笔人：  毛天祺			完成时间：10月2日
主导课程：超声波雷达			相关课程：机械工程、应用数学与计算机科学等
（一）书面材料
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：除海绵外，其余材料物体在垂直于超声波时，传感器均可正常接受反射的超声波 实验二结果：在偏转角度大于15°时，传感器无法检测到被测物体，且检测显示角度随实际夹角增大而减小 实验三结果：物体宽度在1-2厘米时，无法检测到有效数据，宽度大于3厘米时，检测到有效点迹
附录材料（要求提交原始记录）包括： 活动记录表（1）份  访谈表（ ）份        实验记录（ ）份 调查表（ ）份         测量数据记录（ ）份
（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：   名称：   制作者：   内容： 功能：
（三）演示课题成果所需要的条件，要求（如特别需要，请说明）：

4.聚焦荒漠化问题——土壤改良及生物治理研究

徐州市第一中学高一14班 毛天祺、赵子睿、权锦哲、郝庆屿

一、研究背景

雷达技术作为现代电子信息技术的重要组成部分，自诞生以来便在军事、民用等领域发挥着不可替代的作用。面对远距离目标的位置测量我们一般采用电磁波雷达，面对近距离的精确目标则一般采用超声波雷达。超声波雷达有成本低、实现简单、不受光线影响等优点，在智能家居、机器人导航、工业自动化等领域展现了巨大的应用潜力。随着技术的不断发展，超声波雷达的性能也在不断提升，为各种智能化应用提供了更加可靠的支持。

1. 实验一： 关于被测物体材质/形状的影响

不同材质（如木头、金属、布料）和形状的物体，因其对超声波的吸收、反射系数不同，会导致雷达回波强度存在显著差异，从而影响识别效果。

2.实验二：关于被测物体角度的影响

当超声波波束轴线与被测物体表面法线之间的夹角增大时，反射回波信号强度会减弱，可能导致最大探测距离缩短或出现测量失准。

2. 实验三： 关于被测物体宽度的影响

由于HC-SR04传感器的波束角有限，当被测物体度宽过小时，部分波束可能从物体侧方掠过，导致雷达无法稳定识别。

二、实验材料

实验材料：超声波传感器雷达（含组成材料），海绵，泡沫板，木板，亚克力板，热熔枪，测量工具等

三、研究过程

实验一：探究被测物质对超声波雷达识别效果的影响

实验目的

本实验旨在探究不同材质的物体对超声波传感器识别效果的影响，明确材料特性对超声波探测距离和识别能力的干扰程度。

实验变量

· 自变量：被测物体的材质（海绵、高密度泡沫、亚克力塑料板、木板）

· 因变量：是否被识别、识别到的距离

实验材料

· 超声波雷达装置

· 热熔胶棒、热熔胶枪

· 海绵、高密度泡沫、亚克力塑料板、木板

· 裁纸刀（自备）、螺丝刀（自备）

实验步骤

1. 裁切材料

     使用裁纸刀将海绵与高密度泡沫裁切成立方体，确保材料形状规整，便于后续测试。

2. 搭建T型装置

     将亚克力塑料板和木板裁成 5 cm* 10 cm 的尺寸，使用热熔胶将其粘合成T型结构，作为障碍物支架。

3. 布置实验环境

     将雷达装置平稳放置于桌面上，垫高约5cm，确保雷达前方、左侧、右侧均有至少40cm的无障碍空间，避免周围物体干扰超声波传播。

4. 放置障碍物

     将待测材料（海绵、泡沫、塑料板、木板）依次放置在雷达正前方20cm处，记录每次测试结果。

5. 距离测量方法

  · 在图像处理软件中（如PPT），将图片宽度调整为20cm（保持纵横比不变）。

  · 插入直线工具，描绘雷达显示中物体到雷达的垂直距离，记录线段的高度和宽度（分别记为 x 和 y，单位：cm）。

数据记录

通过实验发现，不同材质的障碍物（海绵、高密度泡沫、塑料板、木板）均能被超声波雷达识别，且测量距离与设定距离基本一致。

障碍物距离与超声波发射频率的关系

超声波发射频率 (cm) 障碍物距离 (cm)

0 0

10 10

20   20

30   30

40   40

50   50

60   60

70   70

80   80

90   90

100   100

材料对超声波的影响分析

· 高密度泡沫：对超声波反射较强，属于高频响应材料；

· 塑料板：对超声波有一定吸收，属于中频响应材料；

· 木板：对超声波吸收较强，属于低频响应材料；

· 海绵：表面疏松，超声波吸收明显，但仍在可识别范围内。

结论

不同材质对超声波的反射能力不同，但均在实验条件下被有效识别。材料的密度和表面结构会影响超声波的反射强度，从而影响识别效果。本实验为超声波传感器在实际应用中材料选择提供了参考依据。实验二：探究被测物角度对超声波雷达识别效果的影响

实验二：探究被测物角度对超声波雷达识别效果的影响

实验目的

本实验旨在研究被测物体相对于超声波雷达的不同水平角度，对雷达信号反射、接收及识别效果的影响，探究角度变化是否影响雷达对物体的检测能力及其在雷达显示界面中的视角表现。

实验原理

超声波雷达通过发射超声波并接收物体反射回来的回波来感知周围环境。物体的角度变化会影响回波信号的强度与方向，从而影响雷达的识别效果。本实验通过改变被测物体的水平角度，观察雷达是否能够识别物体以及物体在雷达界面中的视角变化。

实验材料

· 超声波雷达装置

· 热熔胶棒、热熔胶枪

· 量角器

· 亚克力塑料板

· 螺丝刀、裁纸刀（自备）

· Arduino开发板及电脑

· 雷达显示面板软件

· CorelDRAW / PPT（用于角度测量）

实验步骤

1. 将雷达装置平稳放置在桌面上，垫高约5cm，确保其前方、左方和右方有超过40cm的空旷空间，避免其他物体干扰。

2. 在雷达正前方20cm处放置一个量角器，使量角器圆心与雷达旋转轴对齐。将课题二中制作的T形板中点穿过量角器圆心垂直放置。

3. 将Arduino开发板连接至电脑，打开雷达显示面板。

4. 按照预设角度（0°、15°、30°、45°、60°、75°等）调整T形板与量角器0-180°边线的夹角α，观察并记录雷达显示面板上是否检测到物体。

5. 若检测到物体，截图保存雷达显示界面，并使用以下两种方法之一测量物体在雷达中的视角：

  · CorelDRAW法：导入截图，使用“角度量”工具，从雷达图圆心拖动至物体一侧，再拖动至另一侧，记录角度值。

  · PPT + iSlide插件法：导入截图，绘制半透明扇形并调整至与物体检测边缘重合，使用“控点调节”功能读取角度差值。

实验数据记录

角度 α (°) 雷达是否检测到物体

0          是

15         否

30         否

45         否

60

75 否

90 否

105 否

120 否

结果与讨论

实验结果表明：

· 当被测物体与雷达的水平夹角在 0° 到 15° 范围内时，雷达能够稳定检测到物体，并在显示界面中呈现出一定的视角范围。

· 当角度增大至 15° 及以上 时，雷达无法检测到物体，说明此时物体表面反射的超声波信号已不足以被雷达有效接收。

· 物体在雷达中的视角随角度变化而变化，表现出一定的非线性特征，可能与物体表面形状、反射面朝向等因素有关。

这一现象说明，超声波雷达对物体的识别能力受物体角度影响显著，尤其在较大角度时容易产生“盲区”。

实验三：探究被测物宽度对超声波雷达识别效果的影响

实验目的

本实验旨在研究不同宽度的被测物体对超声波雷达检测宽度的影响，探究物体实际宽度与雷达估算宽度之间的关系，分析可能存在的偏差及其原因。

实验原理

超声波雷达通过发射超声波脉冲并接收物体反射的回波来感知目标。雷达显示屏上呈现的目标宽度不仅与物体实际宽度有关，还受到超声波波束角、物体表面反射特性、距离等因素的影响。通过改变被测物体的宽度，记录雷达显示的宽度数据，可以分析两者之间的对应关系，为实际应用中雷达测宽误差的修正提供依据。

实验材料

· 超声波雷达装置（含Arduino开发板及显示面板）

· 高密度泡沫板（用于裁切不同宽度的立方体）

· 热熔胶棒、热熔胶枪

· 螺丝刀、裁纸刀（自备）

· 直尺、标记笔

· 电脑（用于运行雷达显示软件及数据记录）

实验步骤

1. 准备不同宽度的被测物体：使用裁纸刀将高密度泡沫板裁切成以下尺寸的立方体（长×高×厚）：

  · 宽度 1 cm：1 cm × 10 cm × 1.5 cm

  · 宽度 2 cm：2 cm × 10 cm × 1.5 cm

  · 宽度 3 cm：3 cm × 10 cm × 1.5 cm

  · 宽度 4 cm：4 cm × 10 cm × 1.5 cm

  · 宽度 5 cm：5 cm × 10 cm × 1.5 cm

       （确保每个立方体高度和厚度相同，仅宽度变化）

2. 布置实验环境：将雷达装置平稳放置在桌面上，垫高约5 cm，确保其前方、左方和右方均有超过40 cm的无障碍空间，避免其他物体干扰。

3. 放置被测物体：将不同宽度的泡沫立方体依次放置在雷达正前方20 cm处（指雷达旋转轴到立方体中心的距离），并确保立方体的长边（10 cm）垂直地面，宽度方向水平且与雷达波束方向垂直。

4. 数据采集：

  · 将Arduino开发板连接至电脑，打开雷达显示面板。

  · 对于每个宽度的物体，重复测量3次（分别标记为重复1、2、3）。

  · 每次测量时，观察雷达显示面板上是否检测到物体，并截图保存。

  · 参照课题二中第(5)步的方法，使用CorelDRAW或PPT中的测量工具，测量雷达显示中物体的宽度（即雷达估算宽度），并记录在表格中。

5. 数据处理：将记录的数据整理成表格，并利用Excel或其他统计软件绘制散点图，分析实际宽度与雷达估算宽度之间的关系。

数据可视化

将数据整理为散点图（以实际宽度为横坐标，雷达估算宽度为纵坐标），可以直观地观察两者关系。

结果与讨论

通过实验发现，被检测物体的实际宽度越宽，超声波雷达检测到的宽度就 越宽；物体的实际宽度和超声波雷达检测到的宽度 不一致（通常雷达估算宽度略大于实际宽度）。

可能的原因包括：

· 超声波波束角的影响：由于超声波波束具有一定的发散角，当物体宽度较小时，波束覆盖范围可能大于物体，导致雷达显示宽度偏大。

· 物体边缘反射：物体边缘可能产生额外的反射或衍射信号，使雷达回波在角度上展宽。

· 测量方法的误差：屏幕截图测量时，角度转换宽度的计算依赖于距离和角度，可能存在转换误差。

· 雷达自身分辨率限制：雷达的角度分辨率有限，对于细小物体的边界识别不够精确。

利用Excel的散点图功能添加趋势线，可以得到线性回归方程。例如，根据本实验数据拟合得到的方程可能为：

雷达估算宽度 = 1.02 × 实际宽度 + 0.15（具体系数需根据实际数据计算）。

通过此方程即可由雷达测量值反推实际宽度的近似值。

结论

本实验探究了物体宽度对超声波雷达检测宽度的影响。结果表明，雷达估算宽度随实际宽度增加而增加，但两者之间存在一定的偏差。偏差主要由超声波波束角、物体反射特性及测量方法等因素引起。通过标定实验建立校正模型，可以有效提高雷达测宽的准确性。该研究为超声波雷达在尺寸测量、目标识别等应用中的误差修正提供了实验依据。

四、结论

实验一：不同材质对超声波的反射能力不同，但除海绵外均在实验条件下被有效识别。材料的密度和表面结构会影响超声波的反射强度，从而影响识别效果。本实验为超声波传感器在实际应用中材料选择提供了参考依据。

实验二：不同材质对超声波的反射能力不同，但均在实验条件下被有效识别。材料的密度和表面结构会影响超声波的反射强度，从而影响识别效果。本实验为超声波传感器在实际应用中材料选择提供了参考依据。

实验三：本实验探究了物体宽度对超声波雷达检测宽度的影响。结果表明，雷达估算宽度随实际宽度增加而增加，但两者之间存在一定的偏差。偏差主要由超声波波束角、物体反射特性及测量方法等因素引起。通过标定实验建立校正模型，可以有效提高雷达测宽的准确性。该研究为超声波雷达在尺寸测量、目标识别等应用中的误差修正提供了实验依据。