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探究
课题 组成 员及 有关 情况	姓名	性别	班级	职务	学号
	高祥瑞	男	高一15	组长	zp06g05n02
	宁康宁	男	高一15	组员	zp06g05n02
	赵殊戬	男	高一15	组员	zp06g05n02
	窦子贤	男	高一15	组员	zp06g05n02
	张轩宇	男	高一15	组员	zp06g05n02
	指导教师	邵馨阅
课题 研究 的目 的及 主要 内容	目的： 1.   利用HC-SR04超声波传感器搭建微型雷达系统，探究实际应用中影响超声波雷达探测精度的各类因素； 2.   分析材质、倾斜角度、被测物宽度等对探测结果的影响规律，以及移动测速中多普勒效应带来的误差问题； 3.   提出超声波雷达系统的改进思路，提升对传感器应用和雷达设计的实践能力，将物理理论知识与工程实践结合。 主要内容： 1.以Arduino为控制核心，搭建包含HC-SR04传感器、舵机、LCD显示屏的微型雷达系统，以及带编码器的移动测速小车平台； 2.开展系列实验：探究不同材质（海绵、木板、泡沫、塑料板）、不同倾斜角度对测距的影响，被测物宽度对传感器识别效果的影响； 3.基于三角测距法搭建双传感器方位探测系统，验证多雷达联合应用的效果； 4.开展移动测速实验，分析多普勒效应对测速结果的误差影响，提出硬件升级、软件校准、多传感器融合的改进方案； 5.总结实验结论，完成课题论文和PPT制作，梳理超声波雷达的优缺点及应用展望。
研究 假设	1. 障碍物的材质软硬、结构疏密会影响超声波的反射效果，软质多孔材料会导致测距偏差更大； 2. 障碍物与超声波波束的倾斜角度越大，反射信号越弱，测距结果失真越严重； 3. HC-SR04传感器仅能探测距离，无法精准识别被测物的实际宽度，且宽度会影响测量偏差程度； 4. 双HC-SR04传感器结合三角测距法可实现障碍物方位的精准识别，偏差较小； 5. 传感器移动测速时，因多普勒效应会产生显著的测速误差，且误差会随速度变化呈现一定规律。
研究方法	实验、查找资料、数据分析、小组讨论
研究 步骤 （各阶 段的 主要 内容 和时 间安 排）	一 、8月19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、8月25日-8月27日 领取姓名专属条码，加入课题微信群、组建课题小组，参加课题群科学第一课   ，检查物资。 三、8月27日-10月下旬 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. 完成先备知识课程学习和课题任务的节点任务提交；   4. 完成实验探究的课程学习和课题任务的节点任务提交；   5. 利用科探方舟盒子完成课题探究实验。 四、11月8日 1. 进行课题研究进展汇报 2. 成果制作指导课程学习 五、11月上旬 成果制作和修改 六、11月中旬 1. 科学海报评选 2. ppt 预答辩 3. 科技论文评选 七、11月下旬 闭幕式，进行成果的汇报与表彰
成果 形式	PPT、科技论文、微型雷达实物模型、移动测速小车平台
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：超声波雷达——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：高祥瑞			组员：宁康宁、赵殊戬、窦子贤、张轩宇
指导教师：邵馨阅		报告执笔人：张轩宇			完成时间：11月28日
主导课程：超声波雷达探测			相关课程：物理学
（一）书面材料
课题成果： 1） 预期的成果： 四个实验均成功，符合预定推测。 2）课题实际取得的成果： 实验一结果（材质对探测距离的影响）： 选取海绵、T型木板、高密度泡沫立方体、T型亚克力塑料板置于20.0cm处，重复测量3次，平均测量距离分别为20.446cm、18.075cm、17.457cm、17.874cm；硬质材料（木板、塑料板）测距偏差更小，软质多孔材料偏差更大，传感器存在系统误差，海绵因环境干扰和吸音不完全未出现无读数现象。 实验二结果（倾斜角度对探测距离的影响）： 选取亚克力板保持20cm中心距离，角度从0°增加至75°，0°时视角76.55°可正常测距，角度增大视角逐渐减小，30°时视角19.21°、45°时视角10.01°，测距结果持续失真，60°、75°时传感器完全无法识别目标，无有效读数。 实验三结果（被测物宽度对超声波识别效果的影响）： 选取1-5cm宽度的高密度泡沫试样置于20.0cm处，传感器测量值严重失真，平均测量值分别为20.317cm、23.070cm、21.675cm、26.277cm、27.182cm，均接近探测距离且无实际尺寸识别能力；被测物宽度与测量偏差呈正相关，泡沫材质叠加放大了识别偏差。 拓展实验结果： 1.三角测距方位探测：双传感器间距10cm，测量-30°至30°方位，平均测量角度与实际角度最大偏差仅±2°，方位指示装置灯光反馈与计算方位精准对应，多传感器联合可实现距离+方位双重探测；2.移动测速：小车以0.10、0.20、0.30m/s匀速行驶，超声波测速误差分别为-18.0%、-15.5%、-19.7%，平均误差约-18%，多普勒效应和传感器延迟是主要误差来源。
参考书目及资料： [1]王小明,李红.超声波传感器在智能小车避障系统中的应用[J].传感器与微系统,2020. [2]ArduinoHC-SR04超声波传感器项目教程.创客社区. [3]赵亮,刘伟.基于多普勒效应的超声波测速方法研究[J].自动化技术与应用,2021.
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（4）份；测量数据记录（5）份； 访谈表（0）份；调查表（0）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 1.编号：SY01 名称：基于HC-SR04的微型雷达系统模型 制作者：高祥瑞、宁康宁 内容：以ArduinoUno为核心，搭载HC-SR04超声波传感器、SG90舵机、LCD显示屏，可实现0-180°扫描探测，实时显示距离和角度 功能：完成静态测距、方位扫描等实验的硬件平台 2.编号：SY02 名称：移动测速小车平台 制作者：赵殊戬、窦子贤 内容：HJduinoR3套件组装，搭载HC-SR04传感器、车轮编码器，可实现匀速行驶和速度精准采集 功能：完成移动测速实验，对比超声波测速与真实速度的误差 3.编号：ZP01-ZP30 名称：实验过程及结果照片集 制作者：张轩宇 内容：包含各实验的器材搭建、数据记录、现象拍摄等30张照片 功能：直观呈现课题研究的实验过程和原始现象 4.编号：YX01 名称：实验原始视频 制作者：课题小组全体 内容：微型雷达扫描、移动测速小车行驶、方位指示装置工作的视频片段 功能：佐证实验结果的真实性和可重复性
（三）演示课题成果所需要的条件，要求（如特别需要，请说明）： 1.硬件设备：可通电的220V电源插座，用于微型雷达系统和移动测速小车的供电； 2.展示设备：投影仪、电脑，用于播放课题PPT、实验视频和照片； 3.实验场地：开阔的教室地面，无遮挡物，用于移动测速小车的演示； 4.辅助材料：亚克力板、木板、泡沫、海绵等实验试样，用于现场演示材质和角度对探测的影响。

4.基于HC-SR04超声波传感器的微型雷达设计与探究

高祥瑞、宁康宁、窦子贤、赵殊戬、张轩宇

徐州市第一中学高一15班

【摘要】

我们小组利用HC-SR04超声波传感器成功制作了一个微型雷达系统。通过一系列实验，重点研究了不同材质（如海绵、泡沫、塑料板、木板）和不同倾斜角度如何影响雷达的探测结果。我们发现，材质和角度对测量精度有显著影响。此外，我们还利用小车探究了雷达在移动中测速的误差，发现运动本身会带来不小的测量偏差。基于这些发现，我们提出了几种实用的改进思路。本研究为理解和优化低成本超声波雷达提供了参考。

【关键词】超声波雷达；HC-SR04；材质影响；角度影响；移动测速

一、引言

超声波雷达因为价格便宜、使用简单，在我们的生活中随处可见，比如机器人避障、倒车雷达等。HC-SR04是最常用的超声波传感器之一，它通过计算超声波发出和返回的时间来测量距离。

但在实际使用中，我们注意到，障碍物的材质（是硬是软）、它的摆放角度、甚至传感器本身是否在移动，都可能让测量结果产生误差。课本上的知识往往是理想情况，我们想通过亲手实验，真正弄明白这些因素到底如何影响超声波雷达的工作。因此，我们设计了静态探测和移动测速两组实验，希望能找到规律，并提出改进方法。

二、实验系统搭建

1.微型雷达系统

我们以ArduinoUno板作为控制中心，连接了HC-SR04超声波传感器、SG90舵机和一块LCD显示屏。将传感器装在舵机上，它就可以像雷达一样左右转动（0°到180°），扫描前方区域，并把距离和角度实时显示在屏幕上。

2.移动测速小车平台

为了研究移动中的测量问题，我们用HJduinoR3套件组装了一辆小车。把HC-SR04传感器固定在小车前方，用它来测量小车与前方障碍物的距离。小车的轮子上装有编码器，可以精确知道小车自己的真实速度，用来和超声波测出的速度进行对比。

三、实验与结果分析

1.实验一：材质对探测距离的影响

实验过程：

我们选取了四种材料：海绵、T型木板、高密度泡沫立方体、T型亚克力塑料板。将它们放在离传感器正好20.0厘米的地方，每种材料重复测量3次，计算平均值。

数据记录：

分析与讨论：

（1）普遍偏小：所有材料的测量值都比实际距离小，这说明传感器本身存在一定的系统误差。

（2）材质的影响：坚硬的塑料板和木板的测量结果比较接近，而柔软的高密度泡沫测出来距离偏差最大。这说明材料越软、结构越松散，对超声波的吸收可能越多，返回的信号就越弱，导致测量不准。

（3）关于海绵的意外发现：理论上，海绵这种多孔材料应该会把大部分声波吸收掉，导致雷达“看不见”它。但我们的实验中却测出了数据（尽管因不稳定未记录完整）。我们讨论后认为，可能有两个原因：

实验台干扰：目标和传感器下面都垫了东西，超声波可能先打到台面再反射回来，干扰了测量。

海绵吸音不完全：我们用的海绵可能不够厚或不够密，没能完全“吃掉”超声波。

下一步计划：我们打算把材料和传感器悬空，或者使用更专业的吸音材料来重复实验，验证我们的猜想。

2.实验二：倾斜角度对探测距离的影响

实验过程：

我们选用亚克力板，保持中心距离20厘米不变，然后改变板子相对于超声波波束的角度（0°，30°，45°，60°），分别测量距离。

数据记录：

分析与讨论：

结论非常明显：障碍物越“斜”，雷达测得的距离就越短。这是因为当表面不正对传感器时，绝大部分超声波能量都被反射到别处去了，只有很少一部分能返回传感器。传感器可能因为返回的信号太弱而无法正确识别，反而捕捉到了一些杂乱的反射波，导致读数严重失真。

3.实验三：被测物宽度对超声波识别效果的影响

实验过程：选取高密度泡沫为固定材质，制作宽度为1.0cm、2.0cm、3.0cm、4.0cm、5.0cm的长方体试样（规格为宽×长×高），将试样置于距传感器20.0cm处，保持表面与超声波波束垂直，每种宽度重复测量3次，计算平均测量值。

数据记录：

分析与讨论：

（1）测量值严重失真，所有试样的平均测量宽度远大于实际宽度，且数值接近传感器到试样的实际距离，说明HC-SR04传感器无尺寸识别功能，仅能探测距离，无法精准识别被测物宽度。

被测物实际宽度与平均测量宽度呈正相关，宽度越大测量偏差值越大，推测因宽度增加使超声波有效反射面积增大，信号强度提升进一步放大了尺寸识别的偏差。

（3）结合实验一结论，柔软多孔的泡沫材质对超声波吸收性强，与宽度因素叠加后，进一步提升了传感器的识别难度，导致测量结果偏差显著。

下一步计划：更换亚克力塑料板、木板等硬质材质制作不同宽度试样，重复实验探究材质与宽度的叠加影响规律；尝试通过软件校准，实现距离与尺寸探测数据的区分。

4.实验四：基于三角测距法制作障碍物方位指示装置，了解多超声波雷达联合应用方式

实验过程：以ArduinoUno为控制核心，搭建双HC-SR04超声波传感器探测系统，将两个传感器水平固定，间距设为10cm，组成三角测距基础结构；选取亚克力板为探测目标，将其置于双传感器前方20-40cm范围内，保持目标表面与传感器波束垂直，通过双传感器同时采集到目标的距离数据，结合三角几何原理计算障碍物相对传感器的方位角度，同时我们借来了一些LED指示灯组制作方位指示装置，对应不同方位区间实现灯光提示，每组距离与方位重复测量5次，验证装置的指示准确性。

数据记录：

分析与讨论：

三角测距法可实现方位探测，双传感器联合测量的平均方位角度与实际角度偏差极小，最大偏差仅±2°，说明基于HC-SR04的多雷达联合系统可有效实现障碍物方位识别，且指示装置的灯光反馈与计算方位精准对应，具备实际应用价值。

多传感器联合应用弥补单传感器短板，单传感器仅能探测距离无法判断方位，双传感器通过三角测距法实现了距离与方位的双重探测，验证了多超声波雷达联合应用在空间探测中的优势。

（3）存在小幅系统偏差，推测因传感器安装间距的机械误差、双传感器触发时间的微小延迟，以及环境声波反射干扰所致，导致测量方位出现小幅波动。

四、拓展探究：移动测速的挑战与多普勒效应

实验设计与发现：

我们让小车以三种已知速度（0.10m/s,0.20m/s,0.30m/s）匀速驶向墙壁，同时用超声波传感器和编码器分别测速。

数据记录：

误差分析：

在移动中测速，误差非常大（平均约-18%）。我们分析主要原因是一种叫做“多普勒效应”的物理现象。简单来说，当传感器和目标相对运动时，返回的超声波频率会发生变化，而HC-SR04传感器并没有设计用来处理这种变化，所以它计算出的时间差是不准的，从而导致速度计算错误。此外，传感器本身的反应有点“迟钝”，也会带来延迟。

我们的改进方案：

（1）换更好的传感器：可以购买本身就支持“多普勒测速”功能的超声波传感器。

（2）软件补偿：根据我们实验测出的误差规律，写一个简单的修正程序，对结果进行“校准”。

（3）多种传感器结合：不单单依赖超声波，同时参考小车编码器和陀螺仪的数据，通过一个“滤波算法”把所有的信息融合起来，得出更可靠的速度值。

五、讨论与反思

1.实验中的不足

我们对海绵的测量不够稳定，实验环境可能引入了干扰。

移动测速实验只在较低速度下进行，更高速度下的误差情况有待进一步探究。

环境温度、湿度可能对声速有影响，本次实验未严格控制。

2.超声波雷达的优缺点总结

优点：成本低、电路简单、易于实现。

缺点：测量精度受材质、角度影响大；在移动中测速误差显著；探测距离有限，且容易受到环境干扰。

3.应用与展望

尽管有这些缺点，超声波雷达在短距离、低速、成本要求高的场合依然非常有用。未来的改进可以从这些方面入手：使用性能更好的传感器；编写更智能的软件算法来补偿误差；将它与其他类型的传感器（如红外、激光）配合使用，取长补短。

六、结论

通过本次探究，我们亲手搭建并深入测试了超声波雷达系统。我们确认：

（1）障碍物的材质和倾斜角度会显著改变超声波的反射效果，从而影响测距准确性。

（2）传感器在移动中测速会因多普勒效应产生巨大误差（约-18%）。

我们提出的硬件升级、软件校准和多传感器融合的改进思路，为今后制作更可靠的超声波探测系统提供了明确方向。这次探究让我们深刻体会到，将理论知识应用于实践时，必须充分考虑各种复杂因素的影响。

七、参考文献

[1]王小明,李红.超声波传感器在智能小车避障系统中的应用[J].传感器与微系统,2020.

[2]ArduinoHC-SR04超声波传感器项目教程.创客社区.

[3]赵亮,刘伟.基于多普勒效应的超声波测速方法研究[J].自动化技术与应用,2021.

附录

海绵：几乎无法识别

组员处理实验数据（T形木板）

T型木板1:18.190cm