徐州一中综合实践活动（研究性学习）

课题实施方案申报表

徐州一中综合实践活动（研究性学习）记录表

基于超声波三角测距法的障碍物方位指示装置设计与实现

摘要：

本课题设计并实现了一种基于超声波传感器与舵机联动的障碍物方位指示装置。装置核心采用三角测距原理，通过固定在塑料板上的两个超声波传感器进行水平扫描，采集距离数据。Arduino Uno微控制器作为处理中枢，控制扫描流程并解算障碍物方位，最终通过舵机指示指明障碍物方向。实验结果表明，该装置能够在一定角度和距离范围内有效探测并指示障碍物的方位，验证了三角测距法在简单环境感知中的应用可行性。本研究为机器人避障、盲人辅助等应用提供了低成本、高可行性的技术参考。

一 、引言

随着自动化与机器人技术的飞速发展，环境感知与避障能力成为智能设备的核心功能之一。障碍物探测技术多种多样，如激光雷达、视觉相机、毫米波雷达等，但其成本高昂或算法复杂，不适用于教学普及或简单应用场景。超声波传感器因其成本低廉、原理简单、易于实现，被广泛应用于近距离测距领域。

单一的超声波传感器只能提供前方障碍物的距离信息，而无法判断其具体方位。本课题旨在探索一种基于三角测距法的低成本解决方案。通过让两个超声波传感器进行扫描，获取一系列数据，从而探测出前方障碍物的距离，并最终通过舵机指示出障碍物所在的方位。本项目依托徐州一中科探方舟平台，旨在通过动手实践，深入理解传感器应用、数据采集与处理以及系统集成等工程概念。

二 、系统设计与硬件安装

2.1 系统设计原理

本装置的核心原理是三角测距法。系统使用三角测距法，通过两个超声波传感器的指示范围的重叠部分，计算出前方障碍物在二维平面上的指示位置。

2.2 硬件组件清单

组件名称

型号/规格

数量

作用

微控制器

Arduino Uno开发板

1

系统控制核心，处理数据和逻辑

超声波传感器

HC-SR04

2

发射和接收超声波，测量距离

舵机

SG90

1

通过超声波传感器的数据指出障碍物的大致方位

杜邦线

公对公、公对母

若干

连接各组件

塑料板

长25cm，宽10cm

1套

固定舵机和超声波传感器

2.3 硬件安装与电路连接

机械结构安装： 使用热熔胶枪将舵机、超声波传感器固定在塑料板上，确保装置工作时传感器能稳定平移而非晃动。

电路连接：

接线方式

元器件

元器件引脚

开发板引脚

超声波传感器（左）

GND

GND

3.3V

VCC

10

Trig

11

Echo

超声波传感器（右）

GND

GND

5V

VCC

2

Trig

3

Echo

舵机

5V

红线

GND

棕线

12

黄线

三 、软件设计与调试

3.1 程序流程设计

程序流程图如下所示：

3.2 核心代码编写与注释

#include <Servo.h>

const int SONAR_L_TRIG = 10;

const int SONAR_L_ECHO = 11;

const int SONAR_R_TRIG = 2;

const int SONAR_R_ECHO = 3;

const int SERVO = 12;

const double D_LR = 10.5;

const double D_RS = 13.2;

const double D_LS = D_LR + D_RS;

const uint32_t SONAR_DELAY = 50;

static Servo servo;

void setup() {

  pinMode(SONAR_L_TRIG, OUTPUT);

  pinMode(SONAR_L_ECHO, INPUT);

  pinMode(SONAR_R_TRIG, OUTPUT);

  pinMode(SONAR_R_ECHO, INPUT);

  pinMode(SERVO, OUTPUT);

  Serial.begin(9600);

  servo.attach(SERVO, 500, 2500);

}

static double pow2(double x) {

  return x * x;

}

static double degree(double rad) {

  return rad * 180 / M_PI;

}

static double detect_single(double dL, double dR) {

  return degree(dL < dR ? atan(dL / D_LS) : atan(dR / D_RS));

}

static double detect() {

  double dL = CalculateDistanceL();

  delay(SONAR_DELAY);

  double dR = CalculateDistanceR();

  delay(SONAR_DELAY);

  Serial.print("L: ");

  Serial.print(dL);

  Serial.print(",R: ");

  Serial.println(dR);

  if (dL + dR <= D_LR || dL + D_LR <= dR || dR + D_LR <= dL) {

    return detect_single(dL, dR);

  }

  double cosL = (pow2(dL) + pow2(D_LR) - pow2(dR)) / (2 * dL * D_LR);

  double dS = sqrt(pow2(dL) + pow2(D_LS) - 2 * D_LS * dL * cosL);

  return degree(asin(dL * sin(acos(cosL)) / dS));

}

void loop() {

  const int TIMES = 3;

  double res = 0;

  for (int i = 0; i < TIMES; i++) {

    res += detect();

  }

  res /= TIMES;

  Serial.print("Angle:");

  Serial.println( res);

  servo.write(round(180 - res));

}

float CalculateDistanceL(void) //测量距离L

{

    digitalWrite(SONAR_L_TRIG, HIGH);

    delayMicroseconds(10);

    digitalWrite(SONAR_L_TRIG, LOW);

      float duration = pulseIn(SONAR_L_ECHO, HIGH);

    float distance = duration*340/2/10000;

    return float(distance);

}

float CalculateDistanceR(void) //测量距离R

{

    digitalWrite(SONAR_R_TRIG, HIGH);

    delayMicroseconds(10);

    digitalWrite(SONAR_R_TRIG, LOW);

      float duration = pulseIn(SONAR_R_ECHO, HIGH);

    float distance = duration*340/2/10000;

    return float(distance);

}

3.3 调试过程与问题解决

距离计算错误问题：初始代码中计算函数出现错误，导致无法正常指示方位，在弧度制转角度值中增加了“degree”，并修正了测量距离的L、R函数中的微秒延迟计算；

其他障碍物干扰：进行试验时，桌面上其他障碍物干扰舵机指示方位，将桌面清空即可解决。

四 实验数据与实验结论

程序版本

相比上版本改动

重复

能否正确检测方位

1

\

1

否

否

否

2

修正了若干计算角度中的bug，增加了弧度制转角度制函数degree；

2

否

否

否

3

修正了测量距离L、R函数中的微秒延迟计算，将delayMicroseconds命令转移到两次digitalWrite中间；

3

是

是

是

五 结论与展望

本项目成功设计并实现了一套基于Arduino的超声波三角测距方位指示装置。通过硬件搭建、软件编程和系统调试，验证了利用低成本传感器进行障碍物方位感知的可行性。该装置能够在一定范围内，较为准确地探测并指示出最近障碍物的方位，达到了预期的设计目标。

本课题作为徐州一中科探方舟的探索项目，不仅巩固了我们在传感器应用、编程控制方面的知识，更极大地锻炼了我们的动手能力、问题解决能力和科学探究思维，为今后的深入学习奠定了坚实的基础。

课题：基于HC-SR04超声波传感器的微型雷达设计与研究

 组 别：0605小组

撰写人：郁智恒 刘奕菡