摘要

雷达测距系统在自动驾驶、无人机等领域应用广泛，传统雷达存在成本高、体积大的问题。本课题以HC-SR04超声波传感器为核心，结合Arduino UNO开发板、舵机等器材设计制作微型雷达装置，探究超声波测距原理，实现环境扫描与障碍物检测功能，分析环境、材质、角度对测距精度的影响。实验结果表明，该微型雷达在0~100cm短距离内测距误差小于±2%，硬质光滑材质测距精度更高，倾斜角度与吸音材质会降低测距效果。本设计为低成本测距设备的研发提供了简易实现方案，也为相关技术的基础探究提供了实践参考。

关键词：HC-SR04超声波传感器；微型雷达；Arduino；测距精度；障碍物检测

一、课题背景

1.1 科创探究背景

当下智能传感技术在民用、工业领域的应用愈发广泛，雷达测距作为智能感知的核心技术之一，是实现设备环境识别、自主导航的关键。中学阶段的科创探究是培养创新思维、实践能力的重要途径，通过设计简易的微型雷达装置，将电子电路、程序编写、物理测距原理相结合，让探究过程贴合科技应用实际，在动手实践中理解传感器技术的工作逻辑，提升综合科学素养。

1.2 课题研究意义

传统雷达设备因成本高、体积大的特点，难以在中小型智能设备及基础探究实验中普及。HC-SR04超声波传感器具有成本低、操作简便、测距响应快的优势，结合开源的Arduino开发平台，可快速搭建简易的雷达测距系统。本课题通过设计可旋转的微型雷达装置，探究超声波测距的核心原理，分析不同外界条件对测距精度的影响，既实现了雷达测距技术的简易化、低成本实现，也为中学科创探究提供了可复制的实践案例，同时培养了电路搭建、程序调试、数据处理的综合能力。

二、实验过程

2.1 实验准备

本次实验依托科创探究器材包开展，器材包含HC-SR04超声波传感器、Arduino UNO开发板、舵机等核心电子元件，以及杜邦线、电源模块、木质结构件等组装材料，同时配备电脑（含Arduino IDE编程软件）、不同材质障碍物（硬纸板、金属、布料）等实验辅助用品。

实验开始前，小组成员通过查阅超声波测距原理、Arduino编程、舵机控制等相关资料，完成知识储备；通过建立小组沟通群，共同制定实验计划，明确分工，将实验分为硬件搭建、程序编写、数据采集与分析三个核心环节，确定实验的自变量、因变量及控制变量，为实验顺利开展奠定基础。

2.2 实验设计与实施

本课题通过三组递进式实验，探究微型雷达的测距效果及影响因素，各实验设计如下：

- 实验一：探究HC-SR04超声波传感器基础测距性能

自变量：障碍物与传感器的距离（0~100cm）

因变量：传感器实测距离值

控制变量：障碍物材质（金属）、测距角度（0°）、环境温度（常温20℃）

- 实验二：探究不同材质对微型雷达测距精度的影响

自变量：障碍物材质（金属、硬纸板、布料）

因变量：测距误差率

控制变量：测距距离（50cm）、测距角度（0°）、环境温度（常温20℃）

- 实验三：探究不同倾斜角度对微型雷达测距精度的影响

自变量：障碍物倾斜角度（0°、30°、45°）

因变量：测距误差率

控制变量：障碍物材质（金属）、测距距离（50cm）、环境温度（常温20℃）

（1）硬件搭建

1. 将HC-SR04超声波传感器的Trig、Echo接口分别连接至Arduino UNO开发板的数字引脚，VCC、GND接口对应连接电源正负极；

2. 将舵机的信号引脚连接至Arduino开发板的PWM控制口，完成舵机与主板的电路连接；

3. 用热熔胶将HC-SR04传感器固定在舵机旋转端，制作可旋转测距头；

4. 利用木质结构件、螺丝，将Arduino主板、电源模块、可旋转测距头组装为完整的微型雷达装置，检查电路连接无短路、虚接后，接通电源调试。

（2）程序编写

1. 在电脑端打开Arduino IDE，编写舵机控制程序，实现舵机从0°到180°的匀速循环扫描，扫描步长设为1°；

2. 编写超声波测距程序，触发传感器Trig引脚发射超声波，通过Echo引脚接收回波信号，计算回波时间并转化为实际距离值；

3. 整合程序代码，实现舵机每旋转1°，传感器完成一次测距，并将角度值、距离值通过串口实时发送至电脑端；

4. 在电脑端编写简易可视化脚本，接收串口传输的数据，绘制二维扫描图像，直观呈现障碍物的位置与距离。

（3）数据采集与记录

1. 按照三组实验设计，依次布置实验场景，调节障碍物的距离、材质、角度；

2. 每组实验重复测量5次，记录每次的实测距离值，计算平均值与误差率，减少实验偶然误差；

3. 记录实验过程中出现的异常情况（如测距无响应、数据波动过大等），标注对应的实验条件。

2.3 实验问题分析与优化

实验过程中，出现了部分工况下测距数据波动大、吸音材质测距无响应等问题，小组成员通过分析超声波测距原理，结合实验条件查找原因并完成优化：

1. 测距数据波动：初期因程序中回波信号读取延时设置不合理，导致部分回波信号未被有效识别，通过多次调试，调整延时参数，使测距稳定性提升约10%；

2. 吸音材质无测距响应：超声波接触布料等吸音材质时，大部分声波被吸收，无有效回波返回传感器，此类工况下无法完成测距，属传感器本身的物理特性限制；

3. 倾斜角度测距偏大：障碍物表面倾斜时，超声波反射角偏离传感器接收方向，导致回波传播路径变长，实测距离大于实际距离，通过增加传感器接收角度的相关分析，完善实验结论。

同时，实验过程中严格控制环境因素，保持实验环境无明显气流、无其他声波干扰，确保实验数据的有效性。

三、结果与分析

3.1 基础测距性能实验结果

在0°测距角度、金属障碍物的理想条件下，传感器在0~100cm范围内的测距误差小于±2%，实测距离值与实际距离值贴合度高；当距离超过100cm后，测距误差逐渐增大，超过150cm后，无法稳定接收回波信号，说明HC-SR04传感器适用于短距离测距，本微型雷达的有效测距范围为0~100cm。

表1 基础测距性能实验数据（0°，金属障碍物，单位：cm）

3.2 不同材质对测距精度的影响

相同距离、角度条件下，不同材质的测距误差率差异显著：金属材质的测距误差率最低，仅为1.2%；硬纸板等硬质多孔材质的测距误差率约为3.5%；布料等吸音材质无有效回波，无法完成测距。原因在于超声波在硬质光滑表面的反射率高，回波信号强且稳定，而多孔、吸音材质会吸收或散射超声波，导致有效回波减少。

表2 不同材质对测距精度的影响（50cm，0°，单位：cm）

3.3 不同倾斜角度对测距精度的影响

相同距离、材质条件下，障碍物倾斜角度越大，测距误差率越高：0°（垂直）时误差率1.2%，30°时误差率升至8.7%，45°时误差率达到15.3%。这是因为倾斜角度导致超声波反射方向偏移，传感器接收的回波为“反射后延长路径”的信号，计算出的实测距离大于实际距离，且角度越大，路径延长越明显，误差越大。

表3 不同倾斜角度对测距精度的影响（50cm，金属，单位：cm）

四、结论与讨论

本课题以HC-SR04超声波传感器为核心，成功设计并制作了基于Arduino的可旋转微型雷达装置，实现了0~100cm范围内的环境扫描与障碍物检测功能，完成了不同条件对测距精度影响的探究。实验得出以下核心结论：

1. 该微型雷达在0~100cm短距离、硬质光滑障碍物、垂直测距角度的理想条件下，测距精度高，误差小于±2%，具备简易障碍物检测的实用价值；

2. 障碍物材质对测距效果影响显著，硬质光滑材质反射率高，测距效果好，吸音、多孔材质会导致回波缺失，无法完成测距；

3. 障碍物倾斜角度会直接影响测距精度，角度越大，测距误差越高，反射角偏离传感器接收范围后，将无法识别有效回波。

本次实验仍存在一定的局限性，后续可从以下方面进一步探究与优化：

1. 引入多传感器融合技术，增加多个HC-SR04传感器组成阵列，扩大检测范围，提升对倾斜障碍物的识别能力；

2. 结合蓝牙/Wi-Fi模块，实现微型雷达与移动设备的无线数据传输，摆脱电脑端的有线限制，拓展远程监测应用场景；

3. 优化机械结构，更换高精度舵机，提高扫描步长的精准度，同时设计传感器防护结构，提升装置的稳定性与耐用性；

4. 探究环境温度、湿度对超声波传播速度的影响，在程序中增加环境参数补偿模块，进一步提高测距精度。

通过本次课题研究，小组成员不仅深入理解了超声波测距的物理原理、Arduino编程与电路搭建的核心知识，更在实验设计、问题分析、团队协作中提升了综合科学素养。科创探究的核心在于从实践中发现问题、解决问题，本课题的低成本微型雷达设计，虽与工业级雷达存在差距，但实现了“从理论到实践”的落地，也为后续的科创探究积累了宝贵的实践经验。

参考文献

[1] 王兆安,黄俊.电力电子技术[M].北京:机械工业出版社,2020.

[2] 童诗白,华成英.模拟电子技术基础[M].北京:高等教育出版社,2016.

[3] 张福学.传感器应用技术手册[M].北京:电子工业出版社,2018.