科探方舟——基于超声波雷达探测性能的研究
一、课题背景 |
1.1中科院微型实验室“科探方舟”
“科探方舟”（课题研究项目），是徐州一中与中科院合作，中科院京区科协牵头设计的品牌科学产品。“科探方舟”以探究性科学实验装置为支柱，在专业探究课程专家的指导下完成“小课鹰研究”，帮助同学们涵养科学精神、提高科学素养。 “科探方舟”是一个探究性的教学集成包，相当于一个微型的实验室，其中包含了生命科学、资源环境等十个不同方向的课题，分别涉及水质差异与硬水软化、射电天文望远镜工程、桥梁承载能力、住宅日照间距、种子催芽剂、风力发电等都是基于当下、基于生活和生产实践、基于同学们所见所闻所思所想，是真问题，课题具有前瞻性和鲜明的目的性和计划性。 主要目的在于培养学生的创新思维、合作精神、沟通能力，以此提高科学素养。高中是培养学生创新思维的黄金时期，而小课题研究又是一项缜密的科学实验活动，应该让同学们从高中开始，就养成像科学家一样思维的习惯。通过自主学习、动手实验、成果汇报和答辩的形式，达到开阔视野、启迪灵感、增强创新意识和动手实践能力，提高综合科学素养，为将来成为未来社会急需的创新型人才打下基础。 1.2课题简介
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出了巨大 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。 本课题围绕“探究不同因素对超声波雷达探测的影响”展开，从雷达装置制作，到探索被测物材质对超声雷达识别效果的影响，从而更深入识别超声雷达的原理、功能及特性。 |
二、实验过程
2.1 实验伊始 虽然早就从学长、学姐那里听说了“科探方舟”的故事，但从老师手中双手接过装有故事的宝盒，我们还是无比激动。那个蓝白相间的盒子像是发着神秘的光，引领着我们开启科研探索的大门。小组成员聚在一起，从开箱拿出一个个不知名的零件开始，我们“科探方舟”的旅程就开始了。
2.2 实验过程 实验开始，我们小组成员根据课题内容及自身特长，制定了实验计划和组内分工。课题主要分为两大部分，第一部分是实验的载体也就是超声雷达的制作，第二部分就是测试不同被测物对超声雷达识别能力的影响。 2.2.1 雷达制作 设计并制作基于HC-SR04超声波传感器的雷达装置,实现目标距离的精准采集与数据记录。 2.2.2 雷达测试 测试不同变量(距离、材质)对超声波雷达测量结果的影响，以及进一步验证超声波雷达的有效测试范围内被测物宽度识别的效果。 2.3 结果分析 1、本次测试的超声波雷达（HC-SR04）在 0.5m-2.5m 范围内性能最优，测量误差≤ 3%，可满足室内机器人避障、倒车雷达、近距离液位检测等场景的精度需求； 2、目标材质对测试精度影响显著，优先选择高密度泡沫板、塑料板等高密度、高 反射率目标，若需探测海绵等低反射率目标，需通过信号放大电路或算法优化提升精度； 3、超声波雷达由于受到其物理原理的固有限制，以及环境因素（温度）和自身精 度的综合影响，无法用于精确测量物体的绝对尺寸，它的核心功能更侧重于检测物体的有无和大致距离。 |
【摘要】为评估超声波雷达在近距离目标探测中的性能表现，本文以 HC-SR04 超声波模块为核心，设计并制作基于 HC-SR04 超声波传感器的雷达装置，探索被测物材质对超声波雷达识别效果的影响，针对不同目标材质、被测物角度、被测物宽度三个关键变量开展识别效果测试。通过在 0.2m-0.3m 范围内对海绵、高密度泡沫、塑料、木材目标进行多次重复实验，结果发现海绵障碍物不能被检测到，塑料能被检测到的距离最远，推测是由于海绵多孔结构吸收了大部分超声波。对被测物角度识别效果显示，发现障碍物与我们的雷达角度在零到十度时可以探测到物体，且探测的宽度随物体与水平方向夹角增大而减小。对被测物宽度识别效果显示，雷达估算的障碍物宽度始终远大于其实际宽度，本实验的超声波雷达由于受到其物理原理的固有限制，以及环境因素（温度）和自身精度的综合影响，无法用于精确测量物体的绝对尺寸。 【关键词】超声波雷达；不同目标材质；HC-SR04；测量角度；障碍物宽度 一、 实验背景与目的 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出了巨大 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。 本次测试的核心目的： 1、设计并制作基于HC-SR04超声波传感器的雷达装置,实现目标距离的精准采集 与数据记录； 2、测试不同变量(距离、材质)对超声波雷达测量结果的影响，以及验证超声波雷达的有效测试范围内被测物宽度识别的效果。 二、实验原理 超声波雷达的测试核心基于回声定位原理,通过计算超声波往返时间实现距离测 量,核心公式为： d = \frac{v \times t}{2} |
三、课题报告 |
超声波雷达性能测试与精度验证 |
其中：- d 为目标与雷达的实际距离（单位：m）； |
- v 为超声波在空气中的传播速度（单位：m/s），受温度影响显著，修正公式为 v = 331.5 + 0.6T（T 为环境温度，单位：℃）； |
- t 为超声波从发射到接收反射信号的总时间（单位：s），除以 2 是因为超声波需 完成“发射-反射-接收”往返过程。 |
测试所用 HC-SR04 模块的工作流程：ArduinoIDE 软件向模块 Trig 引脚发送 10μs 以 上高电平触发信号，模块发射 8 个 40kHz 超声波脉冲；若脉冲遇到目标反射，Echo 引脚输出高电平，高电平持续时间即为 t；STM32 通过定时器捕获 t，结合温度数 据计算 v，最终代入公式得到 d。 |
三、测试系统搭建 |
3.1 测试器材清单 |
器材名称 |
型号/规格 |
用途 |
控制单元 |
ArduinoUNOR3 开发板 |
触发模块、捕获时间、计算距离 |
超声波探测单元 显示与存储单元 |
HC-SR04 模块超声波传 发射/接收超声波 |
感器 |
笔记本电脑+USB 数据线+ 实时显示数据、存储测试结果 |
串口助手 |
控制单元 固定材料 |
SG90 舵机 |
为系统提供控制单元 |
透明支架及底座、雷达结 固定装置，保证雷达结构稳定性 构木片及螺丝螺母 |
标准目标 校准工具 |
海绵、高密度泡沫、塑料 模拟不同材质探测目标 板、木板（10cm×10cm） |
高精度卷尺（精度 1mm） 设定标准距离，计算测量误差 |
3.2 硬件连接方案 |
1. 用螺丝与螺母把 HC-SR04 模块超声波传感器固定在透明支架上。 2. 用螺丝把 S90 舵机支架，固定到透明底座下，将雷达结构木片立体支架搭好， 将 ArduinoUNOR3 开发板舵机固定到支架上。 |
3. 按照电路图用杜邦线连接合格元器件与电路。 |
3.3 软件测试流程 |
1. 在电脑中下载 ArduinoIDE 软件，根据提示安装成功。 |
2. 将 ArduinoUNO 板与电脑采用数据线连接，双击生成的图标启动 Arduino，在工 |
具中选择开发板的类型和端口号，其中端口号的选择可通过拔插 ArduinoUNO 板的 同时观察工具端口号的变化确定。 |
3. 下载链接中的 Arduino 开发代码，运行程序，测试舵机灵敏度是否正常工作。 4. 在舵机保持 90°时将 Arduino 板断电，将装置插到舵机上，调整角度(不要转动 舵机，调整舵机支架与舵机咬合位置)让超声波传感器正面朝向支架前方。 |
四、测试方案与实施 |
4.1 测试变量设计 |
本次测试采用“单一变量法”，分别控制距离、材质三个变量，具体方案如下： 1. 距离变量测试（固定条件：25℃、金属目标） |
- 标准距离设置：0.1m、0.2m、0.3m（卷尺校准，误差≤1mm）； - 测试步骤：每个标准距离下，系统连续测试 10 次，记录 10 个 d_{测}，计算平均 值 \bar{d}_{测} 与误差率 e = \frac{|\bar{d}_{测} - d_{标}|}{d_{标}} \times 100\%。 |
2. 材质变量测试（固定条件：25℃、0.2m 标准距离） -目标材质：海绵、高密度泡沫、塑料板（ABS 材质）、木头（松木，表面打磨平 整）； |
- 测试步骤：每种材质目标固定在 0.2m 处，连续测试 10 次，计算 \bar{d}_{测} 与 误差率 e。 |
3、被测物角度对超声波雷达识别效果的影响。 |
发现障碍物与我们的雷达角度在零到十度时可以探测到物体，且探测的宽度随物 体与水平方向夹角增大而减小。 通过系统的实验（包括补充的 10 度测试）发现： 当障碍物与雷达的夹角在 0°到 10°范围内时，雷达可以探测到障碍物；当夹角大于 10°时，雷达就无法探测到障碍物。 |
4、被测物宽度对识别效果的影响 |
雷达估算的障碍物宽度始终远大于其实际宽度。例如，1 厘米宽的实际物体被测 量为约 13 厘米。并且，随着实际宽度从 1 厘米增加到 5 厘米，雷达估算值的增长 越来越慢，最终稳定在 24 厘米左右。 我们发现雷达估算宽度误差很大，与其他组 数据对比后，我们分析误差原因可能是雷达设定的声速所在温度和实际实验时候的 温度不同，导致超声波的实际声速和设定值不同。也有可能是材质角度的问题，雷 达精度的问题也不排除。 |
4.2 测试数据记录（部分核心数据） |
表 1 0.2m 距离下不同材质的测试数据（25℃） |
表 2 相同距离下测试被测物角度对超声波雷达识别效果的数据分析 |
表 3 被测物宽度对识别效果的影响的数据分析 |
五、测试结果分析 |
5.1 距离对测试精度的影响 |
由表 1 可知：我们研究了海绵、高密度泡沫、塑料、木头作为障碍物对超声波雷达 检测效果的影响，并多次重复实验，结果发现海绵障碍物不能被检测到，塑料能被 检测到的距离最远，推测是由于海绵多孔结构吸收了大部分超声波。 |
5.2 被测物角度对超声波雷达识别效果的影响 |
由表 2 可知：我们得出本实验所用超声波雷达的有效探测角度范围大约是 10°。 对 这一现象的讨论与分析： 1.这个结果清晰地揭示了超声波传感器的工作原理。它发 出的不是一束平行的激光，而是一个有扩散角度的锥形波束（声波）。只有在这个 “光锥”范围内的物体，才能被有效地“照亮”并产生回波。 2. 为什么存在角度极 限？ · 当物体正对雷达（0°）时，超声波垂直入射，大部分能量能原路返回传感器， 信号最强，最容易探测。 · 当物体倾斜到 10°时，虽然超声波能到达物体，但反射 |
表 3 被测物宽度对识别效果的影响的数据分析 |
波的方向会偏离入射方向（类似于光的镜面反射）。只有一小部分散射的能量能回 到传感器。此时信号非常微弱，但刚好能被系统识别，这就是探测的极限角度。· 当 角度增大到 15°及以上时，反射波束完全偏离了传感器接收器的位置，没有任何有 效回波被接收到，因此显示为“无物体”。 3. 对“物体视角”数据的思考： · 在 0°时 记录到的“物体视角 35.348°”可能并非物体本身的尺寸，而更可能是超声波波束本身 的扩散角。这意味着，即使是一个小点，在雷达看来也是一个 35°角宽的“大目标”。 我们小组依据这个现象进行思考，认为超声波雷达的方位分辨率是有限的，无法精 确区分波束内两个靠得很近的物体。结论：本实验制作的超声波雷达不仅探测距 离有限，其水平方向上的探测范围也极其狭窄（约 10°），并且对物体的定位比较 模糊（受波束角影响）。这既是它的缺点，也是其工作原理决定的必然特性。 基 于这个关于角度的有趣发现，我们可以进行更多深入的探索：1. 现实中的启示—— 盲区的危险： 这个实验解释了为什么汽车倒车雷达需要安装多个（通常为 4 个或 更多）。单个雷达有巨大的探测盲区。如果只在车尾中间装一个，那么车角两侧的 障碍物因为角度过大，就完全处于盲区中，极易发生碰撞。这让我们理解了复杂系 统中传感器布局的重要性。 2. 可以进一步探究的问题： · 垂直方向的探测角： 我 们只测试了水平角度。超声波波束在垂直方向上是否也有一个类似的扩散角？如果 我们制作一个 2D 扫描雷达，它的探测区域应该是一个立体的“锥形”，而不是一条 “线”。 · 复杂场景探测： 如果一个物体只有一部分在 10°的有效锥角内，雷达会显 示什么？是完整物体的距离，还是只能探测到那一部分？这可以模拟雷达探测大型 不规则物体的边缘情景。 · 提升方案——雷达阵列： 我们能否将多个超声波传感 器以不同的角度安装在一起，组成一个“传感器阵列”，来拼合成一个更大的无盲区 探测视野？这是解决单一传感器视角窄的常用工程方法。 |
5.3 被测物宽度对识别效果的影响 |
由表 3 可知：造成这种巨大误差是多个因素共同作用的结果，其中最主要的原 因是： 1. 超声波波束角的影响： 这是我们之前实验就发现的核心问题。超声波传 感器发出的声波是一个锥形扩散的波束，而不是一条细线。因此，即使是一个很小 的物体，整个波束区域都会产生回波，导致系统误以为探测到了一个很大的物体。 这解释了为什么测出的宽度存在一个“最小值”（约 13 厘米），以及为什么当物体 变大后测量值会饱和——因为物体宽度已经超过了波束在该距离下的覆盖范围。 2. 环境温度导致的声速误差： 经查阅资料，Arduino 在计算距离时，使用的声速公式 |
V = 331 + 0.6 * T 中的温度 T 是一个设定值。如果实验时的实际温度与设定值不同， 声速就会不准确。距离 = (声速 × 时间) / 2，因此声速的误差会直接、成比例地传 递到所有距离和宽度的计算结果中。这可能是造成测量值系统性偏大或偏小的一个 因素。 3. 其他可能因素：材质与角度：物体表面的材质和微小的角度偏差会 影响回波的强度和接收时间，引入随机波动。传感器精度：传感器本身在测量 时间上存在固有误差，这也会被放大为厘米级的距离误差。 |
本实验的超声波雷达由于受到其物理原理的固有限制，以及环境因素（温度） 和自身精度的综合影响，无法用于精确测量物体的绝对尺寸。它的核心功能更侧重 于检测物体的有无和大致距离。 |
六、测试结论与展望 |
6.1 核心结论 |
1、 本次测试的超声波雷达（HC-SR04）在 0.5m-2.5m 范围内性能最优，测量误差≤ 3%，可满足室内机器人避障、倒车雷达、近距离液位检测等场景的精度需求。 2、目标材质对测试精度影响显著，优先选择高密度泡沫板、塑料板等高密度、高 反射率目标，若需探测海绵等低反射率目标，需通过信号放大电路或算法优化提升 精度； |
3、超声波雷达由于受到其物理原理的固有限制，以及环境因素（温度）和自身精 度的综合影响，无法用于精确测量物体的绝对尺寸，它的核心功能更侧重于检测物 体的有无和大致距离。 |
6.2 后续测试展望 |
这次探究让我们从“为什么会出错”的角度，更深入地理解了科学测量的严谨 性。 1.这个实验让我们意识到，一个成熟的测量系统必须考虑环境变量的补偿。比 如，高级的超声波测距仪会内置温度传感器进行实时声速校准。我们可以尝试在本 项目中加入一个温湿度传感器，让 Arduino 能够读取实时温度并动态计算声速。 2. 误差分析能力的提升：我们学会了区分系统误差和随机误差。 系统误差：像物 |
理原理和固定的温度设定错误导致的误差，它的特点是具有规律性（总是偏大）。 我们可以通过改进模型和校准（测量真实温度）来减小它。 · 随机误差： 像材质、 角度微变导致的每次读数不同，它的特点是无规律。我们可以通过多次测量求平均 值的方法来削弱它的影响 3. 可以继续探索的方向： · 温度验证实验： 我们可以 在一个空调房内，设定两个不同的温度（如 20℃和 30℃），测量同一个固定距离 的物体，验证温度对测量结果的具体影响程度。 通过这次从材质、角度到宽度的 完整探究，我们不仅成功制作了一个简易雷达，更重要的是，我们系统地评估了它 的性能，分析了它的局限，并思考了优化的路径。这个过程，比得到一个“完美”的 结果要宝贵得多。 本次活动既锻炼了我们小组的团队协作能力，又让我们扩展领略了 HC-SR04 超声波雷达的知识。我们切身体会到了青年所背负科技兴国的使命的重量，以及社 会发展、民族复兴所需的创新意识，有了本次活动圆满成功的经验，我们在未来 学习生活中也会一往无前。 |
[2] HC-SR04 超声波模块技术手册[Z]. 深圳捷多邦科技有限公司, 2020. [3] STM32F103C8T6 定时器捕获功能应用指南[Z]. 意法半导体（中国）有限公司, 2022. |
[1] 李军. 超声波测距技术的精度优化与测试研究[J]. 仪器仪表学报, 2021, 42(5): 45-52. |
参考文献 |
