超声波传感器的局限性 一般而言，由于超声波传感器存在固有的局限性，探测的精度不会很高，此外，超声波探测精度还受环境温度、发射角辐射范围和障碍物表面特性等因素的影响。因此，在移动机器人实时避障系统中存在一定的局限性，主要表现在四个方面：
    一是因为超声波的波长相对长一些，对于稍大的扁平的障碍物可以发生镜面反射，传感器由于接收不到反射信号，使此障碍物不能被检测到。
    二是盲区较大，因为每个超声换能器既作超声发射器又作超声接收器，因此不能同时发射超声波和接收超声波。在发射超声波后必须经过一段时间才能处理返回的声波。如果障碍物距离太近（< 30cm左右），则传感器收不到返回的声波，所以该类传感器存在测量盲区。
    三是表现在探测波束角过大，方向性差。往往只能获得目标的距离信息，不能准确地提供目标的边界信息，而且单一传感器的稳定性不理想。在实际应用中，往往采用其它传感器来补偿，或采用多传感器融合技术提高检测精度等。
　　　四是由于超声波受环境温度、湿度等条件的影响，以及超声波固有的宽波束角，超声波传感器在测距时，所测量值与实际值的误差较大。
　　　五是当超声波传感器和障碍物形成一定的角度时，会发生镜面反射产生幻影。在图2-3中传感器发出的超声波发生了镜面反射，虽然障碍物和机器人很近，但是由于幻影的产生，机器人误认为障碍物很远，机器人就会和障碍物发生碰撞。
　　　
　　　图2-3 幻影的产生

2.2 光电式传感器
2.2.1 光电传感器的工作原理
　　　反射式光电传感器的光源有多种，常用的有红外发光二极管，普通发光二极管，以及激光二极管，前两种光源容易受到外界光源的干扰，而激光二极管发出的光的频率较集中，传感器只接收很窄的频率范围信号，不容易被干扰但价格较贵。理论上光电传感器只要位于被测区域，反射表面可受到光源照射同时又能被接收管接收到的范围就能进行检测，然而这是一种理想的结果。因为光的反射受到多种因素的影响，如反射表面的形状、颜色、光洁度、日光、日光灯照射等不确定因素。如果直接用发射和接收管进行测量将因为干扰产生错误信号，采用对反射光强进行测量的方法可以提高系统的可靠性和准确性。红外反射光强法的测量原理是将发射信号经调制后由红外发光二极管发射，再由光敏管接收调制的红外信号，原理如图2-4所示。

图2-4 红外发射接收原理
　　　反射光强度的输出信号电压Vout是反射面与传感器之间距离X的函数，设反射面物质为同种物质时，X与Vout的响应曲线是非线性的，如图2-5所示。设定输出电压达到某一阈值时作为目标，不同的目标距离阈值电压是不同的。
2.2.2 红外反射式探测器硬件电路

　　图2-5 光强度的相应曲线
　　　在图2-6中，电路包含两个检测器（IC3和IC4）、两个LED检测指示灯（LED1和LED2）、两个红外线发射器（LED3和LED4）和一个38kHz信号发生器。
1.产生38kHz方波
　　　R5、R6、C5和IC1的引脚1、2构成了一个压控振荡器（VCO）。这部分电路的作用就是产生频率为38kHz的方波。
　　　R5和R6就是一个22的固定电阻串接一个10的可变电阻（电位器）。当R6拨到0时，它们就相当于一个22的电阻；当R6拨到10时，它们就相当于一个32的电阻。R6可以是0～10之间任何一个阻值。这样以来，R5和R6就相当于一个22～32之间的一个电阻。
　　　C5是一个0.001μF的电容。当IC1的引脚2输出5V的电压时，通过电阻器R5和R6的电流就会给C5充电；当IC1的引脚2输出0V的电压时，电流就会从C5流经R5和R6。电容C5充放电的时间取决于电位器R6的设置。低一点的阻值会让充放电过程快一些。C5总是与IC1的输入端相联。输入端引脚1控制着输出端引脚2（与引脚1相反）。当C5充电完全时，输入引脚1显示高电平，引脚2电压降到0V，C5即开始放电；当C5放电完全时，输入端引脚1显示低电平，引脚2升高到5V。这一充放电的过程就
这样反复进行。
2.发射38kHz方波
　　　在图2-6中IC1的输出引脚2与输入引脚3是相连的。输入引脚3控制着输出引脚4。因此，当引脚2由5V变为0V或由0V变为5V时，输出引脚4也会相应发生变化。由于这是一个反相器芯片，所以输出引脚4总是与输出引脚2反相，但这无关紧要。重要的一点是：输出引脚4来回变动的频率跟输出引脚2一样，这样就复制了一个38kHz的信号。
　　　与输出引脚4连在一起的是一个固定电阻（R3）和一个可变电阻（R7）。R3和R7构成了一个组合电阻，其阻值可以从100变到1100。红外线发光二极管（LED3和LED4）与电阻R7相连。通过调整R7的阻值，可以控制发光二极管的亮度。固定电阻R3的作用是保障安全，即使把可变电阻的阻值调到0，R3仍可限制通过发光二极管的电流。
　　　如果机器人看得太远，可以通过增加R7的阻值来调低发光二极管的亮度；如果看得不够远，那么可以降低R7的阻值，提高发光二极管的亮度。因为IC3和IC4要检测从物体上反射回来的信号，而这些信号是由LED3和LED4发射的，所以信号亮度的控制很重要。R7不会改变信号的频率。红外LED的开闭由IC1的引脚4控制，引脚4与IC1引脚2的振荡频率一致。引脚2的频率由R6来设定。
3.钽电容的作用

图2-6 红外反射式探测器电路原理图
不包括5V电源上的电容在内，反射式检测电路中共有5个电容。C1、C3和C4是一般的单片陶瓷旁路电容器，其目的是降噪和保护芯片IC1、IC3和IC4。其中还有一个钽电容，它的作用是用来减少外部干扰。
2.2.3 红外反射式探测器的局限性及解决方法
　　　红外反射式探测器在很多情况下性能良好，所以在很多机器人的设计中都用到它。然而，机器人可能遇到的很多环境条件限制了光反射探测器的使用。
1.在室外或强光下不能工作
　　　在日光照射条件下或室内强光下，探测可能无法进行，或者探测范围严重受限。这是因为环境中大量的光照在光敏二极管（置于光电探测器芯片中）中从而产生电流的缘故。这样以来，由38kHz红外线引起的相对较弱的电流就没什么意义了。有两种情况：第一是高亮度的环境光照引起了光电二极管的饱和；第二种是环境光照引起的噪声（阴影、输出波动等）的波峰和波谷超过了来自二极管的38kHz信号的波峰和波谷。
　　　以下是一些可行的解决办法：
　　　在发射器、探测器和被检测物体的上部加一个顶或盖子，避免上面环境光源的直接照射。当然，在探测墙壁时，这种方法无能为力。
　　　在发射电路中加一个晶体管，这样更多的电流就会流过额定的红外线LED。但问题是：除了耗电之外，由于发射器的功率太大，在没有背景光噪声的室内或晚上，探测器可能探测到房间对面的物体。
2.无法检测某些特定物体
　　　红外线反射探测器的另一个可能存在的问题是：如果物体容易吸收红外线或者可以透过红外线，探测器将检测不到物体。原因是探测器是依靠物体反射的模式工作的。很明显，如果物体吸收红外线或红外线可以简单地透过物体，探测器对这种物体的检测效果会很差。
　　　用红外线探测的办法完全检测不到可以透过红外线的物体。但是，吸收红外线的物体可以通过重新安置发射器和探测器位置的办法探测到。把红外线LED直接对准探测器，在它们之间保持一定的距离，如果一个吸收红外线的目标在它们之间经过，就可以被检测到。这叫做中断器或断续式传感器，它跟反射式传感器正好相反。
　　　断续式传感器可以转化检测到目标的电压值。由于LED这时正对准检测器，所以当没有检测到目标时，引脚1的电压为0V（检测到信号）。当有不透光的物体在二极管和探测器之间通过时，由于信号被打断，引脚1会显示5V（没有信号）。
3.无法检测到太远或过近的目标
　　　红外线反射式传感器的另一个缺点在其它所有类型的主动式（发射式）传感器中都会遇到，那就是它们有最小和最大检测范围。反射式传感器必须通过被探测目标反射回来的信号来检测。如果目标太近，从发射器发射出去的光线散射的不够以至于不能反射回来。相反的情况，如果目标太远，信号就会散射太严重，这样当信号反射回来的时候会减弱很多，也检测不到物体。
　　　为了特定的效果，可以采用调整发光二极管的光束角、选择其它类型的二极管，或选用透镜等方法。小一些的光束角可以使探测的距离加大，但同时覆盖的面积会降低。宽一些的光束角适合近距离探测，但不能准确地定位目标。
　　　综上所述，对超声波式和光电式两种传感器进行比较分析可知，超声波探测器可以快速精确的得到深度信息，但是它的方位角不能准确测得，这就使得探测障碍时无法很快判断障碍物的形状和宽度，进而给避障决策带来麻烦。然而红外反射式探测器由于探测响应快，精确度高，比较适用于小型机器人探测路障，因此，本机器人控制电路选择的是红外反射式探测器。红外反射式探测器在自主式导航及避障机器人上应用广泛，用红外反射式传感器作为机器人的近距离感觉传感器是可行的。当距离小于10mm时，有较好的可靠性和抗干扰能力，而传感器的探头尺寸仅为几个毫米，特别适合小型化，在相应的智能控制系统中可进行有意义的尝试。红外传感器的显著特点是非接触、不受电的干扰、灵敏度高、时间分辨率和空间分辨率高，可进行全方位的测试。当然，单一传感器获得的信息非常有限，而且传感器受到自身性能的影响带有不确定性。随着传感器种类的增多，一个强大的智能系统应该是一个多传感器系统，也是信息感知的新的研究方向。http://www.rlsonar.com/