警察雷达系统通过发送能被附近的物体(如正在沿道路高速行驶的汽车)反射的高频无线电波来工作。在发送的脉冲和接收的反射波之间的时间差表示距离。使用多普勒效应来计算速度：发送的脉冲和反射波所增加或减少的时间和你行驶多快是成比例的。

    雷达系统是复杂和昂贵的，而且大多数都需要政府当局(例如美国为装置使用而设的联邦通讯委员会)的认证。这里有另一种方法：用高频声波来测量距离，使用正确的电路，也能提供粗略的速度指示。

    现在，超声波测距已是一门老科学了。近年来，POLAROID公司在即拍照相机中用作自动聚焦的辅助手段。其他的照相机制造商也已经采用了类似的技术，尽管现在红外线测距更为普遍(本文后面介绍)。物体移近或远离超声波设备都会引起的多普勒效应常用于家庭防盗报警系统。然而．超声波在机器人学中较典型的应用既可以是探测物体靠近(见本文前面介绍的：“用超声波沿墙行进”)，也可以是测量距离(也被称为超声波测距)。

    为了测量距离，通过一个发送器(一种特殊的超声波扬声器)将一个短而连续的超声波(在大多数超声波测距系统中频率通常为40千赫)发送出去。声音被物体反射回来．且反射波被另一个转换器(特殊构造的超声波话筒)接收。由一个电路对脉冲发出到反射回来所花的时间进行计算，从而得出距离。

    当然，超声波不会因为对机器人很有用而失去它的通俗性。这个系统最好使用计算机或微控制器。有很多种方法可以实现超声波测距。其中一种是使用一个旧的POLAROID即拍照相机的超声波发射器和驱动板，例如POLAROID的SUN 66或POLAROID一步式的SX-70。但要对这些照相机使用的驱动板进行调整，以便不必反复开、关电路板的电源开关就能得到多于一个的超声波脉冲。此外，你也可以通过邮购渠道(包括互联网上)订购新的超声波转换器和驱动板。在附录中列出了一些销售渠道。这些设备是新的，大部分有证书，还包括与流行的微控制器(如BASIC STAMP)连接所用的装置。大多数普通POLAROID距离测量组件由所谓的600系列仪表级转换器及相应的6500测距模块组成。

    如银币般大小的转换器同时充当了超声波发射器和接收器。因为只使用一个单独的转换器，本文所描述的POLAROID系统能探测不到约1．3英尺以内物体。这是因为转换器在停止振动到设置本身为接收器前需要一定的时间。在户内使用时传感器的最大距离大约为35英尺。在户外使用时距离会短一点，尤其在有风时。系统靠单独的6V直流电池组供电，可接到任何计算机或微控制器上。

  1．事实和数据

    首先提供一些统计资料：在海平面上，声音以大约每秒1130英尺(大约每秒344米)或每秒13560英寸的速度传播。时间的改变取决于大气的条件，包括气压(海拔高度的改变)、温度和湿度。如果物体与机器人相离几英寸甚至几英尺，接收到反射波只需要百万分之—秒。然而，对于高速CMOS和TTL集成电路来说，时间短实际上不是问题。发射脉冲到接到反射波所花的总的时间要除以2，来补偿声音在机器人和物体之间绕行的时间。

    已知声音以每秒13560英寸传播，声音经过一英寸所花时间为73.7微秒(0．0000737秒)。根据我们了解的这一背景数据，我们考虑POLAROID测距系统是如何工作的。测距组件连接到计算机或微控制器只需用两根线：INIT(启动)和ECHO。 INIT是输出，ECHO是输入。测距组件还包含其他的输入／输出接线，例如BLNK和BINH。但当你对一个单独物体进行距离测定时，不要求必须使用，因此在这里将不进行讨论。

    用计算机或微控制器将INIT线置为高电平。触发测距模块让它发出超声波脉冲。然后计算机／微控制器等候ECHO线从低电平变为高。这一微秒级的时间间隔除以2，从而得出距离。计算机或微控制器要用一个定时器精确地计算INIT脉冲和反射波之间的时间间隔。

    使用哪种定时——计数方法决定于你所使用的计算机或微控制器。比如说对于Basic Stamp或BasicX微控制器(分别在前几讲中提到过)，你可以使用RC定时器函数，通常用来计算一个电容器放电的时间。在测距组件中没有电容器放电，但基本的计时方法是相同的。你也许会使用带有面向对象程序设计的集成电路微控制器，此时可使用定时器对象。

    测距组件的连线如图中所示。
 
    注意BLNK和BINFl线被置为低，所以POLAROID测距组件不能由BasicX的电路板上的稳压电源供电。POLAROID测距组件需要一个能在短时间内提供1—2安培电流的相当强大的脉冲电源。四个串联AA电池组就足够了。6V直流电池组的‘地’与POLAROID测距组件和BasicX的接地点相接。

    当INIT变为高电平时，POLAROID测距组件的转换器发出50kHz的声波短脉冲。然后组件等待2．38毫秒。此期间转换器停止发声。这段时间声纳脉冲可传播约32英寸。考虑到往返传输时间，这最少等于离系统1．3尺。在这个所谓的“空白”时期之后。POLAROID测距组件将等着听回声。当探测到反射波时，ECHO线变为高电平。我们要注意组件本身并不做任何计时；计时是连接组件的微控制器的工作。