Ультразвуковой дальномер на Arduino

Содержание

• Ардуино: ультразвуковой дальномер HC-SR04
• Ультразвуковой дальномер (HC-SR04)
• Как сделать ультразвуковой дальномер на HC-SR04 и Arduino

Ардуино – уникальная система, представляющая собой пластилин в руках инженера, из которого он может слепить, что пожелает. Возможно это благодаря большому разнообразию датчиков и модулей разных направленностей. От простых чипов, измеряющих силу тока, до вещей вроде Arduino hc hc sr04.

Это специальный датчик, позволяющий, при помощи ультразвуковых волн, измерить расстояние до объекта, на который его направили. Несложно догадаться, что проще всего его применить для создания простого дальномера. Рассмотрим Arduino hc sr04 и какие нюансы в работе с ним стоит учитывать, прежде чем начать собирать проект.

1. Основы сборки дальномера на Ардуино с помощью датчика HC SR04

Если вы собираетесь собрать дальномер на Ардуино, то без HC SR04 просто не обойтись. Ведь именно этот модуль чаще всего применяют в подобных системах из-за его высокой востребованности, по причине простоты работы, доступности и низкой стоимости.

При этом точность показаний остаётся на высоте, что очень важно в подобных системах. Из данного чипа можно собрать не только дальномер на Ардуино, но и полноценного робота, который будет чувствовать расстояние до объекта и обходить любое препятствие.

Однако сегодня мы рассмотрим именно вариант с дальномером на Аrduino, так как он идеально подойдёт для новичков в сфере, которые ещё не слишком хорошо разбираются в основах.

Если же вы захотите затем модифицировать своё изобретение, то можно научить его моделировать полноценную трехмерную карту помещения, что будет удобно для тех, кто занимается дизайном и конструированием мебели или зданий.

Но сначала стоит рассмотреть, как вообще работает данный прибор и какие основы сборки стоит усвоить, прежде чем создать лазерный дальномер на Ардуино своими руками.

Наш дальномер на Arduino будет основан на сонаре, применяемом в природе дельфинами, для измерения расстояния до объектов и спокойного обхождения препятствий. Делается это с помощью физических свойств ультразвуковых волн, которые способны отражаться, сталкиваясь с твердыми объектами, и возвращаться обратно к датчикам.

Далее в ход вступает программный код, который высчитывает, сколько времени прошло между посланием и возвратом волны, делит его на два и с помощью формул и скорости звука высчитывает усреднённое расстояние до объекта.

Почему усреднённое?

Дело в том, что любой ультразвуковой датчик все равно будет ошибаться на десятые доли метра, связано это с тем, что различные материалы, окружение и прочие переменные могут повлиять на скорость движения и отражения от поверхности звука. А в данном проекте мы берём идеальную систему, которая в реальном мире работать не может.

Можно постараться учесть все эти факторы, но каждую переменную вы все равно не запрограммируете, поэтому наша задача – получить данные, максимально приближённые к показаниям профессиональных приборов, ведь дальномер Ардуино всё ещё далёк от них по точности.

Есть и ещё один нюанс, который вам стоит заранее учесть, собирая ультразвуковой дальномер Arduino – не все поверхности подходят для измерения. Дело в том, что некоторые материалы способны поглощать звук или слишком сильно искажать его движение, подобно тому, как черная рубашка поглощает электромагнитную световую волну.

Соответственно, лучше всего применять прибор к гладким и плоским поверхностям, которые не будут нарушать движения УВ, что также ограничивает его функционал. Но благодаря низкому ценнику и удобству работы датчик всё ещё остается достаточно популярным.

2. Что будет в уроке?

Мы соберем дальномер, который будет работать по следующему принципу: при приближении объекта на расстояние менее 4 сантиметров загорается красный светодиод, иначе горит зеленый.

Достаточно простой пример, в котором мы проверим точность измерения расстояния дальномером hc-sr04. Основа проверки точности станет простая линейка

Ардуино: ультразвуковой дальномер HC-SR04

Дальномер — это устройство для измерения расстояния до некоторого предмета. Дальномер помогает роботам в разных ситуациях.

Простой колесный робот может использовать этот прибор для обнаружения препятствий. Летающий дрон использует дальномер для баражирования над землей на заданной высоте.

С помощью дальномера можно даже построить карту помещения, применив специальный алгоритм SLAM.

1. Принцип действия

На этот раз мы разберем работу одного из самых популярных датчиков — ультразвукового (УЗ) дальномера.

Существует много разных модификаций подобных устройств, но все они работают по принципу измерения времени прохождения отраженного звука.

То есть датчик отправляет звуковой сигнал в заданном направлении, затем ловит отраженное эхо и вычисляет время полета звука от датчика до препятствия и обратно.

Из школьного курса физики мы знаем, что скорость звука в некоторой среде величина постоянная, но зависящая от плотности среды. Зная скорость звука в воздухе и время полета звука до цели, мы можем рассчитать пройденное звуком расстояние по формуле:

где v — скорость звука в м/с, а t — время в секундах. Скорость звука в воздухе, кстати, равна 340.29 м/с.

Чтобы справиться со своей задачей, дальномер имеет две важные конструктивные особенности. Во-первых, чтобы звук хорошо отражался от препятствий, датчик испускает ультразвук с частотой 40 кГц.

Для этого в датчике имеется пьезокерамический излучатель, который способен генерировать звук такой высокой частоты. Во-вторых, излучатель устроен таким образом, что звук распространяется не во все стороны (как это бывает у обычных динамиков), а в узком направлении.

На рисунке представлена диаграмма направленности типичного УЗ дальномера.

Как видно на диаграмме, угол обзора самого простого УЗ дальномера составляет примерно 50-60 градусов. Для типичного варианта использования, когда датчик детектирует препятствия перед собой, такой угол обзора вполне пригоден. Ультразвук сможет обнаружить даже ножку стула, тогда как лазерный дальномер, к примеру, может её не заметить.

Если же мы решим сканировать окружающее пространство, вращая дальномер по кругу как радар, УЗ дальномер даст нам очень неточную и шумную картину. Для таких целей лучше использовать как раз лазерный дальномер.

Также следует отметить два серьезных недостатка УЗ дальномера. Первый заключается в том, что поверхности имеющие пористую структуру хорошо поглощают ультразвук, и датчик не может измерить расстояние до них.

Например, если мы задумаем измерить расстояние от мультикоптера до поверхности поля с высокой травой, то скорее всего получим очень нечеткие данные.

Такие же проблемы нас ждут при измерении дистанции до стены покрытой поролоном.

Второй недостаток связан со скоростью звуковой волны. Эта скорость недостаточно высока, чтобы сделать процесс измерения более частым. Допустим, перед роботом есть препятствие на удалении 4 метра. Чтобы звук слетал туда и обратно, потребуется целых 24 мс. Следует 7 раз отмерить, прежде чем ставить УЗ дальномер на летающих роботов.

2. Ультразвуковой дальномер HC-SR04

В этом уроке мы будем работать с датчиком HC-SR04 и контроллером Ардуино Уно. Этот популярный дальномер умеет измерять расстояние от 1-2 см до 4-6 метров. При этом, точность измерения составляет 0.5 — 1 см.

Встречаются разные версии одного и того же HC-SR04. Одни работают лучше, другие хуже. Отличить их можно по рисунку платы на обратной стороне. Версия, которая работает хорошо выглядит так:

А вот версия, которая может давать сбои:

3. Подключение HC-SR04

Датчик HC-SR04 имеет четыре вывода. Кроме земли (Gnd) и питания (Vcc) еще есть Trig и Echo. Оба этих вывода цифровые, так что подключаем из к любым выводам Ардуино Уно:

HC-SR04	GND	VCC	Trig	Echo
Arduino Uno	GND	+5V	3	2

Принципиальная схема устройства

Внешний вид макета

4. Программа

Итак, попробуем приказать датчику отправить зондирующий ультразвуковой импульс, а затем зафиксируем его возвращение. Посмотрим как выглядит временная диаграмма работы HC-SR04.

На диаграмме видно, что для начала измерения нам необходимо сгенерировать на выводе Trig положительный импульс длиной 10 мкс.

Вслед за этим, датчик выпустит серию из 8 импульсов и поднимет уровень на выводе Echo, перейдя при этом в режим ожидания отраженного сигнала.

Как только дальномер почувствует, что звук вернулся, он завершит положительный импульс на Echo.

Получается, что нам нужно сделать всего две вещи: создать импульс на Trig для начала измерения, и замерить длину импульса на Echo, чтобы потом вычислить дистанцию по нехитрой формуле. Делаем.

Функция pulseIn замеряет длину положительного импульса на ноге echoPin в микросекундах. В программе мы записываем время полета звука в переменную duration. Как мы уже выяснили ранее, нам потребуется умножить время на скорость звука:

s = duration * v = duration * 340 м/с

Переводим скорость звука из м/с в см/мкс:

s = duration * 0.034 м/мкс

Для удобства преобразуем десятичную дробь в обыкновенную:

s = duration * 1/29 = duration / 29

А теперь вспомним, что звук прошел два искомых расстояния: до цели и обратно. Поделим всё на 2:

s = duration / 58

Теперь мы знаем откуда взялось число 58 в программе!

Загружаем программу на Ардуино Уно и открываем монитор последовательного порта. Попробуем теперь наводить датчик на разные предметы и смотреть в мониторе рассчитанное расстояние.

Задания

Теперь, когда мы умеем вычислять расстояние с помощью дальномера, сделаем несколько полезных устройств.

1. Строительный дальномер. Программа каждые 100мс измеряет расстояние с помощью дальномера и выводит результат на символьный ЖК дисплей. Для удобства полученное устройство можно поместить в небольшой корпус и запитать от батареек.
2. Ультразвуковая трость. Напишем программу, которая будет «пищать» зуммером с различной частотой, в зависимости от измеренного расстояния. Например, если расстояние до препятствия более трех метров — зуммер издает звук раз в пол секунды. При расстоянии 1 метр — раз в 100мс. Менее 10см — пищит постоянно.

Заключение

Ультразвуковой дальномер — простой в использовании, дешевый и точный датчик, который отлично выполняет свою функцию на тысячах роботов.

Как мы выяснили из урока, у датчика есть недостатки, которые следует учитывать при постройке робота. Хорошим решением может стать совместное использование ультразвукового дальномера в паре с лазерным.

В таком случае, они будут нивелировать недостатки друг друга.

Ультразвуковой дальномер (HC-SR04)

Приветствую всех, сегодня мы поговорим об одном из самых популярных модулей из мира Arduino, а именно об ультразвуковом дальномере HC-SR04 (datasheet).

Данный модуль настолько популярен, что не писал о нем разве что ленивый, а это значит, что и нам пришло время рассмотреть его на нашем сайте.

Описание

Модуль HC-SR04 это бесконтактный ультразвуковой дальномер, измеряющий расстояние от модуля до какого либо объекта.

По команде, модуль генерирует восемь ультразвуковых импульсов частотою 40кГц, после чего переходит в режим прослушивания, и фиксирует время за которое эти импульсы отразились от объекта и вернулись обратно.

Далее, путем не сложных вычислений, это время переводиться в расстояние до объекта. Таким образом, чем быстрее вернуться импульсы обратно, тем ближе объект к модулю.

Как и любое другое устройство, модуль HC-SR04 обладает как преимуществами над другими дальномерами, так и недостатками.

• К преимуществам можно смело отнести цену, простоту и доступность. Так же на показания дальномера не влияют засветки от солнца, цвет и прозрачность объекта.
• К недостаткам можно отнести плохое реагирование на пушистые и тонкие предметы. Отсутствие различных режимов и интерфейсов.

Характеристики

• Рабочее напряжение: 5 В.
• Рабочий ток: 15 мА.
• Потребление в режиме тишины: 2 мА.
• Рабочая частота: 40Гц.
• Диапазон измерений: 2-400 см.
• Эффективный угол: 15°.
• Рабочий угол наблюдения: 30°.
• Диапазон рабочих температур: 0 ° С до 60 ° С (± 10%).
• Размеры: 45х20х15 мм.

Распиновка и подключение

• Vcc питание 5В.
• Trig цифровой вход. Для запуска измерения необходимо подать на этот вход логическую единицу на 10 мкс. Следующее измерение рекомендуется выполнять не ранее чем через 50 мс.
• Echo цифровой выход. После завершения измерения, на этот выход будет подана логическая единица на время, пропорциональное расстоянию до объекта.
• GND земля.

Принцип работы

1. Подать на вывод Trig HIGH (логическая единица, 5В) длительностью 10-11 мкс. Запуск.
2. Ультразвуковой дальномер генерирует 8 импульсов на частоте 40 кГц и получает отражение (эхо).
3. Считать длительность фронтов на выводе Echo (мкс).
4. Перевести время в дальность до объекта.

Программирование

Работать с ультразвуковым дальномером HC-SR04 довольно просто, т.к. Arduino IDE и ее библиотека Wiring содержат все необходимые функции для работы с данным модулем. [pinMode(), digitalWrite(), LOW, HIGH, delayMicroseconds(), pulseIn()]

Но, если вы хотите сократить программирование к минимуму, вы можете воспользоваться и готовыми решениями в виде библиотек Ultrasonic и NewPing.

Теперь давайте рассмотрим несколько подготовленных мною примеров, где мы попробуем как самостоятельно работать с модулем, так и при помощи различных библиотек.

Примеры

Пример №1 (Самостоятельная работа).

Пример №2 (Библиотека Ultrasonic).

#include &#8220;Ultrasonic.h&#8221; #define TRIGGER_PIN 12 // Вывод Trig подключен к 12-у порту Ардуино. #define ECHO_PIN 11 // Вывод Echo подключен к 11-у порту Ардуино. // Создаем объект ultrasonic. Ultrasonic ultrasonic(TRIGGER_PIN, ECHO_PIN); void setup() < Serial.begin(9600); // Инициализация передачи по COM порту. >void loop() < // Вывод расстояния раз в секунду в сантиметрах. Serial.print(&#8220;cm: &#8220;); Serial.println(ultrasonic.Ranging(CM)); // Ждем 1 секунду. delay(1000); >

Пример №3 (Библиотека NewPing).

#include &#8220;NewPing.h&#8221; #define TRIGGER_PIN 12 // Вывод Trig подключен к 12-у порту Ардуино. #define ECHO_PIN 11 // Вывод Echo подключен к 11-у порту Ардуино. #define MAX_DISTANCE 400 // Максимальная дистанция в сантиметрах. Чем меньше тем точнее. // Создаем объект sonar. NewPing sonar(TRIGGER_PIN, ECHO_PIN, MAX_DISTANCE); void setup() < Serial.begin(9600); // Инициализация передачи по COM порту. >void loop() < // Вывод расстояния раз в секунду в сантиметрах. Serial.print(&#8220;cm: &#8220;); Serial.println(sonar.ping_cm()); // Ждем 1 секунду. delay(1000); >

Как сделать ультразвуковой дальномер на HC-SR04 и Arduino

Предлагается проект дальномера, основанного на ультразвуковом датчике HC-SR04 и Arduino. Показания датчика отображаются на жидкокристаллическом дисплее, а питание осуществляется от батареи на 9 вольт.

Для начала, необходимо подобрать подходящего размера корпус. Размер зависит от того, какую плату Arduino вы собираетесь использовать (UNO, Mini, Nano, или другую), а также от того, какого размера у вас ЖК-дисплей.

Можно вместо ЖК дисплея использовать миниатюрный светодиодный индикатор на 3 символа. Этого будет вполне достаточно для отображения дистанции в сантиметрах, т.к.

используемый ультразвуковой датчик имеет диапазон измерений от 3 до 400 см.

Прикинем, как будут скомпонованы внутри корпуса детали. Вырежем отверстия под ультразвуковой датчик, под дисплей и под тумблер включения.

Я буду использовать в проекте Arduino Nano, и размещу его на макетной плате. На нижней части Arduino расположен кварцевый генератор. Он довольно высокий, поэтому я для него вырежу отверстие, иначе вся плата будет выступать и занимать гораздо больше места. Тут же на макетной плате будет размещён переменный резистор на 10 кОм.

Приобрести ультразвуковой датчик по очень хорошей цене можно на этом сайте, а Arduino Nano – здесь.

2Электрическая схема ультразвукового дальномера

Теперь рассмотрим схему нашего прибора.

Схема ультразвукового дальномера с HC-SR04 и Arduino

Питание осуществляется от батареи «Крона» 9 В. Тумблер S1 – для включения и выключения прибора. Жидкокристаллический индикатор (ЖКИ, LCD) подключается по стандартной схеме с потенциометром на 10 кОм для регулировки контрастности. И ЖКИ, и ультразвуковой датчик питаются от 5 В.

3Скетч Arduino для ультразвукового дальномера

Напишем скетч для нашего дальномера:

Тут всё просто. Сначала инициализируем ЖКИ на выводах 12, 11, 10, 9, 8 и 7 с помощью библиотеки LiquidCrystal из состава Arduino IDE. Далее привяжем выводы «триггер» и «эхо» дальномера к выводам 6 и 5 платы Arduino. Каждые 100 мс будем запрашивать с детектора расстояние с помощью функции getDistance() и выводить на ЖК-дисплей.

У меня на LCD дисплее имеется дефект, и его левая половина почти не работает. Поэтому я вывожу надписи выровненными по правому краю.

После того как записали скетч в память Arduino, можем собирать прибор. Предлагаемая мной компоновка внутренностей показана на рисунке. Дисплей и датчик я закрепил с помощью термоклея. Он держит достаточно прочно, но при этом даёт возможность снять соединённые детали, если понадобится.

Желательно всё разместить так, чтобы можно было подключиться к USB порту Arduino и поправить «прошивку» при необходимости. Например, изменить выводимый текст или поправить коэффициенты для расчёта дистанции.

Может понадобиться менять контрастность ЖК дисплея, так что также желательно иметь в доступности регулятор потенциометра.

Вариант готового прибора показан на фотографии. Он достаточно компактен и удобен в использовании.

Вариант компоновки ультразвукового дальномера

Внешний вид готового ультразвукового дальномера

Но следует иметь в виду несколько важных замечаний при его использовании:

• Ультразвук лучше отражается от гладких поверхностей, чем от поглощающих (например, мягкого ковра). Поэтому следует выбирать место расположения дальномера при измерении так, чтобы напротив дальномера располагалась гладкая отражающая поверхность (например, стена).
• Показания прибора могут существенно отличаться в зависимости от угла направления на цель. Поэтому лучше всего провести несколько измерений, немного изменяя угол направления на цель, и взять среднее значение от всех измерений.

4Калибровка ультразвукового дальномера

После небольшого опыта использования данного прибора, выявилось, что измеренное расстояние отличается от действительного, причём чем больше расстояние от датчика до цели, тем больше отклонение. В связи с этим возникла необходимость в корректировке показаний дальномера.

Для этого я измерил на всём рабочем диапазоне датчика (от 0 до 400 см) расстояния и составил таблицу из двух столбцов: реальное расстояние и показания датчика. По этим данным построил график:

График отклонения показаний ультразвукового дальномера

Здесь зелёным цветом показан график для идеального дальномера, как должно быть, а красным – реального, который в моём случае занижает показания.

Зависимость получилась линейная. Прекрасно! Из курса геометрии мы помним, что уравнение прямой, проходящей через две точки: (x − x1)/(x2 − x1) = (y − y1)/(y2 − y1)

Подставив вместо x1, 2 и y1, 2 значения из таблицы и упростив выражение, я получил уравнение для графика измерений ультразвукового дальномера: y = 0,97x + 0,27

В уравнении прямой коэффициент 0,97 возле «икс» является тангенсом угла наклона прямой к оси абсцисс. Назовём его tg(α).

Можно посчитать, что угол наклона прямой равняется 44,13 градусам (арктангенс от 0,97), а в идеальном случае он должен быть равен 45 градусам (и уравнение прямой идеального дальномера очень простое: y = x, то есть каждому измеренному числу соответствует точно такое же реальное расстояние). Постоянная 0,27 – это смещение графика относительно нуля по оси ординат.

Посмотрим на следующий рисунок. Видны два прямоугольных треугольника, приподнятые над осью OX.

Один из катетов, назовём его h, треугольника с углом α равен измеренному дальномером расстоянию Rизм за вычетом константы b, равной 0,27. Катет другого треугольника равен реальному расстоянию Rреал.

У обоих треугольников катеты h равны. Зная длину катета h и тангенс угла α (равный 0,97), мы узнаем реальное расстояние Rреал, поделив, длину катета h на tg(α),

Последовательность коррекции показаний ультразвукового дальномера

Таким образом, для того чтобы скорректировать ошибку при измерениях дальномера, нужно следовать формуле: Rреал = (Rизм − b) / tg(α) = (Rизм − 0,27) / 0,97

В вашем случае коэффициент и константа, естественно, будут отличаться. Эту коррекцию следует внести в скетч для Arduino. После этого ультразвуковой дальномер на датчике HC-SR04 будет показывать расстояние более точно.

Напоследок приведу видеодемонстрацию работы готового ультразвукового дальномера.

Источник: goodidey.ru