Дальномер с помощью датчика HC SR04 и Arduino. Ардуино: ультразвуковой дальномер HC-SR04 Hc sr04 arduino подключение

Ультразвуковые датчики расстояния Ардуино очень востребованы в робототехнических проектах из-за своей относительной простоты, достаточной точности и доступности. Они могут быть использованы как приборы, помогающие объезжать препятствия, получать размеры предметов, моделировать карту помещения и сигнализировать о приближении или удалении объектов. Одним из распространенных вариантов такого устройства является датчик расстояния, в конструкцию которого входит ультразвуковой дальномер HC SR04. В этой статье мы познакомимся с принципом действия датчика расстояния, рассмотрим несколько вариантов подключения к платам Arduino, схему взаимодействия и примеры скетчей.

Способность ультразвукового датчика определять расстояние до объекта основано на принципе сонара – посылая пучок ультразвука, и получая его отражение с задержкой, устройство определяет наличие объектов и расстояние до них. Ультразвуковые сигналы, генерируемые приемником, отражаясь от препятствия, возвращаются к нему через определенный промежуток времени. Именно этот временной интервал становится характеристикой помогающей определить расстояние до объекта.

Внимание! Так как в основу принципа действия положен ультразвук, то такой датчик не подходит для определения расстояния до звукопоглощающих объектов. Оптимальными для измерения являются предметы с ровной гладкой поверхностью.

Описание датчика HC SR04

Датчик расстояния Ардуино является прибором бесконтактного типа, и обеспечивает высокоточное измерение и стабильность. Диапазон дальности его измерения составляет от 2 до 400 см. На его работу не оказывает существенного воздействия электромагнитные излучения и солнечная энергия. В комплект модуля с HC SR04 arduino также входят ресивер и трансмиттер.

Ультразвуковой дальномер HC SR04 имеет такие технические параметры:

Питающее напряжение 5В;
Рабочий параметр силы т ока – 15 мА;
Сила тока в пассивном состоянии < 2 мА;
Обзорный угол – 15°;
Сенсорное разрешение – 0,3 см;
Измерительный угол – 30°;
Ширина импульса – 10 -6 с.

Датчик оснащен четырьмя выводами (стандарт 2, 54 мм):

Контакт питания положительного типа – +5В;
Trig (Т) – выход сигнала входа;
Echo (R) – вывод сигнала выхода;
GND – вывод «Земля».

Где купить модуль SR04 для Ардуино

Датчик расстояния – достаточно распространенный компонент и его без труда можно найти в интернет-магазинах. Самые дешевые варианты (от 40-60 рублей за штуку), традиционно на всем известном сайте.

Модуль датчика расстояния HC-SR04 для Ардуино	Еще один вариант ультразвукового сенсора HC-SR04 у надежного поставщика
Датчики расстояния SR05 Ultrasonic HC-SR05 (улучшенные характеристики)	Модуль HC-SR05 HY-SRF05 для UNO R3 MEGA2560 DUE от надежного поставщика

Схема взаимодействия с Arduino

Для получения данных, необходимо выполнить такую последовательность действий:

Подать на выход Trig импульс длительностью 10 микросек;
В ультразвуковом дальномере hc sr04 подключенном к arduino произойдет преобразование сигнала в 8 импульсов с частотой 40 кГц, которые через излучатель будут посланы вперед;
Когда импульсы дойдут до препятствия, они отразятся от него и будут приняты приемником R, что обеспечит наличие входного сигнала на выходе Echo;
На стороне контроллера полученный сигнал при помощи формул следует перевести в расстояние.

При делении ширины импульса на 58.2, получим данные в сантиметрах, при делении на 148 – в дюймах.

Подключение HC SR04 к Arduino

Выполнить подключение ультразвукового датчика расстояния к плате Arduino достаточно просто. Схема подключения показана на рисунке.

Контакт земли подключаем к выводу GND на плате Arduino, выход питания соединяем с 5V. Выходы Trig и Echo подсоединяем к arduino на цифровые пины. Вариант подключения с помощью макетной платы:

Библиотека для работы с HC SR04

Для облегчения работы с датчиком расстояния HC SR04 на arduino можно использовать библиотеку NewPing. Она не имеет проблем с пинговыми доступами и добавляет некоторые новые функции.

К особенностям библиотеки можно отнести:

Возможность работы с различными ультразвуковыми датчиками;
Может работать с датчиком расстояния всего через один пин;
Отсутствие отставания на 1 секунду при отсутствии пинга эха;
Для простой коррекции ошибок есть встроенный цифровой фильтр;
Максимально точный расчет расстояния.

Скачать бибилотеку NewPing можно

Точность измерения расстояния датчиком HC SR04

Точность датчика зависит от нескольких факторов:

температуры и влажности воздуха;
расстояния до объекта;
расположения относительно датчика (согласно диаграммы излучения);
качества исполнения элементов модуля датчика.

В основу принципа действия любого ультразвукового датчика заложено явление отражения акустических волн, распространяющихся в воздухе. Но как известно из курса физики, скорость распространения звука в воздухе зависит от свойств этого самого воздуха (в первую очередь от температуры). Датчик же, испуская волны и замеряя время до их возврата, не догадывается, в какой именно среде они будут распространяться и берет для расчетов некоторую среднюю величину. В реальных условиях из-за фактора температуры воздуха HC-SR04 может ошибаться от 1 до 3-5 см.

Фактор расстояния до объекта важен, т.к. растет вероятность отражения от соседних предметов, к тому же и сам сигнал затухает с расстоянием.

Также для повышения точности надо правильно направить датчик: сделать так, чтобы предмет был в рамках конуса диаграммы направленности. Проще говоря, “глазки” HC-SR04 должны смотреть прямо на предмет.

Для уменьшения ошибок и погрешности измерений обычно выполняются следующие действия:

усредняются значения (несколько раз замеряем, убираем всплески, потом находим среднее);
с помощью датчиков (например, ) определяется температура и вносятся поправочные коэффициенты;
датчик устанавливается на серводвигатель, с помощью которого мы “поворачиваем голову”, перемещая диаграмму направленности влево или вправо.

Примеры использования датчика расстояния

Давайте рассмотрим пример простого проекта с платой Arduino Uno и датчиком расстояния HC SR04. В скетче мы будем получать значение расстояния до предметов и выводить их в монитор порта в среде Arduino IDE. Вы сможете легко изменить скетч и схему подключения, чтобы датчик сигнализировал о приближении или отдалении предмета.

Подключение датчика к ардуино

При написании скетча использовалась следующий вариант распиновки подключения датчика:

VCC: +5V
Trig – 12 пин
Echo – 11 пин
Земля (GND) – Земля (GND)

Пример скетча

Начнем работу с датчиком сразу с относительного сложного варианта – без использования внешних библиотек.

В данном скетче мы выполняем такую последовательность действий:

Коротким импульсом (2-5 микросекунды) переводим датчик расстояния в режим эхолокации, при котором в окружающее пространство высылаются ультразвуковые волны с частотой 40 КГц.
Ждем, пока датчик проанализирует отраженные сигналы и по задержке определит расстояние.
Получаем значение расстояния. Для этого ждем, пока HC SR04 выдаст на входе ECHO импульс, пропорциональный расстоянию. Мы определяем длительность импульса с помощью функции pulseIn, которая вернет нам время, прошедшее до изменения уровня сигнала (в нашем случае, до появления обратного фронта импульса).
Получив время, мы переводим его в расстояние в сантиметрах путем деления значения на константу (для датчика SR04 это 29.1 для сигнала «туда», столько же для сигнала «обратно», что в сумме даст 58.2).

Если датчик расстояния не выполняет считывание сигнала, то преобразование выходного сигнала никогда не примет значения короткого импульса – LOW. Так как у некоторых датчиков время задержки варьируется в зависимости от производителя, рекомендуется при использовании указанных скетчей выставлять его значение вручную (мы это делаем в начале цикла).

Если расстояние составляет более 3 метров, при котором HC SR04 начинает плохо работать, время задержки лучше выставлять более 20 мс, т.е. 25 или 30 мс.

#define PIN_TRIG 12 #define PIN_ECHO 11 long duration, cm; void setup() { // Инициализируем взаимодействие по последовательному порту Serial.begin (9600); //Определяем вводы и выводы pinMode(PIN_TRIG, OUTPUT); pinMode(PIN_ECHO, INPUT); } void loop() { // Сначала генерируем короткий импульс длительностью 2-5 микросекунд. digitalWrite(PIN_TRIG, LOW); delayMicroseconds(5); digitalWrite(PIN_TRIG, HIGH); // Выставив высокий уровень сигнала, ждем около 10 микросекунд. В этот момент датчик будет посылать сигналы с частотой 40 КГц. delayMicroseconds(10); digitalWrite(PIN_TRIG, LOW); // Время задержки акустического сигнала на эхолокаторе. duration = pulseIn(PIN_ECHO, HIGH); // Теперь осталось преобразовать время в расстояние cm = (duration / 2) / 29.1; Serial.print("Расстояние до объекта: "); Serial.print(cm); Serial.println(" см."); // Задержка между измерениями для корректной работы скеча delay(250); }

Скетч с использованием библиотеки NewPing

Теперь давайте рассмотрим вариант скетча с использованием библиотеки NewPing. Код существенно упростится, т.к. все описанные ранее действия спрятаны внутри библиотеки. Все, что нам нужно сделать – создать объект класса NewPing, указав пины, с помощью которых мы подключаем датчик расстояния и использовать методы объекта. В нашем примере для получения расстояния в сантиметрах нужно использовать ping_cm().

#include #define PIN_TRIG 12 #define PIN_ECHO 11 #define MAX_DISTANCE 200 // Константа для определения максимального расстояния, которое мы будем считать корректным. // Создаем объект, методами которого будем затем пользоваться для получения расстояния. // В качестве параметров передаем номера пинов, к которым подключены выходы ECHO и TRIG датчика NewPing sonar(PIN_TRIG, PIN_ECHO, MAX_DISTANCE); void setup() { // Инициализируем взаимодействие по последовательному порту на скорости 9600 Serial.begin(9600); } void loop() { // Стартовая задержка, необходимая для корректной работы. delay(50); // Получаем значение от датчика расстояния и сохраняем его в переменную unsigned int distance = sonar.ping_cm(); // Печатаем расстояние в мониторе порта Serial.print(distance); Serial.println("см"); }

Пример подключения ультразвукового дальномера HC SR04 с одним пином

Подключение HC-SR04 к Arduino может быть выполнено посредством использования одного пина. Такой вариант пригодится, если вы работаете с большим проектом и вам не хватает свободных пинов. Для подключения вам нужно просто установить между контактами TRIGи ECHO резистор номиналом 2.2K и подключить к ардуино контакт TRIG.

#include #define PIN_PING 12 // Пин с Arduino соединен с пинами trigger и echo на датчике расстояния #define MAX_DISTANCE 200 // Максимальное расстояние, которое мы способны контролировать (400-500см). NewPing sonar(PIN_PING, PIN_PING, MAX_DISTANCE); // Регулировка пинов и максимального расстояния void setup() { Serial.begin(9600); // Открывается протокол с данными и частотой передачи 115200 бит/сек. } void loop() { delay(50); // Задержка в 50 мс между генерируемыми волнами. 29 мс – минимально допустимое значение unsigned int distanceSm = sonar.ping(); // Создание сигнала, получение параметра его продолжительности в мкс (uS). Serial.print("Ping: "); Serial.print(distanceSm / US_ROUNDTRIP_CM); // Пересчет параметра времени в величину расстояния и вывод результата (0 соответствует выходу за допустимый предел) Serial.println("cm"); }

Краткие выводы

Ультразвуковые датчики расстояния достаточно универсальны и точны, что позволяет их использовать для большинства любительских проектов. В статье рассмотрен крайне популярный датчик HC SR04, который легко подключается к плате ардуино (для этого следует сразу предусмотреть два свободных пина, но есть вариант подключения и с одним пином). Для работы с датчиком существуют несколько бесплатных библиотек (в статье рассмотрена лишь одна из них, NewPing), но можно обойтись и без них – алгоритм взаимодействия с внутренним контроллером датчика достаточно прост, мы показали его в этой статье.

Исходя из собственного опыта, можно утверждать, что датчик HC-SR04 показывает точность в пределах одного сантиметра на расстояниях от 10 см до 2 м. На более коротких и дальних дистанциях возможно появление сильных помех, что сильно зависит от окружающих предметов и способа использования. Но в большинстве случаев HC-SR04 отлично справлялся со своей работой.

Всех приветствую.
В этом мини обзорчике, мы посамодельничаем с ультразвуковым модулем измерения расстояния…

Сразу извиняюсь, упаковок и распаковок не будет. Сам не люблю их в других обзорах, свои портить не буду. Разве что какой заказ прибудет в экстраординарной упаковке или супер непотребном виде…
Возникла идея автоматически включать свет при посещении сортира и так же выключать при покидании оного. Был заказан pir-выключатель для этих целей, а так же pir-датчик отдельно, на всякий…

Выключатель был установлен в однозначно посещаемом всеми членами семьи помещении и…
И оказалось, что плясать лезгинку, при выполнении процедур характерных для посещения сортира, никто не в состоянии, а замирание в привычной позе характерно для всех. Тут и подстерегала бяка. Только задумался о добром и вечном, свет хлоп и выключился, что довольно досадно.
Перепробованы все способы регулировок выключателя, но желаемого результата достичь не удалось.
Не удалось обмануть себя и физику, подменив необходимый датчик присутствия, на датчик обнаружения.
Так что выключатель и неиспользованный pir-датчик были отправлены на длительное хранение до лучших времен, а их место занял…
Комбинированный радар для воротных систем , пока никуда не пристроенный.

Микроволновый блок естественно был отключен, зачем нам подставлять макушку под микроволны. Осталась только ИК матрица.
Штука довольна специфическая. Минимальная зона у него размером с помещение. Свет включает и выключает при посещении на ура. Но есть один недостаток. Датчик очень педантичен и любит, чтобы все стояло на своих местах. Передвинул рулончик бумажки или опустил/поднял стульчак, требуется перенастройка. Да и ценник у него не сортирный.
Так что поиск решения был продолжен.
На просторах интернета набрел на сайт и с темой о простом автоматическом выключателе света на ультразвуковом датчике.
Тема показалась интересной, тем более изобретать велосипед с прошивкой не надо, автор постарался за нас, за что ему спасибо.
Схема есть, прошивки есть. Осталось сделать печатку и получить на выходе полноценный датчик присутствия. Или не получить… посмотрим…
Датчик был заказан на banggood"e. Нравится мне этот магазин стабильностью сроков доставки. Безтреком 28-30 дней и заказ у меня.
Приехал безтреком в срок. Упаковка для посылок без трека у banggood"а стандартная, мусорный мешок и все…
Датчик был упакован в антистатик, что подозреваю и спасло его от почтовых неприятностей. :0)
К сожалению мусорный мешок выбросил по пути домой, а антистатик уже дома, так что показать кроме датчика вам нечего, да и сам датчик уже потрепался (ножки выпрямил) в процессе изготовления устройства.
ТТХ датчика:
- 45*20*23 мм. ДхШхГ (Г - с выпрямленными ножками)
- вес - 8,28 грамм
- напряжение питания - DC 5V
- ток потребления - 15mA
- минимальное рабочее расстояние - 2 см.
- максимальное рабочее расстояние - 4 метра
- угол зоны обнаружения - 15 градусов
Кратко.
Датчик работает по принципу эха. Один пьезик датчика излучает пакет импульсов с частотой 40 кГц, сигнал отражается от поверхности перед датчиком, отраженный сигнал принимает другой пьезик, блок обработки обрабатывает полученные данные и на выходе выдает импульс длинной пропорциональной расстоянию прохождения УЗ сигнала.
Т.е. на выходе мы имеем импульс, длительность которого нам и важна.
В изготавливаемом нами автоматическом включателе/выключателе мы сравниваем длительность импульса занесенного в память микроконтроллера, с длительностью нового отраженного импульса. Если длительность нового импульса меньше того что в памяти, микроконтроллер решает, что в зоне обнаружение есть объект и нужно включить нагрузку… Если длинна импульса больше, то ничего не делаем или выключаем нагрузку, если она включена.
Далее:
Сам датчик.

Маркировка на микросхемах стерта.

Быстренько перерисовываем готовую схему в Diptrace, там же рисуем печатку, изготавливаем платку для опытов.

Процесс изготовления спрятал под спойлер, по тому как думаю многих уже притомил процессами.
Один раз я уже показывал, как делаю платки. В этот же раз наделал фоток, жалко выкидывать.
Больше народ процессами мучить не буду, если есть вопросы по платам, пишите пожалуйста в личку.
ссылка на скачивание того, что я собрал по теме, плюс схема и печатка платки в Diptrace.
Несколько фоток.
Подготавливаем платку и шаблон. Фоторезист нанесен.

Засвечиваем, промываем, травим.

Травим, смываем фоторезист.

Наносим маску, засвечиваем шаблон.

Режем платку, сверлим.

Сама платка.
Собрана схема на ATtiny13.
Зачем для тестов такая красивая? Просто она делалась попутно с другой платой, под эл. нагрузку.
Почему так бестолково расположены радиоэлементы? По тому что тестовая. Чтобы проверить, рабочее ли устройство в сборе. Не было смысла разводить и компоновать.

Припаиваем датчик к платке.

Программируем.

В результате получаем готовый бескорпусной датчик присутствия с питанием пять вольт, кушающее 30mA, способное обнаруживать посторонние предметы в заранее запрограммированной зоне обнаружения с углом в 15 градусов и расстоянием от 2 сантиметров, до 3,5 метров. При обнаружении включать светодиод.
Принцип работы прост. Направляем датчик, куда нам нужно. Нажимаем кнопку.
Настроечный светодиод (у меня он красненький) начинает мигать.
Мигает он в 3-х режимах:
10% светодиод включен- объект вне зоны действия, нагрузка выключена.
90% светодиод включен- объект в зоне действия, нагрузка включена.
50% светодиод включен- зона обнаружения свободна, идет отсчет 60 или 10 секунд, или одна секунда, в зависимости от прошивки, до выключения, лампа включена.
Дальше у вас есть 10 секунд чтобы уйти из зоны обнаружения.
Можно ограничить зону. Для этого нужно в момент запоминания настроек встать на границе зоны, тем самым зона будет ограничена.
Паспортные минимальные 2 сантиметра я подтверждаю. Если ограничить зону как на фото, то при просовывании пальца между коробкой и датчиком светодиод загорается, убираем палец, гаснет.
Если подвинуть коробку на полсантиметра ближе, то свтодиод загорается, устройство настраиваться отказывается.

Максимальные 4 метра подтвердить не удалось. Максимальное расстояние которое удалось подтвердить, где устройство уверенно фиксирует человека равно 3.5 метра. На з-х метрах уверенно фиксирует мою руку с коробкой 15х15 сантиметров. Включает нагрузку и не отключает, пока коробку не уберешь.
Выводы.
- Получившийся датчик присутствия мне понравился.
- Простейшая и удобная настройка.
- Реально работает.
- Дешево и сердито.
В общем, вот такое получилось годное устройство на ультразвуковом модуле измерения расстояния HY-SRF05.
В недалеком будущем я приспособлю его по месту, только коробку подберу.
Теперь можно будет замирать в нужной позе не боясь отключения света.
Желающие думаю могут придумать еще множество способов его использования. Особенно ардуинщики, для кого этот датчик в принципе и разработан. А может и не для них… Планирую купить +41 Добавить в избранное Обзор понравился +41 +81

макетная плата (breadboard);

персональный компьютер со средой разработки Arduino IDE.

1 Принцип действия ультразвукового дальномера HC-SR04

Действие ультразвукового дальномера HC-SR04 основано на принципе эхолокации. Он излучает звуковые импульсы в пространство и принимает отражённый от препятствия сигнал. По времени распространения звуковой волны к препятствию и обратно определяется расстояние до объекта.

Запуск звуковой волны начинается с подачи положительного импульса длительностью не менее 10 микросекунд на ножку TRIG дальномера. Как только импульс заканчивается, дальномер излучает в пространство перед собой пачку звуковых импульсов частотой 40 кГц. В это же время на ножке ECHO дальномера появляется логическая единица. Как только датчик улавливает отражённый сигнал, на выводе ECHO появляется логический ноль. По длительности логической единицы на ножке ECHO («Задержка эхо» на рисунке) определяется расстояние до препятствия.

Диапазон измерения расстояния дальномера HC-SR04 - до 4 метров с разрешением 0,3 см. Угол наблюдения - 30°, эффективный угол - 15°. Ток потребления в режиме ожидания 2 мА, при работе - 15 мА.

2 Схема подключения датчика расстояния

Питание ультразвукового дальномера осуществляется напряжением +5 В. Два других вывода подключаются к любым цифровым портам Arduino, мы подключим к 11 и 12.

3 Получение дистанции до объекта с датчика HC-SR04

Теперь напишем скетч, определяющий расстояние до препятствия и выводящий его в последовательный порт. Сначала задаём номера выводов TRIG и ECHO - это 12 и 11 пины. Затем объявляем триггер как выход, а эхо - как вход. Инициализируем последовательный порт на скорости 9600 бод. В каждом повторении цикла loop() считываем дистанцию и выводим в порт.

Const int trigPin = 12; const int echoPin = 11; void setup() { pinMode(trigPin, OUTPUT); // триггер - выходной пин pinMode(echoPin, INPUT); // эхо - входной digitalWrite(trigPin, LOW); Serial.begin(9600); // инициализация послед. порта } void loop() { long distance = getDistance(); // получаем дистанцию с датчика Serial.println(distance); // выводим в последовательный порт delay(100); } // Определение дистанции до объекта в см long getDistance() { long distacne_cm = getEchoTiming() * 1.7 * 0.01; return distacne_cm; } // Определение времени задержки long getEchoTiming() { digitalWrite(trigPin, HIGH); // генерируем 10 мкс импульс запуска delayMicroseconds(10); digitalWrite(trigPin, LOW); // определение на пине echoPin длительности уровня HIGH, мкс: long duration = pulseIn(echoPin, HIGH); return duration; }

Функция getEchoTiming() генерирует импульс запуска. Она как раз создаёт тот 10-микросекундный импульс, который является триггером для начала излучения дальномером звукового пакета в пространство. Далее она запоминает время от начала передачи звуковой волны до прихода эха.

Функция getDistance() рассчитывает дистанцию до объекта. Из школьного курса физики мы помним, что расстояние равно скорость умножить на время: S = V×t Скорость звука в воздухе 340 м/сек, время в микросекундах мы знаем (переменная duration ). Чтобы получить время duration в секундах, нужно разделить его на 1 000 000. Так как звук проходит двойное расстояние - до объекта и обратно - нужно ещё разделить результат пополам. Вот и получается, что расстояние до объекта S = 34000 см/сек × duration / 1 000 000 сек / 2 = 1,7 см/сек / 100, что мы и написали в скетче.

Операцию умножения микроконтроллер выполняет быстрее, чем операцию деления, поэтому :100 я заменил на эквивалентное ×0,01 .

4 Библиотека для работы с эхолокатором HC-SR04

Также для работы с ультразвуковым дальномером написано множество библиотек. Например, вот эта библиотека Ultrasonic . Установка библиотеки происходит стандартно: скачать, разархивировать в директорию /libraries/ , которая находится в папке с Arduino IDE. После этого библиотекой можно пользоваться.

Установив библиотеку, напишем новый скетч.

#include // подключаем библиотеку Ultrasonic ultrasonic(12, 11); // Trig - 12, Echo - 11 void setup() { Serial.begin(9600); // инициализация послед. порта } void loop() { float dist_cm = ultrasonic.Ranging(CM); // дистанция в см Serial.println(dist_cm); // выводим дистанцию в порт delay(100); }

Результат его работы тот же - в мониторе последовательного порта выводится дистанция до объекта в сантиметрах.

Если в скетче написать float dist_cm = ultrasonic.Ranging(INC); - дистанция будет отображаться в дюймах.

5 Выводы по работе с сонаром HC-SR04

Итак, мы с вами подключили к Arduino ультразвуковой дальномер HC-SR04 и получили с него данные двумя разными способами: с использованием специальной библиотеки и без.

Преимущество использования библиотеки в том, что количество кода значительно сокращается и улучшается читаемость программы, вам не приходится вникать в тонкости работы устройства и вы сразу же можете его использовать. Но в этом же кроется и недостаток: вы хуже понимаете, как работает устройство и какие в нём происходят процессы. В любом случае, каким способом пользоваться - решать только вам.

Приобрести ультразвуковой дальномер по хорошей цене можно

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: s = v*t 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. int echoPin = 2; int trigPin = 3; void setup() { Serial.begin (9600); pinMode(trigPin, OUTPUT); pinMode(echoPin, INPUT); } void loop() { int duration, cm; digitalWrite(trigPin, LOW); delayMicroseconds(2); digitalWrite(trigPin, HIGH); delayMicroseconds(10); digitalWrite(trigPin, LOW); duration = pulseIn(echoPin, HIGH); cm = duration / 58; Serial.print(cm); Serial.println(" cm"); delay(100); } 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.

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.
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.

Добрый день, уважаемые программисты. Сегодня мы переходим к третьему уроку. Мы научимся подключать ультразвуковой дальномер HC-SR04 к Arduino . Разберем принцип работы дальномера , его характеристики и программирование этого устройства.

Ну что, приступим! Начнем мы с характеристики дальномера.

Характеристики ультразвукового датчика HC-SR04

Большим превосходством такого ультразвукового датчика над инфракрасными является то, что на ультразвуковые датчики не влияют источники света или цвет препятствие. Могут возникнуть проблемы с измерением расстояния до тонких или пушистых объектов. Хотелось бы сказать, что скорость звука в воздухе зависит от температуры. Следовательно, погрешность измерения будет меняться от повышения или понижения температуры.

Рабочее напряжение 4,8 В до 5,5 В (± 0.2В макс).
Диапазон измерения: от 2 см до 400 см.
Диапазон рабочих температур: 0 ° С до 60 ° С (± 10%).
Ток потребления в режимах ожидания до 2 мА.
Ток потребления в режимах работы 15 мА.
Ультразвуковой диапазон работы на частоте 40 кГц.
Угол обзора 15 градусов.
Измеряемое расстояние от 0,03 до 0,6 мс разрешающей способностью 3 мм.
От 0,6 до 5 погрешность увеличивается.

Датчик имеет 4 вывода:

VCC: "+" питание
TRIG (T): вывод входного сигнала
ECHO (R): вывод выходного сигнала
GND: "-" питание

Необходимые компоненты для подключения ультразвукового дальномера

Arduino (в нашем случае - UNO)
Breadboard (макетная плата для удобного подключения приборов к Arduino)
Провода
Ультразвуковой датчик HC-SR04

Принцип работы ультразвукового дальномера HC-SR04

Подаем импульс продолжительностью 10 мкс, на вывод Trig.
Внутри дальномера входной импульс преобразуется в 8 импульсов частотой 40 КГц и посылается вперед через "T глазик".
Дойдя до препятствия, импульсы отражаются и принимаются "R глазиком". Получаем выходной сигнал на выводе Echo.
Непосредственно на стороне контроллера переводим полученный сигнал в расстояние.

Схема подключение дальномера к Arduino

Вам представлена схема подключения ультразвукового датчика к Ардуино. Как вы можете заметить, она очень проста и очень интересна. Но следует не забывать о правильном подключении. Мой совет: никогда не торопитесь подключать прибор потому, что вы больше затратите времени на поиск ошибки в подключении.

Следующим этапом является изучение скетча программы

Программирование ультразвукового датчика HC-SR04

#define Trig 8 /* Обозначаем пин подачи импульса*/
#define Echo 9 /* Обозначаем пин приема импульса*/
void setup() {
pinMode (Trig, OUTPUT); /*инициируем как выход */
pinMode (Echo, INPUT); /*инициируем как вход */
Serial.begin (9600); /* устанавливаем скорость порта */
}
unsigned int impulseTime=0;
unsigned int distance_sm=0;
void loop() {
digitalWrite (Trig, HIGH); /* Подаем импульс на вход trig дальномера */
delayMicroseconds (10); /* Импульс длится 10 микросекунд */
digitalWrite (Trig, LOW); // Отключаем подачу импульса
impulseTime=pulseIn (Echo, HIGH);
/*Принимаем импульс и подсчитываем его длину*/
distance_sm =impulseTime/58; /* Пересчитываем его значение в сантиметры */
Serial.println( distance_sm); /* Выводим значение на порт программы */
delay (200);
}

После того как вы вставили этот код, загрузите его в программу и включите "монитор порта". Там вы увидите расстояние от датчика до препятствия, поэкспериментируйте с изменением расстояния объекта.

Вот что должно у вас получиться!

Надеюсь у вас все получилось! Если у вас остались вопросы, можете написать нам в