Приветствую всех. Попал мне в руки недавно ультразвуковой датчик, который измеряет расстояние до объекта - US-100. Подобную вещь можно приобрести на торговых интернет площадках. На рынках своего города таких игрушек в продаже не удалось найти. Было решено построить схему на основе такого датчика на распространенном микроконтроллере AVR ATmega8. Назначение устройства состоит в измерении расстояния до объекта, а также измерения температуры. К слову о температуре. Модель US-100 это ультразвуковой датчик с температурной компенсацией. Скорость распространения звуковой (ультразвуковой) волны при разных температурах будет отличаться. Измерение датчика основано на времени прохождения звуковой волны от объекта до приемника датчика. Температурная компенсация, скорее всего не полностью, устранит погрешность вызванную температурой окружающей среды.

При рассмотрении печатной платы, можно сделать заключение об источнике измерения температуры: термометр находится в микросхеме или измерение температуры идет за счет диода, расположенного на краю платы. При измерении температуры диодом используется его P-N переход и связано это с температурным коэффициентом проводимости. С большой уверенностью это второй вариант, так как при работе ниже приведенной схемы при касании пальцами этого диода, температура изменяется. Так что при измерении лучше всего стараться руками не трогать датчик, чтобы получить более точные данные о расстоянии.

Для измерения датчик использует 2 головки, напоминающие большой микрофон или маленький динамик. По сути это и то, и то. Одна из головок излучает ультразвуковую волну, вторая принимает отраженный сигнал ультразвуковой волны. По времени прохождения определяется пройденное расстояние. По видимому ограничение измеряемого расстояния в 4,5 метра обусловлена мощностью излучателя.

Что относительно общения датчика с микроконтроллером, модель US-100 имеет два возможных интерфейса, выбираемые перемычкой на задней стороне платы датчика. Если перемычка стоит выбран интерфейс UART, если перемычка снята, используется интерфейс или режим работы GPIO. В первом случае для общения с микроконтроллером используется либо аппаратные средства микроконтроллера, либо программные. Во втором случае принимать и передавать данные придется только вручную. В схеме устройства задействуем более простой режим работы с использованием UART интерфейса.

Необходимо уточнить нюансы по распиновке и подключению датчика к микроконтроллеру. Обычно при передачи данных по UART линии Rx и Tx подключаются крест накрест - Rx на Tx, а Tx на Rx. Данный ультразвуковой датчик же нужно подключать в соответствии с подписанными контактами на печатной плате Rx на Rx, а Tx на Tx. Китайцы отожгли, согласен. Прежде чем это определилось, пришлось долго мучиться и в конце концов придти к этому. Итак, при работе по UART, для инициализации одного измерения расстояния ультразвуковому датчику US-100 необходимо на вывод Trig/Tx передать значение 0x55, что соответствует символу "U". В ответ датчик передаст два байта информации о расстоянии на вывод Echo/Rx - первый байт - это старшие 8 бит, второй байт - младшие 8 бит. Единицы измерения расстояния - миллиметры. Чтобы два байта перевести в одно значение расстояния, необходимо первый байт умножить на 256 и прибавить второй байт. Необходимо делать таким образом, потому что при переполнении младшего байта, старший байт увеличивается на единицу. Чтобы вывести текущее значение температуры окружающей среды, необходимо передать значение 0x50, что соответствует символу "P". В ответ датчик передаст значение температуры. Фактическое значение температуры будет равно полученному значению от датчика отнять 45.

Параметры ультразвукового датчика US-100:

• напряжение питания - 2,4 - 5,5 вольт постоянного напряжения
• потребляемый ток в режиме ожидания - 2 мА
• рабочая температура - минус 20 - плюс 70 С
• угол обзора - 15 градусов
• интерфейс - GPIO или UART
• измеряемое расстояние - от 2 см до 450 см
• погрешность - плюс минус 3 мм + 1%

Конфигурация UART для датчика: 9600 baud rate, 8 data bits, parity: none, 1 stop bit.

Перейдем к схеме устройства.

Схема ультразвукового дальномера построена на основе микроконтроллера Atmega8 и ультразвуковом датчике US-100. Питание схема берется от линейного стабилизатора напряжения L7805, его можно заменить отечественным аналогом КР142ЕН5А, конденсаторы в обвязке стабилизатора обязательны, хотя может работать и без них. Некоторые стабилизаторы просто не запускаются без конденсаторов. Линейный стабилизатор можно заменить на импульсный, например MC34063 или LM2576, но придется немного изменить схему согласно подключению импульсных стабилизаторов в схеме. Конденсаторы С5-С7 необходимы для обеспечения стабильности работы микроконтроллера и датчика. Номиналы всех конденсаторов можно варьировать в разумных пределах. Резистор R2 необходим для предотвращения самопроизвольного перезапускания микроконтроллера и служит подтяжкой положительного питания на вывод reset. Резистор R1 регулирует контраст LCD-дисплея. В качестве информационной панели был взят жидкокристаллический (ЖК или по другому LCD) экран SC1602, 2 строки по 16 символов на основе контроллера HD44780. Заменить LCD-дисплей можно на любую другую модель на базе контроллера HD44780 с таким же количеством строк и символов в строке или больше. На печатной плате LCD-дисплея есть возможность задействовать подсветку экрана двумя способами - либо при помощи допаивания резистора и перемычки на самой плате экранчика или при помощи специальных выводов, обычно обозначенных как "А" и "К". Анод и катод соответственно. К ним через токоограничительный резистор подключается напряжение питания схемы 5 вольт. В данной схеме задействован первый способ, поэтому на схеме не обозначено. Вместо тактовых кнопок S1 - S5 можно использовать любые другие кнопки. Светодиод LED1 можно использовать любой подходящий по цвету или заменить его на транзистор и управлять какой-либо другой схемой в зависимости от превышения дистанции от датчика. В зависимости от примененного типа транзисторов (P-N-P или N-P-N) при превышении лимита дистанции или расстояния выход будет иметь положительное или отрицательное напряжение, то есть при высоком логическом сигнале микроконтроллера транзистор N-P-N будет открыт, а транзистор P-N-P закрыт. В прошивку микроконтроллера заложен параметр, при котором при превышении обозначенного лимита расстояния на вывод PB0 будет подаваться высокий логический уровень напряжения. В данной схеме светодиод просто сигнализирует о превышении. Данный сигнал дублируется на LCD-дисплее подчеркиванием данный о лимите дистанции. Данный параметр можно регулировать кнопками S1, S2. При нажатии происходит увеличение или уменьшение на 10 мм. Информация о дистанции на дисплей выводится также в миллиметрах. Информация о температуре окружающей среды выводится на дисплей в градусах Цельсия. К статье прилагается два варианта прошивок: 1) непрерывное измерение параметров дистанции и температуры (интервал примерно 0,2 секунды), при этом кнопки S4, S5 не задействуются, 2) при нажатии кнопок S4, S5 происходит однократный запрос к датчику на измерение температуры и расстояния. Видео к статье сделано с прошивкой номер 1. Для программирования микроконтроллера необходимо прошить фьюз биты:

Новичкам рекомендую пользоваться шестнадцатеричными значениями фьюз битов HIGH и LOW, чтобы не напортачить с расстановкой галочек. Скриншот из AVRstudio (есть отличия от дудки, sina prog и других программ для прошивки микроконтроллеров). Если Вы используете программы для прошивки микроконтроллеров AVR, в которых нет ввода параметров фьюзов, то можно воспользоваться фьюз калькуляторами для перевода галочек в шестнадцатеричную форму и наоборот.

Схема была собрана и проверена на макетной плате для Atmega8:

Конструктивно схему можно оформить, например, в виде пистолета с лазерным указателем направления ультразвукового датчика. Единственно ограничено измеряемое расстояния, при превышении которого погрешность резко возрастает. Также ограничение касается положения и размера предмета, до которого измеряется расстояние - расстояние до слишком мелких объектов или объектов находящихся под большим углом будет искажено. Идеальное сочетание достаточно большие предметы, находящиеся перпендикулярно направлению датчика. Погрешность измерений примерно соответствует заявленным производителем. Данное устройство при дальнейшем развитии можно использовать как обнаружитель препятствий, наподобие парктроника в комнатных условиях, так как на улице ультразвуковые головки данного датчика будут забиваться грязью.

Предлагайте свои идеи и варианты применения, наиболее интересные идеи в будущем могут быть реализованы.

К статье прилагаю 2 варианта HEX прошивок для МК, проект в (версия 7.7, ультразвукового датчика US-100 в базе proteus"а нет, но задействован UART отладчик), а также небольшое видео, демонстрирующее работу схемы.

Список радиоэлементов

Обозначение	Тип	Номинал	Количество	Примечание	Магазин	Мой блокнот
IC1	МК AVR 8-бит	ATmega8	1			В блокнот
VR1	Линейный регулятор	L7805AB	1			В блокнот
HG1	LCD-дисплей	SC1602	1	На базе HD44780		В блокнот
U1	УЗ-датчик	US-100	1			В блокнот
R1	Подстроечный резистор	10 кОм	1	3296W-1-103LF		В блокнот
R2	Резистор	10 кОм	1	0.25 Вт		В блокнот
R3	Резистор	390 Ом	1	0.25 Вт

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.

HC-SR04 один из самых распространённых и самый дешевый дальномер в робототехники. Он позволяет измерять расстояния от 2см до 4м (может и больше) с приличной точностью 0,3-1см. На выходе цифровой сигнал, длительность которого пропорционально равна расстоянию до препятствий.

Ультразвуковой дальномер

Данный датчик был мною уже давно приобретен и лежал в своей коробочке почти забытый. Но в рамках одного проекта был извлечен на белый свет и, для ознакомления, на основе него и платы вольтметра был построен достаточно компактный дальномер.

УЗ дальномер HC-SR04

Характеристики датчика:

Питание — 5В
Потребляемый ток — менее 2мА
Эффективный угол обзора — 15гр
Измеряемое расстояние — 2см - 5м
Точность — 3мм
Взяты из документации к датчику

Принцип работы HC-SR04

Принцип работы

У модуля есть 4 вывода, два из которых это питание - земля и +5В, а еще два - данные. Опрос модуля производится следующим способом: на вывод Trig посылается импульс длительностью 10мкс. Дальномер генерирует посылку из 8 ультразвуковых 40КГц импульсов. Которые, отражаясь от большинства поверхностей, возвращаются обратно, если не угаснут в пути. Сразу после отправки сигнала на Trig начинаем ожидать ответного положительного сигнала выводе Echo, длительностью от 150мкс до 25мс, который пропорционален расстоянию до объекта. Точнее времени прохождения от датчика до препятствия и обратно. Если ответа нет (датчик не услышит своего эха) - то сигнал вернется длиною в 38 мс. Расстояние до объекта (препятствия) вычисляется по следующей простой формуле:

Где: L - расстояние в сантиметрах до объекта, а F - длина импульса на выводе Echo.
Рекомендуемое время опроса датчика 50мс или 20Гц.

Первые тесты этого модуля проводил при помощи цифрового осциллографа, который ловил ответ от модуля и в ручную, быстрым замыканием Trig на + питания, пытался получить стартовый 10мкс импульс. В половине случаев получалось [:)] .

Конструкция

Датчик был подключен к плате вольтметра с общим анодом, немного модифицированному для работы с ним (убраны ненужные делитель с конденсатором и добавлен вывод от RA3). Был применен микроконтроллер от 5 версии вольтметра - PIC16F688, с переработанной для УЗ дальномера прошивкой.

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.

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.

В статье я расскажу о том, как я делал лазерный дальномер и о принципе его работы. Сразу отмечу, что конструкция представляет собой макет, и ее нельзя использовать для практического применения. Делалась она только для того, чтобы убедится в том, что фазовый дальномер реально собрать самому.

Теория

Часто приходится встречать мнение, что с помощью лазера расстояние измеряют только путем прямого измерения времени «полета» лазерного импульса от лазера до отражающего объекта и обратно. На самом деле, этот метод (его называют импульсным или времяпролетным, TOF) применяют в основном в тех случаях, когда расстояния до нужного объекта достаточно велики (>100м). Так как скорость света очень велика, то за один импульс лазера достаточно сложно с большой точностью измерить время пролета света, и следовательно, расстояние. Свет проходит 1 метр примерно за 3.3 нс, так что точность измерения времени должна быть наносекундная, хотя точность измерения расстояния при этом все равно будет составлять десятки сантиметров. Для измерения временных интервалов с такой точностью используют ПЛИС и специализированные микросхемы.

Видео работы дальномера:

Дальность работы у получившегося дальномера вышла достаточно небольшая: 1,5-2 м в зависимости от коэффициента отражения объекта.
Для того, чтобы увеличить дальность, можно использовать специальный отражатель, на который нужно будет направлять луч лазера.
Для экспериментов я сделал линзовый отражатель, состоящий из линзы, в фокусе которой расположена матовая бумага. Такая конструкция отражает свет в ту же точку, откуда он был выпущен, правда, диаметр луча при этом увеличивается.
Фотография отражателя:

Использование отражателя:


Как видно, расстояние до отражателя - 6.4 метра (в реальности было примерно 6.3). Сигнал при этом возрастает настолько, что его приходится ослаблять, направляя луч лазера на край отражателя.

Точность получившегося дальномера - 1-2 сантиметра, что соответствует точности измерения сдвига фаз - 0,2-0,5 градуса. При этом, для достижения такой точности, данные приходится слишком долго усреднять - на одно измерение уходит 0.5 сек. Возможно, это связано с использованием PLL для формирования сигналов - у него довольно большой джиттер. Хотя я считаю, что для самодельного макета, аналоговая часть которого сделана довольно коряво, в котором присутствуют достаточно длинные провода, даже такая точность - довольно неплохо.
Отмечу, что я не смог найти в Интернете ни одного существующего проекта фазового дальномера (хотя бы со схемой конструкции), что и послужило причиной написать эту статью.

Теги:

• лазерный дальномер
• stm32
• stm32f4discovery

Добавить метки