Arduino и датчик расстояния HC-SR04
Описание
HC-SR04 – ультразвуковой датчик расстояния. Характеристики:
- Питание: 5V
- Рабочий ток: 15 мА
- Звуковая частота: 40 кГц
- Угол измерения: 15 градусов
- Диапазон измерения: 2 см.. 4 м
- Точность: ~1 мм при грамотной фильтрации
Датчик работает довольно интересно: подаём импульс с продолжительностью 10 мкс на пин Trig, модуль посылает ультразвуковой импульс, он отражается от препятствия и детектируется. Затем с пина Echo возвращается импульс по продолжительности соответствующий времени путешествия звуковой волны. Ардуина этот импульс должна измерить.
Подключение
Подключаем к питанию и любым цифровым пинам:
Библиотеки
С датчиком можно работать без библиотек, стандартными средствами Arduino. Но есть и библиотеки:
- HC-SR04 – можно установить по названию HC-SR04 из менеджера библиотек (автор Dirk Sarodnick)
- NewPing – можно установить по названию NewPing из менеджера библиотек
Примеры
Небольшой момент: чтобы датчик не ловил “эхо” от самого себя – его не рекомендуется опрашивать чаще 30 мс!
Кстати, опрос датчика при помощи pulseIn()
, не так плох, как про него пишут на форумах: погрешность измерения составляет всего 0.5 мкс:
что в пересчёте на расстояние даёт точность 0.17 мм! На деле точность получается в два раза выше, так как фактически мы измеряем сигнал два раза (путь до препятствия и обратно). Сам датчик шумит гораздо сильнее, поэтому миллиметровую точность получить абсолютно не проблема. Но есть проблема в другом: выполнение кода блокируется на время измерения, например на трёх метрах это будет 17 мс. Вроде и немного, но для некоторых задач это будет весьма критично.
Ещё один момент: скорость звука зависит от температуры: при +20°С это 343 м/с, а при -20°С – 318 м/с! А ведь это целых 318/343=7%, что на расстоянии в 1 метр даст погрешность 7 сантиметров. Много, гораздо больше возможных погрешностей в измерении. Давайте это исправим.
В диапазоне -50.. 50°С зависимость является линейной и аппроксимируется уравнением V = 0.609 * t + 330.75
:
Таким образом для нахождения более точного расстояния с поправкой на температуру достаточно делить время импульса не на 58, а на.. кстати, откуда берётся 58? Для прохождения 1 м звуку понадобится 1 / 343 = 0.0029 с, или 2.915 мс. Мы получаем время туда и обратно, поэтому умножаем ещё на 2. В и для сантиметров – ещё на 10, и получаем 58.3. Гораздо понятнее было бы умножать время импульса на скорость звука и делить пополам.
Таким образом для расчёта расстояния в миллиметрах с учётом температуры в °С получим формулу:
S = us * V / 2000 S = us * (0.609 * t + 330.75) / 2000 S = us * (t * 6 / 10 + 330) / 2000
Настолько высокая точность нам не нужна, поэтому можно избавиться от float
, чтобы код весил меньше (третье уравнение). Погрешность составит не более 1 мм на 1 метр. И финальный пример тогда (подставим в первую программу):
Отфильтровать – и будет супер!
Домашнее задание
- Попробовать другие библиотеки для HC-SR04
- Попробовать разные фильтры из урока на финальном примере
3 Комментария
У меня этот датчик выдаёт ОЧЕНЬ много непринятых назад импульсов. Расстояние выводит более 1900 см, это встроенный контроллер подставляет вместо бесконечности, как я понял. Даже если прямо перед ним держал подушку и отходил. Угол близок к нормали, расстояние в пределах метра. Даже так проскакивает много промахов.
С библиотекой NewPing получше, она отбрасывает потерявшиеся запросы и усредняет по принятым. При установленном усреднении по 10 запросам стало приемлемо. Но даже так проскакивают нули.
Может экземпляр датчика некачественный. Но такая картинка, как в первом примере “подвигал рукой” даже близко не получается.
показания с УЗ дальномера лучше всего пропускать через медианный фильтр для отсеивания явных заскоков
Супер пол часа и скетч готов)))