Как видит ультразвуковой датчик — и когда не видит

Ультразвуковой датчик вроде HC-SR04 не видит света. Он посылает звук и слушает эхо. Когда вы знаете, как это устроено, можно предсказать и то, когда он ошибётся, и заранее написать код робота для таких моментов.

#Звук туда и обратно

Измерение начинается с запускающего импульса на TRIG длительностью не меньше 10 мкс. Датчик посылает короткий звуковой сигнал частотой 40 кГц — намного выше того, что слышит человек (примерно до 20 кГц). Затем он выставляет на пине ECHO уровень HIGH и держит его, пока не вернётся эхо. Длительность этого импульса — это время, за которое звук дошёл до предмета и вернулся назад.

Скорость звука при 20 °C — около 343 м/с, поэтому на один сантиметр звуку нужно около 29 мкс. Туда и обратно — это 58 мкс на каждый сантиметр расстояния:

Вот функция, которую используют скетчи сайта:

int readDistanceCm() {
  digitalWrite(TRIG, LOW);
  delayMicroseconds(2);
  digitalWrite(TRIG, HIGH);            // at least 10 microseconds starts a measurement
  delayMicroseconds(10);
  digitalWrite(TRIG, LOW);
  unsigned long us = pulseIn(ECHO, HIGH, 25000UL);  // echo pulse length, 0 after 25 ms
  if (us == 0) return 400;
  return us / 58;                      // there and back at 343 m/s: 58 us per cm
}

#Луч — это конус

Звук идёт не тонкой линией, а расходится конусом шириной около 15 градусов. В 1 м от датчика ширина конуса около 26 см, в 2 м — около полуметра.

Для робота из этого следуют три вещи:

• Датчик сообщает о ближайшем предмете в любом месте конуса, а не только прямо впереди. Ножка стола сбоку может остановить робота посреди свободного коридора.
• Он даёт только расстояние. Где именно в конусе находится предмет, он не говорит.
• Вблизи робота конус уже самого робота. Препятствие, в которое врежется колесо или угол корпуса, может оказаться вне конуса. То же касается низкой ступеньки под конусом или столешницы над ним. Это слепые зоны.

#Поверхности, которые не отвечают

Датчик может измерить только то эхо, которое вернулось. Некоторые предметы его не возвращают:

• Мягкие вещи, например шторы, подушки, одежда и поролон, поглощают большую часть звука. Эхо слабое или его нет вовсе.
• Наклонные поверхности отражают звук в сторону, как зеркало отражает свет. Стена, к которой робот подъезжает под малым углом, почти вдоль неё, может не вернуть вообще ничего.
• Тонкие или круглые предметы, например ножки стульев и стойки, возвращают совсем немного звука. Их можно заметить поздно или не заметить вовсе.
• Углы могут гонять звук от стены к стене. Эхо возвращается с опозданием, и показание получается слишком большим.

Опаснее всего, когда эха нет. pulseIn() ждёт 25 мс, ничего не получает и возвращает 0, а readDistanceCm() превращает это в 400. Для робота 400 означает «в пределах примерно 4 м ничего нет», даже если прямо перед ним наклонная стена.

#Минимальное расстояние

Ближе примерно 2 см показаниям верить нельзя. Эхо с такого малого расстояния возвращается, пока датчик ещё посылает свой собственный звуковой сигнал. Для робота это редко важно, потому что он должен реагировать гораздо раньше: Робот, объезжающий препятствия отъезжает назад, когда что-то ближе 25 см.

Важнее, чтобы в конус не попадала никакая часть самого робота. Провод, шаровая опора или передний край пластины, попавшие в луч, дают устойчивое, но неверное показание.

#Старое эхо и два датчика

Звук ещё недолго остаётся в комнате и отражается от стены к стене. Если измерить снова слишком рано, может прийти запоздавшее эхо от прошлого замера, и оно будет выглядеть как новый близкий предмет. Поэтому между замерами ждите около 60 мс. Скетч ObstacleAvoider измеряет раз в 60 мс как раз по этой причине.

Два датчика HC-SR04 работают на одной и той же частоте 40 кГц, поэтому каждый может услышать звук другого. Опрашивайте их по очереди, с такой же паузой между ними, и никогда — одновременно. Два робота, чьи датчики смотрят друг на друга, могут точно так же мешать друг другу.

#Температура

Скорость звука меняется примерно на 0,6 м/с на каждый градус Цельсия, а число 58 в коде рассчитано примерно на 20 °C. При 0 °C звук медленнее, около 331 м/с, поэтому стена в 1 м даст показание около 104 см. В жаркой комнате показания получаются немного меньше настоящих. Если вы знаете температуру и вам нужны точные расстояния, считайте так: скорость = 331 + 0,6 × температура (в м/с), а расстояние в см = длительность импульса в мкс × скорость / 20000. Для робота, который объезжает стены, остальные эффекты, описанные на этой странице, гораздо важнее.

#Время замера: pulseIn() ждёт

pulseIn() блокирует программу: пока функция ждёт эхо, Arduino больше ничего не делает. Без третьего аргумента она ждёт до одной секунды, и всё это время робот едет дальше без новых показаний. Скетчи сайта дают ей 25 000 мкс — чуть больше, чем 23 200 мкс эха от 4 м.

Подумайте и о том, сколько робот проезжает между замерами. При 0,5 м/с он проезжает 3 см за 60 мс. Медиана трёх замеров с интервалом 60 мс занимает около 180 мс, и за это время робот проезжает около 9 см. Поэтому скетч ObstacleAvoider делает замеры по таймерам на millis() и между ними продолжает ехать. Как это сделать, показывает урок Программы, которые никогда не ждут.

#Фильтрация: отбрасываем одиночные скачки

Реальные показания время от времени скачут. Пропущенное эхо даёт 400. Случайное лишнее эхо даёт слишком маленькое значение. Среднее арифметическое этого не исправит: среднее из 20, 20 и 400 — около 147. А медиана, то есть среднее по величине из трёх значений, равна 20.

int median3(int a, int b, int c) {
  if ((a <= b && b <= c) || (c <= b && b <= a)) return b;
  if ((b <= a && a <= c) || (c <= a && a <= b)) return a;
  return c;
}

Скетч DistanceMeter выводит медиану трёх замеров. Одно неверное значение из трёх исчезает. Два неверных подряд проходят.

Когда робот измеряет часто, помогает и второе правило: верьте большому скачку, только если следующий замер его подтверждает. При 0,5 м/с робот между двумя замерами приближается всего на 3 см. Показание, которое отличается от предыдущего, например, на 50 см, — это либо ошибка, либо новый предмет. Ещё один замер через 60 мс покажет, что именно.

#Где закрепить датчик на роботе

• Спереди, прямо вперёд и строго горизонтально. Если наклонить его вниз, он может видеть пол. Если вверх — пропустит низкие препятствия.
• Так, чтобы два его круглых ультразвуковых преобразователя выступали за передний край. Провода и шаровую опору держите вне луча.
• Надёжно. Плохо закреплённый датчик после каждого удара смотрит в новую сторону.
• В робот-машине CoreEngine: VCC — к +5V на L298N, GND — к GND платы Uno, TRIG — к D9, ECHO — к D10.

Урок Измеряем расстояние с HC-SR04 разбирает подключение и скетч DistanceMeter, который можно запустить в симуляторе, наблюдая за расстоянием на арене в реальном времени. Затем Робот, который держит дистанцию использует те же показания, чтобы следовать за вашей рукой. Сам датчик есть в Маркете.