Jak poprawnie korzystać z ultradźwiękowego czujnika odległości?

[Stan00]

Chcielibyśmy stworzyć robota omijającego przeszkody lub znajdującego swoją drogę w labiryncie. Potrzebny jest nam wtedy jakiś sposób wykrycia oraz ustalenia odległości od naszej ściany lub przeszkody. Jednym z tańszych sposobów jest zastosowanie ultradźwiękowego czujnika odległości. Odczyt sygnału i jego interpretacja jest tylko jednym z kilku zagadnień użytkowania tego typu sensora. Zgłębmy je razem poniżej.

Ten artykuł bierze udział w naszym konkursie! 
Na zwycięzców czekają karty podarunkowe Allegro, m.in.: 2000 zł, 1000 zł i 500 zł.

Potrafisz napisać podobny poradnik? Opublikuj go na forum i zgłoś się do konkursu!
Czekamy na ciekawe teksty związane z elektroniką i programowaniem. Sprawdź szczegóły »

Zacznijmy od początku

W naszych rozważaniach weźmy pod uwagę jeden z najpopularniejszych tego typu czujników – HC-SR04.

Powyżej widzimy schemat połączenia czujnika z płytką Arduino Uno. W teorii wystarczy, że określimy wejścia/wyjścia, nadamy odpowiedni impuls na pin Trg, odczytamy długość impulsu na pin Echo i podzielimy go przez podaną w dokumentacji liczbę 58. Otóż ta wartość nie zawsze jest poprawna.

Zasada działania czujnika opiera się na tym, że nadany sygnał dźwiękowy odbija się od przeszkody i wraca do odbiornika. W czasie podróży fal dźwiękowych na pinie echo ustawiony jest stan wysoki, zmienia się on na stan niski wraz z odczytaniem przez odbiornik powrotu fali. My odczytujemy długość trwania tego stanu i dzielimy go przez prędkość dźwięku.

Prędkość a temperatura

Załóżmy, że chcemy by nasz robot pracował na świeżym powietrzu. Liczba 58 o której mówi dokumentacja daje nam po podzieleniu przez czas impulsu odległość mierzoną w centymetrach zakładając, że prędkość dźwięku nie zmienia się.

Dla temperatury 20˚C prędkość dźwięku wynosi 343,5 m/s ale dla 10˚C jest to już 337,5 m/s. Jeżeli dla prędkości w 20˚C odczytamy na czujniku 1 metr to dla 10˚C przy pozostawieniu tego samego przelicznika dla tej samej odległości odczytamy 0,98 metra. Poniżej znajduje się wykres, gdzie pokazano o ile procent różnią się pomiary w zależności od temperatury otoczenia w stosunku do pomiaru, gdzie za prędkość dźwięku przyjęliśmy tą podaną w dokumentacji (340 m/s).

Prędkość dźwięku w zależności od temperatury liczymy ze wzoru:

v = 331,5 + 0,6*T [m/s]

Zakładając, że mierzymy odległość 4 metrów to w temperaturze 0˚C nasz pomiar jest o 10 cm różny od rzeczywistego licząc odległość dla 340 m/s. Aby temu zaradzić możemy zastosować czujnik temperatury który umożliwiałby robotowi w odpowiedni sposób zmieniać mnożnik, lub uwzględnić ten błąd pomiarowy w projekcie.

Położenie ma znaczenie

Błędy pomiarowe opisane powyżej są dla większości rozwiązań akceptowalne i można nie zwracać na nie uwagi. Jednak co jeżeli obiekt jest niewidoczny dla czujnika?

W dokumentacji technicznej sensora HC-SR04 możemy wyczytać informację o tym, że kąt pomiarowy wynosi 30˚. Jednak nasuwa się pytanie dla jakich obiektów mierzono, gdzie ustalono wierzchołek kąta mierzenia oraz jakie są kryteria uznania pomiaru za poprawny. Po wykonaniu wielu pomiarów znalezione zostały na nie odpowiedzi.

Po to by nasz stożek pomiarowy był symetryczny należy umieścić jego wierzchołek w odpowiednim miejscu. Położeniem tym jest środek czujnika. To właśnie ten punkt uznajemy za miejsce, gdzie kąt pomiaru wynosi 0˚. Symetria stożka pomiarowego ułatwi nam późniejsze projektowanie całego systemu odpowiedzialnego za mierzenie odległości.

W naszej analizie będziemy wizualizować wyniki za pomocą schematu poniżej.

Nasze rozważania co do kąta zaczniemy od prostokątnego pudełka. W zależności od czujnika zakres ,,widzenia’’ wynosił -11˚÷ 11˚ a w jednym z czujników nawet -6˚÷6˚. Jak można zauważyć efektywne kąty pomiarowe różnią się w zależności od egzemplarza.

Pomiar poprawny otrzymujemy już wtedy, kiedy przynajmniej krawędź obiektu znajduje się w obszarze zaznaczonym na zielono. Jako dobry pomiar uznajemy zmierzenie odległości rzędu 50 cm z błędem mniejszym niż 2 cm, uwzględniając korektę temperaturową.

Kolejnym elementem będzie ,,ścianka” z kartonu. Z takim obiektem może spotkać się nasz robot wielokrotnie w labiryncie. W tym przypadku wierzchołek pomiarowy jest o wiele mniejszy niż w przypadku pudełka. Zakres dobrych pomiarów wynosi -4˚÷4˚ a dla najgorszego przypadku -1˚÷1˚.

Z racji tak wąskiego stożka może zajść potrzeba zastosowania większej liczby czujników bądź dokładne ich rozmieszczenie z uwzględnieniem zakresu dobrych pomiarów wspomnianych powyżej. Dla elementów wklęsłych i wypukłych względem sensora pomiary dla całego stożka są niepoprawne.

Podsumowanie

Czujnik HC-SR04 nie jest bardzo wysokiej klasy sensorem ultradźwiękowym (świadczy o tym na przykład rozrzut wartości kąta stożka pomiarowego różnych egzemplarzy). Można jednak przy uwzględnieniu warunków atmosferycznych i rodzajów obiektów jakie mamy mierzyć otrzymać dobre wyniki nie narażając się na koszty związane z zakupem sprzętu o lepszych parametrach. Dla poszerzenia kąta pomiarowego w labiryncie z cienkimi ścianami można zastosować kilka czujników. Kwestia zmiany prędkości dźwięku w zależności od temperatury staje się problematyczna dopiero na dużych odległościach, więc w przypadku robotów manewrujących nie musimy jej brać pod uwagę.

[Treker (Damian Szymański)]

@Stan00 witam na forum, wpis został właśnie zaakceptowany i jest już dostępny publicznie

[Ruby]

@Stan00 od środy bawię się tym czujnikiem, co prawda na pi pico ale zabawa taka sama. Właśnie zastanawiałem się jak polepszyć dokładność obliczania odległości, ponieważ skonstruowałem prototyp czegoś na wzór systemów odległości z samochodów że im bliżej jest obiekt tym więcej lampek w odpowiednim kolorze się zapala. Mam akurat mały termometr to spróbuję z nim ogarnąć tą odległość, dlatego dzięki za ten artykuł

Mam natomiast do Ciebie jedno pytanie, jak jest z odczytywaniem pomiaru nad i pod  czujnikiem?

[Stan00]

22 godziny temu, Ruby napisał:

@Stan00 od środy bawię się tym czujnikiem, co prawda na pi pico ale zabawa taka sama. Właśnie zastanawiałem się jak polepszyć dokładność obliczania odległości, ponieważ skonstruowałem prototyp czegoś na wzór systemów odległości z samochodów że im bliżej jest obiekt tym więcej lampek w odpowiednim kolorze się zapala. Mam akurat mały termometr to spróbuję z nim ogarnąć tą odległość, dlatego dzięki za ten artykuł

Mam natomiast do Ciebie jedno pytanie, jak jest z odczytywaniem pomiaru nad i pod  czujnikiem?

Miło mi słyszeć że choć trochę pomogłem.

Jeżeli chodzi o pomiar nad i pod jest o wiele ciężej określić poprawność mierzenia takiego czujnika. Kąt padania fali dźwiękowych jest równy kątowi ich odbicia, więc w większości przypadków będziemy mierzyć to co jest naprzeciwko czujnika, ponieważ droga pokonana przez odbitą falę dźwiękową od przedmiotu naprzeciw jest najkrótsza. Ogólnie czujnik mierzy dystans od fali która dotrze pierwsza. Jednak są takie sytuacje gdy fala odbita od przedmiotu pod/nad przybędzie pierwsza, rozpatrywałbym to jednak jako bardziej zakłócenie pomiaru tego co jest przed czujnikiem, ponieważ każdy taki przypadek zależy od kąta powierzchni nad/pod (który może się zmienić co wypływa na odległość mierzoną) oraz wykreślenie takiej trajektorii padania/odbicia fali może być kłopotliwe i dodaje kolejne błędy do pomiaru.

W skrócie - można mierzyć coś nad/pod czujnikiem ale wymaga to wykreślenia trajektorii (kłopotliwe) i działałoby to poprawnie tylko dla tego konkretnego przypadku dla którego ową trajektorię wyznaczyliśmy.