HC-SR04 Ultrasonic Sensor

Présentation

Le HC-SR04 est un capteur de distance ultrason — la petite carte aux deux cylindres argentés qui ressemblent à des yeux de robot. Il mesure la distance comme une chauve-souris ou un sous-marin : il émet une salve de son trop aigu pour être entendu, écoute l’écho, et chronomètre l’aller-retour. Pour quelques dollars, il donne à un robot le sens de l’espace devant lui, d’où son rôle de capteur par défaut du premier robot éviteur d’obstacles que presque tous construisent.

Les deux cylindres sont un émetteur et un récepteur. L’un gazouille, l’autre écoute. Tout le reste sur la carte est de la circuiterie de minutage qui convertit cet écho en un signal mesurable par votre microcontrôleur.

Fonctionnement

Le capteur parle un langage simple à deux fils :

1. Vous mettez la broche Trigger au HAUT pendant 10 microsecondes.
2. Le capteur émet huit impulsions ultrason à 40 kHz et lève la broche Echo.
3. Quand l’écho revient, il rebaisse Echo au BAS.
4. Vous mesurez combien de temps Echo est restée au HAUT.

Cette largeur d’impulsion est le temps d’aller-retour. Le son voyage à environ 343 m/s dans l’air, donc distance = (temps_écho × 343) / 2 — la division par deux parce que le son est allé et revenu. La plupart du code Arduino enveloppe cela dans pulseIn() et un peu d’arithmétique.

Comme cela dépend de la vitesse du son, la lecture dérive légèrement avec la température (le son est plus rapide dans l’air chaud). Pour un robot évitant des murs, cette erreur est négligeable ; pour de la télémétrie précise, elle compte, et on compenserait la température.

Quand l’utiliser

Prenez un HC-SR04 dès qu’un robot doit savoir à peu près à quelle distance est la chose la plus proche — évitement d’obstacles, suivi de mur, garde « ne pas tomber de la table », ou déclencher un comportement quand quelque chose approche. Son large faisceau aide ici : il est difficile de rater un obstacle.

Regardez ailleurs quand il faut une distance précise, un faisceau étroit, ou des mises à jour rapides. Un capteur temps de vol utilise la lumière au lieu du son et donne une lecture étroite, rapide, précise au millimètre — mieux pour cartographier ou un robot qui doit juger un passage précis.

Câblage et pièges

• Echo est une broche 5 V. Sur une carte 5 V comme l’Arduino Uno, c’est bon. Sur une carte 3,3 V comme l’ESP32, mettez un diviseur sur Echo sous peine d’endommager la broche.
• Attention à l’angle mort et au cône. Rien de plus proche que ~2 cm ne s’enregistre, et le faisceau d’environ 15° signifie que le capteur rapporte la chose la plus proche dans un cône — un pied de table sur le côté peut le déclencher.
• Les cibles molles et inclinées mentent. Mousse, tissu, ou mur à angle fort dispersent l’écho loin du récepteur, donc le capteur lit « loin » ou rien. Il marche mieux sur des surfaces plates et dures lui faisant face.
• Ne scrutez pas trop vite. Laissez ~60 ms entre lectures pour que l’écho précédent meure ; scrutez plus tôt et des échos parasites donnent de fausses lectures. Filtrer le flux aide — voir dompter le bruit des capteurs.

Brochage

Les quatre broches sont toujours dans cet ordre, et le module est presque toujours orienté avec les broches à l’opposé des transducteurs, donc VCC est à gauche quand vous regardez les « yeux ».

Le câbler à un Arduino

Le problème 3,3 V

La broche Echo sort un plein 5 V, et un GPIO d’ESP32 ou Raspberry Pi est prévu pour 3,3 V. Y injecter du 5 V dépasse son maximum absolu, et bien que cela survive souvent un temps, cela endommage vraiment la broche. Deux résistances règlent cela :

Echo ──┬── 1 kΩ ──┬── to 3.3 V GPIO
       │          │
       │        2 kΩ
       │          │
       └──────────┴── GND

Ce diviseur donne 5 V × 2/(1+2) = 3,33 V. Tout rapport proche de 2:1 convient — 1 kΩ et 2 kΩ, ou 10 kΩ et 20 kΩ. N’utilisez pas de valeurs au-delà d’environ 20 kΩ, sinon la capacité d’entrée de la broche ralentit le front assez pour fausser le minutage mesuré.

L’arithmétique de distance, et où elle se trompe

distance = (echo_microseconds x speed_of_sound) / 2

Le son voyage à 343 m/s à 20 °C, soit 0,0343 cm/µs. D’où la constante utilisée partout : divisez le temps d’écho par 58,2 pour obtenir des centimètres.

La vitesse du son dépend de la température, à peu près :

speed (m/s) = 331.3 + 0.606 x temperature_celsius

À 2 m, cela fait environ 7 cm entre un garage en hiver et une pièce chaude. Pour l’évitement d’obstacles, c’est sans objet. Pour tout ce qui mesure un passage, compensez — et si vous avez un MPU-6050 ou presque tout capteur I²C sur le robot, vous avez déjà une lecture de température.

Code minimal fonctionnel

const int TRIG = 9, ECHO = 10;
const unsigned long TIMEOUT_US = 25000UL;   // ~4.3 m, past the sensor's range

void setup() {
  Serial.begin(115200);
  pinMode(TRIG, OUTPUT);
  pinMode(ECHO, INPUT);
}

// Returns centimetres, or -1 when nothing came back.
float pingCm() {
  digitalWrite(TRIG, LOW);  delayMicroseconds(2);
  digitalWrite(TRIG, HIGH); delayMicroseconds(10);
  digitalWrite(TRIG, LOW);

  unsigned long us = pulseIn(ECHO, HIGH, TIMEOUT_US);
  if (us == 0) return -1.0f;        // timeout: no echo, NOT "zero distance"
  return us / 58.2f;
}

// Median of three kills the occasional wild reading.
float pingMedianCm() {
  float a = pingCm(); delay(60);
  float b = pingCm(); delay(60);
  float c = pingCm();
  if (a > b) { float t = a; a = b; b = t; }
  if (b > c) { float t = b; b = c; c = t; }
  if (a > b) { float t = a; a = b; b = t; }
  return b;
}

void loop() {
  float cm = pingMedianCm();
  if (cm < 0) Serial.println("no echo");
  else        Serial.println(cm);
  delay(60);
}

Trois détails font la différence entre un capteur qui marche et un qui ne marche pas :

La temporisation n’est pas optionnelle. pulseIn sans temporisation bloque jusqu’à l’arrivée d’un écho, et sur une surface molle ou inclinée aucun n’arrive jamais. Le robot semble se figer à intervalles aléatoires, et la cause ressemble à tout sauf au capteur.

Zéro n’est pas une distance. Une temporisation signifie « rien n’est revenu », ce qui veut généralement dire que la chose la plus proche est loin ou invisible — l’opposé de zéro. Un code qui traite une temporisation comme 0 cm fera un arrêt d’urgence dans une pièce vide.

La médiane de trois écarte l’unique lecture aberrante que ces capteurs produisent régulièrement. Une seule valeur parasite de 20 cm en espace dégagé suffit à faire virer un robot dans un mur.

Lire honnêtement le diagramme de faisceau

La spécification dit 15°, ce qui sonne comme un étroit faisceau de torche. Ce n’est pas — c’est le demi-angle du lobe principal, et la conséquence pratique est qu’à 1 m le capteur écoute un cône d’environ 50 cm de large.

Le capteur rapporte la chose la plus proche n’importe où dans ce cône, sans rien dire sur où elle s’y trouvait. D’où un HC-SR04 détecte un cadre de porte qu’il ne peut pas localiser, et pourquoi un pied de table bien sur le côté déclenche un arrêt.

Pour errer dans une pièce, c’est un avantage — il est très difficile de rater un obstacle. Pour mesurer la distance à une chose particulière, c’est disqualifiant, et il faut un VL53L0X.

Ce qu’il ne peut pas voir

Ce sont de la physique, pas des défauts, et concevoir autour est le travail :

Un robot ne comptant que sur la télémétrie ultrason poussera finalement un rideau jusqu’à ce que quelque chose cède. C’est exactement pourquoi un contacteur de choc est la fiabilité la moins chère de tout le robot.

Dépannage

HC-SR04 ou VL53L0X ?

Ils échouent sur des matériaux opposés, ce qui rend le choix facile une fois la pièce connue. Le sonar voit une boîte couverte de tissu noir que le laser ne voit pas ; le laser voit une porte vitrée en biais que le sonar ne voit pas. Sur un robot qui doit être fiable, la réponse honnête est souvent les deux — plus un contacteur de choc pour quand les deux se trompent.