Sensore ultrasonico HC-SR04

Che cos’è

HC-SR04 è un sensore di distanza ultrasonoro: la piccola scheda con due cilindri argentati che sembrano occhi da robot. Misura la distanza come fanno un pipistrello o un sommergibile: emette un suono troppo acuto da udire, ascolta l’eco e misura il tempo del viaggio di ritorno. Per pochi dollari dà al robot la percezione dello spazio davanti a sé, motivo per cui è il sensore predefinito del primo robot che evita ostacoli, costruito quasi da tutti.

I due cilindri sono un trasmettitore e un ricevitore. Uno emette, l’altro ascolta. Tutto il resto sulla scheda è un circuito di temporizzazione che trasforma quell’eco in un segnale misurabile dal microcontrollore.

Come funziona

Il sensore parla un semplice linguaggio a due fili:

1. Impulsi il pin Trigger portandolo HIGH per 10 microsecondi.
2. Il sensore emette otto impulsi ultrasonori a 40 kHz e porta alto il pin Echo.
3. Quando l’eco torna, riporta Echo a LOW.
4. Misuri per quanto tempo Echo è rimasto HIGH.

Questa larghezza dell’impulso è il tempo di andata e ritorno. Il suono viaggia a circa 343 m/s nell’aria, quindi distance = (echo_time × 343) / 2; la divisione per due serve perché il suono è uscito ed è tornato indietro. La maggior parte del codice Arduino racchiude il calcolo in pulseIn() e in poche operazioni aritmetiche.

Poiché dipende dalla velocità del suono, la lettura varia leggermente con la temperatura (il suono è più veloce nell’aria calda). Per un robot che evita muri l’errore è trascurabile; per una misurazione di precisione conta e devi compensarlo in base alla temperatura.

Quando usarlo

Scegli HC-SR04 ogni volta che un robot deve sapere all’incirca a che distanza si trova l’oggetto più vicino, per evitare ostacoli, seguire un muro, impedire di uscire dal tavolo o attivare un comportamento quando qualcosa si avvicina. In questo caso il fascio largo è persino utile, perché è difficile mancare un ostacolo.

Cerca un’altra soluzione quando ti serve una distanza precisa, un fascio stretto o aggiornamenti rapidi. Un sensore a tempo di volo usa la luce invece del suono e restituisce una lettura compatta, rapida e accurata al millimetro, più adatta alla mappatura o a un robot che deve valutare un varco specifico.

Cablaggio e problemi comuni

• Echo è un pin a 5 V. Su una scheda a 5 V come Arduino Uno va bene. Su una scheda a 3.3 V come ESP32, metti un partitore su Echo o rischi di danneggiare il pin.
• Fai attenzione alla zona cieca e al cono. Nulla di più vicino di ~2 cm viene rilevato e il fascio di ~15° fa sì che il sensore riporti l’oggetto più vicino in un cono: una gamba del tavolo di lato può attivarlo.
• Bersagli morbidi e inclinati ingannano. Schiuma, tessuto o un muro con un angolo ripido disperdono l’eco lontano dal ricevitore, quindi il sensore legge «lontano» o nulla. Funziona meglio con superfici piatte e rigide rivolte verso di sé.
• Non interrogare troppo rapidamente. Lascia ~60 ms tra una lettura e l’altra, così l’eco precedente si estingue; un ping più rapido può generare eco parassite e letture false. Filtrare il flusso aiuta: consulta come domare il rumore dei sensori.

Piedinatura

I quattro pin sono sempre in quest’ordine e il modulo è quasi sempre orientato con i pin rivolti nella direzione opposta ai trasduttori, quindi VCC si trova a sinistra mentre guardi gli “occhi”.

Collegamento a un Arduino

Il problema dei 3.3 V

Il pin Echo emette un segnale pieno a 5 V, mentre un GPIO di ESP32 o Raspberry Pi è progettato per 3.3 V. Applicare 5 V supera il limite assoluto massimo e, anche se spesso sopravvive per un po’, danneggia realmente il pin. Lo risolvono due resistori:

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

Questo partitore dà 5 V × 2/(1+2) = 3.33 V. Funziona qualsiasi rapporto vicino a 2:1: 1 kΩ e 2 kΩ, oppure 10 kΩ e 20 kΩ. Non usare valori superiori a circa 20 kΩ, altrimenti la capacità di ingresso del pin rallenta abbastanza il fronte da distorcere i tempi che stai misurando.

L’aritmetica della distanza e dove va storta

distance = (echo_microseconds x speed_of_sound) / 2

A 20 °C il suono viaggia a 343 m/s, cioè 0.0343 cm/µs. Da qui deriva la costante che tutti usano: dividi il tempo dell’eco per 58.2 per ottenere i centimetri.

La velocità del suono dipende dalla temperatura, all’incirca:

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

A 2 m si tratta di circa 7 cm in un garage d’inverno rispetto a una stanza calda. Per evitare ostacoli è irrilevante. Per qualsiasi misurazione di un varco, compensa; e se sul robot hai un MPU-6050 o quasi qualsiasi sensore I²C, hai già una lettura della temperatura.

Codice minimo funzionante

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);
}

Tre dettagli fanno la differenza tra un sensore che funziona e uno che non funziona:

Il timeout non è facoltativo. pulseIn senza timeout blocca finché non arriva un’eco e su una superficie morbida o inclinata questa non arriva mai. Il robot sembra bloccarsi a intervalli casuali e la causa sembra qualsiasi cosa tranne il sensore.

Zero non è una distanza. Un timeout significa «non è tornato nulla», il che di solito significa che l’oggetto più vicino è lontano o invisibile, non a distanza zero. Il codice che tratta un timeout come 0 cm si arresterà d’emergenza in una stanza vuota.

La mediana di tre misure scarta la singola lettura anomala che questi sensori producono regolarmente. Un valore spurio di 20 cm in uno spazio aperto basta a far deviare un robot contro un muro.

Il fascio in pratica

La specifica indica 15°, apparentemente come un fascio stretto di una torcia. Non è così: è il semiangolo del lobo principale e la conseguenza pratica è che a 1 m il sensore ascolta un cono largo circa 50 cm.

Il sensore riporta l’oggetto più vicino in qualsiasi punto di quel cono e non indica dove si trovi all’interno. Ecco perché HC-SR04 rileva un telaio di porta che non riesce a localizzare e perché una gamba del tavolo ben di lato provoca un arresto.

Per muoversi in una stanza è un vantaggio, perché è molto difficile mancare un ostacolo. Per misurare la distanza da un oggetto specifico è invece inaccettabile: serve un VL53L0X.

Che cosa non può vedere

Sono limiti della fisica, non difetti, e progettare di conseguenza è il tuo lavoro:

Un robot che dipende solo dalla misura ultrasonora spingerà prima o poi una tenda finché qualcosa non cede. Ecco perché un interruttore di urto è l’elemento di affidabilità più economico dell’intero robot.

Risoluzione dei problemi

HC-SR04 o VL53L0X?

Falliscono su materiali opposti, ed è questo che rende facile la scelta una volta che conosci l’ambiente. Il sonar vede una scatola nera avvolta in tessuto che il laser non vede; il laser vede una porta di vetro a un angolo che il sonar non vede. Su un robot che deve essere affidabile, la risposta onesta è spesso entrambi, più un interruttore di urto per quando sbagliano entrambi.