Ультразвуковой датчик HC-SR04

Что это такое

HC-SR04 — ультразвуковой датчик расстояния: небольшая плата с двумя серебристыми цилиндрами, похожими на глаза робота. Он измеряет расстояние так же, как летучая мышь или подводная лодка: излучает пакет слишком высокого для слуха звука, слушает эхо и измеряет время пути туда и обратно. За несколько долларов он даёт роботу представление о пространстве перед ним, поэтому является стандартным датчиком первого робота, объезжающего препятствия.

Два цилиндра — передатчик и приёмник. Один посылает сигнал, другой слушает. Всё остальное на плате — схема измерения времени, превращающая эхо в сигнал, который может измерить микроконтроллер.

Как это работает

Датчик использует простой протокол из двух проводов:

1. Подайте на вывод Trigger высокий уровень на 10 микросекунд.
2. Датчик посылает восемь ультразвуковых импульсов частотой 40 kHz и устанавливает высокий уровень на выводе Echo.
3. Когда эхо вернётся, датчик снова переводит Echo на низкий уровень.
4. Измерьте время, в течение которого Echo оставался высоким.

Ширина импульса и есть время пути туда и обратно. Звук распространяется в воздухе со скоростью около 343 m/s, поэтому distance = (echo_time × 343) / 2; деление на два нужно потому, что звук прошёл туда и обратно. Большинство программ Arduino реализуют это через pulseIn() и несколько арифметических операций.

Поскольку результат зависит от скорости звука, показания немного изменяются с температурой: в тёплом воздухе звук распространяется быстрее. Для робота, объезжающего стены, эта ошибка несущественна; при точном измерении её необходимо компенсировать.

Когда его следует использовать

Выбирайте HC-SR04, когда роботу нужно примерно понять, насколько далеко находится ближайший объект: для объезда препятствий, следования вдоль стены, защиты «не съехать со стола» или запуска поведения при приближении чего-либо. Широкий луч здесь даже полезен: препятствие трудно пропустить.

Выбирайте другое решение, когда требуется точное расстояние, узкий луч или быстрое обновление. Датчик времени пролёта использует свет вместо звука и даёт узкое, быстрое измерение с точностью до миллиметра; он лучше подходит для построения карты или оценки конкретного промежутка.

Подключение и важные нюансы

• Echo — вывод 5 V. На плате 5 V, например Arduino Uno, это допустимо. На плате 3.3 V, например ESP32, установите на Echo делитель напряжения, иначе можете повредить вывод.
• Учитывайте слепую зону и конус. Ничто ближе ~2 cm не регистрируется, а луч ~15° означает, что датчик сообщает о ближайшем объекте в конусе: боковая ножка стола может вызвать срабатывание.
• Мягкие и наклонные поверхности обманывают. Пена, ткань или стена под крутым углом рассеивают эхо в сторону от приёмника, поэтому датчик показывает «далеко» или ничего. Лучше всего он работает с ровными твёрдыми поверхностями, направленными к нему.
• Не опрашивайте слишком часто. Оставляйте ~60 ms между измерениями, чтобы предыдущее эхо затухло; при более частых запросах блуждающие отражения дают ложные показания. Фильтрация потока также помогает — см. подавление шума датчиков.

Расположение выводов

Четыре вывода всегда расположены в таком порядке, а модуль почти всегда ориентирован выводами от излучателя, поэтому при взгляде на «глаза» VCC находится слева.

Подключение к Arduino

Проблема 3.3 V

Вывод Echo выдаёт полные 5 V, а выводы GPIO ESP32 или Raspberry Pi рассчитаны на 3.3 V. Подача 5 V превышает абсолютный максимум и действительно повреждает вывод, хотя часто он какое-то время работает. Исправляют это два резистора:

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

Делитель даёт 5 V × 2/(1+2) = 3.33 V. Подойдёт любое отношение около 2:1 — 1 kΩ и 2 kΩ либо 10 kΩ и 20 kΩ. Не используйте значения выше примерно 20 kΩ, иначе входная ёмкость вывода настолько замедлит фронт, что исказит измеряемое время.

Расчёт расстояния и источники ошибок

distance = (echo_microseconds x speed_of_sound) / 2

При 20 °C звук распространяется со скоростью 343 m/s, то есть 0.0343 cm/µs. Отсюда получается постоянная, которую используют все: разделите время эхо на 58.2, чтобы получить сантиметры.

Скорость звука зависит от температуры, примерно:

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

На расстоянии 2 m зимой в гараже это около 7 cm по сравнению с тёплой комнатой. Для объезда препятствий ошибка несущественна. При измерении промежутка её следует компенсировать; если на роботе есть MPU-6050 или почти любой датчик I²C, показание температуры у вас уже есть.

Минимальный рабочий код

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);
}

Три детали отличают работающий датчик от неработающего.

Тайм-аут обязателен. pulseIn без тайм-аута блокирует выполнение до прихода эхо, которого от мягкой или наклонной поверхности может не быть. Робот выглядит произвольно зависшим, и причина кажется не связанной с датчиком.

Ноль — не расстояние. Тайм-аут означает «ничего не вернулось», то есть ближайший объект обычно далеко или невидим, а не имеет нулевого значения. Если считать тайм-аут равным 0 cm, робот включит аварийную остановку в пустой комнате.

Медиана трёх измерений отбрасывает единичное аномальное значение, которое такие датчики регулярно выдают. Одно ложное значение 20 cm в открытом пространстве способно заставить робота резко свернуть в стену.

Честная оценка диаграммы направленности

В характеристиках указано 15°, что звучит как узкий луч фонаря, но это не так: это полуугол основного лепестка, и практическое следствие состоит в том, что на расстоянии 1 m датчик слушает конус шириной примерно 50 cm.

Датчик сообщает о ближайшем объекте в любом месте конуса и никак не указывает, где именно внутри он находится. Поэтому HC-SR04 может обнаружить дверной проём, но не определить его положение, а ножка стола сбоку вызывает остановку.

При перемещении по комнате это преимущество: очень трудно пропустить препятствие. Для измерения расстояния до конкретного объекта это неприемлемо, и нужен VL53L0X.

Чего он не может видеть

Это физические ограничения, а не дефекты, и проектирование с их учётом — часть работы:

Робот, полагающийся только на ультразвуковую дальномерию, рано или поздно будет толкать штору, пока что-нибудь не поддастся. Именно поэтому бамперный переключатель является самой дешёвой мерой надёжности на всём роботе.

Диагностика

HC-SR04 или VL53L0X?

Они отказывают на противоположных материалах, поэтому выбор становится простым, если известно помещение. Сонар видит чёрную коробку под тканью, которую не видит лазер; лазер видит стеклянную дверь под углом, которую не видит сонар. Для надёжного робота честный ответ часто звучит так: использовать оба, а когда оба ошибаются — ещё и бамперный переключатель.