Czujnik odległości

Kolejnym moim testem jest ultradźwiękowy czujnik odległości - model HC - SR04.

Dane techniczne:

• Zasilanie: DC 5 V
• Częstotliwość: 40Hz
• Max zasięg: 4m
• Min zasięg: 2cm
• Kąt działania: 15º 
• Wymiary: 45*20*15mm
• Waga: 90 gr

Dokumentacja TUTAJ, koszt takiego urządzenia to około 3 euro. Jak być może widać na rysunku czujnik posiada 4 piny: 5V, OUTPUT, TRIGGER, GND.

Sposób działania:

W stanie nieaktywnym na pinie OUTPUT jest zawsze 0V. Żeby aktywować czujnik (czyli, żeby wygenerowany został impuls ultradźwiękowy - a dokładniej 8 takich impulsów) wysyłany jest sygnał (co najmniej 10us) na port TRIGGER. Na porcie OUTPUT pojawia się wtedy stan wysoki (+5V) i pozostaje on w tym stanie dopóki sygnał ultradźwiękowy nie powróci do czujnika (czyli po odbiciu się od badanego obiektu). Żeby wyznaczyć odległość musimy zmierzyć ten czas, wziąść pod uwagę prędkość dźwięku i podzielić na 2 (bo droga jest do obiektu i z powrotem).
Tu niestety należy zwrócić uwagę na spore ograniczenie tego zestawu - czyli dużą niedokładność mierzenia czasu na RPI/Linuxie... Tak naprawdę powinniśmy zastosować dodatkowy hardware (albo wykorzystać np. Arduino), zapewniający nam dokładniejsze wyliczenia czasu. Dla zainteresowanych szczegółami proponuje poszukać zagadnienia "non realtime os".

OSTRZEŻENIE !

Przy podłączaniu wszelkich kabelków należy zachować ostrożność, gdyż może zakończyć się to uszkodzeniem sprzętu lub uszczerbkiem na zdrowiu. Robisz to na własną odpowiedzialność.

Układ:

Od razu zaznaczę, że tym razem znalazłem gotowe rozwiązanie i niezbyt wysilałem się intelektualnie. Za układ i kod możemy podziękować autorowi tej strony:

http://www.raspberrypi-spy.co.uk/2012/12/ultrasonic-distance-measurement-using-python-part-1/

Jak możemy wyczytać na powyższej stronce - problemem tego czujnika (w przypadku współpracy z Malinką) jest fakt, że pracuje z napięciem 5V. Jak już wiemy (np. STĄD) porty GPIO mogą pracować z napięciem 3.3V, więc musimy wykorzystać prostą sztuczkę z rezystorami.

tak więc układ:

+5V - pin 2 w RPI
GND -  pin 6 w RPI
Trigger - GPIO 23
Echo - rezystor 330 Ω (lub 1K) -> GPIO 24 -> rezystor 470 Ω (lub 1K5) -> GND

Źródło: raspberrypi-spy.co.uk

wartości rezystorów mogą być oczywiście inne - tak jak zaleca autor - muszą spełniać zależność :

R1 < R2 < 2*R1

Przydałoby się jednak kupić kolorowe kabelki ;)

Kod:

kod wrzucam również w oryginale (szacunek dla autora), mimo, że ja go nieco zmodyfikowałem (np. wrzuciłem pętle, żeby odległość sprawdzana była co parę sekund - w ten sposób wygodniej mi było testować ;) ).

#!/usr/bin/python
#+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
#|R|a|s|p|b|e|r|r|y|P|i|-|S|p|y|.|c|o|.|u|k|
#+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
#
# ultrasonic_1.py
# Measure distance using an ultrasonic module
#
# Author : Matt Hawkins
# Date   : 09/01/2013

# Import required Python libraries
import time
import RPi.GPIO as GPIO

# Use BCM GPIO references
# instead of physical pin numbers
GPIO.setmode(GPIO.BCM)

# Define GPIO to use on Pi
GPIO_TRIGGER = 23
GPIO_ECHO = 24

print "Ultrasonic Measurement"

# Set pins as output and input
GPIO.setup(GPIO_TRIGGER,GPIO.OUT)  # Trigger
GPIO.setup(GPIO_ECHO,GPIO.IN)      # Echo

# Set trigger to False (Low)
GPIO.output(GPIO_TRIGGER, False)

# Allow module to settle
time.sleep(0.5)

# Send 10us pulse to trigger
GPIO.output(GPIO_TRIGGER, True)
time.sleep(0.00001)
GPIO.output(GPIO_TRIGGER, False)
start = time.time()

while GPIO.input(GPIO_ECHO)==0:
  start = time.time()

while GPIO.input(GPIO_ECHO)==1:
  stop = time.time()

# Calculate pulse length
elapsed = stop-start

# Distance pulse travelled in that time is time
# multiplied by the speed of sound (cm/s)
distance = elapsed * 34300

# That was the distance there and back so halve the value
distance = distance / 2

print "Distance : %.1f" % distance

# Reset GPIO settings
GPIO.cleanup()

A to mój profesjonalny zestaw do badań skuteczności czujnika ;) czyli pusta przestrzeń, miarka oraz ciemny przedmiot z prostym kształtem. 

Wg moich badań precyzja jest naprawdę dobra. Powtarzalność wyników jest bardzo dobra (nie skacze np o parę centymetrów), dokładność również całkiem niezła. Dla prostych zastosowań zdecydowanie wystarczająca.  

Zbadałem też układ z innymi przedmiotami i wyniki również są obiecujące. Ultradźwięk to jednak dobra opcja.

Podsumowując, mimo swoich ograniczeń czujnik + RPI to ciekawy zestaw. Jeśli w naszym projekcie niezbędna jest duża precyzja to zapewne warto poszukać innego rozwiązania, jeśli możemy przymknąć na to nieco oko - zdecydowanie polecam.

To już chyba mój ostatni czujnik na tą chwilę. Pora się zabrać za jakiś konkretny projekt. Mam pomysł (mam nadzieję, że starczy mi chęci i umiejętności) - ale do jego realizacji jeszcze dłuuuuga droga. W międzyczasie będę starał się wrzucać kolejne posty dotyczące RPI.