如何測(cè)量?jī)蓚€(gè)超聲波傳感器之間的距離

超聲波傳感器（HC-SR04）通常用于查找物體與一個(gè)特定點(diǎn)的距離。使用Arduino執(zhí)行此操作相當(dāng)容易，并且代碼也非常簡(jiǎn)單。但是在本文中，我們將嘗試使用這些流行的HC-SR04傳感器進(jìn)行一些不同的事情。我們將嘗試計(jì)算兩個(gè)超聲波傳感器之間的距離，也就是說(shuō)，我們將使一個(gè)傳感器充當(dāng)發(fā)射器，另一個(gè)傳感器充當(dāng)接收器。通過(guò)這樣做，我們可以使用許多超聲波接收器跟蹤一個(gè)發(fā)射器的位置，這種跟蹤稱(chēng)為三角測(cè)量，可用于自動(dòng)對(duì)接機(jī)器人行李跟隨器和其他類(lèi)似應(yīng)用。找到兩個(gè)美國(guó)傳感器之間的距離聽(tīng)起來(lái)可能是一項(xiàng)相當(dāng)簡(jiǎn)單的任務(wù)，但我遇到了一些挑戰(zhàn)，這些挑戰(zhàn)在本項(xiàng)目中進(jìn)行了討論。

本文中討論的技術(shù)不太準(zhǔn)確，如果不進(jìn)行修改，在任何實(shí)際系統(tǒng)中可能都沒(méi)有用。在本文檔期間，我沒(méi)有發(fā)現(xiàn)有人獲得與我一樣接近的結(jié)果，所以我剛剛分享了我如何讓它工作的觀點(diǎn)，以便正在嘗試這個(gè)的人不需要重新發(fā)明輪子。

所需材料：

Arduino （2Nos） – 任何型號(hào)

HCSR04 模塊 （2 個(gè)）

電路圖：

即使我們要使一個(gè)美國(guó)（超聲波）傳感器用作發(fā)射器，另一個(gè)用作接收器，也必須將傳感器的所有四個(gè)引腳與Arduino連接。我們?yōu)槭裁匆@樣做？稍后將討論更多內(nèi)容，但現(xiàn)在電路圖如下

如您所見(jiàn)，發(fā)射器和接收器的電路圖都是相同的。

HC-SR04模塊的實(shí)際工作原理：

在我們繼續(xù)之前，讓我們了解 HC-SR04 傳感器的工作原理。下面的時(shí)序圖將幫助我們了解工作。

傳感器有兩個(gè)引腳觸發(fā)和回波，用于測(cè)量距離，如時(shí)序圖所示。首先要啟動(dòng)測(cè)量，我們應(yīng)該從發(fā)射器發(fā)送超聲波，這可以通過(guò)將觸發(fā)引腳設(shè)置為高電平 10uS 來(lái)完成。一旦完成，發(fā)射器引腳將發(fā)送 8 次美式波聲波。這個(gè)美國(guó)波將擊中物體反彈并被接收器接收。

這里的時(shí)序圖顯示，一旦接收器接收到波，它將使Echo引腳在一段時(shí)間內(nèi)變?yōu)楦唠娖?，該持續(xù)時(shí)間等于波從美國(guó)傳感器傳播并返回傳感器所需的時(shí)間。這個(gè)時(shí)序圖似乎不是真的。

我覆蓋了傳感器的Tx（發(fā)射器）部分，并檢查了回波脈沖是否變高，是的，它確實(shí)變高了。這意味著回波脈沖不會(huì)等待美國(guó)（超聲波）被它接收。一旦它傳播了美國(guó)波，它就會(huì)走高并保持高位，直到波浪回來(lái)。所以正確的時(shí)序圖應(yīng)該是如下所示的（對(duì)不起，我的寫(xiě)作技巧很差）

使您的 HC-SR04 僅用作變送器：

使HC-SR04僅用作變送器非常簡(jiǎn)單。如時(shí)序圖所示，您必須將觸發(fā)引腳聲明為輸出引腳，并使其保持高電平 10 微秒。這將引發(fā)超聲波爆發(fā)。因此，每當(dāng)我們想要傳輸波時(shí)，我們只需要控制發(fā)射器傳感器的觸發(fā)引腳，下面給出了代碼。

使您的 HC-SR04 僅用作接收器：

如時(shí)序圖所示，我們無(wú)法控制Echo引腳的上升，因?yàn)樗c觸發(fā)引腳有關(guān)。因此，我們不可能使HC-SR04僅作為接收器工作。但是我們可以使用黑客，只需用膠帶覆蓋傳感器的發(fā)射器部分（如下圖所示）或蓋上美國(guó)波無(wú)法逃逸到其發(fā)射器外殼之外，并且回聲引腳不會(huì)受到此美國(guó)波的影響。

現(xiàn)在要使回聲引腳變高，我們只需要將這個(gè)虛擬觸發(fā)引腳拉高 10 微秒。一旦此接收器傳感器獲得發(fā)射器傳感器傳輸?shù)拿绹?guó)波，回波引腳將變?yōu)榈碗娖健?/p>

測(cè)量?jī)蓚€(gè)超聲波傳感器之間的距離 （HC-SR04）：

到目前為止，我們已經(jīng)了解如何使一個(gè)傳感器用作發(fā)射器，另一個(gè)傳感器用作接收器?，F(xiàn)在，我們必須從發(fā)射器傳感器發(fā)射超聲波并使用接收器傳感器接收它，并檢查波從發(fā)射器傳播到接收器所需的時(shí)間聽(tīng)起來(lái)很容易，對(duì)嗎？但可悲的是！，我們這里有一個(gè)問(wèn)題，這是行不通的。

發(fā)射器模塊和接收器模塊相距很遠(yuǎn)，當(dāng)接收器模塊從發(fā)射器模塊接收到美國(guó)波時(shí)，它不會(huì)知道發(fā)射器何時(shí)發(fā)送此特定波。如果不知道開(kāi)始時(shí)間，我們就無(wú)法計(jì)算所花費(fèi)的時(shí)間，從而無(wú)法計(jì)算距離。為了解決這個(gè)問(wèn)題，當(dāng)發(fā)射器模塊傳輸美國(guó)波時(shí)，必須使接收器模塊的回波脈沖精確地變高。換句話說(shuō)，發(fā)射器模塊和接收器模塊應(yīng)該同時(shí)觸發(fā)。這可以通過(guò)以下方法實(shí)現(xiàn)。

在上圖中，Tx 表示發(fā)射器傳感器，Rx 表示接收器傳感器。如圖所示，發(fā)射器傳感器將以周期性的已知延遲傳輸美國(guó)波，這就是它所要做的。

在接收器傳感器中，我們必須以某種方式使觸發(fā)引腳在發(fā)射器引腳變高時(shí)準(zhǔn)確變高。因此，最初我們隨機(jī)使接收器觸發(fā)器變?yōu)楦唠娖?，該觸發(fā)器將保持高電平，直到回聲引腳變低。該回波引腳僅在接收到來(lái)自發(fā)射器的 US 波時(shí)才會(huì)變低。因此，一旦它變低，我們就可以假設(shè)發(fā)射器傳感器剛剛被觸發(fā)?，F(xiàn)在，有了這個(gè)假設(shè)，一旦回波變低，我們就可以等待已知的延遲，然后觸發(fā)接收器觸發(fā)。這將部分同步發(fā)射器和接收器的觸發(fā)器，因此您可以使用 pulseIn（） 讀取即時(shí)回波脈沖持續(xù)時(shí)間并計(jì)算距離。

變送器傳感器程序：
變送器模塊的完整程序可以在頁(yè)面底部找到。它只定期觸發(fā)變送器傳感器。

digitalWrite(trigPin, HIGH);
delayMicroseconds(10);
digitalWrite(trigPin, LOW);
要觸發(fā)傳感器，我們必須使觸發(fā)引腳保持高電平 10uS。執(zhí)行相同操作的代碼如上所示

接收器傳感器程序：
在接收器傳感器中，我們覆蓋了傳感器的發(fā)射器眼，使其成為假人，如前所述?，F(xiàn)在我們可以使用上面提到的技術(shù)來(lái)測(cè)量?jī)蓚€(gè)傳感器之間的距離。本頁(yè)底部給出了完整的程序。下面解釋幾個(gè)重要的行

Trigger_US();
while (digitalRead(echoPin)==HIGH);
delayMicroseconds (10);
Trigger_US();
duration = pulseIn(echoPin, HIGH);
最初，我們使用函數(shù) Trigger_US（） 觸發(fā)美國(guó)傳感器，然后使用 while 循環(huán)等到回波引腳保持高電平。一旦它變低，我們等待預(yù)先確定的持續(xù)時(shí)間，這個(gè)持續(xù)時(shí)間應(yīng)該在 10 到 30 微秒之間，這可以通過(guò)反復(fù)試驗(yàn)來(lái)確定（或者您可以使用下面給出的即興想法）。在此延遲之后，使用相同的函數(shù)再次觸發(fā) US，然后使用 pulseIn（） 函數(shù)計(jì)算波的持續(xù)時(shí)間。

現(xiàn)在使用相同的舊公式，我們可以計(jì)算距離，如下所示

distance= duration*0.034;

加工：

按照程序中的說(shuō)明進(jìn)行連接。如圖所示，蓋住接收器傳感器的 Tx 部分。然后將下面給出的發(fā)射器代碼和接收器代碼分別上傳到發(fā)射器和接收器Arduino。打開(kāi)接收器模塊的串行監(jiān)視器，您應(yīng)該注意到顯示的兩個(gè)模塊之間的距離，如下面的視頻所示。

注意：此方法只是一種意識(shí)形態(tài)，可能不準(zhǔn)確或不令人滿(mǎn)意。但是，您可以嘗試下面的即興想法以獲得更好的結(jié)果。

即興創(chuàng)意 – 使用已知距離校準(zhǔn)傳感器：

到目前為止奇怪地解釋的方法似乎令人滿(mǎn)意，但對(duì)于我的項(xiàng)目來(lái)說(shuō)已經(jīng)足夠了。但是，我也想分享這種方法的缺點(diǎn)以及克服它們的方法。這種方法的一個(gè)主要缺點(diǎn)是，我們假設(shè)接收器的回波引腳在發(fā)射器傳感器傳輸美國(guó)波后立即下降，這是不正確的，因?yàn)椴ㄔ诎l(fā)射器之間傳播需要一些時(shí)間。因此，發(fā)射器的觸發(fā)器和接收器的觸發(fā)器不會(huì)完全同步。

為了克服這個(gè)問(wèn)題，我們可以首先使用已知距離來(lái)校準(zhǔn)傳感器。如果距離已知，我們將知道美國(guó)波從發(fā)射器到達(dá)接收器所需的時(shí)間。讓我們將這個(gè)時(shí)間保留為 Del（D），如下所示。

現(xiàn)在我們將確切地知道在多長(zhǎng)時(shí)間后我們應(yīng)該使接收器的觸發(fā)引腳變高才能與發(fā)射器的觸發(fā)器同步。此持續(xù)時(shí)間可以通過(guò)已知延遲 （t） – Del（D） 計(jì)算。由于時(shí)間限制，我無(wú)法測(cè)試這個(gè)想法，所以我不確定它有多準(zhǔn)確。因此，如果您碰巧嘗試，請(qǐng)通過(guò)評(píng)論部分讓我知道結(jié)果。

接收器部分的編程代碼

const int trigPin = 9;
const int echoPin = 10;
// defines variables
long duration;
int distance, Pdistance;
void setup() {
pinMode(trigPin, OUTPUT); // Sets the trigPin as an Output
pinMode(echoPin, INPUT); // Sets the echoPin as an Input
Serial.begin(9600); // Starts the serial communication
}
void loop() {
Pdistance=distance;
Calc();
distance= duration*0.034;
if (Pdistance==distance || Pdistance==distance+1 || Pdistance==distance-1 )
{
Serial.print("Measured Distance: ");
Serial.println(distance/2);
}
//Serial.print("Distance: ");
//Serial.println(distance/2);
delay(500);
}
void Calc()
{
duration=0;
Trigger_US();
while (digitalRead(echoPin)==HIGH);
delay(2);
Trigger_US();
duration = pulseIn(echoPin, HIGH);
}
void Trigger_US()
{
// Fake trigger the US sensor
digitalWrite(trigPin, HIGH);
delayMicroseconds(10);
digitalWrite(trigPin, LOW);
}

變送器部分的編程代碼

// defines pins numbers
const int trigPin = 9;
const int echoPin = 10;
// defines variables
long duration;
int distance;
void setup() {
pinMode(trigPin, OUTPUT); // Sets the trigPin as an Output
pinMode(echoPin, INPUT); // Sets the echoPin as an Input
Serial.begin(9600); // Starts the serial communication
}
void loop() {
// Sets the trigPin on HIGH state for 10 micro seconds
digitalWrite(trigPin, HIGH);
delayMicroseconds(10);
digitalWrite(trigPin, LOW);
delay(2);
}

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