На протяжении тысячелетий люди усовершенствовали орудия труда, изучали силы природы и подчиняли их себе, использовали их энергию для работы машин, а в прошлом веке создали машины, которые могут управлять другими машинами. Теперь создание устройств, которые взаимодействуют с физическим миром, доступно даже школьнику. Наш курс состоит из серии практических задач про создание вещей, которые работают сами: изучают мир, принимают решения и действуют – двигаются, обмениваются данными друг с другом и с человеком, управляют другими устройствами. Мы покажем, как собирать эти устройства и программировать их, используя в качестве основы платформу Arduino. Пройдя этот курс, вы сможете создавать устройства, которые считывают данные о внешнем мире с разнообразных датчиков, обрабатывают информацию, получают и отправляют данные на ПК, в Интернет, на мобильные устройства, управляют индикацией и движением. Создание устройств будет включать проектирование, изучение компонентов, сборку схем, написание программ, диагностику. Попутно с созданием самих устройств вы сделаете визуализацию на ПК, создадите веб-страницу, которую будет демонстрировать одно из ваших устройств, а также разберетесь с устройством и работой FDM 3D-принтера. Помимо тех, кто увлекается робототехникой или стремится расширить кругозор и свои навыки, курс будет полезен всем, кто сталкивается с задачами бытовой и производственной автоматизации, а также занимается промышленным дизайном, рекламой и искусством. Курс не требует специальных знаний у слушателей, доступен даже ученикам старших классов средней школы. Плюсом будут навыки программирования и владение английским языком на уровне чтения технической документации, однако обязательным это не является. Весь курс посвящен практике и самым лучшим решением для вас будет раздобыть электронику, повторять показанные примеры и экспериментировать самостоятельно. Приобрести комплекты можно здесь – shop.cyberphysica.ru
3.9. Измерение расстояния ультразвуком
Loading...
来自 Moscow Institute of Physics and Technology 的课程
Строим роботов и другие устройства на Arduino. От светофора до 3D-принтера
540 个评分
Moscow Institute of Physics and Technology
540 个评分
从本节课中
Цель обнаружена
На этой неделе вы научитесь ощупывать пространство дальномерами, делать визуализацию на компьютере, существенно дополните свои возможности в программировании и наконец-то сделаете устройство с движущимися частями.
与讲师见面
Алексей ПерепелкинРуководитель направления развития цифрового творчества
Центр инновационных образовательных технологий МФТИ
Дмитрий СавицкийНаучный сотрудник
Лаборатория инновационных образовательных технологий МФТИ
Что делать, если мы захотим измерить большее расстояние,
чем позволяет диапазон нашего инфракрасного дальномера?
Напомню, что там он может увидеть препятствия на расстоянии от 10 до 80 см.
Ну одно решение — это взять дальномер с другим диапазоном.
Например, бывают инфракрасные дальномеры с диапазоном 20‐150 см.
Но и это не всегда нас спасет,
поэтому теперь мы познакомимся с ультразвуковым дальномером.
В чем заключается принцип его работы?
Как и инфракрасный дальномер, он что-то излучает и что-то принимает,
но на этот раз он излучает высокочастотный звук 40 кГц.
Примерно таким же образом, например, ориентируются летучие мыши.
Мы своим ухом такой звук услышать не можем,
однако приемник дальномера его воспринимает.
И поскольку скорость звука нам известна,
мы по времени возвращения этого импульса можем понять, от какого предмета...
от предмета на каком расстоянии эта акустическая волна отразилась,
и вычислить, соответственно, расстояние.
Как мы его будем подключать?
У него есть 4 пина, которые подписаны прямо на нем: это
VCC (питание), TRIG, ECHO и GND (земля).
Что это за пины TRIG и ECHO?
На пин TRIG мы отправляем импульс,
который заставляет дальномер отправить свою акустическую волну,
а с пина ECHO мы считываем импульс определенной длины,
пропорциональной расстоянию до препятствия.
Давайте мы его подключим и посмотрим, как это работает.
Зеленый провод «папа-мама» у меня подключен к земле.
Красный провод к 5 вольтам, то есть питание.
TRIG я подключу к 7-му пину,
а ECHO — к 8-му.
Здесь я
хочу обратить ваше внимание на то, что если бы у вас были провода «мама-мама»,
вы точно так же могли бы использовать вот эти вот тройные пины Troyka Shield,
потому что линии земля или питание
равноценны стандартным пинам Arduino 5 вольт и земля.
Можно было бы точно так же подключить к любым из них,
даже не используя сигнальный канал, потому что питание там всегда есть.
Теперь мы посмотрим на скетч,
с помощью которого мы будем считывать этот дальномер.
Давайте посмотрим.
Как всегда, вначале я определяю пины: ECHO_PIN — 8-й,
в соответствии с тем, как я подключил, и TRIG — 7-й.
Не забываем указывать направление их работы.
С ECHO_PIN мы будем получать импульс.
Он будет INPUT.
На TRIG_PIN мы импульс будем отправлять, поэтому он будет OUTPUT.
Ну и отправлять данные мы будем в последовательный порт.
Установим для этого соединение.
Затем, как я говорил, для того чтобы дальномер отправил свой импульс,
мы отправляем на пин TRIG короткий
импульс-строб, HIGH и сразу LOW.
После чего в переменную distance мы будем сохранять значение расстояния.
Но чтобы его получить, мы воспользуемся еще одной встроенной
функцией Arduino, которая называется pulseIn.
Она позволяет измерить длительность импульса на цифровом входе.
Мы указываем ей пин, с которым работаем (это ECHO_PIN в нашем случае),
а также уровень, который мы ожидаем (в нашем случае HIGH).
Она нам вернет количество микросекунд, соответствующее длительности импульса.
Обращу ваше внимание, что микросекунд, а не миллисекунд,
с которыми мы работали раньше.
То есть дальномер нам будет отправлять высокий уровень сигнала на
цифровой вход, и его длительность пропорциональна расстоянию.
Чтобы перевести ее — длительность импульса — в сантиметры,
нужно ее поделить на какую-то константу.
Я использую 50.
На самом деле, можно экспериментально подобрать точнее.
Некоторые считают, что 54 подходит лучше.
Хотя, конечно, скорость звука в разных средах может немножко
отличаться — зависит от температуры воздуха и так далее.
Но 50 – это близкое к правде значение.
Итого, длительность импульса в микросекундах будет делиться на 50 и
сохраняться в переменную distance, которую мы отправляем в последовательный порт.
Теперь давайте это загрузим и посмотрим, что получится.
[СИГНАЛ] Мы видим,
что есть какое-то препятствие на расстоянии чуть больше метра.
Но я поднесу руку поближе, и вот здесь мы уже видим 13 см, 9 см.
Вы, наверное, обращаете внимание,
что иногда проскакивают какие-то большие значения.
Это тоже своего рода шум, хотя датчик у нас цифровой.
Но это шум, не связанный с наводками на провода, а с тем, что, например,
не вернулся отправленный импульс, и там приходит стандартное ошибочное значение.
Сейчас чуть позже мы научимся с этим бороться.
Ну отлично!
Мы видим, что расстояние он измеряет довольно стабильно
и диапазон его работы заявлен, насколько я помню,
до 5-ти метров, но до 3-х метров он работает точно неплохо.
Давайте теперь мы преобразуем нашу функцию measure под работу с
ультразвуковым дальномером.
Я взял скетч, с которым только что мы работали, и вновь создал в нем функцию
measure, в которую просто-напросто вынес те 3 строчки, которые
отвечают за отправку импульса на TRIG и считывание длительности сигнала на ECHO.
Обратите внимание на то,
что я здесь не передаю в функцию никакие параметры.
Эти макроопределения так и зашиты в начале программы.
Возможно, это не самый корректный способ, но я хотел вам подчеркнуть,
что если даже ваша функция не принимает никаких параметров,
мы все равно используем при определении ее и при вызове 2 скобки, пустые.
Вызываем мы ее сразу в Serial.println точно так же с пустыми скобками.
Теперь я хочу еще один момент подчеркнуть.
Обратите внимание,
что здесь я в pulseIn добавил третий параметр — вот этот вот 15000.
Что это такое?
Это третий необязательный параметр у этой стандартной функции.
Он обозначает timeout, то есть время ожидания вот этого импульса.
Соответственно, если в течение 15000 микросекунд не
поступит импульса, то pulseIn просто вернет в ноль.
Для чего это сделано?
Во-первых, стандартное время ожидания у него секунда.
И если по каким-то причинам измерение не удалось,
то есть дальномер не получил обратно свой акустический сигнал,
мы целую секунду прождем, и ничего не будет происходить.
При этом мы понимаем, что дальномер эффективно работает в диапазоне, там,
3 метра.
И, соответственно, 15000 микросекунд – это как раз та длительность импульса,
которая соответствует 3-м метрам при нашей константе 50
микросекунд на 1 сантиметр.
Можно таким образом подстраховаться от длительного ожидания.
Но здесь возникает еще один момент.
Во-первых, мы с вами видели, что при отсутствии ответного сигнала мы
можем получить с дальномера большое значение,
которое в каких-то наших вычислениях может испортить всю картину.
Мы ожидаем значение в диапазоне, например, 50-150, а к нам приходит 3000.
Нехорошо.
А во-вторых, когда мы стали использовать третий параметр timeout,
у нас может получиться значение 0, что тоже в каком-то
случае может оказаться вообще плохо, если мы делим что-то, например, на расстояние.
Поэтому здесь мы воспользуемся еще одной полезной встроенной функцией среды
Arduino — constrain.
Она предназначена для того,
чтобы загнать значение какой-то переменной в определенный диапазон.
То есть она возвращает то,
что находится в переменной distance, если оно попадает в указанный диапазон.
В моем случае, от 1 до 300.
Если же значение выходит за пределы этого диапазона,
то оно насильно приводится к значению 1, если оно было меньше единицы,
и к значению 300, если оно было больше 300.
Таким образом, мы можем быть уверены, что функция measure вернет
нам значение от 1 до 300, и никаких нулей и 3000,
которые могут почему-то получиться, мы от нее не увидим.
Часто constrain используется в паре с известной нам функцией map,
которая приводит число из одного диапазона в другой диапазон.
Дело в том, что если число, с которым работает map,
не попало в указанный входящий диапазон, оно все равно будет пропорционально
преобразовано согласно указанному выходному диапазону.
Это также может приводить к нежелательным результатам вычислений,
поэтому часто бывает полезно перед тем как отдать число в map,
провести над ним constrain, то есть быть уверенным в том,
что значение будет в указанном диапазоне.
Сейчас я хочу еще раз акцентировать ваше внимание на то, как вы выбираете датчик.
Сегодня мы уже познакомились с инфракрасным и ультразвуковым
дальномерами, и у каждого из них есть свои плюсы и минусы.
Например, с инфракрасным дальномером проще работать — мы
просто считываем аналоговый сигнал.
С другой стороны, чтобы получить из него расстояние в метрических единицах,
нужно провести какие-то преобразования.
Ультразвуковой дальномер имеет больший рабочий диапазон.
У инфракрасного дальномера есть риск получения наводок на сам провод,
которым он подключен к контроллеру.
Еще следует учитывать такой параметр как диаграмма направленности.
То есть препятствие может находиться непосредственно перед датчиком,
а может быть, например, чуть правее или левее него,
но все равно засекаться им как препятствие, находящееся перед ним.
Это особенно заметно при работе с ультразвуковым дальномером.
И, как всегда, желательно посмотреть документацию, но еще лучше эмпирически
убедиться в том, каким образом он работает с вашими препятствиями в ваших условиях.
Еще что важно?
Полезно понимать принцип работы каждого датчика.
Например, инфракрасный дальномер будет немного по-разному
работать со светопоглащающими и светоотражающими поверхностями,
потому что в основе его работы лежит инфракрасное излучение.
В случае с ультразвуковым дальномером нужно учитывать,
что мы имеем дело со звуком.
То есть с одной стороны, это может нам быть полезно.
Мы, например, можем измерить расстояние до стекла, через которое свет проходит.
Мы можем измерить расстояние, например, до воды,
но если мы хотим измерить расстояние до кота,
например, то мы имеем большой риск получения странных данных,
потому что кот лучше поглощает акустические волны, чем, например, стена.
И поэтому что-то может не вернуться в дальномер.
Когда мы работаем с ультразвуковым дальномером, большую роль играет то,
как расположено препятствие.
Например, если перед дальномером какое-то препятствие стоит под острым углом,
с большой вероятностью мы его не заметим с помощью дальномера
из-за особенностей отражения и переотражения акустической волны.
Так или иначе, задумывайтесь о том, в какой среде,
с какими препятствиями вы собираетесь работать и выбирайте датчик осмысленно.
То же самое касается, естественно, работы с любыми другими датчиками.
