Raspberry Pi 筆記(15)：超音波測距離

看到機器小車上大多會裝上一個超音波測距模組，看起來像是兩個眼睛，引發我的好奇，如何能利用超音波來測距離呢？於是網購買了幾個套件，利用上班空閒之餘來研究一下這幾個模組的特性。以下是超音波模組含溫度補償功能的US-100。
上一篇提到智能小車除了用鍵盤控制方向外，還可以透過距離偵測感應轉彎，避免碰撞前方物體，本篇就來瞭解超音波測距的一些功能及測試結果。

[基礎知識：超音波測距]

超音波測距的方式是發射一個電波，當電波遇到物體反射回來，再被測距儀偵測到反射電波，利用來回時間與音波的速度算出距離，計算公式如下：

距離=(音波發射與接收時間差 * 聲音速度(340M/S))/2;

聲音的速度，在一般空氣中約為每秒340公尺，因來回時間要將距離除以二，才是單程的距離。實際的聲音速度決定於好幾個環境因素，其中一個是溫度，計算時，需將環境因素考慮在內，才能更精確計算距離。

我在網路上購買的是US-100這個型號，根據規格文件，這個模組最遠可測得2公分~4.5公尺， 輸入電壓大約 2.4V ~ 5.5V，其偵測廣度大約是15度。這個模組具有溫度感測，距離值已經溫度調校，無需再根據環境溫度對超音波聲速進行校正。

在這個模組背面有一個Jumper，來控制兩種模式：

• open：將Jumper拔起來，此時為GPIO 模式(電位觸發模式)
• short：將Jumper 套上，此時設定為UART串列通訊模式

US-100有五個pin腳，說明如下：

• VCC：接電源（範圍2.4V~5.5V）。
• Trig/TX：UART 模式下，接外部電路UART 的TX 端；為GPIO模式時，為訊號發送端 Trigger。
• Echo/RX：UART 模式下，接外部電路UART 的RX 端；為GPIO模式時，為訊號接收端 Echo 。
• GND：接地，沒有使用。
• GND：電路接地。

工作方式：
透過Trig接腳發出一個10us（10^-6 秒）以上的高電位，此時等待Echo高電平輸出，一旦有輸出就可以開始計時，此時模組會發送8個40khz的方波，並開始自動檢測是否有返回信號；當偵測到反射訊號時，此時Echo接腳變為低電位。計算持續高電位的時間，也就是這次測距的時間。如果加上迴圈，就可以一直偵測前方移動物體的距離。

[材料]

• Raspberry Pi 主板 x1
• US-100超音波模組 x1
• 連接線  x4

[線路連接與電路圖]（圖片以HC-SR04替代）

• US-100 VCC接pin2(+5V)，GND接pin6(GND)
• US-100 Trig/TX接Pin16(GPIO23)，Echo/RX接Pin18(GPIO24)

[程式碼]

import RPi.GPIO as GPIO
import time
trigger_pin = 23
echo_pin = 24

GPIO.setmode(GPIO.BCM)
GPIO.setup(trigger_pin, GPIO.OUT)
GPIO.setup(echo_pin, GPIO.IN)

def send_trigger_pulse():
    GPIO.output(trigger_pin, True)
    time.sleep(0.001)
    GPIO.output(trigger_pin, False)

def wait_for_echo(value, timeout):
    count = timeout
    while GPIO.input(echo_pin) != value and count > 0:
        count = count - 1

def get_distance():
    send_trigger_pulse()
    wait_for_echo(True, 5000)
    start = time.time()
    wait_for_echo(False, 5000)
    finish = time.time()
    pulse_len = finish - start
    distance_cm = pulse_len * 340 *100 /2
    distance_in = distance_cm / 2.5
    return (distance_cm, distance_in)

while True:
    print("cm=%f\tinches=%f" % get_distance())
    time.sleep(1)

[測試結果]

我在超音波偵測頭前放一把尺，然後在刻度位置放置一個物體，程式回報測得的數據跟尺的刻度非常接近，誤差不到一公分，以物體感應來說，算是相當準確。

[參考資料]

• Arduino 超音波測距機設計與製作（作者：曹永忠、許智誠、蔡英德）
• Raspberry Pi Cookbook