Работа с ультразвуковым дальномером

Ультразвуковой дальномер («сонар») — это датчик расстояния, принцип действия которого основан на измерении времени распространения звуковой волны (с частотой около 40 кГц) до препятствия и обратно. Сонар может измерять расстояние до 1,5–3 м с точностью до нескольких сантиметров.

Дальномер HC-SR04

Установка

Дальномер закрепляется к корпусу с помощью двухстороннего скотча. Для получения приемлемых результатов необходимо использование виброразвязки. В качестве виброразвязки можно использовать кусок поролона.

Подключение

Подключите HC-SR04 к Raspberry Pi согласно схеме подключения. Используйте резисторы на 1,0 и 2,2 кОм и любые свободные GPIO-пины, например 23 и 24:

Вместо резистора на 2,2 кОм можно использовать два резистора на 1 кОм, соединенные последовательно.

На Raspberry Pi есть несколько взаимозаменяемых пинов GND и VCC 5V. Используйте распиновку, чтобы найти их.

Чтение данных

Чтобы считать данные с дальномера HC-SR04, используется библиотека для работы с GPIO – pigpio. Эта библиотека предустановлена на образе Клевера, начиная с версии v0.14. Для более старых версий образа используйте инструкцию по установке.

Для работы с pigpio необходимо запустить соответствующий демон:

sudo systemctl start pigpiod.service

Вы также можете включить автоматический запуск pigpiod при старте системы:

sudo systemctl enable pigpiod.service

Таким образом становится возможным взаимодействие с демоном pigpiod из языка Python:

import pigpio
pi = pigpio.pi()

См. подробное описание Python API в документации pigpio.

Пример кода для чтения данных с HC-SR04:

import time
import threading
import pigpio

TRIG = 23  # пин, к которому подключен контакт Trig дальномера
ECHO = 24  # пин, к которому подключен контакт Echo дальномера

pi = pigpio.pi()
done = threading.Event()

def rise(gpio, level, tick):
    global high
    high = tick

def fall(gpio, level, tick):
    global low
    low = tick - high
    done.set()

def read_distance():
    global low
    done.clear()
    pi.gpio_trigger(TRIG, 50, 1)
    if done.wait(timeout=5):
        return low / 58.0 / 100.0

pi.set_mode(TRIG, pigpio.OUTPUT)
pi.set_mode(ECHO, pigpio.INPUT)
pi.callback(ECHO, pigpio.RISING_EDGE, rise)
pi.callback(ECHO, pigpio.FALLING_EDGE, fall)

while True:
    # Читаем дистанцию:
    print(read_distance())

Фильтрация данных

Для фильтрации (сглаживания) данных и удаления выбросов может быть использован фильтр Калмана или более простой медианный фильтр. Пример реализации медианной фильтрации:

import collections
import numpy

# ...

history = collections.deque(maxlen=10)  # 10 - количество сэмплов для усреднения

def read_distance_filtered():
    history.append(read_distance())
    return numpy.median(history)

while True:
    print(read_distance_filtered())

Пример графиков исходных и отфильтрованных данных:

Исходный код ROS-ноды, использовавшейся для построения графика можно найти на Gist.

Дальномер RCW-0001

Ультразвуковой дальномер RCW-0001 совместим с дальномером HC-SR04. Используйте инструкцию выше для подключения и работы с ним.

Полет

Пример полетной программы с использованием simple_offboard, которая заставляет коптер лететь вперед, пока подключенный ультразвуковой дальномер не задетектирует препятствие:

set_velocity(vx=0.5, frame_id='body', auto_arm=True)  # полет вперед со скоростью 0.5 мс

while True:
    if read_distance_filtered() < 1:
        # если препятствие ближе, чем в 1 м, зависаем в точке
        set_position(x=0, y=0, z=0, frame_id='body')
    rospy.sleep(0.1)

Ультразвуковой дальномер