如何使用Arduino測量距離
前言
有沒有想過停車感測器是如何工作的，您的車怎麼知道離撞牆有多遠？肯定見過機器人避開障礙物吧，想知道它們是如何發現障礙物的嗎？這些問題的答案都涉及到短程測距。在這個專案中，我們將使用Arduino UNO結合ROHM測距感測器，測量15cm以內的木制目標的距離。
雖然這個專案看起來很簡單，但是感測器並不能直接給出與目標之間的距離。這時，我們要用到光電電晶體，它根據與目標之間的距離輸出一定的電壓，需要將這個電壓轉換成距離。由於光電電晶體產生的電壓變化與距離不呈線性關係，這個方法的複雜程度增加了。這涉及一種稱為曲線擬合的方法，以從實驗資料中獲得盡可能最接近的方程。透過本專案可學習以下知識：
如何正確給LED供電：
- 如何從光電電晶體讀取感測器輸入
- 如何收集校準資料
- 如何使用MATLAB進行曲線擬合
- 如何對基於Arduino的校準進行程式設計
- 使用Arduino UNO測量距離
概述
在這個DIY專案中，我們將研發一個電路，使用Arduino的數位引腳為測距感測器的LED供電。LED發出的光將從木制目標反射，並被光電電晶體接收，光電電晶體將產生電壓訊號，由Arduino中的類比引腳讀取。由於電壓變化相對於距離變化不呈線性關係，在與目標不同距離處收集的資料將用於使用MATLAB生成控制方程。然後，將透過Arduino在代碼中使用該方程來測量距離。將按照以下順序介紹這個專案：
所需元件
- 電路原理圖
- 設定Arduino IDE
- 校準程式設計
- 使用MATLAB進行曲線擬合
- 最終程式設計
- 測試
所需元件
| 元件 | 連結/圖片 |
| ROHM測距感測器
RPR-220PC30N |
https://www.digikey.com/products/en?keywords=RPR-220PC30N |
| 請注意，我在本文中使用的是射極紅光的RPR-220UC30N，而連結中是射極藍光的替代件RPR-220PC30N，功能是相同的，後者目前更容易買到 | 
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| Arduino UNO R3 | https://www.aliexpress.com/item/32981776049.html
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| USB B資料線 （通常隨Arduino UNO R3一起提供） |
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| 56kΩ和220Ω的電阻 | 
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| 400孔無焊麵包板 | https://www.aliexpress.com/item/32711841420.html 
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| 10根跳線 | https://www.aliexpress.com/item/32951945552.html 
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電路原理圖
所有元件都採購齊全後，第一步是把所有東西都連接起來。這個專案不需要很多元件；只需要透過正確的電阻將Arduino與ROHM RPR-220感測器正確連接即可。實際上，為了使其成為可擕式系統，我們使用雙面膠帶將Arduino貼在麵包板的背面，將ROHM感測器貼在麵包板的正面。ROHM感測器引腳的定義如下所示：
連接示意圖如下所示：
實際接線如下所示：
設定Arduino IDE
Arduino程式設計需要設定Arduino IDE。Arduino IDE可在Linux和Windows上使用。對於這個DIY專案，我們將使用Windows桌面應用程式。訪問以下連結下載並安裝Arduino IDE：
成功安裝後，打開Arduino IDE並使用USB B資料線連接Arduino UNO R3：在Arduino IDE中，從“工具”>“埠”>“COM 3 (Arduino Genuino / UNO)”中選擇適當的COM埠。這時，您已經完成設定，可以開始程式設計了。
校準程式設計
首先，研發程式，以獲取目標放在不同距離時的感測器值。包含注釋的代碼如下所示：
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1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 |
#define IR_INPUT_PIN A0 //Pin to read values from phototransistor #define IR_LED_PIN 8 //Pin to light LED void setup() { Serial.begin(9600); pinMode(IR_INPUT_PIN, INPUT); pinMode(IR_LED_PIN, OUTPUT); } void loop(){ int ambient = 0; int lit = 0; int value = 0; digitalWrite(IR_LED_PIN, LOW); //Turning off LED to measure ambient light delay(5); //To give ADC and LED transition time ambient = analogRead(IR_INPUT_PIN); //Saving value for ambient light digitalWrite(IR_LED_PIN, HIGH); //Turning on LED delay(5); lit = analogRead(IR_INPUT_PIN); //Measuring total reflected light on sensor value = lit - ambient; //Removing ambient light value to calculate the net value of LED Serial.print("value = "); Serial.println(value); //Printing final sensor value on serial monitor delay(1000); } |
完成上述代碼後，編譯並將其上傳到Arduino。如果所有接線正確，LED將會點亮。如下所示設定用於校準的儀器（將一個目標放在15cm的距離處，尺規放在下面）：
現在，在Arduino IDE中，打開“工具”>“串口監視器”。執行以下操作：
- 當目標放在15cm處時，檢查感測器值。
- 當目標放在10cm處時，檢查感測器值。
- 當目標放在5cm處時，檢查感測器值。
- 當目標放在2cm處時，檢查感測器值。
如上所述，由於目標的顏色、環境光和環境不同，這些值可能會有所不同。在本例中，距離為15、10、5和2cm處對應的值分別為15、30、97和487。
很明顯，這種關係不是線性的，我們需要一個方程來計算距離。這個方程將使用下面介紹的曲線擬合方法獲得。
使用MATLAB進行曲線擬合
打開MATLAB，如下所示寫入x和y座標資料：
現在轉到應用程式中的曲線擬合。
擬合類型選擇冪函數。
記下方程和常數a和b的值。
最終程式設計
最終程式設計時，修改代碼以包括從曲線擬合獲得的方程，並刪除列印命令，但最終距離除外，這是必需的。由於已經使用曲線擬合找到了感測器值與距離之間的關係，因此將聲明一個附加變數來存儲距離的大小。
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#define IR_INPUT_PIN A0 //Pin to read values from phototransistor #define IR_LED_PIN 8 //Pin to light LED double a= 73.11; //Constants obtained from MATLAB Curve fitting double b= -0.585; double dist; void setup() { Serial.begin(9600); pinMode(IR_INPUT_PIN, INPUT); pinMode(IR_LED_PIN, OUTPUT); } void loop() { int ambient = 0; int lit = 0; int value = 0; digitalWrite(IR_LED_PIN, LOW); //Turning off LED to measure ambient light delay(5); //To give ADC and LED transition time ambient = analogRead(IR_INPUT_PIN); //Saving value for ambient light digitalWrite(IR_LED_PIN, HIGH); //Turning on LED delay(5); lit = analogRead(IR_INPUT_PIN); //Measuring total reflected light on sensor value = lit - ambient; //Removing ambient light value to calculate the net value of LED //Using power function and formulating equation generated by MATLAB dist = pow(value,b); dist = a*dist; //Displaying the calculated distance Serial.print(dist); Serial.println(“ cm”); } |
測試
測試時，使用相同的校準設定。
將最終代碼上傳到Arduino後，打開串口監視器。您將看到以釐米為單位的距離值。為了驗證測試，將螢幕上的值與地面上的尺規進行匹配。如果數值接近正確，您就成功應用曲線擬合方法進行了逼近。現在，您的系統可以可靠地計算不同場景中相似障礙物的距離。
