如何使用Arduino测量障碍物的距离

　　　　有没有想过停车传感器是如何工作的，您的车怎么知道离撞墙有多远？肯定见过机器人避开障碍物吧，想知道它们是如何发现障碍物的吗？这些问题的答案都涉及到短程测距。在这个项目中，我们将使用Arduino UNO结合ROHM测距传感器，测量15cm以内的木制目标的距离。

　　虽然这个项目看起来很简单，但是传感器并不能直接给出与目标之间的距离。这时，我们要用到光电晶体管，它根据与目标之间的距离输出一定的电压，需要将这个电压转换成距离。由于光电晶体管产生的电压变化与距离不呈线性关系，这个方法的复杂程度增加了。这涉及一种称为曲线拟合的方法，以从实验数据中获得尽可能最接近的方程。

　　概述

　　在这个DIY项目中，我们将开发一个电路，使用Arduino的数字引脚为测距传感器的LED供电。LED发出的光将从木制目标反射，并被光电晶体管接收，光电晶体管将产生电压信号，由Arduino中的模拟引脚读取。由于电压变化相对于距离变化不呈线性关系，在与目标不同距离处收集的数据将用于使用MATLAB生成控制方程。然后，将通过Arduino在代码中使用该方程来测量距离。将按照以下顺序介绍这个项目：

　　所需元器件：

　　电路原理图

　　设置Arduino IDE

　　校准编程

　　使用MATLAB进行曲线拟合

　　最终编程

　　测试

　　所需元器件

　　

　　电路原理图

　　所有元器件都采购齐全后，第一步是把所有东西都连接起来。这个项目不需要很多元器件；只需要通过正确的电阻器将Arduino与ROHM RPR-220传感器正确连接即可。实际上，为了使其成为便携式系统，我们使用双面胶带将Arduino贴在面包板的背面，将ROHM传感器贴在面包板的正面。ROHM传感器引脚的定义如下所示：

　　

　　连接示意图如下所示：

　　

　　实际接线如下所示：

　　

　　

　　设置Arduino IDE

　　Arduino编程需要设置Arduino IDE。Arduino IDE可在Linux和Windows上使用。对于这个DIY项目，我们将使用Windows桌面应用程序。访问以下链接下载并安装Arduino IDE：

　　https://www.arduino.cc/en/Main/Software

　　选择以下链接：

　　Windows Installer，适用于Windows XP及更高版本

　　成功安装后，打开Arduino IDE并使用USB B数据线连接Arduino UNO R3：在Arduino IDE中，从“工具”》“端口”》“COM 3 （Arduino Genuino / UNO）”中选择适当的COM端口。这时，您已经完成设置，可以开始编程了。

　　校准编程

　　首先，开发程序，以获取目标放在不同距离时的传感器值。包含注释的代码如下所示：

#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);

}

　　完成上述代码后，编译并将其上传到Arduino。如果所有接线正确，LED将会点亮。如下所示设置用于校准的仪器（将一个目标放在15cm的距离处，标尺放在下面）：

　　

　　现在，在Arduino IDE中，打开“工具”》“串口监视器”。执行以下操作：

　　当目标放在15cm处时，检查传感器值。

　　当目标放在10cm处时，检查传感器值。

　　当目标放在5cm处时，检查传感器值。

　　当目标放在2cm处时，检查传感器值。

　　如上所述，由于目标的颜色、环境光和环境不同，这些值可能会有所不同。在本例中，距离为15、10、5和2cm处对应的值分别为15、30、97和487。

　　

　　很明显，这种关系不是线性的，我们需要一个方程来计算距离。这个方程将使用下面介绍的曲线拟合方法获得。

　　使用MATLAB进行曲线拟合

　　打开MATLAB，如下所示写入x和y坐标数据：

　　

　　现在转到应用程序中的曲线拟合。

　　

　　拟合类型选择幂函数。

　　

　　记下方程和常数a和b的值。

　　最终编程

　　最终编程时，修改代码以包括从曲线拟合获得的方程，并删除打印命令，但最终距离除外，这是必需的。由于已经使用曲线拟合找到了传感器值与距离之间的关系，因此将声明一个附加变量来存储距离的大小。

#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”);

}

　　测试

　　测试时，使用相同的校准设置。

　　

　　将最终代码上传到Arduino后，打开串口监视器。您将看到以厘米为单位的距离值。为了验证测试，将屏幕上的值与地面上的标尺进行匹配。如果数值接近正确，您就成功应用曲线拟合方法进行了逼近。现在，您的系统可以可靠地计算不同场景中相似障碍物的距离。