前言

有沒(méi)有想過(guò)停車(chē)傳感器是如何工作的，您的車(chē)怎么知道離撞墻有多遠(yuǎn)？肯定見(jiàn)過(guò)機(jī)器人避開(kāi)障礙物吧，想知道它們是如何發(fā)現(xiàn)障礙物的嗎？這些問(wèn)題的答案都涉及到短程測(cè)距。在這個(gè)項(xiàng)目中，我們將使用Arduino UNO結(jié)合ROHM測(cè)距傳感器，測(cè)量15cm以?xún)?nèi)的木制目標(biāo)的距離。
雖然這個(gè)項(xiàng)目看起來(lái)很簡(jiǎn)單，但是傳感器并不能直接給出與目標(biāo)之間的距離。這時(shí)，我們要用到光電晶體管，它根據(jù)與目標(biāo)之間的距離輸出一定的電壓，需要將這個(gè)電壓轉(zhuǎn)換成距離。由于光電晶體管產(chǎn)生的電壓變化與距離不呈線性關(guān)系，這個(gè)方法的復(fù)雜程度增加了。這涉及一種稱(chēng)為曲線擬合的方法，以從實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)中獲得盡可能最接近的方程。通過(guò)本項(xiàng)目可學(xué)習(xí)以下知識(shí)：

如何正確給LED供電：

• 如何從光電晶體管讀取傳感器輸入
• 如何收集校準(zhǔn)數(shù)據(jù)
• 如何使用MATLAB進(jìn)行曲線擬合
• 如何對(duì)基于Arduino的校準(zhǔn)進(jìn)行編程
• 使用Arduino UNO測(cè)量距離

概述

在這個(gè)DIY項(xiàng)目中，我們將開(kāi)發(fā)一個(gè)電路，使用Arduino的數(shù)字引腳為測(cè)距傳感器的LED供電。LED發(fā)出的光將從木制目標(biāo)反射，并被光電晶體管接收，光電晶體管將產(chǎn)生電壓信號(hào)，由Arduino中的模擬引腳讀取。由于電壓變化相對(duì)于距離變化不呈線性關(guān)系，在與目標(biāo)不同距離處收集的數(shù)據(jù)將用于使用MATLAB生成控制方程。然后，將通過(guò)Arduino在代碼中使用該方程來(lái)測(cè)量距離。將按照以下順序介紹這個(gè)項(xiàng)目：

所需元器件:

• 電路原理圖
• 設(shè)置Arduino IDE
• 校準(zhǔn)編程
• 使用MATLAB進(jìn)行曲線擬合
• 最終編程
• 測(cè)試

所需元器件

元器件	鏈接/圖片
ROHM測(cè)距傳感器 RPR-220PC30N	https://www.digikey.com/products/en?keywords=RPR-220PC30N
請(qǐng)注意，我在本文中使用的是發(fā)射紅光的RPR-220UC30N，而鏈接中是發(fā)射藍(lán)光的替代件RPR-220PC30N，功能是相同的，后者目前更容易買(mǎi)到
Arduino UNO R3	https://www.aliexpress.com/item/32981776049.html
USB B數(shù)據(jù)線 （通常隨Arduino UNO R3一起提供）
56kΩ和220Ω的電阻器
400孔無(wú)焊面包板	https://www.aliexpress.com/item/32711841420.html
10根跳線	https://www.aliexpress.com/item/32951945552.html

電路原理圖

所有元器件都采購(gòu)齊全后，第一步是把所有東西都連接起來(lái)。這個(gè)項(xiàng)目不需要很多元器件；只需要通過(guò)正確的電阻器將Arduino與ROHM RPR-220傳感器正確連接即可。實(shí)際上，為了使其成為便攜式系統(tǒng)，我們使用雙面膠帶將Arduino貼在面包板的背面，將ROHM傳感器貼在面包板的正面。ROHM傳感器引腳的定義如下所示：

連接示意圖如下所示：

實(shí)際接線如下所示：

設(shè)置Arduino IDE

Arduino編程需要設(shè)置Arduino IDE。Arduino IDE可在Linux和Windows上使用。對(duì)于這個(gè)DIY項(xiàng)目，我們將使用Windows桌面應(yīng)用程序。訪問(wèn)以下鏈接下載并安裝Arduino IDE：

• • https://www.arduino.cc/en/Main/Software
  • 選擇以下鏈接：

Windows Installer，適用于Windows XP及更高版本

成功安裝后，打開(kāi)Arduino IDE并使用USB B數(shù)據(jù)線連接Arduino UNO R3：在Arduino IDE中，從“工具”>“端口”>“COM 3 (Arduino Genuino / UNO)”中選擇適當(dāng)?shù)腃OM端口。這時(shí)，您已經(jīng)完成設(shè)置，可以開(kāi)始編程了。

校準(zhǔn)編程

首先，開(kāi)發(fā)程序，以獲取目標(biāo)放在不同距離時(shí)的傳感器值。包含注釋的代碼如下所示：

完成上述代碼后，編譯并將其上傳到Arduino。如果所有接線正確，LED將會(huì)點(diǎn)亮。如下所示設(shè)置用于校準(zhǔn)的儀器（將一個(gè)目標(biāo)放在15cm的距離處，標(biāo)尺放在下面）：

現(xiàn)在，在Arduino IDE中，打開(kāi)“工具”>“串口監(jiān)視器”。執(zhí)行以下操作：

• 當(dāng)目標(biāo)放在15cm處時(shí)，檢查傳感器值。
• 當(dāng)目標(biāo)放在10cm處時(shí)，檢查傳感器值。
• 當(dāng)目標(biāo)放在5cm處時(shí)，檢查傳感器值。
• 當(dāng)目標(biāo)放在2cm處時(shí)，檢查傳感器值。

如上所述，由于目標(biāo)的顏色、環(huán)境光和環(huán)境不同，這些值可能會(huì)有所不同。在本例中，距離為15、10、5和2cm處對(duì)應(yīng)的值分別為15、30、97和487。

很明顯，這種關(guān)系不是線性的，我們需要一個(gè)方程來(lái)計(jì)算距離。這個(gè)方程將使用下面介紹的曲線擬合方法獲得。

使用MATLAB進(jìn)行曲線擬合

打開(kāi)MATLAB，如下所示寫(xiě)入x和y坐標(biāo)數(shù)據(jù)：

現(xiàn)在轉(zhuǎn)到應(yīng)用程序中的曲線擬合。

擬合類(lèi)型選擇冪函數(shù)。

記下方程和常數(shù)a和b的值。

最終編程

最終編程時(shí)，修改代碼以包括從曲線擬合獲得的方程，并刪除打印命令，但最終距離除外，這是必需的。由于已經(jīng)使用曲線擬合找到了傳感器值與距離之間的關(guān)系，因此將聲明一個(gè)附加變量來(lái)存儲(chǔ)距離的大小。

測(cè)試

測(cè)試時(shí)，使用相同的校準(zhǔn)設(shè)置。

將最終代碼上傳到Arduino后，打開(kāi)串口監(jiān)視器。您將看到以厘米為單位的距離值。為了驗(yàn)證測(cè)試，將屏幕上的值與地面上的標(biāo)尺進(jìn)行匹配。如果數(shù)值接近正確，您就成功應(yīng)用曲線擬合方法進(jìn)行了逼近。現(xiàn)在，您的系統(tǒng)可以可靠地計(jì)算不同場(chǎng)景中相似障礙物的距離。