ardupilot超声波传感器：近距离测距与避障实现
【免费下载链接】ardupilot 
项目地址: https://gitcode.com/gh_mirrors/ard/ardupilot
在无人机飞行中，近距离环境感知是安全避障和精准着陆的关键。本文将详细介绍如何在ardupilot中集成HC-SR04超声波传感器（Ultrasonic Sensor）实现厘米级测距，并通过避障算法保障飞行安全。
超声波传感器工作原理
HC-SR04通过发射40kHz超声波脉冲并测量回波时间计算距离，其核心公式为：
distance_m = (echo_time_us * 0.017) / 100; // 声速340m/s，单程计算
硬件连接需要两个GPIO引脚：
- 触发引脚（Trigger）：发送10us高电平脉冲启动测量
- 回波引脚（Echo）：接收反射信号，脉冲宽度对应距离
ardupilot驱动架构
ardupilot通过分层架构实现传感器支持，核心代码位于libraries/AP_RangeFinder/目录：
关键数据结构定义在AP_RangeFinder.h中，包含传感器状态和测量数据：
struct RangeFinder_State {
float distance_m; // 距离（米）
int8_t signal_quality_pct; // 信号质量（0-100%）
enum Status status; // 传感器状态
uint32_t last_reading_ms; // 最后更新时间
};
HC-SR04驱动实现
HC-SR04专用驱动位于AP_RangeFinder_HC_SR04.cpp，核心实现包括：
1. 引脚初始化
bool AP_RangeFinder_HC_SR04::check_pins() {
check_trigger_pin(); // 配置触发引脚
return check_echo_pin() && trigger_pin > 0; // 验证回波引脚
}
2. 距离测量
驱动通过PWM输入捕获测量回波时间，并应用温度补偿：
state.distance_m = (value_us * (1.0/58.0f)) * 0.01f; // 58us/cm转换系数
3. 抗干扰处理
内置 glitch 过滤器消除异常值：
if (fabsf(state.distance_m - last_distance_m) > 0.5f) {
if (glitch_count++ > 4) {
last_distance_m = state.distance_m; // 连续5次异常才更新
} else {
state.distance_m = last_distance_m; // 否则使用历史值
}
}
参数配置与校准
通过地面站配置以下关键参数（完整参数列表见Parameters.h）：
| 参数 | 含义 | 典型值 |
|---|---|---|
| RNGFND_TYPE | 传感器类型 | 30 (HC_SR04) |
| RNGFND_PIN | 回波引脚 | 5 (GPIO5) |
| RNGFND_STOP_PIN | 触发引脚 | 6 (GPIO6) |
| RNGFND_MIN_CM | 最小测距 | 20cm |
| RNGFND_MAX_CM | 最大测距 | 400cm |
校准流程：
- 确保传感器垂直朝下安装
- 放置于平整地面，离地高度10-20cm
- 执行命令
param set RNGFND_GND_CLEAR 15设置离地间隙
避障功能集成
在Copter机型中，超声波数据通过mode_avoid_adsb.cpp参与避障决策：
// 获取前方距离
float distance = rangefinder.distance_orient(ROTATION_PITCH_270);
if (distance < AVOID_DISTANCE_MIN) {
// 触发避障机动
set_desired_velocity_NED(0, 0, current_velocity.z);
}
避障算法根据传感器安装方向（参数RNGFND_ORIENT）动态调整：
- 前方安装（ROTATION_PITCH_270）：检测前方障碍物
- 下方安装（ROTATION_NONE）：用于定高和地面检测
测试与故障排查
诊断命令
- 查看传感器状态：
status rangefinder - 实时数据监控：
graph RANGEFINDER.distance
常见问题
- 无数据输出：检查引脚配置，确保
check_pins()返回true - 数据波动：启用软件滤波，增加
RNGFND_FILT_SIZE参数值 - 测量偏差：温度补偿可通过
AP_TempCalibration模块实现
高级应用扩展
多传感器融合
通过libraries/AP_AHRS/将超声波数据与IMU融合，提升测距稳定性：
// 示例：融合高度数据
float fused_alt = ahrs.get_relative_position()->z + rangefinder.distance_orient(ROTATION_NONE);
自定义应用开发
开发者可通过AP_Scripting模块快速集成新功能：
-- Lua脚本示例：超声波触发LED报警
function update()
local dist = rangefinder:distance_cm_orient(ROTATION_PITCH_270)
if dist < 50 then
notify:led(0, 255, 0, 0) -- 红灯闪烁
end
return update, 100 -- 每100ms执行一次
end
return update()
总结与展望
ardupilot的超声波传感器框架通过模块化设计实现了硬件抽象和功能扩展，HC-SR04驱动仅需约200行代码即可实现稳定测距。未来可通过以下方向优化：
- 增加I2C接口支持，如
AP_RangeFinder_Lanbao.cpp - 实现动态功率控制，延长电池寿命
- 基于机器学习的异常值检测算法
通过本文介绍的方法，用户可快速部署超声波传感器，为无人机增添可靠的近距离环境感知能力。完整API文档参见libraries/AP_RangeFinder/doc/。
点赞+收藏获取最新传感器支持列表，下期将介绍激光雷达与超声波传感器的混合避障方案。
【免费下载链接】ardupilot 项目地址: https://gitcode.com/gh_mirrors/ard/ardupilot
创作声明：本文部分内容由AI辅助生成（AIGC），仅供参考
