7、利用超声波传感器测量距离

利用超声波传感器测量距离

1. 引言

人类拥有触觉、嗅觉、视觉、听觉和味觉这五种感官，而计算机和机器人可以根据我们的需求拥有更多的“感官”。RasPi 这类计算机能够精确且不知疲倦地感知和监测周围环境。在一些应用场景中，使用卷尺和里程表来测量距离并不实际或方便，例如测量海洋深度。而在家庭、实验室和日常生活中，超声波传感器得到了广泛应用，如监测高架水箱水位、辅助自动寻路机器人、帮助视障人士以及作为车辆停车助手等。

2. 超声波传感器原理

当我们在山区探险时，朝着高山大声呼喊会体验到回声现象，在空旷的大厅也能有类似感受。超声波传感器的工作原理与之相似。它会产生超声波并射向障碍物，然后等待回声。我们使用超声波传感器时听不到声音，是因为它工作在超声波频率，高于人类可听频率范围（20 Hz - 20 KHz）。超声波主要用于距离测量，因为它人耳听不到，且能在短距离内提供精确测量。

典型的超声波传感器（如 HC - SR04）有一个发射器和一个接收器，在 400 cm 范围内精度可达 ±3 cm。传感器下方有控制电路，负责与 RasPi 通信等工作。它有四个引脚：接地、回声、触发和电源。接地和 5V 电源可直接连接到 RasPi 引脚。当从 RasPi 向传感器的触发引脚输入信号时，发射器会发出声音脉冲，这些脉冲从固体物体或表面反射回来，我们从回声引脚获取脉冲，进而计算回声到达时间和距离。

3. 距离计算

声音的传播速度取决于传播介质、环境温度和海拔高度。在海平面，声音在空气中的传播速度约为 34300 cm/s，在水中约为 148200 cm/s。在本项目中，我们以空气为传播介质。

根据公式“距离 =