Радар на серво и HC-SR04: карта дистанций по углам

Мой первый радар был сборкой всего, что я тогда любил: серво, дальномер, зелёная развёртка на экране ноутбука — выглядело космически и меряло ерунду. Половина лучей возвращала нули, соседние углы показывали одну и ту же дистанцию, а стена из книги выглядела на карте как горб в случайном месте. Я переписал обработку трижды, прежде чем записал экран на видео в slow motion и увидел: рупор ещё доезжает до луча, а скетч уже дёргает триг. Я мерил на ходу — вся остальная программа была честной.

Физика здесь простая и беспощадная. Серво ведёт рупор с дальномером по сектору от 30 до 150 градусов шагом в десять — тринадцать лучей. Конус HC-SR04 узкий, градусов пятнадцать, поэтому соседние лучи перекрываются лишь краями — карта имеет право на детали. Измерять эхо надо стоя: разворот, пауза на затухание вибраций, серия замеров, медиана из трёх — и только потом печать и следующий луч.

Соберём радар заново, по-взрослому: автомат из двух этапов на millis, на каждом луче медиана из трёх замеров, строка для Serial Plotter и карта из решёток, которую читают прямо в мониторе. Бонус — направление на ближайший объект, готовая логика для парктроника.

Сколько ждать после write? SG90 проходит 60 градусов за около 0,1 секунды — арифметика из урока про скорость серво, — значит, шаг в десять градусов механика проходит за десятки миллисекунд. Но рог с приделанным к нему дальномером — консоль, и после остановки она ещё сотню-другую миллисекунд мелко колеблется; эхо с колеблющегося рупора гуляет на сантиметры. Мой стандарт — 300 мс на промежуточный луч: запас трёхкратный, темп сканирования всё ещё бодрый. На краях сектора серво разгоняется против направления и вибрирует дольше — там даю полсекунды.

Серия из трёх замеров с паузой 40 мс закрывает вторую болячку — одиночные выбросы. Пылинка на излучателе, край дверного косяка на границе конуса, отражение от стойки крепления — любой из этих гостей может испортить одно чтение из десяти. Среднее от такого выброса уезжает на несколько сантиметров, медиана его просто игнорирует: две честные замера перекрывают одну чушь. Тот же приём я разбирал в уроке про бак со стрелкой, только там медиана во времени, здесь — по серии на луче.

Паузу между замерами серии я держу 40 мс не по вкусу: хвост дальнего эха ползёт обратно до самого таймаута в 25 мс, и триг, отправленный раньше, ловит чужую посылку — в серии всплывает дистанция соседнего луча. Ниже тридцати миллисекунд между замерами не опускаюсь, выше — разницы не вижу.

Пустое направление — отдельный случай. pulseIn с таймаутом возвращает ноль, когда эха нет вообще: луч ушёл в окно или в коридор длиннее четырёх метров. Ноль — это не нуль сантиметров, а «дальше горизонта»; правило из шлагбаумного урока работает и здесь: ноль превращаем в прочерк на карте, а не в объект вплотную к радару.

У скорости звука есть паспортная зависимость, о которой вспоминают зимой: 343 метра в секунду верны при двадцати градусах, дальше — примерно 0,6 метра в секунду на градус. Делитель 58 в скетче — та самая комнатная скорость; в холодном подвале при плюс пяти честнее 60, и на метре разница — два-три сантиметра в минус. Для картографии комнаты это косметика, но радару, меряющему сугробы на улице, поправку я вписываю константой.

Автомат из двух этапов держит всю дисциплину: пока рупор доезжает, скетч молчит и считает время; когда доехал — снимает серию и только потом двигает луч. Никакой замер не случается в движении, и карта перестаёт плыть. Обратите внимание на минимальную дистанцию: она копится по сектору и печатается в конце каждого прохода — это готовая строчка для парктроника, где голосит зуммер по близости цели. Константы развёртки крутятся под задачу без перестройки автомата: хотите частую карту — режьте шаг до пяти градусов, лучей станет двадцать пять, и сектор растянется до одиннадцати секунд; хотите живой темп — шаг двадцать и один замер на луч, семь лучей за три секунды. Я начинал с частого шага, чтобы понять форму препятствий, а после разметки стенда переходил на грубый — так карта сначала рисуется, а потом просто поддерживается.

Темп получается такой: луч — 300 мс ожидания, плюс три замера по 40 мс и доли миллисекунды на печать — всего около 430 мс. Сектор из тринадцати лучей — почти шесть секунд, вместе с обратным проходом — около одиннадцати. Для машины, ползущей пять километров в час, это почти восемь метров за сектор: радар — не автопилот, а картограф. Хотите быстрее — на дальних лучах снимайте один замер вместо трёх и оставляйте серию только в секторе, где живёт цель.

Шаг в десять градусов выбран не с потолка. Конус HC-SR04 — около пятнадцати градусов, значит, соседние лучи с шагом десять перекрываются краями, и объект размером с банку не провалится между ними; при шаге в двадцать маленькая ножка стола уже может остаться незамеченной. Заодно держите в голове калибровочную метку: угол девяносто — перпендикуляр от вала, и если стена напротив стоит ровно, максимум дистанции обязан приходиться на середину сектора. У моего стенда она уехала на шесть градусов влево — кронштейн был приклеен криво, и никакой код это не спасёт, только канцелярский нож и повторная посадка рупора.

Про две печати подряд. Строка «угол, дистанция» построена под Serial Plotter: два числа в строке — два канала, пила угла и пики дистанции, объекты видны как провалы. Строка с решётками — для монитора: длина гирлянды пропорциональна дистанции, и дверной проём читается глазами — короткие ряды, длинный между ними. Плоттер примет решётки за третий канал с мусором, так что если смотрите картинку — закомментируйте печать карты, и наоборот.

Если захочется картинку посерьёзнее монитора, тот же лог превращается в лепестковую диаграмму: сохраните пары «угол; дистанция» в файл — двадцать шесть значений за полный проход туда и обратно, поместится хоть в блокнот, — и постройте полярный график в любой таблице. Я так однажды поймал фантомный столб на одном угле: на живой диаграмме он торчал идеально ровно от прохода к проходу, и стало ясно, что это стойка крепления, а не призрак эха. Данные с честной структурой — угол как ключ, дистанция как значение — ценнее любых зелёных развёрток из роликов.

В симуляторе препятствие одно и стоит на одной дистанции для всех углов — так движок рисует дальномер, и это честно обозначено. На живой плате начинается настоящая картография: стена встаёт длинной гирляндой на дальних лучах, ножка штатива — короткий ряд сбоку, и по карте сразу видно, что конус рупора шире, чем вам казалось. Если вертикали не хватает, ставьте вторую серво и водите луч по двум осям — механика та же, что у пан-тилт подвеса для камеры.

Крепёж — половина успеха, и про него молчат все ролики. Проводам от платы к рупору нужна слабина-петля: без неё через неделю поворотов жила отрывается у паянного контакта, и радар начинает врать на одних и тех же углах. Дальномер я сажаю на рог не вплотную, а с прокладкой в пару миллиметров и отступаю по пять градусов от крайних положений механики: у упора серво дрожит сильнее всего. А если луч должен не сканировать, а держаться за объект — это уже не радар, а трекер на фоторезисторах или его ультразвуковой собрат.

И про сектор, который я без колебаний отрезаю. Полные ноль– сто восемьдесят на живом стенде не живут: у крайних градусов серво упирается в внутренние ограничители, дрожит и греется, а конус при таких углах всё равно смотрит вдоль монтажной плиты и собирает отражения от неё. Мои тридцать и сто пятьдесят — не суеверие, а отступ по двадцать градусов от упоров; если задача требует шире — сначала расширяем механику, перенося ось поворота ближе к фронту рупора, а уже потом код.