Scorpio 2
Обзор и сборка Scorpio 2
Это статья про ультразвуковые датчики HC-SR04, в ней я расскажу, как работают эти датчики и что от них ожидать, а так же сделаю одну интересную штуку. И поделюсь с вами одним из своих проектов.
Ультразвуковые датчики HC-SR04 я купил уже давно, они лежали в моей коробке с радиодеталями, но так мне и не пригодились. Недавно они мне попались на глаза, и я решил из них сделать что-то веселое.
Если подключить этот датчик к микроконтроллеру и загрузить скетч из примера, то в консоли можно увидеть вот такие цифры.
#define SONAR_ECHO_PIN WEMOS_D7 // Echo Pin#define SONAR_TRIG_PIN WEMOS_D6 // Trigger Pinfloat distance;void setup() {pinMode(SONAR_TRIG_PIN, OUTPUT);pinMode(SONAR_ECHO_PIN, INPUT);}void loop() {digitalWrite(SONAR_TRIG_PIN, LOW);delayMicroseconds(2);digitalWrite(SONAR_TRIG_PIN, HIGH);delayMicroseconds(10);digitalWrite(SONAR_TRIG_PIN, LOW);long duration = pulseIn(SONAR_ECHO_PIN, HIGH, CONST_WAITING_TIME);distance = float(duration) / 58.2f;dbg(2, "Distance: ");dbgLn(2, distance);}
Но, по-моему, это не очень-то интересно и не особо информативно. Глядя на эти цифры трудно понять насколько хорошо работает этот датчик и что от него ожидать. Поэтому я решил сделать вот такую штуку.
Это 3D модель работоспособного ультразвукового сонара с охранной функцией, подготовленная для печати на 3D принтере. Что она из себя представляет, и что умеет расскажу по мере сборки этой модели.
В сонаре установлен OLED дисплей с диагональю 1.3 дюйма, подключенный по интерфейсу I2C т.е. по четырем проводам.
В качестве элемента питания я буду использовать литий-ионный аккумулятор 18560 и держатель для этого аккумулятора.
Через контроллер HW 373 аккумулятор можно заряжать, а так же он предохранят аккумулятор от полного разряда. На нем есть USB Type C разъем, что очень удобно, именно через этот разъем будет происходить зарядка аккумулятора.
Сердцем этого устройства будет микроконтроллер WeMos D1 mini. Эти микроконтроллеры, на мой взгляд, намного интереснее, чем Arduino и превосходят Arduino по многим параметрам, поэтому для всяких самоделок я обычно использую именно их.
В нижней части параболической тарелки установлен лазерный модуль с ним будет понятнее, куда повернут сонар.
Герой этого видео модуль HC-SR04 установлен в середине параболической тарелки. Это, наверное, самый дешевый и популярный дальномер для Arduino из тех, что есть на рынке. Он посылает ультразвуковой сигнал. Когда этот сигнал отражаются от препятствия, то возвращаются обратно в модуль. Замеряя время, которое прошло между тем, когда сигнал был отправлен, и тем когда получен, можно узнать расстояние до препятствия.
Параболическая тарелка играет здесь декоративную функцию, на работу датчика она никак не влияет. Но она и правда, параболическая, а не сферическая. Точка фокусировки этой параболы находится на расстоянии 35 миллиметров от ее дна.
Над сонаром установлен звуковой модуль. Он будет пищать при обнаружении цели. Так работа этого сонара будет выглядеть гораздо интереснее.
За повороты этого механизма будут отвечать два микро сервопривода, SG90 или SG90S.
Один из них будет поворачивать верхнюю часть этого сонара, второй будет отвечать за запуск снарядов.
Вот так работает спусковой механизм.
Угол подъема сонара и угол пуска снарядов можно отрегулировать по отдельности переставляя штифт между отверстиями.
Вот так выглядит электрическая схема этого сонара. Резистор R2 нужен для измерения заряда батареи. Резистор R1 уже содержится в лазерном модуле. Но лазерный модуль можно заменить на обычный светодиод, поэтому этот резистор есть на схеме.
Вообще в этой схеме обязательными элементами являются только WeMos D1 mini, ультразвуковой датчик и один сервопривод. Все остальные элементы, и даже дисплей можно исключить. WeMos может работать через micro USB разъем от любого USB разъема, или powerbank.
Я решил распечатать все детали этой модели за один раз. Печать заняла около 12 часов.
Детали я снимал уже утром. За ночь они отклеились от поверхности столика сами.
Все детали будут монтироваться на термоклей. Термоклей часто недооценивают. У такого способа монтажа есть ряд плюсов, но им нужно уметь пользоваться. Он прочно фиксирует детали, если усилие для разрыва будет направлено вдоль плоскости, на которую он нанесен. В тоже время его можно отклеить, отрывая его вверх от плоскости, к которой он приклеен. Поверхность при этом остается неповрежденной и не испачканной. Таким образом, если что-то приклеиться криво, то это можно будет оторвать и приклеить еще раз.
В комплекте с сервоприводом были маленькие саморезы, которыми его можно прикрутить к корпусу. В корпусе для этого есть специальные отверстия.
В качестве шпильки лучше использовать медный провод с сечением 1.5 миллиметра квадратных. Отверстия рассчитаны именно для него.
Резистор для измерения уровня заряда аккумулятора я помещу в термоусадочную трубку и припаял между контактами с обратной стороны WeMos.
Наверное, вы все это время думали, за счет чего будут вылетать ракеты. Для этого будет использоваться обычная канцелярская резинка. Ее нужно продеть между вот этими выступами, на пример так, как это делаю я. Выбирая выступы можно отрегулировать силу натяжения этой резинки.
Ракетки вылетают хорошо и ударяют в руку едва ощутимо. Думаю, они не причинят никакого вреда человеку, куда бы они ни попали. Но если вы сомневаетесь, то всегда можно отрегулировать силу натяжения резинки, или накрутить на них ватные шарики.
Вот такой сонар у меня получился. Эта модель будет называться Scorpion 2. По этому названию вы сможете найти ее в Google. Куда делся Scorpion 1 даже не спрашивайте. Как я уже говорил из этой модели можно исключить много деталей, и она все равно будет работать. Например, можно не делать нижнюю подставку с элементами питания и запитать WeMos напрямую через microUSB на нем, или не делать пусковую установку. Тогда на освободившийся хвост скорпиона можно будет завязать бантик.
Вот так выглядит первый запуск сонара после того как я залил в него прошивку. Саму прошивку я не буду рассматривать в этом видео.
Как формируется картинка на экране сонара
Белые линии это стены прямого угла комнаты. Так они выглядят, так сказать, глазами сонара. Красный пунктир это радиус в один метр. Сонар был установлен именно на таком расстоянии от каждой из стен. Зеленая линия это то, как проходят стены на самом деле. И если бы этот ультразвуковой модуль работал идеально, то именно так бы он их и увидел.
Эта картина меня тоже удивила поначалу. Я ожидал, что этот модуль увидит стены прямыми, такими, какие они и есть на самом деле. Но он упорно утверждает, что они округлые, а в середине угла комнаты есть провал больше чем в 2.5 метра. К тому же в некоторых местах стены тоже вдруг резко заканчиваются. Хотя на самом деле это не так.
Дело в том, что данный сонар имеет довольно широкую диаграмму направленности. Т.е. испуская одну звуковую волну, он захватывает не только те предметы, которые расположены прямо перед ним, но и те которые расположены рядом. Примерно в 30 градусах от них.
В первом приближении, можно сказать, что ультразвуковые волны отражаются от поверхности под тем же углом, под которым они на нее попадают. Таким образом, в сонар будут возвращаться звуковые волны от поверхности расположенной под прямым углом к сонару, а остальные отраженные волны будут проходить мимо.
Вдобавок к этому у сонара есть еще диаграмма направленности и угол обзора в 30 градусов. Т.е. хоть сонар и поворачивается под разными углами к стене, но первый из отраженных звуков до него доходит от перпендикулярной стены, а под некоторыми углами он и вовсе перестанет получать отраженные от стены звуки и стена как бы резко оборвется. Попробую изобразить то, о чем я говорю на картинке. Так должно быть понятнее.
Сонар расположен посередине внизу, там, где начинается диаграмма направленности. Красным изображена упрощенная диаграмма направленности, зеленым стены угла комнаты.
Теперь я оставляю только упрощенную диаграмму направленности сонара, и добавляю вспомогательные линии синего пунктира. Это перпендикуляры, проведенные от стен к тому месту, где расположен сонар. Как видно ни один из них не попадает в диаграмму направленности, значит, ни один из громких отраженных звуков не возвращается в сонар.
Получается, что в таком положении сонар вообще не видит стены.
Теперь сонар повернулся, и один из перпендикуляров попадает в область его видимости. Это кратчайший путь до стены, ровно один метр.
Дальше сонар поворачивается еще, но первым приходит звук по кратчайшему пути. По-прежнему один метр.
Затем сонар поворачивается еще, и звуки, отраженные от стены уже в него не попадают. Таким образом, ровные стены оказываются полукруглыми, а в некоторый момент вовсе пропадают.
Но и это еще не все что умеет это устройство. Оно еще умеет раздавать Wi-Fi и у него есть web интерфейс для управления и настройки.
После включения Scorpion 2 на мобильном телефоне должна появиться точка доступа с именем Sonar. Подключаюсь к ней. Дальше в браузере ввожу адрес 192.168.1.1. И попадаю в веб интерфейс для управления сонаром. В верхней части отображается картинка такая же, как на дисплее только цветная. Эта картинка обновляется раз в секунду. Ниже расположены разные настройки.
Можно выбрать один из режимов работы.
В режиме сканирования сонар будет просто сканировать то, что есть вокруг.
В режиме охрана он будет пищать на нарушителей.
В режиме стрельба стрелять.
Есть еще ручной режим. В этом режиме появляются дополнительные органы управления. Можно вручную повернуть сонар на нужный угол. Прицелиться по лазеру или по картинки и выстрелить.
Ниже расположены, настройки сонара. Можно указать охраняемый периметр, минимальный и максимальный угол обзора, скорость сканирования, масштаб на дисплее. Выключить лазер или пищалку. Указать минимальный размер цели в градусах, на которую будет реагировать сонар. Задать корректировку для стрельбы.
Ну что же пора подводить итоги.
Если вкратце, то из-за большого угла обзора HC-SR04 его не всегда будет удобно использовать. Т.к. он может измерить дистанцию не до того предмета что вы ожидаете, стены окажутся круглыми.
Часть предметов он может вообще не видеть, если они будут расположены не под прямым углом, или окажутся недостаточно плотными. Когда же он все-таки мерит дистанцию до цели, то погрешность составляет примерно 5%. В общем, этот модуль может работать не так хорошо и стабильно, как вы это ожидаете. Но в некоторых целях он вполне пригоден.
По-моему сонар покусился интересной, веселой и безлопастной игрушкой, как для детей, так и для взрослых.
Этот сонар можно использовать и на рабочем месте. Например, можно включить режим охраны без стрельбы и поставить его охранять коробку с печеньями. В этом режиме он весьма убедительно пищит на нарушителей и мигает на них лазером.
Ссылки на 3D модель и прошивку. Так же есть английская версия веб интерфейса.
3D модель: https://www.2ram.ru/l/28
Прошивка: https://www.2ram.ru/l/29