ROS机器人DIY教程：超声波数据获取（HC-SR04US-100）

it2023-09-26 70

简介：

在机器人开发中虽然我们有激光雷达去感知周围的障碍物，但有的时候应为激光雷达安装位置的原因，无法识别到较低位置的障碍物，此时就需要一个性价比较高的传感器来进行辅助，一般情况可以使用红外或者超声波模块，红外受光线和颜色的干扰，因此用超声波模块是比较好的。本文将介绍怎么获取超声波数据，并在ROS中使用。

1、所需工具

starrobot底层开发板、HC-SR04/US-100、USB数据线、Keil5

starrobot底层开发板具有超声波模块接口，可以与超声波模块进行连接。下面介绍一下超声波模块测距的基本原理和模块的一些参数，超声波测距原理是在超声波发射装置发出超声波，接收器接收超声波，根据接收器接到超声波时的时间差以及超声波在介质中的传播速度，从而计算出物体距离模块的距离，与雷达测距原理相似。超声波发射器向某一方向发射超声波，在发射时刻的同时开始计时，超声波在空气中传播，途中碰到障碍物就立即返回来，超声波接收器收到反射波就立即停止计时。

超声波在空气中的传播速度为340m/s（当然温度不同，传播速度也不同，带温度校准的模块得到的数据会更准），根据计时器记录的时间t（秒），就可以计算出发射点距障碍物的距离(s)，即：s=340t/2。

原理如图所示：

US-100超声波模块介绍： US-100 超声波测距模块可实现 2cm~4.5m 的非接触测距功能，拥有 2.4~5.5V 的宽电压输入范围，静态功耗低于 2mA，自带温度传感器对测距结果进行校正，同时具有 GPIO，串口两种通信方式实现数据的读取，内带看门狗，工作稳定可靠。这里为了和HC-RS04模块通用，我们主要讲解GPIO方式。

由时序图可以知道，我们给模块的Trig一个10us的高电平即可触发模块内部发出信号，然后通过检测回响信号高电平的时间即可得到检测的距离。STM32的定时器具有输入捕获功能，使用STM32的定时器捕获功能可以更准确的检测出回响信号的高电平时间，具体驱动代码如下：

//定时器10通道1输入捕获配置 //arr：自动重装值(TIM10是16位的!!) //psc：时钟预分频数 void Sonar2_TIM10_Init(u16 arr,u16 psc) { GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure; TIM_TimeBaseInitTypeDef TIM_TimeBaseStructure; TIM_ICInitTypeDef TIM_ICInitStructure; NVIC_InitTypeDef NVIC_InitStructure; RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_TIM10,ENABLE); RCC_AHB1PeriphClockCmd(RCC_AHB1Periph_GPIOB, ENABLE); GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_8; GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AF; //复用功能 GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_100MHz; //速度100MHz GPIO_InitStructure.GPIO_OType = GPIO_OType_PP; //推挽复用输出 GPIO_InitStructure.GPIO_PuPd = GPIO_PuPd_DOWN; //下拉 GPIO_Init(GPIOB,&GPIO_InitStructure); GPIO_PinAFConfig(GPIOB,GPIO_PinSource8,GPIO_AF_TIM10); TIM_TimeBaseStructure.TIM_Prescaler=psc; //定时器分频 TIM_TimeBaseStructure.TIM_Period=arr; //自动重装载值 TIM_TimeBaseStructure.TIM_CounterMode=TIM_CounterMode_Up; //向上计数模式 TIM_TimeBaseStructure.TIM_ClockDivision=TIM_CKD_DIV1; TIM_TimeBaseInit(TIM10,&TIM_TimeBaseStructure); //初始化TIM10输入捕获参数 TIM_ICInitStructure.TIM_Channel = TIM_Channel_1; //CC1S=01 选择输入端 IC1映射到TI1上 TIM_ICInitStructure.TIM_ICPolarity = TIM_ICPolarity_Rising; //上升沿捕获 TIM_ICInitStructure.TIM_ICSelection = TIM_ICSelection_DirectTI; //映射到TI1上 TIM_ICInitStructure.TIM_ICPrescaler = TIM_ICPSC_DIV1; //配置输入分频,不分频 TIM_ICInitStructure.TIM_ICFilter = 0x00;//IC1F=0000 配置输入滤波器不滤波 TIM_ICInit(TIM10, &TIM_ICInitStructure); TIM_ITConfig(TIM10,TIM_IT_Update|TIM_IT_CC1,ENABLE);//允许更新中断 ,允许CC1IE捕获中断 TIM_Cmd(TIM10,ENABLE ); //使能定时器5 NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannel = TIM1_UP_TIM10_IRQn; NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelPreemptionPriority=3;//抢占优先级3 NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelSubPriority =0; //子优先级3 NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelCmd = ENABLE; //IRQ通道使能 NVIC_Init(&NVIC_InitStructure); //根据指定的参数初始化VIC寄存器、 } void Sonar_2_TRIG_Init(void) { GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure; RCC_AHB1PeriphClockCmd(RCC_AHB1Periph_GPIOE, ENABLE); //GPIO初始化设置 GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_0; GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_OUT; GPIO_InitStructure.GPIO_OType = GPIO_OType_PP; GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_100MHz; GPIO_InitStructure.GPIO_PuPd = GPIO_PuPd_UP; GPIO_Init(GPIOE, &GPIO_InitStructure); GPIO_ResetBits(GPIOE,GPIO_Pin_0); } void Sonar_2_TRIG_Enabled(void) { GPIO_SetBits(GPIOE,GPIO_Pin_0); delay_us(20); GPIO_ResetBits(GPIOE,GPIO_Pin_0); } //捕获状态 //[7]:0,没有成功的捕获;1,成功捕获到一次. //[6]:0,还没捕获到低电平;1,已经捕获到低电平了. //[5:0]:捕获低电平后溢出的次数(对于32位定时器来说,1us计数器加1,溢出时间:4294秒) //定时器10中断服务程序 void TIM1_UP_TIM10_IRQHandler(void) { if((Soanr2_CAPTURE_STA&0X80)==0)//还未成功捕获 { if(TIM_GetITStatus(TIM10, TIM_IT_Update) != RESET)//溢出 { if(Soanr2_CAPTURE_STA&0X40)//已经捕获到高电平了 { if((Soanr2_CAPTURE_STA&0X3F)==0X3F)//高电平太长了 { Soanr2_CAPTURE_STA|=0X80; //标记成功捕获了一次 Soanr2_CAPTURE_VAL=0XFFFF; } else Soanr2_CAPTURE_STA++; } } if(TIM_GetITStatus(TIM10, TIM_IT_CC1) != RESET)//捕获1发生捕获事件 { if(Soanr2_CAPTURE_STA&0X40) //捕获到一个下降沿 { Soanr2_CAPTURE_STA|=0X80; //标记成功捕获到一次高电平脉宽 Soanr2_CAPTURE_VAL=TIM_GetCapture1(TIM10);//获取当前的捕获值. TIM_OC1PolarityConfig(TIM10,TIM_ICPolarity_Rising); //CC1P=0 设置为上升沿捕获 } else //还未开始,第一次捕获上升沿 { Soanr2_CAPTURE_STA=0; //清空 Soanr2_CAPTURE_VAL=0; Soanr2_CAPTURE_STA|=0X40; //标记捕获到了上升沿 TIM_Cmd(TIM10,DISABLE ); //关闭定时器10 TIM_SetCounter(TIM10,0); TIM_OC1PolarityConfig(TIM10,TIM_ICPolarity_Falling); //CC1P=1 设置为下降沿捕获 TIM_Cmd(TIM10,ENABLE ); //使能定时器10 } } } TIM_ClearITPendingBit(TIM10, TIM_IT_CC1|TIM_IT_Update); //清除中断标志位 } /* //获取超声波数据函数 ///函数名称：GetSonarValue //输入参数：Num 取平均值次数 //输入参数：SonaerID 0：使用超声波1和2 1：使用超声波1，2：使用超声波2 ///返回值：SonarDate 超声波1和2的数据 */ SonarDate GetSonarValue(uint8_t Num,uint8_t SonarID) { SonarDate DateS; int i; long long temp1 = 0,temp2 = 0; Sonar_1_TRIG_Enabled(); Sonar_2_TRIG_Enabled(); for(i = 0;i<Num;i++) { if(SonarID == 0) { if(Soanr1_CAPTURE_STA&0X80) //成功捕获到了一次高电平 { temp1=Soanr1_CAPTURE_STA&0X3F; temp1*=0XFFFF; //溢出时间总和 temp1+=Soanr1_CAPTURE_VAL; //得到总的高电平时间 Soanr1MeanVal +=temp1 ; temp1 = 0; Soanr1_CAPTURE_STA=0; //开启下一次捕获 Sonar_1_TRIG_Enabled(); } if(Soanr2_CAPTURE_STA&0X80) //成功捕获到了一次高电平 { temp2=Soanr2_CAPTURE_STA&0X3F; temp2*=0XFFFF; //溢出时间总和 temp2+=Soanr2_CAPTURE_VAL; //得到总的高电平时间 Soanr2MeanVal +=temp2 ; temp2 = 0; Soanr2_CAPTURE_STA=0; //开启下一次捕获 Sonar_2_TRIG_Enabled(); } } if(SonarID == 1) { if(Soanr1_CAPTURE_STA&0X80) //成功捕获到了一次高电平 { temp1=Soanr1_CAPTURE_STA&0X3F; temp1*=0XFFFF; //溢出时间总和 temp1+=Soanr1_CAPTURE_VAL; //得到总的高电平时间 Soanr1MeanVal +=temp1 ; Soanr1_CAPTURE_STA=0; //开启下一次捕获 Sonar_1_TRIG_Enabled(); } } if(SonarID == 2) { if(Soanr2_CAPTURE_STA&0X80) //成功捕获到了一次高电平 { temp2=Soanr2_CAPTURE_STA&0X3F; temp2*=0XFFFF; //溢出时间总和 temp2+=Soanr2_CAPTURE_VAL; //得到总的高电平时间 Soanr2MeanVal +=temp2 ; temp2 = 0; Soanr2_CAPTURE_STA=0; //开启下一次捕获 Sonar_2_TRIG_Enabled(); } } delay(100); } switch(SonarID) { case 0: DateS.Sonar1 = ((float)((Soanr1MeanVal/Num)/58.0)); DateS.Sonar2 = ((float)((Soanr2MeanVal/Num)/58.0)); break; case 1: DateS.Sonar1 = ((float)((Soanr1MeanVal/Num)/58.0)); DateS.Sonar2 = 0.0; break; case 2: DateS.Sonar1 = 0.0; DateS.Sonar2 = ((float)((Soanr2MeanVal/Num)/58.0)); break; } Soanr1MeanVal = 0; Soanr2MeanVal = 0; return DateS; }

只需要调用Sonar_2_TRIG_Enabled（）和 SonarDate GetSonarValue(uint8_t Num,uint8_t SonarID)函数即可获取超声波数据，为了把数据上传给ROS，我们需要定义一个消息类型和节点：

starrobot_msgs::Sonar raw_sonar_msg; ros::Publisher raw_sonar_pub("sonar", &raw_sonar_msg); void pub_sonar(void) { SonarDate GetSonarData; if(is_sonar1 && is_sonar2) { GetSonarData = GetSonarValue(3,0); raw_sonar_msg.sonar1 = GetSonarData.Sonar1/100.0; raw_sonar_msg.sonar2 = GetSonarData.Sonar2/100.0; } else if(is_sonar1) { GetSonarData = GetSonarValue(3,1); raw_sonar_msg.sonar1 = GetSonarData.Sonar1/100.0; raw_sonar_msg.sonar2 = 0.0; } else if(is_sonar2) { GetSonarData = GetSonarValue(3,2); raw_sonar_msg.sonar1 = 0.0; raw_sonar_msg.sonar2 = GetSonarData.Sonar2/100.0; } if(is_sonar1 || is_sonar2) { raw_sonar_pub.publish(&raw_sonar_msg); } }

总结

超声波模块也还是用到了STM32的定时器，STM32定时器还有其他的功能，大家可以自行去了解。超声波数据获取就讲解到这里，如果你也在自己动手制作ROS机器人小车的话就扫描一下二维码进群把:

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