アストロボーイへの道　      　astro1


４．超音波測距センサ
 
 超音波測距センサとして、seeed社のUltra Sonic range measurement module SEN136B5B　を使用する。
（１）外観



（２）仕様

電源電圧
 5V
最大消費電流
 15 mA
超音波周波数
 40 kHz
最大測定距離
 400 cm
最小測定距離
 3 cm
分解能
 1 cm
トリガ・パルス幅
 10 μs
外形寸法
 43x20x15 mm
信号ピン
 SIG, VCC, GND


（３）信号タイミング



・Arduinoから、SIG（Signal）ピンにTTLレベル信号で10μs幅のトリガ・パルスを送る。（上図、"Initiate"）
・モジュール内部では、40 kHzで８発のパルス列を発生させ、超音波発生素子を駆動する。（上図、"Internal"）
　　パルス周期：1 / 40E3 = 2.5E(-5)    ( = 25 μs）
　　パルス列長さ： 2.5E(-5) x 8 = 2E(-4)   （ = 200 μs）
　　波長： 300 / 40E3 = 7.5E(-3)    （ = 7.5 mm）
・モジュールからArduinoに、"Echo back"パルスを送る。対象物との距離により、"Echo back"パルス幅が変化する。
　モジュールから対象物までの距離をxとし、超音波パルスが発射されてから戻って来るまでの時間を t 、音速を 300 m/s とすると
       t = 2x / 300   より  x = 150 t  となる。
　測定可能な最小測定距離は、超音波パルスを発射してから "Echo back"がHIGHになるまでの時間、即ちパルス列長さで決まる。
　従って、　x min = 150 x 2E(-4) = 0.03     （ = 3 cm）　となる。
   また、仕様上の最大測定距離 400 cm の時の "Echo back"パルス幅は　t = 2 x 4 / 300 = 26.7E-3    （ = 26.7 ms）となる。
・メーカ推奨の "Echo back"パルス幅 t から距離 x を求める算出式は
　　　　　x （単位：cm） = t （単位：μs）/ 58
・波動を使用した測定系の分解能は一般に波長程度が限界である。波長は 7.5 mm なので、分解能の仕様 1 cm は妥当と言える。

（４）回路図



　ArduinoはDigital 6ピンを使用して、超音波測距センサのSIG端子に10μsのトリガ・パルスを送る。
　直後に、超音波測距センサのSIG端子からArduinoに送られて来る "Echo back" パルス幅を測定して、対象物までの距離を求める。

（５）Arduino プログラム


・行#3：測定した結果をArduino IDEのシリアルモニタ画面に表示するため、USBのボーレートを9600bpsに設定。
・行#14〜16：超音波モジュールのSIG端子に10μs幅のトリガパルスを送信。
・行#19：SIG端子のEcho backパルス幅を測定。
・行#22〜23：測定結果をシリアルモニタに返す。

（６）実験結果


                                　　　　　図１．壁までの距離と測定値の関係


　　　　　　　　　　　　　　　　　図２．壁の傾きと測定値の関係


　　　　　　図３．壁傾き限界と超音波放射角の関係

　図１で、超音波放射方向と垂直な壁との距離測定の精度を求めた。その結果、1cm以下の精度で、距離測定が出来ていることを確認した。

　図２では、壁の傾きを変えた時の測定精度の変化を、壁との距離を変えながら、求めた。精度が維持されるのは傾きが30度以下であり、壁が近づくにつれ壁傾きへの許容度が多少緩和される。

　この現象を図３を使って説明する。

　右側の発信機から放射される超音波は片側βの放射角を有する。壁の傾きαを0度から徐々に大きくして行くと、α=β の時に超音波の右端（図中の青線）は壁に垂直に当たり、発信機に戻って来る。
　更に、α が大きくなり、α > β になって、図のように、発信機から g だけ離れた受信機に到達した時が距離測定の限界となる。壁までの距離 d が大きくなるにつれ、g の影響は低下する。
　別の実験にて、放射角を調べたところ、片側で約30度だった。以上から、図２の実験結果が大まかに説明できる。

　超音波は発信機から片側30度の放射角で前方に拡散される。前方に障害物があると、超音波は障害物で反射して戻り、受信機で或る一定以上の強度の超音波が受信出来た場合に距離の測定が可能になる。
　平らな壁は反射が大きくて検出が容易だが、30度以上傾くと検出出来ない。
　棒状の障害物は、反射した超音波が拡散するため、受信機で受信できる超音波の強度は低くなる。それでも、直径1cmの円筒状の障害物の場合、100cm以下なら検出は可能だった。


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