Ultrazvukové senzory vzdálenosti: Kompletní průvodce sonarovými senzory pro robotiku a automatizaci

Reklama:

Ultrazvukové senzory vzdálenosti, známé také jako sonarové senzory, představují klíčovou technologii v moderní robotice a automatizaci. Tyto senzory využívají princip echolokace podobně jako netopýři nebo delfíni, kdy vysílají ultrazvukové vlny a měří čas jejich návratu po odrazu od překážky. Nejpopulárnějším představitelem této kategorie je HC-SR04, který se stal standardem díky své dostupnosti a jednoduchosti použití. Modernější alternativou je RCW-0001, který nabízí kompatibilitu s 3,3V systémy a menší mrtvou zónu. Článek poskytuje komplexní přehled dostupných senzorů, jejich technických parametrů, programovacích možností a praktických omezení, které je třeba zohlednit při jejich implementaci do projektů.

Princip fungování ultrazvukových senzorů

Ultrazvukové senzory vzdálenosti pracují na základě principu Time-of-Flight (ToF), který využívá měření času letu ultrazvukových vln. Základní princip fungování lze rozdělit do několika kroků¹ ²:

Senzor nejprve přijme spouštěcí signál na trigger pinu, který musí být vysoký minimálně 10 μs¹ ¹³. Po aktivaci trigger signálu modul automaticky vyšle osm cyklů ultrazvukových vln o frekvenci 40 kHz¹ ². Tyto vlny se šíří rychlostí zvuku (přibližně 340 m/s při pokojové teplotě) až narazí na překážku a odrazí se zpět k senzoru¹.

Když senzor detekuje odražené vlny, nastaví echo pin na vysokou úroveň po dobu, která je úměrná vzdálenosti k objektu¹ ². Vzdálenost se pak vypočítá podle vzorce: Vzdálenost = (doba trvání echo signálu × rychlost zvuku) / 2¹. Dělení dvěma je nutné, protože ultrazvukové vlny urazí vzdálenost k objektu a zpět.

Pro praktické výpočty se často používají zjednodušené vzorce. U HC-SR04 platí: vzdálenost v centimetrech = čas v mikrosekundách / 58, nebo vzdálenost v palcích = čas v mikrosekundách / 148¹ ²⁰. Tato zjednodušení vycházejí z konstantní rychlosti zvuku a usnadňují programování.

Využití v robotice a automatizaci

Ultrazvukové senzory našly široké uplatnění v robotických aplikacích díky své spolehlivosti a nezávislosti na světelných podmínkách¹³. Na rozdíl od infračervených senzorů nejsou ovlivněny slunečním světlem, reflektory ani barvou povrchu objektu³. Jejich hlavní výhodou je bezkontaktní měření, které umožňuje detekci objektů bez fyzického dotyku.

V mobilní robotice se tyto senzory používají především pro vyhýbání se překážkám a autonomní navigaci⁹ ¹⁸. Roboti monitorují tyto senzory k vytváření map prostředí a plánování bezpečných tras. Aplikace zahrnují také detekci osob⁷, měření hladiny tekutin¹⁸ a parkovací asistenty⁹ ¹⁸.

Průmyslové využití se rozšiřuje na měření úrovně materiálu v zásobnících⁷, bezpečnostní systémy⁹ a interaktivní instalace⁹. Senzory jsou také oblíbené v edukačních projektech díky své jednoduchosti a dostupnosti, což z nich činí ideální volbu pro výuku principů robotiky a automatizace.

Přehled dostupných senzorů

HC-SR04 - Klasický standard

HC-SR04 představuje nejrozšířenější ultrazvukový senzor na trhu, který se stal de facto standardem pro hobby i edukační projekty¹ ¹². Tento senzor byl uveden na trh kolem roku 2005 a rychle si získal popularitu díky své nízké ceně a jednoduchosti použití¹² ¹³.

Senzor poskytuje měřicí rozsah 2 cm až 400 cm s přesností až 3 mm¹ ¹². Pracuje s napájecím napětím 5V DC a spotřebovává 15 mA během měření¹ ¹³. Úhel detekce je omezen na 15 stupňů, což zajišťuje směrové měření¹ ¹².

HC-SR04 je široce podporován ve všech populárních programovacích jazycích a platformách, včetně Arduino IDE, Python, CircuitPython a MakeCode¹³. Dokumentace a ukázkové kódy jsou dostupné pro prakticky všechny mikrokontroléry. Omezením je nutnost 5V napájení, což může komplikovat použití s 3,3V systémy bez úrovňových převodníků¹³.

RCW-0001 - Moderní alternativa

RCW-0001 od společnosti Cytron představuje vylepšenou verzi HC-SR04 s rozšířenou kompatibilitou³. Tento senzor byl uveden na trh v roce 2016 a řeší hlavní omezení svého předchůdce³.

Klíčovou výhodou je široký rozsah napájení 3,0V až 5,5V, což umožňuje přímé připojení k 3,3V systémům jako ESP32 nebo NodeMCU³. Minimální detekční vzdálenost je snížena na pouhý 1 cm (oproti 2 cm u HC-SR04), což rozšiřuje možnosti aplikace³. Maximální dosah dosahuje 400 cm při 3,3V a 450 cm při 5V³.

Spotřeba je výrazně nižší: 2,2 mA při 3,3V a 2,8 mA při 5V³. Senzor je pin-to-pin kompatibilní s HC-SR04, což umožňuje snadnou výměnu bez změn v hardware i software³. Protokol komunikace zůstává stejný, takže existující kódy fungují bez úprav.

US-100 - Senzor s teplotní kompenzací

US-100 nabízí pokročilejší funkcionalitu díky vestavěnému teplotnímu senzoru, který kompenzuje změny rychlosti zvuku při různých teplotách⁵ ¹⁴. Senzor podporuje dva provozní režimy: GPIO režim kompatibilní s HC-SR04 a UART režim pro sériovou komunikaci¹⁴ ¹⁷.

Měřicí rozsah je 2 cm až 450 cm s rozlišením 1 mm¹⁴. V UART režimu senzor automaticky odesílá naměřenou vzdálenost i teplotu prostředí při rychlosti 9600 baud¹⁷. Napájení je flexibilní: 3,3V až 5V se spotřebou 2 mA¹⁷.

Přepínání mezi režimy se provádí jumprem na zadní straně PCB¹⁴. UART režim eliminuje nutnost měření časových impulsů v mikrokontroléru, čímž zjednodušuje programování a zvyšuje přesnost měření¹⁷.

JSN-SR04T - Vodotěsná varianta

JSN-SR04T je specializovaná vodotěsná verze určená pro aplikace v náročných podmínkách⁶ ¹⁵. Senzor má uzavřenou vodotěsnou sondu, která umožňuje použití ve vlhkých a nepříznivých prostředích⁶.

Základní specifikace zahrnují měřicí rozsah 25 cm až 450 cm při napájení 4,5V až 5,5V se spotřebou až 30 mA⁶. Pracovní teplota je rozšířena na rozsah -10°C až +70°C⁶. Úhel detekce je širší než u standardních variant: méně než 50 stupňů⁶.

JSN-SR04T podporuje několik provozních režimů ovládaných odpory nebo zkratováním kontaktů⁶. Režim 0 emuluuje HC-SR04, zatímco další režimy nabízejí automatické spouštění, nízkou spotřebu nebo funkci přepínače při detekci objektu do 1,5 m⁶.

PING))) - Jednokonektorové řešení

PING))) od společnosti Parallax využívá jediný I/O pin pro trigger i echo signály, což šetří porty mikrokontroléru⁹. Senzor měří vzdálenosti v rozsahu 3 cm až 3 m s úzkým úhlem detekce⁹.

Napájení vyžaduje 5V DC se spotřebou 35 mA během měření⁹. Komunikace probíhá pomocí pozitivních TTL pulsů, přičemž šířka pulsu odpovídá naměřené vzdálenosti⁹. Senzor je optimalizován pro použití s mikrokontroléry BASIC Stamp, Arduino, Propeller a micro:bit⁹.

Výhodou je LED indikátor, který signalizuje probíhající měření⁹. Kompaktní rozměry 22 × 46 × 16 mm a hmotnost pouhých 8,7 g umožňují snadnou integraci do robotických platforem⁹.

MaxBotix řada - Profesionální senzory

MaxBotix vyrábí řadu profesionálních ultrazvukových senzorů s pokročilými funkcemi. MB1210/MB1310 nabízejí extrémní dosah až 765 cm s rozlišením 1 cm⁷. Tyto senzory pracují s napájením 3,3V až 5V a poskytují multiple výstupní formáty⁷.

MB1240/MB1340 jsou optimalizovány pro kratší vzdálenosti s dosahem 645 cm a vyšší přesností¹¹. Všechny MaxBotix senzory zahrnují automatickou kalibraci, potlačení šumu a detekci objektů od 0 cm⁷ ¹¹.

Tyto senzory podporují reálný čas analog envelope výstup, který zobrazuje průběh odražených vln¹¹. To umožňuje pokročilé analýzy a detekci více objektů současně. Cena je však výrazně vyšší než u běžných hobby senzorů.

Srovnávací tabulka senzorů

Senzor	Rozměry (mm)	Napájení (V)	Spotřeba (mA)	Min. vzdálenost (cm)	Max. vzdálenost (cm)	Přesnost	Úhel detekce (°)
HC-SR04	45×20×15	5.0	15	2	400	3mm	15
RCW-0001	45×20×15	3.0-5.5	2.2-2.8	1	400-450	1mm	15
US-100	20×45	3.3-5.0	2	2	450	1mm	15
JSN-SR04T	Variabilní	4.5-5.5	30	25	450	10mm	<50
PING)))	22×46×16	5.0	35	3	300	N/A	Úzký
HY-SRF05	45×20	5.0	15	2	400	3mm	15
MB1210	Kompaktní	3.3-5.0	N/A	20	765	1cm	N/A
MB1240	Kompaktní	3.3-5.0	N/A	20	645	1cm	N/A

Tabulka ukazuje, že RCW-0001 vyniká nejnižší spotřebou a nejkratší minimální vzdáleností³, zatímco MaxBotix senzory nabízejí nejvyšší dosah⁷¹¹. HC-SR04 zůstává zlatým standardem pro běžné aplikace díky optimálnímu poměru cena/výkon¹ ¹².

Ukázka MicroPython kódu

Následující ukázka demonstruje základní použití HC-SR04 nebo kompatibilního senzoru v MicroPythonu:

import machine
import time

class UltrasonicSensor:
    def __init__(self, trigger_pin, echo_pin):
        """
        Inicializace ultrazvukového senzoru

        Args:
            trigger_pin: GPIO pin pro trigger signál
            echo_pin: GPIO pin pro echo signál
        """
        self.trigger = machine.Pin(trigger_pin, machine.Pin.OUT)
        self.echo = machine.Pin(echo_pin, machine.Pin.IN)

    def measure_distance(self):
        """
        Měření vzdálenosti v centimetrech

        Returns:
            float: Vzdálenost v cm, nebo -1 při chybě
        """
        # Vyčištění trigger pinu
        self.trigger.off()
        time.sleep_us(2)

        # Spuštění měření - 10us puls
        self.trigger.on()
        time.sleep_us(10)
        self.trigger.off()

        # Čekání na začátek echo signálu
        timeout = time.ticks_ms()
        while self.echo.value() == 0:
            if time.ticks_diff(time.ticks_ms(), timeout) > 30:
                return -1  # Timeout

        # Měření délky echo pulsu
        start_time = time.ticks_us()
        timeout = time.ticks_ms()

        while self.echo.value() == 1:
            if time.ticks_diff(time.ticks_ms(), timeout) > 50:
                return -1  # Timeout

        end_time = time.ticks_us()

        # Výpočet vzdálenosti
        pulse_duration = time.ticks_diff(end_time, start_time)
        distance = pulse_duration / 58.0  # Převod na cm

        return distance

    def get_filtered_distance(self, samples=5):
        """
        Filtrované měření s mediánem

        Args:
            samples: Počet vzorků pro filtraci

        Returns:
            float: Filtrovaná vzdálenost v cm
        """
        measurements = []

        for _ in range(samples):
            dist = self.measure_distance()
            if dist > 0:
                measurements.append(dist)
            time.sleep_ms(60)  # Pauza mezi měřeními

        if measurements:
            measurements.sort()
            return measurements[len(measurements)//2]  # Medián
        else:
            return -1

# Ukázka použití
sensor = UltrasonicSensor(trigger_pin=5, echo_pin=18)

while True:
    distance = sensor.get_filtered_distance()

    if distance > 0:
        print(f"Vzdálenost: {distance:.1f} cm")

        # Jednoduché varování při blízké překážce
        if distance < 10:
            print("POZOR: Překážka velmi blízko!")
        elif distance < 30:
            print("Překážka blízko")
    else:
        print("Chyba měření nebo překážka mimo dosah")

    time.sleep(1)

Tento kód implementuje robustní měření s timeout ochranou a mediánovou filtrací pro zvýšení spolehlivosti¹ ¹⁸. Filtrování je důležité kvůli občasným chybným měřením způsobeným elektromagnetickým rušením nebo odrazy od více povrchů.

Záludnosti a omezení ultrazvukových senzorů

Problematické povrchy a materiály

Ultrazvukové senzory mají významná omezení při detekci určitých typů povrchů. Akusticky měkké materiály jako jsou textilie, koberce, pěna nebo závěsy mohou být obtížně detekovatelné³. Tyto materiály pohlcují ultrazvukové vlny místo jejich odrazu, což vede k falešným měřením nebo úplnému selhání detekce.

Velmi hladké povrchy pod ostrými úhly mohou způsobit úplný odraz vln mimo senzor¹. Podobně zakřivené povrchy jako jsou trubky nebo kulové objekty rozptylují ultrazvukové vlny do různých směrů, což snižuje intenzitu signálu vracejícího se k senzoru.

Pro optimální funkci se doporučuje, aby detekovaný objekt měl plochu minimálně 0,5 m² a byl orientován kolmo k senzoru¹ ²⁰. Menší objekty nebo ty pod ostrými úhly způsobují nedostatečný odraz pro spolehlivou detekci.

Vlivy prostředí

Teplota vzduchu výrazně ovlivňuje rychlost zvuku a tím i přesnost měření. Při změně teploty o 10°C se rychlost zvuku změní přibližně o 1,7%⁵. Některé pokročilé senzory jako US-100 tento problém řeší integrovaným teplotním senzorem⁵ ¹⁴.

Vlhkost vzduchu také mění rychlost šíření zvuku, ačkoli méně výrazně než teplota. Silný vítr může rozptýlit ultrazvukové vlny a způsobit nepřesná měření. Prach a částice ve vzduchu mohou způsobit předčasné odrazy.

Elektromagnetické rušení od motorů, spínaných zdrojů nebo jiných elektronických zařízení může ovlivnit citlivé analogové obvody senzoru⁷. To je důvod, proč profesionální senzory jako MaxBotix obsahují pokročilé potlačení šumu.

Geometrické a fyzikální omezení

Mrtvá zóna senzoru je oblast příliš blízko, kde nelze provést spolehlivé měření. U HC-SR04 je to 2 cm, u RCW-0001 pouze 1 cm¹ ³. V této zóně může docházet k falešným odečtům nebo úplnému selhání.

Úhel detekce omezuje detekci na kužel obvykle 15° až 50°¹ ⁶. Objekty mimo tento kužel nebudou detekovány, i když jsou ve fyzickém dosahu senzoru. To může být problém při detekci tenkých objektů jako jsou tyče nebo dráty.

Vícecestné odrazy v uzavřených prostorech mohou způsobit echo efekty a falešná měření. Ultrazvukové vlny se mohou odrážet od stěn a vracet se k senzoru s dlouhým zpožděním, což vytváří zdání vzdálených objektů.

Programovací úskalí

Timing je kritický - příliš časté měření může způsobit interferenci mezi jednotlivými pulsy¹. Doporučuje se minimální interval 60 ms mezi měřeními¹. Blokující měření může zastavit celý program při čekání na echo signál, proto je důležité implementovat timeout.

Napěťové úrovně představují problém při připojování 5V senzorů k 3,3V mikrokontrolérům¹³. Echo signál může poškodit vstupy mikrokontroléru, pokud se nepoužijí vhodné úrovňové převodníky¹³.

Závěr

Ultrazvukové senzory vzdálenosti představují klíčovou technologii v moderní robotice a automatizaci, nabízející spolehlivé bezkontaktní měření v širokém spektru aplikací. HC-SR04 zůstává zlatým standardem díky své dostupnosti a rozsáhlé podpoře, zatímco novější alternativy jako RCW-0001 řeší jeho hlavní omezení v oblasti napájení a minimální detekční vzdálenosti.

Při výběru vhodného senzoru je třeba zohlednit specifické požadavky aplikace: napájecí napětí systému, požadovaný dosah a přesnost, podmínky prostředí a cenový rozpočet. Pro hobby projekty a vzdělávací účely zůstává HC-SR04 optimální volbou, zatímco pro komerční aplikace jsou vhodnější pokročilejší senzory s teplotní kompenzací nebo profesionální řešení od MaxBotix.

Úspěšná implementace vyžaduje pochopení fyzikálních omezení ultrazvukových senzorů a jejich vlivů na různé materiály a geometrie. Správná programovací praxe včetně timeout ochrany, filtrování měření a respektování timing požadavků je nezbytná pro dosažení spolehlivých výsledků. S rostoucím vývojem v oblasti miniaturizace a integrace pokročilých funkcí můžeme očekávat další vylepšení těchto všestranných senzorů, které budou i nadále hrát důležitou úlohu v autonomních systémech a robotických aplikacích.