樹莓派繪制超聲波測距軌跡曲線

牟曉東

在開源硬件編程中，我們都會實時獲取測量生成的實驗數據，比如溫濕度傳感器對環境溫度和濕度進行監測而產生的數據。通常情況下，我們會先將這些實驗數據寫入文件（比如CSV格式文件），然后進行數據整理，再繪制擬合圖像，最終總結得出實驗結論。其實，對于一些非常直觀的測量數據，我們可以“跳”過數據整理，直接將它們“畫”出來，以動態曲線的形式進行展示。以超聲波傳感器的“測距值”為例，我們在樹莓派中分別通過Python代碼編程和古德微“積木”圖形化編程兩種方法，來實現超聲波測距軌跡曲線的動態繪制。

實驗器材包括樹莓派3B+和古德微擴展板各一塊，HC-SR04超聲波傳感器一個，移動電源一個。首先，將超聲波傳感器的四個引腳（VCC、Trig、Echo和GND）對應插入擴展板的20和21號引腳，方向朝外;然后，通過數據線將樹莓派與移動電源連接，通電，啟動操作系統（如圖1）。

一、Python代碼編程繪制超聲波測距軌跡曲線

1.遠程登錄樹莓派，導入待用的庫模塊

運行Windows的“遠程桌面連接”，輸入樹莓派的IP地址（比如192.168.1.116），登錄成功后點擊“編程”-“Thonny Python IDE”菜單，啟動Python編輯器，導入庫模塊：“import numpy as np”、“import matplotlib.pyplot as plt”、“from matplotlib import animation”、“from gpiozero import DistanceSensor”和“import time”（如圖2），其中的numpy、matplotlib.pyplot和animation是負責數據生成和繪制曲線圖像的，gpiozero庫中DistanceSensor類是用來控制超聲波傳感器的。

2.初始化及數據獲取

首先，建立變量sensor，對超聲波傳感器的類進行實例化：“sensor = DistanceSensor（echo=21，trigger=20，max_distance=4）”，注意其中的“echo=21”和“trigger=20”分別對應超聲波傳感器的信號回收與發射引腳號21和20，而“max_distance=4”的作用是設置超聲波傳感器的最大檢測距離為4（單位是“米”），如果不設置，則最大只能測量至1米的極限值（HC-SR04超聲波傳感器可提供2cm-400cm的非接觸式距離感測功能）。

接著，進行圖像繪制前的數據準備，橫坐標x是通過numpy庫中的linspace（）來生成，范圍為從0至100：“x = np.linspace（0，100，100）”;縱坐標y先設置為一個“空列表”：“y = []”，建立變量dis，作用是保存超聲波傳感器的“測距”值，初值為0：“dis = 0”;然后建立一個for循環結構（for i in range（100）：），其中的第一行語句“dis = round（sensor.distance，2）”作用是為變量dis賦值，通過round（）函數來保留兩位小數;第二行語句“print（dis）”是將dis保存的測距值在屏幕上同步輸出顯示;第三行語句“y.append（dis）”作用是將測距值追加至列表y中;第四行語句“time.sleep（0.1）”是控制程序暫停0.1秒鐘，然后進入下一次循環，獲取下一個測距值（如圖3）。

3.繪制“測距值”軌跡動態曲線圖

繪制動態（包括靜態）曲線圖需要創建畫布和子圖：“fig，ax = plt.subplots（dpi=200）”，其中的“dpi=200”是設置顯示分辨率的，可根據情況自行設置;接著，進行曲線的繪制：“line， = ax.plot（x，y，ls='-'，lw=1，color='cornflowerblue'）”，其中的參數含義分別是橫坐標值x、縱坐標值y、繪制線的類型與寬度，以及線的顏色;然后，自定義建立一個幀畫布的更新函數update（），其中的第一個語句是“line.set_data（x[：i]，y[：i]）”，作用是將動態檢測生成的每一組數據（橫坐標x值和縱坐標y值）進行“切片”操作后，作為數據源提供給后面的animation.FuncAnimation進行曲線繪制;第二個語句“return line，”是將line值返回。

接著，進行曲線動畫的生成，建立變量ani，調用animation.FuncAnimation（）并進行相關參數的設置，其中包括：語句“fig=fig”，作用是設置繪制動態圖的畫布名稱;語句“func=update”，作用是調用自定義動畫函數update（），注意不要帶括號;語句“fargs=（line，）”，作用是除frames之外需要向func傳遞的參數;語句“frames=len（x）”，作用是控制生成的動畫長度（一次循環所包含的幀數目）;語句“interval=50”，作用是設置更新的頻率，單位是ms（毫秒）;語句“blit=True”，作用是選擇更新所有點還是僅更新產生變化的點;最后，通過語句“plt.show（）”將圖像進行顯示（如圖4）。

4.程序的運行測試

將程序保存為“超聲波測距軌跡曲線”后點擊“運行”按鈕，然后控制樹莓派帶動超聲波傳感器轉動，或朝向墻面等障礙物靠近與遠離，大約持續10秒鐘后（程序的循環結構：100×0.1=10），此時，就會在屏幕上看到有超聲波傳感器“測距值”數據不斷出現：0.46、0.49……接著，就會彈出一個名為“Figure 1”的圖片窗口，繪制的正是動態的超聲波測距軌跡曲線，而且會不斷循環播放之前程序所監測獲取的100個數據（如圖5）。

程序可以重復運行，獲取到不同的超聲波測距值，對應不同的動態軌跡曲線。而且，我們還可以修改程序中的循環次數（比如300），或是修改曲線繪制的速度（在變量ani調用animation.FuncAnimation（）中“interval=50”處設置），當然也包括曲線的顏色、寬度等，都可以嘗試。

二、圖形化編程繪制超聲波測距軌跡曲線

1.登錄古德微機器人平臺，完成“積木”圖形化編程

訪問古德微機器人網站（http：//www.gdwrobot.cn），登錄進入自己賬號后點擊“設備控制”進入“積木”界面。

首先，進行物聯網服務器的設置，從左側“物聯網”-“常用”中將“設置物聯網服務器”功能模塊拖動至主界面，保持其默認的服務器“www.gdwrobot.top”和端口“1883”不變，下方的用戶名和密碼均保持為空;接著，建立一個重復執行100次的循環結構，建立名為“超聲波測距”的變量，為其賦值為“智能硬件”-“常用”中的“超聲波測距”項，并進行保留兩位小數的四舍五入處理;然后通過“輸出調試信息‘超聲波測距”，在LOG調試信息區將超聲波傳感器每次獲取的“測距”值進行顯示輸出;接著，從“物聯網”-“常用”中拖動出“發送主題”功能模塊，并且設置好對應的信息：“向‘luke007發送主題‘distance的數據‘超聲波測距”，其中的“luke007”對應自己的登錄賬號，主題名為“distance”;最后，添加一條“等待0.3秒”的循環間隔時間，點擊“保存”按鈕將程序保存為“繪制超聲波測距軌跡曲線”（如圖6）。

2.設置動態曲線繪制參數

點擊“更多功能”按鈕后再點擊“采集數據”按鈕，進行動態曲線繪制的相關設置：將“采集標題”設置為“繪制超聲波測距軌跡曲線”;第二行的服務器地址和端口號同樣均保持默認不變（與“積木”圖形化編程一致），可嘗試點擊后面的“測試連接”按鈕進行測試，正常的話會出現“連接成功”的提示;第三行的“功能描述”設置為“使用超聲波傳感器進行繪圖”（可自定義），“樹莓派編號”處填寫為“luke007”、“主題”填寫為“distance”，同樣是與圖形化編程一一對應，后面的數值單位設置為“厘米”;最后，點擊“保存”按鈕，將本次的數據采集參數設置項目保存（如圖7）。

3.程序的運行測試

點擊“開始采集”按鈕后再次返回到“積木”區，點擊“連接設備”按鈕再點擊“運行”按鈕，同時再移動樹莓派帶動超聲波傳感器做各種轉向和移動操作;LOG調試顯示區每隔0.3秒鐘就會出現一個“測距值”，同時在“圖表展示”窗口就會出現一個名為“繪制超聲波測距軌跡曲線”在動態變化，描繪的正是超聲波傳感器所測量的與障礙物間的距離值（如圖8）。

程序的升級改進建議：

如果將舵機連接至樹莓派，同時再借助于滑環將超聲波傳感器的連接線與擴展板進行“轉接”;然后在程序中加入控制舵機進行360度旋轉，或是循環“擺頭”式往返旋轉，帶動超聲波傳感器對周圍的障礙物進行“半自動”式掃描，就可以對應生成更為有趣的超聲波測距軌跡曲線動態圖。如果在Python代碼中使用matplotlib.pyplot不是進行折線圖的繪制，而是極坐標圖像，這樣就可以得到類似于影視劇中雷達掃描的實時監控畫面了，大家不妨一試。