樹莓派Python編程實現超聲波動態雷達圖

牟曉東

超聲波傳感器能檢測與前方障礙物間的距離，如果將它固定于360 度旋轉的舵機上持續采樣，就能將采樣獲取的數據繪制成雷達圖進行動態展示。

1.實驗器材及連接

樹莓派3B+ 和古德微擴展板各一塊，HC-SR04 超聲波傳感器一個，4 路8 線電滑環一個，360 度舵機一個，紅色、綠色LED 燈各一支；還需要電烙鐵和熱熔槍各一把。

用熱熔槍將滑環中央的轉子底端與舵機輸出轉子進行固定，注意二者的中心點要盡量吻合，防止旋轉時偏心。再將滑環中央轉子的頂端與超聲波傳感器頂端固定好，也要中心對齊。接著，將滑環外圍的定子圈的四根線與古德微擴展板的20 號和21 號（共四個引腳）進行連接，紅線接電源正極VCC，黑線接地GND，橙紅色線接Trig 信號發射端，棕色線接Echo信號回聲端。滑環中央轉子4 根引線分別與超聲波傳感器的四個引腳進行對應連接（電烙鐵點錫）；將舵機固定好之后，連接線插入擴展板的18 號引腳，注意黑色、紅色和棕黃色三根線分別與GND、VCC和信號控制D 端連接；然后，將紅色和綠色LED 燈按照“長腿正、短腿負”的規則分別插入擴展板的5 號和6 號引腳；最后，給樹莓派插入數據線，通電啟動操作系統（如圖1）。

2.Python代碼編程

（1）庫模塊的導入與變量初始化

首先， 導入GPIO Zero 、Matplot Lib等庫模塊： “from gpiozero import LED ， Servo ， Distance Sensor ”“ importnumpyasnp”“importmatplotlib”"impor tmatplotlib.pyplot as plt”和“importtime”； 然后進行LED 燈、舵機和超聲波傳感器實例的初始化操作：“ Red _ LED= LED （ 5 ） ”“ Green_LED=LED（6）”“servo=Servo（18）”和“sensor=DistanceSensor（echo=21，trigger=20，max_distance=4）”， 并且通過語句“servo.mid（）”控制360 度舵機以中速帶動超聲波傳感器向一個方向開始旋轉；再設置雷達圖繪制畫布的寬度和高度，大小分別為8 和6（單位為英寸）：“plt.figure（figsize=（8，6））”；建立變量ax，賦值為“plt.subplot（111，projection='polar'）”， 作用是設置畫圖樣式為“極坐標”模式（Polar）；建立變量theta， 賦值為“np.arange（0，2*np.pi，2*np.pi/30）”，通過調用Numpy 庫中的arange（） 函數返回一個起點為0、終點為2Pi（360 度圓周）的等差數列，固定步長為2Pi/30；語句“plt.ion（）”的作用是將figure 繪圖設置為交互模式；建立變量data，賦值為空列表“[]”，作用是存放超聲波傳感器每旋轉360 度一周掃描后檢測生成的若干個與前方障礙物的間距值。

（2）“whileTrue：”循環體

如果超聲波傳感器檢測的障礙間距值在安全范圍內（比如20cm），則控制綠色LED 燈常亮：“Green_LED.on（）”；在每次旋轉360 度的過程中，需要獲取30 個值與之前產生的等差數列30 個刻度值對應：“for i in range（30）：”； 建立變量distance，賦值為“round（sensor.distance，4）”， 獲取檢測到的障礙間距數據（ 保留4位小數）， 并且通過語句“print（i，distance）” 進行輸出監測； 在“if distance<=0.2：” 分支結構中， 如果條件成立則亮紅色LED 燈、關閉綠色LED 燈：“Red_LED.on（）”“Green_LED.off（）”， 持續時間為0.01 秒鐘：“time.sleep（0.01）”； 然后通過語句“data.append（distance）”， 將數據有序追加到data 列表中，再關閉紅色LED燈、打開綠色LED 燈：“Red_LED.off（）”“Green_LED.on（）”。

進入下一次循環（range），30次循環結束之后， 開始繪制雷達圖： 語句“ax.plot（theta，data，'o--'，color='g'，label='data'，linewidth=1）”對極坐標進行數據設置，包括30 個0 至360 度的等差刻度值、30 個超聲波檢測障礙間距值（data 列表）、線的模式（虛線）、顏色（Green 綠色）和線寬（linewidth）等； 語句“ax.fill（theta，data，facecolor='g'，alpha=0.15）” 是對30個障礙間距值與極坐標中心點圍成的封閉區域進行設置，包括填充顏色和透明度等；語句“plt.pause（0.1）”的作用是控制交互式繪圖過程中數據更新的預留時間緩沖，預防出現圖形不能及時刷新顯示的問題；語句“plt.cla（）”的作用是清除當前活動軸的數據內容（相當于清空操作），語句“plt.show（）”的作用是繪制顯示圖像，語句“data.clear（）”的作用是清除data 列表中的當前數據，為下一次循環保存新數據“留空”。

3.測試超聲波動態雷達

將程序保存為Radar.py， 點擊“ 運行” 按鈕進行超聲波動態雷達的測試。超聲波傳感器在舵機的帶動下開始勻速旋轉，程序界面中也不斷有“00.2698”“23 0.3555”等信息出現，表示每次旋轉一周所監測到的30 個障礙間距值；同時，綠色LED 燈亮起，如果出現有近距離的障礙物（在20cm 范圍內），則會亮起紅色LED 燈。超聲波傳感器每旋轉一周，就會出現一個雷達極坐標圖，繪制有每個點所處的二維空間位置（角度值）和距離中心的半徑大小（障礙物間距值），同時在這些坐標點所包圍生成的封閉區域內，雷達圖是以一定透明度的綠色來展示的。隨著超聲波傳感器的不停旋轉，同時在其周圍變換出現各種障礙物，整個雷達圖也在不斷發生變化（如圖2）。

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