樹莓派Python編程實(shí)現(xiàn)超聲波動(dòng)態(tài)雷達(dá)圖

牟曉東

超聲波傳感器能檢測(cè)與前方障礙物間的距離，如果將它固定于360 度旋轉(zhuǎn)的舵機(jī)上持續(xù)采樣，就能將采樣獲取的數(shù)據(jù)繪制成雷達(dá)圖進(jìn)行動(dòng)態(tài)展示。

1.實(shí)驗(yàn)器材及連接

樹莓派3B+ 和古德微擴(kuò)展板各一塊，HC-SR04 超聲波傳感器一個(gè)，4 路8 線電滑環(huán)一個(gè)，360 度舵機(jī)一個(gè)，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(huán)中央的轉(zhuǎn)子底端與舵機(jī)輸出轉(zhuǎn)子進(jìn)行固定，注意二者的中心點(diǎn)要盡量吻合，防止旋轉(zhuǎn)時(shí)偏心。再將滑環(huán)中央轉(zhuǎn)子的頂端與超聲波傳感器頂端固定好，也要中心對(duì)齊。接著，將滑環(huán)外圍的定子圈的四根線與古德微擴(kuò)展板的20 號(hào)和21 號(hào)（共四個(gè)引腳）進(jìn)行連接，紅線接電源正極VCC，黑線接地GND，橙紅色線接Trig 信號(hào)發(fā)射端，棕色線接Echo信號(hào)回聲端。滑環(huán)中央轉(zhuǎn)子4 根引線分別與超聲波傳感器的四個(gè)引腳進(jìn)行對(duì)應(yīng)連接（電烙鐵點(diǎn)錫）；將舵機(jī)固定好之后，連接線插入擴(kuò)展板的18 號(hào)引腳，注意黑色、紅色和棕黃色三根線分別與GND、VCC和信號(hào)控制D 端連接；然后，將紅色和綠色LED 燈按照“長(zhǎng)腿正、短腿負(fù)”的規(guī)則分別插入擴(kuò)展板的5 號(hào)和6 號(hào)引腳；最后，給樹莓派插入數(shù)據(jù)線，通電啟動(dòng)操作系統(tǒng)（如圖1）。

2.Python代碼編程

（1）庫(kù)模塊的導(dǎo)入與變量初始化

首先， 導(dǎo)入GPIO Zero 、Matplot Lib等庫(kù)模塊： “from gpiozero import LED ， Servo ， Distance Sensor ”“ importnumpyasnp”“importmatplotlib”"impor tmatplotlib.pyplot as plt”和“importtime”； 然后進(jìn)行LED 燈、舵機(jī)和超聲波傳感器實(shí)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(guò)語(yǔ)句“servo.mid（）”控制360 度舵機(jī)以中速帶動(dòng)超聲波傳感器向一個(gè)方向開始旋轉(zhuǎn)；再設(shè)置雷達(dá)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(shè)置畫圖樣式為“極坐標(biāo)”模式（Polar）；建立變量theta， 賦值為“np.arange（0，2*np.pi，2*np.pi/30）”，通過(guò)調(diào)用Numpy 庫(kù)中的arange（） 函數(shù)返回一個(gè)起點(diǎn)為0、終點(diǎn)為2Pi（360 度圓周）的等差數(shù)列，固定步長(zhǎng)為2Pi/30；語(yǔ)句“plt.ion（）”的作用是將figure 繪圖設(shè)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(zhuǎn)360 度一周掃描后檢測(cè)生成的若干個(gè)與前方障礙物的間距值。

（2）“whileTrue：”循環(huán)體

如果超聲波傳感器檢測(cè)的障礙間距值在安全范圍內(nèi)（比如20cm），則控制綠色LED 燈常亮：“Green_LED.on（）”；在每次旋轉(zhuǎn)360 度的過(guò)程中，需要獲取30 個(gè)值與之前產(chǎn)生的等差數(shù)列30 個(gè)刻度值對(duì)應(yīng)：“for i in range（30）：”； 建立變量distance，賦值為“round（sensor.distance，4）”， 獲取檢測(cè)到的障礙間距數(shù)據(jù)（ 保留4位小數(shù)）， 并且通過(guò)語(yǔ)句“print（i，distance）” 進(jìn)行輸出監(jiān)測(cè)； 在“if distance<=0.2：” 分支結(jié)構(gòu)中， 如果條件成立則亮紅色LED 燈、關(guān)閉綠色LED 燈：“Red_LED.on（）”“Green_LED.off（）”， 持續(xù)時(shí)間為0.01 秒鐘：“time.sleep（0.01）”； 然后通過(guò)語(yǔ)句“data.append（distance）”， 將數(shù)據(jù)有序追加到data 列表中，再關(guān)閉紅色LED燈、打開綠色LED 燈：“Red_LED.off（）”“Green_LED.on（）”。

進(jìn)入下一次循環(huán)（range），30次循環(huán)結(jié)束之后， 開始繪制雷達(dá)圖： 語(yǔ)句“ax.plot（theta，data，'o--'，color='g'，label='data'，linewidth=1）”對(duì)極坐標(biāo)進(jìn)行數(shù)據(jù)設(shè)置，包括30 個(gè)0 至360 度的等差刻度值、30 個(gè)超聲波檢測(cè)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(yǔ)句“ax.fill（theta，data，facecolor='g'，alpha=0.15）” 是對(duì)30個(gè)障礙間距值與極坐標(biāo)中心點(diǎn)圍成的封閉區(qū)域進(jìn)行設(shè)置，包括填充顏色和透明度等；語(yǔ)句“plt.pause（0.1）”的作用是控制交互式繪圖過(guò)程中數(shù)據(jù)更新的預(yù)留時(shí)間緩沖，預(yù)防出現(xiàn)圖形不能及時(shí)刷新顯示的問(wèn)題；語(yǔ)句“plt.cla（）”的作用是清除當(dāng)前活動(dòng)軸的數(shù)據(jù)內(nèi)容（相當(dāng)于清空操作），語(yǔ)句“plt.show（）”的作用是繪制顯示圖像，語(yǔ)句“data.clear（）”的作用是清除data 列表中的當(dāng)前數(shù)據(jù)，為下一次循環(huán)保存新數(shù)據(jù)“留空”。

3.測(cè)試超聲波動(dòng)態(tài)雷達(dá)

將程序保存為Radar.py， 點(diǎn)擊“ 運(yùn)行” 按鈕進(jìn)行超聲波動(dòng)態(tài)雷達(dá)的測(cè)試。超聲波傳感器在舵機(jī)的帶動(dòng)下開始勻速旋轉(zhuǎn)，程序界面中也不斷有“00.2698”“23 0.3555”等信息出現(xiàn)，表示每次旋轉(zhuǎn)一周所監(jiān)測(cè)到的30 個(gè)障礙間距值；同時(shí)，綠色LED 燈亮起，如果出現(xiàn)有近距離的障礙物（在20cm 范圍內(nèi)），則會(huì)亮起紅色LED 燈。超聲波傳感器每旋轉(zhuǎn)一周，就會(huì)出現(xiàn)一個(gè)雷達(dá)極坐標(biāo)圖，繪制有每個(gè)點(diǎn)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(shí)在這些坐標(biāo)點(diǎn)所包圍生成的封閉區(qū)域內(nèi)，雷達(dá)圖是以一定透明度的綠色來(lái)展示的。隨著超聲波傳感器的不停旋轉(zhuǎn)，同時(shí)在其周圍變換出現(xiàn)各種障礙物，整個(gè)雷達(dá)圖也在不斷發(fā)生變化（如圖2）。

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