樹莓派繪制超聲波測(cè)距軌跡曲線

牟曉東

在開源硬件編程中，我們都會(huì)實(shí)時(shí)獲取測(cè)量生成的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，比如溫濕度傳感器對(duì)環(huán)境溫度和濕度進(jìn)行監(jiān)測(cè)而產(chǎn)生的數(shù)據(jù)。通常情況下，我們會(huì)先將這些實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)寫入文件（比如CSV格式文件），然后進(jìn)行數(shù)據(jù)整理，再繪制擬合圖像，最終總結(jié)得出實(shí)驗(yàn)結(jié)論。其實(shí)，對(duì)于一些非常直觀的測(cè)量數(shù)據(jù)，我們可以“跳”過數(shù)據(jù)整理，直接將它們“畫”出來，以動(dòng)態(tài)曲線的形式進(jìn)行展示。以超聲波傳感器的“測(cè)距值”為例，我們?cè)跇漭芍蟹謩e通過Python代碼編程和古德微“積木”圖形化編程兩種方法，來實(shí)現(xiàn)超聲波測(cè)距軌跡曲線的動(dòng)態(tài)繪制。

實(shí)驗(yàn)器材包括樹莓派3B+和古德微擴(kuò)展板各一塊，HC-SR04超聲波傳感器一個(gè)，移動(dòng)電源一個(gè)。首先，將超聲波傳感器的四個(gè)引腳（VCC、Trig、Echo和GND）對(duì)應(yīng)插入擴(kuò)展板的20和21號(hào)引腳，方向朝外;然后，通過數(shù)據(jù)線將樹莓派與移動(dòng)電源連接，通電，啟動(dòng)操作系統(tǒng)（如圖1）。

一、Python代碼編程繪制超聲波測(cè)距軌跡曲線

1.遠(yuǎn)程登錄樹莓派，導(dǎo)入待用的庫模塊

運(yùn)行Windows的“遠(yuǎn)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(diǎn)擊“編程”-“Thonny Python IDE”菜單，啟動(dòng)Python編輯器，導(dǎo)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(fù)責(zé)數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)獲取

首先，建立變量sensor，對(duì)超聲波傳感器的類進(jìn)行實(shí)例化：“sensor = DistanceSensor（echo=21，trigger=20，max_distance=4）”，注意其中的“echo=21”和“trigger=20”分別對(duì)應(yīng)超聲波傳感器的信號(hào)回收與發(fā)射引腳號(hào)21和20，而“max_distance=4”的作用是設(shè)置超聲波傳感器的最大檢測(cè)距離為4（單位是“米”），如果不設(shè)置，則最大只能測(cè)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(cè)功能）。

接著，進(jìn)行圖像繪制前的數(shù)據(jù)準(zhǔn)備，橫坐標(biāo)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(biāo)y先設(shè)置為一個(gè)“空列表”：“y = []”，建立變量dis，作用是保存超聲波傳感器的“測(cè)距”值，初值為0：“dis = 0”;然后建立一個(gè)for循環(huán)結(jié)構(gòu)（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(shù)來保留兩位小數(shù);第二行語句“print（dis）”是將dis保存的測(cè)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(cè)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(jìn)入下一次循環(huán)，獲取下一個(gè)測(cè)距值（如圖3）。

3.繪制“測(cè)距值”軌跡動(dòng)態(tài)曲線圖

繪制動(dòng)態(tài)（包括靜態(tài)）曲線圖需要?jiǎng)?chuàng)建畫布和子圖：“fig，ax = plt.subplots（dpi=200）”，其中的“dpi=200”是設(shè)置顯示分辨率的，可根據(jù)情況自行設(shè)置;接著，進(jìn)行曲線的繪制：“l(fā)ine， = ax.plot（x，y，ls='-'，lw=1，color='cornflowerblue'）”，其中的參數(shù)含義分別是橫坐標(biāo)值x、縱坐標(biāo)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(gè)幀畫布的更新函數(shù)update（），其中的第一個(gè)語句是“l(fā)ine.set_data（x[：i]，y[：i]）”，作用是將動(dòng)態(tài)檢測(cè)生成的每一組數(shù)據(jù)（橫坐標(biāo)x值和縱坐標(biāo)y值）進(jìn)行“切片”操作后，作為數(shù)據(jù)源提供給后面的animation.FuncAnimation進(jìn)行曲線繪制;第二個(gè)語句“return line，”是將line值返回。

接著，進(jìn)行曲線動(dòng)畫的生成，建立變量ani，調(diào)用animation.FuncAnimation（）并進(jìn)行相關(guān)參數(shù)的設(shè)置，其中包括：語句“fig=fig”，作用是設(shè)置繪制動(dòng)態(tài)圖的畫布名稱;語句“func=update”，作用是調(diào)用自定義動(dòng)畫函數(shù)update（），注意不要帶括號(hào);語句“fargs=（line，）”，作用是除frames之外需要向func傳遞的參數(shù);語句“frames=len（x）”，作用是控制生成的動(dòng)畫長(zhǎng)度（一次循環(huán)所包含的幀數(shù)目）;語句“interval=50”，作用是設(shè)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(diǎn)還是僅更新產(chǎn)生變化的點(diǎn);最后，通過語句“plt.show（）”將圖像進(jìn)行顯示（如圖4）。

4.程序的運(yùn)行測(cè)試

將程序保存為“超聲波測(cè)距軌跡曲線”后點(diǎn)擊“運(yùn)行”按鈕，然后控制樹莓派帶動(dòng)超聲波傳感器轉(zhuǎn)動(dòng)，或朝向墻面等障礙物靠近與遠(yuǎn)離，大約持續(xù)10秒鐘后（程序的循環(huán)結(jié)構(gòu)：100×0.1=10），此時(shí)，就會(huì)在屏幕上看到有超聲波傳感器“測(cè)距值”數(shù)據(jù)不斷出現(xiàn)：0.46、0.49……接著，就會(huì)彈出一個(gè)名為“Figure 1”的圖片窗口，繪制的正是動(dòng)態(tài)的超聲波測(cè)距軌跡曲線，而且會(huì)不斷循環(huán)播放之前程序所監(jiān)測(cè)獲取的100個(gè)數(shù)據(jù)（如圖5）。

程序可以重復(fù)運(yùn)行，獲取到不同的超聲波測(cè)距值，對(duì)應(yīng)不同的動(dòng)態(tài)軌跡曲線。而且，我們還可以修改程序中的循環(huán)次數(shù)（比如300），或是修改曲線繪制的速度（在變量ani調(diào)用animation.FuncAnimation（）中“interval=50”處設(shè)置），當(dāng)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(cè)距軌跡曲線

1.登錄古德微機(jī)器人平臺(tái)，完成“積木”圖形化編程

訪問古德微機(jī)器人網(wǎng)站（http：//www.gdwrobot.cn），登錄進(jìn)入自己賬號(hào)后點(diǎn)擊“設(shè)備控制”進(jìn)入“積木”界面。

首先，進(jìn)行物聯(lián)網(wǎng)服務(wù)器的設(shè)置，從左側(cè)“物聯(lián)網(wǎng)”-“常用”中將“設(shè)置物聯(lián)網(wǎng)服務(wù)器”功能模塊拖動(dòng)至主界面，保持其默認(rèn)的服務(wù)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(gè)重復(fù)執(zhí)行100次的循環(huán)結(jié)構(gòu)，建立名為“超聲波測(cè)距”的變量，為其賦值為“智能硬件”-“常用”中的“超聲波測(cè)距”項(xiàng)，并進(jìn)行保留兩位小數(shù)的四舍五入處理;然后通過“輸出調(diào)試信息‘超聲波測(cè)距”，在LOG調(diào)試信息區(qū)將超聲波傳感器每次獲取的“測(cè)距”值進(jìn)行顯示輸出;接著，從“物聯(lián)網(wǎng)”-“常用”中拖動(dòng)出“發(fā)送主題”功能模塊，并且設(shè)置好對(duì)應(yīng)的信息：“向‘luke007發(fā)送主題‘distance的數(shù)據(jù)‘超聲波測(cè)距”，其中的“l(fā)uke007”對(duì)應(yīng)自己的登錄賬號(hào)，主題名為“distance”;最后，添加一條“等待0.3秒”的循環(huán)間隔時(shí)間，點(diǎn)擊“保存”按鈕將程序保存為“繪制超聲波測(cè)距軌跡曲線”（如圖6）。

2.設(shè)置動(dòng)態(tài)曲線繪制參數(shù)

點(diǎn)擊“更多功能”按鈕后再點(diǎn)擊“采集數(shù)據(jù)”按鈕，進(jìn)行動(dòng)態(tài)曲線繪制的相關(guān)設(shè)置：將“采集標(biāo)題”設(shè)置為“繪制超聲波測(cè)距軌跡曲線”;第二行的服務(wù)器地址和端口號(hào)同樣均保持默認(rèn)不變（與“積木”圖形化編程一致），可嘗試點(diǎn)擊后面的“測(cè)試連接”按鈕進(jìn)行測(cè)試，正常的話會(huì)出現(xiàn)“連接成功”的提示;第三行的“功能描述”設(shè)置為“使用超聲波傳感器進(jìn)行繪圖”（可自定義），“樹莓派編號(hào)”處填寫為“l(fā)uke007”、“主題”填寫為“distance”，同樣是與圖形化編程一一對(duì)應(yīng)，后面的數(shù)值單位設(shè)置為“厘米”;最后，點(diǎn)擊“保存”按鈕，將本次的數(shù)據(jù)采集參數(shù)設(shè)置項(xiàng)目保存（如圖7）。

3.程序的運(yùn)行測(cè)試

點(diǎn)擊“開始采集”按鈕后再次返回到“積木”區(qū)，點(diǎn)擊“連接設(shè)備”按鈕再點(diǎn)擊“運(yùn)行”按鈕，同時(shí)再移動(dòng)樹莓派帶動(dòng)超聲波傳感器做各種轉(zhuǎn)向和移動(dòng)操作;LOG調(diào)試顯示區(qū)每隔0.3秒鐘就會(huì)出現(xiàn)一個(gè)“測(cè)距值”，同時(shí)在“圖表展示”窗口就會(huì)出現(xiàn)一個(gè)名為“繪制超聲波測(cè)距軌跡曲線”在動(dòng)態(tài)變化，描繪的正是超聲波傳感器所測(cè)量的與障礙物間的距離值（如圖8）。

程序的升級(jí)改進(jìn)建議：

如果將舵機(jī)連接至樹莓派，同時(shí)再借助于滑環(huán)將超聲波傳感器的連接線與擴(kuò)展板進(jìn)行“轉(zhuǎn)接”;然后在程序中加入控制舵機(jī)進(jìn)行360度旋轉(zhuǎn)，或是循環(huán)“擺頭”式往返旋轉(zhuǎn)，帶動(dòng)超聲波傳感器對(duì)周圍的障礙物進(jìn)行“半自動(dòng)”式掃描，就可以對(duì)應(yīng)生成更為有趣的超聲波測(cè)距軌跡曲線動(dòng)態(tài)圖。如果在Python代碼中使用matplotlib.pyplot不是進(jìn)行折線圖的繪制，而是極坐標(biāo)圖像，這樣就可以得到類似于影視劇中雷達(dá)掃描的實(shí)時(shí)監(jiān)控畫面了，大家不妨一試。