树莓派绘制超声波测距轨迹曲线

牟晓东

在开源硬件编程中，我们都会实时获取测量生成的实验数据，比如温湿度传感器对环境温度和湿度进行监测而产生的数据。通常情况下，我们会先将这些实验数据写入文件（比如CSV格式文件），然后进行数据整理，再绘制拟合图像，最终总结得出实验结论。其实，对于一些非常直观的测量数据，我们可以“跳”过数据整理，直接将它们“画”出来，以动态曲线的形式进行展示。以超声波传感器的“测距值”为例，我们在树莓派中分别通过Python代码编程和古德微“积木”图形化编程两种方法，来实现超声波测距轨迹曲线的动态绘制。

实验器材包括树莓派3B+和古德微扩展板各一块，HC-SR04超声波传感器一个，移动电源一个。首先，将超声波传感器的四个引脚（VCC、Trig、Echo和GND）对应插入扩展板的20和21号引脚，方向朝外;然后，通过数据线将树莓派与移动电源连接，通电，启动操作系统（如图1）。

一、Python代码编程绘制超声波测距轨迹曲线

1.远程登录树莓派，导入待用的库模块

运行Windows的“远程桌面连接”，输入树莓派的IP地址（比如192.168.1.116），登录成功后点击“编程”-“Thonny Python IDE”菜单，启动Python编辑器，导入库模块：“import numpy as np”、“import matplotlib.pyplot as plt”、“from matplotlib import animation”、“from gpiozero import DistanceSensor”和“import time”（如图2），其中的numpy、matplotlib.pyplot和animation是负责数据生成和绘制曲线图像的，gpiozero库中DistanceSensor类是用来控制超声波传感器的。

2.初始化及数据获取

首先，建立变量sensor，对超声波传感器的类进行实例化：“sensor = DistanceSensor（echo=21，trigger=20，max_distance=4）”，注意其中的“echo=21”和“trigger=20”分别对应超声波传感器的信号回收与发射引脚号21和20，而“max_distance=4”的作用是设置超声波传感器的最大检测距离为4（单位是“米”），如果不设置，则最大只能测量至1米的极限值（HC-SR04超声波传感器可提供2cm-400cm的非接触式距离感测功能）。

接着，进行图像绘制前的数据准备，横坐标x是通过numpy库中的linspace（）来生成，范围为从0至100：“x = np.linspace（0，100，100）”;纵坐标y先设置为一个“空列表”：“y = []”，建立变量dis，作用是保存超声波传感器的“测距”值，初值为0：“dis = 0”;然后建立一个for循环结构（for i in range（100）：），其中的第一行语句“dis = round（sensor.distance，2）”作用是为变量dis赋值，通过round（）函数来保留两位小数;第二行语句“print（dis）”是将dis保存的测距值在屏幕上同步输出显示;第三行语句“y.append（dis）”作用是将测距值追加至列表y中;第四行语句“time.sleep（0.1）”是控制程序暂停0.1秒钟，然后进入下一次循环，获取下一个测距值（如图3）。

3.绘制“测距值”轨迹动态曲线图

绘制动态（包括静态）曲线图需要创建画布和子图：“fig，ax = plt.subplots（dpi=200）”，其中的“dpi=200”是设置显示分辨率的，可根据情况自行设置;接着，进行曲線的绘制：“line， = ax.plot（x，y，ls='-'，lw=1，color='cornflowerblue'）”，其中的参数含义分别是横坐标值x、纵坐标值y、绘制线的类型与宽度，以及线的颜色;然后，自定义建立一个帧画布的更新函数update（），其中的第一个语句是“line.set_data（x[：i]，y[：i]）”，作用是将动态检测生成的每一组数据（横坐标x值和纵坐标y值）进行“切片”操作后，作为数据源提供给后面的animation.FuncAnimation进行曲线绘制;第二个语句“return line，”是将line值返回。

接着，进行曲线动画的生成，建立变量ani，调用animation.FuncAnimation（）并进行相关参数的设置，其中包括：语句“fig=fig”，作用是设置绘制动态图的画布名称;语句“func=update”，作用是调用自定义动画函数update（），注意不要带括号;语句“fargs=（line，）”，作用是除frames之外需要向func传递的参数;语句“frames=len（x）”，作用是控制生成的动画长度（一次循环所包含的帧数目）;语句“interval=50”，作用是设置更新的频率，单位是ms（毫秒）;语句“blit=True”，作用是选择更新所有点还是仅更新产生变化的点;最后，通过语句“plt.show（）”将图像进行显示（如图4）。

4.程序的运行测试

将程序保存为“超声波测距轨迹曲线”后点击“运行”按钮，然后控制树莓派带动超声波传感器转动，或朝向墙面等障碍物靠近与远离，大约持续10秒钟后（程序的循环结构：100×0.1=10），此时，就会在屏幕上看到有超声波传感器“测距值”数据不断出现：0.46、0.49……接着，就会弹出一个名为“Figure 1”的图片窗口，绘制的正是动态的超声波测距轨迹曲线，而且会不断循环播放之前程序所监测获取的100个数据（如图5）。

程序可以重复运行，获取到不同的超声波测距值，对应不同的动态轨迹曲线。而且，我们还可以修改程序中的循环次数（比如300），或是修改曲线绘制的速度（在变量ani调用animation.FuncAnimation（）中“interval=50”处设置），当然也包括曲线的颜色、宽度等，都可以尝试。

二、图形化编程绘制超声波测距轨迹曲线

1.登录古德微机器人平台，完成“积木”图形化编程

访问古德微机器人网站（http：//www.gdwrobot.cn），登录进入自己账号后点击“设备控制”进入“积木”界面。

首先，进行物联网服务器的设置，从左侧“物联网”-“常用”中将“设置物联网服务器”功能模块拖动至主界面，保持其默认的服务器“www.gdwrobot.top”和端口“1883”不变，下方的用户名和密码均保持为空;接着，建立一个重复执行100次的循环结构，建立名为“超声波测距”的变量，为其赋值为“智能硬件”-“常用”中的“超声波测距”项，并进行保留两位小数的四舍五入处理;然后通过“输出调试信息‘超声波测距”，在LOG调试信息区将超声波传感器每次获取的“测距”值进行显示输出;接着，从“物联网”-“常用”中拖动出“发送主题”功能模块，并且设置好对应的信息：“向‘luke007发送主题‘distance的数据‘超声波测距”，其中的“luke007”对应自己的登录账号，主题名为“distance”;最后，添加一条“等待0.3秒”的循环间隔时间，点击“保存”按钮将程序保存为“绘制超声波测距轨迹曲线”（如图6）。

2.设置动态曲线绘制参数

点击“更多功能”按钮后再点击“采集数据”按钮，进行动态曲线绘制的相关设置：將“采集标题”设置为“绘制超声波测距轨迹曲线”;第二行的服务器地址和端口号同样均保持默认不变（与“积木”图形化编程一致），可尝试点击后面的“测试连接”按钮进行测试，正常的话会出现“连接成功”的提示;第三行的“功能描述”设置为“使用超声波传感器进行绘图”（可自定义），“树莓派编号”处填写为“luke007”、“主题”填写为“distance”，同样是与图形化编程一一对应，后面的数值单位设置为“厘米”;最后，点击“保存”按钮，将本次的数据采集参数设置项目保存（如图7）。

3.程序的运行测试

点击“开始采集”按钮后再次返回到“积木”区，点击“连接设备”按钮再点击“运行”按钮，同时再移动树莓派带动超声波传感器做各种转向和移动操作;LOG调试显示区每隔0.3秒钟就会出现一个“测距值”，同时在“图表展示”窗口就会出现一个名为“绘制超声波测距轨迹曲线”在动态变化，描绘的正是超声波传感器所测量的与障碍物间的距离值（如图8）。

程序的升级改进建议：

如果将舵机连接至树莓派，同时再借助于滑环将超声波传感器的连接线与扩展板进行“转接”;然后在程序中加入控制舵机进行360度旋转，或是循环“摆头”式往返旋转，带动超声波传感器对周围的障碍物进行“半自动”式扫描，就可以对应生成更为有趣的超声波测距轨迹曲线动态图。如果在Python代码中使用matplotlib.pyplot不是进行折线图的绘制，而是极坐标图像，这样就可以得到类似于影视剧中雷达扫描的实时监控画面了，大家不妨一试。