~機械の「目」~測距センサのヒミツ

私たちの周りには、障害物までの距離を測って動く機械がたくさんあります。自動運転の車やルンバなどのお掃除ロボットもその一つです。こうした「自分で動ける系の機械」の「目」として活躍するのが測距センサーです。今回はMonoboardに搭載されている「超音波センサー(測距センサの一種)」について、わかりやすく解説していきます。

〜超音波で距離を測る仕組み〜

超音波距離センサ(US-015)は人間の耳には聞こえない超音波(約40kHz)を発射し、その波が物体に衝突し、反射してセンサーに戻ってくるまでの時間を測定しています。その測定した時間と音速(340m/s)をかけて、2で割ることによって「センサから物体までの距離(片道分だから2で割る)」を求めています。

超音波を送信してから受信するまでの時間(超音波が往復するのにかかった時間)をICで測定しています。(センサーの裏面に取り付けられている、赤枠で囲まれたICです)

距離の計算式はシンプルで、

距離 = 音が往復した時間 × 音速 ÷ 2

たとえば20℃の空気中での音速は約342 m/s。音が0.01秒で戻ってきたら、

距離 = 0.01 × 342 ÷ 2 ≒ 1.7 m となります。

温度によって音速は変わるため、精密に測るときは温度補正が大切な要素になってきます。

実際の距離の計算はPico側で行われており、センサから、測定時間に応じた長さのパルス波

(短い時間で急激に変化し、元の状態に戻る瞬間的な信号)が出力されます。Picoはこのパルス波のパルス幅から測定時間を読み取って、距離のデータへと変換している訳なんです。(計算式は上に書いている通りです)

また、センサを動かす際にはPicoからTrigger信号という入力信号(パルス波)を一回入力する必要があり、その入力信号を合図にセンサが超音波を発射するという仕組みになっています。

・物体までの距離が近い→超音波の往復時間が短い→パルス幅も短い

・物体までの距離が遠い→超音波の往復時間が長い→パルス幅も長い

特徴と性能

MonoBoardで使用しているUS-015は小さくても性能が高く、自作ロボットや電子工作にぴったりです。電源電圧は5V程度で駆動し、消費電流は僅かに2mAという他の測距センサーと比較しても低い値になっています。通信モードはいくつか(GPIO/Echo-Trigger)選択できるのですが、自作基板ではEcho-Triggerモードで動作させています。

自作基板ではLEDと組み合わせた応用例に取り組んでいますが、他にもディスプレイと組み合わせての測定結果の表示、モーターと組み合わせての障害物回避機能など、測距センサー×〇〇のアイデア次第で電子工作の幅を広げることができます。ぜひ、あなたのアイデアを形にしてみましょう！