張旭豐

Posted on Jun 28

用超聲波加紅外線達成全向障礙偵測：Arduino 雙感測器整合

#arduino #超聲波 #紅外線 #感測器

Arduino 超聲波與紅外線感測器整合：打造全向障礙偵測系統

為光譜裡誰做：阿哲（想做避障小車）
Parent Gene：超聲波感測（14）、紅外線感測（09）

概念句：用超聲波加紅外線達成全向障礙偵測

想像一下：你在桌子上的小型避障小車，忽然遇到一隻手、一塊淺色保麗龍、和遠處的牆——三種不同的障礙，它都能正確停下來嗎？

單一感測器做不到。但把超聲波感測器（HC-SR04）和紅外線感測器加在一起，就可以。

1. 為什麼要整合？（互補特性分析）

超音波感測器（HC-SR04）

原理：發射超聲波，計算回傳時間 \text{Distance} = \frac{\text{Sonic Speed} \times \text{Time}}{2}。
優點：測距範圍廣（約 2cm ～ 400cm），對物體顏色不敏感。
缺點：
- 盲區：太近的物體測不准。
- 聲波散射：面對傾斜表面或吸音材料（海綿、布料）時，聲波被散射而回傳失敗，導致「看不見」障礙物。

紅外線感測器

原理：發射紅外光，偵測反射回來的光強度。
優點：反應速度快，適合近距離偵測（邊緣偵測、極近障礙）。
缺點：
- 深色物體吸收紅外光：黑色或深色表面會讓偵測距離大幅縮短甚至完全偵測不到。
- 環境光干擾：強烈陽光（含紅外線成分）可能造成誤判。

整合策略：雙重驗證

情境	超音波結果	紅外線結果	系統判定
遠處有牆	\text{Distance} < 20\text{cm}	無觸發	障礙物（遠）
面對淺色保麗龍（多孔）	無回傳（散射）	觸發（吸光少）	僅超聲波（超聲波盲，IR 補上）
面前有白色牆壁	\text{Distance} < 5\text{cm}	觸發	障礙物（極近）
空曠環境	\text{Distance} > 20\text{cm}	無觸發	安全

阿哲可能遇到的問題：為什麼淺色保麗龍讓超聲波「失效」了，但紅外線卻測到了？因為保麗龍表面軟、多孔，聲波散射回不上來，但紅外光仍能反射回讀——兩種感測器的物理特性不同，剛好互補。

2. 硬體接線

元件清單

Arduino Uno 或 Nano × 1（約 NT200-300）
HC-SR04 超聲波模組 × 1（約 NT50-80）
紅外線障礙偵測模組 × 1（約 NT30-50）
麵包板、杜邦線

接線表

元件	引腳	Arduino 引腳	說明
HC-SR04	VCC	5V	電源
	Trig	D9	觸發脈衝
	Echo	D10	接收回傳
	GND	GND	接地
IR Sensor	VCC	5V	電源
	OUT	D2	偵測訊號（Low = 偵測到）
	GND	GND	接地

3. 程式碼實現

// 定義引腳
const int TRIG_PIN = 9;
const int ECHO_PIN = 10;
const int IR_PIN = 2;

const long MAX_DISTANCE = 300; // sentinel 值：代表「測不到/超範圍」，不是真實可測距離（pulseIn timeout 限制實測上限約 51cm）
const int DEBOUNCE_COUNT = 3;   // 連續偵測次數

int stableCount = 0; // 紅外線穩定計數

void setup() {
  Serial.begin(9600);
  pinMode(TRIG_PIN, OUTPUT);
  pinMode(ECHO_PIN, INPUT);
  pinMode(IR_PIN, INPUT);
  digitalWrite(TRIG_PIN, LOW);
  Serial.println("System Initialized: 超聲波 + 紅外線融合");
  Serial.println(">> 校準：打開 Serial Monitor，確認數值正常 <<");
}

long getUltrasonicDistance() {
  digitalWrite(TRIG_PIN, LOW);
  delayMicroseconds(2);
  digitalWrite(TRIG_PIN, HIGH);
  delayMicroseconds(10);
  digitalWrite(TRIG_PIN, LOW);

  // pulseIn timeout = 3000μs → 實測上限約 51cm（來回 102cm）。超過就回傳 MAX_DISTANCE（sentinel）
  long duration = pulseIn(ECHO_PIN, HIGH, 3000);
  if (duration == 0) return MAX_DISTANCE; // 無回傳視為超範圍 / 未知
  return duration * 0.034 / 2;
}

void loop() {
  long distance = getUltrasonicDistance();
  int irDetected = digitalRead(IR_PIN);

  Serial.print("距離: ");
  Serial.print(distance);
  Serial.print(" cm | IR: ");
  Serial.println(irDetected == LOW ? "偵測到！" : "無");

  // 整合邏輯：加括號避免優先順序錯誤
  bool ultrasonicTrigger = (distance > 0 && distance < 20);
  bool irTrigger = (irDetected == LOW);

  // 防雜訊：紅外線連續 3 次偵測到才算數
  if (irTrigger) {
    stableCount++;
  } else {
    stableCount = 0;
  }

  if (ultrasonicTrigger || (stableCount >= DEBOUNCE_COUNT)) {
    Serial.println(">>> 障礙物！停車！ <<<");
    // motorStop(); // 在這裡加入馬達停止指令
  } else {
    Serial.println("路徑暢通，前進中...");
    // motorForward(); // 在這裡加入馬達前進指令
  }

  delay(200);
}

技術細節：為什麼要加 timeout？

pulseIn()預設可以等很久。如果超聲波沒收到回傳（例如面對吸音海綿），它會卡住直到收到為止——這段時間小車可能已經撞上了。

加入 timeout 參數（微秒）後，3ms（= 3000 微秒）內沒收到回傳就回傳 0，我們立刻知道「這次沒測到」，而不會卡死。聲音在空氣中每秒約走 340 公尺，也就是每秒 34,000 公分，所以每微秒約 0.034 公分。duration * 0.034 / 2 這個公式就是把微秒轉換成來回的距離（公分）。

MAX_DISTANCE 只是 sentinel 值，表示「測不到」，不代表真的 300cm。當超聲波完全收不到回傳時，pulseIn 回傳 0，我們回傳 MAX_DISTANCE，邏輯會走到 distance > 0 && distance < 20 這個超聲波觸發條件，結果是 false——這時候紅外線的 stableCount 就會在它感測到障礙時觸發。兩個感測器互相當作 backup。

4. 動手驗證（阿哲測試清單）

超聲波測試：拿一本書慢慢靠近，Serial Monitor 顯示的數值是否符合實際距離？
紅外線測試：用手靠近/遠離模組，觀察訊號燈和 Serial Monitor 輸出。
軟質材料測試：拿一塊白色或淺色保麗龍測試——超聲波可能失效（散射），但紅外線仍能偵測到（淺色表面反射紅外光良好），這正是兩種感測器互補的好例子。黑色海綿則是兩者的共同盲區——聲波散射 + 紅外光吸收，同時失效。
整合測試：同時觸發兩個感測器，確認「雙重驗證」邏輯正確。

5. 讓阿哲問的問答

Q：為什麼保麗龍讓超聲波測不准？
A：超聲波靠「聲波反射」回傳資訊。保麗龍、海綿等軟質/多孔材料會把聲波散射吃掉，幾乎沒有反射。紅外線靠「光反射」，如果表面是淺色，同樣能反射回讀——兩者互補。

Q：可以把這個邏輯用在循線小車上嗎？
A：可以。把紅外線模組朝下安裝，當車輪接近桌面邊緣時，紅外線訊號會從「無反射」變成「有反射」（桌面 vs. 懸空），就能及時停住。

Q：pulseIn 的 timeout 要設多少？
A：這題是物理+設定的混合問題。pulseIn() 的 timeout 參數單位是微秒（μs）。聲音在空氣中每秒約走 340 公尺（每秒 34,000 公分），所以每微秒約走 0.034 公分。來回 100cm（大約手臂伸直的距離）約需 2.9ms（= 2900 微秒）。pulseIn() 設 3000（微秒）表示：等 3ms 還沒有回傳就放棄。實務上 3ms timeout 讓 HC-SR04 最遠約測到 51cm（單程）——超過這個距離的障礙，會被視為「無障礙」。這是超聲波感測器的物理上限，不是程式的錯。

結論

超聲波的「遠距掃描」與紅外線的「近距補完」，剛好從兩個方向覆蓋了單一感測器的盲區。

這個整合做起來不貴（全部材料約 NT300 以內），邏輯也清晰——而且讓你真正理解「感測器融合」在實務上長什麼樣子。

動手門檻：國中生程度可以接線，但程式邏輯建議有高一以上基礎。或請旭豐帶你走一遍。

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