Arduino Yun + 超声波传感器构建 180° 环境扫描成像仪：配合 MATLAB 可视化

项目原理

利用 HC-SR04 超声波测距模块安装在 Tower Pro MG996R 舵机臂上，舵机以 1° 步进扫描 0°~180°。每个角度采集 10 次超声波读数取平均，通过串口实时发送至 PC。PC 端运行 MATLAB 脚本，将极坐标 (角度, 距离) 转换为笛卡尔坐标 (x, y) 并实时绘制散点图，形成类似激光雷达的 2D 环境轮廓。

硬件清单

• Arduino Yun (或 Uno/Nano 等任意 Arduino 兼容板) ×1
• HC-SR04 超声波模块 ×1
• Tower Pro MG996R 金属齿轮舵机 ×1
• Arduino 原型扩展板 ×1 (便于焊接排针)
• 双面胶、万用板、排针排母若干
• 跳线 ×10

机械组装

1. 在万用板焊接 HC-SR04 排针座，用双面胶固定于舵机舵盘 (舵机臂) 上，传感器朝前。
2. 将舵机机身用双面胶粘贴在原型扩展板凸出的 USB 接口一侧，整体形似 "Wall-E 腹部"。
3. 接线：HC-SR04 VCC/Trig/Echo/GND → 5V/D12/D11/GND；舵机信号线 → D9，电源并联 5V/GND (建议外接 5V 2A 电源避免 USB 电流不足)。

Arduino 固件 (核心逻辑)

#include <Servo.h>
#include <NewPing.h>
#define TRIGGER_PIN 12
#define ECHO_PIN 11
#define MAX_DISTANCE 200

NewPing sonar(TRIGGER_PIN, ECHO_PIN, MAX_DISTANCE);
Servo myservo;
const int samples = 10;

void setup() {
  myservo.attach(9);
  Serial.begin(9600);
  delay(3000); // 等待 MATLAB 打开串口
}

void loop() {
  for (int angle = 0; angle < 180; angle++) {
    myservo.write(angle);
    delay(20); // 舵机到位
    long sum = 0;
    for (int i = 0; i < samples; i++) {
      sum += sonar.ping_cm();
      delay(30);
    }
    int avg = sum / samples;
    Serial.println(avg); // 每行一个整数 cm
  }
}

MATLAB 可视化脚本

theta = 0:(pi/180):pi;          % 0~180° 弧度
s = serial('COM10');            % 修改为实际端口
s.BaudRate = 9600;
fopen(s);

num = zeros(1,180);
for i = 1:180
  num(i) = str2double(fgets(s));
end
fclose(s);

% 极坐标转笛卡尔
x = num .* cosd(0:179);
y = num .* sind(0:179);

figure;
plot(x, y, 'b.', 'MarkerSize', 6);
axis equal; grid on;
xlabel('X (cm)'); ylabel('Y (cm)');
title('180° Ultrasonic Scan');

实测效果与误差分析

实测在一个 60×40 cm 纸箱内，扫描结果能清晰还原箱体轮廓，但存在以下误差源：

• 舵机运动抖动导致声波波前倾斜，边缘读数偏大。
• HC-SR04 最小测距 2 cm，最大 200 cm，超过范围返回 0 或 200。
• 超声波波束角约 15°，平行墙面会产生多径反射噪点。

改进方向：

1. 改用 TFmini Plus 等 ToF 激光雷达模块，分辨率 cm 级、扫描频率 100Hz。
2. 舵机改为步进电机 + 编码器闭环，消除抖动。
3. 在 Arduino 端实现滑动窗口中值滤波，减少离群值。
4. 将 MATLAB 替换为 Python (pyserial + matplotlib) 实现跨平台免费部署。

扩展应用

• 机器人避障与 SLAM 入门实验平台。
• 结合摄像头做传感器融合 (超声波测距 + 视觉语义)。
• 教学演示：声纳原理、极坐标转换、串口通信、实时绘图。

原理图与资源

Fritzing 文件 YunConfig.fzz 包含完整接线，可在 Schematics 标签页下载。