# 20201021_超音波實驗報告

## 實驗目的
評估以F103取代8051控制SR04電路後的性能表現。

## 實驗描述
利用育成中心頂樓場地，測量不同角度下，依模組成功測得距離資訊的機率取最遠距離，如俯視圖所示，場地地上以粉筆標示出距離與角度，模組離地約111cm，被測人物穿著台達工作上衣，模組高度約落在人物肚臍上方，與上衣口袋開口齊平。

## 實驗過程
被測人物由直線開始以適當距離站直，兩腳腳跟併攏於等角度線上，兩手維持背在身後以減少正面面積(人物正面寬約55~70cm)，循同角度的延伸直線上面向模組循等角度線前後移動，直到螢幕觀察者判斷已達無法測得的距離(相隔15~20秒以上仍無測得)，記錄此距離與角度並改變角度重複以上過程，直到模組朝向的半圓上所有角度測量完畢，透過照片與檔案紀錄實驗結果。

### 模組韌體行為
以7短1長的差分訊號，透過Tx元件每隔100ms發射一次超音波並等待回波，收到回波才計算顯示距離，若直至再次發射時間仍未收到回波，則於發射前重設所有參數且不計算顯示距離。
(參考:SR04模組提供資料上載明的最遠測得距離為600cm，對應聲波往返耗時約34.8ms，官方建議測量時隔60ms)

### 場地與地面標示

### 模組高度示意與人物被策過程

### 測距模組描述
#### 測量模組A
除了8051被焊下外沒有異動，相較其他模組其原始性能較佳。

#### 測量模組B
因原始性能較差，只能量測到直線上的硬物，人物則約一米內直線上才可能被量測到(工作室內)，因此修改了R2電阻(56K->120K)，Rx元件接收電路的第一級放大倍率約增至2倍。

#### 測量模組C
R2=56K->120K, R12=75K，實驗中發現性能表現尚不穩定，易於空曠處測得距離，因此從這兩日實驗中被移除。

#### 測量模組D
R12=75K，其他與A相同，作為A的性能對照。

### 量測時螢幕截圖

### 模組訊號波形
Tx元件

Rx電路接收訊號(LM324_pin7)與threshold訊號
第一個波包較大成分為Tx元件發射時經過空氣抵達
第二個波包為超音波接觸物體反射後抵達接收電路

## 階段心得與改進(0921)
### 實驗作法改善
格線採用膠帶代替粉筆，應具有較好防水性能，可避免雨後結果遺失。
距離與角度的標示可配合俯視照片調整閱讀朝向。
於天台上拍攝時應對齊模組中心與零點，應可減少視覺上的角度偏移。
風速的方向與大小可能是一項必須記錄的條件。
實驗時應盡量淨空模組擺放的紙箱桌面，已知哀鳳2020SE明顯會干擾到模組，未知其餘可能的電磁干擾源，因此桌面上只留下筆電與模組相關電路為佳。

### 韌體上的改進
判斷量測性能上仍以人為主，若要去除人為判斷影響，軟體做法上需先釐清並定義幾個名詞：
因為實驗與實際採用時的測距流程需避開前後次發射超音波的干擾，所以每次測距流程需相隔一定時間，此時隔根據超音波模組的極限性能而定，定為100ms，每次測距流程不一定會收到回波，若有則顯示距離，若無則不顯示，因此在性能邊界處可能發生久久無法測得距離的情形，表現上為螢幕久久無法顯示新的測資。

### 測得率
因為以上原因，所以我們評估超音波測距性能的方式是衡量該模組在極限距離與角度上測得距離的機率，此為測得率。

### 單位時間測得率
評估測得率需取得多次樣本，若一段時間內發射多次超音波皆難以甚至無法測得距離，則該段時間測得距離的機率趨近為零，目前人力判斷上取15~20秒為一段時間，即若連續15s/100ms=150次以上都無法測得距離，則判斷對應距離與角度的測得率為零。
韌體上應計量單位時間的流程次數與成功測得距離的次數，計算測得率並顯示在螢幕上輔助判斷。

## 實驗結果
### 40kHz

| | A | B | D |
| -------- | -------- | -------- | -------- |
| 角度(度) | 距離(cm) | 距離(cm) | 距離(cm) |
| -30 | 125 | 155 | 0 |
| -22.5 | 185 | 230 | 168 |
| -15 | 225 | 262 | 182 |
| -7.5 | 267 | 295 | 231 |
| 0 | 290 | 318 | 243 |
| 7.5 | 285 | 318 | 263 |
| 15 | 235 | 263 | 223 |
| 22.5 | 159 | 232 | 170 |
| 30 | 123 | 125 | 123 |


時間：2020/9/17 16:07
天氣：晴朗
溫度：34.5℃
濕度：59%
風速：無風

### 39kHz

| | A | B | D |
| -------- | -------- | -------- | -------- |
| 角度(度) | 距離(cm) | 距離(cm) | 距離(cm) |
| -30 | 116 | 174 | 0 |
| -22.5 | 173 | 224 | 143 |
| -15 | 198 | 296 | 170 |
| -7.5 | 237 | 318 | 240 |
| 0 | 230 | 311 | 253 |
| 7.5 | 221 | 320 | 203 |
| 15 | 215 | 264 | 205 |
| 22.5 | 160 | 185 | 170 |
| 30 | 0 | 0 | 0 |


時間：2020/9/18 15:53
天氣：陰雲
溫度：32.4℃
濕度：78%
風速：速度未知，方向紀錄於相片中捲尺擺放方向

2020/09/23補測D
時間：2020/9/23 17:15
天氣：陰雲
溫度：28℃
濕度：71%
風速：速度未知，方向大致同2020/09/18

### A模組變化

| | 40kHz | 39kHz |
| -------- | -------- | -------- |
| 角度(度) | 距離(cm) | 距離(cm) |
| -30 | 125 | 116 |
| -22.5 | 185 | 173 |
| -15 | 225 | 198 |
| -7.5 | 267 | 237 |
| 0 | 290 | 230 |
| 7.5 | 285 | 221 |
| 15 | 235 | 215 |
| 22.5 | 159 | 160 |
| 30 | 123 | 0 |


### B模組變化

| | 40kHz | 39kHz |
| -------- | -------- | -------- |
| 角度(度) | 距離(cm) | 距離(cm) |
| -30 | 155 | 174 |
| -22.5 | 230 | 224 |
| -15 | 262 | 296 |
| -7.5 | 295 | 318 |
| 0 | 318 | 311 |
| 7.5 | 318 | 320 |
| 15 | 263 | 264 |
| 22.5 | 232 | 185 |
| 30 | 125 | 0 |


### D模組變化

| | 40kHz | 39kHz |
| -------- | -------- | -------- |
| 角度(度) | 距離(cm) | 距離(cm) |
| -30 | 0 | 0 |
| -22.5 | 168 | 143 |
| -15 | 182 | 170 |
| -7.5 | 231 | 240 |
| 0 | 243 | 253 |
| 7.5 | 263 | 203 |
| 15 | 223 | 205 |
| 22.5 | 170 | 170 |
| 30 | 123 | 0 |


### 39.5kHz

| | A |
| -------- | -------- |
| 角度(度) | 距離(cm) |
| -30 | 0 |
| -22.5 | 151 |
| -15 | 219 |
| -7.5 | 233 |
| 0 | 233 |
| 7.5 | 238 |
| 15 | 236 |
| 22.5 | 150 |
| 30 | 128 |


實驗結果
時間：2020/9/23 16:07
天氣：晴朗
溫度：34.5℃
濕度：59%
風速：無風

## 2020/10/12改動
C、D的R12電阻回復56K，因此所有模組的R12皆為56K，但B、C的R2維持120K，較原版的第一級放大倍率略有增加
A、B、C、D模組接線重新焊接，因觀察到Signal訊號對干擾敏感，將整組Threshold、Signal訊號線以屏蔽線更新，依訊號傳輸方向(模組->F103)與小澤建議，從模組端接地，接F103端夾上杜邦母頭。
新增8顆只有Rx元件的模組，該類模組Tx元件接地處理。
觀察所得已知的干擾源：Signal線路、WIFI熱點、USB線路

## 待測實驗
測得率80%以上範圍與角度。

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