HC-SR04 초음파 센서는 물체와의 거리를 측정하는 데 사용되는 센서로, 소닉 에코로케이션 원리를 사용해요. 이 센서는 소리 파동을 사용하여 물체와의 거리를 정밀하게 측정할 수 있어요.HC-SR04의 작동 원리는 다음과 같은 단계로 설명할 수 있어요.
- 트리거 신호:
- 센서를 작동하기 위해, 마이크로컨트롤러(예: 아두이노)는 센서의 트리거 핀에 10 마이크로초(μs) 이상의 고전압(5V) 신호를 보내요.
- 초음파 파동 발생:
- 트리거 신호를 받은 센서는 초음파 송신기를 통해 40kHz의 초음파 파동을 연속적으로 8개 발사해요.이 파동은 공기 중을 진행하며 전방의 물체에 도달해요.
- 에코 반사:
- 초음파 파동은 물체에 부딪히고 반사되어 센서로 돌아와요.이 반사된 파동을 ‘에코’라고 해요.
- 에코 수신:
- 센서의 초음파 수신기는 에코를 감지하고, 이에 대한 신호를 센서의 에코 핀을 통해 마이크로컨트롤러에 전달해요.
- 시간 측정:
- 마이크로컨트롤러는 트리거 신호를 보낸 시점부터 에코 신호가 도착할 때까지 걸린 시간을 측정해요.이 시간은 초음파 파동이 물체에 도달해서 반사되어 돌아오는 데 소요된 총 시간이며, 이를 ‘타임 오브 플라이트'(Time of Flight)라고 해요.
- 거리 계산:
- 거리는 소리의 속도(공기 중 약 343m/s)와 타임 오브 플라이트를 사용하여 계산돼요. 하지만 실제 계산에서는 초음파가 목표물에 도달하는데 걸린 시간과 돌아오는데 걸린 시간을 모두 포함하기 때문에, 총 거리를 2로 나누는 계산이 필요 해요.
거리(D) = 속도(V) × 시간(T) / 2
여기서 V는 소리의 속도(온도와 대기압에 따라 달라질 수 있음), T는 초음파가 이동하는 데 걸린 총 시간이에요.
- 온도 보정:
- 공기 중 소리의 속도는 온도에 따라 변화하므로, 보다 정확한 거리 측정을 위해 온도 보정을 수행할 수 있어요. 온도가 높아질수록 소리의 속도는 증가해요. 이를 반영하여 측정 알고리즘에 온도 관련 변수를 포함시킬 수 있어요.
- 각도와 물체의 표면:
- 초음파 센서는 물체의 표면이 센서에 정면으로 마주할 때 가장 정확한 값을 제공해요. 만약 물체가 기울어져 있거나 표면이 거칠면, 초음파 신호가 흡수되거나 다른 방향으로 흩어질 수 있으며, 이는 측정 오차를 유발할 수 있어요.
HC-SR04 초음파 센서는 비교적 정확하고 저렴한 거리 측정 솔루션을 제공하며, 로봇 공학, 자동 주차 시스템, 물체 감지 시스템 등 다양한 응용 분야에서 널리 사용돼요.온도와 같은 환경적 요인이 소리의 속도에 영향을 줄 수 있으므로, 보다 정확한 거리 측정을 위해서는 이러한 요인을 고려해야 할 수도 있어요.