Raspberry Piで測距センサー(HC-SR04)で距離を計測すると測定結果(距離)が安定しない

Question

前提・実現したいこと

Raspberry Piで測距センサー(HC-SR04)で距離を計測するプログラムを書いています。
距離をコンソールに表示させるとともに、距離に応じて3つのLEDがそれぞれ点灯するようにしたいです。
具体的には、障害物との距離が50cm未満の時はLED1が点灯し、50cm以上100cm未満の時LED2が点灯し、100cm以上の時はLED3が点灯するようにしたいです。

発生している問題・エラーメッセージ

60cmくらいの距離に障害物を置いて、Raspberry Piを起動すると、しばらく(30秒程)は60cmだったり150cmだったりと表示され、それにともないLED2が点灯したりLED3が点灯したりと安定しません。(LED1が点灯することはほとんどありません)
30秒をすぎる頃から安定してLED2のみが点灯するようになります。

想定でも結構ですので原因や対処法を教えていただけませんか？
当方距離センサーに関してはあまり詳しくありません。
今作成中のプログラムは以下です。こちらのサイトを参考にしました。

温度センサーがないので(使用しないので)下記のget_distance関数のtempはデフォルトの15で計算されています。

該当のソースコード

import RPi.GPIO as GPIO
import time

def pulse_in(pin, value=GPIO.HIGH, timeout=1.0):
    start_time = time.time()
    not_value = (not value)

    # 前のパルスが終了するのを待つ
    while GPIO.input(pin) == value:
        if time.time() - start_time > timeout:
            return 0

    # パルスが始まるのを待つ
    while GPIO.input(pin) == not_value:
        if time.time() - start_time > timeout:
            return 0

    # パルス開始時刻を記録
    start = time.time()

    # パルスが終了するのを待つ
    while GPIO.input(pin) == value:
        if time.time() - start_time > timeout:
            return 0

    # パルス終了時刻を記録
    end = time.time()

    return end - start

def get_distance(trig, echo, temp=15):
    # 出力を初期化
    GPIO.output(trig, GPIO.LOW)
    time.sleep(0.3)
    # 出力(10us以上待つ)
    GPIO.output(trig, GPIO.HIGH)
    time.sleep(0.000011)
    # 出力停止
    GPIO.output(trig, GPIO.LOW)
    # echo からパルスを取得
    dur = pulse_in(echo, GPIO.HIGH, 1.0)

    # ( パルス時間 x 331.50 + 0.61 * 温度 ) x (単位をcmに変換) x 往復
    return dur * (331.50 + 0.61 * temp) * 100 / 2

if __name__ == "__main__":

    GPIO_TRIG = 21
    GPIO_ECHO = 20

    OUT01= 17
    OUT02 = 13
    OUT03 = 23

    GPIO.setmode(GPIO.BCM)
    GPIO.setup(GPIO_TRIG, GPIO.OUT)
    GPIO.setup(GPIO_ECHO, GPIO.IN)

    GPIO.setup(OUT01, GPIO.OUT)
    GPIO.setup(OUT02, GPIO.OUT)
    GPIO.setup(OUT03, GPIO.OUT)

    try:
        while True:
            kyori = round(get_distance(GPIO_TRIG, GPIO_ECHO))
            if kyori < 50:
                print("50cm未満           : 距離：{0} cm".format(kyori))

                GPIO.output(OUT01, GPIO.HIGH)
                GPIO.output(OUT02, GPIO.LOW)
                GPIO.output(OUT03, GPIO.LOW)

            elif 50 <= kyori < 100:
                print("50cm以上100cm未満  : 距離：{0} cm".format(kyori))

                GPIO.output(OUT01, GPIO.LOW)
                GPIO.output(OUT02, GPIO.HIGH)
                GPIO.output(OUT03, GPIO.LOW)

            elif 100 <= kyori:
                print("100cm以上          : 距離：{0} cm".format(kyori))

                GPIO.output(OUT01, GPIO.LOW)
                GPIO.output(OUT02, GPIO.LOW)
                GPIO.output(OUT03, GPIO.HIGH)
        
            time.sleep(0.01)
    except KeyboardInterrupt:
        pass

    GPIO.cleanup()

補足情報（FW/ツールのバージョンなど）

Raspberry Pi 3 model B
raspbian 9.11
Python 3.5.3

Answer 1

プログラムの原因ではなく、ハードの原因（電圧）が強く疑われます。

というのも、同様のセンサー（たぶんチップ等は同一）を使ったことがあり、不安定だった件を問い合わせをしたことがあるためです。その際に、

• 通常のセンサーよりも電圧の揺らぎに弱い
• 電源を安定化させると動作が良くなる

（1.5Vアルカリ電池×複数経由で用意した電源 > 1.2V充電池×複数経由で用意した電源の違いでセンサーの動作が不安定になる。USB接続の外部バッテリーなんかを使うと安定する）

と教えていただきました。

skmt33さんの例でいえば、
RPi起動直後は不安定…起動直後はRPi自体の計算処理がたくさんあって電圧が安定しない
軌道からしばらくすると安定…RPiの計算が落ち着いて電圧が安定しだした

ですので、対策があるとすれば、以下の2つと思います。

• 安定するまで待つ
• 初めから安定させるためにセンサーに独立した5V電源を確保する

Comments

[sk33]

かなり安定しました。
ただ稀に値が高く出ることがあるのでそこはプログラム側で対応しようと思います。
ありがとうございました。大変参考になりました。

Answer 2

超音波の距離センサを持っていないので試せませんが、
Raspberry Piで(というよりLinuxのユーザーアプリケーションで)、しかもインタプリタ言語のPythonでμ秒単位の時間計測はかなり厳しい話に思えます。
Linuxはミリ秒単位でタスク切換えをしたりしますし、インタプリタ言語は結構遅いので。

(Raspberry Piでサーボモーターを制御するとピタリと止まらずにジリジリと振動するのと同根かと)

Comments

[sk33]

大変参考になりました。ありがとうございました。

Answer 3

そのセンサのデータシートを見ると、１０μsecの超音波パルスを出力し、反射波の時間差を計測する、というものですが、それをラズパイで、それもOS上で走るpythonのコードで計測しようというのはちと現実的ではありません。

実際にきちんと距離計測はできているんでしょうか。

time.sleeおよび、time.timeの時間精度はどんだけなのかを調べてみてはどうでしょう（分解能はともかく）

Comments

[sk33]

大変参考になりました。ありがとうございました。