Radar basé sur la carte ESP32 et le capteur HC-SR04

ESP32 17-01-25

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Plan du tutoriel

1- Qu'est ce qu'un radar ?

2- Comment il fonctionne le radar commandé par ESP32 ?

3- Les composants du radar

4- Schéma de câblage du radar

5- Programmation ESP32 avec Micropython

6- Programme Python exécuté par l’ordinateur

Qu'est ce qu'un radar ?

Un radar (acronyme de l'anglais RAdio Detection And Ranging) est un système qui utilise des ondes radio pour détecter, localiser, mesurer la vitesse et parfois caractériser des objets à distance. Il est couramment utilisé dans divers domaines tels que l'aviation, la météorologie, la navigation maritime, la défense, et même les systèmes de contrôle de vitesse routière.

Principe de fonctionnement du radar

1. Émission d'ondes radio :

Une antenne émet des ondes électromagnétiques, généralement sous forme d'impulsions radio.

Ces ondes voyagent à la vitesse de la lumière dans l'air.

2. Réflexion des ondes :

Lorsqu'une onde rencontre un objet (avion, navire, voiture, nuage, etc.), une partie de l'énergie est réfléchie vers la source.

3. Réception du signal réfléchi :

Une antenne, souvent la même que celle utilisée pour l'émission, capte les ondes réfléchies.

4. Analyse du signal :

Le système mesure :

Le temps que mettent les ondes pour revenir, ce qui permet de déterminer la distance de l'objet.

Le décalage Doppler, qui permet de mesurer la vitesse relative de l'objet.

Applications du radar

Aviation : Suivi des aéronefs et gestion du trafic aérien.

Défense : Surveillance des zones stratégiques et détection des menaces.

Météorologie : Prévision des orages, suivi des cyclones et estimation des précipitations.

Navigation maritime : Évitement des collisions et suivi des côtes.

Automobile : Assistance à la conduite (freinage automatique, régulateurs adaptatifs).

Astronomie : Observation des planètes et des astéroïdes.

Comment il fonctionne le radar commandé par ESP32 ?

Ce projet utilise une carte ESP32 comme contrôleur principal pour gérer un capteur ultrason HC-SR04 et un servomoteur afin de simuler le fonctionnement d’un radar. Les données captées sont envoyées à un ordinateur pour affichage sous forme graphique.

Le système fonctionne en quatre étapes principales :

1. Rotation du capteur avec le servomoteur :

Le servomoteur effectue un balayage en déplaçant le capteur ultrason dans un arc (généralement de 0° à 180°).

L'ESP32 contrôle les angles de rotation du servomoteur.

2. Mesure des distances avec le HC-SR04 :

À chaque angle, le capteur envoie une impulsion ultrasonore et mesure le temps de retour de l'écho.

L'ESP32 calcule la distance de l'objet en fonction du temps mesuré.

3. Transmission des données :

Les mesures (angle et distance) sont envoyées à l'ordinateur via le port série (USB) ou Wi-Fi (si configuré).

4. Affichage graphique :

L'ordinateur affiche les données sous forme de graphique radar ou cartographie les objets détectés.

Les composants du radar

ESP32 :

ESP32 card

Microcontrôleur programmable pour contrôler le capteur ultrason et le servomoteur, et transmettre les données mesurées (angle, distance) à l’ordinateur..

Capteur ultrason HC-SR04 :

HC-SR04

Mesure la distance des objets en utilisant des ondes ultrasonores.

Servomoteur (SG90 ou similaire) :

Permet de faire pivoter le capteur ultrason pour balayer une zone.

Ordinateur :

Reçoit les données via le port série ou Wi-Fi et affiche les résultats (par exemple, sur une interface graphique comme Processing ou Python).

Câbles Dupont

Jumper wires

Câbles de connexion utilisés pour relier les différents composants sur une breadboard.

Breadboard

Breadboard

C'est une plateforme de prototypage utilisée pour connecter les composants électroniques sans soudure.

Schéma de câblage du radar

1- Pour le capteur sonore HC-SR04 on connecte:

la broche VCC à la broche 3.3V de la carte ESP32

la broche Trig à la broche D22 de la carte ESP32

la broche ECHO à la broche D21 de la carte ESP32

la broche GND à la broche GND de la carte ESP32

2- Pour le servomoteur on connecte:

fil rouge : fil de l’alimentation à relier à une énergie 5V

fil marron : fil à relier à la broche GND de la carte ESP32

fil Jaune : fil de signal de positionnement branché à la broche D23 de la carte ESP32

Programmation ESP32 avec Micropython

Voici le programme qui permet de :

1- calculer la distance entre le capteur HC-SR04 et l’objet détecté
2- faire tourner le servomoteur
3 - envoyer des données (position du servomoteur et la distance) de la carte ESP32 vers l’ordinateur.

Remarque: il faut utiliser ces deux bibliothèques : hcsr04 et servo.

import machine
from hcsr04 import HCSR04
from machine import UART,Pin
from servo import Servo
import utime
# Initialize a UART objects
uart = UART(2, baudrate=115200)
sensor = HCSR04(trigger_pin=22,echo_pin=21,echo_timeout_us=1000000)
servo_pin = machine.Pin(23)
my_servo = Servo(servo_pin)
delay = 0.01
min = 15
max = 165
count = 1
while True:
    for i in range(min,max):
      my_servo.write_angle(i)
      distance = sensor.distance_cm()
      if distance > 1000 :
        distance=0
      print(i,',',distance)
      utime.sleep_ms(60)
    for i in range(max, min, -1):
      my_servo.write_angle(i)
      utime.sleep_ms(60)
      distance = sensor.distance_cm()
      if distance > 1000 :
        distance=0
      print(i,',',distance)

import machine

from hcsr04 import HCSR04

from machine import UART,Pin

from servo import Servo

import utime

# Initialize a UART objects

uart = UART(2, baudrate=115200)

sensor = HCSR04(trigger_pin=22,echo_pin=21,echo_timeout_us=1000000)

servo_pin = machine.Pin(23)

my_servo = Servo(servo_pin)

delay = 0.01

min = 15

max = 165

count = 1

while True:

for i in range(min,max):

my_servo.write_angle(i)

distance = sensor.distance_cm()

if distance > 1000 :

distance=0

print(i,',',distance)

utime.sleep_ms(60)

for i in range(max, min, -1):

my_servo.write_angle(i)

utime.sleep_ms(60)

distance = sensor.distance_cm()

if distance > 1000 :

distance=0

print(i,',',distance)

Programme Python exécuté par l’ordinateur

Voici Un programme Processing pour lire les données série de la carte ESP32 et afficher un graphique radar.

# Python + Arduino-based Radar Plotter
#
# ** Works with any motor that outputs angular rotation
# ** and with any distance sensor (HC-SR04, VL53L0x,LIDAR)
#
import numpy as np
import matplotlib
matplotlib.use('TkAgg')
import matplotlib.pyplot as plt
from matplotlib.widgets import Button
import serial,sys,glob
import serial.tools.list_ports as COMs
#
#
############################################
# Find Arudino ports, select one, then start communication with it
############################################
#
def port_search():
    if sys.platform.startswith('win'): # Windows
        ports = ['COM{0:1.0f}'.format(ii) for ii in range(1,256)]
    elif sys.platform.startswith('linux') or sys.platform.startswith('cygwin'):
        ports = glob.glob('/dev/tty[A-Za-z]*')
    elif sys.platform.startswith('darwin'): # MAC
        ports = glob.glob('/dev/tty.*')
    else:
        raise EnvironmentError('Machine Not pyserial Compatible')

    arduinos = []
    for port in ports: # loop through to determine if accessible
        if len(port.split('Bluetooth'))>1:
            continue
        try:
            ser = serial.Serial(port)
            ser.close()
            arduinos.append(port) # if we can open it, consider it an arduino
        except (OSError, serial.SerialException):
            pass
    return arduinos

arduino_ports = port_search()
#ser = serial.Serial(arduino_ports[0],baudrate=115200) # match baud on Arduino
port1="COM4"
ser = serial.Serial(port1,baudrate=115200)
ser.flush() # clear the port
#
############################################
# Start the interactive plotting tool and
# plot 180 degrees with dummy data to start
############################################
#
fig = plt.figure(facecolor='k')
win = fig.canvas.manager.window # figure window
screen_res = win.wm_maxsize() # used for window formatting later
dpi = 150.0 # figure resolution
fig.set_dpi(dpi) # set figure resolution

# polar plot attributes and initial conditions
ax = fig.add_subplot(111,polar=True,facecolor='#006d70')
ax.set_position([-0.05,-0.05,1.1,1.05])
r_max = 100.0 # can change this based on range of sensor
ax.set_ylim([0.0,r_max]) # range of distances to show
ax.set_xlim([0.0,np.pi]) # limited by the servo span (0-180 deg)
ax.tick_params(axis='both',colors='w')
ax.grid(color='w',alpha=0.5) # grid color
ax.set_rticks(np.linspace(0.0,r_max,5)) # show 5 different distances
ax.set_thetagrids(np.linspace(0.0,180.0,10)) # show 10 angles
angles = np.arange(0,181,1) # 0 - 180 degrees
theta = angles*(np.pi/180.0) # to radians
dists = np.ones((len(angles),)) # dummy distances until real data comes in
pols, = ax.plot([],linestyle='',marker='o',markerfacecolor = 'w',
                 markeredgecolor='#EFEFEF',markeredgewidth=1.0,
                 markersize=10.0,alpha=0.9) # dots for radar points
line1, = ax.plot([],color='w',
                  linewidth=4.0) # sweeping arm plot

# figure presentation adjustments
fig.set_size_inches(0.96*(screen_res[0]/dpi),0.96*(screen_res[1]/dpi))
plot_res = fig.get_window_extent().bounds # window extent for centering
win.wm_geometry('+{0:1.0f}+{1:1.0f}'.\
                format((screen_res[0]/2.0)-(plot_res[2]/2.0),
                       (screen_res[1]/2.0)-(plot_res[3]/2.0))) # centering plot
fig.canvas.toolbar.pack_forget() # remove toolbar for clean presentation
fig.canvas.set_window_title('Arduino Radar')

fig.canvas.draw() # draw before loop
axbackground = fig.canvas.copy_from_bbox(ax.bbox) # background to keep during loop

############################################
# button event to stop program
############################################

def stop_event(event):
    global stop_bool
    stop_bool = 1
prog_stop_ax = fig.add_axes([0.85,0.025,0.125,0.05])
pstop = Button(prog_stop_ax,'Stop Program',color='#FCFCFC',hovercolor='w')
pstop.on_clicked(stop_event)
# button to close window
def close_event(event):
    global stop_bool,close_bool
    if stop_bool:
        plt.close('all')
    stop_bool = 1
    close_bool = 1
close_ax = fig.add_axes([0.025,0.025,0.125,0.05])
close_but = Button(close_ax,'Close Plot',color='#FCFCFC',hovercolor='w')
close_but.on_clicked(close_event)

fig.show()

############################################
# inifinite loop, constantly updating the
# 180deg radar with incoming Arduino data
############################################
#
start_word,stop_bool,close_bool = True,False,False
while True:
    try:
        if stop_bool: # stops program
            fig.canvas.toolbar.pack_configure() # show toolbar
            if close_bool: # closes radar window
                plt.close('all')
            break
        ser_bytes = ser.readline() # read Arduino serial data
        decoded_bytes = ser_bytes.decode('utf-8') # decode data to utf-8
        #data =ser_bytes.decode('utf-8')
        print(decoded_bytes)
        data = (decoded_bytes.replace('\r','')).replace('\n','').replace(' ','')
        #print(data.split(','))
        if start_word:
            vals = [float(ii) for ii in data.split(',')]
            print(vals)
            if len(vals)<2:
                continue
            angle,dist = vals # separate into angle and distance
            if dist>r_max:
                dist = 0.0 # measuring more than r_max, it's likely inaccurate
            dists[int(angle)] = dist
            if angle % 5 ==0: # update every 5 degrees
                pols.set_data(theta,dists)
                fig.canvas.restore_region(axbackground)
                ax.draw_artist(pols)

                line1.set_data(np.repeat((angle*(np.pi/180.0)),2),
                   np.linspace(0.0,r_max,2))
                ax.draw_artist(line1)

                fig.canvas.blit(ax.bbox) # replot only data
                fig.canvas.flush_events() # flush for next plot
        else:
            if data=='Radar Start': # stard word on Arduno
                start_word = True # wait for Arduino to output start word
                print('Radar Starting...')
            else:
                continue
           
    except KeyboardInterrupt:
        plt.close('all')
        print('Keyboard Interrupt')
        break

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# Python + Arduino-based Radar Plotter

# ** Works with any motor that outputs angular rotation

# ** and with any distance sensor (HC-SR04, VL53L0x,LIDAR)

import numpy as np

import matplotlib

matplotlib.use('TkAgg')

import matplotlib.pyplot as plt

from matplotlib.widgets import Button

import serial,sys,glob

import serial.tools.list_ports as COMs

############################################

# Find Arudino ports, select one, then start communication with it

############################################

def port_search():

if sys.platform.startswith('win'): # Windows

ports = ['COM{0:1.0f}'.format(ii) for ii in range(1,256)]

elif sys.platform.startswith('linux') or sys.platform.startswith('cygwin'):

ports = glob.glob('/dev/tty[A-Za-z]*')

elif sys.platform.startswith('darwin'): # MAC

ports = glob.glob('/dev/tty.*')

else:

raise EnvironmentError('Machine Not pyserial Compatible')

arduinos = []

for port in ports: # loop through to determine if accessible

if len(port.split('Bluetooth'))>1:

continue

try:

ser = serial.Serial(port)

ser.close()

arduinos.append(port) # if we can open it, consider it an arduino

except (OSError, serial.SerialException):

pass

return arduinos

arduino_ports = port_search()

#ser = serial.Serial(arduino_ports[0],baudrate=115200) # match baud on Arduino

port1="COM4"

ser = serial.Serial(port1,baudrate=115200)

ser.flush() # clear the port

############################################

# Start the interactive plotting tool and

# plot 180 degrees with dummy data to start

############################################

fig = plt.figure(facecolor='k')

win = fig.canvas.manager.window # figure window

screen_res = win.wm_maxsize() # used for window formatting later

dpi = 150.0 # figure resolution

fig.set_dpi(dpi) # set figure resolution

# polar plot attributes and initial conditions

ax = fig.add_subplot(111,polar=True,facecolor='#006d70')

ax.set_position([-0.05,-0.05,1.1,1.05])

r_max = 100.0 # can change this based on range of sensor

ax.set_ylim([0.0,r_max]) # range of distances to show

ax.set_xlim([0.0,np.pi]) # limited by the servo span (0-180 deg)

ax.tick_params(axis='both',colors='w')

ax.grid(color='w',alpha=0.5) # grid color

ax.set_rticks(np.linspace(0.0,r_max,5)) # show 5 different distances

ax.set_thetagrids(np.linspace(0.0,180.0,10)) # show 10 angles

angles = np.arange(0,181,1) # 0 - 180 degrees

theta = angles*(np.pi/180.0) # to radians

dists = np.ones((len(angles),)) # dummy distances until real data comes in

pols, = ax.plot([],linestyle='',marker='o',markerfacecolor = 'w',

markeredgecolor='#EFEFEF',markeredgewidth=1.0,

markersize=10.0,alpha=0.9) # dots for radar points

line1, = ax.plot([],color='w',

linewidth=4.0) # sweeping arm plot

# figure presentation adjustments

fig.set_size_inches(0.96*(screen_res[0]/dpi),0.96*(screen_res[1]/dpi))

plot_res = fig.get_window_extent().bounds # window extent for centering

win.wm_geometry('+{0:1.0f}+{1:1.0f}'.\

format((screen_res[0]/2.0)-(plot_res[2]/2.0),

(screen_res[1]/2.0)-(plot_res[3]/2.0))) # centering plot

fig.canvas.toolbar.pack_forget() # remove toolbar for clean presentation

fig.canvas.set_window_title('Arduino Radar')

fig.canvas.draw() # draw before loop

axbackground = fig.canvas.copy_from_bbox(ax.bbox) # background to keep during loop

############################################

# button event to stop program

############################################

def stop_event(event):

global stop_bool

stop_bool = 1

prog_stop_ax = fig.add_axes([0.85,0.025,0.125,0.05])

pstop = Button(prog_stop_ax,'Stop Program',color='#FCFCFC',hovercolor='w')

pstop.on_clicked(stop_event)

# button to close window

def close_event(event):

global stop_bool,close_bool

if stop_bool:

plt.close('all')

stop_bool = 1

close_bool = 1

close_ax = fig.add_axes([0.025,0.025,0.125,0.05])

close_but = Button(close_ax,'Close Plot',color='#FCFCFC',hovercolor='w')

close_but.on_clicked(close_event)

fig.show()

############################################

# inifinite loop, constantly updating the

# 180deg radar with incoming Arduino data

############################################

start_word,stop_bool,close_bool = True,False,False

while True:

try:

if stop_bool: # stops program

fig.canvas.toolbar.pack_configure() # show toolbar

if close_bool: # closes radar window

plt.close('all')

break

ser_bytes = ser.readline() # read Arduino serial data

decoded_bytes = ser_bytes.decode('utf-8') # decode data to utf-8

#data =ser_bytes.decode('utf-8')

print(decoded_bytes)

data = (decoded_bytes.replace('\r','')).replace('\n','').replace(' ','')

#print(data.split(','))

if start_word:

vals = [float(ii) for ii in data.split(',')]

print(vals)

if len(vals)<2:

continue

angle,dist = vals # separate into angle and distance

if dist>r_max:

dist = 0.0 # measuring more than r_max, it's likely inaccurate

dists[int(angle)] = dist

if angle % 5 ==0: # update every 5 degrees

pols.set_data(theta,dists)

fig.canvas.restore_region(axbackground)

ax.draw_artist(pols)

line1.set_data(np.repeat((angle*(np.pi/180.0)),2),

np.linspace(0.0,r_max,2))

ax.draw_artist(line1)

fig.canvas.blit(ax.bbox) # replot only data

fig.canvas.flush_events() # flush for next plot

else:

if data=='Radar Start': # stard word on Arduno

start_word = True # wait for Arduino to output start word

print('Radar Starting...')

else:

continue

except KeyboardInterrupt:

plt.close('all')

print('Keyboard Interrupt')

break

1- L’ESP32 pilote le servomoteur pour effectuer un balayage angulaire.

2- À chaque angle, le HC-SR04 mesure la distance des obstacles.

3- Les données (angle, distance) sont envoyées à l'ordinateur.

4- L'ordinateur trace un graphique en temps réel représentant les obstacles détectés dans l'arc balayé.

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Plan du tutoriel

1- Qu'est ce qu'un radar ?

2- Comment il fonctionne le radar commandé par ESP32 ?

3- Les composants du radar

4- Schéma de câblage du radar

5- Programmation ESP32 avec Micropython

6- Programme Python exécuté par l’ordinateur

Qu'est ce qu'un radar ?

Principe de fonctionnement du radar

Applications du radar

Comment il fonctionne le radar commandé par ESP32 ?

Les composants du radar

Schéma de câblage du radar

Programmation ESP32 avec Micropython

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