Projekt 85: Parkplatzschranke

Autor: Mareen Rehberg und Carolin Mohs
Betreuer: Daniel Klein

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Aufgabe

Erstellen eines Parkplatz Modells mit Schranke und Ampelanlage, angepasst an das Auto, das in der Carolo Cup AG gebaut wurde.

Erwartungen an die Projektlösung

Konstruieren eines Parkplatz Modells anhand der Maße des Autos der Carolo Cup AG.
Planung der Anlage
- Auswählen möglicher Sensoren für die Zufahrtsregelung, die das erkennen des Autos sicherstellen
- Auswählen eines geeigneten Motors für das Öffnen und Schließen der Schranke
Beschaffung der Bauteile
Bauen einer Schranke und einer Ampelanlage mit grüner und roter LED
Programmieren der Schranke mit Ampelanlage
Erstellen eines Videos, welches die Funktion visualisiert
Test und wissenschaftliche Dokumentation
Live Vorführung während der Abschlusspräsentation

Einleitung

Dieser Artikel wird für das GET Fachpraktikum im Studiengang Mechatronik (5. Semester) erstellt. Anstatt eines der vorgeschlagenen Projekte zu wählen, wurde eine eigene Idee für ein Projekt entwickelt. Dieses wird in diesem Artikel vorgestellt.

Projekt

In dem Projekt Parkplatzschranke wird ein Parkplatz als Modell erstellt und auf die Maße des Autos zugeschnitten, welches in der Carolo Cup AG gebaut wurde. Im zweiten Schritt wird dieser Parkplatz mit einer Zufahrtsregelung in Form einer Schranke versehen. Diese Schranke wird mit einem Sensor ausgestattet. Dadurch erkennt sie automatisch, wenn sich das Auto vor der Schranke befindet. Ein Servomotor (HS-422) wird angesteuert und öffnet die Schranke. Sobald das Fahrzeug die Schranke passiert hat, wird die Schranke wieder geschlossen. Für den Sensor kommen folgende Möglichkeiten infrage:

Ultraschallsensor
Lichtschranke
Drucksensor (Druckplatte)
induktiver oder kapazitiver Sensor
Druckknopf (manuelles Betätigen)
Sender-Empfänger-Prinzip (vergleichbar mit Handsender beim Garagentor)

Diese Möglichkeiten werden anhand eines Morphologischen Kastens analysiert, um die bestmögliche Lösung zu finden. Zusätzlich wird die Schranke mit einer Ampelanlage (1x grüne LED, 1x rote LED) ausgestattet. Die Ampel ist rot, solange sich die Schranke in Endlage 1 (Schranke geschlossen) befindet. Sobald die Schranke die Endlage 2 (Schranke geöffnet) erreicht, leuchtet die grüne LED.

Folgender Ablauf wurde für das Projekt aufgestellt:

Die Projektplanung erfolgt mittels Gantt-Chart, V-Model und Lasten- und Pflichtenheft.
Für die Beschaffung wird eine BOM (Stückliste) erstellt, in der die Bauteile für den Einkauf eingetragen werden. Die Auswahl der Sensoren wird durch den Morphologischen Kasten eingeschränkt.
In der Durchführung wird das Projekt erstellt. Dazu zählen sowohl das Erstellen der Hardware mit Hilfe von Zeichnungen, als auch das Schreiben der Software mit Hilfe eines vorher angefertigten Flussplans.
In einem abschließenden Test (Generalprobe) werden Hardware und Software zusammen getestet.
Das Projekt wird abschließend auf der Projektmesse am 18.01.2019 vorgestellt.

Projektplanung

Als erstes wurde ein Gantt-Chart entworfen, um das Projekt neben dem Studium planen zu können. Danach wurden V-Model und Lasten- und Pflichtenheft entworfen. Vor dem Bestellen der Bauteile wurde, mit Hilfe des Morphologischen Kastens, ein Sensor ausgewählt. Dazu wurden nach Recherche Preise sowie nötige Daten ermittelt. Nach der Bestellung und Lieferung der Bauteile konnte mit der Durchführung begonnen werden.

Projektdurchführung

Programm

Um eine spätere Änderung in der Hardware zu umgehen, haben wir uns zuerst mit der Software beschäftigt. Dazu wurde ein PAP (Programm Ablauf Plan) erstellt. Anhand des PAP erfolgte die Programmierung. Um den Aufruf sich wiederholender Programmteile zu vereinfachen, wurden diese als Funktion hinterlegt. Da sich der Motor aufgrund eines internen Bauteilfehlers nicht drehen konnte, musste dieser ausgetauscht werden. Nach Analyse einer echten Schranke haben wir unser Programm um eine Notfallfunktion ergänzt.

Schaltung

Auf dem Breadboard wurde, mit Hilfe der vorhandenen Datenblätter, die Schaltung konzipiert. Zum Darstellen der Schaltung wurde eine Frizing Skizze erstellt. Nach Testen der Schaltung und des Programms wurde festgestellt, dass die Lichtschranke (LAOMAO Infrarotdiode + VS-1838B Reciever) nicht für diese Anwendung geeignet ist. Daher wurde diese durch Ultraschallsensoren (HC-SR04) ersetzt. Dadurch mussten die Skizze, die Schaltung und das Programm angepasst werden. Nach den Anpassungen wurde das Programm erneut mit der Schaltung getestet. Die erneute Testung verlief erfolgreich.

Schranke

Zunächst wurde eine Skizze erstellt, um einen Überblick über den Parkplatz und die einzelnen Komponenten zu erhalten. Dazu wurden die vorgegebenen Maße aus dem Regelheft des Carolo Cup Wettbewerbs für das Auto und vorgegebene Strecken verwendet. Danach erfolgte der Bau der Schranke mit vorheriger Bearbeitung der Holzteile, die gesägt, gebohrt und geschliffen wurden. Nach dem Zusammenbau der Schranke wurde der Parkplatz vermessen und mit Markierungen versehen. Zum Schluss wurde der gesamte Aufbau getestet.

Test

Nach der Erstellung der einzelnen Komponenten haben wir alles zusammen aufgebaut und das gesamte Konzept getestet. Der Test verlief problemlos. Die Fehler wurden in den einzelnen Tests vorher erfolgreich beseitigt.

Zusammenfassung

Lessons Learned

Zusammenfassend haben wir den Ablauf eines Projektes geplant, Informationen zusammengetragen und dadurch neue Erfahrungen gesammelt, die im späteren Berufsleben auf andere Projekte übertragen werden können. Hierbei wurde der Aspekt einer guten Planung deutlich, denn darauf wird alles andere aufgebaut.

Durch verschiedene Schwierigkeiten beim Zusammenbringen von Programm und Schaltung wurden wir strukturierter in der Fehlersuche. Folgende Schwierigkeiten mussten wir bewältigen:

Der Motor, den wir zuerst benutzen wollten, konnte sich aufgrund eines internen Bauteilfehlers nicht drehen. Somit mussten wir zuerst den Fehler lokalisieren und einen neuen Motor besorgen.
Die zuvor geplante Lichtschranke war mit den Bauteilen, die uns zur Verfügung standen, nicht realisierbar, da die Streuung unserer UV LED zu groß bzw. die Empfindlichkeit des Empfängers zu niedrig war. Die Lichtschranke wurde durch Ultraschallsensoren, welche auch in die nähere Auswahl der Sensoren gekommen waren, ersetzt.
Zuvor wurde das Projekt mit Styropor geplant. Schnell wurde aber klar, dass das Styropor nicht stabil genug war, um diese Schranke zu bewegen.

Bei der Suche nach Fehlern und Lösungsmöglichkeiten haben wir gelernt, mit unterschiedlichen Schwierigkeiten umzugehen und konnten viel für unser weiteres Berufsleben lernen. Erst bei dem Konzipieren wurde uns klar, wie viele Sicherheitsanforderungen es bei einer Schranke gibt und wie man diese umsetzt. Dadurch haben wir einige Notfallsituationen erkannt und diese als Notfallfunktionen in das Programm eingebracht.

Ausblick

Die Parkplatzschranke kann beliebig an der Strecke angebracht werden. Auch das Programm kann um Funktionen erweitert werden. Die Schranke kann für ein anderes Projekt, wie zum Beispiel ein Parkhaus oder einen größeren Parkplatz, verwendet werden. Mit Hilfe einer weiteren Schranke kann ein Parkplatz mit zwei Zufahrten aufgebaut werden.

Projektunterlagen

Datenblätter

Datenblatt Ultraschallsensor: HC-SR04
Datenblatt Servo: HS-422

Gantt-Chart

V-Model

Morphologischer Kasten

BOM

Zeichnung des Aufbaus

PAP

Fritzing Skizze

Quellcode

void loop() 
{
  //Variable Distanz Messwert zuweisen
  d = Sensor.Distance();
  //Messwerte in Serieller Monitor ausgeben
  //Serial.print(d);
  //Serial.println("cm");
  delay(1000);

  //Abfrage für Distanz und Motorposition
  if (d <= 25 & pos == 0)
  {
    //Aufruf der Funktion SchrankeAuf
    SchrankeAuf();
    //Ampelwerte festlegen
    digitalWrite(PIN_LEDG, HIGH);
    digitalWrite(PIN_LEDR, LOW);
  }

  if (d >= 26 & pos == 90)
  {
    //Aufruf der Funktion SchrankeZu
    SchrankeZu();
  }
}

YouTube Video

Video zur Funktion der Parkplatzschranke