Projektarbeit Speedy Tempomessgerät - 2022: Unterschied zwischen den Versionen

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[[Datei:Speedy.jpg|mini|200px|Abb. 1: Speedy das Tempomessgerät]]
[[Datei:Speedy.jpg|mini|200px|Abb. 1: Speedy das Tempomessgerät]]
'''Autoren:''' Justin Fromberger, Jonas Gerken<br/>
'''Autoren:''' [[Benutzer:Justin Frommberger| Justin Frommberger]], [[Benutzer:Jonas Gerken| Jonas Gerken]]<br/>
'''Art:''' Projektarbeit<br>
'''Art:''' Projektarbeit<br>
'''Dauer:''' <br>
'''Dauer:''' 01.08.2022 bis 28.02.2023<br>
'''Betreuer:''' [[Benutzer:Ulrich_Schneider| Prof. Schneider]]<br/>
'''Betreuer:''' [[Benutzer:Ulrich_Schneider| Prof. Schneider]]<br/>




== Thema ==
== Thema ==
Um die Sicherheit von Kindern auf ihrem Schulweg steht es nicht zum Besten. Dies haben Geschwindigkeitsmessungen des ADAC vor 25 Schulen in zehn Bundesländern ergeben. Dabei wurde die zulässige Höchstgeschwindigkeit von Tempo 30 von mehr als 60 Prozent der Autofahrer überschritten. Insgesamt wurden 43 828 Fahrzeuge gemessen, 26 329 davon waren zu schnell unterwegs. Der Rekordwert von 96 km/h wurde vor einer Grundschule in Hamburg festgestellt.
Der Schulweg von Kindern ist nicht sehr sicher. Durch Geschwindigkeitsmessungen des ADAC vor 25 Schulen in zehn Bundesländern wurden häufig Fahrer mit zu hohen Geschwindigkeiten gemessen. Die zulässige Höchstgeschwindigkeit von 30 km/h wurde von mehr als 60 Prozent der Autofahrer überschritten. Von insgesamt 43 828 Messungen, waren 26 329 zu schnell unterwegs. Vor einer Grundschule in Hamburg wurde ein Rekordwert von 96 km/h bei vorgeschriebenen 30km/h gemessen.


== Aufgabe ==
Um die Autofahrer abzuschrecken, können sogenannte Tempomessgeräte helfen.
Diese messen die Geschwindigkeit und zeigen diese über eine Anzeige dem vorbeifahrenden Fahrer. Zudem wird oft auch noch mit einem Smiley signalisiert, ob der Fahrer zu schnell fährt oder ob er sich an die vorgegebene Geschwindigkeit hält.
 
== Aufgabenstellung ==
Messen Sie die Geschwindigkeit vorbeifahrender Fahrzeuge und visualisieren Sie den Messwert als Zahl und als Smiley.
Messen Sie die Geschwindigkeit vorbeifahrender Fahrzeuge und visualisieren Sie den Messwert als Zahl und als Smiley.
# Recherchieren Sie bestehende Projektlösungen.
# Stellen Sie einen Projektplan auf.
# Entwerfen Sie Ihr System.
# Erstellen Sie anhand des Systementwurfs eine Kostenabschätzung und einen QV-Antrag bis 04.05.22.
# Erstellen Sie eine Stückliste und lösen Sie die Beschaffung der Bauteile aus.
# Nehmen Sie den RADAR-Sensor in Betrieb und messen Sie die Geschwindigkeit. Charakterisieren Sie den Sensor (Messbereich, Auflösung, Unsicherheit, Empfindlichkeit, etc.).
# Implementieren Sie eine robuste Filterung (Objektbildung, -Verfolgung z.&thinsp;B. Kalman-Filter).
# Bauen Sie das System auf.
# Führen Sie Modul- und Systemtests durch z.&thinsp;B. vor der Hochschule.
# Dokumentieren Sie Ihre Ergebnisse nach wiss. Stand.
# Machen Sie ein tolles Videos, welches die Funktion visualisiert.
# Live-Vorführung während der Abschlusspräsentation


== Erwartungen an die Projektlösung ==
== Anforderungen (Lastenheft) ==
* Anforderungen (vgl. Abb. 1)
{| class="wikitable"
** Messung der Geschwindigkeit bis 100km/h
|+ style = "text-align: left"| Tabelle 1: Lastenheft
** Reichweite: 50m
! # !! Anforderung
** Hochleistungs-LED-Anzeige in gelb und rot
|- 
** rot bei überhöhter Geschwindigkeit, blinkende Anzeige
|Req 01 ||Das System muss die Geschwindigkeit bis 100&thinsp;km/h messen und anzeigen.
** Zahlenhöhe 30cm, 2-stellig
|- 
** Smiley-Funktion: ☹ ☺
|Req 02 ||Nutzen Sie den [https://www.innosent.de/radarsysteme/isys-4001/ RADAR-Sensor iSYS-4001] der Firma InnoSenT.
** Hochformat ca. 84x63x18cm
|- 
* Recherchieren Sie bestehende Projektlösungen.
|Req 03 ||Die Reichweite muss min. 50&thinsp;m betragen.
* Planen Sie den Systemaufbau
|- 
* Wählen Sie einen geeigneten Geschwindigkeitssensor aus (z.B. Stereo-Video, Radar, Laser). Tipp: Achten Sie auf den Messbereich der Sensoren. Ultraschall hat beispielsweise nicht genügend Reichweite.
|Req 04 ||Das System muss hochleistungs-LED-Anzeige in gelb und rot verwenden und im hellen Tageslicht gut lesbar sein.
* Beschaffung der Bauteile
|- 
* Aufbau des Systems
|Req 05 ||Das System muss rot bei überhöhter Geschwindigkeit diese rot blinkend anzeigen.
* Software: Objektbildung, Tracking, Filterung (z.B. Kalman-Filter)
|- 
* Testen Sie das System umfangreich vor einer Grundschule
|Req 06 ||Das System soll die Geschwindigkeit mit einer Zahlenhöhe von 30&thinsp;cm 2-stellig anzeigen.
* Machen Sie ein tolles Videos, welches die Funktion visualisiert.
|- 
* Wissenschaftliche Dokumentation
|Req 07 ||Das System muss eine Smiley-Funktion ☹ ☺ anzeigen (vgl. Abb. 1). Der Smiley muss ab einem einstellbaren Geschwindigkeitsschwellwert umgeschaltet werden.
* Live Vorführung während der Abschlusspräsentation
|- 
|Req 08 ||Die Anzeige soll im Hochformat dem Format (84x63x18)&thinsp;cm entsprechen.
|-
|Req 09 ||Das System soll wetterfest sein.
|- 
|Req 10 ||Kür: Das System erstellt bei Geschwindigkeitsüberschreitung ein "Blitzerfoto" (vgl. Abb. 2), welches ein Beweisbild inkl. Maximalgeschwindigkeit, Datum und Uhrzeit speichert.
|}
[[Datei:Bussgeldbescheid-blitzerfoto-610x260.jpg|mini|300px|Abb. 2: Blitzerfoto]]
[[Datei:Bussgeldbescheid-blitzerfoto-610x260.jpg|mini|300px|Abb. 2: Blitzerfoto]]
Kür: Machen Sie bei Verwendung eines videobasierten System ein "Blitzerfoto" (vgl. Abb. 2), welches Sie inkl. Maximalgeschwindigkeit, Datum und Uhrzeit speichern und später auslesen.
== Einleitung ==
Im Rahmen der Masterstudium Business and System Engineering an der HSHL im Fach Angewandt Elektrotechnik geht es darum einerseits vier Praktikum zu absolvieren und andererseits ein Projekt zu machen. In diesem Projekt geht es darum ein Geschwindigkeitsmessgerät zu entwickeln. Jedoch die Geschwindigkeitsmessungen können in unterschiedlicher Weise vorgenommen werden. Neben der klassischen Bestimmung der Geschwindigkeit aus Weg und Zeit kann die Geschwindigkeit mit Tachometern, Fahrradcomputern, Induktionsschleifen, Laserpistolen oder durch Radarmessungen ermittelt werden. Für dieses Projekt  wird ein Ultraschallsensor angewendet.
'''Ultraschallsensor'''
[[Datei:HC-SR04 Projekt 92.jpg]]
Abbildung 3: HC-SR04
Das Ultraschall Modul HC-SR04 ist in der Lage, Objekte berührungslos zu erkennen und ihre Entfernung zum Sensor zu messen. Der Abstandssensor eignet sich für die Entfernungsmessung im Bereich zwischen ca. 2cm und 3m, wobei die Auflösung im Idealfall 3mm beträgt. Er wird bei einer Spannung von 5 V bei einer Stromaufnahme weniger als 2 mA versorgt . Außerdem besteht der Sensor aus einem Ultraschall-Lautsprecher und einem darauf abgestimmten Ultraschall-Mikrofon. Zunächst sendet der Lautsprecher einen Schallimpuls aus. Trifft der Schallimpuls auf einen Gegenstand, wird er reflektiert. Das so entstehende Echo wird vom Sensor wieder aufgenommen.
Der Zeitspanne zwischen dem Senden und dem Empfangen des Schallimpulses ermöglicht, die Entfernung zum Objekt zu berechnen . Einsatzgebiete von Ultraschallsensoren sind die Robotik, Hinderniserkennung, Entfernungsmessung oder Füllstandanzeiger.
[[Datei:Ultraschallsensor Messprinzip.png]]
Abbildung 4: Ultraschallsensor Messprinzip
[[https://www.mikrocontroller.net/attachment/218122/HC-SR04_ultraschallmodul_beschreibung_3.pdf]]
[[https://www.waycon.de/produkte/ultraschallsensoren/messprinzip-ultraschallsensoren/]]
'''Messvorgang beim Ultraschallsensor HC-SR04'''
Die eigentliche Messung wird über den Anschluss Trigger (Pin 2) gestartet. Der Messvorgang der Entfernung geschieht selbständig durch eine fallende Flanke (TTL-Pegel) am Trigger-Eingang (Pin 2) für mindestens 10µs und diese wird in ein PWM Signal umgewandelt. Nach ungefähr 250µs wird vom Ultraschallsensor ein 40 kHz Burst – Signal für eine Dauer von 200 µs gesendet.
Im Anschluss daran geht der Echo-Ausgang (Echo, Pin 3) sofort auf den High-Pegel und der Ultrasachallsensor wartet auf den Empfang des akustischen Echos. Sobald ein Echo detektiert wird, fällt der Ausgang wieder auf Low. Die gemessene Entfernung ist proportional zur Echo-Puls-Weite am Ausgang. Eine weitere Messung kann erst 20ms nach der Triggerung stattfinden. Falls jedoch kein Echo empfangen wird, bleibt der Ausgang für insgesamt 200ms auf dem High-Pegel und zeigt so den Misserfolg an. Der Ultrasachallsensor wartet danach auf die nächste fallende Flanke am Triggereingang (Pin 2) und die Messung beginnt vom Neuen neu . Die gemessene Entfernung kann durch die folgende Formel berechnet werden:
Entfernung = (Zeit/2) *29,1 [cm, s]. Eine Ultraschallwelle benötigt 29,1 Millisekunden um sich einen Zentimeter fortzubewegen.
Der Faktor 2 kommt hinzu, weil das Signal den doppelten Weg zurücklegt: hin zum Objekt und wieder zurück.
Um die Geschwindigkeit (V) zu berechnen, sollten zwei Messungen durchgeführt werden und die zweite Messung findet erst nach 20ms statt.
V = ΔEntfernung/ΔZeit
ΔEntfernung ist die Differenz zwischen zwei Entfernungen, ΔEntfernung= Entfernung2-Entfernung1
ΔZeit ist die Zeit zwischen zwei Messungen, ΔZeit= Zeit2-Zeit1
[[Datei:HC-SR04 Timing Diagramm.jpg]]
Abbildung 5:HC-SR04 Timing Diagramm


[[https://www.mikrocontroller-elektronik.de/ultraschallsensor-hc-sr04/]]
== Anforderungen (Pflichtenheft) ==
[[https://www.mikrocontroller.net/attachment/218122/HC-SR04_ultraschallmodul_beschreibung_3.pdf]]


{| class="wikitable"
|+ style = "text-align: left"| Tabelle 2: Pflichtenheft
! # !! Anforderung
|- 
|nFA1
|Die LEDs sollen über einen Microcontroller gesteuert werden.
|-
|nFA2
|Die Geschwindigkeit soll mit C++ programmiert werden.
|-
|nFA3
|Es muss ein Radarsensor verwendet werden.
|-
|nFA4
|Die Geschwindigkeit soll nach 1 Sekunde angezeigt werden.
|-
|nFA5
| Die Geschwindigkeit muss in km/h angezeigt werden.
|}


'''Projektplan'''
== Anforderungen an die Projektarbeit ==
* Wissenschaftliche Vorgehensweise (Projektplan, etc.), nützlicher Artikel: [[Gantt-Diagramm| Gantt Diagramm erstellen]]
* Zweiwöchentlicher Fortschrittsberichte (informativ)
* Projektvorstellung im Wiki
*[[Studentische_Arbeiten_bei_Prof._Schneider|Studentische Arbeiten bei Prof. Schneider]]
*[[Anforderungen_an_eine_wissenschaftlich_Arbeit| Anforderungen an eine wissenschaftlich Arbeit]]


Um die Projekt rechtzeitig zu bearbeiten, wurde ein Projektplan erstellt. Durch die Überschreitung mit anderen Projekt wird bei manchen Aufgaben eine Verspätung ergeben. Und durch Mangel von Ressourcen und Zeit, wird das Projekt nicht im Ganzen bearbeiten.
== Projektplan ==


[[Datei:Projektplan Projekt92.PNG]]
[[Datei:ProjektplanSpeedy.jpg|left|mini|800px|Abb. 3: Projektplan]]


Abbildung 6:Projektplan
<br clear=all>


== Projekt ==
*Optimierung der Hardware Software Kommunikation


=== BOM ===
== BOM ==
Eine Stückliste (Bill of Material, BOM), welche die einzelnen Komponenten auflisten, die für die Realisierung des Projekts notwendig werden, wurde erstellt.
Eine Stückliste (Bill of Material, BOM), welche die einzelnen Komponenten auflisten, die für die Realisierung des Projekts notwendig werden, wurde erstellt.


{| class="wikitable"
! style="font-weight: bold;" | Pos.
! style="font-weight: bold;" | Anz.
! style="font-weight: bold;" | Bezeichnung
! style="font-weight: bold;" | Artikelnummer
|-
| 1 || 1
| Arduino UNO
| Gegeben
|-
| 2 || 1
| 5 Meter RGB LED-Steifen WS2812B(60LEDs/Meter)
| LT5050RGBIC593605005IP20 bei ledtech-shop.de
|-
| 3 || 1
| Radarsensor IsYs 4001
| 2191-80.00000191-ND bei digykey.com
|-
| 4 || 1
| M12 8 poliger Stecker
| 123-1064 bei RS-online.de
|-
| 5 || 1
| RS232 Sub-D Stecker(zum Löten)
| Gegeben
|-
| 6 || 1
| Netzteil 5V 4A
| MW GST25E05 bei reichelt.de
|-
| 7 || 2
| 2m Datenkabel
| Gegeben
|-
| 8 || 1
| Wiederstand 220 Ohm
| Gegeben
|-
| 9 || 1
| Plexiglasscheibe 500mm x 500mm x 2mm
| AXT-020-TRAEVO050050 bei expresszuschnitt.de
|-
| 10 || 2
| MDF-Platten 1500mm x 1500mm x 11mm
| Gegeben
|-
| 11 || 1
| InnoSenT Kabel für Sensor ISyS 4001
| über Anfrage an InnoSenT erhalten
|}


[[Datei:Stückliste_Projekt_92.PNG]]
== Funktionaler Systementwurf / Technischer Systementwurf ==


[[Datei:Systementwurf_Speedy.jpg|600px|Abb. 5: Speedy]]


Abbildung 7: Stückliste
<br/>
[[Datei:3D_Model_Vorne.jpg|400px|Abb. 5: 3D Model Vorne]]
[[Datei:3D_Model.jpg|350px|Abb. 5: 3D_Modell]]
[[Datei:3D_Model_Offen.jpg|300px|Abb. 5: 3D Model Offen]]
<br clear=all>


=== Systemaufbau ===
== Komponentenspezifikation ==
Für die Realisierung des Projekts wird ein Schaltplan, welcher die Zusammenschaltung der einzelnen Komponenten zeigt, erzeugt. Somit konnte über die Software ‚Fritzing‘ die Hardware-Schaltung simuliert werden. Auf dem Steckbrett wurden die Bestandsteile eingesetzt nämlich ein Arduino Uno, Zwei LEDs (Rot und Grün), Zwei Widerstände von 220 Ohm, ein Potentiometer, ein LCD-Display, sowie ein Ultraschallsensor.
Die Kurzbezeichnung LED ist die Abkürzung für "Light Emitting Diode", was auf Deutsch "Licht emittierende Diode" bedeutet. LED sind Leuchtdioden, die elektrische Energie in Licht umwandeln . Um die LED zu steuern, wurden zwei digitale Ausgangskanäle des Arduino Board (Pins 13) für LED Rot und (Pins 8) für LED Grün benutzt. Durch programmieren wird auf High (5V) oder Low (Ground) geschaltet.
Sollte die Geschwindigkeit beispielweise kleiner oder gleich 15cm/s sein, leuchtet die LED Grün. Bei einer überhöhten Geschwindigkeit also großer 15cm/s leuchtet die LED rot. Da ein LED bei 5V zerstört werden kann, muss ein Vorwiderstand in der Schaltung integriert werden und dieser soll bei 5V, 220Ohn betragen.
Die Ausgabe der Messung an einem PC ist zwar einfach, aber auch unflexibel. Deswegen wird ein LCD-Display verwendet, um die Messwerte als Zahl und als Smiley zu visualisieren. Je nach Geschwindigkeitsbereich werden zwei Unterschiedliche Smileys visualisiert, ein fröhlicher und ein traurige. Für die Helligkeit der Schrift wird ein Drehwiderstand in die Schaltung eingebaut.


Auf die folgenden Bilder lässt sich die Schaltung genau betrachten.
{| class="wikitable"
! style="font-weight: bold;" | Komponente
! style="font-weight: bold;" | Beschreibung
! style="font-weight: bold;" | Abbildung
|-
| Radarsensor iSyS 4001
| Messbereich: 0 bis 250km/h<br>Messentfernung: 0 bis 150 m<br>Signal: Digital, PWM(Velocity), PWM(range)
| [[Datei:Isys 4001 Sensor.jpg|mini|150px| Radarsensor]]
|-
| Arduino UNO
| Microcontroller<br>14 digitale I/O Pins<br>6 analoge Eingänge
|[[Datei:Arduino UNO R3.jpg|100px|mini|zentriert|Arduino Uno Board]]
|-
| LED-Streifen
| RGB LEDs(Rot, Grün, Blau)<br>256 Helligkeitsstufen<br> maxV: 5V<br>Arbeitsstrom: 2880mA pro Meter
|[[Datei:WS2812B.jpg|100px|mini|zentriert|WS2812B]]
|-
| LED-Dimmer
| Dimmung der LEDs<br>Wände: Trennung der LED-Segmente<br>
|[[Datei:LED_Dimmer.jpg|100px|mini|zentriert|LED Abdeckung]]
|-
| LED-Wände
| Lichtschutz<br>
|[[Datei:LED_Wände.jpg|100px|mini|zentriert|LED Abdeckung]]
|-
| LED-Ecken-Lichtschutz
| 7-Segment Ecken abdecken<br>
|[[Datei:LED_Eckabdeckungen.jpg|100px|mini|zentriert|LED Abdeckung]]
|}


[[Datei:Schaltung Projekt92.PNG ]]
== Umsetzung ==


=== [[ Radarsensor Isys 4001 | Radarsensor Isys 4001]] ===


Abbildung 8: Schaltung


=== [[ LED-Seven-Segment Aufbau und Verlötung| LED-Seven-Segment Aufbau und Verlötung]] ===


[[Datei:Schaltplan-Projekt92.PNG ]]
=== [[ Gehäuse | Gehäuse ]] ===


=== [[ Elektronik]] ===


Abbildung 9: Schaltplan
=== [[ Programmierung]] ===


[https://www.elektronik-kompendium.de/sites/bau/0201111.htm]
== Komponententest ==


{| class="mw-datatable"
! style="font-weight: bold;" | ID
! style="font-weight: bold;" | Testfallbeschreibung
! style="font-weight: bold;" | Erwartetes Ergebnis
! style="font-weight: bold;" | Testergebnis
! style="font-weight: bold;" | Testperson
! style="font-weight: bold;" | Datum
|+ style = "text-align: left"|Tabelle 1: Testbericht für den Einzelkomponententest
|-
| 1
| LED-Stripe auf Funktion überprüfen.
| Wenn LEDs blau leuchten funktionieren die einzelnen RGB LEDs.
| OK
| Justin Frommberger
| 3.08.2022
|-
| 2
| Sensor auf Funktion überprüfen
| Sensor gibt Werte in GUI an
| OK
| Jonas Gerken
| 10.10.2022
|}


== Experimenteller Aufbau auf dem Breedboard ==


In dieser Projektphase werden die simulierten Schaltungen auf einem Breadboard in die Realität umgesetzt.Außerdem wird der Anzeiger fertiggestellt.
{| class="mw-datatable"
! style="font-weight: bold;" | ID
! style="font-weight: bold;" | Testfallbeschreibung
! style="font-weight: bold;" | Testergebnis
! style="font-weight: bold;" | Begründung
! style="font-weight: bold;" | Testperson
! style="font-weight: bold;" | Datum
|+ style = "text-align: left"|Tabelle 2: Testbericht für den Gesamtkomponetenbereich
|-
| 1
| 2 LED-Seven Segments
| OK
| Mit zwei Senkrechten und 3 Waagerechten LED Streifen je Seven-Segment wurde das erreicht.
| Justin Frommberger, Jonas Gerken
| 14.09.2022
|-
| 2
| Stromversorgung der LEDs über Netzteil(5V/20A)
| OK
| Stromversorgung ist über ein Kabel an dem Netzteil möglich.
| Justin Frommberger, Jonas Gerken
| 10.10.2022
|-
| 3
| Stromversorgung des Radarsensors über Netzteil(5V/4A)
| OK
| An Arduino Power Supply angeschlossen und über angelötete Kabel am Sensor angeschlossen.
| Justin Frommberger, Jonas Gerken
| 10.10.2022
|}


[[Datei:Probeaufbau.PNG]]
== Ergebnis ==


Fast alle Anforderungen des Projektes konnten erfüllt werden. Wir unterschätzten, dass die LED‘s eine Menge an Strom benötigen (aktueller Stand 10A), so mussten wir bei unserem Projekt LED‘s einsparen und beschlossen das Smiley Gesicht nicht einzubauen.
Um trotzdem die gewünschte Aufgabe zu erfüllen, überlegten wir uns, dass wir die nicht überschrittene Geschwindigkeit Grün anzeigen lassen.<br/>
Die zu hohe Geschwindigkeit stellen wir in roter Farbe dar. Zudem haben wir uns für ein kleineres Format des Schildes entschieden, um unser Projekt besser transportieren zu können. Auch haben wir uns gegen einen Schriftzug vom km/h entschieden, um die Zahlen möglichst groß und sichtbar für die Fahrer zu gestalten. Leider haben wir festgestellt, dass der vorhandene Radarsensor Isys 4001 eine Störung hat und keine konstanten Werte zurückliefert, dieses führt bei der Anzeige zu ungenauen Werten.
Alle anderen oben aufgelisteten Anforderungen konnten wir erfüllen.


Abbildung 10: Probeaufbau
== Zusammenfassung ==
=== Lessons Learned ===
Das Team hat die folgenden Kompetenzen erlernt:
* Projektplanung und Zeitmanagement
* CAD Konstruktion für 3D Druck
* 3D Druck
* Löten
* Ansteuerung von WS2812 LEDs
* Bau eines Kabels


=== Besondere Herausforderungen ===


[[Datei:Anzeiger.PNG]]
Die erste Herausforderung bei unserem Projekt „Speed-Tempomessgerät“, stellte sich direkt am Anfang bei der Materialbeschaffung. Das Problem war es, das alle Materialien, die für das Projekt benötigt werden zu beschaffen. Wir stellten fest, dass bei dem vorhandenen Radarsensor der Hochschule das Kabel zur Strom- und Datenversorgung fehlte. Weil das Kabel kein Standardkabel war, informierten wir uns bei dem Hersteller des Sensors wie das Kabel aufgebaut ist und ließen uns das dazugehörige Datenblatt schicken. Um das Kabel selbst anzufertigen, bestellten wir dafür einen RS232 Sub-D Stecker und einen M12 8 poligen Stecker. Das Herstellen des Kabels konnte nach langem ausprobieren und telefonischem Austausch mit der Herstellerfirma nicht abgeschlossen werden. Folgend fragten wir die Firma, ob sie uns ein Kabel zuschicken könnten. Freundlicherweise ließen sie uns ein Kabel kostenlos zukommen, um unser Problem zu lösen.


Die nächste Herausforderung war es, herauszufinden, wie groß die Netzteile seien müssen, um unser komplettes Projekt mit Strom zu versorgen. So recherchierten wir in den Datenblättern des Sensors und der RGBs, wie groß die Netzteile sein müssen. Später stellte sich heraus beim Anschließen der RGB-Kette, dass die LED‘s viel mehr Strom in Reihenschaltung benötigten als wir berechnet hatten (über 20A). Folgend beschlossen wir unsere Schaltung um zulöten, wir setzten die Stromversorgung mittig und teilten diese in 4 Reihenschaltungen auf. Wir verringerten den benötigten Stromverbrauch auf ungefähr 10A. Zusätzlich verzichteten wir auf weitere RGBs für das Smiley, um Strom zu sparen und ein transportables Netzteil nutzen zu können.
Eine weitere Herausforderung im Projekt war die Ansteuerung der einzelnen RBGs, da diese teilweise zusammengeschaltet sind und beim Ansteuern einer RBG zwei Stück eingeschaltet werden. Nach mehrfachen neu Löten konnte der Fehler nicht gefunden werden.
Daraufhin haben wir uns eine neue Schaltung (Abb.8) entwickelt, mit der wir unsere Schaltung umsetzen konnten.


Abbildung 11: Anzeiger
== Projektunterlagen ==
Link zu dem SVN Ordner des Projekt: [https://svn.hshl.de/svn/HSHL_Projekte/trunk/RADAR_Tempomessgeraet SVN: RADAR Tempomessgerät].


=== Code ===
Link zum Sensor Datenblatt: [https://www.google.com/url?sa=t&rct=j&q=&esrc=s&source=web&cd=&cad=rja&uact=8&ved=2ahUKEwiyyJ7Ekq79AhVncvEDHYlXBgkQFnoECA8QAQ&url=https%3A%2F%2Fwww.innosent.de%2Fuploads%2Fmedia%2FiSYS-4001_GUI_Interface_V1.1.pdf&usg=AOvVaw2on4gbPVl8HTdviw2Esps-: Datenblatt].
Die Programmierung und das Compilieren des Arduino UNO erfolgt mittels der Arduino Software. Abbildung 10 zeigt den Programmablaufplan für die Geschwindigkeitsmessung. Die genaue Funktionsweise des Codes kann in dem SVN_Ordner (https://svn.hshl.de/svn/Elektrotechnik_Fachpraktikum/trunk/Projekte/92_Speedy-Tempomessgeraet/) entnommen werden.


[[Datei:Projekt 92.PAP.jpeg]]


=== [[Messungen und Überprüfungen des Sensors | Fehlerbeschreibung]] ===


Abbildung 12: PAP
== Weblinks ==
 
*[http://www.verkehrstechnik-schilder.de/PDF/Tempomessgeraet.pdf Geschwindigkeitsmessgeräte]
== Ergebnis ==
Das Ziel unseres Projektes, ein funktionsfähiges Geschwindigkeitsmessgerät zu entwickeln, wurde erreicht.
 
== Zusammenfassung ==


Es war ein hochinteressantes Projekt, in dem verschiedene erlernte Fähigkeiten aus vorherigen Vorlesungen und Übungen angewendet werden konnten. So wurde auf viele Bereiche des Studiums eingegangen. Angefangen beim Projektmanagement, welches für die Planung und die Einteilung der Aufgaben bis hin zu den elektrotechnischen Praktika, welche für die eigentliche Kernaufgabe des Projektes, das Programmieren des Geschwindigkeitsmessgeräts, hilfreich war. Zusätzlich mussten für das Projekt eigenständig Informationen gesammelt werden, um das gewünschte Ergebnis zu erreichen. So wurden die Kompetenzen in den Bereichen aufgefrischt und praxisnah angewendet.
Erklärung zum GUI des Sensors:  https://www.digikey.de/en/pdf/i/innosent/gui-interface


=== Lessons Learned ===


• Durch ein zu geringes verfügbares Budget konnten nicht alle Anforderungen umgesetzt werden. Die visuelle Rückmeldung der Geschwindigkeit auf dem Display, welches einem Hochformat von ca. 84x63x18cm hat, könnte nicht erreicht werden. Außerdem wurde ein Ultraschallsensor anstatt ein Radarsensor angewendet.
Modulhandbuch (Interaktionstechnik und Design)
• Basiswissen über Mikrocontroller
• Selbstständige Planung, Durchführung, Präsentation und Dokumentation eines technischen Projektes
• Praktische Erfahrungen im Umgang mit elektrischen Schaltungen
• Organisation und Teamarbeit
• Simulation von Schaltungen und Umgang mit entsprechender Software


== Projektunterlagen ==
*[https://www.hshl.de/assets/02-Hochschule/Veroeffentlichungen/Modulhandbuecher/2017-2018/ITD/2017-2018-ITD-VZ-MHB.pdf Modulhandbuch]
Link zu dem SVN_Ordner des Projekt: https://svn.hshl.de/svn/Elektrotechnik_Fachpraktikum/trunk/Projekte/92_Speedy-Tempomessgeraet/
 
== YouTube Video ==
Das Video von diesem Projekt finden Sie auf Youtube unter dem Link:
 
https://youtu.be/iO__jjfNIXk
 
== Weblinks ==
*[http://www.verkehrstechnik-schilder.de/PDF/Tempomessgeraet.pdf Geschwindigkeitsmessgeräte]
*[https://www.reichelt.de/bewegungsmelder-radar-20-60-c-hyg-rsm-1650-p117275.html?PROVID=2788&gclid=EAIaIQobChMI94SN2-bs3QIVxoKyCh0w5gMPEAYYAyABEgJ1sPD_BwE&&r=1 HYG RADAR-IPM-165]
*[https://www.future-x.de/allnet-development-board-infrared-sensor-zubeh%EF%BF%BDr-f%EF%BF%BDr-entwicklungsplatinen-4duino-sensor-ir-hindernisserkennung-p-1653752/?channable=e30198.OTkyMTA3NTky&gclid=EAIaIQobChMIu6Ttrejs3QIVEs-yCh2UGwAKEAYYAiABEgK1dPD_BwE Sensor IR-Hindernisserkennung]
*[https://www.makershop.de/sensoren/distanz/ Distanzsensoren]
*[https://www.dfrobot.com/product-1702.html TF Mini LiDAR (ToF) Laser Range Sensor]
*[https://www.youtube.com/watch?v=VhbFbxyOI1k Getting Started wih LiDAR]
*[https://www.dfrobot.com/product-1599.html DE-LIDAR TF02 (ToF) Laser Rangefinder (22m)]
*[http://static.garmin.com/pumac/LIDAR_Lite_v3_Operation_Manual_and_Technical_Specifications.pdf LIDAR Lite v3]
*[https://www.digikey.de/products/de/sensors-transducers/optical-sensors-distance-measuring/542?FV=ffe0021e&quantity=0&ColumnSort=-42&page=1&pageSize=25 Abstandssensoren]
*[http://www.hjberndt.de/soft/radar/index.html Geschwindigkeits-messung mit Arduino]


== Literatur ==
== Literatur ==




== Wissenschaftliche Anforderungen ==
#[[Studentische_Arbeiten_bei_Prof._Schneider|Studentische Arbeiten bei Prof. Schneider]]
#[[Anforderungen_an_eine_wissenschaftlich_Arbeit| Anforderungen an eine wissenschaftlich Arbeit]]


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→ zurück zum Hauptartikel: [[Studentische_Arbeiten|Studentische Arbeiten]]
→ zurück zum Hauptartikel: [[Studentische_Arbeiten|Studentische Arbeiten]]

Aktuelle Version vom 27. Februar 2023, 10:54 Uhr

Abb. 1: Speedy das Tempomessgerät

Autoren: Justin Frommberger, Jonas Gerken
Art: Projektarbeit
Dauer: 01.08.2022 bis 28.02.2023
Betreuer: Prof. Schneider


Thema

Der Schulweg von Kindern ist nicht sehr sicher. Durch Geschwindigkeitsmessungen des ADAC vor 25 Schulen in zehn Bundesländern wurden häufig Fahrer mit zu hohen Geschwindigkeiten gemessen. Die zulässige Höchstgeschwindigkeit von 30 km/h wurde von mehr als 60 Prozent der Autofahrer überschritten. Von insgesamt 43 828 Messungen, waren 26 329 zu schnell unterwegs. Vor einer Grundschule in Hamburg wurde ein Rekordwert von 96 km/h bei vorgeschriebenen 30km/h gemessen.

Um die Autofahrer abzuschrecken, können sogenannte Tempomessgeräte helfen. Diese messen die Geschwindigkeit und zeigen diese über eine Anzeige dem vorbeifahrenden Fahrer. Zudem wird oft auch noch mit einem Smiley signalisiert, ob der Fahrer zu schnell fährt oder ob er sich an die vorgegebene Geschwindigkeit hält.

Aufgabenstellung

Messen Sie die Geschwindigkeit vorbeifahrender Fahrzeuge und visualisieren Sie den Messwert als Zahl und als Smiley.

  1. Recherchieren Sie bestehende Projektlösungen.
  2. Stellen Sie einen Projektplan auf.
  3. Entwerfen Sie Ihr System.
  4. Erstellen Sie anhand des Systementwurfs eine Kostenabschätzung und einen QV-Antrag bis 04.05.22.
  5. Erstellen Sie eine Stückliste und lösen Sie die Beschaffung der Bauteile aus.
  6. Nehmen Sie den RADAR-Sensor in Betrieb und messen Sie die Geschwindigkeit. Charakterisieren Sie den Sensor (Messbereich, Auflösung, Unsicherheit, Empfindlichkeit, etc.).
  7. Implementieren Sie eine robuste Filterung (Objektbildung, -Verfolgung z. B. Kalman-Filter).
  8. Bauen Sie das System auf.
  9. Führen Sie Modul- und Systemtests durch z. B. vor der Hochschule.
  10. Dokumentieren Sie Ihre Ergebnisse nach wiss. Stand.
  11. Machen Sie ein tolles Videos, welches die Funktion visualisiert.
  12. Live-Vorführung während der Abschlusspräsentation

Anforderungen (Lastenheft)

Tabelle 1: Lastenheft
# Anforderung
Req 01 Das System muss die Geschwindigkeit bis 100 km/h messen und anzeigen.
Req 02 Nutzen Sie den RADAR-Sensor iSYS-4001 der Firma InnoSenT.
Req 03 Die Reichweite muss min. 50 m betragen.
Req 04 Das System muss hochleistungs-LED-Anzeige in gelb und rot verwenden und im hellen Tageslicht gut lesbar sein.
Req 05 Das System muss rot bei überhöhter Geschwindigkeit diese rot blinkend anzeigen.
Req 06 Das System soll die Geschwindigkeit mit einer Zahlenhöhe von 30 cm 2-stellig anzeigen.
Req 07 Das System muss eine Smiley-Funktion ☹ ☺ anzeigen (vgl. Abb. 1). Der Smiley muss ab einem einstellbaren Geschwindigkeitsschwellwert umgeschaltet werden.
Req 08 Die Anzeige soll im Hochformat dem Format (84x63x18) cm entsprechen.
Req 09 Das System soll wetterfest sein.
Req 10 Kür: Das System erstellt bei Geschwindigkeitsüberschreitung ein "Blitzerfoto" (vgl. Abb. 2), welches ein Beweisbild inkl. Maximalgeschwindigkeit, Datum und Uhrzeit speichert.
Abb. 2: Blitzerfoto

Anforderungen (Pflichtenheft)

Tabelle 2: Pflichtenheft
# Anforderung
nFA1 Die LEDs sollen über einen Microcontroller gesteuert werden.
nFA2 Die Geschwindigkeit soll mit C++ programmiert werden.
nFA3 Es muss ein Radarsensor verwendet werden.
nFA4 Die Geschwindigkeit soll nach 1 Sekunde angezeigt werden.
nFA5 Die Geschwindigkeit muss in km/h angezeigt werden.

Anforderungen an die Projektarbeit

Projektplan

Abb. 3: Projektplan


  • Optimierung der Hardware Software Kommunikation

BOM

Eine Stückliste (Bill of Material, BOM), welche die einzelnen Komponenten auflisten, die für die Realisierung des Projekts notwendig werden, wurde erstellt.

Pos. Anz. Bezeichnung Artikelnummer
1 1 Arduino UNO Gegeben
2 1 5 Meter RGB LED-Steifen WS2812B(60LEDs/Meter) LT5050RGBIC593605005IP20 bei ledtech-shop.de
3 1 Radarsensor IsYs 4001 2191-80.00000191-ND bei digykey.com
4 1 M12 8 poliger Stecker 123-1064 bei RS-online.de
5 1 RS232 Sub-D Stecker(zum Löten) Gegeben
6 1 Netzteil 5V 4A MW GST25E05 bei reichelt.de
7 2 2m Datenkabel Gegeben
8 1 Wiederstand 220 Ohm Gegeben
9 1 Plexiglasscheibe 500mm x 500mm x 2mm AXT-020-TRAEVO050050 bei expresszuschnitt.de
10 2 MDF-Platten 1500mm x 1500mm x 11mm Gegeben
11 1 InnoSenT Kabel für Sensor ISyS 4001 über Anfrage an InnoSenT erhalten

Funktionaler Systementwurf / Technischer Systementwurf

Abb. 5: Speedy


Abb. 5: 3D Model Vorne Abb. 5: 3D_Modell Abb. 5: 3D Model Offen

Komponentenspezifikation

Komponente Beschreibung Abbildung
Radarsensor iSyS 4001 Messbereich: 0 bis 250km/h
Messentfernung: 0 bis 150 m
Signal: Digital, PWM(Velocity), PWM(range)
Radarsensor
Arduino UNO Microcontroller
14 digitale I/O Pins
6 analoge Eingänge
Arduino Uno Board
LED-Streifen RGB LEDs(Rot, Grün, Blau)
256 Helligkeitsstufen
maxV: 5V
Arbeitsstrom: 2880mA pro Meter
WS2812B
LED-Dimmer Dimmung der LEDs
Wände: Trennung der LED-Segmente
LED Abdeckung
LED-Wände Lichtschutz
LED Abdeckung
LED-Ecken-Lichtschutz 7-Segment Ecken abdecken
LED Abdeckung

Umsetzung

Radarsensor Isys 4001

LED-Seven-Segment Aufbau und Verlötung

Gehäuse

Elektronik

Programmierung

Komponententest

ID Testfallbeschreibung Erwartetes Ergebnis Testergebnis Testperson Datum
Tabelle 1: Testbericht für den Einzelkomponententest
1 LED-Stripe auf Funktion überprüfen. Wenn LEDs blau leuchten funktionieren die einzelnen RGB LEDs. OK Justin Frommberger 3.08.2022
2 Sensor auf Funktion überprüfen Sensor gibt Werte in GUI an OK Jonas Gerken 10.10.2022


ID Testfallbeschreibung Testergebnis Begründung Testperson Datum
Tabelle 2: Testbericht für den Gesamtkomponetenbereich
1 2 LED-Seven Segments OK Mit zwei Senkrechten und 3 Waagerechten LED Streifen je Seven-Segment wurde das erreicht. Justin Frommberger, Jonas Gerken 14.09.2022
2 Stromversorgung der LEDs über Netzteil(5V/20A) OK Stromversorgung ist über ein Kabel an dem Netzteil möglich. Justin Frommberger, Jonas Gerken 10.10.2022
3 Stromversorgung des Radarsensors über Netzteil(5V/4A) OK An Arduino Power Supply angeschlossen und über angelötete Kabel am Sensor angeschlossen. Justin Frommberger, Jonas Gerken 10.10.2022

Ergebnis

Fast alle Anforderungen des Projektes konnten erfüllt werden. Wir unterschätzten, dass die LED‘s eine Menge an Strom benötigen (aktueller Stand 10A), so mussten wir bei unserem Projekt LED‘s einsparen und beschlossen das Smiley Gesicht nicht einzubauen. Um trotzdem die gewünschte Aufgabe zu erfüllen, überlegten wir uns, dass wir die nicht überschrittene Geschwindigkeit Grün anzeigen lassen.
Die zu hohe Geschwindigkeit stellen wir in roter Farbe dar. Zudem haben wir uns für ein kleineres Format des Schildes entschieden, um unser Projekt besser transportieren zu können. Auch haben wir uns gegen einen Schriftzug vom km/h entschieden, um die Zahlen möglichst groß und sichtbar für die Fahrer zu gestalten. Leider haben wir festgestellt, dass der vorhandene Radarsensor Isys 4001 eine Störung hat und keine konstanten Werte zurückliefert, dieses führt bei der Anzeige zu ungenauen Werten. Alle anderen oben aufgelisteten Anforderungen konnten wir erfüllen.

Zusammenfassung

Lessons Learned

Das Team hat die folgenden Kompetenzen erlernt:

  • Projektplanung und Zeitmanagement
  • CAD Konstruktion für 3D Druck
  • 3D Druck
  • Löten
  • Ansteuerung von WS2812 LEDs
  • Bau eines Kabels

Besondere Herausforderungen

Die erste Herausforderung bei unserem Projekt „Speed-Tempomessgerät“, stellte sich direkt am Anfang bei der Materialbeschaffung. Das Problem war es, das alle Materialien, die für das Projekt benötigt werden zu beschaffen. Wir stellten fest, dass bei dem vorhandenen Radarsensor der Hochschule das Kabel zur Strom- und Datenversorgung fehlte. Weil das Kabel kein Standardkabel war, informierten wir uns bei dem Hersteller des Sensors wie das Kabel aufgebaut ist und ließen uns das dazugehörige Datenblatt schicken. Um das Kabel selbst anzufertigen, bestellten wir dafür einen RS232 Sub-D Stecker und einen M12 8 poligen Stecker. Das Herstellen des Kabels konnte nach langem ausprobieren und telefonischem Austausch mit der Herstellerfirma nicht abgeschlossen werden. Folgend fragten wir die Firma, ob sie uns ein Kabel zuschicken könnten. Freundlicherweise ließen sie uns ein Kabel kostenlos zukommen, um unser Problem zu lösen.

Die nächste Herausforderung war es, herauszufinden, wie groß die Netzteile seien müssen, um unser komplettes Projekt mit Strom zu versorgen. So recherchierten wir in den Datenblättern des Sensors und der RGBs, wie groß die Netzteile sein müssen. Später stellte sich heraus beim Anschließen der RGB-Kette, dass die LED‘s viel mehr Strom in Reihenschaltung benötigten als wir berechnet hatten (über 20A). Folgend beschlossen wir unsere Schaltung um zulöten, wir setzten die Stromversorgung mittig und teilten diese in 4 Reihenschaltungen auf. Wir verringerten den benötigten Stromverbrauch auf ungefähr 10A. Zusätzlich verzichteten wir auf weitere RGBs für das Smiley, um Strom zu sparen und ein transportables Netzteil nutzen zu können. Eine weitere Herausforderung im Projekt war die Ansteuerung der einzelnen RBGs, da diese teilweise zusammengeschaltet sind und beim Ansteuern einer RBG zwei Stück eingeschaltet werden. Nach mehrfachen neu Löten konnte der Fehler nicht gefunden werden. Daraufhin haben wir uns eine neue Schaltung (Abb.8) entwickelt, mit der wir unsere Schaltung umsetzen konnten.

Projektunterlagen

Link zu dem SVN Ordner des Projekt: SVN: RADAR Tempomessgerät.

Link zum Sensor Datenblatt: Datenblatt.


Fehlerbeschreibung

Weblinks

Erklärung zum GUI des Sensors: https://www.digikey.de/en/pdf/i/innosent/gui-interface


Modulhandbuch (Interaktionstechnik und Design)

Literatur

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