AlphaBot: Hardware Support Package für MATLAB

Abb. 1: MATLAB^® als serieller Monitor

Autor:	Prof. Dr.-Ing. Schneider
Modul:	Praxismodul II, MTR-B-2-2.11
Lehrveranstaltung:	Mechatronik, Informatik Praktikum 2, 2. Semester

Inhalt

• Nutzung von MATLAB^® als seriellen Monitor.
• Inbetriebnahme des AlphaBot
• Einbindung der Bibliotheken für den AlphaBot
• Auslesen eine Potentiometers
• Ansteuern einer RGB-LED
• Statische und dynamische Messung mit dem Ultraschallsensor
• Anwendung rekursiver Filter auf Echtzeitdaten

Lernziele

Nach Durchführung dieser Lektion können Sie

• Debug-Daten speichern und via MATLAB^® visualisieren.
• direkt MATLAB^® als seriellen Monitor nutzen.
• den AlphaBot sicher in Betrieb nehmen, das Potentiometer auslesen und eine RGB-LED ansteuern.
• Entfernungen mit dem Ultraschall-Sensor messen.
• Messwerte in Echtzeit filtern.

Versuchsvorbereitung

• Das MATLAB Support Package für Arduino Hardware muss unter MATLAB installiert werden
  • Starten Sie MATLAB
  • Wählen Sie unter Add-Ons das Get Hardware Support Packages aus.
  • Installieren Sie das MATLAB Support Package für Arduino Hardware.
• Verbinden Sie Arduino und PC via USB.
• Bringen Sie mit dem Geräte-Manager den COM-Port des Arduino in Erfahrung.
• Testen Sie die Verbindung mit >> h = arduino('COM5','Uno') für Ihren COM-Port.

Warnung

Der AlphaBot verwendet sehr viele Sensoren, daher sind Ports mehrfach verwendet. Es kann somit zu Komplikationen kommen. Entfernen Sie einfach die Steckbrücken der Mehrfachbelegung.

Versuchsdurchführung

Aufgabe 2.1: MATLAB^® als serieller Monitor

1. Nutzen Sie MATLAB^® um die Messdaten direkt (live) darzustellen.
2. Verbinden Sie den Arduino mit dem PC via USB.
3. Greifen Sie hierzu auf die serielle Schnittstelle zu.
4. Stellen Sie sicher, das die Multisensorerweiterung auf dem Alphabot steckt.
5. Drehen Sie, während der Messung am Potentiometer und Visualisieren Sie die Spannung über der Zeit an A0.

Nützlich MATLAB^®-Befehle: arduino, tic, toc, readVoltage, plot, xlabel, ylabel, legend

Arbeitsergebnisse in SVN: lesePoti.m

Musterlösung 

clear all; close all; clc; % Initialisierung
disp('Verbindung wird hergestellt...')
hArduino = arduino('COM5','Uno') % Arduino Objekt erzeugen
figure % Grafik vorbereiten
h = plot(0,0)
tic % Timer starten
for i=1:100
    Spannung(i)= readVoltage(hArduino,'A0'); % Spannung messen
    Zeit(i)    = toc;                        % Zeit messen
    set(h,'XData',Zeit,'YData',Spannung);        % Werte live anzeigen
    pause(0.1) % in s
end
clear hArduino

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Aufgabe 2.2: Inbetriebnahme des AlphaBot

1. Arbeiten Sie sich anhand des Wiki-Artikels in den AlphaBot ein. Beachten Sie besonders die Ausrichtung der Akkus. ACHTUNG BRANDGEFAHR!
2. Binden Sie die AlphaBot Bibliothek nach Anleitung in die Arduino IDE ein.
3. Machen Sie sich mit der Multisensorerweiterung vertraut.
4. Lesen Sie den Taster des Joysticks ein (A4).
5. Zeigen Sie den Spannungswert über der Zeit während der Messung an.
6. Lesen Sie das Potentiometer ein (A0).
7. Bei Tasterdruck ertönt der Summer an D11.
8. Regeln Sie mit dem Potentiometers die Lautstärke des Summers.

Arbeitsergebnisse: leseJoystick.m

Tipp 1 

• Messen Sie den Arbeitsbereich des Potis aus.
• Skalieren Sie die Poti-Werte auf die Lautstärke.
• Nützliche Befehle: aduino, figure, plot, xlabel, ylabel, tic, toc, readVoltage, set, if..else, playTone

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Aufgabe 2.3: AlphaBot Ultraschall

1. Messen Sie auf ein ebenes statisches Ziel in ca. 30 cm Entfernung.
2. Lesen Sie für 10 s die Messwerte des Ultraschallsensor ein [1].
3. Zeigen Sie die Distanzwerte in cm über der Zeit live während der Messung an.
4. Fehlmessungen (inf) dürfen nicht angezeigt werden.
5. Speichern Sie die Aergebnis-Arrays Zeit und Distanz in der Datei Ultraschall.mat.

Arbeitsergebnisse in SVN: leseUltraschall.m, Ultraschall.mat

• Nützliche Befehle: aduino, figure, plot, xlabel, ylabel, tic, toc, readDistance, set, if..else, isinf, save, clear

Teillösung 

clear all; close all; clc; % Initialisierung
hArduino = arduino('COM8','Uno','Libraries','Ultrasonic'); % Arduino Objekt erzeugen
hUltraschall = ultrasonic(hArduino,'D2','D3','OutputFormat','double')
nMesswerte = 100;
%% Messschleife
tic
writeDigitalPin(hArduino, 'D13', 1);
for i=1:nMesswerte
    Distanz(i) = readDistance(hUltraschall);
    Zeit(i)    = toc;
end
writeDigitalPin(hArduino, 'D13', 0);
%% Ergebnisdarstellung
plot(Zeit,Distanz*100,'r.-');
xlabel('Zeit in s')
ylabel('Distanz in cm')
clear hArduino

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Aufgabe 2.4: Glättung der Ultraschallmessung

1. Nutzen Sie Ihre Ergebnisse aus Aufgabe 2.3 (Ultraschall.mat), um die Messwerte zu glätten.
2. Lesen Sie zyklisch die Daten aus der Datei Ultraschall.mat.
3. Filtern Sie die Daten zyklisch mit einem gleitenden Mittelwertfilter, einem rekursiven Medianfilter und einem rekursiven Tiefpassfilter.
4. Vergleichen Sie die Ergebnisse der Filter in einem Plot mit Achsenbeschriftung und Legende anhand technischer Kriterien (Rauschunterdrückung, Verzögerung, Ausreisserfilterung, Programmieraufwand).

Arbeitsergebnisse in SVN: filtereUltraschall.m

Lernzielkontrollfragen:

1. Wurde das Signalrauschen geglättet?
2. Ist das gefilterte Signal verzögert?
3. Welchen Einfluss haben die Filterparameter?
4. Wie verhalten sich die gefilterten Signal bei Ausreißern?

Tipp 1  Nutzen Sie Ihre Funktionen GleitendesMittelwertFilter.m, rekursivesMedianFilter und TiefpassFilter.m.

Diese finden Sie im Demo-Ordner: https://svn.hshl.de/svn/Informatikpraktikum_1/trunk/Demos/MATLAB/Filter

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Aufgabe 2.5: Nachhaltige Doku

Sichern Sie alle Ergebnisse mit beschreibendem Text (message) in SVN.

• Halten Sie die Regeln für den Umgang mit SVN ein.
• Halten Sie die Programmierrichtlinie für C und die Programmierrichtlinien für MATLAB^® ein.
• Versehen Sie jedes Programm mit einem Header (Header Beispiel für MATLAB, Header Beispiel für C).
• Kommentiere Sie den Quelltext umfangreich.

Arbeitsergebnis in SVN: SVN Log

Tutorials

• Erste Schritte mit dem AlphaBot
• Erste Schritte mit der Arduino IDE
• HSHL-Wiki: Ultraschallsensor HC-SR04

Demos

• Rekursive Filter in MATLAB®
• SVN: DemoDebug2MATLAB
• SVN: E05_Ultraschall_Entfernungsmessung
• SVN: E23_RGB_LED
• SVN: E34_lesePoti

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