Escape Game: Auf der gleichen Wellenlänge

Abb. 1: Auf der gleichen Wellenlänge

Autoren:	Tim Nicklas Gleisenberg und Deron Antony Pinheiro
Betreuer:	Prof. Schneider

Einleitung

Im Rahmen des Fachpraktikums im Studiengang Mechatronik an der Hochschule Hamm-Lippstadt entwickelt jede Projektgruppe ein eigenständiges mechatronisches Rätsel, das innerhalb von etwa fünf Minuten lösbar ist. Die entstandenen Rätsel verbleiben an der HSHL und werden zu einem Escape-Game kombiniert, das von Schülerinnen und Schülern sowie Studierenden gespielt werden kann.

Das hier vorgestellte Rätsel „Auf der gleichen Wellenlänge“ verknüpft berührungslose Abstandsmessung mit akustischem Feedback. Ein Ultraschallsensor erfasst den Abstand zu einem Objekt (z. B. einer Hand) und ordnet ihn diskreten Distanzbereichen zu, denen jeweils feste Tonfrequenzen zugeordnet sind. Parallel dazu wird ein Referenzton über einen zweiten Lautsprecher ausgegeben. Ziel ist es, durch die richtige Positionierung denjenigen Distanzbereich zu erreichen, in dem beide Töne übereinstimmen, und diese Übereinstimmung über fünf Sekunden stabil zu halten, um ein Level weiterzuschalten. Nach dem erfolgreichen Durchlaufen aller Level wird ein Code ausgegeben, der als Lösungselement im übergeordneten Escape-Game dient.

Schwierigkeitslevel: Einsteiger

• Es ist bewusst leicht gehalten, um sowohl Schüler:innen als auch Studierende zum Ausprobieren einzuladen.

Lernziele:

• Funktion eines Ultraschall-Sensors
• Messbereiche auf diskrete Bereiche umstellen (physikalische Größe --> digitaler Wert)
• Förderung algorithmischem Denken: Vergleich, Wiederholung, Feedback
• Sensor-Aktor-System mit Benutzerinteraktion

Bezug zum MTR Studium:

• Aufbau Sensor-Aktor-System (Mess- und Regelungstechnik 5. Semester)
• Anwendung Ultraschallsensor und Filter (Informatikpraktikum 1. Semester)

Anforderungen

Tabelle 1: Anforderungen und Bauteile testen

Nr.	Inhalt	Ersteller	erstelltes Datum	Geprüft von	geprüftes Datum
1	Ein Objekt muss von dem Ultraschallsensor erkannt werden (z.B Hand)	Tim & Deron	06.10.2025
2	Lautsprecher 1 muss Referenz-Ton abspielen (je Level andere Frequenz)	Tim & Deron	06.10.2025
3	Distanz muss ermittelt werden und in eine Frequenz umgewandelt werden	Tim & Deron	06.10.2025
4	Lautsprecher 2 muss Ton ausgeben (abhängig von Distanz)	Tim & Deron	06.10.2025
5	Wird die richtige Frequenz 5 Sekunden gehalten, ist das Level schafft	Tim & Deron	06.10.2025
6	Es sollen mehrere Level vorhanden sein	Tim & Deron	06.10.2025
7	Ist die Frequenz falsch ist, soll nichts passieren	Tim & Deron	06.10.2025
8	Die messtechnischen Grundlagen müssen für SchülerInnen verständlich mit Hilfsmaterial anschaulich vermittelt werden.	Prof. Schneider	06.10.2025
9	Am Ende muss ein Code auf dem LCD ausgegeben werden	Tim	10.01.2026
10	Es soll eine Bestätigung für das Schaffen eines Levels angezeigt werden.	Tim	10.01.2026

Funktionaler Systementwurf

Das System soll mittels Sensor ein Objekt, z.B. eine Hand, erkennen und den Abstand zu diesem messen. Aus dem Abstand soll eine digitale Größe gewandelt werden, die zu einem visuellen oder akustischem Feedback werden soll.

Abb. 2: Programmablaufplan

Tabelle 2: Materialliste

Nr.	Anz.	Beschreibung
1	1	Funduino Arduino UNO R3
2	1	Ultraschall Abstandssensor HC-SR04
3	1	LCD Modul 16x02 I2C
4	1	Gehäuse (3D-Druck)
5	1	Steckbrett für temporären Aufbau
6	20	Breadboard-Male-to-Male-Kabel für temporären Aufbau
7	2	Lautsprecher (eventuell Piezo)
8	1	9V Netzteil zum Betreiben des Arduinos
9	1	Lochplatine
10	div.	Leitungen

Technischer Systementwurf

Der technische Systementwurf des Rätsels basiert auf einer berührungslosen Abstandsmessung mittels Ultraschallsensor und einer darauf aufbauenden akustischen Rückmeldung. Ein Mikrocontroller erfasst zyklisch den gemessenen Abstand zwischen Sensor und einem Objekt (z. B. einer Hand) und ordnet den Messwert einem von mehreren diskreten Distanzbereichen zu. Jeder Distanzbereich ist fest mit einer diskreten Ausgabefrequenz verknüpft, die über einen Piezo- bzw. Lautsprecher als Ton ausgegeben wird. Dabei gilt: geringer Abstand entspricht einer höheren Frequenz, größerer Abstand einer niedrigeren Frequenz. Die Tonhöhe verändert sich somit nicht kontinuierlich, sondern springt beim Wechsel zwischen den Distanzbereichen auf die jeweils zugeordnete Frequenz. Parallel zur variablen Tonerzeugung gibt ein zweiter Lautsprecher einen Referenzton aus. Ziel ist es, durch Anpassung des Abstands denjenigen Distanzbereich zu erreichen, dessen feste Frequenz dem Referenzton entspricht. Ein „falscher“ Zustand wird nicht definiert; stattdessen dient die Abweichung vom Referenzton als unmittelbares Feedback, ob der aktuelle Distanzbereich bereits dem Ziel entspricht. Der Fortschritt im Rätsel erfolgt über eine Zeitbedingung: Befindet sich der Abstand im Zielbereich, muss die entsprechende Frequenz durchgehend 5 Sekunden gehalten werden. Erst nach Erfüllung dieser Haltezeit wird das nächste Level freigeschaltet bzw. der Levelzähler erhöht. Dieses Vorgehen reduziert zufällige Treffer durch kurze Positionsänderungen und stellt sicher, dass der Zielbereich bewusst und stabil erreicht wird.

Abb. 3: Technischer Systementwurf

Komponentenspezifikation

Ultraschall Abstandssensor HC-SR04
LCD Modul 16x02 I2C

Hardware

Für die Hardware-Umsetzung wurde ein 3D-gedrucktes Gehäuse vorgesehen und die Elektronik auf einer Lochrasterplatine aufgebaut, da eine eigens gefertigte Leiterplatte (PCB) für die geringe Bauteilanzahl (zwei Piezos, ein Display und ein Sensor) einen unverhältnismäßig hohen Aufwand darstellen würde.

Abb. 5: Platinenlayout

Abb. 4: 3D-gedrucktes Gehäuse

Software

Die folgende Abbildung zeigt die Software-Blockarchitektur des Rätsels als durchgängige Verarbeitungskette von der Abstandsmessung bis zur Ton- und Displayausgabe. Die Umsetzung erfolgt modellbasiert (z. B. in MATLAB/Simulink mit Arduino-Anbindung) und gliedert sich in klar abgegrenzte Funktionsblöcke.

Im Block „Messung und Filterung“ wird der Abstand über den Ultraschallsensor zyklisch erfasst und anschließend zur Stabilisierung aufbereitet. Dazu wird der Messwert skaliert und über einen Medianfilter geglättet, um Ausreißer einzelner Messungen zu reduzieren. Der gefilterte Distanzwert wird im Block „Umwandlung der Distanz in Frequenz“ einem diskreten Distanzbereich zugeordnet und in eine diskrete Ausgabefrequenz umgesetzt. Dabei gilt die Zuordnung „nah = hohe Frequenz, weit = niedrige Frequenz“. Die resultierende Frequenz wird für die weitere Verarbeitung als geeignetes Zahlenformat bereitgestellt.

Die Spiellogik ist im Zustandsautomaten (State Machine) realisiert. Dieser wertet Distanz und Ereignisse aus, steuert den aktuellen Spielzustand und erzeugt die beiden Tonvorgaben: FrequenzUS (variabler Ton abhängig von Distanz) und FrequenzREF (Referenzton). Ein separater Timer-Block stellt sicher, dass der korrekte Distanzbereich bzw. die passende Frequenz durchgehend 5 Sekunden gehalten werden muss, bevor ein Levelwechsel ausgelöst wird. Die Ausgabe an die Hardware erfolgt über einen I/O-Block (z. B. „IO Device Builder“), der die beiden Piezo-/Lautsprecher (Spielton und Referenzton) an den definierten Pins ansteuert und zusätzlich den auszugebenden LCD-Zustand (z. B. Level/Status) erhält.

Abb. 6: Simulink Programm

Die Abbildung zeigt den Zustandsautomaten, der den Ablauf des Rätsels in diskrete Spielphasen gliedert und die Ton- sowie Anzeigeausgaben steuert. Nach dem Start befindet sich das System im Zustand Idle, in dem der Referenzton deaktiviert ist (FrequenzREF = 0). Mit Beginn der Messung wechselt der Automat in den Zustand Betrieb, in dem die Level sequenziell abgearbeitet werden.

Im Betriebszustand sind drei Level implementiert (Level1–Level3), die jeweils eine feste Referenzfrequenz vorgeben. Parallel dazu wird die aus dem Ultraschallsensor abgeleitete Frequenz (FrequenzUS) als variabler Ton ausgegeben. Die Lösung eines Levels erfolgt, wenn FrequenzUS dem Referenzton FrequenzREF entspricht. In diesem Fall wechselt der Automat in den Teilzustand Matching und prüft, ob die Übereinstimmung über eine definierte Haltezeit stabil bestehen bleibt. Erst wenn die Frequenzen durchgehend für mehrere Sekunden gleich bleiben, wird das nächste Level freigeschaltet und der Anzeigestatus (ZustandLCD) entsprechend aktualisiert.

Nach erfolgreichem Abschluss des letzten Levels gelangt das System in den Zustand GEWONNEN, schaltet die Tonausgabe ab und kehrt nach einer Wartezeit wieder in den Ausgangszustand zurück.

Abb. 7: Zustandsautomat für die Logik

Komponententest

LCD-Modul in Simulink Das LCD-Modul muss in Simulink in Betrieb genommen werden. Mittels "IO Device Builder" wurde ein Block erstellt, der die Funktion des LCD-Moduls ausführt. Somit lies sich nur ein Text anzeigen und nach Einbringen in die Software liesen sich auch die veränderlichen Werte, wie die Frequenz des Ultraschallpiezos anzeigen.

Piezo-Speaker in Simulink Damit die Piezo-Speaker einen Ton ausgeben, benutzt man die Funtkion tone() in der ArduinoIDE. Wir kombinierten in die Funktion in die des LCD-Moudls, um mit den Simulinkblöcken zu sparen. Dadurch liesen sich die Piezospeaker über Simulink steuern. So konnten passende Frequenzen der Piezos gefunden werden, die für das Spiel zum synchronisieren benutzt werden können.

Systemtest

Tabelle 3: Anforderungen Test

Nr.	Inhalt	Prüfdatum	Methode	Anzahl Test	Ergebniss
1	Ein Objekt muss von dem Ultraschallsensor erkannt werden (z.B Hand)	12.01.2026	Vorhalten eines Objekts oder der Hand für Starten des Spiels	3	Bestanden
2	Lautsprecher 1 muss Referenz-Ton abspielen (je Level andere Frequenz)	12.01.2026	Warten auf Ton in jedem Level	3	Bestanden
3	Distanz muss ermittelt werden und in eine Frequenz umgewandelt werden	12.01.2026	Frequenz wird abhängig von Distanz auf dem LCD ausgegeben	3	Bestanden
4	Lautsprecher 2 muss Ton ausgeben (abhängig von Distanz)	12.01.2026	Je nach Abstand wird Ton höher(nah) oder tiefer(fern)	3	Bestanden
5	Wird die richtige Frequenz 5 Sekunden gehalten, ist das Level schafft	12.01.2026	Finden und halten der richtigen Frequenz (Töne sind gleich)	3	Bestanden
6	Es sollen mehrere Level vorhanden sein	12.01.2026	Es sind drei Level vorhanden. Nach drei Leveln hat man gewonnen	1	Bestanden
7	Ist die Frequenz falsch ist, soll nichts passieren	12.01.2026	Schnelles Hin- und Herbewegen der Hand vor dem Sensor	20	Bestanden
8	Die messtechnischen Grundlagen müssen für SchülerInnen verständlich mit Hilfsmaterial anschaulich vermittelt werden.	12.01.2026	Anhand eines schematischen Ausdrucks wird das Prinzip des Ultraschallsensors erklärt und die messtechnischen Grundlagen dargestellt	1	Bestanden
9	Am Ende muss ein Code auf dem LCD ausgegeben werden	12.01.2026	Ablesen des LCD	3	Bestanden
10	Es soll eine Bestätigung für das Schaffen eines Levels angezeigt werden.	12.01.2026	Ablesen des LCDs nach Level	3	Bestanden

Ergebnis

Das Ergebnis ist ein spielerischer in die Sensorik und in grundlegende mechatronische Systeme. Durch das Abgleichen der Töne wird den Spielenden die Funktionsweise eines Ultraschallsensors anschaulich vermittelt: Abstandsmessung, Signalverarbeitung und Aktorik (akustische Ausgabe) werden unmittelbar erlebbar und nachvollziehbar. Trotz einzelner Herausforderungen in der Umsetzung – insbesondere bei der stabilen Auswertung der Messwerte und der zuverlässigen Zustandslogik – arbeitet das Rätsel im Betrieb robust und ist intuitiv bedienbar. Der Lösungsweg erschließt sich ohne Vorkenntnisse, sodass das Spiel auch für jüngere Teilnehmende geeignet ist. In Kombination mit den begleitenden Materialien bildet das Rätsel damit einen ersten praxisnahen Zugang zur Messtechnik sowie zu typischen Sensor-Aktor-Systemen, wie sie in vielen mechatronischen Anwendungen eingesetzt werden.

Zusammenfassung

Der Wiki-Artikel „Escape Game: Auf der gleichen Wellenlänge“ beschreibt ein im Fachpraktikum Mechatronik an der Hochschule Hamm-Lippstadt entwickeltes, bewusst niedrigschwelliges Rätsel für ein späteres, aus mehreren Stationen kombiniertes Escape-Game. Kernidee ist eine berührungslose Abstandsmessung: Ein Ultraschallsensor erfasst die Distanz zu einem Objekt (z. B. einer Hand) und wandelt diese in einen Ton um; die Spielenden sollen diesen Ton an einen Referenzton eines zweiten Lautsprechers angleichen. Nach dreimaligem korrektem Nachahmen wird ein Code ausgegeben. Als didaktischer Fokus werden vor allem das Funktionsprinzip eines Ultraschallsensors, die Umsetzung einer physikalischen Größe in diskrete digitale Bereiche, sowie grundlegende algorithmische Konzepte (Vergleich, Wiederholung, Feedback) und das Zusammenspiel eines Sensor-Aktor-Systems mit Benutzerinteraktion genannt. Der Artikel ordnet das Projekt zudem in Inhalte des MTR-Studiums ein (u. a. Sensor-Aktor-Systeme sowie Ultraschallsensor/Filter aus Praktika).

Lessons Learned

Für spätere Projekte wäre eine regelmäßige Absprache wichtig, um einen konstanten Fortschritt über das Semester zu gewährleisten.

Ebenfalls gab es einige Problematiken in Simulink, welche die Softwareentwicklung sehr mühsam gemacht haben. In Zukunft sollte sich noch intensiver mit den Professoren ausgetauscht werden, um die Probleme schneller zu beheben.

Ein weiterer Punkt ist bei der Hardwareauswahl die bauartbedingte Abweichung von Frequenzen eines Piezos, was Abgleich in größeren Frequenzbereichen erschwert. Falls nötig, lieber auf aktive Lautsprecher zugreifen.

Projektunterlagen

Projektplan

Abb. 8: Projektplan aus GanttProjekt

Projektdaten

Hier sind alle benötigten Dateien für das Simulink-Projekt: Datei:AufDerGleichenWellenlänge.zip.zip

Literatur

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