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 eines Lautsprechers
• 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 Summer ansteuern.
• Entfernungen mit dem Ultraschall-Sensor messen.
• Messwerte in Echtzeit filtern.

Lernzielkontrolle

• Was sind die Gefahren bei der Verwendung eines AlphaBots?
• Wann muss ich die Akkus verwenden?
• Was ist das "Plus" am Arduino Plus?
• Welche Sensoren und Aktoren sind an den Arduino Plus angeschlossen?
• Wie stecke ich den Ultraschallsensor ein?
• Was ist ein Medianfilter und wie funktioniert es?

Versuchsvorbereitung

• Arbeiten Sie sich anhand des Wiki-Artikels in den AlphaBot ein. Beachten Sie besonders die Ausrichtung der Akkus. ACHTUNG BRANDGEFAHR!
• Machen Sie sich mit der Multisensorerweiterung vertraut.
• Machen Sie sich mit den MATLAB^®-Demos vertraut.
• Lesen Sie die Artikel zu den verwendeten Sensoren.

MATLAB^®-Vorbereitung

• 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.

Tutorials

• Erste Schritte mit dem AlphaBot
• HSHL-Wiki: Ultraschallsensor HC-SR04
• HSHL-Wiki: Joystick KY-023
• HSHL-Wiki: Piezo Lautsprecher
• HSHL-Wiki: Passiver Lautsprecher
• HSHL-Wiki: Potentiometer
• HSHL-Wiki: Rekursive Filter
• Schaltplan der Multisensorplatine

Demos

• MATLAB^®: GleitendesMittelwertFilter.m
• MATLAB^®: MedianFilter.m
• MATLAB^®: MittelwertFilter.m
• MATLAB^®: TiefpassFilter.m

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. Schützen Sie den Ultraschallsensor vor Verpolung! Beachten Sie die Beschriftung. Falls der Ultraschallsensor keine vernünftigen Werte liefert, versorgen Sie diesen zusätzlich über die Akkus.

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

Aufgabe 2.2: 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 Ergebnis-Arrays Zeit und Distanz in der Datei Ultraschall.mat.

Nützlich MATLAB^®-Befehle: aduino, figure, plot, xlabel, ylabel, tic, toc, readDistance, set, if..else, isinf, save, clear

Arbeitsergebnisse in SVN: leseUltraschall.m, Ultraschall.mat

Teillösung 

clear all; close all; clc; % Initialisierung
hArduino = arduino('COM8','Uno','Libraries','Ultrasonic'); % Arduino Objekt erzeugen
hUltraschall = ultrasonic(hArduino,'D11','D12','OutputFormat','double')
nMesswerte = 100;
%% Messschleife
tic
for i=1:nMesswerte
    Distanz(i) = readDistance(hUltraschall);
    Zeit(i)    = toc;
end

%% Ergebnisdarstellung
plot(Zeit,Distanz*100,'r.-');
xlabel('Zeit in s')
ylabel('Distanz in cm')
clear hArduino

Aufgabe 2.3: 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).

Nützlich MATLAB^®-Befehle: addpath

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?

Demos  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

Aufgabe 2.4: 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

Ausblick zur nächsten Lektion

In der nächsten Lektion wird der Servomotor des AlphaBot mit MATLAB^® angesteuert.

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