Angewandte Informatik: Entfernungsmessung mit Ultraschall

Abbildung 1: Ultraschallsensor HC-SR04

Autor:	Prof. Dr.-Ing. Schneider
Modul	Business and Systems Engineering, Angewandte Mathematik und Informatik, Übung, Sommersemester
Modulbezeichnung:	BSE-M-2-1.09

Inhalt

• Aussendung und Empfang von Ultraschallimpulsen mit MATLAB^®
• Ansteuerung einer LED
• Entfernungsmessung mittels Ultraschall
• Messwertanalyse mit MATLAB
• Messwertfilterung in Echtzeit
• Auslegung von Filterparameter
• Ergebnisdarstellung
• Schwellwertbetrachtung und Anzeige mit Ampelmodul

Lernziele

Nach Durchführung dieser Lektion können Sie

• die Funktion eines Ultraschallsensors erläutern.
• die Vor- und Nachteile der Entfernungsmessung mit Ultraschall erläutern.
• mit einem Ultraschallsensors Entfernungen messen.
• Messdaten charakterisieren und anzeigen.
• reale Messwerte speichern und via MATLAB^® zyklisch visualisieren.
• ein rekursives Tiefpassfilter programmiert und parametrieren.
• eine Funktion in MATLAB^® programmieren und aufrufen.
• LEDs und das Ampelmodul ansteuern.

Vorbereitung

Erlernen Sie die Funktion des Ultraschallsensors und eines rekursiven Tiefpassfilters anhand der verlinkten Fachartikeln und Literatur.

Tutorial

• HSHL-Wiki: Ultraschallsensors
• MATHWORKS: Ultraschallsensor einlesen
• HSHL-Wiki: Rekursives Tiefpassfilter

Demos

Tiefpass.m 

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%        Hochschule Hamm-Lippstadt                              *
%****************************************************************
% Modul	          : Tiefpass(x)                                 *
%                                                               *
% Datum           : 08-Okt-2013                                 *
%                                                               *
% Funktion        : Tiefpassfilter 1. Ordnung mit fester        * 
%                   Wichtung                                    *
%                                                               *
% Implementation  : MATLAB R2025b                               *
%                                                               *
% Toolbox         :                                             *
%                                                               *
% Author          : Phil Kim                                    *
%                   Bearbeitet von Prof. Schneider              *
%                                                               *
% Quelle          : www.jj21.org/kf4b                           *
%                                                               *
% Letzte Änderung : 020.04.2026                                 *
%                                                               *
%***************************************************************/
function xTPF = Tiefpass(x)

%% Bleibende Variablen anlegen
persistent prevX alpha

%% Beim ersten Durchlauf Initialisierung
if isempty(alpha)
  prevX = x; % Letztes Ergebnis
  alpha = 0.95; % Filterfrequenz/Wichtung
end

%% Tiefpass 1. Ordnung
xTPF = alpha*prevX + (1 - alpha)*x;
prevX = xTPF;

Aufgaben: Entfernungsmessung mit Ultraschall

1. Lesen Sie die Messwerte des Ultraschallsensor ein [1].
2. Eine rote LED signalisiert den Programmstart. Sobald Messwerte eintreffen erlischt die rote LED und das Ampelmodul übernimmt die Anzeige.
3. Zeigen Sie die Distanzwerte in cm über der Zeit an.
4. Nutzen Sie ein Tiefpassfilter, um das Messwertrauschen während der Laufzeit in Echtzeit zu entstören.
5. Ein Ampelmodul zeigt mit dauerhaftem Leuchten die Entfernung gemäß Tabelle 1 an.
6. Sichern Sie nach mind. 30 s Laufzeit Ihre Messwerte Zeit in s, Distanz in cm und die gefilterten Werte DistanzTP in der Datei Ultraschall.mat.

Tabelle 1: Zuornung zu Farben des Ampelmoduls

Entfernung	Farbe
x ≥ 20 cm	grün
10 cm < x < 20 cm	gelb
x ≤ 10 cm	rot

Teillösung 

clear all; close all; clc; % Initialisierung
if exist('hArduino')==0
    hArduino = arduino('COM8','Uno','Libraries','Ultrasonic'); % Arduino Objekt erzeugen
    disp('Neues Arduino Objekt mit Ultrasonic-Bib erzeugt.')
end
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

Arbeitsergebnis: messeUSEntfernung.m, Ultraschall.mat

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