AlphaBot: Messdatenverarbeitung mit MATLAB: Unterschied zwischen den Versionen
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'''Modul:''' Praxismodul I<br> | '''Modul:''' Praxismodul I<br> | ||
'''Lehrveranstaltung:''' Mechatronik, Informatik Praktikum 2, 2. Semester | '''Lehrveranstaltung:''' Mechatronik, Informatik Praktikum 2, 2. Semester<br> | ||
== Inhalt == | == Inhalt == | ||
* | * Einarbeitung in MATLAB<sup>®</sup> | ||
* Programmierung und Anwendung eines gleitenden Mittelwertfilters | * Programmierung und Anwendung eines gleitenden Mittelwertfilters | ||
* Programmierung und Anwendung eines rekursiven Tiefpassfilters | |||
* Auslegung von Filterparameter | |||
* Anwendung der Filter auf eine Ultraschallmessung | |||
* Vergleich der Filter anhand technischer Kriterien | |||
== Lernziele== | == Lernziele== | ||
Nach Durchführung dieser Lektion | Nach Durchführung dieser Lektion | ||
* können Sie | * können Sie reale Messwerte speichern und via MATLAB<sup>®</sup> zyklisch visualisieren. | ||
* | * haben Sie ein gleitendes Mittelwertfilter programmiert. | ||
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* | * können Sie die Filter parametrieren. | ||
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* können Sie | * können Sie eine Funktion in MATLAB<sup>®</sup> programmieren und aufrufen. | ||
== Lernzielkontrolle == | == Lernzielkontrolle == | ||
# | # Wozu werden rekursive Filter benötigt? | ||
# | # Nennen Sie die Formel für ein gl. Mittelwertfilter. | ||
# Welche | # Welche Parameter hat ein gl. Mittelwertfilter? Was bedeuten die Parameter? | ||
# | # Nennen Sie die rekursive Formel für ein Tiefpassfilter. | ||
# | # Welche Parameter hat ein Tiefpassfilter? Was bedeuten die Parameter? | ||
# | # Vergleichen Sie die zwei rekursiven Filter. Nennen Sie Vor- und Nachteile. | ||
# Wurde der Quelltext durch Header und Kommentare aufgewertet? | # Wurde der Quelltext durch Header und Kommentare aufgewertet? | ||
# Wurde auf <code>magic numbers</code> verzichtet? | # Wurde auf <code>magic numbers</code> verzichtet? | ||
# Wurde die | # Wurde die Programmierrichtlinie eingehalten? | ||
== Vorbereitung == | == Vorbereitung == | ||
Führen Sie als Vorbereitung den [https://www.mathworks.com/learn/tutorials/matlab-onramp.html MATLAB<sup>®</sup> Onramp Kurs] durch. | |||
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== Versuchsdurchführung == | |||
=== Aufgabe 2.1: Gleitendes Mittelwertfilter === | |||
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=== Aufgabe | |||
Ein gleitendes Mittlwertfilter bildet einen Mittelwert über k Messwerte mittels FIFO. | Ein gleitendes Mittlwertfilter bildet einen Mittelwert über k Messwerte mittels FIFO. | ||
# Schreiben Sie die Funktion <code>GleitendesMittelwertFilter | # Schreiben Sie die Funktion <code>GleitendesMittelwertFilter.m</code>, welches die Eingangswerte zyklisch filtert. Hier bei wird der Mittelwert über die letzten k Messwerte gebildet. | ||
# Testen Sie Ihre Funktion mit Ultraschallmesswerten mit statischen Zielen. | # Testen Sie Ihre Funktion mit Ultraschallmesswerten mit statischen Zielen mit Ihrem Framework <code>zeigeZyklischUltraschallMessung.m</code> und <code>UltraschallMessung.mat</code> Aus den Aufgaben 1.3 und 1.4. | ||
# Visualisieren Sie Messwerte und Filterergebnis | # Visualisieren Sie Messwerte und Filterergebnis in einem Plot mit Achsenbeschriftung und Legende. | ||
# Testen Sie Ihre Funktion mit Ultraschallmesswerten mit dynamischen Zielen. | # Testen Sie Ihre Funktion mit Ultraschallmesswerten mit dynamischen Zielen. | ||
# Wählen Sie k anhand der Messwerte und diskutieren Sie Ihre Wahl mit Prof. Schneider. | # Wählen Sie k anhand der Messwerte und diskutieren Sie Ihre Wahl mit Prof. Schneider. | ||
''' | '''Nützliche Befehle''': <code>plot, xlabel, ylabel, legend, persistent, isempty, isnan, function</code> | ||
''' | '''Arbeitsergebnisse''' in SVN: <code>GleitendesMittelwertFilter.m, testeGleitendesMittelwertFilter.m</code> | ||
* Nutzen Sie | |||
* Die Formel für das gleitende Mittelwertfilter lautet: <math>\bar{x}(k)=\frac{x(1)+x(2)+\ldots+x(k)}{k}</math> für k Messwerte | '''Hinweise:''' | ||
* Nutzen Sie ein Array als FIFO. | |||
* Die Formel für das gleitende Mittelwertfilter lautet: <math>\bar{x}_{GM}(k)=\frac{x(1)+x(2)+\ldots+x(k)}{k}</math> für k Messwerte | |||
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'''Demo:''' [https://svn.hshl.de/svn/Informatikpraktikum_1/trunk/Demos/Arduino/DemoGleitenderMittelwert SVN: DemoGleitenderMittelwert] | '''Demo:''' [https://svn.hshl.de/svn/Informatikpraktikum_1/trunk/Demos/Arduino/DemoGleitenderMittelwert SVN: DemoGleitenderMittelwert] | ||
Eine ausführliche Beschreibung mit Musterlösung finden Sie in [1, S. 11 ff.]. | |||
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=== Aufgabe | === Aufgabe 2.2: Rekursives Tiefpassfilter === | ||
Ein rekursives Filter kann Messwerte in Echtzeit während der Laufzeit filtern. Nutzen Sie ein Tiefpassfilter, um die Messwerte zu filtern. | Ein rekursives Filter kann Messwerte in Echtzeit während der Laufzeit filtern. Nutzen Sie ein Tiefpassfilter, um die Messwerte zu filtern. | ||
# Schreiben Sie die Funktion <code>TiefpassFilter | # Schreiben Sie die Funktion <code>TiefpassFilter.m</code>, welches die Eingangswerte zyklisch filtert. Hierbei wird der Tiefpass berechnet. | ||
# Testen Sie Ihre Funktion mit Ultraschallmesswerten mit statischen Zielen. | # Testen Sie Ihre Funktion mit Ultraschallmesswerten mit statischen Zielen mit Ihrem Framework <code>zeigeZyklischUltraschallMessung.m</code> und <code>UltraschallMessung.mat</code> Aus den Aufgaben 1.3 und 1.4. | ||
# Visualisieren Sie Messwerte und Filterergebnis | # Visualisieren Sie Messwerte und Filterergebnis in einem Plot mit Achsenbeschriftung und Legende. | ||
# Testen Sie Ihre Funktion mit Ultraschallmesswerten mit dynamischen Zielen. | # Testen Sie Ihre Funktion mit Ultraschallmesswerten mit dynamischen Zielen. | ||
# Wählen Sie <math>\alpha</math> anhand der Messwerte und diskutieren Sie Ihre Wahl mit Prof. Schneider. | # Wählen Sie <math>\alpha</math> anhand der Messwerte und diskutieren Sie Ihre Wahl mit Prof. Schneider. | ||
'''Arbeitsergebnisse''' in SVN: <code>testeTiefpassFilter. | '''Arbeitsergebnisse''' in SVN: <code>TiefpassFilter.m, testeTiefpassFilter.m</code> | ||
'''Hinweis:''' | '''Hinweis:''' | ||
* Die Formel für das Tiefpassfilter lautet: <math>\bar{x}(k)=\alpha \cdot \bar{x}(k-1)+ (1-\alpha)\cdot x(k)</math> für den aktuellen Messwert <math>x(k)</math>. | * Die Formel für das Tiefpassfilter lautet: <math>\bar{x}_{TP}(k)=\alpha \cdot \bar{x}(k-1)+ (1-\alpha)\cdot x(k)</math> für den aktuellen Messwert <math>x(k)</math>. | ||
* <math>\alpha</math> ist hierbei ein Filterparameter <math>0<\alpha<1</math>. | * <math>\alpha</math> ist hierbei ein Filterparameter <math>0<\alpha<1</math>. | ||
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'''Demo:''' [https://svn.hshl.de/svn/Informatikpraktikum_1/trunk/Demos/Arduino/DemoTiefpassFilter/DemoTiefpassFilter.ino SVN: DemoTiefpassFilter.ino] | '''Demo:''' [https://svn.hshl.de/svn/Informatikpraktikum_1/trunk/Demos/Arduino/DemoTiefpassFilter/DemoTiefpassFilter.ino SVN: DemoTiefpassFilter.ino] | ||
Eine ausführliche Beschreibung mit Musterlösung finden Sie in [1, S. 11 ff.19]. | |||
</div> | </div> | ||
=== Aufgabe | === Aufgabe 2.3: Filtervergleich === | ||
# Vergleichen Sie die Ergebnisse des Tiefpasses mit denen des gleitenden Mittelwertfilters. | |||
# Zeigen Sie das ungefilterte und die gefilterten Signal in MATLAB<sup>®</sup> in einem Plot vergleichend an (vgl. Abb.1). | |||
# Beschriften Sie die Achsen und nutzen Sie eine Legende. | |||
'''Lernzielkontrollfragen:''' | |||
# Wurde das Signalrauschen geglättet? | |||
# Ist das gefilterte Signal verzögert? | |||
# Welchen Einfluss haben die Filterparameter? | |||
# Wie verhalten sich die gefilterten Signal bei Ausreißern? | |||
'''Arbeitsergebnisse''' in SVN: <code>testeFilterVergleich.m</code> | |||
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Eine ausführliche Beschreibung mit Musterlösung finden Sie in [1, S. 27 ff.]. | |||
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== | === Aufgabe 2.4: Nachhaltige Doku === | ||
Sichern Sie alle Ergebnisse mit beschreibendem Text (<code>message</code>) in SVN. | |||
* Halten Sie die Regeln für den [[Software_Versionsverwaltung_mit_SVN|Umgang mit SVN]] ein. | |||
| | * Halten Sie die [[Medium:Programmierrichtlinie.pdf|Programmierrichtlinie für C]] und die [[Medium:Programmierrichtlinien_für_Matlab.pdf|Programmierrichtlinien für MATLAB<sup>®</sup>]] ein. | ||
* Versehen Sie jedes Programm mit einem Header ([[Header Beispiel für MATLAB]], [[Header Beispiel für C]]). | |||
* Kommentiere Sie den Quelltext umfangreich. | |||
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'''Arbeitsergebnis''' in SVN: <code>SVN Log</code> | |||
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== Tutorials == | == Tutorials == | ||
* [ | * [[Einrichtung von PuTTY]] | ||
* [[Ultraschallsensor_HC-SR04| HSHL-Wiki: Ultraschallsensor HC-SR04]] | * [[Ultraschallsensor_HC-SR04| HSHL-Wiki: Ultraschallsensor HC-SR04]] | ||
* [https://funduino.de/nr-10-entfernung-messen Funduino: Entfernungen mit einem HC-SR04 Ultraschallsensor am Arduino messen] | * [https://funduino.de/nr-10-entfernung-messen Funduino: Entfernungen mit einem HC-SR04 Ultraschallsensor am Arduino messen] | ||
== Demos == | == Demos == | ||
* [https://svn.hshl.de/svn/Informatikpraktikum_1/trunk/Demos/Arduino/DemoUltraschallHCSR04 SVN: DemoUltraschallHCSR04] | |||
* [https://svn.hshl.de/svn/Informatikpraktikum_1/trunk/Demos/Arduino/DemoDebug2MATLAB SVN: DemoDebug2MATLAB] | |||
* [https://svn.hshl.de/svn/Informatikpraktikum_1/trunk/Demos/Arduino/DemoGleitenderMittelwert/DemoGleitenderMittelwert.ino SVN: DemoGleitenderMittelwert.ino] | * [https://svn.hshl.de/svn/Informatikpraktikum_1/trunk/Demos/Arduino/DemoGleitenderMittelwert/DemoGleitenderMittelwert.ino SVN: DemoGleitenderMittelwert.ino] | ||
* [https://svn.hshl.de/svn/Informatikpraktikum_1/trunk/Demos/Arduino/DemoTiefpassFilter/DemoTiefpassFilter.ino SVN: DemoTiefpassFilter.ino] | * [https://svn.hshl.de/svn/Informatikpraktikum_1/trunk/Demos/Arduino/DemoTiefpassFilter/DemoTiefpassFilter.ino SVN: DemoTiefpassFilter.ino] | ||
== Literatur == | == Literatur == | ||
# | # Kim, P.: Kalman-Filter für Einsteiger: mit MATLAB Beispielen. CreateSpace Independent Publishing: 2016. ISBN-13: 978-1502723789 | ||
# Schneider, U.: ''Programmierrichtlinie für für die Erstellung von Software in C.'' Lippstadt: 1. Auflage 2022. [[Medium:Programmierrichtlinie.pdf|PDF-Dokument (212 kb)]] | # Schneider, U.: ''Programmierrichtlinie für für die Erstellung von Software in C.'' Lippstadt: 1. Auflage 2022. [[Medium:Programmierrichtlinie.pdf|PDF-Dokument (212 kb)]] | ||
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Aktuelle Version vom 9. April 2024, 08:49 Uhr
Autor: Prof. Dr.-Ing. Schneider
Modul: Praxismodul I
Lehrveranstaltung: Mechatronik, Informatik Praktikum 2, 2. Semester
Inhalt
- Einarbeitung in MATLAB®
- Programmierung und Anwendung eines gleitenden Mittelwertfilters
- Programmierung und Anwendung eines rekursiven Tiefpassfilters
- Auslegung von Filterparameter
- Anwendung der Filter auf eine Ultraschallmessung
- Vergleich der Filter anhand technischer Kriterien
Lernziele
Nach Durchführung dieser Lektion
- können Sie reale Messwerte speichern und via MATLAB® zyklisch visualisieren.
- haben Sie ein gleitendes Mittelwertfilter programmiert.
- haben Sie ein rekursives rekursiven Tiefpassfilter programmiert.
- können Sie die Filter parametrieren.
- haben Sie die Filter zyklisch auf Ultraschallmesswerte angewendet und das Filterverhalten analysiert.
- können Sie eine Funktion in MATLAB® programmieren und aufrufen.
Lernzielkontrolle
- Wozu werden rekursive Filter benötigt?
- Nennen Sie die Formel für ein gl. Mittelwertfilter.
- Welche Parameter hat ein gl. Mittelwertfilter? Was bedeuten die Parameter?
- Nennen Sie die rekursive Formel für ein Tiefpassfilter.
- Welche Parameter hat ein Tiefpassfilter? Was bedeuten die Parameter?
- Vergleichen Sie die zwei rekursiven Filter. Nennen Sie Vor- und Nachteile.
- Wurde der Quelltext durch Header und Kommentare aufgewertet?
- Wurde auf
magic numbers
verzichtet? - Wurde die Programmierrichtlinie eingehalten?
Vorbereitung
Führen Sie als Vorbereitung den MATLAB® Onramp Kurs durch.
Arbeitsergebnis in SVN: MATLAB® Kurszertifikat
Versuchsdurchführung
Aufgabe 2.1: Gleitendes Mittelwertfilter
Ein gleitendes Mittlwertfilter bildet einen Mittelwert über k Messwerte mittels FIFO.
- Schreiben Sie die Funktion
GleitendesMittelwertFilter.m
, welches die Eingangswerte zyklisch filtert. Hier bei wird der Mittelwert über die letzten k Messwerte gebildet. - Testen Sie Ihre Funktion mit Ultraschallmesswerten mit statischen Zielen mit Ihrem Framework
zeigeZyklischUltraschallMessung.m
undUltraschallMessung.mat
Aus den Aufgaben 1.3 und 1.4. - Visualisieren Sie Messwerte und Filterergebnis in einem Plot mit Achsenbeschriftung und Legende.
- Testen Sie Ihre Funktion mit Ultraschallmesswerten mit dynamischen Zielen.
- Wählen Sie k anhand der Messwerte und diskutieren Sie Ihre Wahl mit Prof. Schneider.
Nützliche Befehle: plot, xlabel, ylabel, legend, persistent, isempty, isnan, function
Arbeitsergebnisse in SVN: GleitendesMittelwertFilter.m, testeGleitendesMittelwertFilter.m
Hinweise:
- Nutzen Sie ein Array als FIFO.
- Die Formel für das gleitende Mittelwertfilter lautet: für k Messwerte
Eine Einführung zu rekursiven Filtern finden Sie in folgendem Video.
- Gleitendes Mittelwertfilter: 19 m 52 s
- Tiefpassfilter: 29 m
Demo: SVN: DemoGleitenderMittelwert
Eine ausführliche Beschreibung mit Musterlösung finden Sie in [1, S. 11 ff.].
Aufgabe 2.2: Rekursives Tiefpassfilter
Ein rekursives Filter kann Messwerte in Echtzeit während der Laufzeit filtern. Nutzen Sie ein Tiefpassfilter, um die Messwerte zu filtern.
- Schreiben Sie die Funktion
TiefpassFilter.m
, welches die Eingangswerte zyklisch filtert. Hierbei wird der Tiefpass berechnet. - Testen Sie Ihre Funktion mit Ultraschallmesswerten mit statischen Zielen mit Ihrem Framework
zeigeZyklischUltraschallMessung.m
undUltraschallMessung.mat
Aus den Aufgaben 1.3 und 1.4. - Visualisieren Sie Messwerte und Filterergebnis in einem Plot mit Achsenbeschriftung und Legende.
- Testen Sie Ihre Funktion mit Ultraschallmesswerten mit dynamischen Zielen.
- Wählen Sie anhand der Messwerte und diskutieren Sie Ihre Wahl mit Prof. Schneider.
Arbeitsergebnisse in SVN: TiefpassFilter.m, testeTiefpassFilter.m
Hinweis:
- Die Formel für das Tiefpassfilter lautet: für den aktuellen Messwert .
- ist hierbei ein Filterparameter .
Demo: SVN: DemoTiefpassFilter.ino
Eine ausführliche Beschreibung mit Musterlösung finden Sie in [1, S. 11 ff.19].
Aufgabe 2.3: Filtervergleich
- Vergleichen Sie die Ergebnisse des Tiefpasses mit denen des gleitenden Mittelwertfilters.
- Zeigen Sie das ungefilterte und die gefilterten Signal in MATLAB® in einem Plot vergleichend an (vgl. Abb.1).
- Beschriften Sie die Achsen und nutzen Sie eine Legende.
Lernzielkontrollfragen:
- Wurde das Signalrauschen geglättet?
- Ist das gefilterte Signal verzögert?
- Welchen Einfluss haben die Filterparameter?
- Wie verhalten sich die gefilterten Signal bei Ausreißern?
Arbeitsergebnisse in SVN: testeFilterVergleich.m
Eine ausführliche Beschreibung mit Musterlösung finden Sie in [1, S. 27 ff.].
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
Tutorials
- Einrichtung von PuTTY
- HSHL-Wiki: Ultraschallsensor HC-SR04
- Funduino: Entfernungen mit einem HC-SR04 Ultraschallsensor am Arduino messen
Demos
- SVN: DemoUltraschallHCSR04
- SVN: DemoDebug2MATLAB
- SVN: DemoGleitenderMittelwert.ino
- SVN: DemoTiefpassFilter.ino
Literatur
- Kim, P.: Kalman-Filter für Einsteiger: mit MATLAB Beispielen. CreateSpace Independent Publishing: 2016. ISBN-13: 978-1502723789
- Schneider, U.: Programmierrichtlinie für für die Erstellung von Software in C. Lippstadt: 1. Auflage 2022. PDF-Dokument (212 kb)
→ Termine 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11
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