Servo-Labyrinth

Autor:	Linus Sauermann, Torben Moratz
Betreuer:	Marc Ebmeyer

Einleitung

Als Schlüssel zum Rätsel könnte man z.B. eine Batterie erhalten, welche für die Spannungsversorgung des Arduinos dient. Es gibt ein 3D-gedrucktes Labyrinth, in welchem sich eine Kugel befindet. Ziel des Spieles ist es, die Kugel in 4 Ziele in dem Labyrinth zu befördern. Die Kugel wird durch die Neigung des Labyrinths bewegt. Die Neigung wird durch Servomotoren bestimmt, welche durch Potentiometer bewegt werden. Die Potentiometer müssen allerdings erst durch eine Rätselaufgabe freigeschaltet werden. Dies geht mit einer Widerstandsrechenaufgabe, in der man den passenden Widerstand ausrechnen muss, der den Arduino und somit die Schaltung mit Spannung versorgt. In jeder Ecke des Labyrinths wird ein kapazitiver Sensor sein, welcher bei Schaltung eine Ziffer auf dem Display ausgibt. Die 4 Ziffern zusammen ergeben dann den Code für das nächste Rätsel. Das Schwierigkeitslevel lässt sich durch die Widerstandsaufgabe beliebig bestimmen. Wir werden vorerst auf ein einfaches Rätsel zurückgreifen.

Anforderungen

Tabelle 1: Anforderungen an das Servo-Labyrinth

Nr	Inhalt	Prüfbarkeit	Prio	Ersteller	Datum	Geprüft von	Datum
1	Die Servomotoren sollen das Spielbrett bewegen können.	Sichtkontrolle auf Bewegung	1	Linus Sauermann	10.10.2024
2	Die kapazitiven Sensoren müssen die Kugel erkennen können.	Auswerten der Sensorsignale	1	Linus Sauermann	10.10.2024
3	Ein Display soll bei aktiviertem Sensor den nächsten Code anzeigen.	Auslesen des Displays	1	Torben Moratz	10.10.2024
4	Servomotoren sollen funktionieren, sobald der richtige Widerstand ausgewählt und verbaut wurde.	Verfahren der Servos	1	Torben Moratz	10.10.2024
5	Aufbau erfolgt in Größe eines Schuhkartons.	Ausmessen der Größe des Aufbaus	1	Linus Sauermann	13.11.2024
6	Die Eingabe der Servostellungen erfolgt durch die Potentiometer.	Auswerten der Eingangssignale im Arduino	1	Linus Sauermann	13.11.2024
7	Die Verarbeitung der Werte erfolgt durch den Arduino.	Auslesen der Ausgangssignale des Arduinos	1	Linus Sauermann	13.11.2024
8	Die Ausgabe der Werte und die Neigung des Labyrinthes erfolgt durch die Servomotoren.	Vergleichen der Ausgabewerte mit den Stellungen der Servomotoren	1	Linus Sauermann	13.11.2024
9	Die Ausgabe der Ziffern des Zahlencodes erfolgt durch das LCD-Display.	Auslesen der Ziffern auf dem Display	1	Linus Sauermann	13.11.2024
10	Die Spannungsversorgung erfolgt durch 9v-Blockbatterien.	Messen der Eingangsspannung am Arduino und Hardwarekontrolle, ob korrekte Batterien verwendet werden	1	Linus Sauermann	13.11.2024
11	Erreichen der Kapazitiven Sensoren bedingt die Freischaltung je einer neuen Ziffer des Codes.	Auslösen der Sensoren durch die Stahlkugel	1	Linus Sauermann	13.11.2024
12	Die vier Ziffern des Codes ergeben den Code des nächsten Schlosses.	Einstellen des Codes in das Zahlenschloss	1	Linus Sauermann	13.11.2024
13	Der Widerstandswert für die Spannungsversorgung kann berechnet und der korrekte Widerstand mithilfe einer Tabelle ausgewählt werden.	Formel nachrechnen und mit Tabelle auslesen	1	Linus Sauermann	13.11.2024

Funktionaler Systementwurf/Technischer Systementwurf

Tabelle 2: Materialliste

Nr.	Anz.	Beschreibung	Link
1	1	Arduino UNO R3	https://www.reichelt.de/arduino-uno-rev-3-smd-variante-atmega328-usb-arduino-uno-p119045.html?&trstct=pos_0&nbc=1
2	4	kapazitive Sensor Debo Touch	https://www.reichelt.de/entwicklerboards-kapazitiver-beruehrungssensor-debo-touch-p253985.html?PROVID=2788&gad_source=1&gclid=CjwKCAjw9p24BhB_EiwA8ID5BsTQKrMjGzJcKi61M2cvp7j0F9U90IqD4a1lsk3y7piSMFPesvBU2xoCtZwQAvD_BwE
3	4	Servomotor JAMARA 033212	https://www.reichelt.de/servo-high-end-micro-analog-jamara-033212-p238316.html?&trstct=pos_7&nbc=1,
4	?	Widerstände
5	?	Leitungen
6	1	Breadboard	https://www.reichelt.de/experimentier-steckboard-set-830-kontakte-power-modul-breadboard-set1-p282601.html?&trstct=pos_7&nbc=1
7	1	Spannungsversorgung/Netzteil
8	1	Stahlkugel ø10mm
9	1	3D-gedrucktes Labyrinth
10	1	LCD-Display mit I2C-Schnittstelle DEBO LCD 16X2 BL	https://www.reichelt.de/entwicklerboards-display-16-x-2-zeichen-blau-debo-lcd-16x2-bl-p192143.html?&trstct=pol_13&nbc=1

Aufgabenstellung:

Ziel ist es, alle Berührungssensoren im Labyrinth nacheinander zu triggern. Dafür steht euch die Kugel bereit. Die Kugel könnt ihr durch die Neigung des Labyrinths steuern. Zuvor muss die Steuerung allerdings erst aktiviert werden. Der Arduino läuft am besten mit 9V. Platzieren Sie an dargestellter Stelle denn richtigen Widerstand um den Arduino mit 9V zu versorgen (falls Sie einen falschen Widerstand auswählen zerstört sich das Rätsel eventuell von selbst).

Widerstandsnetzwerk-Rästel

Kugellabyrinth

Es soll ein Kugellabyrinth wie dieses gebaut werden. Es wird 3D-gerduckt. Statt der Drehknöpfe werden Servomotoren genutzt, welche durch Potis angesteuert werden.

Komponentenspezifikation

In diesem Kapitel werden die benötigten Komponenten für die Umsetzung des Projekts beschrieben. In der obigen Tabelle 2 sind alle verwendeten Kaufteile aufgelistet.

Hardware Board:
Für die Umsetzung wurde ein Arduino Uno R3 benötigt.

Sensoren:
Damit die Positionen der Stahlkugel im Labyrinth erkannt werden können, um so die Ziffern des Passwortes freischalten zu können, werden vier kapazitive Sensoren des Herstellers DEBO verwendet. Diese besitzen drei Anschlüsse. Neben der Spannungsversorgung (VCC) und dem Massekontakt (GND) besitzt jeder der Sensoren einen Signalausgang (I/O), welche an die digitalen Eingänge am Arduino angeschlossen werden.

Aktuatoren:
Um die Neigungen des Labyrinthes schnell und präzise einstellen zu können, werden zwei Servomotoren "JAMARA Servo High End Micro" mit einer Betriebsspannung von 4.8 - 6V verwendet. Diese besitzen eine Stellkraft von 1.2 - 1.4 kg/cm bei einer Stellzeit von 0.09 - 0.11 Sek/60° und werden über den Arduino R3 angesteuert.

Steuerung:
Um die Servos anzusteuern, werden zwei Potentiometer mit einem einstellbaren Bereich von 0 - 10 kΩ verwendet.

Ausgabe:
Um die Ziffern der Zahlenkombination auszugeben wird ein LCD-Display der Firma Debo verwendet. Dieses besitzt eine I2C-Schnittstelle, eine Spannungsversorgung von 5V, wird über den R3 angesteuert und kann zwei Zeilen mit jeweils 16 Zeichen anzeigen.

Projektunterlagen

Projektplan

Die folgende Abbildung zeigt die Zeitplanung des Projektes zum Stand vom 13.11.2024:

Zeitplanung Stand 13.11.2024

Literatur

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