Arduino: Infrarotsensor entstören

Abb. 1: Systematischer Sensorfehler des Sharp IR

Autor:	Prof. Dr.-Ing. Schneider
Modul:	Praxismodul I
Lektion 6:	Mechatronik, Informatikpraktikum, 1. Semester, Wintersemester

Inhalt

• Kennlinienuntersuchung und Filterung
• Installation und Nutzung einer Bibliothek
• Programmierung und Anwendung eines Median-Filters

Lernziele

Nach Durchführung dieser Lektion

• können Sie die systematischen Sensorfehler erkennen und behandeln.
• können Sie eine Bibiothek installieren und nutzen.
• können die Messwerte vergleichend anzeigen und bewerten.
• können Sie die Messwerte charakterisieren.
• können Sie ein Median-Filter erläutern und anwenden.

Lernzielkontrolle

1. Wie bestimmt man die Größe eines Arrays?
2. Wie installiert man in der Arduino IDE eine neuen Bibliothek?
3. Wie nutzt man die Bibliothek ArduinoSort, um ein Array auszugeben und zu sortieren?
4. Was ist ein Median-Filter? Wie wird der Median berechnet?
5. Was ist in C ein Zeiger und wie wird er verwendet?

Arbeitsergebnisse in SVN: Lernzielkontrolle_Termin_06.pdf

Tutorials

• Arduino: Using the Serial Plotter Tool
• Arduino Referenz: analogRead()
• Wiki: SHARP IR Abstandsensor
• Arduino Befehlsübersicht
• Wiki: HSHL Bibliothek einbinden

Video Tutorials

Tutorial Arrays 

Tutorial: Lookup Table 

Tutorial: Lookup Table programmieren 

Demos

• DemoSharpIR.ino
• DemoLookupTable.ino
• DemoLookupTableIR.ino
• DemoUnterfunktion.ino
• DemoSizeOfArray.ino
• DemoSortiereArray.ino
• DemoMedianFilter

Vorbereitung

Bereiten Sie sich anhand der nachfolgenden Aufgaben auf den Praktikumstermin vor.

1. Studieren Sie die Tutorials und Demos.
2. Legen Sie ein Array an und bestimmen Sie dessen Größe. Nutzen Sie das DemoSizeOfArray.ino.
3. Sie benötigen die Bibliothek ArduinoSort-master.zip. Diese ist im HSHL-Library-Ordner bereits für Sie hinterlegt. Hier finden Sie die Anleitung.
4. Machen Sie sich mit dem DemoSortiereArray vertraut.
5. Geben Sie mit ein Array im seriellen Monitor aus. Machen Sie sich mit der Funktion von Zeigern in C vertraut.
6. Recherchieren Sie hier die Bezeichnungen "call by value" und "call by reference".
7. Sortieren Sie ein Array mit zufälligen Zahlen. Versuchen Sie das Demo DemoSortiereArray.ino nachzuvollziehen.
8. Schauen Sie sich die Videos zum Median Filter sowie das dazugehörige DemoMedianFilter an.
9. Planen Sie die Software via PAP.
10. Beantworten Sie die Lernzielkontrollfragen.
11. Sichern Sie Ihre Unterlagen in SVN.

Vorbereitungsaufgabe: Median-Filter

Ausreißer lassen sich gut mit einem Median-Filter entfernen. Ein Beispielvideo finden Sie in diesem Artikel.

1. Schreiben Sie die Funktion int MedianFilter(int Messwert_s16). Diese Funktion soll über einen statischen 5 Werte Ringspeicher (first in first out, FIFO) verfügen. Der erste Wert wird gelöscht, die nachfolgenden Werte rutschen einen auf und der neue Messwert (Messwert_s32) nimmt Platz 5 ein.
2. Sortieren Sie die 5 Werte nach Größe z. B. 2,2,4,1,2 wird zu 1,2,2,2,4. Nutzen Sie hierfür die Funktionen aus DemoSortiereArray
3. Geben Sie als Rückgabewert die Mitte des Arrays SortiertesArray[3] zurück.
4. Testen Sie die Funktion Ihrer Funktion mit Zufallszahlen im void loop()

Nützliche Befehle: random(), Serial.println(), analogRead(), LookupTable(), analogRead()

Arbeitsergebnis in SVN: testeMedianFilter.ino

Tipp 1:  

Lösungsansatz: Median-Filter für die Störung

Tipp 2:  

Ein Demo für die Implementierung eines Median-Filters finden Sie in SVN.

Video Tutorials

Median - einfach erklärt 

Median - einfach erklärt - Lehrerschmidt

Median-Filter 

Lookup-Table 

Versuchsdurchführung

Aufgabe 6.1: Besprechung der Versuchsvorbereitung

Diskutieren Sie mit Prof. Schneider die Ergebnis Ihrer Vorbereitung.

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Aufgabe 6.2: Messwertanalyse

1. Messen Sie die Zeit in Millisekunden (ms) mit dem Befehl millis()
2. Geben Sie die Zeit und Messdaten im seriellen Plotter mit 115200 Baud aus (z. B. Zeit in ms : Entfernung in cm 1 : 5).
3. Analysieren Sie die Messdaten. Was fällt Ihnen auf?
4. Diskutieren Sie das Ergebnis mit Prof. Schneider.
5. Wie lässt sich der Fehler beheben?

Nützliche Befehle: millis(), Serial.begin(), Serial.println(), analogRead()

Arbeitsergebnisse in SVN: zeigeIRMesswerte.ino

Demos 

• DemoSharpIR.ino
• [https://svn.hshl.de/svn/Informatikpraktikum_1/trunk/Demos/Arduino/DemoLookupTableIR/DemoLookupTableIR.ino DemoLookupTableIR.ino

Tipp 

Abb. 2: Ausgabe der Entfernungswerte im seriellen Monitor

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Aufgabe 6.3: IR Sensorcharakterisierung

1. Zeichnen Sie die gemessene Entfernung im Verhältnis zu einer Referenz auf. Die Referenz kann ein Gliedermaßstab sein. Welchen Messbereich hat Ihr IR-Sensor?
2. Zeichnen Sie die gemessenen Entfernungsschritte über dem Messbereich auf. Welche Auflösung hat Ihr Sensor?
3. Zeichnen Sie die Auflösung über dem Messbereich auf. Welche Empfindlichkeit hat Ihr Sensor?

Nützliche Befehle: analogRead(), Serial.println()

Arbeitsergebnisse in SVN: IR_Sensorcharakterisierung.pdf

Tipp: Messbereich 

Sie messen auf ein Ziel in verschiedenen Distanzen und zeichnen auf x die Referenz und auf y die Anzeige Ihres Systems.

Minimalbeispiel:

WW/cm	MW/cm
3	3,2
10	9,7
15	14,9
20	20,1
80	79,0

Mit der Abweichung von einer Ursprungsgraden können wir im Gespräch die Güte bewerten. Gibt es beispielsweise einen Offset oder driften die Werte auseinander?

Tipp: Auflösung 

• Wikipedia Artikel: [1]
• Welche Auswirkung hat D=700 zu D=699 auf die Ausgangsgröße d?
• Tragen Sie diese Werte gegeneinander auf, ergibt sich eine Kurve.
• Im Nahbereich haben wir eine Auflösung von weniger als 1 mm und bei 70 cm Entfernung macht ein Inkrement 3 cm aus. Die Kurve beschreibt alle Zwischengrößen.
• Erkenntnis: Mit der Entfernung sinkt die Auflösung und somit steigt die Messunsicherheit.

Minimalbeispiel:

$a_D$	$a_d$/cm
700 - 699	0,02
699 - 698	0,02
..	..
21-20	2,5

Tipp: Empfindlichkeit 

• Wikipedia Artikel: [2]
• Hier setzen Sie $E=\frac{\mathrm{\Delta }d}{\mathrm{\Delta }U}$ ins Verhältnis.
• Das sind die partiellen Ableitungen (Steigung) der Kennlinie in Abb. 8.

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Aufgabe 6.4: Median-Filter

1. Wenden Sie das Median-Filter aus der Versuchsvorbereitung auf die Messwerte des Sharp IR-Abstandssensors an.
2. Zeigen Sie das ungefilterte und das Median-gefilterte Signal im seriellen Plotter an.
3. Wurden die Messfehler entfernt?

Arbeitsergebnisse in SVN: IRMedianFilter.ino, Ergebnisbewertung.pdf,

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Aufgabe 6.5: Nachhaltige Doku

• Sichern Sie alle Ergebnisse mit beschreibendem Text (message) in SVN.
• Beachten Sie dabei die Software Anforderungen.

Arbeitsergebnisse in SVN: SVN Log, Lernzielkontrolle_Termin_06.pdf

Ausblick zur nächsten Lektion

In der nächsten Lektion findet die Zwischenprüfung statt.

Literatur

1. Brühlmann, T.: Arduino Praxiseinstieg. Heidelberg: mitp, 4. Auflage 2019. ISBN 978-3-7475-0056-9. URL: HSHL-Bib, O'Reilly-URL
2. Brühlmann, T.: Sensoren im Einsatz mit Arduino. Frechen: mitp Verlag, 1. Auflage 2017. ISBN: 9783958451520. URL: HSHL-Bib, O'Reilly
3. Snieders, R.: ARDUINO lernen. Nordhorn: 8. Auflage 2022. URL: https://funduino.de/vorwort
4. Schneider, U.: Programmierrichtlinie für für die Erstellung von Software in C. Lippstadt: 1. Auflage 2022. PDF-Dokument (212 kb)
5. Sharp: GP2Y0A41SK0F. URL: [3]. Datenblatt (858 kb)

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