AlphaBot: Servo mit MATLAB ansteuern

Abb. 1: Ultraschall zur Objekterkennung

Autor:	Prof. Dr.-Ing. Schneider
Modul:	Praxismodul II, MTR-B-2-2.11
Lehrveranstaltung:	Mechatronik, Informatik Praktikum 2, 2. Semester

Inhalt

• Nutzung von MATLAB^® zur Kommunikation mit dem AlphaBot.
• Ansteuerung des Servomotors
• Statische und dynamische Messung mit dem Ultraschallsensor
• Anwendung rekursiver Filter auf Echtzeitdaten

Lernziele

Nach Durchführung dieser Lektion können Sie

• den Servo des AlphaBot mit MATLAB^® ansteuern.
• Entfernungen mit dem Ultraschall-Sensor mit MATLAB^® messen.
• Messwerte in Echtzeit filtern.
• Messwerte und Filterergebnisse in MATLAB^® visualisieren.
• Polarkoordinaten in karthesische Koordinaten transformieren.
• Messwerten (x-y) räumlich anzeigen.

Lernzielkontrolle

• Wie stecke ich den Ultraschallsensor ein?
• Welche Messfehler weist ein Ultraschallsensor auf?
• Wie funktioniert ein Ultraschallsensor technisch?
• Wieso ist nach Ansteuern einer Servo-Position eine Pause hilfreich?
• Wieso "zappelt" der Servo manchmal?

Versuchsvorbereitung

• Arbeiten Sie sich anhand der Tutorials mit der Hardware Alphabot, Servo und Ultraschall vertraut.
• Beachten Sie besonders die Ausrichtung der Akkus. ACHTUNG BRANDGEFAHR!
• Machen Sie sich mit den MATLAB^®-Demos vertraut.
• Umrechnung der Koordinaten polar→kartesisch vertraut.

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 3.1: Ultraschall als Umfeldscanner

1. Voreinstellungen am AlphaBot: Entfernen Sie am AlphaBot am F-Port die Brücke D11 & D12.
2. Machen Sie sich mit dem Demo Rotate a servo motor vertraut, so dass Sie jede Zeile erläutern können.
3. Steuern Sie den Servo schrittweise von 0°..180° an und fahren Sie schrittweise zurück auf 0°.
4. Messen Sie pro 5 ° die Ultraschallentfernung.
5. Filtern Sie die Ultraschallentfernung mit dem vielversprechendsten Filter aus Aufgabe 2.4.
6. Nutzen Sie MATLAB^® um die Messdaten direkt (live) darzustellen.
7. Rechnen Sie die Polarkoordinaten (fWinkel, fEntfernung) in kartesische Koordinaten (x, y) um.
8. Stellen Sie die Messpunkte zyklisch dar (vgl. Abb. 1).

Lernzielkontrollfragen:

• An welchen Arduino-Pins ist der Servo (S1) angeschlossen?

Arbeitsergebnisse in SVN: UltraschallScanner.m

Tipp 1  Umrechnung der Koordinaten polar→kartesisch:
$x=r\cdot cos(\alpha )$
$y=r\cdot sin(\alpha )$

Musterlösung 

close all; clc; % Initialisierung
fMinPulsDauer = 0.5e-3; % 0,5 ms für SG-90 Linksanschlag -90°
fMaxPulsDauer = 2.5e-3; % 2,5 ms für SG-90 Rechtsanschlag +90°
if ~exist('hArduino') % Besteht die Verbindung zum Arduino bereits?
    hArduino     = arduino('COM5','Uno','Libraries',{'Ultrasonic','Servo'}); % Arduino Objekt erzeugen
    hUltraschall = ultrasonic(hArduino,'D11','D12','OutputFormat','double')
    hServo       = servo(hArduino, 'D9', 'MinPulseDuration', fMinPulsDauer , 'MaxPulseDuration', fMaxPulsDauer);
else
    clear x y % Darstellung löschen
end
%% Variablen initialisieren
Winkel = 0; % Winkel in deg
j=0;
%% Ergebnisdarstellung vorbereiten
figure;
hold on
hPlot = plot(0,0,'r.');
xlabel('x in cm')
ylabel('y in cm')
%% Messung
while 1 % Endlosschleife
    writePosition(hServo, Winkel/180);           % Servo drehen
    Distanz = inf;
    while isinf(Distanz)
        pause(0.5)                               % Zeit zum Drehung/Messen
        Distanz = readDistance(hUltraschall)*100 % Messung in cm
    end
    j=j+1;
    x(j) = Distanz*cosd(Winkel);                 % Umrechnung in kartesische Koordinaten
    y(j) = Distanz*sind(Winkel);
    set(hPlot,'XData',x,'YData',y);              % Darstellung

    if Winkel <=0                                % Drehrichtung anpassen
        nInkrement = 5;
    elseif Winkel >=180
        nInkrement = -5;
    end
    Winkel = Winkel + nInkrement                 % Winkel errechnen
end

Aufgabe 3.2: 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

• Erste Schritte mit dem AlphaBot
• Erste Schritte mit der Arduino IDE
• HSHL-Wiki: Ultraschallsensor HC-SR04
• HSHL-Wiki: Servomotor SG90
• HSHL-Wiki: Übersicht der AlphaBot Steckbrücken
• HSHL-Wiki: AlphaBot Multisensorerweiterung
• HSHL-Wiki: Übersicht des AlphaBot Uno Plus

Ausblick zur nächsten Lektion

In der nächsten Lektion werden die Antriebsmotoren des AlphaBot angesteuert und die Inkrementalgeber ausgelesen.

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