Escape Game: Auf der gleichen Wellenlänge
| Autoren: | Tim Nicklas Gleisenberg und Deron Antony Pinheiro |
| Betreuer: | Prof. Schneider |
Einleitung
Im Rahmen des Fachpraktikums an der Hochschule Hamm-Lippstadt im Studiengang Mechatronik entwickelt jede Projektgruppe ein eigenständiges mechatronisches Rätsel, das in einer Zeit von etwa fünf Minuten lösbar ist. Die entstandenen Rätsel verbleiben an der HSHL und werden anschließend zu einem Escape-Game zusammengeführt, das von Schülerinnen und Schülern sowie Studierenden gespielt werden kann.
Das hier beschriebene Rätsel basiert auf einer berührungslosen Abstandsmessung mittels Ultraschallsensor. Der gemessene Abstand zu einem Objekt, beispielsweise einer Hand, wird in ein akustisches Signal umgesetzt: Ein Lautsprecher erzeugt abhängig von der Distanz eine Tonhöhe. Aufgabe der Spielenden ist es, diese Tonhöhe mit einem Referenzton eines zweiten Lautsprechers abzugleichen. Wird der Zielton dreimal in Folge korrekt getroffen, gibt das System einen Code aus, der als Lösungselement im übergeordneten Escape-Game dient.
Schwierigkeitslevel: Einsteiger
- Es ist bewusst leicht gehalten, um sowohl Schüler:innen als auch Studierende zum Ausprobieren einzuladen.
Lernziele:
- Funktion eines Ultraschall-Sensors
- Messbereiche auf diskrete Bereiche umstellen (physikalische Größe --> digitaler Wert)
- Förderung algorithmischem Denken: Vergleich, Wiederholung, Feedback
- Sensor-Aktor-System mit Benutzerinteraktion
Bezug zum MTR Studium:
- Aufbau Sensor-Aktor-System (Mess- und Regelungstechnik 5. Semester)
- Anwendung Ultraschallsensor und Filter (Informatikpraktikum 1. Semester)
Anforderungen
| Nr. | Inhalt | Ersteller | erstelltes Datum | Geprüft von | geprüftes Datum |
|---|---|---|---|---|---|
| 1 | Ein Objekt muss von dem Ultraschallsensor erkannt werden (z.B Hand) | Tim & Deron | 06.10.2025 | ||
| 2 | Lautsprecher 1 muss Referenz-Ton abspielen (je Level andere Frequenz) | Tim & Deron | 06.10.2025 | ||
| 3 | Distanz muss ermittelt werden und in eine Frequenz umgewandelt werden | Tim & Deron | 06.10.2025 | ||
| 4 | Lautsprecher 2 muss Ton ausgeben (abhängig von Distanz) | Tim & Deron | 06.10.2025 | ||
| 5 | Wird die richtige Frequenz 5 Sekunden gehalten, ist das Level schafft | Tim & Deron | 06.10.2025 | ||
| 6 | Es sollen mehrere Level vorhanden sein | Tim & Deron | 06.10.2025 | ||
| 7 | Ist die Frequenz falsch ist, soll nichts passieren | Tim & Deron | 06.10.2025 | ||
| 8 | Die messtechnischen Grundlagen müssen für SchülerInnen verständlich mit Hilfsmaterial anschaulich vermittelt werden. | Prof. Schneider | 06.10.2025 | ||
| 9 | Am Ende muss ein Code auf dem LCD ausgegeben werden | Tim | 10.01.2026 | ||
| 10 | Es soll eine Bestätigung für das Schaffen eines Levels angezeigt werden. | Tim | 10.01.2026 |
Funktionaler Systementwurf
Das System soll mittels Sensor ein Objekt, z.B. eine Hand, erkennen und den Abstand zu diesem messen. Aus dem Abstand soll eine digitale Größe gewandelt werden, die zu einem visuellen oder akustischem Feedback werden soll.
| Nr. | Anz. | Beschreibung |
|---|---|---|
| 1 | 1 | Funduino Arduino UNO R3 |
| 2 | 1 | Ultraschall Abstandssensor HC-SR04 |
| 3 | 1 | LCD Modul 16x02 I2C |
| 4 | 1 | Gehäuse (3D-Druck) |
| 5 | 1 | Steckbrett für temporären Aufbau |
| 6 | 20 | Breadboard-Male-to-Male-Kabel für temporären Aufbau |
| 7 | 2 | Lautsprecher (eventuell Piezo) |
| 8 | 1 | 9V Netzteil zum Betreiben des Arduinos |
| 9 | 1 | Lochplatine |
| 10 | div. | Leitungen |
Technischer Systementwurf
Der technische Systementwurf des Rätsels basiert auf einer berührungslosen Abstandsmessung mittels Ultraschallsensor und einer darauf aufbauenden akustischen Rückmeldung. Ein Mikrocontroller erfasst zyklisch den gemessenen Abstand zwischen Sensor und einem Objekt (z. B. einer Hand) und ordnet den Messwert einem von mehreren diskreten Distanzbereichen zu. Jeder Distanzbereich ist fest mit einer diskreten Ausgabefrequenz verknüpft, die über einen Piezo- bzw. Lautsprecher als Ton ausgegeben wird. Dabei gilt: geringer Abstand entspricht einer höheren Frequenz, größerer Abstand einer niedrigeren Frequenz. Die Tonhöhe verändert sich somit nicht kontinuierlich, sondern springt beim Wechsel zwischen den Distanzbereichen auf die jeweils zugeordnete Frequenz. Parallel zur variablen Tonerzeugung gibt ein zweiter Lautsprecher einen Referenzton aus. Ziel ist es, durch Anpassung des Abstands denjenigen Distanzbereich zu erreichen, dessen feste Frequenz dem Referenzton entspricht. Ein „falscher“ Zustand wird nicht definiert; stattdessen dient die Abweichung vom Referenzton als unmittelbares Feedback, ob der aktuelle Distanzbereich bereits dem Ziel entspricht. Der Fortschritt im Rätsel erfolgt über eine Zeitbedingung: Befindet sich der Abstand im Zielbereich, muss die entsprechende Frequenz durchgehend 5 Sekunden gehalten werden. Erst nach Erfüllung dieser Haltezeit wird das nächste Level freigeschaltet bzw. der Levelzähler erhöht. Dieses Vorgehen reduziert zufällige Treffer durch kurze Positionsänderungen und stellt sicher, dass der Zielbereich bewusst und stabil erreicht wird.
Komponentenspezifikation
Ultraschall Abstandssensor HC-SR04 LCD Modul 16x02 I2C
Umsetzung (HW/SW)
Hardware
Für die Hardware-Umsetzung wurde ein 3D-gedrucktes Gehäuse vorgesehen und die Elektronik auf einer Lochrasterplatine aufgebaut, da eine eigens gefertigte Leiterplatte (PCB) für die geringe Bauteilanzahl (zwei Piezos, ein Display und ein Sensor) einen unverhältnismäßig hohen Aufwand darstellen würde.
Software
Die folgende Abbildung zeigt die Software-Blockarchitektur des Rätsels als durchgängige Verarbeitungskette von der Abstandsmessung bis zur Ton- und Displayausgabe. Die Umsetzung erfolgt modellbasiert (z. B. in MATLAB/Simulink mit Arduino-Anbindung) und gliedert sich in klar abgegrenzte Funktionsblöcke.
Im Block „Messung und Filterung“ wird der Abstand über den Ultraschallsensor zyklisch erfasst und anschließend zur Stabilisierung aufbereitet. Dazu wird der Messwert skaliert und über einen Medianfilter geglättet, um Ausreißer einzelner Messungen zu reduzieren. Der gefilterte Distanzwert wird im Block „Umwandlung der Distanz in Frequenz“ einem diskreten Distanzbereich zugeordnet und in eine diskrete Ausgabefrequenz umgesetzt. Dabei gilt die Zuordnung „nah = hohe Frequenz, weit = niedrige Frequenz“. Die resultierende Frequenz wird für die weitere Verarbeitung als geeignetes Zahlenformat bereitgestellt.
Die Spiellogik ist im Zustandsautomaten (State Machine) realisiert. Dieser wertet Distanz und Ereignisse aus, steuert den aktuellen Spielzustand und erzeugt die beiden Tonvorgaben: FrequenzUS (variabler Ton abhängig von Distanz) und FrequenzREF (Referenzton). Ein separater Timer-Block stellt sicher, dass der korrekte Distanzbereich bzw. die passende Frequenz durchgehend 5 Sekunden gehalten werden muss, bevor ein Levelwechsel ausgelöst wird. Die Ausgabe an die Hardware erfolgt über einen I/O-Block (z. B. „IO Device Builder“), der die beiden Piezo-/Lautsprecher (Spielton und Referenzton) an den definierten Pins ansteuert und zusätzlich den auszugebenden LCD-Zustand (z. B. Level/Status) erhält.
Die Abbildung zeigt den Zustandsautomaten, der den Ablauf des Rätsels in diskrete Spielphasen gliedert und die Ton- sowie Anzeigeausgaben steuert. Nach dem Start befindet sich das System im Zustand Idle, in dem der Referenzton deaktiviert ist (FrequenzREF = 0). Mit Beginn der Messung wechselt der Automat in den Zustand Betrieb, in dem die Level sequenziell abgearbeitet werden.
Im Betriebszustand sind drei Level implementiert (Level1–Level3), die jeweils eine feste Referenzfrequenz vorgeben. Parallel dazu wird die aus dem Ultraschallsensor abgeleitete Frequenz (FrequenzUS) als variabler Ton ausgegeben. Die Lösung eines Levels erfolgt, wenn FrequenzUS dem Referenzton FrequenzREF entspricht. In diesem Fall wechselt der Automat in den Teilzustand Matching und prüft, ob die Übereinstimmung über eine definierte Haltezeit stabil bestehen bleibt. Erst wenn die Frequenzen durchgehend für mehrere Sekunden gleich bleiben, wird das nächste Level freigeschaltet und der Anzeigestatus (ZustandLCD) entsprechend aktualisiert.
Nach erfolgreichem Abschluss des letzten Levels gelangt das System in den Zustand GEWONNEN, schaltet die Tonausgabe ab und kehrt nach einer Wartezeit wieder in den Ausgangszustand zurück.
Komponententest
LCD-Modul in Simulink Das LCD-Modul muss in Simulink in Betrieb genommen werden. Mittels "IO Device Builder" wurde ein Block erstellt, der die Funktion des LCD-Moduls ausführt. Somit lies sich nur ein Text anzeigen und nach Einbringen in die Software liesen sich auch die veränderlichen Werte, wie die Frequenz des Ultraschallpiezos anzeigen.
Piezo-Speaker in Simulink Damit die Piezo-Speaker einen Ton ausgeben, benutzt man die Funtkion tone() in der ArduinoIDE. Wir kombinierten in die Funktion in die des LCD-Moudls, um mit den Simulinkblöcken zu sparen. Dadurch liesen sich die Piezospeaker über Simulink steuern. So konnten passende Frequenzen der Piezos gefunden werden, die für das Spiel zum synchronisieren benutzt werden können.
Systemtest
| Nr. | Inhalt | Prüfdatum | Methode | Anzahl Test | Ergebniss |
|---|---|---|---|---|---|
| 1 | Ein Objekt muss von dem Ultraschallsensor erkannt werden (z.B Hand) | 12.01.2026 | Vorhalten eines Objekts oder der Hand für Starten des Spiels | 3 | Bestanden |
| 2 | Lautsprecher 1 muss Referenz-Ton abspielen (je Level andere Frequenz) | 12.01.2026 | Warten auf Ton in jedem Level | 3 | Bestanden |
| 3 | Distanz muss ermittelt werden und in eine Frequenz umgewandelt werden | 12.01.2026 | Frequenz wird abhängig von Distanz auf dem LCD ausgegeben | 3 | Bestanden |
| 4 | Lautsprecher 2 muss Ton ausgeben (abhängig von Distanz) | 12.01.2026 | Je nach Abstand wird Ton höher(nah) oder tiefer(fern) | 3 | Bestanden |
| 5 | Wird die richtige Frequenz 5 Sekunden gehalten, ist das Level schafft | 12.01.2026 | Finden und halten der richtigen Frequenz (Töne sind gleich) | 3 | Bestanden |
| 6 | Es sollen mehrere Level vorhanden sein | 12.01.2026 | Es sind drei Level vorhanden. Nach drei Leveln hat man gewonnen | 1 | Bestanden |
| 7 | Ist die Frequenz falsch ist, soll nichts passieren | 12.01.2026 | Schnelles Hin- und Herbewegen der Hand vor dem Sensor | 20 | Bestanden |
| 8 | Die messtechnischen Grundlagen müssen für SchülerInnen verständlich mit Hilfsmaterial anschaulich vermittelt werden. | 12.01.2026 | Anhand eines schematischen Ausdrucks wird das Prinzip des Ultraschallsensors erklärt und die messtechnischen Grundlagen dargestellt | 1 | Bestanden |
| 9 | Am Ende muss ein Code auf dem LCD ausgegeben werden | 12.01.2026 | Ablesen des LCD | 3 | Bestanden |
| 10 | Es soll eine Bestätigung für das Schaffen eines Levels angezeigt werden. | 12.01.2026 | Ablesen des LCDs nach Level | 3 | Bestanden |
Ergebnis
Das Ergebnis ist ein angenehmes Herantasten an die Sensorik und mechatronische Systeme, welches dem Spieler die Funktionsweise eines Ultraschallsensor nahebringen soll.
Trotz einiger Herausforderungen funktioniert das Rätsel und lässt sich kinderleicht lösen.
Zusammen mit den beiliegenden Materialien ist es der erste Schritt in die Welt der Messtechnik und Sensor-Aktor-Systeme
Zusammenfassung
In diesem Wiki-Artikel wird der Prozess der Entwicklung eines Arduino Rätsel Spiels gezeigt. Es wurde ein akustisches Rätselspiel entwickelt, welches mittels einer Messkette spielerisch die Funktionsweise eines Ultraschallsensors darstellen soll. Mittels beiliegendem Material soll so den Spielern ein angenehmer Einstieg in die Welt der Sensorik gewährleistet werden.
Es gab einige Hürden von Projektplanung, über die Hardwareauswahl bis zu der Software in Simulink, welche dieses Projekt trotz des einfachen Prinzip, herausfordern gemacht haben.
Lessons Learned
Für spätere Projekte wäre eine regelmäßige Absprache wichtig, um einen konstanten Fortschritt über das Semester zu gewährleisten.
Ebenfalls gab es einige Problematiken in Simulink, welche die Softwareentwicklung sehr mühsam gemacht haben. In Zukunft sollte sich noch intensiver mit den Professoren ausgetauscht werden, um die Probleme schneller zu beheben.
Ein weiterer Punkt ist bei der Hardwareauswahl die bauartbedingte Abweichung von Frequenzen eines Piezos, was Abgleich in größeren Frequenzbereichen erschwert. Falls nötig, lieber auf aktive Lautsprecher zugreifen.
Projektunterlagen
Projektplan
Projektdurchführung
Projektdaten
Hier sind alle benötigten Dateien für das Simulink-Projekt: Datei:AufDerGleichenWellenlänge.zip.zip
Literatur
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