Geschwindigkeitsüberwachung
Autoren: Alexander Lips, Melanie Luncke
Betreuer: Prof. Schneider
→ zurück zur Übersicht: WS 20/21: Angewandte Elektrotechnik (BSE)
Einleitung
Im Rahmen der Veranstaltung "Angewandte Elektrotechnik" innerhalb des Masterstudiengangs "Business and Systems Engineering" wird durch die Studierenden ein semesterbegleitendes Projekt im Bereich der Mikrocontroller durchgeführt.
Hierbei werden anhand eines praktischen Beispiels Kenntnisse in der Ansteuerung unterschiedlicher Sensoren und Aktuatoren durch einen Mikrocontroller, sowie der damit verbundenen Verarbeitung und Auswertung der Sensordaten vermittelt.
Im folgenden Projekt soll eine Geschwindigkeitsüberwachung mittels eines Ultraschallsensors/ Lichtschranken realisiert werden.
Analog zur Funktionsweise der Geschwindigkeitsüberwachung im Straßenverkehr, wird die Geschwindigkeit eines vorbeirollenden Modellautos gemessen, angezeigt und bewertet.
Die Geschwindigkeit des Modellautos kann hierbei auf einem LCD Display oder einer 7-Segment-Anzeige abgelesen werden. Zusätzlich wird bei einer überhöhten Geschwindigkeit ein visueller Hinweis durch eine rote LED getätigt.
Neben der Geschwindigkeitsüberwachung findet ebenfalls eine Kontrolle unterschiedlicher Ampelphasen statt. Die Geschwindigkeitsüberwachung soll neben einer Modellbau Ampel positioniert werden um sowohl die Geschwindigkeit als auch den Regelverstoß prüfen zu können. Falls das Fahrzeug über eine "rote Ampel" fährt, wird der Regelverstoß durch einen visuellen Hinweis mittels einer weiteren LED gekennzeichnet.
Anforderungen
Entwurf eines mechatronischen Systems für die Geschwindigkeitsmessung eines Objektes:
1) Geschwindigkeitsermittlung:
- Die Geschwindigkeit v des Modellautos muss auf einem definierten Streckenabschnitt mittels eines Ultraschallsensors und zwei Lichtschranken ermittelt werden.
- Die Geschwindigkeit v des Autos muss visuell auf einem LCD-Display dargestellt werden.
- Eine Überschreitung der vorgegebenen Maximalgeschwindigkeit v > v_max muss visuell über eine LED dargestellt werden.
2) Ampelverstoß:
- Ein Ampelverstoß liegt vor, wenn das Auto bei "rot" die Lichtschranke unterbricht und muss über eine LED visuell dargestellt werden.
3) Die Fahrzeugbewegung wird mit einem Konstante-Beschleunigung-Modell modelliert und die Zustände Position, Geschwindigkeit Beschleunigung werden mittels Zustandsschätzer (Kalman-Filter) geschätzt.
Funktionaler Systementwurf/Technischer Systementwurf
Komponentenspezifikation
Für die Projektdurchführung werden folgende Komponenten benötigt:
| ID | Komponente | Aufgabe | Ersteller | Datum |
|---|---|---|---|---|
| 001 | Mikrocontroller | Regler | Lips, Luncke | 30.10.2020 |
| 002 | Ultraschallsensor | Geschwindigkeits- bzw. Abstandsmessung | Lips, Luncke | 30.10.2020 |
| 003 | Ampel | Signaldarstellung (rot, gelb, grün) | Lips, Luncke | 30.10.2020 |
| 004 | Lichtschranke | Objekterkennung bei Ampelkreuzung | Lips, Luncke | 30.10.2020 |
| 005 | LED | Aufleuchten bei rotem Ampelsignal und Unterbrechung der Lichtschranke, Aufleuchten bei Geschwindigkeitsüberschreitung | Lips, Luncke | 30.10.2020 |
| 006 | Modellauto | Messobjekt | Lips, Luncke | 30.10.2020 |
| 007 | LCD Display | Geschwindigkeitsanzeige | Lips, Luncke | 30.10.2020 |
Die Funktionsweise des Ultraschallsensors wird folgend beschrieben:
Mit dem Ultraschallsensor HC-SR04 soll über eine Abstandsmessung die Geschwindigkeit des Modellautos bestimmt werden. Der Messbereich des Sensors liegt laut Datenblatt zwischen 3 cm und 400 cm mit einer maximalen Abweichung von 0,3 mm.
Der Ultraschallsensor wird an seinen vier Pins an den Mikrocontroller angeschlossen. Zwei der Pins (VCC und GND) werden für die Spannungsversorgung mit 5 V benötigt. Die anderen beiden Pins (Trig und Echo) werden für das Senden und Empfangen der Ultraschallwellen verwendet. Der Trig-Pin bzw. Ultraschalllautsprecher sendet einen Schallimpuls, welcher beim Auftreffen auf ein Objekt reflektiert und am Echo-Pin bzw. Ultraschallmikrofon wieder empfangen wird. Liegt an dem Trig-Pin ein High-Signal an, sendet der Sensor eine Ultraschallwelle aus, bis wieder ein Low-Signal an dem Trig-Pin anliegt. Die gesendete Ultraschallwelle entfernt sich so lange vom Sensor, bis sie auf ein Hindernis (das Modellauto) trifft. Anschließend wird sie zum Sensor zurückreflektiert. Empfängt der Sensor die reflektierte Welle, sendet der Echo-Pin ein High-Signal. Mit der gemessenen Zeit zwischen dem Senden und Empfangen der Ultraschallwelle kann die Entfernung bestimmt werden.
Um die Geschwindigkeit zu erfassen, werden zwei Abstände festgelegt, an denen die Entfernung gemessen werden soll. So kann anschließend die Geschwindigkeit bestimmt werden.
Umsetzung (HW/SW)
1. Hardware
Für die Projektdurchführung wurde zunächst die benötigte Hardware (siehe Komponentenspezifikation) beschafft. Außerdem wurde aus Holz eine brückenähnliche Halterung für den Ultraschallsensor, die Ampel und die Lichtschranke gebaut (siehe Abb.1). Folgend ist der Anschlussplan des Arduino Uno und der einzelnen Komponenten dargestellt, ebenso wie der Aufbau.
2. Software
Als Software wurde in Matlab eine Hauptdatei erstellt, welche mit verschiedenen Funktionen bestückt wurde. Diese Datei und deren Funktionen werden folgend beschrieben:
2.1 Hauptdatei
- Framework Geschwindigkeitsüberwachung: Hier wird zunächst Matlab initialisiert, mit der Hardware verbunden und mit den benötigten Funktionen ausgestattet.
2.2 Funktionen
- MessungPosition: Über den Ultraschallsensor wird die Position des Fahrzeugs gemessen und dargestellt.
- Ampelschaltung: Mit dieser Funktion wird die Dauer der einzelnen Ampelphasen realisiert.
- RegelverstoßAmpel: Wird die Lichtschranke bei rotem Ampelsignal unterbrochen, wird dies durch eine Aufleuchtende LED visualisiert.
- BestimmungGeschwindigkeit: Aus der gemessenen Position wird die Geschwindigkeit bestimmt.
- RegelverstoßGeschwindigkeit: Bei einer Überschreitung der vorgegebenen Maximalgeschwindigkeit, wird dies ebenfalls visuell über eine LED dargestellt.
- KalmanFilterG: Als Referenz dient die mit dem Kalmanfilter geschätzte Position, Geschwindigkeit und Beschleunigung.
Die vollständigen Matlab-Dateien sind in SVN abgelegt.
Komponententest
Die Funktionsweise der Komponenten aus der Komponentenspezifikation wurde einzeln getestet. Bei Eintritt der gewünschten Funktionsweise der einzelnen Komponenten wurden mehrere Komponenten gemeinsam auf ihre Funktionalität geprüft.
| ID | Komponente | Funktion einzeln | Funktion zusammen | Ersteller | Datum |
|---|---|---|---|---|---|
| 001 | Mikrocontroller | ja | ja | Lips, Luncke | 20.12.2020 |
| 002 | Ultraschallsensor | ja | ja | Lips, Luncke | 20.12.2020 |
| 003 | Ampel | ja | ja | Lips, Luncke | 20.12.2020 |
| 004 | Lichtschranke | ja | ja | Lips, Luncke | 20.12.2020 |
| 005 | LED | ja | ja | Lips, Luncke | 20.12.2020 |
| 006 | Modellauto | ja | ja | Lips, Luncke | 20.12.2020 |
| 007 | LCD Display | ja | nein, Pinbelegung nicht möglich (nicht genug Pins am Arduino Uno vorhanden) | Lips, Luncke | 20.12.2020 |
Ergebnis
Zusammenfassung
Lessons Learned
Herausforderung:
- Entscheidung für Softwareumsetzung (Matlab, Simulink, Arduino IDE...)
- Hardwareumsetzung (Mikrocontroller hat nicht genügend In-/Outputs)
Projektunterlagen
Projektplan
Der Ablauf des Projektes wird in folgendem Projektplan ausschnittsweise dargestellt. Die dazugehörige Excel-Datei des kompletten Projektplans befindet sich in SVN.
Projektdurchführung
Die Durchführung des Projektes orientierte sich an dem Projektplan. Begonnen wurde mit einem Projektvorschlag und dessen Genehmigung durch den betreuenden Professor. Dazu wurde sowohl die Einleitung als auch die Anforderungen und der Funktionale Systementwurf angefertigt. Nach der Projektgenehmigung wurde die Komponentenspezifikation erstellt und die benötigten Komponenten besorgt. Anschließend begann die Umsetzung der Hard- und Software, sodass auch ein Komponententest durchgeführt werden konnte. Zunächst wurden alle Komponenten einzeln getestet und bei gewünschter Funktionsweise mit weiteren Komponenten zusammengeschaltet, bis die Anforderungen in zufriedenstellender Weise erfüllt wurden. Abschließend wurden die Ergebnisse des Projektes und dessen Durchführung im Wiki-Artikel festgehalten und ein Video erstellt.
YouTube Video
Weblinks
Literatur
→ zurück zur Übersicht: WS 20/21: Angewandte Elektrotechnik (BSE)