Arduino: Infrarotsensor entstören

Autor: Prof. Dr.-Ing. Schneider
Modul: Praxismodul I
Lehrveranstaltung: Mechatronik, Informatikpraktikum 1, 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 mit dem Serial Plotter der Arduino IDE vergleichend anzeigen und bewerten.
können Sie die Messwerte charakterisieren.

Lernzielkontrolle

Legen Sie ein Array an und bestimmen Sie dessen Größe. Nutzen Sie das DemoSizeOfArray.ino.
Installieren Sie die Bibliothek ArduinoSort-master.zip. Hier finden Sie die Anleitung.
Sortieren Sie ein Array mit zufälligen Zahlen. Versuchen Sie das Demo DemoSortiereArray.ino nachzuvollziehen.
Wurde der Quelltext durch Header und Kommentare aufgewertet?
Wurden jedes Programm mittels PAP geplant?
Wurde auf magic numbers verzichtet?
Wurde die Programmierrichtlinie eingehalten?

Arbeitsergebnisse in SVN: Lernzielkontrolle_Termin_06.pdf

Vorbereitung

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

Versuchsdurchführung

Aufgabe 6.1: Lernzielkontrolle

Präsentieren Sie Prof. Schneider das Ergebnis der Lernzielkontrolle.

Arbeitsergebnisse in SVN: Lernzielkontrolle_Termin_06.pdf

Aufgabe 6.2: Messwertanalyse

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

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

Arbeitsergebnisse in SVN: zeigeIRMesswerte.ino

Demo: Demo: DemoSharpIR.ino

Abb. 2: Ausgabe der Entfernungswerte im seriellen Monitor

Aufgabe 6.3: IR Sensorcharakterisierung

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

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

Arbeitsergebnisse in SVN: IR_Sensorcharakterisierung.pdf

Tipps: 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?

Auflösung: [1]

Welche Auswirkung hat D=700 zu D=699 auf die Ausgangsgröße d?
Tragen Sie diese Werte gegeneinander auf ergibt sich eine Kurve.
Im Nachbereich 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:

Fehler beim Parsen (Konvertierungsfehler. Der Server („cli“) hat berichtet: „[INVALID]“): {\displaystyle a_D<math>'''|| '''<math>a_d<math>/cm''' |- | 700 - 699|| 0,02 |- | 699 - 698|| 0,02 |- | ..|| .. |- | 21-20|| 2,5 |- |} '''Empfindlichkeit:''' [https://de.wikipedia.org/wiki/Empfindlichkeit_(Technik)] * Hier setzen Sie <math>E = \frac{\Delta d}{\Delta U}} ins Verhältnis.

Das sind die partiellen Ableitungen der [[2]] in Abb. 8.

Aufgabe 6.4: Median-Filter

Ausreißer lassen sich gut mit einem Median-Filter entfernen. Ein Beispielvideo finden Sie in diesem Artikel.
Schreiben Sie die Funktion float = MedianFilter(float Messwert_s32). 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.
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
Geben Sie als Rückgabewert die Mitte des Arrays SortiertesArray[3] zurück.
Testen Sie die Funktion Ihrer Funktion mit Zufallszahlen im void loop()

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

Arbeitsergebnisse in SVN: testeMedianFilter.ino

Lösung: Median-Filter für die Störung

Aufgabe 6.5: Ergebnisbewertung und Nachhaltige Doku

Zeichnen Sie das ungefilterte und das Median-gefilterte Signal im seriellen Plotter an.
Wurden die Messfehler entfernt?
Sichern Sie alle Ergebnisse mit beschreibendem Text (message) in SVN.

Wurden die Regeln für den Umgang mit SVN eingehalten?
Wurde die Programmierrichtlinie eingehalten?
Wurde nachhaltig dokumentiert?
Haben die Programme einen Header?
Wurden der Quelltext umfangreich kommentiert?
Wurden die PAPs erstellt und abgelegt? Passen die PAPs 100% zum Programm?

Arbeitsergebnis in SVN: SVN Log, IRMedianFilter.ino, Ergebnisbewertung.pdf

Bewertung

Aufgabe	Punkte
6.1	2
6.2	2
6.3	2
6.4	2
6.5	2

Tutorials

Demos

Literatur

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

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