Zeit- und Entfernungsschätzung
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| Autoren: | Niklas Reeker und Oliver Scholze |
| Betreuer: | Marc Ebmeyer |
Einleitung
Bereits im Grundschulalter versuchen wir Kindern ein Gefühl für Zeit zu vermitteln. Indem sie Zeitintervalle schätzen und dabei oft feststellen, wie sehr sie danebenliegen können, erkennen sie die Bedeutung von Zeit und beginnen Uhren zu tragen. Als Erwachsene haben wir zwar ein besseres Zeitgefühl entwickelt, doch die genaue Schätzung von Zeit und Entfernungen bleibt eine Herausforderung.
Unser Escape Game greift diese Phänomene auf spannende Weise auf. Die Aufgabe klingt einfach, erweist sich jedoch als knifflig: Halten Sie Ihren Finger genau 10 Sekunden lang auf einen Knopf – ohne Hilfsmittel zur Zeitmessung. Sobald diese erste Aufgabe erfolgreich abgeschlossen ist, müssen Sie zusätzlich eine Entfernung von 10 cm abschätzen. Zur Entfernungsmessung wird ein IR-Sensor verwendet, der die Genauigkeit der Schätzung ermittelt. Eine LED über dem IR-Sensor beginnt zu blinken, um anzuzeigen, dass die Entfernung nun geschätzt werden soll. Sobald Sie glauben, die richtige Entfernung gefunden zu haben, müssen Sie erneut den Knopf drücken, um Ihre Schätzung zu bestätigen. Ist diese Aufgabe korrekt gemeistert, erleuchtet die nächste LED über dem Drucksensor und es muss das dritte und damit auch das letzte Rätsel gelöst werden. Dies umfasst eine Gewichtsschätzung über einen Drucksensor. Dabei muss bei einer Auswahl von drei verschiedenen Gewichten (50 g/100 g/150 g) das Gewicht mit 100 g ausgewählt und auf den Drucksensor gestellt werden. Auch hier stellt ein erneuter Knopfdruck die Bestätigung der Auswahl dar.
Lassen Sie den Knopf zu früh oder zu spät los, schätzen Sie die Entfernung falsch oder wählen Sie das falsche Gewicht, ertönt eine traurige Melodie und die tatsächlich gedrückte Zeit, die geschätzte Entfernung oder das ausgewählte Gewicht werden angezeigt. So erfahren Sie genau, wie weit Sie von den Zielwerten entfernt waren und ob Ihre Schätzungen zu kurz oder zu lang waren. Treffen Sie jedoch die richtigen Werte, werden Sie mit einer Siegermelodie belohnt, und der Code für das Schloss erscheint auf dem Display. Nur mit diesem Code können Sie das Escape-Schloss öffnen und erfolgreich entkommen. Wichtig: Es wird immer erst die, dann die Entfernung und anschließend das Gewicht geschätzt. Ist eine der drei Schätzungen falsch, müssen Sie von vorne beginnen, beginnend mit der Zeitmessung.
Dieses Spiel verbindet Spaß und Spannung und zeigt auf unterhaltsame Weise, wie herausfordernd es sein kann, sowohl Zeit als auch Entfernungen präzise einzuschätzen. Stellen Sie Ihr Gefühl auf die Probe und finden Sie heraus, ob Sie den Code knacken können!
Anforderungen
Im nachfolgenden werden die testbaren Anforderungen gezeigt welche den korrekten Betrieb der Zeit-, Entfernungs- und Gewichtsschätzung sicherstellen.
| ID | Inhalt | Prio | Ersteller | Datum | Geprüft von | Datum |
|---|---|---|---|---|---|---|
| 1 | Das Escape Game muss in 4-5 Minuten lösbar sein | Mittel | Niklas Reeker | 02.10.2024 | Oliver Scholze | 02.10.2024 |
| 2 | Der Spieler muss den Button für 10 Sekunden +-1 s Sekunde gedrückt halten um zum zweiten Rätsel der Abstandsmessung zu gelangen. | Hoch | Niklas Reeker | 02.10.2024 | Oliver Scholze | 02.10.2024 |
| 3 | Wenn die Zeit falsch geschätzt wurde, wird die tatsächlich gedrückte Zeit auf dem Display angezeigt. | Hoch | Niklas Reeker | 02.10.2024 | Oliver Scholze | 02.10.2024 |
| 4 | Wenn die Zeit falsch geschätzt wurde, beginnt das Spiel von vorne. | Hoch | Niklas Reeker | 02.10.2024 | Oliver Scholze | 02.10.2024 |
| 5 | Wenn die Zeit falsch geschätzt wurde, wird eine traurige Melodie abgespielt. | Mittel | Niklas Reeker | 02.10.2024 | Oliver Scholze | 02.10.2024 |
| 6 | Ist die Zeit richtig geschätzt, blinkt eine LED, alle 500 ms, bei der Entfernungsschätzung um dem Benutzer zu zeigen wo es weitergeht. | Hoch | Niklas Reeker | 02.10.2024 | Oliver Scholze | 02.10.2024 |
| 7 | Ist die Zeit richtig geschätzt, beginnt die Entfernungsschätzung von 10 cm +-1 cm. | Hoch | Niklas Reeker | 02.10.2024 | Oliver Scholze | 02.10.2024 |
| 8 | Wenn die Entfernung falsch geschätzt wird, beginnt das Spiel von vorne mit der Zeitmessung. | Hoch | Niklas Reeker | 02.10.2024 | Oliver Scholze | 02.10.2024 |
| 9 | Wenn die Entfernung falsch geschätzt wird, wird die tatsächlich geschätzte Entfernung auf dem Bildschirm in cm angezeigt. | Hoch | Niklas Reeker | 02.10.2024 | Oliver Scholze | 02.10.2024 |
| 10 | Wenn die Entfernung falsch geschätzt wird, wird eine traurige Melodie abgespielt. | Mittel | Niklas Reeker | 02.10.2024 | Oliver Scholze | 02.10.2024 |
| 11 | Ist die Entfernung richtig geschätzt, blinkt eine LED, alle 500 ms, bei der Gewichtsschätzung um dem Benutzer zu zeigen wo es weitergeht. | Hoch | Johann Kismann | 11.10.2024 | Oliver Scholze | 11.10.2024 |
| 12 | Ist die Entfernung richtig geschätzt, beginnt die Gewichtsschätzung von 100 g. | Hoch | Johann Kismann | 11.10.2024 | Oliver Scholze | 11.10.2024 |
| 13 | Wenn das Gewicht falsch geschätzt wird, beginnt das Spiel von vorne mit der Zeitmessung. | Hoch | Johann Kismann | 11.10.2024 | Oliver Scholze | 11.10.2024 |
| 14 | Wenn das Gewicht falsch geschätzt wird, wird das tatsächliche Gewicht auf dem Bildschirm in g angezeigt. | Hoch | Johann Kismann | 11.10.2024 | Oliver Scholze | 11.10.2024 |
| 15 | Wenn das Gewicht falsch geschätzt wird, wird eine traurige Melodie abgespielt. | Mittel | Johann Kismann | 11.10.2024 | Oliver Scholze | 11.10.2024 |
| 16 | Bei richtiger Zeitschätzung wird eine Siegesmelodie abgespielt. | Mittel | Niklas Reeker | 02.10.2024 | Oliver Scholze | 02.10.2024 |
| 17 | Bei richtiger Entfernungsschätzung wird eine Siegesmelodie abgespielt. | Mittel | Niklas Reeker | 02.10.2024 | Oliver Scholze | 02.10.2024 |
| 18 | Bei richtiger Gewichtsschätzung wird eine Siegesmelodie abgespielt. | Mittel | Johann Kismann | 11.10.2024 | Oliver Scholze | 11.10.2024 |
| 19 | Die Zeitmessung wird bei der Ausgabe auf ganze Sekunden gerundet (Bsp: 12,6 s entspricht 13 s). | Hoch | Niklas Reeker | 02.10.2024 | Oliver Scholze | 02.10.2024 |
| 20 | Die Entfernungsmessung wird bei der Ausgabe auf ganze Entfernungen in cm gerundet (Bsp: 12,6 cm entspricht 13 cm). | Hoch | Niklas Reeker | 02.10.2024 | Oliver Scholze | 02.10.2024 |
| 21 | Die Gewichtsmessung wird bei der Ausgabe auf ein ganzzahliges Gewicht in g gerundet (Bsp: 105,2 g entspricht 105 g). | Hoch | Johann Kismann | 11.10.2024 | Oliver Scholze | 11.10.2024 |
| 22 | Bei richtiger Gewichtsschätzung wird der dreistellige Code für das Schloss auf dem Display ausgegeben. | Hoch | Niklas Reeker | 02.10.2024 | Oliver Scholze | 02.10.2024 |
| 23 | Das Spiel muss ohne visuelle Hilfsmittel zur Zeit-, Entfernungs- und Gewichtsmessung (wie Uhren, Lineale oder Waagen) funktionieren. | Hoch | Niklas Reeker | 02.10.2024 | Oliver Scholze | 02.10.2024 |
| 24 | Die Interaktion erfolgt über einen einfachen Knopf und einen Display für Rückmeldungen. | Mittel | Niklas Reeker | 02.10.2024 | Oliver Scholze | 02.10.2024 |
| 25 | Das System muss benutzerfreundlich und für Kinder wie Erwachsene geeignet sein. | Mittel | Niklas Reeker | 02.10.2024 | Oliver Scholze | 02.10.2024 |
| 26 | Das Arduino-System wird über Simulink gesteuert. | Hoch | Niklas Reeker | 02.10.2024 | Oliver Scholze | 02.10.2024 |
| 27 | Das Escape Game muss in einen Schuhkarton passen. | Gering | Niklas Reeker | 02.10.2024 | Oliver Scholze | 02.10.2024 |
Funktionaler Systementwurf/Technischer Systementwurf
Funktionaler Systementwurf
Das Eingabegerät wird durch den/die Spieler/in aktiviert, wie in Abbildung 02 dargestellt, woraufhin die Zeitmessung beginnt. Die Aufgabe für den/die Spieler/in besteht darin, das Gerät für eine vorgegebene Dauer zu bedienen, basierend auf der Einschätzung, wann die geforderte Zeit erreicht wurde.
Sobald diese Zeitspanne erfolgreich eingehalten wurde, wird der/die Spieler/in aufgefordert, eine Entfernung von 10 cm +-1 cm zu schätzen. Ist auch diese Aufgabe korrekt absolviert, wird der/die Spieler/in aufgefordert, ein Gewicht von 100 g zu schätzen. Alle drei Schätzungen dürfen jedoch nur ohne Hilfsmittel bestimmt werden. Erst wenn alle drei Aufgaben – Zeit-, Entfernungs- und Gewichtsschätzung – korrekt abgeschlossen wurden, erhält der/die Spieler/in einen Code, der es ermöglicht, mit dem nächsten Escape-Spiel fortzufahren.
Sollten die Zeitvorgabe, die Entfernung oder das Gewicht nicht korrekt geschätzt werden, ist es erforderlich, den Vorgang zu wiederholen, beginnend mit der Zeitmessung, bis alle drei Herausforderungen erfolgreich gemeistert wurden.
Technischer Systementwurf
Die Steuerung und Überwachung des gesamten Spielablaufs obliegt einem Mikrocontroller, wie im funktionalen Systementwurf unter Abbildung 03 ersichtlich ist. Dieser ist direkt an die Spannungsversorgung angeschlossen, um eine kontinuierliche Funktionstüchtigkeit zu gewährleisten. Das Eingabegerät für den/die Spieler/in wird über einen Taster realisiert, der unmittelbar mit dem Mikrocontroller verbunden ist. Bei Aktivierung des Tasters initiiert dieser den Start der Stoppuhrfunktion im Mikrocontroller, um die Zeitmessung zu beginnen.
Nach erfolgreicher Zeitmessung wird der/die Spieler/in aufgefordert, eine Entfernung von 10 cm +-1 cm zu schätzen. Zur Entfernungsmessung wird ein IR-Sensor verwendet, der ebenfalls direkt mit dem Mikrocontroller verbunden ist. Um dem/der Spieler/in anzuzeigen, dass die Entfernungsmessung erfolgen soll, beginnt eine LED über dem IR-Sensor zu blinken. Diese LED ist ebenfalls an den Mikrocontroller angeschlossen und sorgt für eine visuelle Rückmeldung, wann der nächste Schritt – die Entfernungsschätzung – erfolgen muss. Für die Gewichtsschätzung wird ein Drucksensor verwendet. Ist die Entfernungsschätzung korrekt, soll eine weitere LED über dem Drucksensor für die Gewichtsschätzung blinken. Auch hierbei soll die LED als eine visuelle Rückmeldung fungieren, um den nächsten Schritt anzuzeigen.
Um das Spielergebnis – sei es die gemessene Zeit, die geschätzte Entfernung, das geschätzte Gewicht oder der freizuschaltende Code, abhängig vom Erfolg des/der Spieler/s – adäquat darzustellen, werden drei 7-Segment-Displays verwendet. Vor diesen Displays wird ein 7-Segment-Decoder geschaltet, um die Anzahl der notwendigen Verbindungen zum Mikrocontroller möglichst gering zu halten und so die Effizienz des Systems zu optimieren.
Zusätzlich wird ein Buzzer in das System integriert, um eine auditive Rückmeldung in Form einer Melodie zu ermöglichen, wie in der Einleitung beschrieben. Dieses Element trägt zur interaktiven und ansprechenden Gestaltung des Spielerlebnisses bei, indem es den/die Spieler/in sowohl bei Erfolg als auch bei Misserfolg über den Spielstatus informiert.
Materialliste
Die Materialliste gibt einen Überblick der benötigten Komponenten. Zusätzlich wird der Bestellstatus festgehalten.
| Nr. | Anz. | Beschreibung | Bestellstatus |
|---|---|---|---|
| 1 | 1 | Funduino Arduino Mega | |
| 2 | 1 | Taster | |
| 3 | 3 | 7-Segment-Display | |
| 4 | 1 | (Lochrasterplatine) | Vorhanden --> Überlegung Platine zu designen und zu fräsen |
| 5 | 1 | Verbindungskabel | Vorhanden |
| 6 | 3 | 7-Segment-Decoder | |
| 7 | 1 | Summer | |
| 8 | 2 | LED grün | |
| 9 | 2 | Widerstand 10kOhm | |
| 10 | 1 | Netzteil + Kabel | |
| 11 | 1 | Gehäuse 3D-Druck | |
| 12 | 2 | Widerstand 150Ohm | |
| 13 | 1 | IR-Sensor | |
| 14 | 1 | Drucksensor |
Komponentenspezifikation
Stückliste (BOM)
Die Bill of Materials befindet sich in der Dokumentation, diese ist in der Zusammenfassung hinterlegt.
| ID | Anzahl | Kosten pro Stück € | Summe | Bezeichnung / Komponente | technische Bezeichnung | Beschreibung | Datenblatt | Abbildung |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 1 | 1x | 19,30€ | 19,30€ | Arduino Mega | ARD MEGA2560 R3 Arduino kompatibles Mega 2560 R3 Board | Der Mirkocontroller mit dem ATmega2560 verfügt über 54digitale I/O - Schnittstellen. Des weiteren sind 16 analoge Eingänge die die Verarbeitung analoger Signale vorhanden. | ARD MEGA2560 R3 Arduino kompatibles Mega 2560 R3 Board |  |
| 2 | 1x | 1,25€ | 1,25€ + 4,90€ Versand | Taster | Grobhandtaster Fußtaster Pilztaster Not-Aus Pilz Taster IP65 Garagen Tor Antrieb | Der Taster kann mit bis zu 240V belastet werden. | / |  |
| 3 | 3x | 0,99€ | 2,97€ | 7 Segment Display | Single-7-Segment-Anzeige, rot, 14,2mm, 6,4 mcd, gem. Anode | Ein 7-Segment-Display stellt eine elektronische Anzeigevorrichtung dar, die primär für die Visualisierung numerischer Daten verwendet wird. | 7 Segment Display |
 |
| 4 | 3x | 0,84€ | 2,52€ | BCD-to-7-Segment-Decoder | CD 74HC4511E TEX Latch, 7-Segment, 2 ... 6 V, DIL-16 | Ein 7-Segment-Decoder ist ein digitales Logikschaltkreis-Element, das digitale Eingangssignale in eine entsprechende 7-Segment-Anzeige umwandelt und die Anzahl der Anschlüsse von 7 Segment anzeigen auf die hälfte Reduzieren. | BCD-to-7-Segment-Decoder |  |
| 5 | 2x | 0,07€ | 0,07€ | Pullup Widerstand 10kOhm | METALL 2,10K Widerstand, Metallschicht, 2,10 kOhm, 0207, 0,6 W, 1% | Der Pullup-Widerstand dient dazu den Eingang am Arduino auf einem definierten Wert zu halten und somit ein eindeutiges Zustand zu gewährleisten. | Pullup Widerstand 10kOhm |  |
| 6 | 1x | 1,50€ | 1,50€ | Summer | CMI-1295-0585T Buzzer, 85dB, 2300 Hz, 5 V | Ein Summer wandelt elektrische in akustische Signale um, indem er bei Anlegung einer Spannung zu vibrieren beginnt und so Töne erzeugt. | Summer |
 |
| 7 | 2x | 0,08€ | 0,16€ | LED Grün | EVL 333-2SYGT/S5 LED, 5 mm, bedrahtet, grün, 400 mcd, 10° | Die LED hat eine Vorwärtsspannung von 2 V und darf bei maximal 20mA betrieben werden. | LED |
 |
| 8 | 2x | 0,07€ | 0,14€ | Widerstand 150Ohm | METALL 150 Widerstand, Metallschicht, 150 Ohm, 0207, 0,6 W, 1% | Der Widerstand dient als Vorwiderstand der LEDs. | Widerstand 150Ohm |
|
| 9 | 1x | 4,30€ | 4,30€ | Drucksensor | ARD SENPRESSURE2 Arduino - Drucksensor, 0 bis 2 kg | Der Drucksensor ist in der Lage, Gewichte im Bereich von 0 bis 2 kg zu erfassen und gibt in Abhängigkeit vom gemessenen Gewicht ein analoges Signal im Bereich von 0 bis 5 Volt aus. | Drucksensor |  |
| 10 | 1x | 12,95€ | 12,95€ | IR-Sensor | Distanzsensor, 100 - 800mm, analog, inkl. Kabel | Der GP2Y0A21YK0F-K Distanzsensor misst Entfernungen im Bereich von 100 mm bis 800 mm und gibt ein analoges Ausgangssignal proportional zur erfassten Distanz aus. Das Signal kann direkt zur weiteren Verarbeitung genutzt werden. Der Sensor wird mit einem Kabel geliefert, das eine einfache Integration ermöglicht. | IR-Sensor |  |
Technische Daten der Sensoren
Die technischen Daten (Tabelle 4) der Sensoren geben Aufschluss über den Einsatzbereich und die Anforderungen, die erfüllt werden müssen, um diese in die Messumgebung zu integrieren.
| GP2Y0A21YK0F | ARD SENPRESSURE2 | |
|---|---|---|
| Messbereich | 10 - 80 cm | 0 - 2 kg |
| Versorgungsspannung | 4.5 V - 5.5 V | 3,3 V - 5 V |
| Versorgungsstrom | 30 mA - 40 mA | - |
| Genauigkeit | - | +-2,5% |
| Arbeitstemperatur | -10 °C - +60 °C | -20 °C - +60 °C |
In Tabelle 5 wird die Pinbelegung der Sensoren erläutert, wobei beide Sensoren über drei Pins verfügen, die die Stromversorgung, den analogen Ausgang und die Erdung bereitstellen.
| GP2Y0A21YK0F | ARD SENPRESSURE2 | |
|---|---|---|
| Pin 1 | Versorgungsspannung VCC; 5 V | Versorgungsspannung VCC; 5 V |
| Pin 2 | Analoger Ausgang; 0 V .. 5 V | Analoger Ausgang; 0 V .. 5 V |
| Pin 3 | Masse (GND); 0 V | Masse (GND); 0 V |
Umsetzung HW (mechanisch)
Umsetzung HW (elektrisch)
Verdrahtungsplan
Schaltplan
Berechnung der Vorwiderstände der LEDs
Um den Strom, der durch die LED fließt, zu begrenzen, wird ein Vorwiderstand benötigt. Dieser Vorwiderstand schützt die LED vor Beschädigung durch Überstrom und sorgt dafür, dass der Strom innerhalb der zulässigen Grenzen bleibt. Die Berechnung des Vorwiderstands erfolgt nach folgender Formel [1]:
Aus den Datenblättern des Arduino Mega und der LEDs lassen diese Werte ermitteln:
- die Betriebsspannung (hier 5V),
- die Vorwärtsspannung der LED (hier 2V),
- der Strom durch die LED (hier 20 mA).
Der benötigte Vorwiderstand beträgt also 150 Ohm.
Umsetzung SW
Umrechnung des Digitalwerts in Millivolt (mV) der beiden Sensoren (Drucksensor und IR-Sensor)
Im Simulink-Modell werden die analogen Sensorwerte als Digitalwert erfasst und in Millivolt (mV) umgerechnet. Die Sensoren liefern einen 10-Bit-Digitalwert, der von 0 bis 1023 reicht und mit einer Referenzspannung von 5V arbeitet. Dieser Wert wird vom Analog-Digital-Wandler (ADC) des Arduino aufgenommen. Um den Digitalwert in Millivolt umzurechnen, wird folgender Berechnungsschritt mit einem Verstärkungsfaktor durchgeführt:
Der resultierende mV-Wert wird anschließend gefiltert und im Modell für weitere Berechnungen verwendet.
Komponententest
Ergebnis
Zusammenfassung
Lessons Learned
Projektunterlagen
Projektplan
Projektdurchführung
YouTube Video
Weblinks
Literatur
- [1] Elektronik Kompendium: Vorwiderstand Berechnen. URL: https://www.elektronik-kompendium.de/sites/grd/1006011.htm, 11. Oktober 2024
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