WS2024 - Sensortechnik - Ultraschall

Vorbereitung

Dieses Modul nutzt als Werkzeug die Rapid Control Prototyping-Software Matlab/Simulink. Grundkenntnisse sind hilfreich und können u. a. im für Studierende kostenlosen Kursen

• MATLAB Online-Kurs
• Einführung in Simulink
• Arduino mit Simulink programmieren

erworben werden.

Aufgaben

Aufgabe 1: Ultraschall Entfernungsmessung

Mit den Ultraschallsensor HC-SR04, einem Arduino Mikrocontroller und Simulink soll eine Entfernung in cm gemessen werden.

1. Messen Sie die Entfernung auf ein statisches Ziel in den Entfernungen 5 cm, 10 cm, 15 cm, 20 cm und 25 cm.
2. Speichern Sie das Ergebnis in der Datei Ultraschall.mat.

Arbeitsergebnis in SVN: UltraschallMessung.slx, Ultraschall.mat

Aufgabe 2: Charakterisieren Sie die Ultraschall Messwerte

1. Analysieren Sie die Funktion Ihres Ultraschallsensors anhand Ihrer Messwerte in Ultraschall.mat mit MATLAB^®. Verwenden Sie die Kriterien in Tabelle 1.
2. Beantworten Sie die Fragen fachlich fundiert anhand Ihrer Messdaten als Kommentar im Quelltext:
   1. Welchen Messbereich hat der Sensor?
   2. Welche Werteauflösung hat der Sensor?
   3. Welche max. Abtastrate hat der Sensor?
   4. In welchem Bereich ist der Sensor am empfindlichsten?
   5. Mit welcher Unsicherheit (1 σ) lässt sich eine glatte Fläche bestimmen?

Tabelle 1: Ultraschall Sensorcharakterisierung

Messgröße	Formelzeichen	Ergebnis
Messbereich	MB	Darstellung im MATLAB®-Command Window
Zeitauflösung	$a_t$	Darstellung als MATLAB®-Plot
Werteauflösung	$a_s$	Darstellung als MATLAB®-Plot
Empfindlichkeit	E	Darstellung als MATLAB®-Plot
Unsicherheit	σ	Darstellung als MATLAB®-Plot

Arbeitsergebnis in SVN: charakterisiereUltraschallSensor.m

Aufgabe 3: Filterung

1. Welches Fehlerbild weist der Ultraschallsensor auf?
2. Implementieren und parametrieren Sie ein Filter für das Fehlerbild.
3. Stellen Sie die gefilterten und ungefilterten Messwerte in einem Plot einander gegenüber.
4. Bewerten Sie Ihr Ergebnis qualitativ und quantitativ für statische Messungen.

Arbeitsergebnis in SVN: USFilter.slx, USBewertung.pdf

Aufgabe 4: Dynamische Messunsicherheit

• Zeigen Sie die gefilterten und ungefilterten Messwerte Signal in MATLAB^® an. Messen Sie auf ein Ziel im gesamten Messbereich (1 cm - 30 cm - 1 cm). 
• Wurde der Sensorfehler behoben?

Arbeitsergebnis in SVN: DynamischeMessunsicherheit.m

Tutorial

Ultraschallsensors HC-SR04

Bewertung

Tabelle 3: Bewertungskriterien für die Prüfung

#	Aufgabe	Punkte
1	Entfernungsmessung mit Simulink
	Header (Autoren, Datum, Funktion,...)	0,5
	Signalbeschriftung	0,5
	Pinbelegung	0,5
	Vollständigkeit von IRMessung.slx	0,5
	Sicheung der Messung in IRMessung.mat	0,5
7.2	Umsetzung des PAP
	Header (Autoren, Datum, Funktion,...)	0,5
	Erläuternde Kommentare	0,5
	Einhalten der Programmierrichtlinien	0,5
	1:1 Umsetzung der Planung	1
7.3	Test der Anforderungen
	1-7 (je 0,5, s. Tabelle 2)	3,5
7.4	Umgang mit SVN	0,5
	Ordner angelegt	0,5
	Aussagekräftige Log-Messages	0,5
	Summe:	10

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