Escape Game: Auf der gleichen Wellenlänge
| Autoren: | Tim Nicklas Gleisenberg und Deron Antony Pinheiro |
| Betreuer: | Prof. Schneider |
Einleitung
Im Rahmen des Fachpraktikums am Hochschule Hamm-Lippstadt im Studiengang Mechatronik soll jede Gruppe ein mechatronisches Rätsel entwickeln, das innerhalb von ca. 5 Minuten lösbar ist. Die entwickelten Rätsel verbleiben an der HSHL und werden zu einem Escape-Game kombiniert, das von Schülern und Studierenden gespielt werden kann.
Es wird ein Ultraschall-Sensor verwendet, um die Distanz zu einem Objekt (z.B. Hand) zu messen. Je nach Abstand spielt ein Lautsprecher einen Ton. Ziel ist es, einen Ton eines weiteren Lautsprechers nachzuahmen. Dies dreimal hintereinander und ein Code wird ausgegeben.
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
Die in Tabelle 2 beschriebenen Bauteile werden wie in Abb. 1 gesehen verschaltet. Der Ultraschallsensor mit die Distanz zu einem Objekt. Der Messwert wird zu je nach Abstand zu einem gewissen Ton umgewandelt. Es soll spielerisch versucht werden, den richtigen Abstand zu finden. Anhand von Anschaumaterialien soll die Funktionsweise des Sensors aber auch die gesamte Messkette dargestellt werden.
Komponentenspezifikation
Ultraschall Abstandssensor HC-SR04 LCD Modul 16x02 I2C
Umsetzung (HW/SW)
Hardware
Software
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.
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
→ zurück zur Übersicht: WS 25/26: Escape Game