Projekt 32c: Komplexer Sensor für Lego Mindstorms EV3

Autoren: Lieshek, Groenhagen
Betreuer: Prof. Schneider

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Aufgabe

Nutzen Sie einen Infrarotsensor GP2Y0D21YK0F von Sharp zur Entfernungsmessung für Lego Mindstorms EV3.

Erwartungen an die Projektlösung

Darstellung der Theorie
Beschaffung der Bauteile
Realisierung des Aufbaus
Kommunikation über I2C oder UART
Schaltungsentwurf und Simulation mit NI CD
Programmierung des Microcontrollers (z.B. ATTiny)
Programmieren Sie den Sensortreiber für Lobby, Matlab und Simulink
Fahren Sie mit diesem neuen Sensor parallel zu einer Wand (Praktikumsversuch 4)
Test und wiss. Dokumentation
Live Vorführung: Fahren Sie mit diesem neuen Sensor geregelt parallel zu einer Wand.

Hinweis: Grenzen Sie sich inhaltlich von den Projekten der Vorjahre ab.

Einleitung

Im Rahmen des Moduls GET-Fachpraktikums ist uns das Projekt „Komplexer Sensor für Lego Mindstorms EV3" zugeteilt worden. Da uns Der Lego EV3 schon aus vorherigen Praktika bekannt war, fiel uns der Umgang mit eben diesen nicht schwer.

Im weiteren Verlauf des Artikels gehen wir auf unsere Vorgehensweise ein und erklären des weiteren noch die technischen Komponenten.

Projekt

Mithilfe eines Infrarot Distanzsensor und eines Mikrocontrollers soll der zu regelnde Abstand berechnet werden und Via I2C an den Lego EV3 übermittelt werden.

Projektablaufplan

Material

In der unten stehenden Tabelle sind alle Materialien aufgezählt, die wir verwendet haben.

Anzahl	Bezeichnung	Preis	Quelle
1	Distanz-Sensoren digital, GP2K	12,50 €	Reichelt
1	Atmel AVR-RISC-Controller, Attiny 84	3,50 €	Reichelt
2	Widerstand 2,2 KΩ	0 €	Privat Vorhanden
1	Kondensator 10 µF	0 €	Privat Vorhanden
20	Steckverbinder	0 €	Privat Vorhanden
1	Breadboard	0 €	Privat Vorhanden

Projektdurchführung

Software und Bibliotheken

Zunächst haben wir damit begonnen zu recherchieren welche Adruino Softwareversion nötig ist, um einen Attiny 84 programmieren zu können. Es ist zu beachten, dass die Bibliotheken Tinywires.S und Wire.h Kompatibel sein müssen, da diese für die I2C Kommunikation unabdingbar sind. Die Adruino IDE 1.6.4 ist damit kompatibel.

Für den Lego EV3 Treiber haben wir den von Dexter Industries zur Grundlage genommen und auf unsere Bedürfnisse angepasst. Im Anschluss wurde dieser Treiber mithilfe der Lego EV3 Software übertragen.

I2C Kommunikation

Inter-Integrated Circuit kurz I2C ist als Master Slave Bussystem ausgelegt worden. Der Master, in unserem Fall fungiert der Adruino, später der Lego EV3, stellt eine Anfrage an die vorher definierte Slave Adresse.

Attiny 84 Programmieren

Das Bild auf der rechten Seite zeigt exemplarisch den Aufbau zum Programmen des Mikrocontrollers. Im ersten Schritt wird hier der Adruino als ISP (AVR ISP) programmiert. Im nächsten Schritt kann dann der Mikrocontroller, mithilfe des Adruino programmiert werden. Hierzu muss in der Adruino IDE hinterlegt werden, dass der Adruino nunmehr als ISP fungiert ( Adruino as ISP ). Um zu überprüfen, inwiefern das programmieren des Mikrocontrollers funktioniert hat, haben wir mithilfe des Mikrocontrollers eine LED blinken lassen.

Nachdem dieser Test erfolgreich gewesen ist, ist der nächste Schritt diesen für die I2C Kommunikation zu programmieren.

Im Folgendem wird der Slave Code durch Kommentare erklärt.

Im nächsten Schritt wird hier der Master Code dargestellt

Aufbau

Mess- und Regelungstechnik

Ein Proportional-Integral-Differential-Regler, kurz PID, ist der am Häufigsten eingesetzten Regler. Dieser beinhaltet die Vorteile des P, I und D Regler. Der P Anteil ist für die schnelle Reaktion verantwortlich, der I Anteil regelt die Regelabweichung aus und der D Anteil ist dafür zuständig schnell Nachzuregeln. Wegen dieser Vorteile haben wir uns bei der Konzeption der Software von Anfang an auf den PID Regler geeinigt.

Unten stehend ist die Formel für den PID Regler zu sehen.

$x_a=K_P*x_e+K_I* \int_{}^{} x_e dt+K_D* \frac{dx_e}{dt}$

Sensor und Kennlinie

Abbildung 4: Infrarot Sensor GP2YoA21YKof

Infrarotsensoren senden und empfangen Infrarotstrahlen. Die ausgesendeten Wellenlänge beträgt zwischen 1 µm und 20 µm. Anhand dieser wird eine Spannung ( wie in Abbildung (4)) zurückgegeben. Anhand des Spannungsverlaufes lassen sich Rückschlüsse auf den zu messenden Abstand gewinnen. Mithilfe einer von uns geänderten Rechnung wird aus einer Spannung ein Abstand.

 ${\displaystyle d=analogRead(readpin); val=(6762/(d-9))-4;}$

In diesem Fall gibt der Befehl analogRead die analoge Spannung aus und diese wird dann weiter verrechnet. Bauart bedingt lässt sich mit diesem Sensor lediglich ein Abstand von ca 5-80 cm messen, da vor und nach diesem Intervall die Messwerte zu ungenau werden.

Ergebnis

Das Ergebnis ist eine fertig gelötete Platine ( mit allen Bauteilen ) und einer Halterung für den Sensor. Der Sensor und der Mikrocontroller funktionieren wie erwartet. Gesetz dem Fall der Fehler in unserer I2C Kommunikation wird gefunden, so gilt das Projekt als Abgeschlossen. Denn der nächste Schritt, ist diesen mit dem EV3 zu verbinden und Parallel zur Wand fahren zu lassen.

Zusammenfassung

Zusammenfassend lässt sich nunmehr sagen, dass die Aufgabe zunächst einfacher erschien als sie tatsächlich gewesen ist. Auch wenn wir das Problem mit der Kommunikation nicht lösen konnten, so sind wir dennoch Stolz auf das Ergebnis und vor allem wie wir dahin gelangt sind. Nachdem wir die ersten Meilensteine gemeistert haben, waren wir frohen Mutes weiter zu machen. Alles in Allem empfehlen wir dieses Projekt jedem Interessierten, der gerne Mit Lego Konstruiert und sich mit Software auskennt, gerne weiter.

Lessons Learned

Viele Herausforderungen und Probleme traten erst bei der Durchführung des Projektes auf.

1. Zunächst haben wir eine gewisse Zeit gebraucht um die richtige Software und die richtigen Bibliotheken kompatibel zu machen.

2. Das Größte Problem stellte sich bei der I2C Kommunikation ein, diese hat trotz der Unterstützung der Tutoren nicht funktioniert.

Wir raten daher nachfolgenden Gruppen sich auf die I2C Kommunikation zu fokussieren.

YouTube Video

Weblinks

Projekt_32:_Komplexer_Sensor_für_Lego_Mindstorms_EV3

Literatur

Datenblatt des Infrarotsensors