Arduino: Ultraschallsensor entstören

Autor: Prof. Dr.-Ing. Schneider
Modul: Praxismodul I
Lehrveranstaltung: Mechatronik, Informatikpraktikum 1, 1. Semester, Wintersemester

Inhalt

Statische und dynamische Messung
Kennlinienuntersuchung und Filterung
Programmierung und Anwendung eines gleitenden Mittelwertfilters
Programmierung und Anwendung eines gleitenden Tiefpassfilters

Lernziele

Nach Durchführung dieser Lektion

können Sie die zufällige Sensorfehler erkennen und behandeln.
können die Messwerte vergleichend anzeigen und bewerten.
können Sie die Messwerte charakterisieren.
können Sie ein gleitendes Mittelwertfilters erläutern und anwenden.
können Sie ein Tiefpassfilter erläutern und anwenden.

Lernzielkontrolle

Wie bestimmt man die Größe eines Arrays?
Wie installiert man in der Arduino IDE eine neuen Bibliothek?
Wie nutzt man die Bibliothek ArduinoSort, um ein Array auszugeben und zu sortieren?
Was ist ein Median-Filter? Wie wird der Median berechnet?
Was ist in C ein Zeiger und wie wird er verwendet?
Wurde der Quelltext durch Header und Kommentare aufgewertet?
Wurden jedes Programm mittels PAP geplant?
Wurde auf magic numbers verzichtet?
Wurde die Programmierrichtlinie eingehalten?

Vorbereitung

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

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.
Machen Sie sich mit dem DemoSortiereArray vertraut.
Geben Sie mit ein Array im seriellen Monitor aus. Machen Sie sich mit der Funktion von Zeigern in C vertraut.
Recherchieren Sie hier die Bezeichnungen "call by value" und "call by reference".
Sortieren Sie ein Array mit zufälligen Zahlen. Versuchen Sie das Demo DemoSortiereArray.ino nachzuvollziehen.
Schauen Sie sich die Videos zum Median Filter sowie das dazugehörige DemoMedianFilter an.

Arbeitsergebnisse in SVN: Lernzielkontrolle_Termin_06.pdf

Versuchsdurchführung

Aufgabe 11.1: Charakterisierung des Ultraschallsensors

Schreiben Sie die Funktion float messeUltraschallAbstand(), welche eine Messung mit dem Ultraschallsensor durchführt und die Strecke in cm zurück gibt.
Zeichnen Sie die den Zeitstempel in s, die Signallaufzeit t in s und berechnete Entfernung s in cm in der Datei Ultraschallmessung.txt auf. Nutzen Sie hierzu Putty.
Laden und visualisieren Sie die Messdaten in Ultraschallmessung.txt mit MATLAB®.
Stellen Sie in MATLAB® Entfernung s über der Laufzeit t dar. Beschriften Sie den Graphen.
Bestimmen Sie messtechnisch die Empfindlichkeit E, die Auflösung von t und die daraus resultierende Auflösung von s.

Arbeitsergebnisse in SVN: charakterisiereUltraschaschallsensor.ino, USMessung.txt, charakterisiereUltraschallSensor.m

Aufgabe 11.2: Statische Messunsicherheit

Messen Sie die Zeit in Millisekunden (ms) mit dem Befehl millis()
Geben Sie die Zeit und Messdaten im seriellen Monitor mit 115200 Baud aus (z. B. Zeit in ms : Entfernung in cm 1 : 5).
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

Aufgabe 11.3: Gleitendes Mittelwertfilter

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

Aufgabe 11.4: Tiefpass-Filter

Ausreißer lassen sich gut mit einem Median-Filter entfernen. Ein Beispielvideo finden Sie in diesem Artikel.
Schreiben Sie die Funktion int MedianFilter(int Messwert_s16). 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

Lösungsansatz: Median-Filter für die Störung

Median - einfach erklärt - Lehrerschmidt

Ein Demo für die Implementierung eines Median-Filters finden Sie in SVN.

Aufgabe 11.5: Ergebnisbewertung und Nachhaltige Doku

Zeigen 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
11.1	2
11.2	2
11.3	2
11.4	2
11.5	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: [1]. Datenblatt (858 kb)

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