Arduino: Ultraschallsensor entstören: Unterschied zwischen den Versionen

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[[Kategorie:Arduino]]
[[Kategorie:Arduino]]
[[Datei:Lernset - Einsteiger Kit für Arduino.jpg|thumb|rigth|450px|Abb. 1: Lernset - Einsteiger Kit für Arduino]]
[[Datei:Inf1P L12.jpg|thumb|rigth|450px|Abb. 1: Glättung der zufälligen Sensorfehler]]
'''Autor:''' [[Benutzer:Ulrich_Schneider| Prof. Dr.-Ing. Schneider]]<br>
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'''Modul:''' Praxismodul I<br>
|-
'''Lehrveranstaltung:''' Mechatronik, Informatikpraktikum 1, 1. Semester, Wintersemester
| '''Autor:''' || [[Benutzer:Ulrich_Schneider| Prof. Dr.-Ing. Schneider]]
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| '''Modul:''' || Praxismodul I
|-
| '''Lektion 12:''' || Mechatronik, Informatikpraktikum, 1. Semester, Wintersemester
|}


== Inhalt ==
== Inhalt ==
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== Lernzielkontrolle ==
== Lernzielkontrolle ==
# Wie bestimmt man die Größe eines Arrays?
# Welchen Messbereich hat Ihr Ultraschallsensor?
# Wie installiert man in der Arduino IDE eine neuen Bibliothek?
# Welche Auflösung (t, s) hat Ihr Sensor?
# Wie nutzt man die Bibliothek <code>ArduinoSort</code>, um ein Array auszugeben und zu sortieren?
# Welche Empfindlichkeit hat Ihr Sensor?
# Was ist ein Median-Filter? Wie wird der Median berechnet?
# Welche Messunsicherheit hat Ihr Sensor bei den Entfernungen 10 cm, 20 cm, 50 cm, 1 m, 2 m, 3 m und 4 m.
# Was ist in C ein Zeiger und wie wird er verwendet?
# Was ist ein gleitendes Mittelwertfilter? Wie wird es berechnet?
# Was ist ein rekursives Tiefpassfilter? Wie wird es berechnet?
# Wurde der Quelltext durch Header und Kommentare aufgewertet?
# Wurde der Quelltext durch Header und Kommentare aufgewertet?
# Wurden jedes Programm mittels PAP geplant?
# Wurden jedes Programm mittels PAP geplant?
# Wurde auf <code>magic numbers</code> verzichtet?
# Wurde auf <code>magic numbers</code> verzichtet?
# Wurde die [[Medium:Programmierrichtlinie.pdf|Programmierrichtlinie]] eingehalten?
# Wurde die [[Medium:Programmierrichtlinie.pdf|Programmierrichtlinie]] eingehalten?
== Tutorials ==
* [https://docs.arduino.cc/software/ide-v2/tutorials/ide-v2-serial-plotter Arduino: Using the Serial Plotter Tool]
* [[Ultraschallsensor_HC-SR04| HSHL-Wiki: Ultraschallsensor HC-SR04]]
* [https://funduino.de/nr-10-entfernung-messen Funduino: Entfernungen mit einem HC-SR04 Ultraschallsensor am Arduino messen]




== Demos ==
* [https://svn.hshl.de/svn/Informatikpraktikum_1/trunk/Arduino/ArduinoLibOrdner/ArduinoUnoR3/examples/DemoGleitenderMittelwert/DemoGleitenderMittelwert.ino SVN: DemoGleitenderMittelwert.ino]
* [https://svn.hshl.de/svn/Informatikpraktikum_1/trunk/Arduino/ArduinoLibOrdner/ArduinoUnoR3/examples/DemoTiefpassFilter/DemoTiefpassFilter.ino SVN: DemoTiefpassFilter.ino]
== Vorbereitung ==
== Vorbereitung ==
Bereiten Sie sich anhand der nachfolgenden Aufgaben auf den Praktikumstermin vor.
Bereiten Sie sich anhand der nachfolgenden Aufgaben auf den Praktikumstermin vor.
# Legen Sie ein Array an und bestimmen Sie dessen Größe. Nutzen Sie das [https://svn.hshl.de/svn/Informatikpraktikum_1/trunk/Demos/Arduino/DemoSizeOfArray/DemoSizeOfArray.ino DemoSizeOfArray.ino].
# Bereiten Sie Anhand der [[Arduino:_Ultraschallsensor_entstören#Tutorials|Tutorials]] und [[Arduino:_Ultraschallsensor_entstören#Demos|Demos]]  Aufgabe 11.1 vor.
# Installieren Sie die Bibliothek [https://svn.hshl.de/svn/Informatikpraktikum_1/trunk/Arduino/ArduinoLibOrdner/ArduinoSort-master.zip <code>ArduinoSort-master.zip</code>]. [https://docs.arduino.cc/software/ide-v1/tutorials/installing-libraries Hier] finden Sie die Anleitung.
# Schreiben und testen Sie die Funktion <code>GleitendesMittelwertFilter()</code>.
# Machen Sie sich mit dem <code>DemoSortiereArray</code> vertraut.
# Schreiben und testen Sie die Funktion <code>TiefpasstFilter()</code>.
# Geben Sie mit ein Array im seriellen Monitor aus. Machen Sie sich mit der [https://www.c-howto.de/tutorial/zeiger/ Funktion von Zeigern] in C vertraut.
# Planen Sie alle Programme mit PAP.
# Recherchieren Sie [https://lerneprogrammieren.com/call-by-value-und-call-by-reference-bei-der-parameteruebergabe/ hier] die Bezeichnungen "call by value" und "call by reference".
# Sortieren Sie ein Array mit zufälligen Zahlen. Versuchen Sie das Demo [https://svn.hshl.de/svn/Informatikpraktikum_1/trunk/Demos/Arduino/DemoSortiereArray/DemoSortiereArray.ino DemoSortiereArray.ino] nachzuvollziehen.
# Schauen Sie sich die Videos zum Median Filter sowie das dazugehörige [https://svn.hshl.de/svn/Informatikpraktikum_1/trunk/Demos/Arduino/DemoMedianFilter/DemoMedianFilter.ino DemoMedianFilter] an.
 
'''Arbeitsergebnisse''' in SVN: <code>Lernzielkontrolle_Termin_06.pdf</code>
<!--
# Installieren Sie die [https://www.arduino.cc/reference/en/libraries/quicksortlib/ QuickSort Bibliothek]. Nutzen Sie die [https://docs.arduino.cc/software/ide-v1/tutorials/installing-libraries Anleitung zur Installation von Bibliotheken].
# Sortieren Sie die 5 Zufallswerte nach Größe z.&thinsp;B. <code>2,2,4,1,2</code> wird zu <code>1,2,2,2,4</code>. Nutzen Sie hierfür die Funktionen aus <code>DemoSortiereArray.ino</code>.
-->
<!--
[[Datei:Batterie-Tester.jpg |thumb|rigth|300px|Abb. 2: Batterie-Tester]]
# Studieren Sie das [https://docs.arduino.cc/software/ide-v2/tutorials/ide-v2-serial-plotter Using the Serial Plotter Tool]  und nutzen Sie das Demo [https://svn.hshl.de/svn/Informatikpraktikum_1/trunk/Demos/Arduino/DemoSharpIR/DemoSharpIR.ino DemoSharpIR.ino], um Daten im Seriellen Plotter auszugeben.
# Recherchieren Sie die Funktion des Sensors anhand von Fachliteratur und des [[Medium:GP2Y0A41SK0F.pdf|Datenblatts]] oder [[Sharp_GP2Y0A41SK0F|Wiki-Artikels]].
# Bauen Sie die Schaltungen zur Auswertung der Sensoren auf.
# Nutzen Sie die Abbildung auf Seite 4 des [[Medium:GP2Y0A41SK0F.pdf|Datenblatts]], um eine Tabelle Spannung/Distanz aufzustellen (vgl. Tab. 1).
# Machen Sie sich mit der Funktion der analogen Eingänge vertraut: [https://www.arduino.cc/reference/en/language/functions/analog-io/analogread/ Arduino Referenz: <code>analogRead()</code> ]. Messen Sie gemäß Abb. 2 die Spannung einen AA Batterie in V. (Hinweis: KEINE 9-V-BLOCK nutzen! Spannung von mehr als 5&thinsp;V können den '''Arduino zerstören'''.)
# Nutzen Sie die [https://www.arduino.cc/reference/en/language/functions/analog-io/analogread/ Arduino Referenz: <code>analogRead()</code> ] und erweitern Sie Ihre Tabelle um die Spalte Digitalwert <code>D1</code> (vgl. Tab. 1).
# Planen Sie die Software via PAP.
# Beantworten Sie die Lernzielkontrollfragen.
# Sichern Sie Ihre Unterlagen in SVN.
<div class="mw-collapsible mw-collapsed">


'''Musterlösung:''' für den Batterie-Tester
'''Arbeitsergebnisse''' in SVN: <code>PAP, charakterisiereUltraschaschallsensor.ino, USMessung.txt, charakterisiereUltraschallSensor.m, Lernzielkontrolle_Termin_11.pdf, GleitendesMittelwertFilter(), TiefpasstFilter()</code>
<source line lang="C" style="font-size:small">const unsigned long BAUD_RATE_u32 = 9600;
const unsigned int AUFLOESUNG_u16 = 1023; //2^10-1
const float ARDUINO_SPANNUNG_f32  = 5.0;
 
void setup() {
  Serial.begin(BAUD_RATE);
}
 
void loop() {
  unsigned int Digitalwert_u16 = analogRead(A0); // Quantisierung der Apannung am Analogen Eingang A0
  Serial.print(ARDUINO_SPANNUNG_f32 * AUFLOESUNG_u16/Digitalwert_u16); // Umrechnung Digitalwert in V
  Serial.println("V");
</source>
</div>
{| class="wikitable"
|+ style = "text-align: left"|Tabelle 1: Kennlinie des IR-Distanzsensors
|-
| '''Spannung <code>U1</code> in V'''|| '''Distanz <code>d</code> in cm'''|| '''Digitalwert <code>D1</code>'''
|-
| 3|| 3,6 || 614
|-
| 2.02|| 6 || 413
|-
| 0.82|| 16 || 168
|-
| ..|| .. || ..
|-
|}
'''Tipps:'''
* Nutzen Sie Werte über den gesamten Wertebereich [0.2&thinsp;V .. 3.2&thinsp;V].
* Sie können die Werte auch durch reale Messungen auf ein statisches Ziel ermitteln.
* Umrechnungsformel: <math>D_1 = U_1\cdot \frac{1023}{5\,V}</math>
<iframe key="panopto" path="/Panopto/Pages/Embed.aspx?id=98958e23-9c36-48cf-b912-af3c00601ce1&autoplay=false&offerviewer=true&showtitle=true&showbrand=true&captions=false&interactivity=all" height="405" width="720" style="border: 1px solid #464646;" allowfullscreen allow="autoplay"></iframe>
-->


== Versuchsdurchführung ==
== Versuchsdurchführung ==
=== Aufgabe 11.1: Lernzielkontrolle ===
=== Aufgabe 12.1: Charakterisierung des Ultraschallsensors ===
Präsentieren Sie Prof. Schneider das Ergebnis der Lernzielkontrolle.
* Schreiben Sie die Funktion <code>float messeUltraschallAbstand()</code>, 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 <code>Ultraschallmessung.txt</code> auf. Nutzen Sie hierzu <code>Putty</code>.
* Laden und visualisieren Sie die Messdaten in <code>Ultraschallmessung.txt</code>  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.
* Dokumentieren Sie Ihre Ergebnisse <code>Lernzielkontrolle_Termin_12.pdf</code>


'''Arbeitsergebnisse''' in SVN: <code>Lernzielkontrolle_Termin_06.pdf</code>
'''Nützlich MATLAB®-Befehle:''' plot, xlabel, ylabel, legend, disp


=== Aufgabe 11.2: Messwertanalyse ===
'''Arbeitsergebnisse''' in SVN: <code>charakterisiereUltraschaschallsensor.ino, USMessung.txt, charakterisiereUltraschallSensor.m, Lernzielkontrolle_Termin_11.pdf</code>
# Messen Sie die Zeit in Millisekunden (ms) mit dem Befehl <code>millis()</code>
----
# Geben Sie die Zeit und Messdaten im seriellen Monitor mit 115200&thinsp;Baud aus (z.&thinsp;B. <code>Zeit in ms : Entfernung in cm</code>  1 : 5).
=== Aufgabe 12.2: Statische Messunsicherheit ===
# Analysieren Sie die Messdaten. Was fällt Ihnen auf?
# Lesen Sie die Messwerte des Ultraschall-Sensors auf statische Ziele im gesamten Messbereich aus (10 cm, 20 cm, 50 cm, 1 m, 2 m, 3 m, 4 m). Schreiben Sie hierzu ein Arduino-Programm <code>statische Messunsicherheit.ino</code>. Jeder Messsatz sollte >100 Messwerte umfassen.
# Diskutieren Sie das Ergebnis mit Prof. Schneider.
# Nutzen Sie das Programm <code>Putty</code>, um die Daten der seriellen Schnittstelle in der ASCII-Datei <code>Ultraschallmessung.txt</code> zu speichern.
# Wie lässt sich der Fehler beheben?
# Schreiben Sie einmalig als Header die Bezeichnung der Messwerte Zeit in ms und Strecke in cm in die Textdatei.
# Laden und visualisieren Sie die Messdaten in Ultraschallmessung.txt mit MATLAB®.
# Stellen Sie die Messdaten in einem Diagramm in cm über der Zeit dar.
# Berechnen Sie Mittelwert und Standardabweichung und stellen Sie diese dar,
# Beschriften Sie die Graphen.


'''Nützliche Befehle''': <code>millis(), Serial.begin(), Serial.println(), analogRead()</code>
'''Nützlich MATLAB®-Befehle:''' <code>mean, std, xline</code>


'''Arbeitsergebnisse''' in SVN: <code>zeigeIRMesswerte.ino</code>
'''Arbeitsergebnisse''' in SVN: <code>statische Messunsicherheit.ino, Ultraschallmessung.txt, zeigeUltraschallMessung.m</code>
----
=== Aufgabe 12.3: Gleitendes Mittelwertfilter ===
Ein gleitendes Mittlwertfilter bildet einen Mittelwert über k Messwerte mittels FIFO.
# Schreiben Sie die Funktion <code>GleitendesMittelwertFilter()</code>, welches die Eingangswerte zyklisch filtert. Hier bei wird der Mittelwert über die letzten k Messwerte gebildet.
# Testen Sie Ihre Funktion mit Ultraschallmesswerten mit statischen Zielen.
# Visualisieren Sie Messwerte und Filterergebnis im seriellen Plotter.
# Testen Sie Ihre Funktion mit Ultraschallmesswerten mit dynamischen Zielen.
# Wählen Sie k anhand der Messwerte und diskutieren Sie Ihre Wahl mit Prof. Schneider.


<div class="mw-collapsible mw-collapsed">
'''Arbeitsergebnisse''' in SVN: <code>testeGleitendesMittelwert.ino</code>


'''Demos:'''
'''Hinweis:'''
* [https://svn.hshl.de/svn/Informatikpraktikum_1/trunk/Demos/Arduino/DemoSharpIR/DemoSharpIR.ino DemoSharpIR.ino]
* Nutzen Sie das FIFO aus Aufgabe 6.4.
* [https://svn.hshl.de/svn/Informatikpraktikum_1/trunk/Demos/Arduino/DemoLookupTableIR/DemoLookupTableIR.ino DemoLookupTableIR.ino
* Die Formel für das gleitende Mittelwertfilter lautet: <math>\bar{x}(k)=\frac{x(1)+x(2)+\ldots+x(k)}{k}</math> für k Messwerte
]
[[Datei:Inf1P L6 Messwerte.jpg|thumb|left|450px|Abb. 2: Ausgabe der Entfernungswerte im seriellen Monitor]]
<iframe key="panopto" path="/Panopto/Pages/Embed.aspx?id=98958e23-9c36-48cf-b912-af3c00601ce1&autoplay=false&offerviewer=true&showtitle=true&showbrand=true&captions=false&interactivity=all" height="405" width="720" style="border: 1px solid #464646;" allowfullscreen allow="autoplay"></iframe>
</div>
 
=== Aufgabe 11.3: IR Sensorcharakterisierung ===
# 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''': <code>analogRead(), Serial.println()</code>
 
'''Arbeitsergebnisse''' in SVN: <code>IR_Sensorcharakterisierung.pdf</code>
<div class="mw-collapsible mw-collapsed">
<div class="mw-collapsible mw-collapsed">


'''Tipps:'''
Eine Einführung zu rekursiven Filtern finden Sie in folgendem Video.<br>
'''Messbereich:''' Sie messen auf ein Ziel in verschiedenen Distanzen und zeichnen auf x die Referenz und auf y die Anzeige Ihres Systems.
* Gleitendes Mittelwertfilter: 19&thinsp;m 52&thinsp;s
Minimalbeispiel:
* Tiefpassfilter: 29&thinsp;m
{| class="wikitable"
<iframe key="panopto" path="/Panopto/Pages/Viewer.aspx?id=fce4a806-dcbf-4e92-b10d-ac69013d7cb1&autoplay=false&offerviewer=true&showtitle=true&showbrand=true&captions=false&interactivity=all" height="405" width="720" style="border: 1px solid #464646;" allowfullscreen allow="autoplay"></iframe>
|-
| '''WW/cm'''|| '''MW/cm'''
|-
| 3|| 3,2
|-
| 10|| 9,7
|-
| 15|| 14,9
|-
| 20|| 20,1
|-
| 80|| 79,0
|-
|}
Mit der Abweichung von einer Ursprungsgraden können wir im Gespräch die Güte bewerten. Gibt es beispielsweise einen Offset oder driften die Werte auseinander?
 
'''Auflösung:''' [https://de.wikipedia.org/wiki/Aufl%C3%B6sung_(Messtechnik)]
* Welche Auswirkung hat D=700 zu D=699 auf die Ausgangsgröße d?
* Tragen Sie diese Werte gegeneinander auf ergibt sich eine Kurve.
* Im Nachbereich haben wir eine Auflösung von weniger als 1 mm und bei 70 cm Entfernung macht ein Inkrement 3 cm aus. Die Kurve beschreibt alle Zwischengrößen.
* Erkenntnis: Mit der Entfernung sinkt die Auflösung und somit steigt die Messunsicherheit.
Minimalbeispiel:
{| class="wikitable"
|-
| '''<math>a_D</math>'''|| '''<math>a_d</math>/cm'''
|-
| 700 - 699|| 0,02
|-
| 699 - 698|| 0,02
|-
| ..|| ..
|-
| 21-20|| 2,5
|-
|}


'''Empfindlichkeit:''' [https://de.wikipedia.org/wiki/Empfindlichkeit_(Technik)]
* Hier setzen Sie <math>E = \frac{\Delta d}{\Delta U}</math> ins Verhältnis.
* Das sind die partiellen Ableitungen (Steigung) der [[Sharp_GP2Y0A41SK0F|Kennlinie]] in Abb. 8.


'''Demo:''' [https://svn.hshl.de/svn/Informatikpraktikum_1/trunk/Demos/Arduino/DemoGleitenderMittelwert SVN: DemoGleitenderMittelwert]
</div>
</div>
----
=== Aufgabe 12.4: Rekursives Tiefpassfilter ===
Ein rekursives Filter kann Messwerte in Echtzeit während der Laufzeit filtern. Nutzen Sie ein Tiefpassfilter, um die Messwerte zu filtern.
# Schreiben Sie die Funktion <code>TiefpassFilter()</code>, welches die Eingangswerte zyklisch filtert. Hier bei wird der Tiefpass berechnet.
# Testen Sie Ihre Funktion mit Ultraschallmesswerten mit statischen Zielen.
# Visualisieren Sie Messwerte und Filterergebnis im seriellen Plotter.
# Testen Sie Ihre Funktion mit Ultraschallmesswerten mit dynamischen Zielen.
# Wählen Sie <math>\alpha</math> anhand der Messwerte und diskutieren Sie Ihre Wahl mit Prof. Schneider.


=== Aufgabe 11.4: Median-Filter ===
'''Arbeitsergebnisse''' in SVN: <code>testeTiefpassFilter.ino</code>
# Ausreißer lassen sich gut mit einem Median-Filter entfernen. Ein Beispielvideo finden Sie in diesem [[Sharp_GP2Y0A41SK0F#Median-Filter_f%C3%BCr_die_St%C3%B6rungen|Artikel]].
# Schreiben Sie die Funktion <code>int MedianFilter(int Messwert_s16)</code>. Diese Funktion soll über einen statischen 5 Werte Ringspeicher ([https://de.wikipedia.org/wiki/First_In_%E2%80%93_First_Out first in first out, FIFO]) verfügen. Der erste Wert wird gelöscht, die nachfolgenden Werte rutschen einen auf und der neue Messwert (</code>Messwert_s32</code>) nimmt Platz 5 ein.
# Sortieren Sie die 5 Werte nach Größe z.&thinsp;B. <code>2,2,4,1,2</code> wird zu <code>1,2,2,2,4</code>. Nutzen Sie hierfür die Funktionen aus <code>DemoSortiereArray</code>
# Geben Sie als Rückgabewert die Mitte des Arrays <code>SortiertesArray[3]</code> zurück.
# Testen Sie die Funktion Ihrer Funktion mit Zufallszahlen im <code>void loop()</code>


'''Nützliche Befehle''': <code>random(), Serial.println(), analogRead(), LookupTable(), analogRead()</code>
'''Hinweis:'''
 
* Die Formel für das Tiefpassfilter lautet: <math>\bar{x}(k)=\alpha \cdot \bar{x}(k-1)+ (1-\alpha)\cdot x(k)</math> für den aktuellen Messwert <math>x(k)</math>.
'''Arbeitsergebnisse''' in SVN: <code>testeMedianFilter.ino</code>
* <math>\alpha</math> ist hierbei ein Filterparameter <math>0<\alpha<1</math>.
<div class="mw-collapsible mw-collapsed">
<div class="mw-collapsible mw-collapsed">


'''Lösungsansatz:''' [[Sharp_GP2Y0A41SK0F#Median-Filter_f%C3%BCr_die_St%C3%B6rungen| Median-Filter für die Störung]]
'''Demo:''' [https://svn.hshl.de/svn/Informatikpraktikum_1/trunk/Demos/Arduino/DemoTiefpassFilter/DemoTiefpassFilter.ino SVN: DemoTiefpassFilter.ino]
{{#ev:youtube|https://youtu.be/6Nn4JlWXW0g | 720 | | Median - einfach erklärt - Lehrerschmidt |frame}}
 
Ein '''Demo''' für die Implementierung eines Median-Filters finden Sie in [https://svn.hshl.de/svn/Informatikpraktikum_1/trunk/Demos/Arduino/DemoMedianFilter/DemoMedianFilter.ino SVN].<br>
 
<iframe key="panopto" path="/Panopto/Pages/Embed.aspx?id=9a191917-b30a-4c06-a62c-af4300a369d4&autoplay=false&offerviewer=true&showtitle=true&showbrand=true&captions=false&interactivity=all" height="405" width="720" style="border: 1px solid #464646;" allowfullscreen allow="autoplay"></iframe>
</div>
</div>
 
----
=== Aufgabe 11.5: Ergebnisbewertung und Nachhaltige Doku ===
=== Aufgabe 12.5: Dynamische Messunsicherheit ===
# Zeigen Sie das ungefilterte und das Median-gefilterte Signal im seriellen Plotter an.
* Zeigen Sie das ungefilterte und das Tiefpass-gefilterte Signal in MATLAB<sup>®</sup> an. Messen Sie auf ein Ziel im gesamten Messbereich (2 cm - 4 m - 2 cm). 
# Wurden die Messfehler entfernt?
* Wurde das Signalrauschen geglättet?
# Sichern Sie alle Ergebnisse mit beschreibendem Text (<code>message</code>) in SVN.
* Sichern Sie alle Ergebnisse mit beschreibendem Text (<code>message</code>) in SVN.
* Wurden die Regeln für den Umgang mit SVN eingehalten?
* Wurden die Regeln für den Umgang mit SVN eingehalten?
* Wurde die [[Medium:Programmierrichtlinie.pdf|Programmierrichtlinie]]  eingehalten?
* Wurde die [[Medium:Programmierrichtlinie.pdf|Programmierrichtlinie]]  eingehalten?
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* Wurden die PAPs erstellt und abgelegt? Passen die PAPs 100% zum Programm?
* Wurden die PAPs erstellt und abgelegt? Passen die PAPs 100% zum Programm?


'''Arbeitsergebnis''' in SVN: <code>SVN Log</code>, <code>IRMedianFilter.ino</code>, <code>Ergebnisbewertung.pdf</code>
'''Arbeitsergebnis''' in SVN: <code>SVN Log</code>, <code>USTiefpassFilter.ino</code>, <code>Ergebnisbewertung.pdf</code>


== Bewertung ==
{| class="wikitable"
|-
| '''Aufgabe'''|| '''Punkte'''
|-
| 11.1|| 2
|-
| 11.2|| 2
|-
| 11.3|| 2
|-
| 11.4|| 2
|-
| 11.5|| 2
|-
|}


== Tutorials ==
* [https://docs.arduino.cc/software/ide-v2/tutorials/ide-v2-serial-plotter Arduino: Using the Serial Plotter Tool]
* [https://www.arduino.cc/reference/en/language/functions/analog-io/analogread/ Arduino Referenz: <code>analogRead()</code>]
* [https://docs.arduino.cc/software/ide-v2/tutorials/ide-v2-installing-a-library Installation einer Bibliothek IDE v2.0.1]
* [https://docs.arduino.cc/software/ide-v1/tutorials/installing-libraries Installation einer Bibliothek via Zip-Datei]
* [[Sharp_GP2Y0A41SK0F| Wiki: SHARP IR Abstandsensor]]
=== Tutorial: Lookup Table ===
<iframe key="panopto" path="/Panopto/Pages/Embed.aspx?id=98958e23-9c36-48cf-b912-af3c00601ce1&autoplay=false&offerviewer=true&showtitle=true&showbrand=true&captions=false&interactivity=all" height="405" width="720" style="border: 1px solid #464646;" allowfullscreen allow="autoplay"></iframe>


=== Tutorial: Lookup Table programmieren ===
<!--
<iframe key="panopto" path="/Panopto/Pages/Embed.aspx?id=3b45bf84-7d4e-49e5-bc0c-af4600ef47ee&autoplay=false&offerviewer=true&showtitle=true&showbrand=true&captions=false&interactivity=all" height="405" width="720" style="border: 1px solid #464646;" allowfullscreen allow="autoplay"></iframe>
 
 
== Demos ==
* [https://svn.hshl.de/svn/Informatikpraktikum_1/trunk/Demos/Arduino/DemoSharpIR/DemoSharpIR.ino DemoSharpIR.ino]
* [https://svn.hshl.de/svn/Informatikpraktikum_1/trunk/Demos/Arduino/DemoSharpIR/DemoSharpIR.ino DemoSharpIR.ino]
* [https://svn.hshl.de/svn/Informatikpraktikum_1/trunk/Demos/Arduino/DemoLookupTable/DemoLookupTable.ino DemoLookupTable.ino]
* [https://svn.hshl.de/svn/Informatikpraktikum_1/trunk/Demos/Arduino/DemoLookupTable/DemoLookupTable.ino DemoLookupTable.ino]
Zeile 249: Zeile 144:
* [https://svn.hshl.de/svn/Informatikpraktikum_1/trunk/Demos/Arduino/DemoSortiereArray/DemoSortiereArray.ino DemoSortiereArray.ino]
* [https://svn.hshl.de/svn/Informatikpraktikum_1/trunk/Demos/Arduino/DemoSortiereArray/DemoSortiereArray.ino DemoSortiereArray.ino]
* [https://svn.hshl.de/svn/Informatikpraktikum_1/trunk/Demos/Arduino/DemoMedianFilter/DemoMedianFilter.ino DemoMedianFilter]
* [https://svn.hshl.de/svn/Informatikpraktikum_1/trunk/Demos/Arduino/DemoMedianFilter/DemoMedianFilter.ino DemoMedianFilter]
-->


== Literatur ==
== Literatur ==
Zeile 255: Zeile 151:
# Snieders, R.: ''ARDUINO lernen''. Nordhorn: 8. Auflage 2022. URL: [https://funduino.de/vorwort https://funduino.de/vorwort]
# Snieders, R.: ''ARDUINO lernen''. Nordhorn: 8. Auflage 2022. URL: [https://funduino.de/vorwort https://funduino.de/vorwort]
# Schneider, U.: ''Programmierrichtlinie für für die Erstellung von Software in C.'' Lippstadt: 1. Auflage 2022. [[Medium:Programmierrichtlinie.pdf|PDF-Dokument (212&thinsp;kb)]]
# Schneider, U.: ''Programmierrichtlinie für für die Erstellung von Software in C.'' Lippstadt: 1. Auflage 2022. [[Medium:Programmierrichtlinie.pdf|PDF-Dokument (212&thinsp;kb)]]
# Sharp: ''GP2Y0A41SK0F''. URL: [https://de.farnell.com/sharp/gp2y0a41sk0f/distanzmesssensor/dp/1618431]. [[Medium:GP2Y0A41SK0F.pdf|Datenblatt (858&thinsp;kb)]]
 
 


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→ zurück zum Hauptartikel: [[Arduino_Praxiseinstieg|Arduino Praxiseinstieg]]
→ Termine [[Einführungsveranstaltung Informatikpraktikum 1|0]] [[Einarbeitung_in_die_Versionsverwaltung_SVN|1]] [[Einstieg_in_die_Welt_des_Arduino|2]]  [[Arduino: Taster auswerten und LEDs ansteuern|3]] [[Arduino:_Sensoren_einlesen|4]]  [[Arduino:_Infrarotsensor_einlesen|5]] [[Arduino:_Infrarotsensor_entstören|6]] [[Arduino:_Programmier-Challenge_I_WS_23/24|7]] [[Arduino:_IR-Theremin|8]] [[Arduino:_Aktoren|9]] [[Arduino:_LCD_Display_mit_I2C_Schnittstelle|10]] [[Arduino:_Ultraschall_Entfernungsmessung|11]] [[Arduino:_Ultraschallsensor_entstören|12]] [[Arduino:_Temperaturmessung_mit_NTC_und_PTC|13]] [[Arduino:_Programmier-Challenge_II_WS_23/24|14]]<br>
→ zurück zum Hauptartikel: [[Arduino_Praxiseinstieg_WS_23/24|Arduino Praxiseinstieg]]

Aktuelle Version vom 11. Dezember 2023, 11:27 Uhr

Abb. 1: Glättung der zufälligen Sensorfehler
Autor: Prof. Dr.-Ing. Schneider
Modul: Praxismodul I
Lektion 12: Mechatronik, Informatikpraktikum, 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

  1. Welchen Messbereich hat Ihr Ultraschallsensor?
  2. Welche Auflösung (t, s) hat Ihr Sensor?
  3. Welche Empfindlichkeit hat Ihr Sensor?
  4. Welche Messunsicherheit hat Ihr Sensor bei den Entfernungen 10 cm, 20 cm, 50 cm, 1 m, 2 m, 3 m und 4 m.
  5. Was ist ein gleitendes Mittelwertfilter? Wie wird es berechnet?
  6. Was ist ein rekursives Tiefpassfilter? Wie wird es berechnet?
  7. Wurde der Quelltext durch Header und Kommentare aufgewertet?
  8. Wurden jedes Programm mittels PAP geplant?
  9. Wurde auf magic numbers verzichtet?
  10. Wurde die Programmierrichtlinie eingehalten?

Tutorials


Demos

Vorbereitung

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

  1. Bereiten Sie Anhand der Tutorials und Demos Aufgabe 11.1 vor.
  2. Schreiben und testen Sie die Funktion GleitendesMittelwertFilter().
  3. Schreiben und testen Sie die Funktion TiefpasstFilter().
  4. Planen Sie alle Programme mit PAP.

Arbeitsergebnisse in SVN: PAP, charakterisiereUltraschaschallsensor.ino, USMessung.txt, charakterisiereUltraschallSensor.m, Lernzielkontrolle_Termin_11.pdf, GleitendesMittelwertFilter(), TiefpasstFilter()

Versuchsdurchführung

Aufgabe 12.1: 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.
  • Dokumentieren Sie Ihre Ergebnisse Lernzielkontrolle_Termin_12.pdf

Nützlich MATLAB®-Befehle: plot, xlabel, ylabel, legend, disp

Arbeitsergebnisse in SVN: charakterisiereUltraschaschallsensor.ino, USMessung.txt, charakterisiereUltraschallSensor.m, Lernzielkontrolle_Termin_11.pdf

Aufgabe 12.2: Statische Messunsicherheit

  1. Lesen Sie die Messwerte des Ultraschall-Sensors auf statische Ziele im gesamten Messbereich aus (10 cm, 20 cm, 50 cm, 1 m, 2 m, 3 m, 4 m). Schreiben Sie hierzu ein Arduino-Programm statische Messunsicherheit.ino. Jeder Messsatz sollte >100 Messwerte umfassen.
  2. Nutzen Sie das Programm Putty, um die Daten der seriellen Schnittstelle in der ASCII-Datei Ultraschallmessung.txt zu speichern.
  3. Schreiben Sie einmalig als Header die Bezeichnung der Messwerte Zeit in ms und Strecke in cm in die Textdatei.
  4. Laden und visualisieren Sie die Messdaten in Ultraschallmessung.txt mit MATLAB®.
  5. Stellen Sie die Messdaten in einem Diagramm in cm über der Zeit dar.
  6. Berechnen Sie Mittelwert und Standardabweichung und stellen Sie diese dar,
  7. Beschriften Sie die Graphen.

Nützlich MATLAB®-Befehle: mean, std, xline

Arbeitsergebnisse in SVN: statische Messunsicherheit.ino, Ultraschallmessung.txt, zeigeUltraschallMessung.m

Aufgabe 12.3: Gleitendes Mittelwertfilter

Ein gleitendes Mittlwertfilter bildet einen Mittelwert über k Messwerte mittels FIFO.

  1. Schreiben Sie die Funktion GleitendesMittelwertFilter(), welches die Eingangswerte zyklisch filtert. Hier bei wird der Mittelwert über die letzten k Messwerte gebildet.
  2. Testen Sie Ihre Funktion mit Ultraschallmesswerten mit statischen Zielen.
  3. Visualisieren Sie Messwerte und Filterergebnis im seriellen Plotter.
  4. Testen Sie Ihre Funktion mit Ultraschallmesswerten mit dynamischen Zielen.
  5. Wählen Sie k anhand der Messwerte und diskutieren Sie Ihre Wahl mit Prof. Schneider.

Arbeitsergebnisse in SVN: testeGleitendesMittelwert.ino

Hinweis:

  • Nutzen Sie das FIFO aus Aufgabe 6.4.
  • Die Formel für das gleitende Mittelwertfilter lautet: für k Messwerte

Eine Einführung zu rekursiven Filtern finden Sie in folgendem Video.

  • Gleitendes Mittelwertfilter: 19 m 52 s
  • Tiefpassfilter: 29 m


Demo: SVN: DemoGleitenderMittelwert

Aufgabe 12.4: Rekursives Tiefpassfilter

Ein rekursives Filter kann Messwerte in Echtzeit während der Laufzeit filtern. Nutzen Sie ein Tiefpassfilter, um die Messwerte zu filtern.

  1. Schreiben Sie die Funktion TiefpassFilter(), welches die Eingangswerte zyklisch filtert. Hier bei wird der Tiefpass berechnet.
  2. Testen Sie Ihre Funktion mit Ultraschallmesswerten mit statischen Zielen.
  3. Visualisieren Sie Messwerte und Filterergebnis im seriellen Plotter.
  4. Testen Sie Ihre Funktion mit Ultraschallmesswerten mit dynamischen Zielen.
  5. Wählen Sie anhand der Messwerte und diskutieren Sie Ihre Wahl mit Prof. Schneider.

Arbeitsergebnisse in SVN: testeTiefpassFilter.ino

Hinweis:

  • Die Formel für das Tiefpassfilter lautet: für den aktuellen Messwert .
  • ist hierbei ein Filterparameter .

Demo: SVN: DemoTiefpassFilter.ino

Aufgabe 12.5: Dynamische Messunsicherheit

  • Zeigen Sie das ungefilterte und das Tiefpass-gefilterte Signal in MATLAB® an. Messen Sie auf ein Ziel im gesamten Messbereich (2 cm - 4 m - 2 cm). 
  • Wurde das Signalrauschen geglättet?
  • 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, USTiefpassFilter.ino, Ergebnisbewertung.pdf



Literatur

  1. Brühlmann, T.: Arduino Praxiseinstieg. Heidelberg: mitp, 4. Auflage 2019. ISBN 978-3-7475-0056-9. URL: HSHL-Bib, O'Reilly-URL
  2. Brühlmann, T.: Sensoren im Einsatz mit Arduino. Frechen: mitp Verlag, 1. Auflage 2017. ISBN: 9783958451520. URL: HSHL-Bib, O'Reilly
  3. Snieders, R.: ARDUINO lernen. Nordhorn: 8. Auflage 2022. URL: https://funduino.de/vorwort
  4. Schneider, U.: Programmierrichtlinie für für die Erstellung von Software in C. Lippstadt: 1. Auflage 2022. PDF-Dokument (212 kb)


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