Projekt 32b: Komplexer Sensor für Lego Mindstorms EV3

Autoren: Leger Paco Kamegne Kamdem, Ferry Rossini Nde

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Aufgabe

Entwickeln Sie einen komplexen Sensor für Lego Mindstorms EV3.

Schwierigkeitsgrad

Der Schwierigkeitsgrad wurde nach eigenem ermessen festgelegt und ist als Anspruchsvoll festzulegen.

	Schwierigkeitsgrad
****	Anspruchsvoll

Erwartungen an Ihre Projektlösung

Darstellung der Theorie
Realisierung des Aufbaus
Platinenlayout und Gehäuse kompatibel zum Lego Stecksystem (montierbar)
Kommunikation über I2C
Schaltungsentwurf und Simulation mit NI CD
Programmierung des Microcontrollers (z.B. Attiny)
Treiber für EV3 Lobby
Test und Dokumentation
Live Vorführung während der Abschlusspräsentation
Kür: Treiber für Matlab und Simulink

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

Einleitung

In diesem Artikel wird der Aufbau und die Programmierung eines Lego EV3 und eines Arduino UNO durchgeführt. Das Ziel des Projekt ist ein komplexer Sensor für Lego Mindstorms EV3 zu entwickeln. In den Fall ein IR-Abstandsensor (Sharp GP2Y0A41SK0F). Der Sensor soll den Abstand zwischen seinen Position und einen Hindernis messen, von Arduino ausgelesen werden, und durch I2C im EV3-Display ausgegeben werden.

Projekt

Projektziel

Die Daten des Infrarotsensors sollen vom einem Atmel ATtiny 84 (8-Bit Mikrocontroller) eingelesen und am EV3-Brick ausgegeben werden.

Abbildung 2: Zweiter Einsatz

Projektdurchführung

Projektplan

Morphologischen Kasten zur Lösungsfindung aufstellen

Der morphologische Kasten wurde für die Findung der optimalen Lösung eingesetzt. Dieser listet die eingebunden Schnittstellen tabellarisch auf und stellt sie verschiedenen Lösungsvarianten gegenüber.

Bevor wir die Verbindung mit ATtiny84 durchführen, werden wir erstmal mit Arduino Uno vorführen.

Erster Einsatz mit Arduino

Abbildung 3: Erster Einsatz

Software (Softwarearchitektur, -entwurf)

- Arduino Uno programmieren

-> Arduino Uno konfigurieren, so dass er als Slave (I2C) betrachten wird und zwar mit einer

bestimmten Programm :

Abbildung 4: Der Hauptteil des Code (Das ganze Programm steht hier ->Link auf SVN)

- EV3 programmieren

-> Ev3 konfigurieren, so dass er als Master betrachten wird und zwar mit I2C Treiber und

einem bestimmten Programm :

Abbildung 5: EV3-Programm mit neuen installierten Treiber (das ganze Programm steht hier -> Link auf SVN)

Hardware (Systemarchitektur, -entwurf)

- Aufbau

-> Prototyp

Der EV3-Brick, der Arduino UNO und der Sensor werden über die nachfolgende Pinbelegung verschaltet.

Abbildung 6: Verbindung zwischen Arduino Uno, EV3-Brick und den IR Sensor

Zweiter Einsatz mit Atmel ATtiny

Aufgrund der üppigen Bauform des Arduino Uno wird im zweiten Ansatz versucht die Bauform zu reduzieren. Hierzu wird das Arduino Board durch ein Atmel ATtiny 84 (8-Bit Mikrocontroller) auf einer selbstgefrästen Platine ersetzt. Die Programmierung von Atmel ATtiny erfolgt durch Arduino Uno. Dafür müssen wir Arduino Uno und Atmel ATtiny verbinden.

Software (Softwarearchitektur, -entwurf)

- ATtiny84 programmieren: ATiny84 wird in mehrere Schritte konfiguriert.

-> erstmal wird ATtiny84 gefläscht, mit einem bestimmten Konfiguration. Und in der Fall durch Arduino Uno programmiert.

-> als Probe haben wir ein LED blinken lassen ( das funktioniert einwandfrei).

-> ATtiny84 als Slave konfigurieren

- EV3 programmieren

-> Bei EV3 bleibt unverändert

Hardware (Systemarchitektur, -entwurf)

Aufbau

Bevor man den EV3-Brick mit ATtiny84 verbindet, sollte erstmal den ATtiny gefläscht werden. Und zwar wie folgende könnte die Schaltplan aussehen. Da haben wir 2 Dioden reingebaut, damit bei der Stromversorgung der Strom nur in eine Richtung vorkommen muss.

Abbildung 7: Verbindung zwischen EV3-Brick, Arduino Uno, ATtiny84 und den IR-Sensor

Nachdem wir alles erfolgreich gefläscht haben und das Programm in der ATtiny rübergespielt wurde, haben wir wie folgende die Pinbelegung verschaltet.

Abbildung 8:Verbindung von ATtiny84 und Arduino 42 Bots (2013): Programming ATtiny84 with Arduino Uno

Abbildung 9: Pinbelegung von ATtiny84 Atmel: ATtiny84 - Datasheet

Abbildung 10: Verbindung zwischen ATtiny84, Arduino Uno und EV3-Brick Mehr Info : Dexter Industries: Connecting the EV3 to Arduino

-> Prototyp fertig gelötet

Abbildung 11: Prototyp (ATtiny84, EV3-Anschluss und Sensor-Pin)

Sharp IR Distanzsensor GP2Y0A21YK0F

Die Firma Sharp bietet mit der GP2Y0A21YK0F Reihe einige einfach anzusteuernde Infrarotentfernungsmesser an. Dabei wird zu Bestimmung der Entfernung nicht gemessen wie viel Licht von dem Objekt reflektiert wird, sondern in welchem Winkel es reflektiert wird. Dies hat den Vorteil, dass der Sensor relativ unabhängig von der Oberfläche ist.

Funktionsprinzip

Alle Sensoren funktionieren nach demselben Prinzip: Der Emitter sendet einen Infrarotstrahl aus. Trifft der Lichtstrahl auf kein Objekt, wird er auch nicht reflektiert, der Empfänger zeigt also auch kein Objekt an. Wird das Licht jedoch an einem Objekt reflektiert, kehrt es zum Empfänger zurück und es entsteht ein Dreieck zwischen dem Reflektionspunkt, dem Emitter und dem Empfänger. Das ganze kann man sich folgendermaßen vorstellen:

Abbildung 12: Funktionsweise des IR-Sensor

Mit Hilfe des Winkels zwischen dem Auftreffenden Strahl und dem Sensor lässt sich jetzt die Entfernung des Objektes von dem Sensor bestimmen.

Abbildung 13: die Berechnung

Graphische Darstellung

Abbildung 14: Wie man sieht ist die Ausgangsspannung des Sensor nicht proportional zur Entfernung. Außerdem kann man erkennen, dass die Wert bei einer Entfernung kleiner als ungefähr 8 cm stark abfallen, sodass man diesem Bereich nicht mehr zur Entfernungsmessung benutzen kann.

bezüglich des Projekts

Der Infrarotsensor lässt sich über die 3 Leitungen (VCC, GND und Datenleitung) mit dem Arduino UNO verschalten. Da im EV3-Programm der Eingangs-Pin des Slaves mit Pin=4 definiert wurde, muss die Datenleitung des Infrarotsensors am Eingang A1 anliegen. Die Versorgungsspannung des Infrarotsensors liegt an 5V an. Die Masse entspricht der Masse des Arduino UNO.

Abbildung 15: Durchführung der Messung

Ergebnisse

Wie oben erwähnt, sollten wir zwei Einsätze durchführen.

Beim Ersten Einsatz sind wir wie folgendes eingegangen: - Den Arduino Uno als Slave konfiguriert, so dass er den Befehl ausführt. Und zwar Die Rohrwerte von dem Infrarot Sensor auslesen und durch I2C zu EV3 (Master) die Werte weiterleiten. - Den EV3 als Master sollte die Werte in cm übersetzen und ausgeben. Dafür muss den EV3 auch konfiguriert bzw. mit bestimmten I2C Treiber Programmiert werden. Denn die Kommunikation erfolgt durch I2C. Wenn diese Schritte richtig durchgeführt sind, funktionier das einwandfrei.

Zweiter Einsatz - Der ATtiny84 als Slave konfiguriert - EV3 bleibt unverändert Nach der Ausführung der Schritten kommt seltsame Werte von dem EV3 raus.

Herausforderungen

1- Aufbau : Löten Bei dem Aufbau haben wir grundsätzlich Schwierigkeiten beim Löten begegnet. Denn hatten wir beide noch nie irgendwas gelötet.

2- EV3 Programmierung : Um der EV3 als Master zu programmieren. müssten wir I2C-Treiber recherchieren und herunterladen. Den passenden zu finden war nicht einfacht. Müssten wir eine lange Internet-Recherche durchführen.

3- ATtiny84 Programmierung : Die Programmierung des ATtiny84 war herausfordernd. Denn war nicht klar ob das Programm tatsächlich in der Tiny rein war oder eher nicht. Beim Testen lieft nicht. Deshalb haben wir 2 Probe durchgeführt.

1. Probe: Wir haben ein simple Algorithm (LED blinken lassen) rein gespielt, um zu gucken, ob der Tiny überhaupt funktioniert.

-> Ergebnis: das LED-Programm funktioniert Einwandfrei.

2. Probe: Wir haben einen anderen Prozessor(Atmega 328) geholt (Empfehlung von den Tutoren). Atmega328 weil Arduino Uno das selbe besitzt.

-> Ergebnis: Das Programm (Endprogramm) funktioniert. Bei der Abstandmessung wird doppelt langsamer als mit Arduino Uno. Das liegt aber nicht an den Prozessor, sondern an den Quartz (wir haben die Schaltung wegen mangeln an Quarz, ohne den Quarz gemacht. Zusammenfassung: Das Problem liegt definitiv an der Tiny. könnte ein Hardware-Problem (1.Probe) sowie ein Software-Problem (2.Probe) sein. Wir sind aber mehr oder weniger von der Meinung, dass das ein Software-Problem ist. Weil alle einfache Programme funktioniert haben. Wenn es um I2C geht, spielt alles verruckt.

Abbildung 16: 2.Probe -> um zu prüfen, ob unfunktionalität ein Software- oder Hardware-Problem

Zusammenfassung

Lessons Learned

Wir dachten am Anfang, dass ein komplexer Sensor (IR-Sensor) für Lego Mindstorms EV3 sich gut anhört, ist aber absolut nicht der Fall. Auch wenn man statt ATtiny84 mit Arduino Uno arbeiten will, muss man schon in der Lage sein, die alle Treiber, Bibliothek und Algorithm holen bzw. programmieren zu können. Haben wir im Laufe des Projektsdurchführung viel gelernt. Von Basis des Arduino Uno bis zu I2C-Kommunikation. Müssten wir auch bei der Aufbau verschiedene praktische Anwendung, die wir während des Semesters in Vorlesungen bekommen haben. Wie z.B. löten (Produktionstechnik oder Aufbau -und Verbindungstechnik ), fräsen, Aufbau von Bauelement ( Aufbau -und Verbindungstechnik) und Arduino Uno ( Get-Fachpraktikum Termin 3). Auch Teamwork ist ein Thema, das immer wieder auftaucht. Mit diesen Zusammenarbeit haben wir bei der Entwicklung des Projektsmanagment und Teamwork mitgemacht.

Aktueller Stand

Das Einlesen und die Ausgabe der Sensorwerte auf dem EV3-Brick in Kombination mit dem Arduino funktioniert einwandfrei. Lediglich die Umsetzung des Projektes mit dem ATtiny84 weist noch Defizite aus. Die Arduino-Software für den ATtiny 84 basiert auf dem Quellcode für den Arduino. Ein Clock- und Datensignal konnte ohne angeschlossenen Verbraucher gemessen werden.