AlphaBot: MATLAB als serieller Monitor

Abb. 1: MATLAB^® als serieller Monitor

Autor: Prof. Dr.-Ing. Schneider
Modul: Praxismodul I
Lehrveranstaltung: Mechatronik, Informatik Praktikum 2, 2. Semester

Inhalt

• Nutzung von MATLAB^® als seriellen Monitor.
• Inbetriebnahme des AlphaBot
• Einbindung der Bibliotheken für den AlphaBot
• Auslesen eine Potentiometers
• Ansteuern einer RGB-LED
• Statische und dynamische Messung mit dem Ultraschallsensor
• Anwendung rekursiver Filter auf Echtzeitdaten

Lernziele

Nach Durchführung dieser Lektion können Sie

• Debug-Daten speichern und via MATLAB^® visualisieren.
• direkt MATLAB^® als seriellen Monitor nutzen.
• den AlphaBot sicher in Betrieb nehmen, das Potentiometer auslesen und eine RGB-LED ansteuern.
• Entfernungen mit dem Ultraschall-Sensor messen.
• Messwerte in Echtzeit filtern.

Versuchsdurchführung

Aufgabe 3.1: MATLAB^® als serieller Monitor

1. Nutzen Sie MATLAB^® um die Messdaten direkt (live) darzustellen.
2. Starten Sie als Datenquelle messeEntfernung.ino aus Aufgabe 1.2.
3. Greifen Sie hierzu auf die serielle Schnittstelle zu während der Arduino Daten sendet.
4. Nutzen Sie das Demo DemoDebug2MATLAB.m im SVN.
5. Kopieren Sie das Beispiel in Ihren Ordner und erweitern Sie es.

Nützlich MATLAB^®-Befehle: fopen, feof, fgetl, strfind, isempty, plot, xlabel, ylabel, legend

Arbeitsergebnisse in SVN: seriellerMonitor.m

Tipp 1  Nutzen Sie das Demo DemoDebug2MATLAB und passen Sie dieses an.

Tipp 2  # Behandeln Sie readline(src) für Header und Daten getrennt.

1. Lesen Sie den Header ein und speichern Sie diesen in src.UserData.stXLabel, src.UserData.stYLabel.
2. Trennen Sie die Daten am Semikolon mit split(stText,";").
3. Initialisieren Sie den Plot einmalig und füllen Sie die neuen Daten mit set.
4. Sichern Sie die Daten einmalig mit save in Messdaten.mat.

Musterlösung 

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Aufgabe 3.2: Inbetriebnahme des AlphaBot

1. Arbeiten Sie sich anhand des Wiki-Artikels in den AlphaBot ein. Beachten Sie besonders die Ausrichtung der Akkus. ACHTUNG BRANDGEFAHR!
2. Binden Sie die AlphaBot Bibliothek nach Anleitung in die Arduino IDE ein.
3. Machen Sie sich mit dem Demo E23_RGB_LED.ino vertraut, so dass Sie jede Zeile erläutern können.
4. Kopieren Sie das Beispiel in Ihren Ordner und erweitern Sie es.
5. Am Analogport A0 ist das Potentiometer des Erweiterungsborts angeschlossen. Nutzen Sie das Potentiometer, um die Blinkfrequenz der RGB-LED im Bereich 0 s..1 s zu verändern.
6. Stellen Sie den Wert des Potentiometers an A0 in MATLAB^® live dar.

Lernzielkontrollfragen:

• Wie funktioniert eine RGB-LED?
• Welches sind die Parameter des HSV-Farbraums?
• Wie stellt man bei einer RGB-LED die Farbe ein?
• Wie bekommt man eine RGB-LED zum Blinken?
• Wie funktioniert ein Potentiometer?
• Wie liest man die Stellung eines Potentiometers aus?

Arbeitsergebnisse: steuereRGBLED.ino, zeigePotiWert.m

Tipp 1 

• Nutzen Sie das Demos E23 und E34 und fassen Sie diese zusammen.
• Nutzen Sie Ihr Programm seriellerMonitor.m, um die Daten anzuzeigen.

Hilfreiche Links:

• Wikipedia: RGB-LED
• Wikipedia: HSV-Farbraum
• Wikipedia: Potentiometer
• SVN: E23_RGB_LED
• SVN: E34_lesePoti

Tipp 2 

• Messen Sie den Arbeitsbereich des Potis aus.
• Nutzen Sie den map-Befehl und skalieren Sie die Poti-Werte auf die Helligheit 0..1.

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Aufgabe 3.3: AlphaBot Ultraschall

1. Machen Sie sich mit dem Demo E05_Ultraschall_Entfernungsmessung.ino vertraut, so dass Sie jede Zeile erläutern können.
2. Kopieren Sie das Beispiel in Ihren Ordner und erweitern Sie es.
3. Lesen Sie die Messwerte des Ultraschallsensors aus.
4. Stellen Sie den Wert des Ultraschallsensors in MATLAB^® live dar.

Lernzielkontrollfragen:

• An welchen Pins sind Trigger und Echo angeschlossen? Wie lässt sich das anpassen?

Arbeitsergebnisse in SVN: messeUltraschall.ino, zeigeUltraschall.m

Tipp 1  Nutzen Sie das Demo E05 sowie Ihre Skripte seriellerMonitor.m und leseArduinoDaten.m. Hilfreiche Links:

SVN: E05_Ultraschall_Entfernungsmessung

Beachten Sie bitte die Jumper A-G. Dieser verbinden die Sensoren und Aktoren mit dem Arduino. Die Multisensorerweiterung nutzt ggf. dieselben IO-Anschlüsse. Für diese Aufgabe können Sie bei Doppeltbelegung die Multisensorerweiterung abziehen und vorsichtig zur Seite legen. Wenn der serielle Monitor offen ist, kann der Arduino Uno nicht mit der Arduino IDE 2.0.4 programmiert werden. Schließen Sie zum Hochladen den Monitor.

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Aufgabe 3.4: Glättung der Ultraschallmessung

1. Nutzen Sie Ihre Ergebnisse aus Aufgabe 2.3, um die Messwerte in Echtzeit zu glätten.
2. Vergleichen Sie die Ergebnisse des Tiefpasses mit denen des gleitenden Mittelwertfilters in einem Plot mit Achsenbeschriftung und Legende.

Arbeitsergebnisse in SVN: messeUltraschall.ino, filtereUltraschall.m

Lernzielkontrollfragen:

1. Wurde das Signalrauschen geglättet?
2. Ist das gefilterte Signal verzögert?
3. Welchen Einfluss haben die Filterparameter?
4. Wie verhalten sich die gefilterten Signal bei Ausreißern?

Tipp 1  Nutzen Sie Ihre Funktionen GleitendesMittelwertFilter.m und TiefpassFilter.m.

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Aufgabe 3.5: Nachhaltige Doku

Sichern Sie alle Ergebnisse mit beschreibendem Text (message) in SVN.

• Halten Sie die Regeln für den Umgang mit SVN ein.
• Halten Sie die Programmierrichtlinie für C und die Programmierrichtlinien für MATLAB^® ein.
• Versehen Sie jedes Programm mit einem Header (Header Beispiel für MATLAB, Header Beispiel für C).
• Kommentiere Sie den Quelltext umfangreich.

Arbeitsergebnis in SVN: SVN Log

Tutorials

• Erste Schritte mit dem AlphaBot
• Erste Schritte mit der Arduino IDE
• HSHL-Wiki: Ultraschallsensor HC-SR04

Demos

• SVN: DemoDebug2MATLAB
• SVN: E05_Ultraschall_Entfernungsmessung
• SVN: E23_RGB_LED
• SVN: E34_lesePoti

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