Projektarbeit Speedy Tempomessgerät - 2022

Abb. 1: Speedy das Tempomessgerät

Autoren: Justin Frommberger, Jonas Gerken
Art: Projektarbeit
Dauer: 01.08.2022 bis 28.02.2023
Betreuer: Prof. Schneider

Thema

Der Schulweg von Kindern ist nicht sehr sicher. Durch Geschwindigkeitsmessungen des ADAC vor 25 Schulen in zehn Bundesländern wurden häufig Fahrer mit zu hohen Geschwindigkeiten gemessen. Die zulässige Höchstgeschwindigkeit von 30 km/h wurde von mehr als 60 Prozent der Autofahrer überschritten. Von insgesamt 43 828 Messungen, waren 26 329 zu schnell unterwegs. Vor einer Grundschule in Hamburg wurde ein Rekordwert von 96 km/h bei vorgeschriebenen 30km/h gemessen.

Um die Autofahrer abzuschrecken, können sogenannte Tempomessgeräte helfen. Diese messen die Geschwindigkeit und zeigen diese über eine Anzeige dem vorbeifahrenden Fahrer. Zudem wird oft auch noch mit einem Smiley signalisiert, ob der Fahrer zu schnell fährt oder ob er sich an die vorgegebene Geschwindigkeit hält.

Aufgabenstellung

Messen Sie die Geschwindigkeit vorbeifahrender Fahrzeuge und visualisieren Sie den Messwert als Zahl und als Smiley.

1. Recherchieren Sie bestehende Projektlösungen.
2. Stellen Sie einen Projektplan auf.
3. Entwerfen Sie Ihr System.
4. Erstellen Sie anhand des Systementwurfs eine Kostenabschätzung und einen QV-Antrag bis 04.05.22.
5. Erstellen Sie eine Stückliste und lösen Sie die Beschaffung der Bauteile aus.
6. Nehmen Sie den RADAR-Sensor in Betrieb und messen Sie die Geschwindigkeit. Charakterisieren Sie den Sensor (Messbereich, Auflösung, Unsicherheit, Empfindlichkeit, etc.).
7. Implementieren Sie eine robuste Filterung (Objektbildung, -Verfolgung z. B. Kalman-Filter).
8. Bauen Sie das System auf.
9. Führen Sie Modul- und Systemtests durch z. B. vor der Hochschule.
10. Dokumentieren Sie Ihre Ergebnisse nach wiss. Stand.
11. Machen Sie ein tolles Videos, welches die Funktion visualisiert.
12. Live-Vorführung während der Abschlusspräsentation

Anforderungen (Lastenheft)

Tabelle 1: Lastenheft

#	Anforderung
Req 01	Das System muss die Geschwindigkeit bis 100 km/h messen und anzeigen.
Req 02	Nutzen Sie den RADAR-Sensor iSYS-4001 der Firma InnoSenT.
Req 03	Die Reichweite muss min. 50 m betragen.
Req 04	Das System muss hochleistungs-LED-Anzeige in gelb und rot verwenden und im hellen Tageslicht gut lesbar sein.
Req 05	Das System muss rot bei überhöhter Geschwindigkeit diese rot blinkend anzeigen.
Req 06	Das System soll die Geschwindigkeit mit einer Zahlenhöhe von 30 cm 2-stellig anzeigen.
Req 07	Das System muss eine Smiley-Funktion ☹ ☺ anzeigen (vgl. Abb. 1). Der Smiley muss ab einem einstellbaren Geschwindigkeitsschwellwert umgeschaltet werden.
Req 08	Die Anzeige soll im Hochformat dem Format (84x63x18) cm entsprechen.
Req 09	Das System soll wetterfest sein.
Req 10	Kür: Das System erstellt bei Geschwindigkeitsüberschreitung ein "Blitzerfoto" (vgl. Abb. 2), welches ein Beweisbild inkl. Maximalgeschwindigkeit, Datum und Uhrzeit speichert.

Abb. 2: Blitzerfoto

Anforderungen (Pflichtenheft)

Tabelle 2: Pflichtenheft

#	Anforderung
nFA1	Die LEDs sollen über einen Microcontroller gesteuert werden.
nFA2	Die Geschwindigkeit soll mit C++ programmiert werden.
nFA3	Es muss ein Radarsensor verwendet werden.
nFA4	Die Geschwindigkeit soll nach 1 Sekunde angezeigt werden.
nFA5	Die Geschwindigkeit muss in km/h angezeigt werden.

Anforderungen an die Projektarbeit

• Wissenschaftliche Vorgehensweise (Projektplan, etc.), nützlicher Artikel: Gantt Diagramm erstellen
• Zweiwöchentlicher Fortschrittsberichte (informativ)
• Projektvorstellung im Wiki
• Studentische Arbeiten bei Prof. Schneider
• Anforderungen an eine wissenschaftlich Arbeit

Projektplan

Abb. 3: Projektplan

• Optimierung der Hardware Software Kommunikation

BOM

Eine Stückliste (Bill of Material, BOM), welche die einzelnen Komponenten auflisten, die für die Realisierung des Projekts notwendig werden, wurde erstellt.

Pos.	Anz.	Bezeichnung	Artikelnummer
1	1	Arduino UNO	Gegeben
2	1	5 Meter RGB LED-Steifen WS2812B(60LEDs/Meter)	LT5050RGBIC593605005IP20 bei ledtech-shop.de
3	1	Radarsensor IsYs 4001	2191-80.00000191-ND bei digykey.com
4	1	M12 8 poliger Stecker	123-1064 bei RS-online.de
5	1	RS232 Sub-D Stecker(zum Löten)	Gegeben
6	1	Netzteil 5V 4A	MW GST25E05 bei reichelt.de
7	2	2m Datenkabel	Gegeben
8	1	Wiederstand 220 Ohm	Gegeben
9	1	Plexiglasscheibe 500mm x 500mm x 2mm	AXT-020-TRAEVO050050 bei expresszuschnitt.de
10	2	MDF-Platten 1500mm x 1500mm x 11mm	Gegeben
11	1	InnoSenT Kabel für Sensor ISyS 4001	über Anfrage an InnoSenT erhalten

Funktionaler Systementwurf / Technischer Systementwurf

Komponentenspezifikation

Komponente	Beschreibung	Abbildung
Radarsensor iSyS 4001	Messbereich: 0 bis 250km/h Messentfernung: 0 bis 150 m Signal: Digital, PWM(Velocity), PWM(range)	Radarsensor
Arduino UNO	Microcontroller 14 digitale I/O Pins 6 analoge Eingänge	Arduino Uno Board
LED-Streifen	RGB LEDs(Rot, Grün, Blau) 256 Helligkeitsstufen maxV: 5V Arbeitsstrom: 2880mA pro Meter	WS2812B
LED-Dimmer	Dimmung der LEDs Wände: Trennung der LED-Segmente	LED Abdeckung
LED-Wände	Lichtschutz	LED Abdeckung
LED-Ecken-Lichtschutz	7-Segment Ecken abdecken	LED Abdeckung

Komponententest

Tabelle 1: Testbericht für den Einzelkomponententest

ID	Testfallbeschreibung	Erwartetes Ergebnis	Testergebnis	Testperson	Datum
1	LED-Stripe auf Funktion überprüfen.	Wenn LEDs blau leuchten funktionieren die einzelnen RGB LEDs.	OK	Justin Frommberger	3.08.2022
2	Sensor auf Funktion überprüfen	Sensor gibt Werte in GUI an	OK	Jonas Gerken	10.10.2022

Tabelle 2: Testbericht für den Gesamtkomponetenbereich

ID	Testfallbeschreibung	Testergebnis	Begründung	Testperson	Datum
1	2 LED-Seven Segments	OK	Mit zwei Senkrechten und 3 Waagerechten LED Streifen je Seven-Segment wurde das erreicht.	Justin Frommberger, Jonas Gerken	14.09.2022
2	Stromversorgung der LEDs über Netzteil(5V/20A)	OK	Stromversorgung ist über ein Kabel an dem Netzteil möglich.	Justin Frommberger, Jonas Gerken	10.10.2022
3	Stromversorgung des Radarsensors über Netzteil(5V/4A)	OK	An Arduino Power Supply angeschlossen und über angelötete Kabel am Sensor angeschlossen.	Justin Frommberger, Jonas Gerken	10.10.2022

Ergebnis

Fast alle Anforderungen des Projektes konnten erfüllt werden. Wir unterschätzten, dass die LED‘s eine Menge an Strom benötigen (aktueller Stand 10A), so mussten wir bei unserem Projekt LED‘s einsparen und beschlossen das Smiley Gesicht nicht einzubauen. Um trotzdem die gewünschte Aufgabe zu erfüllen, überlegten wir uns, dass wir die nicht überschrittene Geschwindigkeit Grün anzeigen lassen.
Die zu hohe Geschwindigkeit stellen wir in roter Farbe dar. Zudem haben wir uns für ein kleineres Format des Schildes entschieden, um unser Projekt besser transportieren zu können. Auch haben wir uns gegen einen Schriftzug vom km/h entschieden, um die Zahlen möglichst groß und sichtbar für die Fahrer zu gestalten. Leider haben wir festgestellt, dass der vorhandene Radarsensor Isys 4001 eine Störung hat und keine konstanten Werte zurückliefert, dieses führt bei der Anzeige zu ungenauen Werten. Alle anderen oben aufgelisteten Anforderungen konnten wir erfüllen.

Zusammenfassung

Lessons Learned

Das Team hat die folgenden Kompetenzen erlernt:

• Projektplanung und Zeitmanagement
• CAD Konstruktion für 3D Druck
• 3D Druck
• Löten
• Ansteuerung von WS2812 LEDs
• Bau eines Kabels

Besondere Herausforderungen

Die erste Herausforderung bei unserem Projekt „Speed-Tempomessgerät“, stellte sich direkt am Anfang bei der Materialbeschaffung. Das Problem war es, das alle Materialien, die für das Projekt benötigt werden zu beschaffen. Wir stellten fest, dass bei dem vorhandenen Radarsensor der Hochschule das Kabel zur Strom- und Datenversorgung fehlte. Weil das Kabel kein Standardkabel war, informierten wir uns bei dem Hersteller des Sensors wie das Kabel aufgebaut ist und ließen uns das dazugehörige Datenblatt schicken. Um das Kabel selbst anzufertigen, bestellten wir dafür einen RS232 Sub-D Stecker und einen M12 8 poligen Stecker. Das Herstellen des Kabels konnte nach langem ausprobieren und telefonischem Austausch mit der Herstellerfirma nicht abgeschlossen werden. Folgend fragten wir die Firma, ob sie uns ein Kabel zuschicken könnten. Freundlicherweise ließen sie uns ein Kabel kostenlos zukommen, um unser Problem zu lösen.

Die nächste Herausforderung war es, herauszufinden, wie groß die Netzteile seien müssen, um unser komplettes Projekt mit Strom zu versorgen. So recherchierten wir in den Datenblättern des Sensors und der RGBs, wie groß die Netzteile sein müssen. Später stellte sich heraus beim Anschließen der RGB-Kette, dass die LED‘s viel mehr Strom in Reihenschaltung benötigten als wir berechnet hatten (über 20A). Folgend beschlossen wir unsere Schaltung um zulöten, wir setzten die Stromversorgung mittig und teilten diese in 4 Reihenschaltungen auf. Wir verringerten den benötigten Stromverbrauch auf ungefähr 10A. Zusätzlich verzichteten wir auf weitere RGBs für das Smiley, um Strom zu sparen und ein transportables Netzteil nutzen zu können. Eine weitere Herausforderung im Projekt war die Ansteuerung der einzelnen RBGs, da diese teilweise zusammengeschaltet sind und beim Ansteuern einer RBG zwei Stück eingeschaltet werden. Nach mehrfachen neu Löten konnte der Fehler nicht gefunden werden. Daraufhin haben wir uns eine neue Schaltung (Abb.8) entwickelt, mit der wir unsere Schaltung umsetzen konnten.

Projektunterlagen

Link zu dem SVN Ordner des Projekt: SVN: RADAR Tempomessgerät.

Link zum Sensor Datenblatt: Datenblatt.

Weblinks

• Geschwindigkeitsmessgeräte

Erklärung zum GUI des Sensors: https://www.digikey.de/en/pdf/i/innosent/gui-interface

Modulhandbuch (Interaktionstechnik und Design)

• Modulhandbuch

Literatur

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