Sensorgesteuerte Mülleimer Öffnung: Unterschied zwischen den Versionen
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Der Servomotor kann erfolgreich über das Arduino Uno R3 Board betrieben werden. Damit der Motor genug Spannung erhält musste eine externe Spannungsversorgung über ein Netzteil bereit gestellt werden. Wird das Signal zum öffnen an den Motor ausgegeben stellt dieser den geforderten Winkel ein. In Abbildung 11 ist der geschlossene und in Abbildung 12 der geöffnete Servomotor zu sehen. | Der Servomotor kann erfolgreich über das Arduino Uno R3 Board betrieben werden. Damit der Motor genug Spannung erhält musste eine externe Spannungsversorgung über ein Netzteil bereit gestellt werden. Wird das Signal zum öffnen an den Motor ausgegeben stellt, dieser den geforderten Winkel ein. In Abbildung 11 ist der geschlossene und in Abbildung 12 der geöffnete Servomotor zu sehen. | ||
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Der | Der Ultraschallsensor kann problemlos über das Arduino Uno R3 Board betrieben werden. Zwei Pins dienen der Spannungsversorgung und der Ground-Verbindung. Die restlichen der 4 PINs werden zu Messung benötigt. Wie in dem Kapitel Komponentenspezifikation beschrieben wird ein Trigger-Pin zur Ultraschallwellen Aussendung benötigt und der Echo-Pin zum empfangen der Wellen. In der Abbildung 13 ist der angeschlossene Ultraschallsensor zu sehen. Die Abbildung 14 zeigt die aufgenommenen Messsignale über Simulink. In der oberen Messdarstellung ist das ungefilterte Signal des Sensors zu sehen. Dort wird deutlich das eine Filterung des Eingangssignals notwendig ist, damit die Öffnung des Mülleimer zuverlässig funktioniert. In der Darstellung darunter ist das gefilterte Signal zu sehen. Deutlich wird die Glättung des Signals, da keine extremen Peaks des Sensors mehr zu sehen sind. Aus diesem Grund reagiert die Simulink Schaltung zur Öffnung zuverlässiger. | ||
[[Datei:Ultraschallsensor Mülleimer.jpg|200px|thumb|zentriert|Abb. 13: Ultraschallsensor Mülleimer]] | [[Datei:Ultraschallsensor Mülleimer.jpg|200px|thumb|zentriert|Abb. 13: Ultraschallsensor Mülleimer]] | ||
Version vom 4. Januar 2024, 17:23 Uhr
Autor: Ken Hilz & Denim Hilz
Betreuer: Prof. Göbel & Prof. Schneider
Einleitung
Das "Angewandte Elektrotechnik" Fachpraktikum des Masterstudiengangs "Business and Systems Engineering (BSE)" enthält neben den vier Praktikumsversuchen ein Projekt in Eigenarbeit. Dieses Projekt wird in Gruppen durchgeführt. In der Gruppe "BSE_4“ ist die Projektidee eines sich selbst öffnenden Mülleimers entstanden.
Dieser soll mithilfe eines Ultraschallsensors erkennen, wenn sich eine Person unmittelbar davor befindet, sodass der Deckel automatisch geöffnet wird.
Anforderungen
Tabelle 1: Testbare, atomare Anforderungen
| ID | Beschreibung | Bereich | Autor | Datum | Status |
|---|---|---|---|---|---|
| 1 | Arduino wird als Hardware verwendet. | Hardware | Ken Hilz & Denim Hilz | 05.10.2023 | Offen |
| 2 | Die Komponenten (Mülleimer, Ultraschallsensor und Servomotor) werden benötigt. | Hardware | Ken Hilz & Denim Hilz | 05.10.2023 | Offen |
| 3 | Die Elektronik muss im Mülleimer unterhalb des Müllbehälters integriert werden. | Hardware | Ken Hilz & Denim Hilz | 05.10.2023 | Offen |
| 4 | Die Stromversorgung wird über eine 9V Batterie bereitgestellt. | Hardware | Ken Hilz & Denim Hilz | 05.10.2023 | Offen |
| 5 | Der Algorithmus muss in MATLAB Simulink entwickelt werden. | Software | Ken Hilz & Denim Hilz | 05.10.2023 | Offen |
| 6 | Der Sensor erkennt den Gegenstand bis 30cm Entfernung. | Software | Ken Hilz & Denim Hilz | 05.10.2023 | Offen |
| 7 | Solange der Sensor einen Gegenstand wahrnimmt leuchtet, für den Nutzer sichtbar, eine LED Lampe. | Software | Ken Hilz & Denim Hilz | 05.10.2023 | Offen |
| 8 | Befindet sich ein Gegenstand 30cm oder näher vor dem Mülleimer wird der Servomotor direkt angesteuert. | Software | Ken Hilz & Denim Hilz | 05.10.2023 | Offen |
| 9 | Der Servomotor öffnet die Einwurfklappe in einem Winkel von maximal 60 Grad direkt nach dem Signal des Sensors. | Software | Ken Hilz & Denim Hilz | 05.10.2023 | Offen |
| 10 | Registriert der Sensor keine Bewegung mehr innerhalb von 30cm Entfernung für eine Dauer von 5 Sekunden, wird der Servomotor angesteuert. | Software | Ken Hilz & Denim Hilz | 05.10.2023 | Offen |
| 11 | Der Servomotor schließt die Einwurfklappe direkt nach dem Signal des Sensors. | Software | Ken Hilz & Denim Hilz | 05.10.2023 | Offen |
Bill of materials (BOM)
Tabelle 2: BOM
Funktionaler Systementwurf/Technischer Systementwurf
Funktionaler Systementwurf
Der folgende Abschnitt zeigt die geplante Umsetzung der angestrebten späteren Funktion des Projekts.
Abbildung 1 zeigt den Auf- und Einbau der Hardware. Dabei ist zu sehen wie der Mülleimer umgebaut werden soll, um den Deckel sensorgesteuert öffnen zu können. Es kann auch entnommen werden, wo die Komponenten für den späteren Umbau im und am Mülleimer platziert werden sollen.
Abbildung 2 und Abbildung 3 zeigen die Modellierung des Senorgehäuses in CAD. Das Gehäuse wird mit Hilfe der Zeichnung aus einer Plastikplatte ausgesägt und anschließend gebogen. Die Maße des Gehäuses lassen sich aus Abbildung 3 entnehmen.
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Abb. 2: CAD Modell Sensorgehäuse
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Abb. 3: Technische Zeichnung Sensorgehäuse
Technischer Systementwurf
In diesem Abschnitt wird die geplante technische Umsetzung der Hard- und Software aufgezeigt.
Der Mülleimer soll über eine Schaltung geregelt werden (vgl. Abbildung 4). Dabei dient der Ultraschallsensor als Eingangssignal. Sobald dieser in der vorgegeben Entfernung (vgl. Abschnitt Anforderungen) ein Objekt erkennt, wird ein Signal an den Arduino weitergegeben. Dieser verarbeitet die Eingabe entsprechend seiner aufgespielten Software und gibt die erforderlichen Signale an die LEDs und den Motor weiter. Je nach Eingangssignal, wird der Arduino dann die rote oder grüne LED und den Servomotor entsprechend zum Deckel öffnen oder schließen ansteuern.
Die Verkabelung der Elektronik kann Abbildung 5 entnommen werden, beispielhaft in Fritzing auf einem Breadboard aufgebaut. Die Umsetzung der Schaltung auf dem Breadboard anhand des Verkabelung Plans ist in Abbildung 6 zu sehen.
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Abb. 5: Verkabelungsplan Fritzing
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Abb. 6: Breadboard-Aufbau
Komponentenspezifikation
In diesem Kapitel werden die benötigten Komponenten für die Umsetzung des Projekts beschrieben. In der obigen Liste BOM sind alle verwendeten Kaufteile aufgelistet.
Hardware Board:
Für die Umsetzung wurde ein Arduino Uno R3 Hardwareboard benötigt.
Sensor:
Damit der Mülleimer ab einer bestimmten Entfernung des Objekts automatisch öffnet, wurde ein Ultraschall Sensor (Ultrasonic Sensor HC SR 04) verwendet. Dieser Sensor besitzt zwei Hauptkomponenten. Zum einen den Ultraschallsender (Trigger-Pin), der die Ultraschall Wellen aussendet und zum anderen den Ultraschallempfänger (Echo-Pin), der die zurückgeworfenen Wellen auffängt. Dieser Sensor kann in einem Bereich von 2cm bis zu 4 Metern eingesetzt werden und misst dabei auf 3mm genau. Da die Anforderung für die Entfernung zur Öffnung des Mülleimers 30cm beträgt, wurde dieser Sensor ausgewählt, da der Wert im angegebenen Bereich des Sensors liegt.
Motor:
Um den Deckel des Mülleimers zuverlässig öffnen zu können, wurde ein Servo Motor mit hohem Drehmoment beschafft. Dieser weist bei einer Betriebsspannung von 5V eine Kraft von 18 kg/cm auf. Mit diesem Motor kann der Mülleimerdeckel problemlos geöffnet werden. Der Motor wird durch das Signal vom Arduino auf 15Grad eingestellt. In Simulink erfolgt dies mit der Verstärkung 20. Da der Motor maximal 270Grad stellen kann erhält man 270/360=0,75. Dies wird mit 20 multipliziert und ergibt 15Grad. Das führt dazu das der Mülleimerdeckel (der Anforderung 9) entsprechend geöffnet wird.
Benutzerfeedback:
Damit die Person vor dem Mülleimer auch sieht, ob der Sensor die Person erkannt hat, befinden sich am oberen Rand zwei LEDs. Ein grüne, die leuchtet, sobald der Sensor ein Objekt erkannt hat und eine rote LED, sobald sich das Objekt außerhalb der definierten Entfernung befindet.
Umsetzung (HW/SW)
Hardware Umsetzung
Der Mülleimer stellt unsere Hauptkomponente dar, in welcher die Elektronik und die Komponenten für die automatische Funktion untergebracht ist. Der Arduino, die Kabel und die Schaltung sind dabei unter dem Müllbehälter im Mülleimer verstaut. Für die LEDs, eine rote und eine grüne, welche vorne unterhalb des Deckels sitzen, wurden zwei Löcher gebohrt. So können die Kabel innen am Mülleimer verlaufen. Das Fußpedal des Mülleimers wurde entfernt und durch ein Gehäuse aus Plastik ersetzt. Dieses beinhaltet den Ultraschallsensor. Für den Servomotor muss voraussichtlich eine zusätzliche Bodenplatte installiert werden, auf welcher dieser befestigt ist. An dem Motor ist die Umlenkstange montiert, über welche der Deckel geöffnet und geschlossen werden kann. Die vorhandene Substanz "Mülleimer" wurde somit in seiner grundsätzlichen Funktion nicht verändert, lediglich durch den Einbau einer Steuerung automatisiert. Abbildung 7 zeigt den Prototypen des Sensorgehäuses aus Pappe gefertigt. Der Abbildung 8 kann die Position des Servomotors im Mülleimer und der Öffnungsmechanismus entnommen werden.
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Abb. 7: Sensorgehäuse Prototyp
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Abb. 8: Motorposition im Mülleimer
Software Umsetzung
In der folgenden Abbildung 9 ist die Software-Umsetzung mittels Simulink zu sehen.
Zu sehen ist, dass der Sensor als Eingangssignal für den Arduino fungiert. Die Eingänge für den Trigger- und Echo-PIN sind die digitalen PINs 3 und 2. Dieses Signal wird über einen Moving Average (Gleitender Mittelwert) Block geführt, sodass dieses geglättet wird, um etwaige Peaks herauszufiltern und ungewollte Öffnungen zu verhindern. Anschließend wird das Signal mit einem Wert von 0,3 verglichen, dieser Wert stellt die Entfernung von 30cm ein. Wird der Wert unterschritten wird ein Signal an die grüne LED (PIN 5) rausgegeben und über einen Moving Average (dieser dient dem langsameren Öffnen des Deckels) an den Motor (PIN 8) weitergegeben. Der Deckel wird nun geöffnet. Sobald der Sensor nichts mehr registriert, wird das Signal auf die rote LED (PIN 6) herausgegeben. Der Deckel schließt nicht direkt, sondern zeitverzögert. Die notwendige Programm-Schleife ist in der unteren Abbildung 10 zu sehen.
Startpunkt des Stateflow Charts ist der geschlossene Motor bei dem "Close OutputState = 0" Block. Erhält dieser nun ein Signal (InputState == 1) wird der Deckel geöffnet und der Arduino wechselt in den Block "Open OutputState = 1". Ändert sich nun das Eingangssignal von 1 auf 0 geht der Arduino in die „ReadytoClose“ Phase. In dieser verweilt er 5 Sekunden bevor der Deckel geschlossen wird. Registriert der Sensor innerhalb dieser Verweildauer ein Signal, startet die "ReadytoClose" Phase erneut.
Die Entfernung und die Zeit bis zum Schließen des Deckels wird in den jeweiligen Blöcken angegeben.
Komponententest
Die Komponenten, die getestet werden mussten, sind:
● Der Servomotor
● Der Ultraschallsensor
● Die rote und grüne LED
Servomotor:
Der Servomotor kann erfolgreich über das Arduino Uno R3 Board betrieben werden. Damit der Motor genug Spannung erhält musste eine externe Spannungsversorgung über ein Netzteil bereit gestellt werden. Wird das Signal zum öffnen an den Motor ausgegeben stellt, dieser den geforderten Winkel ein. In Abbildung 11 ist der geschlossene und in Abbildung 12 der geöffnete Servomotor zu sehen.
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Abb. 11: Servomotor geschlossen
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Abb. 12: Servomotor geöffnet
Ultraschallsensor:
Der Ultraschallsensor kann problemlos über das Arduino Uno R3 Board betrieben werden. Zwei Pins dienen der Spannungsversorgung und der Ground-Verbindung. Die restlichen der 4 PINs werden zu Messung benötigt. Wie in dem Kapitel Komponentenspezifikation beschrieben wird ein Trigger-Pin zur Ultraschallwellen Aussendung benötigt und der Echo-Pin zum empfangen der Wellen. In der Abbildung 13 ist der angeschlossene Ultraschallsensor zu sehen. Die Abbildung 14 zeigt die aufgenommenen Messsignale über Simulink. In der oberen Messdarstellung ist das ungefilterte Signal des Sensors zu sehen. Dort wird deutlich das eine Filterung des Eingangssignals notwendig ist, damit die Öffnung des Mülleimer zuverlässig funktioniert. In der Darstellung darunter ist das gefilterte Signal zu sehen. Deutlich wird die Glättung des Signals, da keine extremen Peaks des Sensors mehr zu sehen sind. Aus diesem Grund reagiert die Simulink Schaltung zur Öffnung zuverlässiger.
Benutzerfeedback über LED:
Damit der Benutzer sieht, ob der Sensor ihn registriert hat sollen zwei LEDs verbaut werden. Die rote LED leuchtet solange kein Objekt registriert wird. Erkennt der Sensor ein Objekt, schaltet sich die rote LED aus und die grüne LED leuchtet solange der Sensor ein Objekt registriert. Die LEDs wurden für den Komponententest auf einem Breadboard aufgebaut und über die digitalen Pins des Arduino angesteuert. In den folgenden Abbildungen 15 und 16 sind die beiden LEDs zu sehen.
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Abb. 15: Rote LED
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Abb. 16: Grüne LED
Ergebnis
In der folgenden Abschnitt werden in Tabelle 3 und in dem Link die Ergebnisse des Projekts aufgelistet. Dazu werden die Anforderungen überprüft inwieweit diese umgesetzt werden konnten und ob das Projekt das Ziel erreicht hat den Mülleimerdeckel sensorgesteuert öffnen zu können.
Tabelle 3: Getestete Anforderungen
| ID | Beschreibung | Bereich | Autor | Überprüft am | Status |
|---|---|---|---|---|---|
| 1 | Arduino wird als Hardware verwendet. | Hardware | Ken Hilz & Denim Hilz | 25.10.2023 | Erfolgreich |
| 2 | Die Komponenten (Mülleimer, Ultraschallsensor und Servomotor) werden benötigt. | Hardware | Ken Hilz & Denim Hilz | 25.10.2023 | Erfolgreich |
| 3 | Die Elektronik muss im Mülleimer unterhalb des Müllbehälters integriert werden. | Hardware | Ken Hilz & Denim Hilz | 26.12.2023 | Erfolgreich |
| 4 | Die Stromversorgung wird über eine 9V Batterie bereitgestellt. | Hardware | Ken Hilz & Denim Hilz | 02.11.2023 | Nicht erfolgreich. Es wird ein externes Netzteil benötigt. |
| 5 | Der Algorithmus muss in MATLAB Simulink entwickelt werden. | Software | Ken Hilz & Denim Hilz | 26.10.2023 | Erfolgreich |
| 6 | Der Sensor erkennt den Gegenstand bis 30cm Entfernung. | Software | Ken Hilz & Denim Hilz | 26.10.2023 | Erfolgreich |
| 7 | Solange der Sensor einen Gegenstand wahrnimmt leuchtet, für den Nutzer sichtbar, eine LED Lampe. | Software | Ken Hilz & Denim Hilz | 26.10.2023 | Erfolgreich |
| 8 | Befindet sich ein Gegenstand 30cm oder näher vor dem Mülleimer wird der Servomotor direkt angesteuert. | Software | Ken Hilz & Denim Hilz | 26.10.2023 | Erfolgreich |
| 9 | Der Servomotor öffnet die Einwurfklappe in einem Winkel von maximal 60 Grad direkt nach dem Signal des Sensors. | Software | Ken Hilz & Denim Hilz | 27.12.2023 | Erfolgreich |
| 10 | Registriert der Sensor keine Bewegung mehr innerhalb von 30cm Entfernung für eine Dauer von 5 Sekunden, wird der Servomotor angesteuert. | Software | Ken Hilz & Denim Hilz | 26.10.2023 | Zeitdauer variiert |
| 11 | Der Servomotor schließt die Einwurfklappe direkt nach dem Signal des Sensors. | Software | Ken Hilz & Denim Hilz | 27.12.2023 | Erfolgreich |
Die funktionalen Ergebnisse des Projekts, können dabei auf Youtube unter folgendem Link aufgerufen werden: https://www.youtube.com/watch?v=kyCw4rFixsQ&ab_channel=DH
Zusammenfassung
Lessons Learned
Das Projekt „Sensorgesteuerte Mülleimer Öffnung“ ermöglichte einen Einblick in das Thema Projektmanagement. Dabei konnte erlernt werden wie man einen Projektplan sinnvoll gestaltet und worauf es in der Planungsphase ankommt für eine erfolgreiche Umsetzung. Gleichzeitig wurde ein erste Umgang mit einem Microcontroller sowie mit elektrischen Bauteilen und dem Aufbau einer Schaltung ermöglicht. Neben der Hardware Umsetzung bzgl. Schaltungsaufbau und Bauteilverständnisse, wurde die Handhabung der Software erlernt. Dazu zählt der Aufbau einer Steuerung für den Microcontroller mit der einsprechenden Kenntnis über die verfügbaren Matlab und Simulink Bausteine, sowie der Filterung von Signalen um den Ultraschallsensor in seiner Funktion effizienter zu machen.
Projektunterlagen
Projektplan
In Abbildung 17 ist der vorab erstellte Projektplan zu sehen, anhand welchem die Umsetzung erfolgen soll.
Die folgende Abbildung 18 zeigt den Ressourcenplan für dieses Projekt.
Projektdurchführung
Die Projektdurchführung orientiert sich dabei an dem aufgestellten Projektplan. Es wurde darauf geachtet die terminlichen Vorgaben einzuhalten. Die Durchführung an sich, hat, abgesehen von krankheits- und feiertagsbedingter Ausfälle zwischenzeitlich, zu einer Verzögerung von 7 Tagen geführt. Durch Doppelschichten und einer guten Motivation ist es trotzdem gelungen das Projekt bis Ende des Jahres 2023 abzuschließen.
YouTube Video
Weblinks
Literatur
→ zurück zur Übersicht: WS 22/23: Angewandte Elektrotechnik (BSE)