HiTechnic NXT IRSeeker V2 mit Matlab/Simulink

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Sensor: HiTechnic NXT IRSeeker V2

Autoren: Marius Schaffer

Betreuer: Prof. Schneider

Aufgabe

Signalerfassung und Aufbereitung eines NXT Sensors

Schritte zur Signalberarbeitung

1. Auswahl eines Primärsensors 

  1. Wie funktioniert der Sensor?
  2. Welche Rohsignale liefert der Sensor?

2. Signalvorverarbeitung 

  1. Sollen Messwerte oder vorverarbeitete Daten übertragen werden?
  2. Wie lässt sich eine Vorverarbeitung umsetzen?
  3. Wird eine Kennlinie eingesetzt? Wenn ja, wie wird diese kalibriert?

3. Analog-Digital-Umsetzer 

  1. Wie werden die analogen Signale umgesetzt?
  2. Welcher ADU kommt zum Einsatz?
  3. Welche Gründe sprechen für diesen ADU? Alternativen?

4. Bussystem 

  1. Wird ein Bussystem zwischen Sensor und Mikrocontroller eingesetzt?  
  2. Wenn ja, wie funktioniert dieses Bussystem?

5. Digitale Signalverarbeitung 

  1. Welche Verarbeitungsschritte sind notwendig?
  2. Welche Filter werden angewendet?
  3. Bestimmen Sie Auflösung, Empfindlichkeit und Messunsicherheit des Sensors.

6. Darstellung der Ergebnisse 

  1. Welche Fehler treten in welchem Verarbeitungsschritt auf?
  2. Stellen Sie die Messunsicherheit bzw. das Vertrauensintervall dar.

Einleitung

In diesem Artikel wird dargestellt, wie mit einem HiTechnic NXT Infrarot Sensor eine vollständige Signalverarbeitung durchgeführt wird. Diese Signalverarbeitung wird in Matlab/Simulink durchgeführt.

Verwendete Bauteile

- Arduino Mega 2560

- HiTechnic NXT IRSeeker V2

- 2 x 100 kOhm Widerstände

- NXT Kabel

- EV3 Brick

- HiTechnic NXT IR Seeeker V2

- Lochrasterplatte

Verwendete Software

- EV3 Lobby

- Arduino IDE

- Matlab/Simulink

Testaufbau

In der Abbildung 1 ist der Testaufbau für die Signalverarbeitung dargestellt. Die 6 Kabel des Sensors sind passend an die GND, SCL, SDA, 5V und dem analogen Pin A0 angeschlossen. Nun wird mithilfe von Matlab/Simulink die Daten, die der Arduino von dem Sensor bekommt ausgelesen.

  • Abb.1: Testaufbau

    Abb.1: Testaufbau

Signalverarbeitung

In diesem Kapitel wird zuerst der Sensor erklärt und anschließend die Signalverarbeitung dargestellt. Hinzu wird das Busssystem, die Art der Wandlung vom analogen zu dem digitalen Signal sowie das ergebnis der Signalverarbeitung dargetsellt.

Auswahl des Primärsensors

Der NXT IRSeeker ist ein multi-Infrarot Detektor, welcher Infrarotsignale von Quellen aus der Umgebung erkennt, wie zum Beispiel dem IRBall Fußball, Infrarot Fernbedienungen und das Sonnenlicht. Der Sensor besitzt 2 verschiedene Modi, dem modulierten AC-Modus und dem unmodulierten DC-Modus. Im AC-Modus filtert der Sensor die meisten anderen IR-Signale heraus, um zum Beispiel die Interferenz von Licht und Sonnenschein zu reduzieren. Der Sensor ist auf Rechtecksignale mit 1200Hz abgestimmt. Mit einer speziell entworfenen Linse und fünf internen Detektoren hat er eine 240-Grad Ansicht. Das Gehäuse mit einer gekrümmten Endkappe und mit einem konstanten Radius erhöht die Richtungsleistung durch Minimierung der Verzerrung, der in den Sensor eintretenden Lichtsignale.

Der Sensor liefert als Rohsignale die Signalrichtung und die Signalstärke zurück, wodurch die relative Entfernung und der Standpunkt des Ziels leicht lokalisiert werden kann. In der Abbildung 2 sind die Infrarotrichtungswerte dargestellt. Ist der Wert 1 so befindet sich das Ziel links hinten, bei einem Wert von 5 befindet es sich genau voraus und bei einem Wert von 9 befindet es sich rechts hinten.

  • Sensor IR Seeker
  • Abb.2: Seeker V2-2

    Abb.2: Seeker V2-2

  • Abb.3: Suchbereiche

    Abb.3: Suchbereiche

Signalvorverarbeitung

In diesem Signalverarbeitungsbeispiel ist keine direkte Vorverarbeitung der Signale notwendig. Der Sensor nimmt bestimmte Signalstärken des Infrarotlichts auf und legt somit und wandelt diese entsprechend mit einem A/D Wandler in einer digitales Wort, welches für die Richtung von dem Signal zwischen 0 und 9 liegt und was für die Signalstärke des Infrarotlichts zwischen 0 und 255 liegt, da es einen Wertebereich von 8 Bit hat.

Analog-Digital-Umsetzer

Übliche NXT A/D Wandler

Bussystem I2C

Das vorherrschende Bussystem bei der Benutzung eines Arduinos und eines EV3 ist der I2C-Bus. Der I^C-Bus ein serieller synchroner Zweidrahtbus.Dieser Bus findet in der heutigen Zeit in Industriesteuerungen und Embeddes Systems Einsatz. Er hat einen einfachen Aufbau, niedirge Kosten und eine Übertragungsrate bis zu 3,4 MBit/s. Damit ein Bit gültig ist, muss der SCL High sein. Der SDA Port darf sich währendessen nicht ändern. Um eine 1 zu übertragen müssen SCL und SDA High sein und um eine 0 zu übertragen muss SDA Low und DCL High sein. Wenn ein Byte verschickt wird, wird erst das MSB (Most Significant Bit) bis hin zum LSB (Least Significant Bit) übertragen.

  • Funtionsweise I2C
  • Abb.2: I2C Bitübertragung

    Abb.2: I2C Bitübertragung

  • Abb.3: I2C Bestätigung

    Abb.3: I2C Bestätigung

In dem Beispiel der Abbildung 4 soll das Byte 01101101 übertregen werden. Der Empfänger quittiert den Erhalt der Daten mit einer Bestätigung (oder auch Acknowledgment). Nach acht Datenbits und folglich auch acht Taktimpulsen wird eine Bestätigung erzeugt.Der Empfänger zieht SDA auf Low bis der Master den neunten taktimpuls genereirt hat. Nach dieser Bestätigung kann einen weiteres Byte übertragen werden. Wird keine Bestätigung verschickt wird kein weiteres Byte übertragen.

Digitale Signalverarbeitung

In diesem kapitel werden 3 Lösungsansätze zur Signalverarbeitung des HiTechnic Ir Seeker dargestellt. Zu Beginn wird der Sensor mit dem EV3 Brick verbunden und in der passenden EV3 Software angesprochen. Anschließend wird der Sensor an einen Arduino angeschlossen und ein Programm von der Arduino IDE gestartet. Abschließend soll dieses Programm in Simulink übertragen werden.

EV3

Für die Erstellung des Programms auf dem EV3-Brick muss zuerst eine Bibliothek von der Internetseite: http://www.hitechnic.com/downloadnew.php?category=38 geladen werden, damit der NXT IR Seeker, der für die NXT Software erstellt ist in der EV3 Umgebung verwendet werden kann. Nun wird der geladene Baustein eingefügt und eine Schleife um ihn angelegt. Das Programm ist in der Abbildung 4 dargestellt. Die beiden gleiferten Werte des Sensors werden nun an jeweils einen Ausgabebaustein verschaltet und somit ausgegeben. Startet man nun den Brick kann man unter Port View den Port an dem der sensor angeschlossen ist einsehen. Dort sind Werte von 0 bis 9 angebildet, welche die Zone, aus der das Infrarotlicht erkant wird, darstellt.

  • Abb.4: EV3 Programm

    Abb.4: EV3 Programm

Arduino

Mithilfe des Versuchsaufbaus aus der Abbildung 1 ist eine Verbindung mit dem Sensor nicht möglich. Der Sensor ist an die passenden Ports des Arduinos angeklemmt, liefert jedoch keine Werte. Die I^2C Adresse des Ports kann nicht gefunden werden. Daher liegt ein anderes Problem vor. Der gleiche Messaufbau mit dem NXT Compass sesnor liefet die richtigen Werte. Das Problem könnte sein, dass die Spannung von 5V nicht ausreicht, um den Sensor zu betreiben. Sichgerstellt wurde auch, dass der Sensor einwandfrei funtioniert.

Simulink

In den beiden Abbildungen 5 und 5 sind 2 Simulunk Projekte dargstellt.

  • Simulink Projekte
  • Abb.5: Simulink EV3 Toolbox

    Abb.5: Simulink EV3 Toolbox

  • Abb.6: Simulink Arduino Toolbox

    Abb.6: Simulink Arduino Toolbox

Darstellung der Ergebnisse

EV3 Brick

In diesem Kapitel wird das Ergebis der Simulation mit dem EV3 Brick dargestellt.

  • Abb.7: EV3 Ergebnis

    Abb.7: EV3 Ergebnis

Videolink

Arduino

Matlab/Simulink

Zusammenfassung

Ausblick

Quellen

I^2C: https://rn-wissen.de/wiki/index.php?title=I2C

A/D Wandler:

EV3 Software: http://www.hitechnic.com/downloadnew.php?category=38

EV3 Brick: https://shop.lego.com/de-AT/Intelligenter-EV3-Stein-45500

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