BASIS-ANFORDERUNGEN

Jedes Projekt-Team muss die folgenden Basis-Anforderungen erfüllen.

  • Es soll ein Messsystem für eine Hinderniserfassung in ein E-Fahrzeug integriert werden, um zu verhindern, dass das Fahrzeug mit Gegenständen kollidiert.
  • Um die Hinderniserfassung flexibel anpassen zu können, soll die Funktion über den Mikrocontroller ESP32 programmiert werden.
  • Für die Distanzmessung soll der Ultraschallsensor HC-SR04 und zusätzliche Hardware verwendet werden.
  • Die Distanz zum Hindernis bzw. Objekt soll möglichst genau ermittelt werden.
  • Da die Temperatur einen Einfluss auf die Schallgeschwindigkeit hat, ist mit einem zusätzlichen Sensor die Umgebungstemperatur möglichst genau zu messen und daraus – vor der Berechnung der Distanz – die aktuelle Schallgeschwindigkeit zu ermitteln.
  • Die Entfernung zu einem Objekt soll auf einer 4-stelligen 7-Segmentanzeige angezeigt werden. Alternativ kann aber auch ein LCD-Display verwendet werden.


TEAMBEZOGENE ZUSATZANFORDERUNGEN

Um eine Differenzierung hinsichtlich der Vorkenntnisse in den Fachbereichen Elektro- und Informationstechnik sowie eine gruppenspezifische Bewertung nach dem Schwierigkeitsgrad der Aufgabe zu ermöglichen, muss jedes Team eine Zusatzanforderung wählen, die im Rahmen des Projektes realisiert werden muss.

TEAM 1:
Die Anzeige soll umschaltbar sein und wahlweise die Temperatur, Entfernung, Geschwindigkeit und die Zahl der erfassten Objekte anzeigen. Zudem sollen zwei verschiedene Einheiten für die  Messgrößen wählbar sein (z. B. Temperatur in °C und °F, Distanz in m und cm, Geschwindigkeit in m/s und cm/s).

TEAM 2:
Das Messsystem soll geeignete optische und akustische Signale ausgeben bzw. zur Anzeige bringen (7‑Segment-/LCD-Display), wenn die Distanz zu einem Objekt zu gering wird. Aus den Signalen soll auch die Änderung der Gefahrenlage, z. B. in Form einer Frequenzänderung des Ton- oder optischen Signals bzw. Änderung der Signalfarbe der LEDs (z. B. von grün nach rot) ersichtlich sein.

TEAM 3:
Der Grenzwert der minimal zulässigen Distanz bei der die optischen oder akustischen Signale generiert werden, soll im Programm beliebig einstellbar sein. Die Eingabe der Sollwerte muss einfach und schnell vorgenommen werden können.

TEAM 4:
Mit Hilfe des Abstandssensors soll die Möglichkeit geschaffen werden, dass das E-Fahrzeug unter Einhaltung eines vorgebbaren Abstandes hinter einem vorausfahrenden Fahrzeug fahren kann und dabei seine Geschwindigkeit so anpasst, dass die eingestellte Distanz möglichst genau eingehalten wird (Tempomat).

TEAM 5:
Das zu entwickelnde Messsystem soll eine Zählung von Objekten ermöglichen, die sich am Ultraschallsensor vorbei bewegen. Für diese Aufgabe wird davon ausgegangen, dass sich nur einzelne Objekte mit einer fest definierten und gleichbleibenden Geschwindigkeit am Sensor vorbeibewegen.

TEAM 6:
Es soll die Geschwindigkeit von einzelnen sich bewegenden Objekten erfasst und auf dem Display in wählbaren Einheiten ausgegeben werden. Es soll dabei zunächst nur die Geschwindigkeit von Objekten ermittelt werden, die sich gleichförmig in Richtung der Schall-Achse bewegen und dabei ihre Lage rechtwinklig zum Sensor nicht ändern.
In einer zweiten Entwicklungsphase soll nach einer Möglichkeit gesucht werden, wie mit dem Ultraschallsensor durch eine Dauermessung die gleichförmigen Geschwindigkeiten von Objekten erfasst werden können, die sich im rechten Winkel zur Schallausbreitung des Sensors bewegen. Als Anregung für die praktische Realisierung soll die nachfolgende Grafik dienen (Abb.: 1).



Abb.: 1 Anregung für die Geschwindigkeitsmessung mit dem Ultraschallsensor HC-SR04 und der sich dabei ergebene Distanzverlauf s(t)

Bei der ersten Erfassung des Objektes (s1) muss eine Dauerdistanzmessung eingeleitet und zu diesem Zeitpunkt (t1) ein Timer für die Zeitmessung gestartet werden. Dieser wird gestoppt, wenn eine zweite Distanz gemessen wird, die gleich oder größer als die Anfangsdistanz s1 ist. Dies ist bei der Distanz s7 zum Zeitpunkt t2 der Fall. Da die Bewegung gleichförmig erfolgen soll, wird während jeder Distanzmessung die gleiche Strecke zurückgelegt.

TEAM 7:
Entwicklung einer ESP32-Funktion bzw. einer C-Bibliothek für die Ansteuerung eines vierstelligen 7-Segment-Displays mit Dezimalpunkten. Dazu ist eine Datenübergabe in Form von Variablen an die Funktion erforderlich, mit deren Hilfe der einerseits der Betriebsmodus (Entfernungs-, Geschwindigkeits- und Temperaturmessung sowie Objektzählung) und andererseits die Einheiten festgelegt werden können. Für die Ansteuerung der vielen Segmente können ein oder vier 8-Bit-Schiebe­register SN74HC595 eingesetzt werden.

Tipp: Um eine flackerfreie Darstellung der 7-Segment-Anzeige zu gewährleisten, müssen die einzelnen Ziffern (und die dazugehörigen Segmente) permanent mit hoher Geschwindigkeit aktualisiert werden. Durch diesen Zeitbedarf wird aber die genaue Entfernungsmessung des Ultraschalsensors beeinträchtigt. Hier empfiehlt es sich, die Multitasking-Funktion des ESP32 zu nutzen und die Software für die Aktualisierung der Anzeige in einem eigenen (parallelen) Prozess ablaufen zu lassen.


DAS MODELL DER VOLLSTÄNDIGEN HANDLUNG



Abb.: 2: Das Modell der vollständigen Handlung


Sie analysieren den Arbeitsauftrag und informieren sich, welche technischen Komponenten erforderlich sind und welche interne ESP32-Hardware Sie für den Datenaustausch und die Ansteuerung der erforderlichen Komponenten benötigen. Daneben müssen Sie sich Kenntnisse über die notwendigen Software-Funktionen aneignen, die für die Steuerung der ESP32-Hardware erforderlich sind und ggf. die Befehle zusätzlicher Programm-Bibliotheken erlernen.

Danach planen Sie den Ablauf des Projekts, indem Sie die Hauptaufgabe in Teilaufgaben (Arbeitsmodule) zerlegen und abwägen, welche Zeit Sie für diese benötigen.

Gibt es mehrere Möglichkeiten der technischen Realisierung, müssen Sie sich für eine bestimmte Umsetzungsstrategie entscheiden. Dabei können z. B. technische, ökonomische und wirtschaftliche Faktoren Ihre Entscheidung beeinflussen.

In der Ausführungsphase bearbeiten Sie die zuvor in Ihrer Planung definierten Arbeitsmodule (z. B. Schaltplanerstellung, Verdrahtung der Komponenten, Softwareentwicklung). Bei der Programmentwicklung ist es z. B. sinnvoll, die für ein Modul benötigte Software als Funktion zu programmieren, der Parameter übergeben werden können bzw. die Arbeits-Ergebnisse zurückliefern kann. Auf diese Weise wird auch Ihr Gesamtprogramm in modulare Einheiten zerlegt.

Nachdem Sie die technische Realisierung abgeschlossen haben, kontrollieren Sie die einwandfreie Funktion der Schaltung und der Software (Inbetriebnahme). 

Abschließend bewerten Sie rückblickend das Ergebnis Ihres Projektes: Was ist gut gelaufen? Welche Probleme traten auf und wie haben Sie diese behoben? Was hätte man (wie?) anders machen können, um solche Probleme/Fehler im Vorfeld zu vermeiden und das Ziel effizienter zu erreichen?

Zuletzt geändert: Dienstag, 27. September 2022, 00:04