Arduino Projekt: Ultraschall Sonar

Nachdem ich meinen Servo endlich geliefert bekommen habe, kann ich mit dem Projekt „Ultraschall Sonar“ starten.

Ziel

Das Ziel soll sein, ein Ultraschall Sonar aufzubauen, welches sich von 0° bis 180° dreht und dabei die Umgebung abtastet. Hindernisse werden dabei mit einem weißen Kreis markiert.

Teileliste

Bauteil	Bezugsquelle	Preis
Arduino Uno	DAOKAI® UNO R3	9,98 €
Ultraschall Sensor	4-Pin Ultraschall- Modul HC-SR04	2,95 €
Mini Servo SG90	SG90 Mikroservomotor	3,38 €
Breadboard	170 Punkte Mini Breadboard	1,83 €
Kabel	40 stück 20cm Breadboard Steckbrücken	1,47 €

Des Weiteren werden folgende Teile für die Montage benötigt:

Bauteil	Anzahl
Sperrholz, 3mm stark	ca. 0,5m²*
Kantholz, 20mm x 20mm	ca. 1m**
Kantholz, 5mm x 20mm	ca. 1m**
Holzkleber	zbsp. Ponal Classic Holzleim
Heißkleber
Verbindungsbleche 40mm x 15mm	2 Stück
M3 Schrauben, Muttern & Unterlegscheiben	jeweils 2 Stück

*Kann nach bedarf im Baumarkt zugeschnitten werden
**Meterware im Baumarkt

Werkzeuge

Für die Montage werden folgende Werkzeuge benötigt:

• Kreuzschraubendreher
• 6’er Maulschlüssel
• Klemmzwingen
• Heißklebepistole
• Gehrungssäge mit Schneidlade
• Laubsäge mit Laubsägevorlage
• Bleistift und Lineal

Aufbau

Halterung für den Servo

Als Erstes musste ich mir eine Halterung für meinen Servo erstellen. Diese habe ich aus 2 Blechen erstellt, zwischen denen ich einfach den Servo klemme. Diese Halterung ist flexibel in der Montage.

Montage des Ultraschall Sensor’s

Auf den Servo muss nun der Ultraschall Sensor befestigt werden.
Dazu habe ich ein Breadboard mit doppelseitigem Klebeband auf ein kleines Holzbrettchen geklebt und unter dieses das Ruderhorn

mit Heißkleber geklebt.

Nun kann das Brettchen mit dem Breadboard auf den Servo gesteckt werden.

Es kann nun der Ultraschall Sensor montiert und am Arduino Uno* angeschlossen werden.

*Normalerweise benutze ich immer den Arduino Nano jedoch hat dieser Probleme die Signale des Ultraschallsensors korrekt auszuwerten.

Verkabelung & Pinbelegung

Pinbelegung für den Servo

Der Servo wird wie im Tutorial „Arduino, Lektion 16: Servo ansteuern“ beschrieben angeschlossen, d.h.

• Braun – GND
• Rot – 5V
• Orange – digitaler PIN 9

Pinbelegung für den Ultraschallsensor

Der Sensor wird wie im Tutorial „Arduino Lektion 9: Ultraschall Modul HC-SR04“ beschrieben angeschlossen, d.h.

• VCC – 5V
• Trigger – digitaler PIN 3
• Echo – digitaler PIN 2
• GND – GND

Der Arduino Sketch

Der Arduino Sketch ist so aufgebaut das der Servo sich um 180° Grad dreht und dabei die Umgebung mit dem aufgesteckten Ultraschallsensor abtastet. Der Wert aus dem Ultraschallsensor sowie der Winkelgrad wird auf der seriellen Schnittstelle ausgegeben.

#include <Servo.h>  //Bibliothek zum ansteuern von Servo
 
Servo servo; //Servo Objekt erstellen (noch nicht initialisiert)

int position = 0; //Variable zum speichern von der aktuellen Position

const int waitTime = 25; //Zeit zum pausieren zwischen den einzelnen Schritten des Servos

const int trigPin = 2;  //Trigger PIN auf dem Arduino
const int echoPin = 3;  //Echo PIN auf dem Arduino

void setup() 
{ 
 Serial.begin(9600); //Die Übertragungsgeschwindigkeit setzen.  
 servo.attach(9); //setzen des Servo Objektes auf den digitalen PIN 9
 pinMode(trigPin, OUTPUT); //Den Trigger auf das Output Signal des Sainsmart setzen.
 pinMode(echoPin, INPUT);  //Das Echo auf das Input Signal des Sainsmart setzen.
} 
 
void loop() { 
  for(position = 0; position < 180; position++) { 
    setServoPosition(position);
  } 

  for(position = 180; position>=1; position--){ 
   setServoPosition(position);
  } 
}

void setServoPosition(int position){
 servo.write(position); //Schreiben des aktuellen Wertes der Variable 'position' (180...1)
 readUltraSonic(position);
 delay(waitTime); //Pause
}

//Ließt das Ultraschall Signal zum Winkelgrad.
void readUltraSonic(int degree){
   long duration = 0;
   float cm = 0;
   digitalWrite(trigPin, LOW); 
   delayMicroseconds(2);  
   digitalWrite(trigPin, HIGH);  
   delayMicroseconds(10);  
   digitalWrite(trigPin, LOW); 
   duration = pulseIn(echoPin, HIGH);
   cm =  duration * 0.034/2;
   printValue(degree, cm);
}

//Ausgabe des Winkelgrades sowie des Ultraschallsignals
void printValue(long degree, float cm){
  String strDegree = String(degree);
  String strCm = String(cm);
  
  //Folgende If Anweisung Formatiert den Wert für die Ausgabe damit dieser hinterher
  //besser geparst werden kann.
  //Wenn der Winkelgrad kleiner als 10 ist dann 2 Nullen vorran setzen.
  if(degree <10){
    strDegree = "00"+String(degree);
  } else if(degree < 100){
    //Wenn der Winkelgrad kleiner als 100 ist dann eine Null vorran setzen.
    strDegree = "0"+String(degree);
  }
  
  //Wenn der Wert für Zentimeter kleiner als 10 ist dann 2 Nullen vorran setzen.
  if(cm < 10){
    strCm = "00"+String(cm);
  } else if(cm < 100){
   //Wenn der Wert für Zentimeter kleiner als 10 ist dann eine Null vorran setzen.
    strCm = "0"+String(cm);
  } 
  
  //Formatierte Ausgabe von Winkelgrad und Zentimeter
   Serial.print("["); 
   Serial.print(strDegree); 
   Serial.print(";"); 
   Serial.print(strCm); 
   Serial.println("]"); 
}

Das Video zum Sketch

Die Verarbeitung der gelesenen Werte

Die Verarbeitung der gelesenen Werte erfolgt in 2 Stufen.

• 1. Stufe – ist ein Webservice, welcher
  • die serielle Verbindung zum Arduino herstellt
  • die Daten sammelt
  • und über eine SOAP Schnittstelle für andere Services bereitstellt,
• 2. Stufe – ist ein Client für den Webservice aus der 1. Stufe
  • dieser Client liest vom Webservice die Daten und
  • stellt diese über das JSF Framework in einer Webseite
    (unter anderem mit jQuery) dar

Der Vorteil an dem Webservice ist, dass der Client unabhängig vom Server ist und somit eigenständig existieren kann. Des Weiteres ist die Programmiersprache für den Client nicht zwingend vorgeschrieben, einzige Voraussetzung ist, dass dieser mit der SOAP Schnittstelle arbeiten kann.

Der Webservice

Der Webservice ist eine Java Konsolen Anwendung welche auf dem Port 8090 läuft (8080 wird später für den Apache Tomcat benötigt.)

Dieser Service übernimmt die Datensammlung und Bereitstellung.

Der Webservice Client

Der Client übernimmt die Darstellung der gesammelten Daten.

Ich habe dafür eine JSF Webanwendung gewählt da ich damit zbsp. auch auf meinem Tablet bzw. Handy die Werte mir anzeigen lassen kann.
Als Designvorlage habe ich LCARS gewählt.

Da mein Sensor etwas falsche Werte bringt (Wertebereich von 0 cm bis 6,5 cm) habe ich die Möglichkeit eingerichtet eine Toleranz für die gelesenen Werte einzurichten damit unnötige Schwankungen entfallen.

Im oberen Bereich kann man alle 180 Werte lesen und im unteren Bereich ist ein Liniendiagramm sowie ein Punktdiagramm, welches die Werte darstellt.

Der Quellcode

Hier nun der Quellcode zum Webservice Server und dem Client.