Prof. Dr. Matthias Brinkmann - Hochschule Darmstadt - Fachbereich Mathematik und Naturwissenschaften


FB MN der Hochschule Darmstadt

Schülerpraktikum


Schülerinnen und Schüler können gerne in meinen Laboren ihr Pflicht-Schulpraktikum durchführen. Hier sind einige Berichte über Kleinprojekte, die Schülerinnen und Schüler bereits im Rahmen von Schulpraktika durchgeführt haben:

Tim (Gymnasium Oberursel)


In meinem Praktikum habe ich zwei Projekte bearbeitet:

  • Ein Messtechnik-Projekt mit einem Ultraschall-Abstandssensor und einem Arduino-Controller
  • Ein Maker-Projekt zu einem ferngesteuerten Auto mit integrierter Mini-Cam, basierend auf einem Raspberry3-Controller


Ultraschall-Abstandssensor mit Arduino-Controller


Dazu habe ich die Ideen, das Wissen und die Internet-Unterlagen des Didaktik-Projekts Phyduino der Universität Kasssel benutzt. Daher möchte ich mich an dieser Stelle ausdrücklich bei dem Phyduino-Team der Gruppe Didaktik der Physik an der Universität Kassel bedanken.

Das Messprinzip


Die folgende Abbildung illustriert das Messprinzip:

Ein Lautsprecher sendet Ultraschall-Pulse in die Messrichtung ab. Die Schallwellen werden (teilweise) an der Objekt-Oberfläche reflektiert und gelangen zurück zum Mikrofon. Die Sensor-Elektronik misst dabei die Zeitspanne, die der Schall benötigt, um vom Lautsprecher über die Objektoberfläche zurück zum Mikrofon zu gelangen. Mit dem Wissen der Schallgeschwindigkeit an Luft (ca. 340 m/s) kann der Arduino-Controller den Abstand nach der Formel:

berechnen. Der hier verwendete Abstandssensor kann Entfernungen von 3 bis 300 cm vermessen. Dies entspricht Laufzeiten von ca. 0,2 bis 20 ms, die der Sensor auflösen muss und kann.

Der Phyduino-Abstandssensor


Der Phyduino-Abstandssensor besteht im Wesentlichen aus dem Ultraschall-Sensor, einem Arduino-Nano und einem Gehäuse. Im Rahmen des Phyduino-Projekts sind 3D-Files auf den Seiten der Universität Kassel veröffentlicht worden, mit denen man ein sehr kompaktes Sensor-Gehäuse drucken kann. Dies habe ich auf einem Filamentdrucker der Firma Dremel gemacht:

In das Gehäuse passt neben dem Ultraschall-Sensor auch der kompakte Arduino-Nano:

Arduinos werden standardmäßig mit der Arduino.CC-Entwicklungsumgebung programmiert. Im Rahmen des Phyduino-Projekts werden hierfür einige sehr umfangreiche und sehr gut dokumentierte Programmcodes zur Verfügung gestellt. Dabei kann man u.a. wählen, ob die gemessenen Abstandswerte des Sensors in Textform (auf dem Seriellen Monitor) ausgegeben werden (und anschließend in ein Tabellenkalkulationsprogramm übertragen werden können) oder ob man sich die Werte direkt im sogenannten Seriellen Plotter als Graph ansehen will:

Die Messgenauigkeit


In einem Vorversuch möchte ich die Messgenauigkeit des Sensors untersuchen und habe daher den Sensor auf eine Zimmerwand gerichtet und sowohl den Abstand mit einem Zollstock als auch mit dem Sensor gemessen. Das folgende Diagramm zeigt das Ergebnis:

Die Genauigkeit der Messung mit dem Zollstock beträgt ca. ca. +/3 mm. Die Wiederhol-Genauigkeit der Sensormessung beträgt +/- 5 mm. Diese Werte entsprechen in etwa der Größe der quadratischen Messpunkte.
Der erhaltene Zusammenhang (Zollstock<>Sensor) verläuft sehr linear. Die eingezeichnete Fitgerade besitzt eine Steigung von nahezu 1 (wie gewünscht).
Im folgenden Diagramm ist ein Ausschnitt im Bereich des y-Achsenabschnitts dargestellt:

Man erkennt einen Offset von 3-4 mm. Dies liegt daran, dass der Null-Punkt der Abstandsmessung nicht genau auf dem Gehäusedeckel liegt sondern ca. (-)3 bis (-) mm dahinter in der Box. Dies kann man entweder "manuell" berücksichtigen oder softwaremäßig korrigieren.

Schwingungsanalyse


In einem ersten Versuch haben wir ein Federpendel aus einer Stahlfeder und einem 1kg-Gewicht aufgebaut. Den US-Sensor haben wir unter das Gewicht gelegt. Um die Reflexionsfläche für die Ultraschall-Signale zu vergrößern, haben wir zusätzlich einen leichten (ca. 100 g) Karton unter das Gewicht geklebt:

Dieser Film zeigt einen Ausschnitt aus dem Versuch.

Das folgende Diagramm zeigt die Auswertung der Messergebnisse:

Die blaue Kurve stellt die Messwerte dar, die rote Kurve einen Sinus-Fit zur Bestimmung der Schwingungszeit. Das folgende Diagramm zeigt dazu nochmals einen Ausschnitt:

Man erhält eine Schwingungszeit von T = 1.4 s. Mit der Formel:

kann man die Federkonstante berechnen zu D = 22,2 N/m.

Dotzender Ball


In diesem Versuch soll die Bewegung eines aufdotzenden Balls mit dem Ultraschallsensor aufgezeichnet und untersucht werden. Dazu wird der Sensor oberhalb des Balls montiert:

Lässt man den Ball fallen (Film), so misst der Sensor während der Bewegung ständig den Abstand zum Ball und damit den zeitlichen Bewegungsablauf.
Das folgende Diagramm zeigt die Auswertung der Messergebnisse:

Die blauen Quadrate stellen die Messwerte dar, die rote Kurve eine Folge von Parabel-Fits zur Bestimmung der Fallbeschleunigung und der Energieverluste bei jedem Aufdotzen. Hieraus kann man entnehmen, welcher Anteil der (Gesamt-)Energie jeweils nach jedem Aufprall (mit elastischer Verformung des Balls) der Bewegung weiter zur Verfügung steht:

Das bedeutet, dass ca. 65-75% der Energie beim Aufprall für die Bewegung erhalten bleibt und ca. 25-35% in Wärme (d.h. Erwärmung des Balls) umgewandelt wird.

Ferngesteuertes Auto mit Mini-Cam


Dieses dreirädrige Auto stammt aus einem Bausatz der Firma freenove.com. Das (einzelne) Hinterrad ist starr montiert. Die beiden Vorderräder verfügen jeweils über einen DC-Motor, deren Laufgeschwindigkeit vom Controller gesteuert wird. Die Lenkung erfolgt aber über ein Lenkgestänge an der Vorderachse, welches über einen Encoder-Motor angesteuert wird. Über einen Schwenkarm lässt sich die Mini-Cam ausrichten, welche ein kontinuierliches Video-Signal streamt.

Die Hardware


Die mechanischen Teile aus Kunststoff, Metall und Gummi sind im Bausatz enthalten und lassen sich einfach zusammenbauen.
Als Aktoren werden zwei DC- und drei Encoder-Motoren verwendet. Zusätzlich ist das Auto mit einem Buzzer und einer großen RGB-LED ausgestattet, um "(licht-)hupen" zu können. Als Sensor kann man entweder die Mini-Cam oder einen Ultraschall-Sensor anschließen.

Auf dem Auto wird ein Raspberry Pi mit einem zusätzlichen Hardware-Shield montiert. Das Shield "hilft" dem Raspberry Pi bei der Kommunikation mit den Sensoren und Aktoren, u.a. liefert es höhere elektrische Leistungen für den Betrieb der Motoren.
Unter dem Fahrzeug ist ein Akku montiert, der die Hardware beim Fahren mit elektrischer Energie versorgt.
Wenn das Auto fährt, können die Kabel-Anschlüsse für Tastatur, Maus und Monitor des Raspberry Pi nicht mehr verwenden werden. In diesem Fall ist der Controller über WLAN wahlweise mit einem Remote-PC oder einem Smartphone (über eine App) verbunden:

Hier ein Video über eine Fahrt. Und hier ein Video von einer Fahrt aus Sicht der Mini-Cam.

Die Software und Programmierung


Beschäftigt man sich zum ersten Mal mit diesem Bausatz und dem Raspberry Pi, kann man zunächst die mitgelieferten Software-Programme und Apps benutzen. Im nächsten Schritt kann man eigene Steuerprogramme in der Programmiersprache Python erstellen und am Gerät testen.

Leider war zu diesem Zeitpunkt mein Praktikum zu Ende, aber im Anschluss daran werde ich an diesem Projekt noch weiterarbeiten!