EM2019WSP12/Initiale Anforderungen

Aus Verteilte Systeme - Wiki
Zur Navigation springen Zur Suche springen


Initiale Anforderung

Ursprüngliche Aufgabenstellung

Rollen (Stakeholder)

  • (R01) Entwickler (Entwickelt ein Gesamtsystem bei dem Laser in festen Intervallen getaktet werden und die Reflektion eines Laserstrahles durch optische Sensoren erfasst wird. Er programmiert einen Mikrocontroller der die erfassten Werte einem Midi Protokoll zuordnet und entwickelt eine Midi Schnittstelle zur Übertragung der Protokolle)
  • (R02) Tester (Testet das System auf Funktion und Sicherheit in Bezug auf den Endanwender)
  • (R03) Endanwender (Musiker, welcher wohldefinierte Töne durch unterbrechen der Laserstrahlen mit seinen Händen erzeugt)

Ziele

  • (Z01) Entwicklung des Instruments, implementierung des Midi-Busses und Abspielen konkreter Oktaven
  • (Z02) Stufenlose Variation der Töne
  • (Z03) Unfallverhütungsmaßnahmen durch z.B. Neigungssensor, Erschütterungssensor, Lichtschranke
  • (Z04) Nutzung des Systems bei Kunstnebel.

Anwendungsfälle

(UC01) Bau der Laserharfe durch R01

Der Entwickler wird zunächst die Laserharfe entwerfen und ein Grundgerüst bauen, an dem Laser, Sensoren, Lichtfilter und Objektiv montiert werden.

Er wird anschließend ein Programm zum zyklischen Ansteuerung der Laserdioden, sowie zur Auswertung der Sensordaten schreiben. Weiter wird er ein Midi Protokoll implementieren und die zur Anbindung an einen Midibus notwendigen Widerstände bauen.

EM2019WSP12 UC01.png

(UC02) Testen des Gesamtsystems auf Funktion und Sicherheit durch R02

Der Tester testet die Permeabilität der Lichtfilter auf die gewünschte Wellenlänge (532 nm).

Weiter testet er den zur Erfassung der Töne definierten Bereich des CCD Sensors. Er testet die Übermittlung der Midi-Protokolle mit einem Keyboard, welches diese Protokolle empfängt und auswertet. Zuletzt testet er Sicherheitskritische Zustände des Systems, die zur Verletzung des Musikers (R03) oder Dritter führen könnten.

EM2019WSP12 UC02.png

(UC03) Musizieren auf der Laserharfe durch R03

Der Musiker erzeugt unterschiedliche Töne durch unterbrechen eines Laserstrahles auf einer variablen Höhe. EM2019WSP12 UC03.png


Aktivitätsdiagramme für Anwendungsfälle

(AD01) Erkennen eines unterbrochenen Laserstrahls (UC03)

Die Laserharfe taktet die einzelnen Laserstrahlen mit einer für das Auge nicht sichtbaren Frequenz permanent durch.

Wird die Hand innerhalb eines gültigen Fensters in einen Strahl gehalten wird ein Großteil des Lichtes reflektiert und vom CCD Sensor erfasst. Nun wird die Information des gerade aktiven Strahls mit der des CCD Sensors kombiniert um das Ereignis einem Midi Protokoll (einem Ton) zu zu ordnen. Schließlich wird das Protokoll über den Midi Bus an ein Angeschlossenes Gerät (Keyboard, Synthesizer oder ähnliches) gesendet, der darauf hin den im Protokoll definierten Ton spielt.

EM2019WSP12 AD001.png

Detaillierte Anforderungen mit zugeordneten Zielen und ggf. Anwendungsfällen

nf = nicht-funktional, f = funktional

  • (A01, nf) Entwicklung des Instruments (Hardware) (Z01, Z02)
  • (A01a, nf) Aufbau eines Grundgerüsts zur Montage der Laser und Sensoren (Z01, Z02)
  • (A01b, nf) Anschluss der Peripherie an ein feather board (Z01, Z02)
  • (A01c, nf) Wellenlängen außerhalb des gewünschten Spektrums rund 532 nm filtern (Z01, Z02)
  • (A01d, nf) Projektion des Bildbereiches auf den Zeilensensor (Z01, Z02)
  • (A01e, nf) Anschluss einer Midi Buchse an ein feather board (Z01, Z02)


  • (A02, f) Entwicklung des Instruments (Software) (Z01, Z02)
  • (A02a, f) Zyklisches ein und ausschalten Laserdioden (Z01, Z02)
  • (A02b, f) Auswerten der Sensor Informationen (Z01, Z02)
  • (A02c, f) Zuordnen der ermittelten Informationen zu einem Midi Protokoll (Z01, Z02)
  • (A02d, f) Übermitteln des Midi Protokolls (Z01, Z02)


  • (A03, f) Unvallverhütungsmaßnahmen implementieren (Z03)
  • (A03a, f) Spannungsversorgung der Laser durch einen Neigungssensor unterbrechen, wenn Laserharfe umkippt (Z03)
  • (A03a, f) Spannungsversorgung der Laser durch einen Erschütterungssensor bei zu starker Erschütterung unterbrechen (Z03)
  • (A03a, f) Spannungsversorgung der Laser durch eine Lichtschranke unterbrechen, wenn ein Dritter in die Gefahrenzone um die Harfe eintritt (Z03)


  • (A04, nf) Test des Systems und anpassen der Laserintensität für den Betrieb bei Kunstnebel (Z04)
  • (A05, nf) Test des Systems mit Gegenlicht anderer Wellenlängen (Z03)

Tests und Simulation

  • Inbetriebnahme der Hardware
    • 8x 10 mW Laser 532nm Wellenlänge mit Kühlkörpern
    • CCD - Zeilensensor mit Filter für Wellenlängen außerhalb des 532nm Spekturms und Objektiv
    • feather board nRF52832
    • Bosch Neigungssensor, Erschütterungssensor und Lichtschranke
  • Inbetriebnahme der Software
    • Installation des Zephyr OS auf dem NRF52832
  • Test der Permeabilität des Lichtfilters
    • Durchleuchten des Filters mit Wellenlängen über 532 nm (unter anderm Test mit 640nm rotem Laser, Test mit 300 W Strahlern mit grünen Folien.)
  • Test der Permeabilität der Schutzbrille
  • Test des zur Erfassung der Töne definierten Bereiches
    • Testen ob mit Zeilensensors eindeutig Positionen der Hand ermittelt werden können.
    • Zuordnung der Töne zum zugehörigen Midi-Protokoll testen.
  • Test der Midi Übermittlung
    • Test der Midi Anbindung mit einem Keyboard mit Midi Anschluss.
  • Test der Sicherheitseinrichtungen
    • Test des Neigungssensors, Erschütterungssensors sowie der Lichtschranke.
  • Vollständiger Test
    • Vollständiger Test des Gesamtsystems auf Funktionalität im Zusammenspiel mit Keyboard.
    • Test des Gesamtsystems bei Kunstnebel.
    • Test des Gesamtsystems mit Störeinflüssen (insbesondere Strahler mit grüner folie)
    • Test der Sicherheitseinrichtungen bei Kunstnebel.


Alternativer Aufbau

Laserharfe mit Photodiode

Für den Fall das die Auswertung des CCD Zeilensensors den zeitlichen Rahmen sprengt, ober sich bei Nebel als untauglich erweist wird auf folgende Alternative ausgewichen:

  • Die Erkennung der Unterbrechung eines Laserstrahles wird mit einem Phototransistor oder Lichtempfindlichen Widerstand (LDR) und einer davor gebauten Filterlinse erfasst. Dies geschieht über das Auswerten eine Peaks bei reflektierendem Licht des Lasers.
  • Die Höhe der Hand und damit des Tons wird über einen Time of Flight Sensor oder einen Ultraschall Sensor erkannt. (Unter Umständen würde ein Ultraschall Sensor bei starkem Kunstnebel zuverlässiger arbeiten).
  • Die Information welcher Laser bei einem Ereignis des Phototransistors eingeschaltet war ermöglicht in Kombination mit der Höheninformation des Time of Flight Sensors ebenso die volle Funktionalität des Instrumentes.



Laserharfe aus Holz

Quelle: https://cdn.thinglink.me/api/image/661933480376008704/1240/10/scaletowidth Die anfängliche Idee, die Laserharfe tatsächlich in Form einer Harfe zu bauen und jeden Strahl über einen LDR zu detektieren wäre die Einfachste von Allen, wurde aber wieder verworfen, da die Harfe in Ihrer Größe beschränkt wäre und der Effekt auf der Bühne wohl kaum vergleichbar ist mit dem einer Laserharfe ohne Rahmen. Diese Idee sollte aber trotzdem an dieser Stelle kurz erwähnt sein, für alle Hobbybastler denen die Zeit oder das Know-How für die aufwendigere Zeilensensor-Laserharfe fehlt.