Beschleunigungssensoren haben bereits seit einiger Zeit Einzug in die moderne Welt gefunden. Als Auslöser für Airbags und Notschalter für frei fallende Notebookfestplatten begegnen sie uns in der Alltagstechnik. Die Idee, Beschleunigungssensoren für den Mechanikunterricht einzusetzen, ist nicht neu. Für den Schuleinsatz optimierte Systeme stehen beispielsweise von Pasco und Phywe zur Verfügung und auch zur drahtlosen Übertragung gibt es bereits professionelle Systeme. Die hohen Anschaffungskosten hierfür wirken jedoch abschreckend. Die Nutzung der Phymote-Software mit der kostengünstig erhältlichen Nintendo Wii Remote erlaubt es, die wesentlichen Möglichkeiten der teuren, professionellen Systeme zu reproduzieren. Im Artikel werden die Technik sowie die dazu notwendige Software vorgestellt und an Beispielen erläutert

Hopf, Martin

Krichenbauer, Christoph

PhyDid - Physik und Didaktik in Schule und Hochschule (E-Journal, FU Berlin)

Didaktik der Physik   Frühjahrstagung – Hannover 2010  Drahtlose Beschleunigungsmessung mit der Nintendo Wii Remote Christoph Krichenbauer*, Martin Hopf+ * Universität München, Lehrstuhl für Didaktik der Physik, Email: christoph@krichenbauer.de +Universität Wien, Österr. Kompetenzzentrum für Didaktik der Physik, Email: martin.hopf@univie.ac.at  Kurzfassung Beschleunigungssensoren haben bereits seit einiger Zeit Einzug in die moderne Welt gefunden. Als Auslöser für Airbags und Notschalter für frei fallende Notebookfestplatten begegnen sie uns in der Alltagstechnik. Die Idee, Beschleunigungssensoren für den Mechanikunterricht einzusetzen, ist nicht neu. Für den Schuleinsatz optimierte Systeme stehen beispielsweise von Pasco und Phywe zur Verfügung und auch zur drahtlosen Übertragung gibt es bereits professionelle Systeme. Die hohen Anschaffungskosten hierfür wirken jedoch abschreckend. Die Nutzung der Phymote-Software mit der kostengünstig erhältlichen Nintendo Wii Remote erlaubt es, die wesentlichen Möglichkeiten der teuren, professionellen Systeme zu reproduzieren. Im Artikel werden die Tech-nik sowie die dazu notwendige Software vorgestellt und an Beispielen erläutert.  1. Nintendo Wii Ende 2006 stellte Nintendo erstmals die neue Spie-lekonsole “Wii” der Öffentlichkeit vor. Im Gegen-satz zu den Produkten anderer Hersteller, die vor-rangig in den Vergleichskriterien Rechen- und vor allem Grafikleistung konkurrierten, bestach die von Nintendo ins Rennen geschickte Hardware durch einen revolutionäres Spielkonzept: Der Spieler sollte die Spiele nicht, wie gewöhnlich, mit hauptsächlich über die Daumen bediente Controller steuern, son-dern deutlich aktiver – durch Gesten, Zeigen und vor allem Bewegungen des Controllers selbst – auf den Spielverlauf Einfluss nehmen. Dabei wird – je nach Spiel – die Lage des Sensors, die Richtung bezüglich des Monitors oder die Bewegung des drahtlosen Sensors im freien Raum von der Software interpre-tiert und in Spieleingaben umgesetzt. Eine derartige Steuerung erlaubt so, je nach Spiel, eine stellenweise erstaunlich nahe der Realität stehende Eingabe – so lässt sich zum Beispiel virtuelles Tennis spielen, indem man den Controller, Wii Remote oder kurz Wiimote genannt, wie einen Tennisschläger hält und auch schlägt. Ähnlich realitätsnah lassen sich auch andere Sportspiele wie Golf oder Boxen steuern. Möglich wird das durch die zwei wesentlichen Sen-soren der Wii Remote: Die an der Spitze verbaute Infrarotkamera liefert durch Auswertung der IR-LEDs der zum Umfang gehörenden Sensorbar die Position der Wiimote im Raum und deren Ausrich-tung gegenüber des Monitors. Die Bewegungen im freien Raum werden hingegen durch Interpretation der Messungen eines Beschleunigungssensor ermit-telt, welcher Beschleunigungsdaten für alle 3 Raum-dimensionen liefert. Dabei kommt der Sensor ADXL330 der Firma Analog Devices zum Einsatz. Die Übertragung zur Spielekonsole selbst erfolgt drahtlos via Bluetooth. Dieses neuartige Sensorkonzept, verbunden mit der Standard-konformen Kommunikation, wirkte von Beginn an sehr einladend für Bastler, welche schnell Ideen entwickelten, die zum günstigen Preis auch einzeln erhältliche Fernbedienung zweckentfremdet zu nutzen. So entstanden beispielsweise Programme für Head-tracking und virtuelle Whiteboards. Ein bedeutender Teil dieser Software und Bibliotheken wurden von den Entwicklern unter einer freien Li-zenz zur Weiterverwendung veröffentlicht. Auf dieser Grundlage aufbauend entstand so die Software „Phymote“, welche sich ebenso im Phy-sikunterricht wie auch im Alltag einsetzen lässt um mit dem Beschleunigungssensor der Wii Remote Messungen durchzuführen und auszuwerten. Die native drahtlose Übertragung des Sensors zeigt sich hierbei sehr vorteilhaft, da Verfälschungen oder Behinderungen durch die Kabelführung von vorn-herein ausgeschlossen werden. 2. Der Sensor Der in der Wii Remote integrierte Mikrosystemsen-sor Analog Devices ADXL-330, ein quadratischer Chip von 4mm Seitenlänge, besitzt laut Hersteller-angaben je Achse einen Messbereich von mindes-tens +-3g bei einer Genauigkeit von typischerweise +-0,02g (Abb.1).      Abb. 1: ACC-Sensor In dem Chip sind drei - je Dimension einer - in der Funktionsweise identische eindimensionale Senso-ren verbaut: Eine federnd gelagerte Probemasse wird 1 Krichenbauer, Hopf durch extern auftretende Kräfte aus ihrer Ruhelage verschoben. Ein an der Probeladung angebrachtes Plättchen wird so innerhalb eines Kondensators bewegt. Zwischen dem fixierten Kondensator und der federnd gelagerten Masse kann nun durch eine Kapazitätsmessung die relative Auslenkung ermittelt werden, über welche sich die zugrundeliegende Beschleunigung berechnen lässt. Aufgrund dieser Sensorarchitektur wird jedoch zu-sätzlich zu den Trägheitskräften, welche aus einer Beschleunigung resultieren, immer auch die Gravita-tion gemessen. Dies hat bei anderweitiger Verwen-dung der Sensoren bisweilen auch enorme Vorteile - man denke beispielsweise an die Verwendung als Lagesensoren - jedoch wirkt es sich bei den meisten Schulversuchen störend aus. Eine sinnvolle Interpre-tation der Messergebnisse setzt voraus, dass die Gravitation manuell kompensierbar, also die ent-sprechende Achse bekannt ist. Erreicht werden kann das in der Praxis nur, indem der Sensor bezüglich der Gravitationsachse nicht rotiert. 3. Die Software Die Software „Phymote“ (Abb. 2) entstand im Rah-men einer Staatsexamensarbeit und wurde in der Programmiersprache Java umgesetzt. Sie befindet sich im Anhang oder ist, auch im Quelltext, im In-ternet erhältlich und darf, da unter einer freien Li-zenz stehend, beliebig weitergegeben und vor allem auch verändert werden. Somit wird Interessierten die Möglichkeit gegeben fehlende Funktionen nachzu-rüsten oder die Software um einen Zugriff auf ande-re Sensoren zu erweitern. Abb. 2: Screenshot von PHYMOTE Der Betrieb der Software setzt einen halbwegs aktu-ellen PC mit installiertem Sun Java Runtime Envi-ronment voraus, als Betriebssysteme kommen Win-dows XP, Vista, Mac OS X und Linux in Frage. Zur Kommunikation mit der Wii Remote ist außerdem ein mit dem Java-Blootooth-Stack kompatibler Blue-tooth-Adapter notwendig. Dies stellt besonders unter Windows ein Problem dar, bei dem bestimmte Kombinationen von Hardware, Treiber und verwen-detem Java-Stack nicht erfolgreich mit der Wii Re-mote verbunden werden können. Weitere Informati-onen hierzu befinden sich in der der Software beige-legten Anleitung. Zum Funktionsumfang von Phymote gehört neben der Darstellung der Beschleunigungsdaten in Dia-grammen auch die Möglichkeit über numerische Integration Geschwindigkeits- und Ortsdaten zu berechnen und darzustellen. Aufgenommene Daten lassen sich zur späteren Verwendung und Auswer-tung abspeichern oder zur Weiterbearbeitung in anderen Progammen exportieren. Vor Beginn der Messungen sollte über den Assistenten durch Mes-sung der Gravitation der Sensor kalibriert werden. 4. Versuchsbeispiele Die mit der Wii Remote durchgeführten im An-schluss gezeigten Versuche sollen exemplarisch die Möglichkeiten der Nutzung von Beschleunigungs-sensoren beschreiben - generell sollten sich sämtli-che Versuche mit Einsatz eines Beschleunigungs-sensors auch für den Einsatz der Wii Remote eignen. Da die Wii Remote für den Einsatz als Handcontrol-ler konzipiert ist, stellt sich die Anbringung an die zu messenden Objekte allerdings immer als etwas problematisch dar und erfordert ein gewisses Maß an Bastelarbeit, da keine Befestigungsösen oder -gewinde vorliegen. Umgekehrt erlaubt die Robust-heit eines Spielzeugs und der niedrige Anschaf-fungspreis jedoch auch, etwas gröber mit der Senso-rik umzugehen, als man das von anderen Messsys-temen gewohnt ist. Der Einsatz beschränkt sich keinesfalls auf Unterrichtsexperimente. Eine Stärke dieses günstigen Systems sind Messungen von All-tagsbegebenheiten, daher sind hier auch einige Bei-spiele für Messungen außerhalb des Unterrichts aufgeführt. 4.1. Stöße Abb.3: Wii Remote auf Wagen Unter Zuhilfenahme zweier Wii Remotes lässt sich mit eindimensionalen Stoßversuchen anschaulich die Impulserhaltung demonstrieren. Hierzu sind zwei Fahrzeuge eines Schienensystems oder einer ent-sprechend starken Luftkissenbahn jeweils mit einer Wii Remote auszustatten (Abb.3). Aus den aufge-nommenen Messdaten eines Stoßes lassen sich 2 Drahtlose Beschleunigungsmessung mit der Nintendo Wii Remote durch einfache Integration die Geschwindigkeitsän-derungen Δv bestimmen. Bei Wiederholung mit verschiedenen Massen und Ausgangsgeschwindig-keiten lässt sich nun zeigen, dass das Produkt |Δv  m| der Stoßpartner jeweils gleich ist und damit die Impulsänderungen beider Partner im Betrag rtung des Stossversuchs üglich der Gravitationsachse ngen. Abb. 6 zeigt das eschwindigkeits- und Ortsdiagramm eines kurzen r  e e der Corioliskraft. Zu diesem Zweck wird auf einer großen Rotationsplatte ein Schienen-system angebracht, auf dem der auf einem Wagen befestigte Sensor gradlinig zum Rotationszentrum hin gezogen werden kann. Über eine mitrotierende Umlenkrolle kann nun eine Schnur im Zentrum aus dem rotierenden System herausgeführt werden. Eine zweite Umlenkrolle erleichtert die Handhabung (Abb. 7). identisch (Abb. 4). Abb.4: Auswe4.2. Pendel Ein Pendel mit einem Beschleunigungssensor auszu-statten erlaubt eine schnelle und genaue Erfassung von Periodendauer und Amplitude der Schwingung. Während bei einem Federpendel die Aufhängung der Wii Remote relativ einfach ist, erfordert dies beim Fadenpendel doch einen etwas größeren Auf-wand. Wesentlich ist - wie bei den meisten Messun-gen - eine Rotation bezzu verhinden (Abb. 5). Abb. 5: Wiimote-Pendel Die Analyse der aufgenommenen Beschleunigungs-kurve bezüglich Periodendauer und Amplitude ge-staltet sich einfach. Erstere ist bereits aus dem Be-schleunigungsdiagramm auslesbar. Zweitere ergibt sich aus der zweifachen Integration einiger weniger abgeschlossenen SchwinguGADusschnitts der Schwingung eines Federpendels. ie Generierung einer kompletten Ortskurve einengeren Messung hingegen scheitert leider in der raxis an der Ungenauigkeit des Sensorsystems - die ch ergebende harmonische Schwingung ist voninem starken Fehler überlagert und gestattet keinnschauliche Auswertung. läPsiea                   Abb. 6: t-s und t-v-Diagramme eines Federpendels. 4.3. Messung im rotierenden Bezugssystem Die Bauweise des Sensors erlaubt nicht nur die Mes-sung von Beschleunigungen, sondern aller Träg-heitskräfte. Die Kombination mit der drahtlosen Übertragung macht damit die Wii Remote zu einem idealen Sensor zur qualitativen Messung der Zentri-fugal- sowi3 Krichenbauer, Hopf 4 Abb. 7: Messung im rotierenden Bezugssystem Nun lässt sich auf der angetriebenen, gleichmäßig rotierenden Platte für verschiedene Radien die Zen-tripetalbeschleunigung messen. Während der Bewe-gung selbst misst man außerdem, senkrecht zur ung, die Coriolisbeschleuni-Zentripetalbeschleuniggung. Abb. 8: Messergebnisse Im Diagramm (Abb. 8) ist die Zentrifugalbeschleu-nigung blau und die Coriolisbeschleunigung rot dargestellt. Das Messsystem wurde zweimalig auf inen kleineren Radius gezogen und wieder in diedie Bestimmung des aus Fahrzeugtests bekannten Wertes „Beschleunigung 0 – 100 km/h“. Das Dia-gramm zeigt eine Dauer voneAus gangsposition zurück versetzt. Die überlagernde Schwingung ist durch eine leichte Unwucht der Platte zu erklären. 4.4. Straßenverkehr Mit der Analyse von Fahreigenschaften typischer Fahrzeuge des Straßenverkehrs bietet das Messsys-tem die Möglichkeit, mit anschaulichen Beispielen den Kinematikunterricht zu bereichern.  Abb. 9 zeigt die Auswertung einer Beschleuni-gungsmessung, welche mit einem Motorrad durch-geführt wurde. Das Ziel der Auswertung ist hierbei  4,9s, wobei der typi-he Verlauf der Beschleunigung und die Schaltvor-nigung mit dem Motorrad hrten Messung ist dennoch beachtlich: Höhe eines Gebäudes Abb. 10: Fahrt im Fahrstuhl Abb. 10 zeigt zwei Diagramme der Messung einer Fahrt im Aufzug des Berliner Fernsehturms. Der Weg vom Erdniveau zur Panoramaetage wird dem-nach in knapp 40 Sekunden bei einer Geschwindig-keit von etwa 5,7m/s zurückgelegt. Die durch die Messung ermittelte Höhe von 200m wird dabei durch den Literaturwert von 198m bestätigt.  scgänge gut zu erkennen sind.        Abb. 9: Beschleu4.5. Fahrstuhl Die Anbringung der WiiMote zur Messung einer Fahrstuhlfahrt stellt sich vergleichsweise einfach dar. Da die auftretenden Beschleunigungen sehr gering ausfallen, reicht ein einfaches Platzieren auf dem Boden aus. Der Erkenntnisgewinn einer derar-tig durchgefüImmerhin lässt sich so die bestimmen. 

Drahtlose Beschleunigungsmessung mit der Nintendo Wii Remote

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