Olá. Infelizmente o meu nivel de conhecimento não vai te ajudar muito nesse projeto.Posso te dar uma dica: O sensor ultrasonico sofre uma "interferência" devido ao efeito doppler. porém, acho que se a esfera não se movimentar muito rapido, vai servir para o seu projeto.

O ideal, seria utilizar esse tipo de sensor ultrassonico: http://www.labdegaragem.org/loja/34-sensores/sensor-de-distancia-por-ultrassom-lv-ez3.html

Pois outros (com dois sensores: Transmissor e receptor) dificultariam na hora de alinhar o sistema.

Já utilizei o Matlab na faculdade porém não sei como integrá-lo  com o Arduino.

Espero ter ajudado.