Escape Game: Blackbox
| Autoren: | Timo Hardes, Nathan Janzen |
| Betreuer: | Prof. Krome |
Einleitung
Grundlegende Idee des Escape Games Blackbox ist die, dass den Spielern eine schwarze Box zur Verfügung steht, welche keinerlei Erklärungen und Hinweise enthält. Ziel des Spieles ist wie vorgeschrieben, dass ein 3-4-stelliger Zahlencode bei erfolgreichem Lösen bekanntgegeben werden muss.
Spielgrundlage ist die Blackbox. Diese ist mit zwei im begrenzten Maß ausziehbaren Stäben und einer Drehscheibe versehen.
Die Stäbe verfügen über einen Verstellweg von etwa 7 cm und die Drehscheibe lässt sich unbegrenzt verdrehen. Werden die zwei Stäbe im passenden Maß herausgezogen/hineingeschoben und die Drehscheibe um den richtigen Winkel gedreht, so wird durch eine weitere Lösungs-Drehscheibe (nicht von außen verdrehter sondern von innen über einen Servo gesteuert) der Code sichtbar. Das Rätsel der Blackbox ist gelöst! (Zusatzinformation: Die Lösungs-Stellung der Stäbe toleriert Fehler von +/- 5 mm)
Das Rätsel-Team sollte also in systematischer Weise die Stellung der Stäbe und der Drehscheibe so verändern, dass der Code sichtbar wird.
Dabei ist eine Systematik beim Lösen des Rätsels unabdingbar, da sonst die Wahrscheinlichkeit des Findens der korrekten Stellung gering ist.
Schwierigkeitsgrad: Einsteiger
Lernziel: Durch eine systematische Herangehensweise an die Problemstellung des Escape Games Blackbox lernen die Spieler, dass es sich lohnt und wichtig ist, Probleme systematisch anzugehen. Dieses Lernziel kann und sollte Folgen weit über das bessere Lösen von Rätseln haben.
Bezug zum MTR Studium: Zusammenspiel von Sensoren und eines Aktuators (mechatronisches System)
Anforderungen
| Nr | Inhalt | Prüfbarkeit | Prio | Ersteller | Datum | Geprüft von | Datum |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 1 | Das Puzzle startet nach Einschalten der Stromversorgung direkt. | Status-LED des Arduino | 1 | Timo Hardes | 06.10.2025 | ||
| 2 | Der Mikrocontroller ließt durchgehend die Abstandssensoren aus. | Auswertung der Sensordaten über Seriellen Monitor | 1 | Timo Hardes | 06.10.2025 | ||
| 3 | Die gemessenen Signale werden durch Filter geglättet, um Fehler zu vermindern. | Auswertung der Sensordaten über Seriellen Monitor | 1 | Timo Hardes | 06.10.2025 | ||
| 4 | Bei korrekter Kombination dreht sich der Servomotor und zeigt die Ziffern für das Schloss. | Sichtkontrolle | 1 | Timo Hardes | 06.10.2025 | ||
| 5 | Die Stäbe haben einen Verstellweg von etwa 6 cm. | Messen | 3 | Timo Hardes | 06.10.2025 | ||
| 6 | Die Drehscheibe kann um 360° gedreht werden. | Sichtkontrolle | 3 | Timo Hardes | 06.10.2025 | ||
| 7 | Die Stäbe sind ohne großen Kraftaufwand frei beweglich, dürfen aber nach Verschieben nicht verrutschen. | Manuelle Funktionskontrolle | 2 | Timo Hardes | 06.10.2025 | ||
| 8 | Die Drehscheibe ist ohne großen Kraftaufwand frei drehbar, darf aber nach Verdrehen nicht von selbst den Winkel ändern. | Manuelle Funktionskontrolle | 2 | Timo Hardes | 06.10.2025 | ||
| 9 | Die Ziffern werden wieder verdeckt, wenn mindestens ein Abstand nicht mehr richtig eingestellt ist. | Manuelle Funktionskontrolle | 2 | Timo Hardes | 06.10.2025 | ||
| 10 | Die Stäbe akzeptieren eine Toleranz von +/- 5 mm. | Messen | 2 | Nathan Janzen | 08.10.2025 |
Funktionaler Systementwurf / Technischer Systementwurf
Die grundlegende Funktionsweise des Escape Games Blackbox basiert auf der Nutzung von Abstandssensoren. Im Fall der Stäbe befinden sich ihnen gegenüberliegend die Abstandssensoren mit Sender und Empfänger, welche den Abstand messen. Die Stäbe besitzen einen Stellbereich von etwa 6 cm und reflektieren an ihrem Ende das gesendete Signal vom US-Sensor. Dieses reflektierte Signal wird vom US-Sensor detektiert und aus der Laufzeit des Signals wird der Abstand berechnet.
Die Drehscheibe ist in mehrere gleichgroße Stücke aufgeteilt, welche eine unterschiedliche Höhe aufweisen. Der Drehscheibe gegenüber liegt ein wenig exzentrisch ebenfalls ein Abstandssensor, welcher über das selbe Prinzip den Abstand misst.
Diese Signale werden über Signalleitungen (vgl. Abbildung 3) an einen Arduino Uno R3 gegeben, welcher sie Filter. Stimmen nun die Position der Stäbe (+/- 5 mm) und die der Drehscheibe, so steuert der Arduino (über die orange Leitung in Abbildung 3) einen Servomotor an, welcher die Lösungs-Drehscheibe dreht und so den Ziel-Code (3-4-stellig) freigibt.
Technisch lässt sich das System durch den in Abbildung 1 dargestellten Schaltungsentwurf realisieren. Die dabei zur Anwendung kommenden Bauelemente sind der Tabelle 2 zu entnehmen.
Die Signale der drei Abstandssensoren werden von einem Mikrocontroller verarbeitet. Wird der Abstand der Stäbe (mit etwas Toleranz) korrekt eingestellt und wird die Drehscheibe um den richtigen Winkel verdreht, so steuert der Mikrocontroller ein Servo an und dreht dieses um eine halbe Umdrehung. Eine Scheibe, welche zur Hälfte schwarz und auf der anderen Hälfte mit dem Code versehen ist, dreht sich. Dies führt dazu, dass durch eine halbkreis-förmige Aussparung der Code für die Spieler sichtbar wird.
Komponentenspezifikation
An dieser Stelle sollen noch Komponentenspezifikationen (bspw. in Form von Datenblättern) hochgeladen werden.
Umsetzung (HW/SW)
Planungs- und Entwicklungsphase
Hardware:
Zu Beginn der Planungs- und Entwicklungsphase der Hardware erscheint es sinnvoll, zunächst einen rudimentären Aufbauplan des Projekts zu erstellen. Dazu wurde ein 3D-Modell mithilfe der Software SolidWorks erstellt, welches in Abbildung eins und zwei zu sehen ist.
Dabei lässt sich feststellen, dass bereits in der Planungs- und Entwicklungsphase Probleme bewältigt beziehungsweise umgangen werden können. Dies zeigt sich in dem rudimentären Entwurf durch die Anordnung der ausziehbaren Stäbe. Diese sind so angeordnet, dass sie horizontal ausziehbar sind, was das Problem des eigenständigen Verstellens verhindern soll. Außerdem sollte bereits so entworfen werden, dass die Sensoren sich nicht gegenseitig behindern.
Es sollte beim Entwurf der Hardware des Weiteren drauf geachtet werden, welchen Arbeitsbereich die Sensoren aufweisen. Beispielsweise sollte bei den Stäben beachtet werden, dass der Messbereich des Sensors begrenzt ist (zu geringe Entfernungen sind nicht zuverlässig messbar). Außerdem sollte die Drehscheibe so konstruiert werden, dass dass der Ultraschallsensor ausreichend Fläche hat, welche das Signal reflektiert. Dies hängt maßgeblich von dem Abstrahlwinkel des Sensor-Triggers ab.
Weiterer Teil der Planungs- und Entwicklungsphase ist das Beschaffen beziehungsweise Erstellen von 3D-Modellen jedes verwendeten Bauteils. Diese können dann als Grundlage eines konkreten Entwurfs der Hardware verwendet werden.
Software:
Ergebnis
Zusammenfassung
Lessons Learned
Projektunterlagen
Projektplan
Projektdurchführung
YouTube Video
N/A
Weblinks
Literatur
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