Schüler*innenprogramm: Autonome Mobile Roboter

Abb. 1: Aufbau eines Educational Escape Games

Autor:	Prof. Dr.-Ing. Schneider
Vortrag

Schwerpunkt:	Robotik, Sensorik, Regelungstechnik
Wo?	Schule mit PC-Raum (Bild und Ton) im Raum Lippstadt
Für wen?	Ab Klasse 7

Wie verfolgt ein Roboter einer Linie?

Ein LEGO-Mindstorms-Linienfolger ist ein Roboter, der einer dunklen Linie auf hellem Untergrund (oder umgekehrt) automatisch folgt. Er nutzt einen nahe am Boden montierten Farb-/Lichtsensor, um die Reflexion zu messen und Abweichungen von einer Kalibrier-Schwelle zu erkennen. Zwei Motoren werden so geregelt, dass der Roboter bei Abweichung nach links oder rechts korrigiert. Einfach beginnt man mit einem Proportionalregler (P), optional lässt sich auf PID erweitern für höhere Geschwindigkeit und Stabilität. Wichtig sind gute Kalibrierung, ausreichender Linienkontrast, passende Basisgeschwindigkeit und ein korrekt positionierter Sensor.

Vorbereitung

• PCs mit USB Anschlussmöglichkeit oder Bluetooth
• 2 SuS pro PC
• Installation der Software auf den PCs (LME-EV3_Full-setup_1.4.5_de-DE_WIN32)

Roboter

	R2-D2
	C-3PO
	K-2SO
	BB-8
	D-O

Ablauf

Einleitung

• Vorstellung der Hardware
• Vorstellung der Software
• Bildschirm verändern
• Ton abspielen

Aufgabe 1: Mit dem Farbsensor messen

Die Funktion des Farbsensors wird hier beschrieben. Deine Aufgabe ist es mit dem Sensor 2 die Reflektivität des Tisches und der schwarzen Linie zu messen.

Tabelle 1: Messungergebnisse

Oberfläche	Messwert
Tisch
Schwarze Linie

Aufgabe 2: Der ZappelBot folgt der Linie

Hangele Dich mit Sensor 2 an der schwarzen linie entlang.

• Wenn Du die schwarze Linie siehst, fahr nach rechts.
• Wenn Du den Tisch siehst, fahr nach links.

Frage: Welches ist die optimale Geschwindigkeit?

Aufgabe 2: Mathe ist überall

Die Mathematik hilft uns die Messwerte linear umzurechnen. Nimm die Messwerte aus Tabelle 1 und rechne Sie gemäß Tabelle 2 um.

Tabelle 1: Normierung der Messwerte

Messwert	Prozent
Tisch	0 %
Schwarze Linie	100 %

Schreibe eine Funktion, um die Messwerte umzurechnen.

Formel: $S_i=\frac{(S-Min)\cdot 100}{(Max-Min)}$ mit Min, Max als minimaler und maximaler Sensorwert.

Aufgabe 3: Linienverfolger mit einem Sensor

1. Messe mit Sensor 2 (Istwert).
2. Der Sollwert liegt bei 50 %.
3. Bestimme die Regelabweichung e indem Du Istwert-Sollwert rechnest.
4. Multipliziere die Regelabweichung mit dem Faktor P
5. Gib das Ergebnis auf die Lenkung.

Jetzt müsste der Bot ganz entspannt der Linie folgen.

Musterlösung

Aufgabe 4: Drei Augen sehen mehr

Nutze alle 3 Sensoren zur Linienverfolgung.

Es empfehlen sich folgende Schritte:

1. Normierung der Messwerte der Sensoren
2. Berechne den Istwert über einen gewichteten Mittlwert $IstWert=\frac{0\cdot S_1+100\cdot S_2+200\cdot S_3}{S_1+S_2+S_3}$
3. Der Sollwert liegt bei 100 (vgl. Tabelle 3).
4. Bestimme die Regelabweichung e indem Du Istwert-Sollwert rechnest.
5. Multipliziere die Regelabweichung mit dem Faktor P
6. Gib das Ergebnis auf die Lenkung.

Tabelle 3: Beispiel für den gewichteten Mittelwert

$S_1$	$S_2$	$S_3$	IstWert
0	0	0	0
100	0	0	0
0	100	0	100
0	0	100	200

Musterlösung 

Aufgabe 5: Änderung der Regelabweichung berücksichtigen

Nutze einen Gyro, um in Kurven stärker einzulenken.

2D0

• Software installieren
• Raum vorbereiten
• 5x Bluetooth Anbindung
• Unterricht für Montag vorbereiten

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