Modelle 6 & 7: Ampelsteuerung

Fließt der Verkehr?

Klassenstufe
11-13
Zeitaufwand
2 Doppelstunden pro Lerneinheit (erweiterbar bis zu 10 DS)
Schwierigkeitsgrad
Modell: leicht, Programmierung: leicht bis schwer
Modellart
Tischmodell für Lichtsignalanlage
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MODELLBESCHREIBUNG / AUFGABE

Die Schülerinnen und Schüler (SuS) planen und realisieren eine Lichtsignalanlage zur Steuerung von Personen- und Kraftfahrzeugverkehr. Ausgehend von einer einfachen zeitgesteuerten Fußgängerampel, über eine Querungsampel für eine Kraftfahrtstraße bis hin zu einer Kreuzung mit Kraftfahrzeug- und Fußgängerströmen sowie der KI-Phasensteuerung einer Querungsampel entwickelt sich das Modell fort und damit auch die Ansprüche an Aufbau und Programmierung. 

Die SuS lernen Signallagepläne und Signalzeiten pläne kennen und lesen. Aus den Informationen der Signalzeitenpläne ermitteln sie mögliche Schaltgruppen, die gleichzeitig geschaltet werden können, sowie die zugehörigen Schaltzeiten.

Aus den so festgelegten Gruppen und Zeiten entwickeln die SuS ein Steuerprogramm, das anhand des Ampelmodells auf seine Tauglichkeit getestet werden kann.

ALLTAGSBEZUG

Die zeitgesteuerte Aktivierung von Aktoren ist den SuS aus dem technikwissenschaftlichen Unterricht oder Informatikunterricht bzw. ihrem Alltag bekannt. Insbesondere die Einbettung in einen realitätsnahen Anwendungskontext, den die SuS aus ihrem Alltag sehr gut kennen, weist eine 
hohe Motivationalität auf.

Eine Integration der Thematik in die vorberufliche Orientierung könnte im Hinblick auf verkehrstechnische oder elektrotechnische Berufsfelder erfolgen, wo das automatisierte Ansteuern von Aktoren in vielen Bereichen genutzt wird. In besonderer Weise kommt die automatisierte Zeitsteuerung nicht nur in der Industrie, sondern auch im häuslichen Umfeld, z. B. bei Smart Home Anwendungen, zum Einsatz.

Leitfragen

  • Welche Arten der Steuerung von Verkehrsströmen gibt es? (Kommunikation)
  • Wie kann man die Verkehrsströme von motorisiertem Verkehr und Fußgängern sicher lenken? (Kollaboration)
  • Welche Wartezeiten sind den einzelnen Verkehrsteilnehmern zumutbar?(kritisches Denken)
  • Wie kann man Lichtsignale zeit- und anforderungsgesteuert sicher betreiben? (Kreativität)

Fächerbezug
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Informatik
Fortgeschrittene Programmierung, Bedingungsschleifen, Funktionen, grafische Anzeigen, neuronale Netze, KI
Mathematik
Berechnung von Termen
Technik
Stabiles Bauen, Signalzeitenpläne, Konstruktionstechnik
Physik
Stromkreis, Bewegung, Messungen von Zeiten

Unterrichtsverlauf
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Einführungsphase
Planungsphase
Konstruktionsphase der Lichtsignalanlage (Ampelsteuerung 1)
Programmierphase der Lichtsignalanlage (Ampelsteuerung 1)
Experimentier- und Testphase der Lichtsignalanlage (Ampelsteuerung 1)
Abschluss-/Anschlussphase der Lichtsignalanlage (Ampelsteuerung 1)
Konstruktionsphase der Verkehrskreuzung (Ampelsteuerung 2)
Programmierphase der Verkehrskreuzung (Ampelsteuerung 2)
Experimentier- und Testphase der Verkehrskreuzung (Ampelsteuerung 2)
Abschluss-/Anschlussphase der Verkehrskreuzung (Ampelsteuerung 2)
Konstruktionsphase der KI-Phasensteuerung (Ampelsteuerung 3)
Programmierphase der KI-Phasensteuerung (Ampelsteuerung 3)
Experimentier- und Testphase der KI-Phasensteuerung (Ampelsteuerung 3)
Abschluss-/Anschlussphase der KI-Phasensteuerung (Ampelsteuerung 3)

 

Informationen und Hinweise
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Methodisch-didaktische Hinweise
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Differenzierungsmöglichkeiten

Je nach Dauer der Unterrichtsreihe und der Stärke der SuS kann

  • die Komplexität der Anforderungen an die Steuerung der LSA nicht nur über die Anzahl der Lichtsignale, sondern auch durch die Anzahl der sicher zu querenden Verkehrsströme gesteigert werden. 
  • eine reale Messung der Signalzeiten einer LSA im schulnahen Umfeld erfolgen, die die Grundlage für eine geänderte Steuerung der LSA bilden könnte.
  • das Ampelmodell durch eine Gruppenarbeit erweitert werden. 
  • mithilfe der USB-Kamera eine Erkennung von Verkehrsteilnehmern und daraus folgend eine Anpassung der Phasenlängen aufgrund von geänderten Räumzeiten realisiert werden.
    ​

Motivationale Aspekte

Das Thema automatische Steuerung von Aktoren ist allen SuS aus dem Alltag bekannt. 
In vielen Haushalten gehören etliche smarte Anwendungen längst zum Alltag. Sich zeitgesteuert autonom einschaltende Wasch- oder Spülmaschinen, zentral angesteuerte Rollläden oder teilautonom kochende Küchenmaschinen finden immer häufiger Anwendung.

 


Zusatzmaterialien

  • Falls vorhanden, könnte für die Einführungsphase in das Thema ein Video genutzt werden.
  • Zeichenmedien (Papier, Whiteboard oder Projektionsfläche).
    ​

Bauanleitung Ampelsteuerung Einstieg

Stromlaufplan Ampelsteuerung Einstieg

Bauanleitung Ampelsteuerung KI

Stromlaufplan Ampelsteuerung KI

Funktionen des Modells und deren technische Lösungen
​

 

Funktionen der Sensoren / Aktoren

 

Technische Lösung

 

Lichtsignalanlage (LSA)

 

Zeitsteuerung der Aktoren

 

Bedarfsanmeldung

 

Anpassung der Programmierung

 

Querungssimulation

 

 

Entflechtung von Verkehrsströmen
Farberkennung durch USB-Kamera Steuerung von Grünphasenlängen
Ampelsteuerung 2:
Verbindung zweier TXT 4.0 Controller
Datenaustausch zwischen zwei Controllern 
nach dem Konzept von Master und Slave 

Ampelsteuerung 3:
Farberkennung durch USB-Kamera
  • Aufbau eines neuronalen Netzes 
  • Erfassung von Trainingsdaten 
  • Umsetzung eines Klassifikationsproblems mithilfe von KI
Weitere Differenzierung:
Anpassung der LSA an real vorhandene LSA		 Datenerfassung, Modellbildung, Phasierung, 
Programmierung, Erprobung

Materiallisten
​

 

Sensoren

 

Funktion

 

1 On/Off-Taster am TXT 4.0 Controller

 

Einschalten der Ampelsteuerung

 

1 Mini-Taster

Bedarfsanmeldung
1 USB-Kamera Kategorisierung von Verkehrsteilnehmern 

 

Aktoren

 

Funktion

1 Display des TXT 4.0 Controllers

 Visualisierung des Programms 
5 LEDs (2 × rot, 2 × grün, 1 × gelb) Lichtsignale der Ampel 


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