Modelle 8-10: Fahrerloses Transportfahrzeug

Sicher unterwegs im Parcours

Klassenstufe

11-13

Zeitaufwand

2-3 Doppelstunden pro Lerneinheit (erweiterbar bis zu 13 DS)

Schwierigkeitsgrad

Modell: mittel, Programmierung: leicht bis schwer

Modellart

Tischmodell für fahrerlose Transportfahrzeuge

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MODELLBESCHREIBUNG / AUFGABE

Die Schülerinnen und Schüler (SuS) planen und realisieren fahrerlose Transportfahrzeuge (FTF), die sie Schritt für Schritt mit weiterer Sensorik und intelligenter Steuerung versehen. Ausgehend von einem Grundfahrzeug mit Encodermotoren, das definierte Strecken und Drehungen ausführt sowie erstes Linienfolgen mithilfe eines Spursensors bewältigt, über ein FTF mit Ultraschallsensor zur Kollisionsvermeidung sowie USB-Kamera zur Interaktion mit Farbflächen bis hin zum Regelkreis gesteuerten oder sogar KI-gestützten Linienfolgen entwickeln sich die Modelle fort – und damit auch die Ansprüche an Aufbau, Verdrahtung und Programmierung.

Die SuS lernen Zustandsübergangsdiagramme für Fahrzustände zu erstellen und Sensordaten gezielt zu lesen und zu verwenden. Aus den Eigenschaften und Messwerten der Sensoren ermitteln sie passende Fahr- und Lenkgruppen, definieren Variablen für Weg- und
Winkelsteuerung sowie Reaktionszeiten für sichere Kurskorrekturen.

Aus den so festgelegten Zuständen und Parametern entwickeln die SuS zunächst regelbasierte Steuerprogramme mit Variablen, Unterprogrammen und Zustandslogik; anschließend konfigurieren und trainieren sie ein neuronales Netz für ein Regressionsproblem, das
aus Sensoreingängen geeignete Motorgeschwindigkeiten vorhersagt und als Differenzierung um den Abstandssensor erweitert wird. Die Tauglichkeit prüfen die SuS in Fahrversuchen auf dem Parcours – Geradeauslauf, Spurhalten, Ausweichen und Farbflächen-Reaktionen –
und verbessern ihre Lösungen durch systematische Fehlersuche und Geschwindigkeitsoptimierung.

ALLTAGSBEZUG

Die sensorbasierte Steuerung eines Fahrzeugs ist den SuS aus dem Technik- oder Informatikunterricht und ihrem Alltag vertraut. Bekannte Anwendungen sind Tempomat und Spurhalteassistent im Auto, E-Scooter mit Sensorik sowie Saugroboter, die Linien folgen und Hindernisse meiden.

Die Einbettung in einen realitätsnahen Mobilitätskontext schafft hohe Motivationalität, weil die SuS Parallelen zu Stadtverkehr und Lagerlogistik unmittelbar erkennen. Eine Integration der Thematik in die vorberufliche Orientierung bietet sich in Fahrzeugtechnik, Elektrotechnik und Robotik/Automatisierung an, wo sensorgetriebene Regelung und das automatisierte Ansteuern von Aktoren zentrale Kompetenzen sind.
Die Verbindung aus Sensorik und KI-gestützter Steuerung begegnet den SuS nicht nur in Industrie und Verkehr, sondern auch im häuslichen Umfeld, z. B. bei Smart-Home-Anwendungen, intelligenten Heizungen oder automatischer Beleuchtung – überall dort, wo Messwerte Entscheidungen auslösen und Bewegungen zuverlässig ausgeführt werden.

Leitfragen

Welche Sensoren und Steuerungsarten eignen sich für ein fahrerloses Transportfahrzeug (FTF) im Parcours?
(Kommunikation)
Wie koordiniert man verschiedene Sensorwerte (IR-Sensor, Ultraschallsensor, USB-Kamera) für eine sichere Navigation? (Kollaboration)
Welche Kompromisse sind zwischen Geschwindigkeit, Präzision und Sicherheit sinnvoll? (kritisches Denken)
Wie lässt sich das Verhalten des FTF von einer regelbasierten zu einer KI‑gestützten Steuerung weiterentwickeln? (Kreativität)

Fächerbezug

Informatik

Fortgeschrittene Programmierung, Bedingungsschleifen, Funktionen, Zustandsautomaten, Ereignissteuerung, Kameraeinbindung, P- und PD-Regler, neuronale Netze, Training eines neuronalen Netzes

Mathematik

Berechnung von Termen, Skalierung, Proportionalität und lineare Funktionen, Einheitenumrechnung, Normierung, Regression

Technik

Stabiles Bauen, Konstruktionstechnik

Physik

Bewegung (Weg, Zeit, Geschwindigkeit), Signalverarbeitung, Ultraschall-Laufzeitmessung und Schallausbreitung, Trägheit und Bremsweg, Farberkennung, Regelungstechnik

Unterrichtsverlauf

Unterrichtsgespräch

Bekanntgeben des Themas, ggf. Video „Fahrerloses Transportsystem“ zeigen.
→ www.youtube.com/watch?v=cJjz3NxiKh4
Abfragen, was die wesentlichen Merkmale für die Steuerung von Fahrerlosen Transportfahrzeugen sind.
Szenarien abfragen, in denen Fahrerlose Transportfahrzeuge vorkommen.
Einsatzmöglichkeiten diskutieren.
Anforderungen an den Aufbau der Modelle ermitteln.

ggf. Hilfestellung

Sensoren, Aktoren und Bauteile aus dem Baukasten zeigen, wenn nötig, Präsentationsmedien einsetzen.

Unterrichtsgespräch (mit App)

Die Vorgehensweise zum Bau des Modells und die zu erzielende Funktion werden gemeinsam erarbeitet.
Die Arbeitsschritte der App werden vorgegeben bzw. besprochen.

Partner- oder Einzelarbeit (mit App)

Die SuS machen sich mit der App vertraut und laden die entsprechende Aufgabe.
Die SuS definieren sinnvolle Funktionen zur Steuerung eines FTFs mithilfe des TXT 4.0 Controllers.
Die SuS erstellen mithilfe der App die Sensorliste für den aktuellen Anwendungsfall.
Die SuS bereiten den Parcours vor. Die Fahrfläche sollte so glatt wie möglich sein.

Hinweis: Die Fahrexperimente sollten wahlweise auf dem Boden oder auf einer Fläche mit Randbegrenzung stattfinden, um ein Herunterfallen der Fahrzeugmodelle zu vermeiden.

Optionale Partner- oder Gruppenarbeit (ohne App)

Die SuS diskutieren die einsetzbare Sensorik und skizzieren mögliche Aufbauten.
Die SuS diskutieren ihre Erfahrungen mit automatisiertem bzw. autonomen Fahren in der Gruppe.