Modelle 8-10: Fahrerloses Transportfahrzeug

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. 

Partner- oder Einzelarbeit (mit App)

• Die SuS nutzen die App zum Bau des Hinderniserkenners. Die App führt kleinschrittig durchs Programm.
• Die SuS prüfen mithilfe des Schnittstellentests die Verkabelung der Sensoren.

Partner- oder Gruppenarbeit (mit App)

• Die SuS entwickeln ein Programm für eine einfache Geradeausfahrt sowie für gezielte Drehungen mit dem FTF. 
• Die SuS berechnen die dafür notwendigen Encoderimpulse und nehmen individuelle Anpassungen der Umrechnungsfaktoren „Impulse pro cm“ und „Impulse pro Grad“ an die Gegebenheiten des FTF vor. 
• Die SuS erweitern das FTF um eine einfache Hinderniserkennung und erstellen ein einfaches Zustandsübergangsdiagramm zur Analyse der Programmieraufgabe.
• Die SuS entwickeln ein Programm zum einfachen Linienfolgen mithilfe einer digitalen Steuerung.
• Die App führt in aufeinander aufbauenden Stufen mit offenen Fragestellungen durch die Programmieraufgabe.
• Hilfe wird in der App angeboten.
• Das Programm wird nach jedem Differenzierungsschritt auf den TXT 4.0 Controller übertragen.

Partner- oder Gruppenarbeit (mit App)

• Der Hinderniserkenner wird in Betrieb genommen. 
• Mögliche Störungen im Funktionsablauf müssen gefunden und eliminiert werden.
• Eventuelle Fehlersuche ist anhand von Vorschlägen in der App möglich.
• Eventuelle Optimierungen bei der Hardware und der Programmierung, z. B. Anpassungen der Fahrgeschwindigkeit und Anpassungen des Geschwindigkeitsunterschieds der Motoren bei Drehungen, können vorgenommen werden. 

Optional: Vorstellung und Zuteilung von Differenzierung (mit App)

• Für die Differenzierung infrage kommende SuS (oder die gesamte Gruppe) werden ggf. durch die Lehrperson angesprochen. Dabei werden Möglichkeiten für das Umfahren von Hindernissen diskutiert. 
• Die Integration der USB-Kamera unter Verwendung unterschiedlicher Farbräume wird vorgestellt. 
  
   

Partner- oder Einzelarbeit (mit App)

• Die SuS nutzen die App zum Bau des digitalen Spurfolgers. Die App führt kleinschrittig durchs Programm.
• Die SuS prüfen mithilfe des Schnittstellentests die Verkabelung der Sensoren.

Partner- oder Gruppenarbeit (mit App)

• Die SuS skizzieren ein Zustandsübergangsdiagramm zur Planung der Programmieraufgabe für das Umfahren von Hindernissen mithilfe des digitalen Spurfolgers. 
• Die SuS erweitern das Programm zum Linienfolgen aus FTF 1 um die Erkennung und das Umfahren eines Hindernisses. 
• Die SuS planen die Integration der USB-Kamera, sodass das FTF auf Farbflächen rechts oder links der Spur reagieren kann. 
• Die SuS konfigurieren die Farberkennung im HSV-Farbraum.
• Die SuS definieren die Aktionen für jede Farbfläche und integrieren sie in das Programm aus FTF 1, sodass das FTF beim Linienfolgen nun auch auf die erkannten Farbflächen reagiert.
• Die App führt in aufeinander aufbauenden Stufen mit offenen Fragestellungen durch die Programmieraufgabe.
• Hilfe wird in der App angeboten.
• Das Programm wird nach jedem Differenzierungsschritt auf den TXT 4.0 Controller übertragen.

Partner- oder Gruppenarbeit (mit App)

• Der digitale Spurfolger wird in Betrieb genommen. 
• Die SuS testen die Reaktionen des FTF auf die Farbflächen entlang des Parcours. 
• Mögliche Störungen im Funktionsablauf müssen gefunden und eliminiert werden.
• Eventuelle Fehlersuche ist anhand von Vorschlägen in der App möglich.

Optional: Vorstellung und Zuteilung von Differenzierung (mit App)

• Für die Differenzierung infrage kommende SuS (oder die gesamte Gruppe) werden ggf. durch die Lehrperson angesprochen. Dabei wird das Konzept des Regelkreises in der Steuerungstechnik vorgestellt.

Partner- oder Einzelarbeit (mit App)

• Die SuS nutzen die App zum Bau des analogen Spurfolgers. Die App führt kleinschrittig durchs Programm.
  
   

Partner- oder Gruppenarbeit (mit App)

• Die SuS planen die Integration der USB-Kamera, sodass das FTF in diesem Fall über die Linienerkennung mithilfe der Kamera einer Spur folgen kann. 
• Die SuS konfigurieren die Linienerkennung mithilfe der Kamera im RGB-Farbraum.
• Die SuS planen und implementieren einen P-Regler.
• Die SuS erweitern die Programmierung zu einem PD-Regler.
• Die App führt in aufeinander aufbauenden Stufen mit offenen Fragestellungen durch die Programmieraufgabe.
• Hilfe wird in der App angeboten.
• Das Programm wird nach jedem Differenzierungsschritt auf den TXT 4.0 Controller übertragen.

Partner- oder Gruppenarbeit (mit App)

• Der analoge Spurfolger wird in Betrieb genommen. 
• Mögliche Störungen im Funktionsablauf müssen gefunden und eliminiert werden.
• Eventuelle Fehlersuche ist anhand von Vorschlägen in der App möglich.
• Die SuS testen verschiedene Einstellungen für den Proportionalitätsfaktor des P-Reglers. 
• Die SuS vergleichen das Fahrverhalten des FTFs bei Steuerung mit einem P- bzw. PD-Regler. 

Optional: Vorstellung und Zuteilung von Differenzierung

• Für die Differenzierung infrage kommende SuS (oder die gesamte Gruppe) werden ggf. durch die Lehrperson angesprochen. Dabei sollen die Konzepte der neuronalen Netze und der KI vorgestellt werden.

Partner- oder Einzelarbeit (mit App)

• Die SuS nutzen die App zum Bau des digitalen Spurfolgers. Die App führt kleinschrittig durchs Programm.
• Die SuS prüfen mithilfe des Schnittstellentests die Verkabelung der Sensoren.
• Falls der digitale Spurfolger in FTF 2 bereits gebaut wurde, entfällt die Konstruktionsphase. 

Partner- oder Gruppenarbeit (mit App)

• Die SuS machen sich mit dem Aufbau eines einfachen neuronalen Netzes vertraut. 
• Die SuS konfigurieren mithilfe der App ein neuronales Netz, das aus den Sensordaten des Spursensors Motordrehzahlen berechnet und geben Trainingsdaten vor.
• Die SuS erweitern ggf. die Programmierung aus FTF 1 so, dass die Drehzahlen der beiden Motoren nun durch das neuronale Netz bestimmt werden.
• Die SuS trainieren das neuronale Netz.
• Die SuS ergänzen das Programm um die Abfrage des Abstandssensors. 
• Die SuS erweitern das neuronale Netz um ein Eingangsneuron, das die Sensordaten des Abstandssensors aufnimmt. 
  
   

Partner- oder Gruppenarbeit (mit App)

• Der Hinderniserkenner wird in Betrieb genommen. 
• Mögliche Störungen im Funktionsablauf müssen gefunden und eliminiert werden.
• Eventuelle Fehlersuche ist anhand von Vorschlägen in der App möglich.
• Eventuelle Optimierungen bei der Hardware und der Programmierung, z. B. Anpassungen der Fahrgeschwindigkeit und Anpassungen des Geschwindigkeitsunterschieds der Motoren bei Drehungen, können vorgenommen werden. 

Optional: Vorstellung und Zuteilung von Differenzierung

• Besonders effizient arbeitenden SuS oder Gruppen kann die Erweiterungsaufgabe gestellt werden, eigene Anwendungsfälle für das Fahrverhalten des FTFs zu entwickeln und die dazu notwendige Sensorik auszuwählen. 
• Die SuS können die im Verlauf der Lerneinheiten erworbenen Programmierkenntnisse und Regeltechniken kombinieren, um ein FTF mit möglichst gleichmäßigem Fahrverhalten und vielfältigen Reaktionsmöglichkeiten zu entwickeln. 
• Verschiedene Gruppen können gegeneinander antreten: Welches FTF absolviert den Parcours am schnellsten? Welches FTF ist am stabilsten gegenüber Störungen? Hier ist selbstständiges Arbeiten ohne Lernkarten vorgesehen. 

Diskussion im Plenum

• Nachbesprechung des Projekts im Klassenverbund
• Klärung von zukünftigen Einsatzmöglichkeiten im Alltag