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La Cucaracha

Jahrgangsstufe

9-12

informatischer Inhalt

Robotik, Programmierung

Baukasten

Arduino + Metallbaukasten

Materialkosten

80 €

Einführung und Zusammenfassung Bearbeiten

  • Ziele: Anwendun erlernter Programmierkompetenzen, Modellierung und deren Umsetung am Beispiel eines Arduino-Roboters
  • Die SuS (Jahrgangsstufe ab 9 Klasse) erlernen in 2-Personengruppen an mindestens 2 Projekttagen die Verbindung der Informatik mit der Realität anhand des Zusammenbaus eines Käfers, der mit 6 Beinen laufen kann, aber nur mit 3 Servomotoren betrieben und über ein Ardunino-Board gesteuert wird. Zusätzlich ist die Anbindung eines Distanzsensor möglich. Mit diesem Roboter können Probleme des Hamstermodells praktisch nachgestellt werden.
  • Die Inhalte des Lehrmodul umfassen fächerübergreifend folgende Bereiche:
    • Kinetik/Biologie: Laufmodell eines Hexapod-Roboters
    • Gesellschaft: Abhängigkeit der Menschen von der Funktionsfähigkeit von Robotern und deren programmtechnische Umsetzung
    • Physik: Arduino und Sensoren (Funktionsweise von Echoortung)
  • Video
  • Anregung von https://www.pololu.com/docs/0J42/all
    La Cucaracha

    La Cucaracha

Konzept - LehrinhaltBearbeiten

  • Bildungsstandard GI 2008
    • Modellieren und Implementieren
    • Strukturieren und Vernetzen
    • Kommunizieren und Kooperieren

RessourcenBearbeiten

Material:

  • Metallbaukasten von Tronico/RCEE (zeitweise erhältlich in [Aldi-Discounter] für ca. 13 €)
    • notwendig sind die jeweiligen Bestandteile zum Zusammenbau des Metall-Gerüsts des Roboters, diese können auch aus anderen Metallbaukästen verwendet werden
  • Arduino Uno R3 ca. 20 € mit USB-Kabel und ggf. Stromkabel
    LaCucaracha Elektronik
  • Kosten insgesamt: je Roboter ca. 80 €
  • die elektronischen Bauteile sind alle auch in asiatischen Ländern erwerbbar, bspw. [MiniInTheBox.com], allerdings mit zusätzlichen Zollkosten und evtl. langer Lieferzeit
  • Draht, Klebeband, Papier, Bastelmaterial für das Gehäuse des Roboters
  • je Roboter-Modell/Projektgruppe ist ein Laptop notwendig
  • für die Vorbereitung des Projekts durch eine Lehrkraft ohne Vorwissen sollten ca. 2 Tage eingeplant werden
  • Benötigte Software
    • Für die Lehrer: Arduino und S4A oder ggf. Ardublock
    • Für die SuS: ebenso, aber entsprechend der Aufgabenstellung, dem Projektziel, angepasst

Durchführung im Unterricht bzw. Lernlabor / Workshop - LehrmaterialBearbeiten

Wie läuft das Modul/der Unterricht ab (Ablauf und Verweise auf Arbeitsblätter)?

Beispiel einer Umsetzung - PrototypBearbeiten

Eigene Umsetzung des Projektes durch SuS

  • Bauplan der Steckplatine (Schaltkreis erstellt mit Fritzing)
  • Bauanleitung siehe Arbeitsblätter
  • Umsetzung
    Um ein Arduino-Board zu programmieren, benötigt man die Arduino Software. Diese kann von der Arduino Seite kostenlos heruntergeladen werden. Für eine rein grafische Programmierung muss für diesen Roboter zusätzlich noch die S4U-Umgebung installiert werden. Das hiermit erstellte Programm kann allerdings nicht auf das Arduino-Board hochgeladen werden. Für die Ausführung dieses Programms ist immer eine Verbindung mit dem PC über das USB-Kabel notwendig. Wenn ein Programm rein textuell direkt mit Arduino erstellt wird, ist das Hochladen auf das Arduino-Board möglich und der Code wird bei vorhandener Stromzufuhr für das Board auch ohne eine Anbindung an einen PC ausgeführt. Der Roboter kann sich bspw. mit einer 9V-Block-Batterie und einem Strom-Adapterkabel autonom fortbewegen. Eine grafische Programmierung mit der Möglichkeit des Hochladens auf das Ardunino-Board ist mit ArduBlock möglich. Eine Umsetzung dazu wird hier nicht vorgestellt.

    Die grafische Umgebung S4U eignet sich für die Nutzung mit SuS, da die Programmierung auf Scratch basiert, zusätzlich das Arduino-Board grafisch angezeigt wird und sämtliche aktuellen Werte der Ein- und Ausgabepins alle 75 ms aktualisiert angezeigt werden. Für die Nutzung von S4U muss die Firmware, ein Arduino-Programm, auf das Board mittels der Arduino-Software geladen werden. Laut der Methode configurePins() in dem Scretch können hiermit 3 Servomotoren angesprochen werden.
    Für die Nutzung des Ultraschallsensors HC-SR04 mit S4U kann die angepasste Firmware von El Prof García genutzt werden (Video). Mit dieser Firmware ist der Ultraschallsensor unter S4A sofort nutzbar.

    Zu beachten ist, dass solange die S4A-Software geöffnet ist, ein Programm (Sketch) der Arduino-Software nicht auf das Board geladen werden kann.

    Für die Nutzung des Ultraschall-Sensors HC-SR04 mit der Arduino-Software eignet sich die Bibliothek NewPing. Nach dem Download wird die Library.zip in die Arduino-Software importiert. Folgendes einfaches Beispiel zeigt deren Nutzung:
    LaCucaracha Distanz SW

    In der Arduino-Software wird unter dem Menüpunkt Werkzeuge -> Serieller Monitor das Ergebnis der Entferungsmessung angezeigt. Hier muss noch die Übertragungsgeschwindigkeit von dem ArduinoBoard zum PC über das USB-Kabel entsprechend des Codes auf 115200 Baud eingestellt werden.

    Sollten kein Werte empfangen werden, überprüfen Sie die Kabelverbindungen zum Breadboard und zum Ardunino-Board. Das Mini-Breadboard (Tutorial https://learn.sparkfun.com/tutorials/how-to-use-a-breadboard ) bietet die Möglichkeit mehrere Aktuatoren, sowie Sensoren mit Strom zu versorgen. Über das Mini-Breadboard sind, siehe Steckplan, zusätzlich 3 weitere LEDs anschließbar. Mit der Anbindung der 3 Servomotoren kann es allerdings zu fehlerhaften Messungen des Ultraschallsensors kommen und die Entfernung wird nicht korrekt erkannt. Nach einigen Test konnte die Fehlerrate gemindert werden, indem im Setup zwischen der Initialisierung der einzelnen Servomotoren etwas Verzögerung eingebaut wurde und die serielle Übertragungsgeschwindigkeit verringert wurde.
    Mit Arduino und S4A wurde beispielhaft die Vorwärtsbewegung des Käfers programmiert.
    LaCucaracha S4A-Servo SW
  • Sämtliche Materialien sind unter https://www.dropbox.com/sh/fz9ht2kx8lqjdgu/AABMzXMhIN5j8XAPi-j0tG6_a?dl=0 zu finden.

ReflexionBearbeiten

  • SuS sollen erkennen, dass Fehler bei einigen Problemstellungen unumgänglich sind und einige Ziele nicht erreichbar

Erweiterungsmöglichkeiten und weiterführende ThemenBearbeiten

  • Möglichkeiten das Projekt zu erweitern:
    • siehe Aufgaben des Hamstermodells
    • grafische Ausgabe des gekrabbelten Pfades des Käfers
    • Steuerung des Käfers über die Tastatur, oder über eine Kamera auf dem Laptop, siehe Scratch-Beispiel Musical Buttons.
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