Mikrocontroller und Roboter

Erkläre, was ein Mikrocontroller ist (ein vollständiger, aber kleiner Computer auf einer Platine), und nenne zwei Unterschiede zu einem Desktop-Computer: Was kann jeder und wofür wird er verwendet?

Erkläre, wie ein Programm auf die Platine kommt: Wo wird es geschrieben, was passiert beim „Hochladen“ über das Kabel und warum arbeitet die Platine danach allein, ohne Computer, und führt das Programm in einer Schleife aus?

Die Abbildung zeigt eine Mikrocontroller-Platine mit beschrifteten Pingruppen, bis auf eine.

Der verdeckte Pin ist der gemeinsame Bezugspunkt, zu dem alle an die Platine angeschlossenen Stromkreise zurückführen. Nenne ihn und erkläre, wozu er dient, welcher Unterschied zwischen den digitalen Pins (alles oder nichts) und den analogen Pins (lesen kontinuierliche Werte) besteht und wofür der USB-Anschluss verwendet wird.

Ordne diese Bauteile danach ein, ob sie an einen Eingangspin oder einen Ausgangspin der Platine angeschlossen werden, und begründe je eines pro Typ: ein Taster, eine LED, eine LDR, ein Summer und ein Potenziometer.

Gib an, ob diese Aussagen wahr oder falsch sind, und begründe jede Antwort: (a) Die Platine führt das Programm genau so aus, wie wir es geschrieben haben, ohne es vorher zu übersetzen; (b) die Pins der Platine halten jeden Strom aus, also kann die LED ohne Widerstand betrieben werden; (c) ein Servo kann vom Programm auf einen bestimmten Winkel gestellt werden; (d) die Platine merkt sich das letzte Programm, auch wenn sie vom Strom getrennt wird.

Die Abbildung zeigt einen mobilen Roboter von oben, mit beschrifteten Bauteilen und einem mit Fragezeichen verdeckten „Gehirn“.

Nenne das verdeckte Bauteil, erkläre, welche Informationen es von den Sensoren erhält und welche Befehle es an die Aktoren sendet, und ordne die beschrifteten Elemente (Räder mit Motor, Ultraschallsensor, Summer, LED, Batterie) als Eingang, Ausgang oder Energiequelle ein.

Gib an, was jeder Sensor misst, den du an die Platine anschließen kannst, und nenne ein Projekt, in dem du ihn einsetzen würdest: Ultraschallsensor (Entfernung), LDR (Licht), Temperatursensor und Infrarot-Linienfolger (unterscheidet hell von dunkel auf dem Boden).

Gib an, was jeder an die Platine anschließbare Aktor tut, und nenne einen wesentlichen Unterschied zwischen ihnen: eine LED, ein Summer, ein Servo (dreht bis zur befohlenen Position) und ein Gleichstrommotor (dreht ununterbrochen mit mehr oder weniger Drehzahl).

Um die Schranke eines Parkplatzes zu bewegen, kannst du einen Servo oder einen Gleichstrommotor verwenden. Vergleiche beide: Welcher erreicht eine genaue Position und bleibt dann stehen, welcher dreht ununterbrochen, welcher braucht in diesem Projekt weniger zusätzliche Elektronik und warum?

Die Motoren eines Roboters werden nicht von einem Pin der Platine versorgt, sondern von der Batterie über eine „Motortreiber“-Platine. Erkläre, warum (die Pins liefern sehr wenig Strom und der Motor würde viel mehr verlangen), welche Aufgabe die Treiberplatine hat und welchen Zusammenhang das mit dem Relais in elektronischen Schaltungen hat.

Dein Team soll die Hardwareplattform für einen Smart-Home-Prototyp auswählen, der Rollläden mit Servomotoren steuert, Gaslecks und Anwesenheit in drei verschiedenen Räumen erkennt und den Status auf einem LCD-Display anzeigt.

1. a) Vergleiche die Eignung eines kompakten „Alles-in-einem“-Boards (mit Sensoren und LED-Anzeige direkt auf der Platine) mit einem modularen Entwicklungsboard mit Erweiterungspins und Steckplatine (Breadboard). Analysiere Aspekte wie die räumliche Verteilung der Sensoren in der Wohnung und die Verkabelung von Leistungsaktoren.
2. b) Wenn ein Schüler beim Aufbau einen Fehler macht und den Temperatursensor durch Überspannung oder Verpolung zerstört, analysiere die technischen und finanziellen Folgen beim integrierten im Vergleich zum modularen Board.
3. c) Begründe, welche der beiden Plattformen du für dieses abschließende Projekt zur Heimautomatisierung wählen würdest und für welche du eine zweistündige Einführungseinheit in die Programmierung reservieren würdest.

Du möchtest, dass eine LED leuchtet, wenn das Licht im Zimmer unter einen bestimmten Wert sinkt. Erkläre, welchen Pin du zum Auslesen der LDR verwendest (einen analogen), was es bedeutet, im Programm einen „Schwellenwert“ festzulegen, und schreibe in Pseudocode die drei Schlüsselzeilen: lesen, vergleichen und handeln.

Die Abbildung zeigt den Programmablaufplan der Steuerung einer Parkplatzschranke mit Ultraschallsensor, aber die Entscheidung ist verdeckt.

Schreibe die Bedingung auf, die die Platine prüfen muss (ist die gemessene Entfernung kleiner als ein bestimmter Wert, ist ein Auto da), erkläre, was die Schleife tut, solange niemand kommt, und was passieren würde, wenn die Schranke ohne einige Sekunden Wartezeit herunterginge.

Entwirf eine Ampel mit der Platine: Entscheide, wie viele Ausgangspins du brauchst und wofür, schreibe die Abfolge der Zustände mit ihren Zeiten auf (Grün $4\ \text{s}$, Gelb $1\ \text{s}$, Rot $4\ \text{s}$) und erkläre, warum das Programm als Schleife geschrieben wird, die nie endet.

Du sollst das autonome Steuerungssystem für einen Bibliotheks-Botenroboter entwerfen, der Bücher zwischen zwei Stationen (Tisch 1 und Tisch 2) transportiert und sich dabei an einer Linie am Boden orientiert. Der gesamte Ablauf besteht aus: per Taster auf den Startbefehl warten, der Linie folgen, bis eine Stopp-Querlinie erkannt wird, anhalten und 3 s lang mit einem Summer signalisieren, warten, bis die Nutzerin oder der Nutzer das Buch entnimmt (erkannt durch einen Anwesenheits- oder Gewichtssensor), und zu Tisch 1 zurückfahren, wobei eine Drehung um 180° ausgeführt wird, damit er für den nächsten Auftrag bereit ist.

1. a) Bestimme die erforderlichen Sensoren und Aktoren und ordne jeweils ein, ob es sich um Eingabe- oder Ausgabegeräte handelt.
2. b) Entwirf den Zustandsautomaten oder Programmablaufplan des Systems und gib genau die verschiedenen Zustände des Roboters an sowie die Bedingung, die den Übergang in den nächsten Zustand auslöst.
3. c) Ergänze den Entwurf um ein reaktives Sicherheitskonzept: Welchen Sensor musst du einbauen und wie muss die Hauptschleife reagieren, wenn ein Schüler weniger als 20 cm vor dem fahrenden Roboter kreuzt?

Der Ultraschallsensor misst Entfernungen wie eine Fledermaus. Erkläre das Prinzip (er sendet einen Schallimpuls aus und misst, wie lange das Echo zurück braucht), warum er zwei „Augen“ hat (eines sendet, das andere hört) und zwei Situationen, in denen er versagen kann: weiche Gegenstände, die den Schall schlucken, und schräge Flächen, die das Echo ablenken.

Beschreibe das Verhalten eines Hindernis umfahrenden Roboters auf hoher Ebene: Was misst der Frontsensor, was tut der Roboter, wenn alles frei ist, und welche Abfolge führt er aus, wenn er etwas in der Nähe erkennt (anhalten, drehen, erneut prüfen)? Was würde passieren, wenn er nur den nach vorn gerichteten Sensor hätte?

Du entwirfst die Kalibrierung und den Aufbau eines Linienfolgerroboters, der eine weiße Strecke mit einer 2 cm breiten schwarzen Linie abfährt. Der Roboter hat zwei Infrarot-Reflexsensoren ($S_I$ links und $S_D$ rechts), die vorn montiert sind, sowie einen Differentialantrieb mit zwei unabhängigen Motoren.

1. a) Sage voraus, welches Fehlverhalten der Roboter zeigt, wenn du die Sensoren nur 1 cm voneinander entfernt montierst (Abstand kleiner als die Linienbreite). Und wenn du sie 6 cm auseinander setzt? Begründe, wie groß der optimale geometrische Abstand sein muss.
2. b) Entwirf die Entscheidungstabelle des Roboters mit dem Zustand jedes Motors (vorwärts, Stopp oder rückwärts) für jede der 4 möglichen Messkombinationen (Weiß/Schwarz).
3. c) In einer engen Linkskurve neigt der Roboter dazu, aus Trägheit von der Linie abzukommen, wenn er nur den linken Motor abschaltet und den rechten vorwärts laufen lässt. Begründe, welche Änderung bei der Motorsteuerung nötig ist, um eine deutlich engere Drehung auf der Stelle zu erreichen.

Zur Steuerung einer Zufahrtsschranke mit Not-Halt-Taster programmiert ein Schüler die folgende Sequenz:

schranke_öffnen();

warten(5000); // feste Pause von 5 s mit delay

schranke_schließen();

Bei den Tests reagiert das System nicht, wenn der Not-Halt-Pilztaster während der 5-s-Pause oder während des Absenkens der Schranke betätigt wird, und setzt seinen Ablauf fort, sodass es zu einem Aufprall kommt.

1. a) Erkläre auf der Ebene der Programmausführung des Mikrocontrollers, warum der feste Warte-Befehl (delay) die Reaktionsfähigkeit auf den Notfall blockiert.
2. b) Entwirf die algorithmische Struktur (als Pseudocode oder Diagramm), die die Schranke 5 s geöffnet hält, dabei aber ständig den Stopp-Taster abfragt, um den Motor sofort anzuhalten.
3. c) Du brauchst zusätzlich einen Summer, der in 0,5-s-Abständen piept, während sich die Schranke bewegt. Begründe, warum diese Anforderung mit blockierenden Pausen nicht umsetzbar ist und wie man das Problem löst.

Dein Programm sollte eine LED beim Drücken eines Tasters einschalten, aber es passiert das Gegenteil: Sie leuchtet und geht beim Drücken aus. Erkläre zwei mögliche Ursachen (die Logik des Programms ist invertiert oder der Taster ist verkehrt herum verdrahtet, „active low“) und wie du jede überprüfen würdest.

Eine Gruppe von Schülerinnen und Schülern hat eine Fußgängerampel mit Taster nach folgender Logik programmiert: Sobald der Fußgänger den Knopf drückt, springt die Fahrzeugampel sofort von Grün auf Rot und die Fußgängerampel wird für 15 s grün. Beim Test an einem Straßenmodell beobachten sie ruckartiges Abbremsen der Fahrzeuge und dauernde Staus, wenn mehrere Fußgänger wiederholt den Knopf drücken.

1. a) Begründe zwei Mängel dieses ersten Programms in Bezug auf Sicherheit und Verkehrsfluss.
2. b) Entwirf den korrigierten Programmablaufplan oder den zeitlichen Ablauf (mit Angabe von Eingängen, Ausgängen und empfohlenen Zeiten), um beide Probleme zu lösen. Berücksichtige dabei eine Übergangsphase (Gelb) und stelle eine Mindestdauer für durchgehendes Grün für Autos sicher, bevor eine weitere Fußgängeranforderung bedient wird.
3. c) Du möchtest während der letzten 3 s der Fußgängergrünphase ein intermittierendes akustisches Signal für sehbehinderte Menschen hinzufügen. Wie musst du die Zeitsteuerung dieses Ausgangs ändern?

Bei einem Parkplatz mit 10 Stellplätzen und Schranke schlägt ein Schüler diesen Algorithmus vor: „Der Eingangssensor erhöht die Anzahl der Autos auf dem Parkplatz um 1, sobald er ein Fahrzeug erkennt, und öffnet die Schranke; der Ausgangssensor zieht beim Ausfahren 1 ab; erreicht die Anzahl der Autos 10, leuchtet die Anzeige BELEGT und die Schranke öffnet nicht mehr.“ In der ersten Testwoche zeigt das System BELEGT an, obwohl Plätze frei sind, und manchmal schlägt die Schranke auf das Autodach.

1. a) Analysiere und nenne zwei reale physikalische Situationen, durch die der Zähler im Laufe der Stunden falsche Werte liefert (Hinweise: Fahrzeuge, die nach dem Überfahren des Sensors umkehren, Fußgänger, Fehlerkennungen).
2. b) Entwirf die vollständige Steuerungslogik (mit Bedingungen für Eingangssensor, Schranke und Ausgangssensor), sodass die Zählung zuverlässig ist und nicht von einer einzigen Momentanmessung abhängt.
3. c) Welche Sicherheitsbedingung muss in der Programmierung absoluten Vorrang haben, damit die Schranke niemals schließt, solange ein Hindernis oder Fahrzeug darunter ist?

Du sollst das Steuerungs- und Aufzeichnungssystem einer Umweltstation für ein Schulgewächshaus mithilfe eines programmierbaren Mikrocontrollers entwerfen.

1. a) Wähle drei geeignete Sensoren zur Überwachung der Pflanzenbedingungen aus, ordne sie als analog oder digital ein und begründe die jeweils passende Abtastrate (argumentiere, warum eine Temperaturmessung alle 10 ms ein technischer Fehler wäre und warum eine Messung einmal pro Tag nicht ausreichen würde).
2. b) Schreibe die boolesche Bedingung, die gleichzeitig die Lüftung und die automatische Bewässerung aktiviert, wenn die Temperatur 32 °C überschreitet und die Bodenfeuchte unter 30 % fällt.
3. c) Bei der Durchsicht der täglichen grafischen Aufzeichnung stellst du fest, dass um 13:00 Uhr der Helligkeitswert maximal ist, der Temperaturfühler aber plötzlich 15 Minuten lang 0 °C anzeigt, bevor er wieder auf 28 °C zurückgeht. Deute diese Auffälligkeit und begründe, ob sie auf ein Wetterphänomen oder auf einen Geräteausfall (Verkabelung/Sensor) zurückzuführen ist.

Ein mit Arduino programmierter mobiler Roboter funktioniert einwandfrei, solange er per USB-Kabel am Computer hängt (die Räder drehen sich in der Luft und das Programm führt die gesamte Sequenz aus). Wenn man jedoch das USB-Kabel abzieht, ihn mit einem Batteriehalter mit 4 AA-Batterien (6 V) versorgt, der sowohl das Board als auch die Motoren speist, und ihn auf den Boden stellt, passiert Folgendes: Genau in dem Moment, in dem die Motoren versuchen anzulaufen, um die Reibung zu überwinden, flackert die Betriebs-LED des Boards kurz, der Roboter macht einen kleinen Ruck und das Programm startet in einer Endlosschleife immer wieder ab der ersten Zeile neu.

1. a) Deute und begründe die physikalisch-elektrische Ursache dieses Fehlers: Was passiert beim Anlaufen mit dem Strombedarf der Motoren und wie wirkt sich das auf die Spannung aus, die der Mikrocontroller erhält?
2. b) Warum zeigte sich dieses Problem nicht, als der Roboter per USB mit Rädern in der Luft getestet wurde?
3. c) Schlage zwei technische Änderungen an der Stromversorgung vor und begründe sie, um das Problem dauerhaft zu lösen und die Stabilität des Mikrocontrollers sicherzustellen.