Einleitung. Inhalt. Kreisen auf hellen oder dunklen Arealen

Transkript

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2 Einleitung Mit Hilfe einer geschickten Kombination von drei Helligkeitssensoren nimmt varikabi kleinste Kontraste in seinem Umfeld wahr und reagiert darauf in unterschiedlichster Weise. varikabis Gehirnzellen sind zwei Transistoren, seine Muskeln zwei Motoren. Durch das Variieren der Steuerschaltung und durch das Ausrichten der Sensoren erforscht Du 12 verschiedene Funktionen und verblüffende Verhaltensweisen. varikabi kann viel: Bewältigung von Hindernisparcours Folgen von dunklen oder hellen Linien Verfolgen oder Schieben von Objekten Verfolgen oder Umkreisen von Licht Verfolgen oder Umkreisen von Schatten Inhalt Die Anleitung gliedert sich in drei Teile: 1) varikabis Aufbau Es stehen sieben verschiedene Modelle zur Auswahl. Zahlreiche Abbildungen zeigen dir Schritt für Schritt wie du diese aufbaust. 2) varikabis Funktionen In der Experimentieranleitung werden zwölf Funktionen von varikabi erläutert. Es wird gezeigt, wie Du die entsprechenden Steuerschaltungen aufbaust, die Motoren anschließt und die drei Sensoren einstellst. 3) varikabis Funktionsweise Hier erfährst Du, wie die verschiedenen Steuerschaltungen und die Komponenten des Bausatzes funktionieren. Du lernst varikabis vielseitige Verhaltensweisen verstehen und begreifst, wie diese hervorgerufen werden. Kreisen auf hellen oder dunklen Arealen

3 1) Aufbau Was Du dafür benötigst 9 V Batterie oder 9 V Akku Zange und Seitenschneider Etwa eine Stunde Zeit

4 Die Komponenten

5 varikabi als Hund

6 1)

7 2)

8 3)

9 4)

10 5)

11 6)

12 7)

13 8)

14 varikabi als Maus

15 1)

16 2)

17 3)

18 4)

19 5)

20 6)

21 7)

22 8)

23 varikabi als Grashüpfer

24 1)

25 2)

26 3)

27 4)

28 5)

29 6)

30 7)

31 varikabi als Wöchentlich erscheint hier immer Sonntags eine weitere neue Aufbauvariante. Bis zum wird es schließlich sieben verschiedene Modelle zur Auswahl geben. Auf findest du die passenden Kabelbindersets dazu. Viel Spaß beim Umbauen und Ausprobieren!

32 2) Schaltungen und Funktionen Die unterschiedlichen Schaltungsvarianten ermöglichen varikabi folgende zwölf Funktionen. Die Schaltungen und Eigenschaften der Funktionen sind im Anschluss detailliert beschrieben. varikabi steht still varikabi fährt langsam varikabi fährt schnell

33 Hinweise zur Beleuchtung Im Gegensatz zu vielen anderen Robotern sendet varikabi kein Infrarotlicht aus, um z.b. Linien oder Gegenstände vor sich zu erkennen. Da varikabi ausschließlich auf Helligkeitsunterschiede in seiner Umgebung reagiert, ist es wesentlich, welche Beleuchtung verwendet wird. Merke: Das Licht von LED-Lampen oder Leuchtstofflampen hat einen geringen Rotanteil und ist für varikabis Sensoren nicht gut wahrnehmbar. Bei Verwendung dieser Leuchtmittel muss daher für eine ausreichend starke Ausleuchtung gesorgt werden. Damit varikabis Sensoren nicht von der Beleuchtung geblendet werden, ist auch auf eine geeignete Position von Lampen oder Fenstern zu achten. Merke: Die meisten Funktionen lassen sich am besten unter einer ausreichend weit entfernten Lampe oder unter einem Fenster am Boden ausprobieren. Bei seitlichem Lichteinfall hingegen würde varikabi diesem Licht oder seinem eigenen Schatten hinterher fahren, anstatt dem gewünschten Ziel. Soll varikabi einer Struktur am Untergrund folgen oder ausweichen, so achte darauf, dass der Untergrund nicht spiegelt.

34 Breadboard und Stromversorgung Das kleine Breadboard (Steckbrett) besteht aus elf Reihen mit jeweils fünf verbundenen Steckkontakten Die äußeren zwei Reihen werden für die Stromversorgung benutzt. Um einen Kurzschluss zu vermeiden, belasse die Kabel der Batterie an den angegebenen Positionen. Nutze den Clipanschluss an der Batterie, um varikabi an und aus zu schalten.

35 Widerstand, Transistoren und Sensoren Achte auf den Aufdruck und auf die korrekte Einbaurichtung der beiden Transistoren. Die Sensoren werden zunächst nur vorgebogen. Die Einbaupositionen sind später bei den 12 Schaltungen zu sehen. Die + Seite der Sensoren hat ein kürzeres Beinchen und eine Abflachung am Gehäuse.

36 Kabelbrücken und LEDs Die blauen Kabelbrücken verbinden die Sensoren mit den Transistoren. Je nach Schaltung gibt es folgende zwei Varianten, bei denen auch die beiden LEDs unterschiedlich gebogen und eingesteckt werden. Beschleunigungsfunktionen Bremsfunktionen

37 Anschluss der Motoren Je nach Typ der Funktion gibt es auch zwei Varianten die Kabel der Motoren anzuschließen. Lichtfolger Funktionen Schattenfolger Funktionen

38 Die vier Grundeinstellungen Durch unterschiedliches Anschließen der Motorkabel legst Du fest, ob varikabi auf Dunkles oder auf Helles zufährt. Rote und schwarze Kabel sind parallel: Lichtfolger-Funktionen Rote und schwarze Kabel sind gekreuzt: Schattenfolger-Funktionen Mit den blauen Kabelbrücken entscheidest Du, ob die Sensorsignale direkt oder vertauscht an die Transistoren (T1/T2) bzw. die Motoren (M1/M2) gelegt werden. Damit wählst Du den schnellen oder den langsamen Geschwindigkeitsbereich. Kabelbrücken parallel: varikabi beschleunigt bei Schatten auf den mittleren Sensor Kabelbrücken gekreuzt: varikabi bremst bei Schatten auf den mittleren Sensor Merke: varikabis Augen-LEDs leuchten entweder bei schneller Geschwindigkeit oder bei Stillstand. Das Ausrichten der Sensoren varikabi verfügt über drei Helligkeitssensoren mit denen er sensibel auf Linien, Gegenstände, Licht oder Schatten reagiert. Indem Du die Sensoren nach unten, vorne oder oben ausrichtest, bestimmst Du, ob varikabi Eindrücke bevorzugt am Boden, vor sich oder über sich wahrnimmt.

39 Das Einstellen der Funktionen Die im Anschluss mit 1 bis 12 nummerierten Schaltungen zeigen Dir, wie Du die jeweilige Funktion einstellen kannst. Gehe wie folgt vor: 1) Bringe die Motorkabel als Schattenfolger oder als Lichtfolger an. 2) Stecke die Kabelbrücken für den Beschleunigungsmodus oder den Bremsmodus ein. 3) Beachte dabei die entsprechende Polung der LEDs. 4) Platziere die drei Sensoren entsprechend der Darstellungen und richte sie aus. Merke: Das Ausrichten der beiden seitlichen Sensoren erfolgt immer spiegelsymmetrisch. Verhält sich varikabi nicht wie erwartet, so justiere die Sensoren nach. Merke: Das Helligkeitsverhältnis zwischen den seitlichen Sensoren bestimmt varikabis Richtung. Das Helligkeitsverhältnis zwischen dem mittleren Sensor und den seitlichen Sensoren bestimmt varikabis Geschwindigkeit.

40 1) Dunklen Linien folgen Sucht eine dunkle Linie (z.b. schwarzes Klebeband) Fährt der Linie entlang Beschleunigt auf Geraden und bremst in scharfen Kurven Schaltung: Schattenfolger / Beschleunigungsmodus Mit dem Abstand zwischen den äußeren beiden Sensoren kannst du die Genauigkeit justieren, mit der varikabi auf der Linie fahren soll. Idealerweise sind sie etwas neben die Linie gerichtet. Sind sie zu knapp an der Linie, so ist varikabi permanent am Regeln und fährt Schlangenlinien. Außerdem kann er dann nicht seinen Turbo-Gang aktivieren, weil dafür auf die äußeren Sensoren mehr Licht fallen muss als auf den in der Mitte.

41 2) Hellen Linien folgen Fährt entlang einer hellen Linie (z.b.: weißes Klebeband auf dunklem Untergrund) Stoppt am Ende der Linie Schaltung: Lichtfolger / Bremsmodus Hast du kein weißes Klebeband, so kannst du z.b. weiße Blätter auf dunklem Boden auslegen. Mit dem Abstand zwischen den äußeren beiden Sensoren kannst du die Genauigkeit justieren, mit der varikabi auf der Linie fahren soll. Damit varikabi am Ende einer Linie (auf dunklem Untergrund) stoppt, richte den mittleren Sensor stärker nach unten als die beiden seitlichen Sensoren.

42 3) Licht verfolgen Verfolgt einen Lichtschein am Boden oder eine Lampe vor sich Bleibt vor dem Licht stehen Stoppt bei Schatten über ihm Schaltung: Lichtfolger / Bremsmodus Das Umgebungslicht sollte bei dieser Funktion nicht zu stark sein, damit der Kontrast stark genug ist. Richte die seitlichen Sensoren parallel oder nur etwas zur Seite hin aus, damit sie gleichzeitig ein frontales Licht im Blickfeld behalten können. Je mehr Licht auf die zwei seitlichen Sensoren und je weniger auf den mittleren Sensor trifft, umso früher kommt varikabi zum Stillstand. Dieses Verhältnis lässt sich auch mit der Neigung von Sensor S3 einstellen.

43 4) Objekte verfolgen Bewegt sich auf dunkle Gegenstände vor sich zu Hält Abstand und bleibt vor Ihnen stehen oder verfolgt bewegliche Objekte Schaltung: Schattenfolger / Bremsmodus Passe den Abstand der seitlichen Sensoren an die Größe des zu verfolgenden Objektes an. Je weiter sie nach vorne gerichtet sind, desto genauer folgt varikabi dem Gegenstand. Sind sie jedoch beide auf das Objekt gerichtet, so kann varikabi nicht davor stehen bleiben. Mit dem Neigungswinkel des mittleren Sensors kannst du den Abstand zum verfolgten Objekt justieren. Je mehr du ihn nach unten richtest, desto näher fährt varikabi an den Gegenstand heran.

44 5) Objekte schieben Steht still, wenn kein dunkles Objekt in Sicht Fährt los, wenn Objekt vor sich folgt diesem oder schiebt kleine Dinge vor sich her Schaltung: Schattenfolger / Bremsmodus

45 6) Hindernisse vermeiden Bremst bei dunklen Hindernissen, navigiert zwischen ihnen hindurch und gibt dann wieder Gas Bewältigt einen Hindernisparcours Schaltung: Lichtfolger / Beschleunigungsmodus

46 7) Dunkles vermeiden Bleibt auf hellem Untergrund (z.b. beleuchteter Tisch im Dunklen) Weicht dunklen Hindernissen aus Beschleunigt und flieht bei Schatten über ihm Schaltung: Lichtfolger / Beschleunigungsmodus

47 8) Helles vermeiden Steht auf hellem Untergrund still Zieht auf dunklem Untergrund seine Kreise Wendet sich von Hellem ab oder bleibt davor stehen Schaltung: Schattenfolger / Bremsmodus

48 9) Schatten verfolgen Meidet Licht und sucht Schatten Fährt auf Schatten über sich zu Bleibt im Schatten stehen oder verfolgt diesen, wenn er sich bewegt Schaltung: Schattenfolger / Bremsmodus

49 10) Licht suchen Sucht eine Beleuchtung über sich und fährt darauf zu Bleibt unter dem Licht stehen Wendet sich von einem Schatten ab und fährt wieder ins Licht Schaltung: Lichtfolger / Bremsmodus

50 11) Licht umkreisen Sucht eine Beleuchtung und fährt schnell darauf zu Zieht dann unter der Beleuchtung gemächliche Kreise Beschleunigt bei Schatten über sich Schaltung: Lichtfolger / Beschleunigungsmodus

51 12) Schatten umkreisen Wendet sich von Licht ab Beschleunigt bei einem Schatten über sich Versucht im Schatten zu bleiben und zieht dort gemächliche Kreise Schaltung: Schattenfolger / Beschleunigungsmodus

52 Fehlerdiagnose Problem Ursache varikabi bewegt sich gar nicht Der linke und der rechte Sensor S1 und S2 sind falsch gepolt angeschlossen. Das rote oder schwarze Batteriekabel steckt nicht korrekt im Breadboard oder der Batterieclip nicht auf der 9 V Batterie. Die Batterie oder der Akku ist leer oder defekt. Es dreht nur einer der Motoren Der linke oder der rechte Sensor S1 oder S2 steckt falsch gepolt im Breadboard. Ein Transistor steckt falsch gepolt im Breadboard. Ein Anschlusskabel des Motors steckt nicht korrekt im Breadboard. Die schwarze Silikokappe steckt zu weit auf der Motorachse und blockiert den Motor. Ein Motor dreht rückwärts Dieser Motor ist falsch gepolt angeschlossen.

53 Problem Ursache varikabi fährt nur geradeaus Der mittlere Sensor S3 ist falsch angeschlossen. Die beiden LEDs leuchten nicht Eine oder beide LEDs sind falsch gepolt eingesteckt. varikabi bleibt am Untergrund hängen varikabi liegt nicht gut oder zu ungleichmäßig auf den Kabelbindern auf. Der Untergrund ist zu uneben für varikabi. Sollte keine dieser Ursachen auf dein Problem zutreffen, so überprüfe genau, ob alle Bauteile wie im Bauplan beschrieben eingebaut sind. Benötigst du Hilfe, so wende dich bitte mit einer genauen Fehlerbeschreibung an:

54 3) Funktionsweise Der Schaltplan (Schattenfolger / Beschleunigungsmodus)

55 Die Sensoren varikabis Helligkeitssensoren sind sogenannte Fototransistoren. Wir können uns einen Fototransistor (FT) vereinfacht als einen veränderlichen Widerstand vorstellen, dessen Widerstandswert bei zunehmender Helligkeit kleiner wird. Allerdrings muss man beim Fototransistor auf die richtige Polarität achten. Der Kollektor (C) liegt auf der Plusseite und der Emitter (E) auf der Minusseite. Im Schaltplan sieht man, dass die drei Fototransistoren FT1, FT3 und FT2 alle verbunden sind. Man sagt sie sind in Reihe geschaltet. Diese Reihenschaltung ergibt einen sogenannten Spannungsteiler, der die Spannung der 9 V Batterie in Abhängigkeit der Beleuchtung der Sensoren aufteilt. Beispiele: Bei exakt gleich starker Beleuchtung sind unabhängig von der Helligkeit die Spannungen an den Sensoren jeweils 3 Volt: U1 = U2 = U3 = 3 V Wäre z.b. der mittlere Sensor FT3 vier mal heller beleuchtet als FT1 und FT2, so würde an FT3 eine viermal kleiner Spannung abfallen und sich die Versorgungsspannung wie folgt aufteilen: U1 = 4 V, U3 = 1 V, U2 = 4 V Merke: Die beiden veränderlichen Spannungen zwischen den drei Sensoren steuern die Geschwindigkeit der zwei Motoren.

56 Die Transistoren Weil die Antriebsmotoren einen viel höheren Strom benötigen, als die Sensoren liefern können, benötigt varikabi einen Verstärker. Ein Transistor ist ein einfacher elektronischer Verstärker mit drei Anschlüssen: Basis (B), Emitter (E) und Kollektor (C). Bei einer ausreichend hohen Spannung von etwa U BE = 0.7 V (V = Volt) zwischen Basis und Emitter, verringert der Transistor den Widerstand zwischen Kollektor und Emitter und man sagt er schaltet durch. Der Kollektorstrom I C kann bei gewöhnlichen Transistoren etwa 100 bis 800 mal größer sein als der Basisstrom I B. Bei varikabi werden sogenannte Darlingtontransistoren mit einer sehr hohen Stromverstärkung von verwendet. Um den Motor und die LEDs mit einen Strom von 0.03 A (Ampere) = 30 ma (Milliampere) zu versorgen, wird ein Basisstrom von nur 1 µa (Mikroampere) benötigt: 30 ma / = ma = 1 µa Ein Darlingtontransistor besteht aus zwei hintereinander geschalteten Transistoren und benötigt anstatt 0.7 V etwa U BE = 1.4 V, um durchzuschalten. Damit die Motoren gegengleich auf die Sensorsignale reagieren, verwendet varikabi ein komplementäres Transistorpaar: Einen PNP Transistor für T1 (BC516) und einen NPN Transistor für T2 (BC517). I B I B I C IC

57 Die Funktion des Transistors Die nebenstehende Abbildung zeigt eine einfache Schaltung mit einer Batterie, einem Motor und einem NPN Transistor. Darunter ist die entsprechende Schaltung mit einem PNP Transistor dargestellt. Der Strom fließt jeweils in Richtung des schwarzen Pfeiles von Plus nach Minus. Es gibt drei verschiedene Grundschaltungen mit einem Transistor. varikabi nutzt die sogenannte Kollektorschaltung. Sie wird Kollektorschaltung genannt, weil der Kollektor (C) an einer konstanten Spannung (Batterie) anliegt. Die roten Pfeile symbolisieren die Spannungen. Dabei ist zu sehen, dass die Spannung am Motor U E um die Basis-Emitter- Spannung U BE kleiner ist, als die Basisspannung U B. U E = U B U BE = U B 1.4 V Merke: Weil die Spannung am Emitter (E), der Spannung an der Basis (B) bis auf die Differenz von U BE folgt, wird diese Schaltung auch Emitterfolger genannt. U B U B U BE U E U E U BE