Berichte 18/19

HGG-Informatik-Schüler bestes Schüler-Team und Vize-Sieger beim Roborace-Wettbewerb


In den letzten Jahren ist es schon zur Tradition geworden, dass die Schüler des HGG-Informatik-Kurses erfolgreich am Roborace-Wettbewerb der Universität Stuttgart teilnehmen, der vom Institut für Technische Kybernetik bereits seit dem Jahr 2000 immer im Herbst veranstaltet wird.
Dieses Jahr beteiligten sich Tim Flammer, Thilo Kendlbacher, Florian Pallas, Uwe Tent und Nicolas Ulzenheimer aus unserer Kursstufe 11 als eines von insgesamt 48 Teams (davon je zur Hälfte Oberstufen-Schüler-Teams und Studenten-Teams) am Wettbewerb.

Direkt vor den Herbstferien wurde in einer Auftaktveranstaltung die diesjährige Roborace-Aufgabe bekanntgegeben: Aus den leihweise zur Verfügung gestellten Lego Mindstorms Experimentierkästen sollte ein autonomes, sich selbst über Sensoren steuerndes Fahrzeug gebaut und programmiert werden, das eine gerade Strecke auf einer Schienenhochbahn möglichst schnell zurücklegt. Längs der Strecke gibt es jedoch an verschiedenen Stellen, deren genaue Lage variieren kann, geschlossene Schranken. An dem Fahrzeug befindet sich ein fast einen Meter langes zwischen den Schienen durchhängendes und frei schwingendes Pendel. Erst wenn dieses nicht mehr pendelt und mit seiner Unterseite eine 30 cm vor der Fahrbahn-Schranke befindliche Lichtschranke drei Sekunden durchgehend unterbrochen hat, öffnet sich die Fahrbahn-Schranke, so dass das Fahrzeug weiterfahren kann. Zur Erfassung der aktuellen Pendelposition darf ein halbkreisförmiger auf Papier aufgedruckter Farbverlauf an das Pendel angebracht werden, der sich vor dem am Fahrzeug befestigten Farbsensor dreht, so dass aus dem gemessenen Graustufenwert der Drehwinkel des Pendels ermittelt werden kann. Gleichzeitig wird der Abstand des Fahrzeugs von der Fahrbahn-Schranke mit dem Ultraschallsensor gemessen.

In den Herbstferien entwarfen die Schüler ihr HGG-Mobil, bauten eine Testbahn aus Sperrholzplatten auf, erstellten das Steuerungs-Programm mit Hilfe einer speziellen Java-Variante für das Lego Mindstorms System und führten zahlreiche Probeläufe durch. Hier zeigte sich schnell das Kernproblem der Aufgabe: Wartet man einfach vor der Fahrbahn-Schranke, bis das Pendel von sich aus zur Ruhe kommt, benötigt man fast eine Minute pro Schranke. Es ist also erforderlich, die Pendelbewegungen durch entgegengesetzte Fahrzeugbewegungen aktiv zu dämpfen, um eine gute Zeit zu erreichen.

Mitte November fand dann an der Universität Stuttgart eine Qualifikationsrunde statt, bei der die Teams eine vereinfachte Aufgabenstellung lösen mussten und das Fahrzeug erstmals auf der Wettbewerbs-Strecke testen konnten. Das HGG-Team hatte sein Fahrzeug so programmiert, dass es zuerst bis zur gewünschten Position an die Fahrbahnschranke heranfährt und dann danach durch kleine Vor- und Rückbewegungen des Fahrzeugs das Pendel aktiv dämpft und möglichst schnell zur Ruhe bringt. Das HGG-Mobil hielt sich im Unterschied zu fast allen anderen Fahrzeugen zwar wacker auf der Teststrecke, doch die Defizite wurden schnell klar: Die Laserpointer-Lichtschranken müssen durch das Pendel extrem präzise durchbrochen werden, da sonst immer noch Streiflicht beim Empfänger ankommt und die Schranke nicht auslöst. Durch Fahrbahnungenauigkeiten, Schwingungen im Fahrzeug und die recht grobe Messtoleranz der Lego-Sensoren fällt dies aber dem Fahrzeug extrem schwer und es hält immer wieder vor oder hinter der Lichtschranke.

Deshalb baute das HGG-Team sein Fahrzeug nochmals um, so dass es wesentlich stabiler wurde und die Sensoren präzise ausgerichtet waren. Auch die Regelung wurde komplett neu programmiert, da es viel effizienter und weniger fehleranfällig ist, wenn der geforderte Soll-Abstand zur Fahrbahn-Schranke und die gewünschte Ruhelage des Pendels beide permanent gleichzeitig in die Ansteuerung der Antriebsmotoren einfließen.

Zwei Wochen später im Vorrunden-Wettbewerb kamen nur 25 Fahrzeuge erfolgreich ins Ziel, das beste benötigte 18 Sekunden, direkt dahinter kam das HGG-Mobil mit 20 Sekunden, wodurch sich unsere Schüler für das Finale Anfang Dezember qualifizierten. Allerdings war zu vermuten, dass diese Zeit nicht für einen ganz vorderen Platz unter den insgesamt 28 Final-Teilnehmern reichen würde.

Folglich modifizierte das HGG-Team sein Fahrzeug in den zwei Wochen vor dem Finale nochmals etwas, um den Startvorgang zu verkürzen. Auch die Regelung wurde angepasst, so dass das Fahrzeug jetzt wesentlich schneller und aggressiver fuhr, aber das Pendel trotzdem bereits früher zum Stillstand kam.

Auch im Finale erreichten nur rund die Häfte der Fahrzeuge erfolgreich das Ziel der umgebauten und schwierigeren Strecke, am schnellsten war wieder das Studenten-Team, das schon den Vorrunden-Wettbewerb gewonnen hatte, diesmal mit 22 Sekunden, direkt gefolgt vom HGG-Team und einem weiteren Schüler-Team mit 26 Sekunden.

Für den entscheiden Endlauf mit diesen drei Teams wurde die Bahn nochmals umgebaut und deutlich länger gemacht, allerdings blieb es bei den drei Fahrbahn-Schranken. Dies kam dem aggressiv fahrenden HGG-Mobil entgegen, da es auf der langen Strecke mit Höchstgeschwindigkeit bis zur nächsten Schranke durchfahren konnte.

Das Studenten-Team legte hervorragende 27 Sekunden vor, das andere Schüler-Team benötigte 38 Sekunden und wurde danach in einem extrem spannenden Entscheidungslauf vom HGG-Team mit 35 Sekunden noch geschlagen.

Folglich waren die HGG-Schüler das beste Schüler-Team des Wettbewerbs und belegten insgesamt den zweiten Platz. Bei der Siegerehrung erhielten unsere Schüler neben den Urkunden und Pokalen deshalb einen Lego Mindstorms Experimentierkasten im Wert von rund 500 Euro für die Schule.

Auch wenn bisher alle teilnehmenden HGG-Teams immer ins Roborace-Finale kamen und dort erfolgreich abgeschnitten haben und dies nicht der erste Lego Mindstorms Experimentierkasten ist, den die Schule für das beste Schüler-Team erhielt, war das HGG-Roborace-Team 2018 trotzdem das bisher erfolgreichste.

Schon jetzt steht fest, dass die siegreichen HGGler nächstes Jahr wieder teilnehmen wollen. Verstärkung oder Konkurrenz können sie dann auch aus der neuen Kursstufe 11 erhalten.