MINT - Unterricht  mit  Arduino und anderen

Während noch vor Jahren Programmierung in Form der Zusammenstellung einfacher Algorithmen realisiert wurde, haben sich inzwischen neuere Konzepte etabliert. Geeignete Entwicklungsumgebungen wie Scratch, Greenfoot, Minecraft u. a. bieten den Schülerinnen und Schülern die Möglichkeit, eigene Ideen auf experimentelle und strukturierte Weise direkt auf dem Computer zu realisieren. Das kann aber nur ein erster Schritt sein, weil ihr Tun auf die Manipulation digitaler Daten innerhalb des jeweiligen Systems beschränkt bleibt. Der Einfluss der Informatik auf ihre und die Lebenswelt anderer Menschen geht aber deutlich weiter. Hier wie dort werden sie mit Maschinen und anderen technischen Systemen konfrontiert, die von programmierbaren Komponenten gesteuert werden. Diese Form informatorischer Systeme und ihre Anwendung wird "Physical Computing" genannt und gilt heute als Leitidee für den informatischen Unterricht. Diesen Aspekt in der Schule in angemessener Weise zu behandeln kann durch Verwendung kostengünstiger, robuster und leicht handhabbarer Komponenten Realität werden. Bisherige Erfahrungen zeigen, dass ihr Einsatz im Unterricht sehr motivierend für die Lernenden ist. Durch den handelnden Umgang mit den selbst konstruierten und programmierten Objekten bekommen die Schülerinnen und Schüler ein haptisches und räumliches Feedback zur Wirkungsweise der von ihnen erstellten Programme.

Ganz in diesem Sinn ist die Konstruktion eines lenkbaren Fahrzeugs mit programmierbarer Lenkung und Antrieb zu verstehen. Um das Projekt mit dem Calliope mini realisieren zu können, muss an die Grenzen des Mikrocontrollers gegangen werden.

Das Fahrzeug soll unter Anleitung von Dritt- oder Viertklässlern selbst herstellbar sein und aus kostengünstigen im Internet oder Baumarkt erhältlichen Materialien bestehen.

Hier eine mögliche Konstruktion, die diesem Anspruch entspricht:

 

 

Als Antrieb ist ein Elektromotor mit Getriebe vorgesehen, der in die Hinterachse eingebaut werden kann.

 

 

Das besondere dieses Motors ist die Antriebswelle, die an gegenüberliegenden Seiten herausgeführt ist.

 

 

Die Hinterachse des obigen Fahrzeugs muss dazu aufgetrennt und die Enden eingekürzt werden. Zwei Abschnitte eines dünnen Kunststoffrohrs und Klebeband ermöglichen das Anbringen der Räder. Etwas Heißkleber kann der Sache zusätzlichen Halt geben. Der Motor samt Rädern wird dann mittig auf dem hinteren Vierkantholz befestigt. Auch dazu ist Heißkleber gut geeignet.

 

Zur Steuerung wird ein Servo empfohlen, der über Schraubösen und Klingeldraht mit dem Lenkrad verbunden wird.

 

Die Steuerung soll der Calliope mini übernehmen, der - wie bekannt - über Anschlüsse für 2 Motoren und weitere zur Versorgung mit Strom verfügt.

Hier der Anschlussplan:

 

Wie die Zeichnung zeigt, müssen zur Realisation des Plans die Lötösen genutzt werden. Deren Belegung kann dem Pinout auf der Calliope-Homepage oder dem Kapitel "Pins" entnommen werden. Zur einfachen Nutzung empfiehlt es sich, Stiftleisten einzulöten.

Neben dem 3V-Batteriepack wird ein zusätzlicher 9V-Block benötigt, um die Motoren mit ausreichend Strom zu versorgen.

Das fertige Fahrzeug sieht dann so aus:

 

 

Die Programmierung des Fahrzeugs kann unterschiedlich sein. Geeignet erscheint die Aufgabe, das Fahrzeug so zu steuern, dass es nach dem Start und einer bestimmten Strecke zum Startpunkt zurückkehrt und dort anhält.

Hier ein Code, der alle Steuerkomponenten enthält, der konkreten Situation aber noch angepasst werden muss:

 

 

Wer nicht über das nötige handwerkliche Rüstzeug verfügt, dem sei ein einfacher zu fertigendes Fahrzeug oder ein Bausatz empfohlen, der für wenig Geld im Internet erstanden werden kann.

Hier die Schemazeichnung eines solchen Fahrzeugs ...

...und der Anschlussplan für die Motoren:

 

 

Die Steuerung erfolgt mit Hilfe der Motoren: Bei Geradeausfahrt laufen beide mit gleicher Geschwindigkeit, für eine Linkskurve wird der linke Motor, für eine Rechtskurve der rechte Motor gestoppt. Die Länge einer zu durchfahrenden Strecke bzw. der Winkel einer Kurve wird über die Laufzeiten der Motoren festgelegt. Soll ein solches Gefährt beispielsweise ein Stück geradeaus fahren, dann eine 180-Grad-Kurve (U-Turn) vollführen und am Ausgangspunkt anhalten, sollte folgendes Programm zielführend sein, bei dem nur die Pausen angepasst werden müssen.

 

 

Hinweis:

Für die Motoren ist eine Zusatz-Stromquelle erforderlich. Geeignet sind neben einem 9V Block auch vier AA -Mignonzellen (6V). Mit 9V laufen die Motoren schneller. Drehen die Motoren nicht gleich schnell, fährt das Fahrzeug nicht geradeaus. Darauf lässt sich durch Verändern der Zahlwerte Einfluss nehmen: 0 bedeutet Stillstand und 100 entspricht der höchstmöglichen Drehzahl. 


Dieses Projekt lässt sich im vollen Umfang auch mit einem günstigen Arduino-Mikrocontroller realisieren. Eine Anleitung mit Installationshinweisen für Ardublock gib es hier als Download.

 



Motor und Servo oder alternativ ein Bausatz können kostengünstig über das Internet erworben werden. Holzräder und Rundstäbe finden sich beispielsweise hier. Alles andere gibt es im Baumarkt.