Fachkompetenz
Die Schülerinnen und Schüler sollen
- ein Grundverständnis moderner Automobiltechnik, die heutzutage ohne IT nicht mehr denkbar ist, erlangen.
- Fahrerassistenzsysteme anhand zweier Beispiele verstehen und den Entwicklungsprozess von einer einfachen hin zu einer komplexeren, aufgabenangemessenen Realisierung erleben, sowohl bei der Konstruktion des LEGO Modells als auch insbesondere bei der Software-Entwicklung.
- Vorteile einer proportionalen gegenüber einer Sprungregelung reflektieren und dabei ein Anwendungsbeispiel für lineare Funktionen erkennen.
- den Unterschied zwischen einer reinen Steuerung und einer sensorgesteuerten Regelung erfahren sowie eine Methode zur Bestimmung einer zurückgelegten Strecke anwenden.
- Programmierkenntnisse erlernen oder, wenn schon vorhanden, anwenden.
Medienkompetenz
Die Schülerinnen und Schüler sollen
- die Arbeit am Modell und am Computer als kommunikative und interaktive Gruppenarbeit verstehen.
- Rechercheaufträge zu Fahrerassistenzsystemen erledigen.
Sozialkompetenz
Die Schülerinnen und Schüler sollen
- im Team Lösungen diskutieren und entwickeln.
- lernen, dass Benutzerbedürfnisse wichtige Faktoren in der Technikentwicklung sind, und diese reflektieren.
Kurzinformation
| Thema | Intelligente PKW - Fahrerassistenzsysteme mit LEGO Mindstorms |
| Autor | Manuel Friedrich |
| Fächer | Informatik, Arbeitslehre, Arbeit/Wirtschaft/Technik (je nach Bundesland) |
| Zielgruppe | Sekundarstufe I |
| Zeitraum | mindestens 3 Doppelstunden |
| Technische Voraussetzungen | LEGO Mindstorms NXT Basis-Set + LEGO Mindstorms Ergänzungs-Set sowie Rechner mit Programmiersoftware in ausreichender Zahl (Arbeiten in Zweier- oder Dreierteams) |
Didaktisch-methodischer Kommentar
Durch die Programmiermöglichkeit des NXT-Bausteins sowie die Integration von Motoren und Sensoren in die Programme können leicht moderne Fahrerassistenzsysteme realisiert werden. Der handlungsorientierte Ansatz des LEGO Education Lernkonzepts ist geeignet, fundierte Kenntnisse der Informatik zu vermitteln. Es hat sich zudem gezeigt, dass gerade das Erleben der funktionierenden Lösung einen deutlichen Lernfortschritt bewirken kann. Theoretisch Erlerntes lässt sich in technisch anspruchsvollen Modellen nachzubauen und wesentliche Basisalgorithmen lassen sich in verschiedenen Programmiersprachen implementieren. So wird Gelerntes zu Erlebtem.
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Internetadressen
- LEGO Education
LEGO Education entwickelt seit 25 Jahren hochwertige Unterrichtsmedien und Lernkonzepte auf Basis der bekannten LEGO Steine. - Die "erlebe it"-Schule
Neben den Einsätzen von IT-Scouts zur praxisorientierten Abrundung des Fachunterrichts oder bei der Berufsorientierung bietet "erlebe it" auch Module zu speziellen Themen an.
Erste Connect-Phase: Einführung ins Thema
Kurze Erklärung des Modells
Zu Beginn der Unterrichtseinheit zum Intelligent Car kann das Modell kurz gezeigt und erklärt werden. Es ist mit zwei Motoren - einem für den Antrieb und einem für die Lenkung -, verschiedenen Sensoren und einer Steuereinheit sowie einem kleinen Computer, dem NXT-Stein, ausgestattet. An den NXT-Stein können unterschiedliche Aktoren und Sensoren angeschlossen werden. Aktoren können vom Programm gesteuert werden; zum Beispiel können Motoren gedreht, Lampen angeschaltet oder Töne ausgegeben werden. Sensoren übermitteln Informationen aus der Umwelt an die Steuereinheit, zum Beispiel Helligkeitswerte und Entfernungen, aber auch logische Signale wie "gedrückt" oder "nicht gedrückt".
Der programmierbare NXT-Stein
In Abbildung 1 ist der programmierbare NXT-Stein in der Mitte zu sehen. An der Oberseite sind drei Motoren angeschlossen. Die Motoren lassen sich gradweise und in verschiedenen Geschwindigkeitsstufen in beide Richtungen drehen. Unten im Bild sind, von links nach rechts, ein Berührungssensor zur Registrierung eines entsprechenden Impulses, ein Geräuschsensor zur Messung eines Schallpegels, ein Lichtsensor zur Messung einer prozentualen Helligkeit und ganz rechts ein Ultraschallsensor zur Messung von Entfernungen in Zentimetern zu sehen.
Sensoren des Intelligent Car
Das Intelligent Car enthält einen nach unten gerichteten Lichtsensor, der aber bei den hier durchgeführten Experimenten keine Rolle spielt, einen nach vorne gerichteten Ultraschallsensor zur Abstandsmessung und zwei Berührungssensoren im hinteren Stoßfänger. Außerdem kann ein zur Seite gerichteter Ultraschallsensor bei Bedarf angebaut werden.
Von der Connect- zur Construct-Phase
Das einfache Zeigen des Modells und das Erklären der Funktionen wären jedoch nicht ausreichend, um einen nachhaltigen Eindruck bei den Schülerinnen und Schülern zu hinterlassen. Das LEGO Education Lernkonzept sieht vor, dass nach einer sogenannten Connect-Phase, in der Bezüge zur Alltagswelt hergestellt und die Schülerinnen und Schüler für Probleme sensibilisiert werden, eine Construct-Phase stattfindet.
Aufgaben von IT-Systemen in modernen PKW
Mit den Jugendlichen kann nun über sogenannte Fahrerassistenzsysteme gesprochen werden. Manche kennen die Jugendlichen schon, andere können sie sich gut vorstellen. Wesentlich im Gespräch ist die Sensibilisierung dafür, dass moderne PKW nicht nur voller Technik und Elektronik stecken, sondern dass auch viele Steuerungs- und Regelungsaufgaben von IT-Systemen übernommen werden.
Sicherheits- und Komfort-Funktionen
Sowohl sicherheitskritische Aspekte wie ABS, ESP, Spur- oder Brems-Assistenten als auch Komfort-Funktionen wie Einparkhilfen oder In-Car-Entertainment-Systeme sind hier zu nennen. Alle Systeme erleichtern die Bedienung und erhöhen die Sicherheit beim Fahren. Über diese Anwendungsbeispiele gelingt es leicht, das Interesse der Jugendlichen zu wecken und weitere Nachfragen zu provozieren. So kann die Unterrichtseinheit mit Interesse begonnen werden.
Construct-Phase: Aufbau
In der Construct-Phase wird den Schülerinnen und Schülern die Möglichkeit gegeben, das LEGO-Modell des Intelligent Car aufzubauen. Hier werden feinmotorische und sensorische Fähigkeiten angesprochen, aber auch sorgfältiges Arbeiten nach einer Bauanleitung. Viele Kinder und Jugendliche entwickeln hier erstaunliche Fertigkeiten, auch wenn diese zuvor vielleicht nicht vermutet wurden.
Zweite Connect-Phase: Beispiele
Fahrerassistenzsysteme
In einer erweiterten oder sich nach der Konstruktion erneut anschließenden Connect-Phase werden zwei konkrete Fahrerassistenzsysteme thematisiert: ein Abstandsregeltempomat und eine automatische Einparkhilfe. Beide Beispiele folgen dem gleichen Aufbau. Im Gespräch wird die Funktionsweise erklärt und in einer sprachlichen Umschreibung beziehungsweise in einem Pseudo-Code ausformuliert.
Selbstständige Erarbeitung
Anschließend kann eine erste Implementierung gezeigt werden. Das Programm dazu kann dann entweder ebenfalls gezeigt und erklärt werden oder, was einen wesentlich größeren Lernerfolg verspricht, von den Schülerinnen und Schülern selbstständig implementiert werden. Hierfür ist es nicht notwendig, textuellen Programmcode zu verstehen.
Visuelle Programmiersprache
Das LEGO Mindstorms NXT-System beinhaltet eine visuelle Programmiersprache, die es auch ohne Syntax-Kenntnisse einer textbasierten Programmiersprache ermöglicht, Programme zu erstellen, zu lesen und zu verstehen. In den später folgenden Implementierungen ist jedoch meist der Übersichtlichkeit halber NXC, ein Dialekt der Programmiersprache C für den NXT-Baustein, als Implementierungssprache gewählt.
Contemplate-Phase: Beobachtung
Nachdem Lösungen entstanden sind, können diese durch konkrete Beobachtung des Modells und der implementierten Funktionalität beurteilt und diskutiert werden. Im LEGO Education Lernkonzept wird dies die Contemplate-Phase genannt. Schwachstellen der Lösung sollen gesucht und thematisiert werden.
Continue-Phase: Ausbau
Insgesamt sind in dieser Unterrichtseinheit drei Varianten vorgesehen, die strukturiert erarbeitet und besprochen werden sollten und die es immer ermöglichen, direkte Verbesserungen in der Implementierung zu beobachten. Diese abschließende Phase heißt Continue-Phase im LEGO Education Lernkonzept.
Stufenweise Herangehensweise
Schritte der Unterrichtseinheit
Die Unterrichtseinheit besteht aus den folgenden großen Schritten:
- Motivation (Anforderung, Planung)
- Erste Implementierung beziehungsweise Beispiel-Code (Konzept und Entwurf)
- Verbesserungen (Rückkopplung aus Anforderung zu dem Entwurf)
Moderne Produktentwicklung verstehen
Insbesondere durch diese stufenweise Herangehensweise ist es auch möglich, eine moderne Produktentwicklung von der Planungsphase über Konzept- und Entwurfsphase bis hin zur konkreten Realisierung anzusprechen und am Beispiel zu verdeutlichen. Den Kindern und Jugendlichen kann so klar werden, dass Lösungen meist nicht als singuläre Leistung von Individualisten entstehen, sondern dass neben der Problemlösung auch Teamwork, Kommunikation und Kreativität wesentliche Bestandteile von Entwicklungen in der der ITK-Branche sind.
Ein Traum wird wahr
Ein Traum wird wahr: kein Vor- und Zurückfahren, kein Hin- und Herlenken mehr, um als Fahranfänger den PKW auch mal am Straßenrand abstellen zu können. In einigen Serienfahrzeugen ist heutzutage bereits eine automatische Einparkhilfe realisiert. Von einfachen, akustischen Abstandswarnern an den äußeren Rändern des PKW über videogestützte Assistenten bis hin zur vollautomatischen Erkennung von Parklücken und zum selbstständigen Einparken des PKW reicht die Bandbreite.
Drei Varianten der Realisierung
Im Folgenden wird zunächst gezeigt, was der Unterschied zwischen einer starren Steuerung und einer sensorgestützten Regelung des Einparkvorgangs ist, und dann, wie die Vermessung von Parklücken am Fahrbahnrand erfolgen kann. Drei Stufen der Realisierung sind als Arbeitsblätter vorgesehen und verlinkt:
- Der PKW steht an der Parklücke und parkt nach fest programmiertem Weg ein
Schnell kann deutlich werden, dass der gesamte Parkvorgang von einer geeigneten Startposition abhängt. Steht das Auto ein wenig quer oder ist die Parklücke nicht wirklich groß genug, so scheitert das Einparken. Ein festgelegter Weg ist also keine gute Lösung.
- Der PKW steht an der Parklücke und parkt mit Sensorunterstützung ein
Da das Modell am hinteren Ende einen Stoßfänger mit Berührungssensoren besitzt, kann dieser den Einparkvorgang unterstützen, das heißt die Rückwärtsfahrt wird gestoppt, sobald ein Hindernis erkannt wird. Es wird schnell ersichtlich und kann mit dem Modell gezeigt werden, dass der automatische Einparkvorgang damit zwar etwas flexibler, jedoch noch nicht unbedingt zufriedenstellend gelöst wird.
- Das Intelligent Car passiert parkende Autos und erkennt eine passende Parklücke
Während in den vorausgegangen Beispielen immer mehr oder weniger sorgfältig eine Ausgangsposition und eine passende Parklücke gewählt werden musste, so wird die Einparkhilfe nun dahingehend optimiert, dass das Intelligent Car auch selbstständig Parklücken erkennt und den zuvor implementierten Einparkvorgang dann nach dem Finden einer passenden Parklücke ausführt.
Mögliche Diskussionsthemen
Limitationen des Modells
Zur Diskussion mit den Schülerinnen und Schülern eignen sich dann unterschiedliche Aspekte. Einerseits kann vor allem in der zweiten Stufe auf Limitationen des Modells eingegangen werden. Sind Berührungssensoren wirklich geeignet, um einen automatischen Einparkvorgang zu realisieren? Im Vergleich zu realen PKW besitzt das Intelligent Car viel weniger Sensoren. Stünden mehr oder besser geeignete Sensoren zur Verfügung, so wäre der Einparkvorgang sicherlich weiter zu optimieren.
Fragen aus der ITK-Branche
Es kann aber auch reizvoll und durchaus realitätsnah sein, sich Gedanken darüber zu machen, wie mit möglichst wenig Hardware-Einsatz eine möglichst optimale Leistung erzielt werden kann oder welche Ressourcen mindestens vorhanden sein müssen, um eine marktreife Realisierung zu schaffen - typische Fragen aus Berufsfeldern der ITK-Branche.
Vermessung der Parklücke
Ebenso kann in der dritten Stufe der Vorführung die Vermessung der Parklücke gut thematisiert werden, um dafür zu sensibilisieren, dass so manches, was man in der Schule gelernt hat, und was man vielleicht glaubte, nie mehr zu benötigen, doch Relevanz erlangen kann. In diesem Fall: Über die Anzahl der Radumdrehungen, multipliziert mit deren Umfang kann die zurückgelegte Strecke und damit auch die Größe der Parklücke berechnet werden.
Das schont die Nerven
Für viele Schülerinnen und Schüler stellt die Technologie des Abstandsregeltempomaten eher noch eine Zukunftsvision dar. In nervigen Verkehrsstaus oder beim Stop-and-Go-Fahren im großstädtischen Verkehr einfach nicht mehr immer bremsen und wieder losfahren zu müssen, schont die Nerven und spart Energie.
Begriffsdefinition "Abstandsregeltempomat"
Ein Blick in die freie Enzyklopädie Wikipedia verrät, dass ein Abstandsregeltempomat erstmals schon 1998 in einem Serienfahrzeug eingebaut war. Es handelt sich bei einem Abstandsregeltempomat um "eine Geschwindigkeitsregelanlage in Kraftfahrzeugen, die bei der Regelung den Abstand zu einem vorausfahrenden Fahrzeug als zusätzliche Rückführ- und Stellgröße einbezieht. In der internationalen Automobilindustrie hat sich der englische Ausdruck Adaptive Cruise Control etabliert (Adaptive Geschwindigkeitsregelung), abgekürzt ACC." (Quelle: Wikipedia)
Abstandsregeltempomat implementieren
Formulierung der Funktionalität
Eine erste Herangehensweise an die Aufgabe, einen Abstandsregeltempomat zu implementieren, besteht darin, seine Funktionsweise umgangssprachlich festzulegen: Wenn der Abstand zum vorausfahrenden Fahrzeug größer wird, dann fahre los, bis der Abstand wieder so groß wie zuvor ist. Unmittelbar nach der ersten Formulierung der Funktionalität kann diese Logik in ein Programm für das Intelligent Car umgesetzt werden.
Arbeitsblatt 4 fasst diesen ersten Schritt zusammen.
Dateigröße: 238 KB
Einstieg in die Programmierung
Die grafische Repräsentation des Programms erleichtert den Einstieg in die Programmierung. Schnell wird ersichtlich, dass zu Beginn des Programms, das heißt mit Starten des Abstandsregeltempomats, anscheinend der aktuelle Abstand zum vorausfahrenden Fahrzeug als Wert gespeichert wird. Anschließen wird permanent geprüft, ob der Abstand größer geworden ist. Ist dies der Fall, so startet das Intelligent Car, fährt los und bremst erst wieder, wenn der Abstand den initialen Abstand unterschritten hat.
Tests und Optimierungen
Es ist am Modell sehr schön zu sehen, dass die prinzipielle Funktion zwar durch dieses Programm erfüllt wird, aber die Fahrweise nicht zufriedenstellend ist, da das Intelligent Car immer ruckartig anfährt und ebenso auch bremst, was leicht nachvollziehbar für die Insassen unkomfortabel wäre. Diese Tests und Optimierungen im Produktentwicklungszyklus lassen sich anschaulich vermitteln, und somit kann auch auf vielfältige Fähigkeiten und Beschäftigungsfelder in der ITK-Branche eingegangen werden.
Verbesserung des Komforts
Zur Verbesserung des Komforts muss eine Geschwindigkeitsregelung proportional zum Abstand erreicht werden. Das heißt, wenn der Abstand sich nur geringfügig ändert, muss das Intelligent Car nur sanft anfahren oder abbremsen, und je größer die Abstandsänderung wird, desto mehr kann es beschleunigen oder abbremsen.
In Arbeitsblatt 5 ist ein entsprechend verbesserter Abstandsregeltempomat gezeigt.
Dateigröße: 1026 KB
Das C-Programm
Vor- und Nachteile
Besonders interessierten Schülerinnen und Schülern kann hier auch gezeigt werden, wie aus dem grafischen Programm ein C-Programm wird. Das C-Programm sieht zunächst unverständlicher aus, wenn aber erst einmal die Syntax verstanden ist, so werden auch Vorteile deutlich. Der Code ist wesentlich "kompakter". Dafür sind aber Kontroll- und insbesondere Datenfluss nicht so leicht ersichtlich.
Proportionale Regelung
Wenn der C-Code erläutert wurde, kann auch erklärt werden, wie eine proportionale Regelung funktioniert. Während das initiale Programm nur zwei Zustände kannte, Fahren und Stehen, so kann bei der proportionalen Regelung die Fahrleistung aus dem Abstand zum vorausfahrenden Fahrzeug berechnet werden. Hier kommt dann gegebenenfalls wieder Schulmathematik ins Spiel (lineare Funktionen), und es kann am C-Code gezeigt werden, wie die Implementierung einer solchen Regelung als Funktion aussehen kann.
Hinzufügen einer Notausschaltung
Anschließend kann noch ein weiterer Aspekt des Abstandsregeltempomats thematisiert werden: die Notausschaltung. Auch wenn die intelligenten Unterstützungsfunktionen bequem sein mögen, so ist es aus Sicherheitsgründen oder auch aus dem Bedürfnis nach Kontrolle heraus immer nötig, dass der Fahrer in die Unterstützung eingreifen und somit die Kontrolle übernehmen kann.
Arbeitsblatt 6 zeigt, wie eine Notausschaltung dem Modell hinzugefügt werden kann.
Dateigröße: 59 KB
Informationen zum Autor
Manuel Friedrich ist Diplom-Informatiker und seit gut zwei Jahren als LEGO Education Berater tätig. Weitere Realisierungen von Fahrassistenz-Technologien sowie die Erarbeitung weiterer Unterrichtseinheiten oder Demonstrationsmaterialien sind in Vorbereitung. Der Autor freut sich über Feedback und ist offen für Diskussionen und Weiterentwicklungen.
Über die Neugier hin zum Lernfortschritt
Auseinandersetzung mit Berufsbildern der ITK-Branche
Der Beitrag zeigt, dass innovative Fahrzeugelektronik sehr gut mit dem Intelligent Car von LEGO Education anschaulich erläutert und nachgebildet werden kann. Sowohl als Unterrichtseinheit, als auch in Demonstrationsform als Motivation für die Schülerinnen und Schüler, sich mit Berufsbildern der ITK-Branche auseinanderzusetzen, ist das Modell geeignet.
Alltagswelt von Kindern und Jugendlich einbeziehen
Es sollte gelingen, eine Brücke aus der Alltagswelt und den Interessensgebieten der Kinder und Jugendlichen zu deren Lernfortschitt und Kompetenzentwicklung zu schlagen und auch mögliche berufliche Perspektiven aufzuzeigen. LEGO, bei fast allen Jugendlichen bekannt, scheint hier ein guter Ausgangspunkt zu sein: über die Neugier hin zum Lernfortschritt und zur Entwicklung von Ideen für die eigene berufliche Zukunft.
Kurzreferate zu Fahrerassistenzsystemen
Beim Einsatz im Unterricht bietet es sich zur Erschließung des Themas natürlich auch an, Kurzreferate über verschiedene Fahrerassistenzsysteme zu verteilen. Ein Blick in die Wikipedia, Stichwort "Fahrerassistenzsysteme", liefert eine gute Ausgangsbasis für diese Recherchen. Dort wird eine Vielzahl von Systemen genannt, von denen hier nur ein Bruchteil widergegeben wird, der in ähnlicher Art und Weise mit dem Intelligent Car oder mit anderen, autonomen Roboter-Modellen umgesetzt werden kann:
- Autonomer Halt (Nothaltsystem bei Gefahrensituationen oder gesundheitlichen Problemen des Fahrers)
- Adaptiver Fernlichtassistent (automatisches Auf- und Abblenden des Fernlichts, je nach Gegenverkehr)
- Verschiedene Abstandswarner
- Spurerkennungssystem (allgemeine Orientierung an Fahrbahnmarkierungen)
- Spurhalteunterstützung oder -assistent
- Spurwechselunterstützung oder -assistent
- Verkehrszeichenerkennung (Orientierung an Markierungen am Fahrbahnrand)
- Car2Car Communication (funkgestütze Kommunikation zwischen Fahrzeugen zum Beispiel für Bremswarnungen)
- Navigationssysteme (Abgleich mit Positionsmarkierungen)
Binnendifferenzierung und Weiterarbeit
Geeignet für alle Schülerinnen und Schüler
Durch die mehrstufige Anlage der Unterrichtseinheiten mit steigendem Komplexitätsgrad kann sehr leicht eine Binnendifferenzierung vorgenommen werden kann. Auch Schülerinnen und Schüler, die vielleicht nicht gerne mit LEGO bauen oder programmieren, können Kompetenzen bezüglich realitätsnaher Produktionsprozesse erwerben und gegebenenfalls dokumentieren.
Perspektiven für Oberstufen-Unterricht
Für das kreative Weiterarbeiten bietet LEGO sehr viele konstruktive Möglichkeiten. Auch die Entwicklung von Programmierfähigkeiten kann quasi beliebig gesteigert werden. Die NXT-Bausteine können auch objekt-orientiert in Java programmiert werden. So ergeben sich interessante Perspektiven für den Informatik-Unterricht in der Sekundarstufe II.
Informationen zum Autor
Manuel Friedrich ist Diplom-Informatiker und seit gut zwei Jahren als LEGO Education Berater tätig. Weitere Realisierungen von Fahrassistenz-Technologien sowie die Erarbeitung weiterer Unterrichtseinheiten oder Demonstrationsmaterialien sind in Vorbereitung. Der Autor freut sich über Feedback und ist offen für Diskussionen und Weiterentwicklungen.
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ugehen oder sie zu verhindern. Im Set enthalten sind die Spielfeldmatte, LEGO Elemente zum Aufbau der Aufgabenkulisse, Dual-Lock-Kleber zur Befestigung der Spielfelder, sowie eine CD-Rom mit Bauanleitungen. Spielregeln und Detailinformationen zu den Aufgaben können unter www.hands-on-technology.de heruntergeladenwerden.]]>