Fahrroboter im Schulflur: Ultraschall bei 10 Hz und Sicherheitskonzept
Ein NwT-Kurs baut einen fahrbaren Roboter, der im Schulflur selbstständig seine Runde drehen soll. Der Roboter fährt 0,6 m/s, bremst mit 1,5 m/s² und verarbeitet die Sensordaten mit 10 Hz; zwischen Messung und Reaktion vergehen zusätzlich 50 ms. Zur Hinderniserkennung dienen zwei Ultraschallsensoren (40 kHz, Öffnungswinkel etwa 15°, Messbereich ab 0,2 m), die abwechselnd im Wechsel betrieben werden. Im Flur hängen an der Garderobe Wollmäntel, es stehen Stühle mit dünnen Beinen im Weg, und am Ende des Flurs befindet sich eine Glastür. Beim ersten Test fuhr der Roboter gegen einen Wollmantel, ohne zu bremsen, und blieb vor der Glastür stehen, obwohl der Weg frei war. Die Schulleitung verlangt ein Sicherheitskonzept, bevor der Roboter im Pausenhof eingesetzt wird; das Budget für Sensorik liegt bei 150 €.
1. Berechnen Sie den Weg pro Messzyklus und den Anhalteweg inklusive Reaktionszeit bei 0,6 m/s. Beurteilen Sie, ob die Geschwindigkeit mit 10 Hz sicher ist.
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Weg pro Zyklus: 0,6 m/s · 0,1 s = 0,06 m.
Reaktionsweg: Ein Zyklus bis zur nächsten gültigen Messung plus 50 ms Verarbeitung, zusammen etwa 0,15 s → 0,6 · 0,15 = 0,09 m.
Bremsweg: v²/(2a) = 0,36 / 3 = 0,12 m.
Anhalteweg: etwa 0,21 m, dazu die Blindzone des Sensors von 0,2 m, in der kein Hindernis erkannt wird. Ein Hindernis muss also spätestens bei etwa 0,41 m erkannt werden, damit der Roboter sicher steht.
Bewertung: Bei 0,06 m pro Messung liegen zwischen 0,41 m und dem Kontakt nur etwa 3 bis 4 Messwerte. Ein einzelner Fehlecho, ein Winkel oder eine absorbierende Oberfläche genügt, um die Kette zu unterbrechen. Die Geschwindigkeit ist mit dieser Sensorrate nicht sicher. Abhilfe: Geschwindigkeit im Flur auf 0,2–0,3 m/s begrenzen (Bremsweg dann 0,03 m, Anhalteweg ~0,08 m) oder die Rate auf 20 Hz erhöhen und die Blindzone durch einen tiefer montierten zweiten Sensor abdecken. Zusätzlich muss der Roboter bei fehlendem Echo als sicherer Zustand langsam fahren, nicht schnell.
2. Nennen Sie zwei Fehlerfälle, die der Ultraschallsensor nicht zuverlässig erkennt, und leiten Sie je eine Gegenmaßnahme ab. Erklären Sie damit auch die beiden Testbeobachtungen.
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Fehlerfall 1 – absorbierende Oberflächen: Ein Wollmantel schluckt einen großen Teil der 40-kHz-Energie und streut diffus. Der Echoanteil liegt unter der Schwelle, der Sensor meldet „frei“, obwohl ein Hindernis da ist. Das erklärt den Auffahrunfall. Gegenmaßnahme: taktiler Bumper als letzte Instanz, der bei Berührung sofort stoppt, sowie eine zweite Messung aus anderer Höhe und eine Bewertung der Echoamplitude.
Fehlerfall 2 – dünne oder schräg stehende Gegenstände: Stuhlbeine sind schmaler als die Schallkeule, und bei schräger Fläche wird der Schall spiegelnd zur Seite reflektiert, statt zum Empfänger zurück. Der Roboter erkennt das Bein erst spät oder gar nicht. Gegenmaßnahme: zwei Sensoren auf unterschiedlicher Höhe, langsamer fahren, Bumper.
Testbeobachtung vor der Glastür: Ultraschall wird von Glas gut reflektiert, die Glastür wird also erkannt, nicht übersehen. Das Stehenbleiben trotz freiem Weg ist ein Fehlecho: Türrahmen, Fußleiste oder Bodenreflexion bei größerem Abstand liefern ein scheinbares Hindernis. Gegenmaßnahme: Mindestabstand zum Boden und zur Wand durch die Montagehöhe, Filterung auf Plausibilität (plötzliche Sprünge), und Bestätigung über mehrere Zyklen, bevor gebremst wird.
3. Entscheiden Sie zwischen einem ToF-Lidar für 120 € und einem zweiten Ultraschallsensor plus taktilem Bumper für 35 €. Begründen Sie mit Kriterien und nennen Sie die Grenzen Ihrer Wahl.
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Kriterien: Abdeckung der bekannten Fehlerfälle, Zuverlässigkeit, Integrationsaufwand, Kosten, Reparierbarkeit im Schulbetrieb und Verhalten bei Glas und heller Sonne.
Abwägung: Der Lidar liefert eine feine Winkelauflösung und erkennt dünne Stuhlbeine deutlich besser; das ist ein echter Gewinn. Er erkennt aber Glas und spiegelnde Flächen ebenfalls unzuverlässig, ist mit 120 € fast das gesamte Budget, braucht eine I²C- oder UART-Anbindung mit Auswertelogik und ist bei Staub und direktem Sonnenlicht im Pausenhof empfindlich. Der taktile Bumper ist die einzige Sensorik, die einen Kontakt unabhängig von der Reflexionsphysik sicher erkennt, und der zweite Ultraschallsensor deckt Höhenunterschiede und Abschattung ab.
Entscheidung: Für 35 € den zweiten Ultraschallsensor plus Bumper wählen, dazu die Geschwindigkeit im Flur auf 0,3 m/s begrenzen und die Auswertung auf Mehrfachbestätigung umstellen. Das adressiert die aufgetretenen Fehler direkt und lässt Budget für ein Sicherheitsrelais und einen Not-Aus-Taster.
Grenzen: Die Kombination bleibt blind für Hindernisse oberhalb der Sensorebene und für weiche Flächen, bis der Bumper berührt. Sobald der Roboter im Pausenhof ohne Aufsicht fährt, ist der Lidar mit redundanter Auswertung die belastbarere Lösung; dann muss aber das Budget insgesamt neu bewertet werden.