Mobilität der Zukunft – Sicherheitstechnik: Sensoren und Aktoren by YAEZ

Sensoren und Aktoren Sekundarstufe I – mit Differenzierungsangeboten

Mobilität der Zukunft SICHERHEITSTECHNIK

Art.Nr. LSTSEK

Sicherheitstechnik – digitale Zusatzinhalte

In diesem Heft stehen Ihnen zahlreiche zusätzliche Audios, Videos, Animationen und Texte digital zur Verfügung, die Sie direkt aus diesem Heft über Ihr Smartphone und Tablet-PC abrufen können (über den PC in Verbindung mit einer Web-Cam, sowie QR-Reader-Software auch möglich).

So funktionierts:

1. App herunterladen

Sie benötigen hierfür lediglich einen QR-Code-Reader.

Wir empfehlen aufgrund einfacher Bedienung und sofortiger Weiterleitung auf den entsprechenden Inhalt den kostenlosen QR Code Reader by Scan (iOS und Android).

2. Internetverbindung sicherstellen

Um die Inhalte anzeigen zu können, benötigen Sie eine Internetverbindung. Hierfür stellen Sie entweder eine WLAN-Verbindung oder den mobilen Zugang sicher.

3. Scannen und zusätzliche Inhalte lesen, ansehen oder anhören

Starten Sie nun die Reader-App und halten Sie Ihr Smartphone über den QR-Code, sodass dieser im Fokus der App liegt. Die digitalen Zusatzinhalte werden Ihnen sofort angezeigt. Die Wiedergabe erfolgt über den Genius Youtube-Channel, da dieser die Inhalte automatisch für alle Endgeräte optimiert und die Download-Rate möglichst gering hält.

Seite 6 enthält eine ausführliche Einführung in die digitalen Inhalte. Auf Seite 108 finden Sie eine Auflistung aller im Heft befindlichen QR-Codes.

Stefan Kruse Jürg Peter Keller

Sicherheitstechnik

Sensoren und Aktoren

Lehrmaterial und Kopiervorlagen mit digitalen Inhalten Sekundarstufe I – mit Differenzierungsangeboten

Mercedes-Benz Group AG | Klett MINT GmbH Stuttgart

Bildquellennachweis

9, 11, 12, 25, 42, 43 oben, 49, 54, 60 oben, 66 oben, 67, 78 Mercedes-Benz Group AG; 14 links Toll Collect; 14 rechts Politikaner, Wikimedia Commons; 20 Daniel Scherer, scherer-illustrationen.de; 25 rechts, 26 Mitte, 29 rechts, 32 links unten, 32 rechts oben, 32 rechts unten, 60 unten thinkstockphotos; 28 Mumin 123, Wikimedia Commons; 26 oben, 29 links, 29 Mitte, 30, 31, 32 links oben, 32 Mitte, 46 Mitte, 53, 59, 64, 65, 71 Dr. Stefan Kruse; Siemens AG; 33 Mitte, 34, 47oben LEGO GmbH; 33 oben, 33 unten, 36 oben, 47 unten, 58 oben, 63, 70 oben, 75 oben, 81, 82 Prof. Dr. Jürg Peter Keller; 35, 36 Mitte, 36 unten, 47 oben, 58 Mitte, 58 unten, 70 unten, 75 Mitte Lisa Mayer; 43 Mitte Continental; 48, 76, 83 Jan Küster; 65 unten TRW Automotive GmbH; 13 Park Patrol: CRWDPOWER.COM PTY LTD; Finde mein Auto: eLibera OG; Kfz-Kennzeichen: Volker Bublitz; Blitzer.de: Eifrig Media GmbH; StauMobil: apptimists UG; Bußgeldkatalog: Initiative für sichere Straßen UG; 20 unten André Moritz, www.soft-skills.com; 27 VAW/ETH Zürich, http://glaciology.ethz.ch

3., überarbeitete Auflage April 2018

Das Werk und seine Teile sind urheberrechtlich geschützt. Jede Nutzung in anderen als den gesetzlich zugelassenen Fällen bedarf der vorherigen schriftlichen Einwilligung des Verlages. Hinweis § 52 a UrhG: Weder das Werk noch seine Teile dürfen ohne eine solche Einwilligung eingescannt und in ein Netzwerk eingestellt werden. Dies gilt auch für Intranets von Schulen und sonstigen Bildungseinrichtungen. Fotomechanische oder andere Wiedergabeverfahren nur mit Genehmigung des Verlages.

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Eine Zusammenarbeit der Genius-Initiative der Mercedes-Benz Group AG und der Klett MINT GmbH © Mercedes-Benz Group AG, Stuttgart und Klett MINT GmbH, Stuttgart

Autoren: Dr. Stefan Kruse (Herausgeber), Fachhochschule Nordwestschweiz FHNW und Pädagogische Hochschule Schwäbisch-Gmünd; Dr. Jürg Peter Keller, Fachhochschule Nordwestschweiz FHNW; Ralf Bielfeldt, Karlsruhe; Jan Küster, Sindelfingen

Unter Verwendung von Materialien aus: Sicherheitstechnik. Sensortechnik – Messen, Steuern, Regeln. Lehrermaterial und Kopiervorlagen mit CD-ROM. Gymnasium Klassen 8 bis 10.

Autoren: Dr. Tilmann Berger, Sindelfingen; Helmut Graf, Wörth; Lars Möller, Spirkelbach; Bernd Rausch, Esslingen; Volker Rust, Karlsruhe; Bernd Steinheil, Stuttgart

Redaktion: Medienwerk Hanne Lier

Projektkoordination und Herstellung: Lisa Mayer, Petra Wöhner Klett MINT

Projektleitung Genius: Daniel Feil, Mercedes-Benz Group AG Stuttgart Umschlag und CI: Schwarz Gruppe Grafikdesign, Stuttgart

Gestaltung Inhalt: Bettina Herrmann, Stuttgart

Illustrationen: Daniel Neumann, Grafische Produktion Neumann, Rimpar und Alexander Schmitt, as-illustration, Rimpar Bildbearbeitung: Till Traub, Bildwerkstatt, Leonberg

Reproduktion und Druck: Medienhaus Plump, Rheinbreitbach

Ziel des FSC® (Forest Stewardship Council®) ist es, die Wälder weltweit verantwortungsvoll zu bewirtschaften, bedrohte Arten zu schützen sowie die Lebensumstände der lokalen Bevölkerung zu verbessern. Wir beziehen das Papier für den Druck aus einer nachhaltigen Forstwirtschaft, die keinen Raubbau duldet und keine Abholzung betreibt.

Vorwort

Liebe Lehrerinnen und Lehrer, wie sieht die Mobilität der Zukunft aus? Genius, die junge WissensCommunity von Mercedes-Benz, gibt Ihnen und Ihren Schülerinnen und Schülern Einblicke in Zukunftstechnologien und die Mobilität von morgen. Gemeinsam können Sie naturwissenschaftliche und technische Themen, Mobilitätskonzepte und Berufsbilder in der Automobilindustrie entdecken.

Genius möchte Kinder und Jugendliche für technische Themen begeistern. Denn die Begeisterung für Naturwissenschaft und Technik ist nicht nur der Schlüssel zur erfolgreichen Gestaltung unserer Umwelt und Wirtschaft, sie eröffnet der nächsten Generation auch hervorragende berufliche Perspektiven. Sie als Lehrkraft erhalten durch Genius direkten Zugang zu aktuellen Fragestellungen der Fahrzeugtechnik, didaktisch aufbereiteten Unterrichtsmaterialien sowie passenden Fortbildungen.

Mit diesem Band liegen Ihnen Unterrichtsmaterialien zum Thema Sicherheitstechnik für alle Schulformen vor. Hier werden Fahrsicherheits- und Fahrerassistenzsysteme mit einfachen Mitteln und analoger Elektronik so erklärt, dass Schülerinnen und Schüler die Inhalte selbstständig erarbeiten und nachvollziehen können. Der modulare Aufbau und die Differenzierungsangebote ermöglichen es, Inhalte und Aufgaben auf unterschiedlichste Schülergruppen abzustimmen. Zudem verspricht der hohe Praxisanteil einen methodisch abwechslungsreichen und spannenden Unterricht. Als besonderes Highlight verfügt nun auch der Titel „Sicherheitstechnik“ über digitale Zusatzinhalte für einen abwechslungsreichen und modernen Unterricht. Details finden Sie auf der vorderen inneren Umschlagseite.

Dieser Band wurde im fachlichen Austausch von Ingenieurinnen und Ingenieuren sowie Technik-Didaktikern und Lehrkräften in Zusammenarbeit mit Klett MINT alters- und lehrplangerecht erarbeitet.

Klett MINT ist Teil des größten deutschen Bildungsunternehmens und hat sich die Förderung der MINT-Bildung, also der Disziplinen Mathematik, Informatik, Naturwissenschaften und Technik in Schule, Studium und Beruf, auf die Fahnen geschrieben. Die Genius-Unterrichtsmaterialien sind ein weiteres Ergebnis der nachhaltigen Zusammenarbeit zwischen Mercedes-Benz und Klett. Wir hoffen, dass sie Ihnen viele neue Ideen und Impulse bieten und wünschen Ihnen damit viel Freude im Unterricht.

Hinweis: Wir sprechen in diesem Heft meistens ausdrücklich sowohl weibliche als auch männliche Personen an, haben dies aber an einigen Stellen zugunsten der Lesbarkeit unterlassen. Selbstverständlich sind aber immer alle Menschen unabhängig von ihrem Geschlecht gemeint. Wir bitten für dieses Vorgehen um Ihr Verständnis.

Team Genius | Team Klett MINT

Inhaltsverzeichnis

Modul 1

Lehrerinformationen zu Modul 1 7 – 8 1

Wie Komfort und Sicherheit ins Auto kamen 9 –10 2

Moderne Sicherheits- und Komfortsysteme 11 –12 3

Intelligente Apps und Netzwerke 13 –14

Modul 2

Lehrerinformationen zu Modul 2 15 –18 4

Methoden beim technischen Arbeiten 19 – 20 5

Elektrische Bauteile und deren Schaltzeichen 21 – 22 6

Grundlegende Funktionsweisen in der Elektronik 23 – 24 7

Sensoren und Aktoren 25 – 26 8

Einführung in Simulationsprogramme 27 – 28 9

Einführung in das praktische Arbeiten 29 – 30 10

Einführung in SIEMENS LOGO! 31 – 32 11

Einführung in LEGO MINDSTORMS 33 – 36

Modul 3

Lehrerinformationen zu Modul 3 37 – 42

Die Tankanzeige 43 – 48 13

Die Sitzheizung 49 – 53 14

Lichtautomatik und Regensensor 54 – 59 15

Die Sitzbelegungserkennung 60 – 65 16

Der Airbag 66 – 71 17

Das Antiblockiersystem (ABS) 72 – 77 18

Der Abstandshalter und die Parkhilfe 78 – 83

Anhänge

Er weiterung durch digitale Inhalte 6 Digitale Inhalte im Überblick 108 Inhalte auf der Genius-Website (hintere innere Umschlagseite) U3

Alle Aufgaben sind normalerweise direkt auf den Arbeitsblättern zu bearbeiten. Eine Ausnahme bilden die Sternchen-Aufgaben, die der Differenzierung dienen und häufig weiterreichende Arbeitsaufträge und Lösungen umfassen.

Erweiterung durch digitale Inhalte

Eine Besonderheit des vorliegenden Heftes sind die digitalen Erweiterungen, welche in Teile des Arbeitsheftes integriert wurden. Es handelt sich um zusätzliche erläuternde Videos, eine Audiosequenz und eine Bildergalerie, die sich über QRCodes und ein Smartphone oder Tablet mit einer entsprechenden App aufrufen lassen. Sie können das Arbeitsheft nach wie vor klassisch verwenden, über die QR-Codes stehen Ihnen darüber hinaus zusätzliche Inhalte zur Verfügung, die sie in Ihrem Unterricht einbauen können.

In einem zeitgemäßen Unterricht dürfen Animationen oder weiterführende Informationen in Form von Video- und Audiosequenzen nicht fehlen. In der Regel besitzen alle Schülerinnen und Schüler ein mobiles Endgerät, mit dem entsprechende digitalisierte Inhalte wiedergegeben werden können. Der Lehrkraft bleibt es beim Arbeiten mit dem Arbeitsheft jedoch überlassen, ob und an welcher Stelle diese Art der modernen Informationsbeschaffung und Auswertung im Unterricht eingesetzt werden soll. Alle Themen sind selbstverständlich auch ohne digitale Hilfsmittel nutzbar.

Praxistipp

Klären Sie im Vorfeld mit den Schülerinnen und Schülern, wann die Smartphones oder Tablets genutzt werden dürfen und was damit gearbeitet wird.

Auch ist darauf zu achten, dass Lernende ohne ein eigenes Smartphone nicht benachteiligt werden dürfen. Die Studie „Kinder und Jugend 3.0“ des Branchenverbands Bitkom (www.bitkom.org) hat zwar aufgezeigt, dass bereits im Jahr 2014 über 85 Prozent der Kinder im Alter von 12 bis 13 Jahren über ein eigenes Smartphone verfügen und 89 Prozent der 16-Jährigen das Smartphone als ihren primären Netzzugang bezeichnen. Dennoch kann noch nicht überall davon ausgegangen werden, dass alle Jugendlichen flächendeckend über die entsprechende Technik verfügen.

Praxistipp

Mit dem Programm „online barcode reader“ lassen sich QR-Codes auch online auf einem Computer, also ohne mobiles Endgerät, lesen. Dies kann im Unterricht sinnvoll sein, wenn auf Smartphones verzichtet werden soll.

Dazu muss die entsprechende Datei in das folgende Programm hochgeladen werden: www.onlinebarcodereader.com/de.html?userfile_url=&requiredfile_userfile=1

Praxistipp

Es empfiehlt sich, mit den Schülerinnen und Schülern auch eigene QR-Codes zu produzieren.

Dazu müssen die gewünschten Inhalte (Texte, Links …) in einen Code-Generator geladen werden. Das Programm wandelt die Informationen in einen QR-Code um, welcher dann als Bilddatei vorliegt und ausgedruckt oder weiterverarbeitet werden kann. Ein einfach zu bedienendes Programm ist z. B. der „QR-Code-Generator“: www.qrcode-generator.de

Hinweis:

Zusätzliche Materialien als Download Unter dem folgenden Link stehen die Inhalte dieses Heftes als PDF bereit, außerdem Beispielprogramme, Informationen für die praktische Arbeit sowie Bauanleitungen als Unterstützung für die Schülerinnen und Schüler: www.genius-community.com/sicherheitstechnik-material

Eine Zusammenstellung aller Inhalte finden Sie auf dem hinteren inneren Umschlag.

Hinweis

Um die in den Materialien eingearbeiteten digitalen Inhalte nutzen zu können, muss eine entsprechende kostenlose App auf dem mobilen Endgerät installiert werden.

Dazu ist in der Regel jeder QR-Code-Reader geeignet, z. B. die App „QR Code Reader by Scan“: www.scan.me/download

Als Kopiervorlage freigegeben. Genius – Die junge WissensCommunity von Mercedes-Benz, Stuttgart 2018

Lehrerinformationen zu Modul 1

Zu AB 1 „Wie Sicherheit und Komfort ins Auto kamen“

Sicherheitssysteme haben eine lange Tradition. Der Mercedes-Benz-Ingenieur Béla Barényi erarbeitete in den 1950er-Jahren die bis heute gültigen Grundprinzipien der Automobilsicherheit. Seine Skizze zeigte erstmals das Konzept der im August 1952 patentierten Knautschzone, die Barényi als „Soll-Bruch-Endzelle“ bezeichnete.

Hier einige wichtige Entwicklungen aus dem Bereich der Sicherheitstechnik im Kfz:

2018 das Zusammenspiel von Sensoren und Aktoren ist mittlerweile so ausgereift, dass autonomes Fahren möglich ist

2015 aktiver Stauassistent als Teil des ACC (adaptive cruise control; angepasste Geschwindigkeitsregelung)

2013 Abstandsregeltempomat mit Lenk-Assistent zur Spurhaltung sowie zum selbstständigen Abbremsen und Beschleunigen des Fahrzeugs

2013 kameraunterstütztes System zum Ausgleich von Fahrbahnunebenheiten sowie System zur Fahrzeugstabilisierung bei Seitenwind

2011 radargestützte Kollisionswarnung mit adaptivem Bremsassistenten zur Verringerung von Auffahrunfällen

2009 Aufmerksamkeitsassistent mit akustischem und visuellem Warnsystem bei Müdigkeit, Unaufmerksamkeit und Sekundenschlaf

2007 Totwinkel-Assistent mithilfe von Radarsensoren zum sicheren Spurwechsel

2006 Bremssystem, das bei drohendem Auffahrunfall den Bremsvorgang einleitet und nachfolgenden Verkehr mit blinkendem Bremslicht warnt

2005 blinkende Bremslichter während einer Gefahrenbremsung

2003 Fahrzeugscheinwerfer, die ihre Leuchtrichtung in Kurvenrichtung verändern

2002 Insassenschutzsystem mit mechanischem Gurtstraffer, das den Gurt bereits vor einem möglichen Unfall vorspannt

1998 Airbags im Bereich der Seiten- und Frontscheiben, um Fahrzeuginsassen im Kopfbereich zu schützen

1997 Konzept zur Formveränderung der Karosserie bei Auffahrunfällen, um die Knautschzone in vollem Umfang zu nutzen (Sandwich-Konzept)

1996 Bremskraftverstärker zur Erhöhung auf den maximal möglichen Bremsdruck

1995 elektronisch gesteuertes System für gezieltes Abbremsen einzelner Räder, das dem Ausbrechen von Fahrzeugen entgegenwirkt (ESP)

1989 automatischer Überrollbügel zum Insassenschutz bei Fahrzeugüberschlägen (z. B. bei Cabriolets) 1980 Luftsack (Airbag), der sich im Falle eines Unfalls im Fahrzeuginnenraum entfaltet 1978 System zur Vermeidung des Blockierens der Räder und Erhaltung der Lenkfähigkeit (ABS) 1959 Definition bestimmter Bereiche im Fahrzeug, die sich im Falle einer Kollision verformen und so Energie absorbieren können (Knautschzone)

Das Arbeitsblatt zur geschichtlichen Entwicklung der Komfort- und Sicherheitssysteme im Kfz bietet als Einführungsstunde Freiraum für Diskussionen. Durch den Einsatz von QR-Codes können im Unterricht moderne Medien verwendet werden. Mithilfe des Films hinter dem QR-Code auf S. 9 lässt sich das Verhältnis der Pioniere Benz und Daimler erarbeiten. Insbesondere die Tabelle in Aufgabe 5 zeigt die Schwierigkeit auf, moderne Assistenzsysteme eindeutig einer der Kategorien „Sicherheit“ oder „Komfort“ zuordnen zu können.

Zu AB 2 „Moderne Sicherheits- und Komfortsysteme“

Hauptunfallursachen sind in der Regel • nicht angepasste Geschwindigkeit, • falsche Straßenbenutzung, • falscher Abstand zu anderen Verkehrsteilnehmern, • Vorfahrts-/Vorrangfehler, • falsches Abbiegen, • technische Mängel oder • Fahren unter Alkoholeinfluss.

Fahrzeughersteller unterscheiden bei der Entwicklung von Sicherheitssystemen in Fahrzeugen zwischen aktiver und passiver Sicherheit. Passive Sicherheitssysteme (z. B. Sicherheitsgurte oder Airbags) leisten einen Beitrag zum Schutz vor schweren Unfallverletzungen, zur Senkung der Verletzungsgefahr oder zur Milderung der Unfallfolgen. Aktive Sicherheitssysteme – z. B. Antiblockiersystem (ABS), Antriebsschlupfregelung (ASR) oder Elektronisches Stabilitäts-Programm (ESP) – hingegen leisten einen Beitrag zur Verkehrssicherheit durch Unfallvermeidung.

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Alle Situationen werden zu einem Sicherheitskonzept zusammengefasst, sodass Assistenz und Schutzsysteme in optimaler Weise zusammenspielen:

• Sicher fahren, d. h. Gefahren vermeiden, rechtzeitig warnen und assistieren,

• bei Gefahr vorbeugend agieren,

• beim Unfall bedarfsgerecht schützen und

• nach dem Unfall Schlimmeres vermeiden und schnell helfen.

Hinter dem QR-Code verbirgt sich eine Erklärung der Funktion von Assistenzsystemen. In einem einführenden Unterrichtsgespräch könnte diese Differenzierung aufgegriffen und z. B. über eine Mindmap visualisiert werden. Bitte beachten Sie: Die in Aufgabe 3 aufgeführten Fahrerassistenzsysteme erheben nicht den Anspruch auf Vollständigkeit. Auch rechtliche Fragen sollten hier wegen der zunehmenden Präsenz von Assistenzsystemen bis hin zum autonomen Fahren in einem Unterrichtsgespräch erarbeitet werden.

Zukünftige Systeme in Fahrzeugen werden zunehmend mit Sensoren und zugehörigen Objekt- und Situationserkennungssystemen arbeiten. So sehen laut einer Umfrage des ADAC Fahrzeugkäufer die Sicherheit als wichtigstes Kriterium bei einem Fahrzeugerwerb an.

Zu AB 3 „Intelligente Apps und Netzwerke“

Die zweidimensionale quadratische Matrix des QR-Codes wurde im Jahr 1994 zur Beschriftung von industriellen Bauteilkomponenten entwickelt. Beim Lesen der binär codierten Informationen wird ein Datenverlust von bis zu 30 % toleriert. Maximal lassen sich mit dem Code 2956 Bytes darstellen, was 7089 Dezimalziffern oder 4296 alphanumerischen Zeichen entspricht.

Unzählige, teils kostenfreie Apps zum Thema Mobilität stehen zur Verfügung. Mit einer Auswahl und eigenen Erfahrungen bei der Nutzung von Apps sollen Schülerinnen und Schüler (SuS) in Aufgabe 3 an das Bewerten und das kritische Hinterfragen entsprechender Programme herangeführt werden.

Zukunftsweisende Mobilitätskonzepte

Info:

Moovel (www.moovel.com) zeigt den Nutzern die optimalen Fortbewegungsmöglichkeiten von A nach B an. Dazu werden verschiedene Verkehrsmittel und -wege miteinander verglichen. Für einige Großstädte sind bereits umfangreiche Mobilitätsangebote integriert. So können z. B. „car2go“-Fahrzeuge über moovel direkt reserviert werden, es können Handytickets für den öffentlichen Nahverkehr gelöst und bezahlt werden, der Taxidienst von „mytaxi“ (verfügbare Taxis in der Nähe) kann genutzt oder Fahrräder von „nextbike“ ausgeliehen werden.

„Call a Bike“ ist ein von DB Rent betriebenes Fahrradverleihkonzept mit ca. 13.000 Rädern – auch E-Bikes – und über 700.000 registrierten Nutzern (Stand 2018). Nach der Registrierung kann sich die Nutzerin/der Nutzer rund um die Uhr ein Fahrrad in einer Vielzahl deutscher Großstädte ausleihen. Dazu wird mit dem Smartphone ein freies Fahrrad in der Nähe geortet. Der Anruf bei einer auf dem Fahrradschloss angebrachten Rufnummer bewirkt, dass der Entleihwunsch bestätigt, die Kosten abgebucht und das Schloss entriegelt werden.

Navigation per App. Alternativen zu herkömmlichen Navigationsgeräten sind Apps für das Smartphone zur Navigation. Diese werden je nach Vorliebe, Bedürfnis und funktionalem Umfang von kostenfrei bis 100 € angeboten, beispielsweise Navigon, Navfree, Skobbler, Google Maps und Moovel.

Achtung!

Nicht jede App ist für jedes Betriebssystem verfügbar.

ParkPatrol: iOS

Bußgeldrechner: Android

Kfz-Kennzeichen: iOS (0,99 ct)

Blitzer.de: iOS und Android

StauMobil: iOS und Android

Finde mein Auto: Android (Stand Februar 2018; es kann keine Gewähr für Aktualität und Vollständigkeit gegeben werden.)

Fahrzeughersteller arbeiten an Zukunftskonzepten, bei denen die Fahrzeugnavigation intelligent mit der anschließenden Fußgänger-Navigation via Smartphone oder „Google Glass“ verknüpft wird.

Head-up-Displays in modernen Fahrzeugen blenden verschiedene Informationen und Vorgänge, z. B. Geschwindigkeitsanzeige, Personenerkennung in der Nacht, Video-Telefonie, Navigationshinweise oder Nachrichten und Wetterdaten in das Sichtfeld des Fahrers auf der Frontscheibe ein. Diese Technik stammt aus der Flugzeugindustrie und hat in den letzten Jahren in Fahrzeugen stark an Bedeutung gewonnen.

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8 Lehrerinformationen zu Modul 1

decoding www

Handy auf den Code richtenfotograﬁeren decodierenWebsite

1 Wie Komfort und Sicherheit ins Auto kamen

Sich ohne Muskelkraft fortbewegen zu können, stand für die Erfinder des „Auto“-Mobils an erster Stelle. Komfort und Sicherheit spielten dabei anfangs keine große Rolle. Bereits in den ersten Fahrzeugen zeigte sich jedoch, dass diese beiden Ausstattungsaspekte eng miteinander verbunden waren.

1. Ergänze die Lücken im Text mit den folgenden Lösungswörtern. Airbags, Antiblockiersystem, Ausstattung, Benzin, Besserverdienern, Entwicklungen, Hebel, Heckscheibenheizung, Reservetank, Sicherheitsgurte, Sitzheizung, Tankanzeige, Zubehör

Wer vor 1955 zu den gehörte, konnte sich eine BMW Isetta oder einen VW Käfer leisten. Die meisten Fahrzeuge gab es fast nur ohne zusätzliche . Bei BMW z. B. konnte eine Heizung von 1955 bis 1962 für umgerechntet 48 € als bestellt werden. Das Fahren einer längeren Strecke war riskant, da die meisten Autos keine hatten. Ging das aus, musste man z. B. bei dem Kleinstwagen „Goggomobil“ einen auf der Hutablage umlegen, um einen kleinen zu aktivieren. Weitere technische wie das Frischluftgebläse, die und die Scheibenwaschanlage kamen erst in den 1960erJahren auf. Die beispielsweise, als Draht zwischen zwei Scheiben, wurde erst 1964 von Daimler angeboten, das 1969 von Ford, die serienmäßige Klimaanlage bei Daimler 1970 und von Daimler 1980. für die Vordersitze waren erst ab 1974 Pflicht. 2. Was konnte passieren, wenn der Treibstoff ohne Vorwarnung zu Ende ging und die Treibstoffreserve z. B. durch Umlegen eines Hebels geöffnet werden musste? 3. Vergleiche das moderne Lenkrad (rechte Abb.) mit dem Lenkrad aus Aufgabe 1. Beschreibe die Unterschiede.

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Weil die Zahl der Verkehrstoten im Straßenverkehr kontinuierlich anstieg, wurden Sicherheitsstandards verbindlich eingeführt (z. B. Knautschzone, Sicherheitsgurt). Die schwarze Kurve zeigt die Entwicklung der in Deutschland zugelassenen Pkw und die blaue Kurve die Zahl der Verkehrstoten.

4. a) Interpretiere das Diagramm. b) Begründe, warum es bis etwa 1970 einen Zusammenhang zwischen der Anzahl der Pkw und der Zahl der Verkehrstoten gibt und warum sich die Entwicklung danach änderte.

a) X-Achse: Linke Y-Achse: Rechte Y-Achse: b)

20 15 10 5 0

25 60 65 70 75 80 85 90 95 00 05 10 16 1955 Quelle: Statistisches Bundesamt, Wiesbaden

60 3 206

Ve rk ehrs tote in T ausend Pkw -Bestand in Millionen 0

5. Trage dir bekannte Komfort- und Sicherheitssysteme in Fahrzeugen in die Tabelle ein. Schreibe deine Beispiele so auf, dass ihr Beitrag zum Komfort (links) und/oder zur Sicherheit (rechts) erkennbar wird.

Komfort Sicherheit Fahrersitzverstellung

Sicherheitsgurt

Heckscheibenheizung

10 1

ins Auto kamen

Wie Sicherheit und Komfort

Moderne Sicherheits- und Komfortsysteme

In neueren Kraftfahrzeugen gibt es zur Unterstützung der Fahrerin/des Fahrers in vielen Fahrsituationen die unterschied

1. Zähle drei Gründe auf, weshalb Fahrerassistenzsysteme verbaut werden. • • •

Bei den heutigen Fahrerassistenzsystemen handelt es sich um selbstständige oder teilselbstständige Systeme. Sie warnen während einer kritischen Situation oder greifen sogar automatisch in den Fahrablauf ein. Nach wie vor hat aber das Handeln des Fahrers oder der Fahrerin immer Priorität.

2. Beschreibe, warum die meisten Fahrerassistenzsysteme so angelegt sind, dass die Fahr-Verantwortung beim Fahrer/der Fahrerin bleibt.

Positionssensoren in der Lenkeinstellung erfassen Kurven und verändern die Leuchtrichtung der Scheinwerfer in Kurvenrichtung.

Durch Radar oder Ultraschall wird das Ein- und Ausparken des Fahrzeugs erleichtert oder vollständig übernommen. Bei aktiviertem Assistent lenkt das Fahrzeug automatisch in die Lücke.

Eine Videokamera vergleicht Verkehrszeichen mit den Sensoren der Raddrehzahl. Im Fahrzeug werden Zeichen angezeigt und die Geschwindigkeit wird automatisch angepasst.

Radarsysteme oder lasergestützte Lichtabtastung (Lidarsysteme) erfassen die Entfernung von Hindernissen und leiten eine Teil- oder Vollbremsung ein.

Der Abstand zu einem vorausfahrenden Fahrzeug wird durch optische Sensoren (Radarsensoren) oder Kameras ermittelt, daraufhin wird die Geschwindigkeit angepasst.

Durch eine Infrarotkamera wird die Sichtweite in der Dunkelheit erhöht, indem zusätzlich Bilder auf die Frontscheibe oder ein Display projiziert werden.

3. Welches Fahrerassistenzsystem übernimmt welche Funktion? Schreibe die passenden Assistenzsysteme in die vorgegebenen Felder der Beschreibungen. Abstandsregeltempomat, adaptiver Fernlichtassistent, adaptiver Nachtsichtassistent, adaptives Kurvenlicht, Ein- und Ausparkassistent, Notbremsassistent, Spurhalteassistent, Spurwechselassistent, Verkehrszeichenerkennung, Fußgängerschutzassistent, Stauassistent, Notrufassistent … Damit Assistenzsysteme beim Autofahren unterstützend eingreifen können, werden verschiedene Arten von Sensoren benötigt. Sie erfassen physikalische Signale der aktuellen Fahrsituation.

… Stabilitätsprogramm Verkehrszeichenerkennung Bremsassistenten 7 Airbags Einparkhilfen Antiblockiersystem Abstandswarnern

Wirkprinzip optisch und elektromagnetisch optisch 7 mechanisch induktiv akustisch elektromagnetisch optisch oder magnetisch

2 Moderne Sicherheits- und Komfortsysteme

Sensor 1 Ultraschallsensor 2 Gabellichtschranke oder Magnetschalter 3 Magnetfeldsensor 4 Radar 5 Lidar (lasergestützte Lichtabtastung) 6 Kamera 7 Beschleunigungs-

Crashsensor

4. Ordne die folgenden Sensoren ihren Einsatzbereichen, den technischen Anwendungen und dem physikalischen Wirkprinzip zu.

oder

Erfassen von … größeren Entfernungen Drehgeschwindigkeiten

Längs-/ Querbeschleunigungen kurzen Entfernungen Formen und Zeichen schnellen Entfernungsänderungen Raddrehzahlen Einsatz in

3 Intelligente Apps und Netzwerke

Viele Apps und Hilfsprogramme für Autofahrer werden mittlerweile auch während der Fahrt genutzt. In vielen Fahrzeugen sind einzelne Komponenten über Minicomputer oder Funknetze miteinander verbunden. Um Staus zu vermeiden und Unfällen vorzubeugen, werden außerdem Informationen in Echtzeit zwischen Fahrzeugen ausgetauscht.

1. Zähle dir bekannte Bereiche auf, in denen Autofahrer und -fahrerinnen Software und Computer im Auto nutzen.

2. Zu einer wichtigen Informationsquelle zählt der sogenannte QR-Code (Quick Response = schnelle Antwort). Beispielsweise kann man ohne Eintippen Texte und Informationen auf das Smartphone übertragen. Zu finden sind die schwarzweißen Quadrate auf Anzeigen, Informationstafeln und Produkten.

a) Beschreibe, wie man einen QR-Code einlesen kann.

b) Lies den abgebildeten QR-Code ein. Welchen Hinweis erhältst du?

3. Ohne Apps möchten viele Menschen mittlerweile nicht mehr reisen oder Auto fahren. Die Angebote reichen von Unterhaltungsprogrammen über Sicherheitsdienste bin hin zu Dienstleistungssystemen.

a) Besorge dir eine App aus dem Bereich „Mobilität“ oder wähle eines der abgebildeten Programme und beschreibe in einem kurzen Vortrag, was das Programm leistet.

b) Erstelle ein Ranking der vorgestellten Programme. Entwickle dazu eine Bewertungsskale mit Aspekten wie Preis, Darstellung, Werbung, mobile Einsatzmöglichkeiten, Qualität der Inhalte …

Achtung!

Nicht jede App ist für jedes Betriebssystem verfügbar.

Als Kopiervorlage freigegeben. Genius – Die junge WissensCommunity von Mercedes-Benz, Stuttgart 2018

StauMobil

ParkPatrol

Bußgeldrechner Kfz-Kennzeichen Finde mein Auto Blitzer.de

4. Carsharing bietet ein zusätzliches Mobilitätsangebot. Nutzer können mit einer App über das Smartphone oder im Internet das nächstgelegene Fahrzeug suchen, buchen und bezahlen.

Recherchiere im Internet, wo in deiner Umgebung das nächste Carsharing-Fahrzeug steht und was der gefahrene Kilometer kosten würde.

5. Auf Wunsch kann beim Fahrzeugkauf ein Stauassistent mitbestellt werden. Recherchiere, was ein aktuelles System leisten kann und welche Informationen ein Stauassistent für eigenständiges Fahren benötigt.

6. Moderne Fahrzeuge sind untereinander vernetzt. Dies hat viele Vorteile. Welche Nachteile kann jedoch eine zunehmende Vernetzung haben?

7. Um welche Anlagen handelt es sich hier? Beschreibe, was erfasst wird und was die Anlagen bewirken sollen. Recherchiere nötigenfalls im Internet.

8. Um den Verkehr so weit wie möglich fließen zu lassen, werden alle erfassten Informationen in Verkehrsleitzentralen gesammelt, ausgewertet und an die Verkehrsteilnehmer weitergegeben. Recherchiere, wie Verkehrsleitzentralen funktionieren, woher sie ihre Daten bekommen und auf welche Weise die Verkehrsteilnehmenden die Informationen erhalten.

14 3 Intelligente Apps und Netzwerke

Lehrerinformationen zu Modul 2

Zu AB 4 „Methoden beim technischen Arbeiten“

In einer zunehmend technisierten Welt ist es notwendig, über eine ausgeprägte Methodenkompetenz zu verfügen. Charakteristische Methoden der technischen Bildung vermitteln Kenntnisse, Fähigkeiten, Fertigkeiten und Einstellungen. Dabei ist ihre zweifache Funktion von Bedeutung: Das Vorgehen nach bestimmten Methoden erschließt einen von der gewählten Methode beeinflussten Ausschnitt des bearbeiteten Inhalts. Durch die Auswahl bestimmter Inhalte können Methodenkenntnisse vermittelt werden. Methoden und Unterrichtsinhalte lassen sich weder gedanklich noch praktisch voneinander trennen, daher ist die Auswahl der Unterrichtsinhalte von hoher Bedeutung.

Kreatives, eigenständiges und erfinderisches Handeln setzt ein grundlegendes Methodenrepertoire voraus. Mit dem vorliegenden Arbeitsblatt soll einerseits ein Verständnis für die Notwendigkeit strukturierter technischer Vorgehensweisen geschaffen werden und andererseits eine Auswahl an technischen Methoden veranschaulicht werden. Im Rahmen der zunehmenden Digitalisierung der Gesellschaft spielen personale Kompetenzen oder Soft Skills eine immer wichtigere Rolle beim lebenslangen Lernen. Die Seite www.soft-skills.com bietet hierzu zahlreiche Informationen.

Im Unterricht ist aus dieser Sicht das bewusste Erlernen von Lösungswegen und Lösungsmethoden in konkreten Problemsituationen bedeutsamer als das Ergebnis. So werden nicht nur wesentliche Schlüsselqualifikationen und Kompetenzen erworben, sondern auch grundlegende Voraussetzungen dafür geschaffen, wie effektiv gelernt werden kann.

Zu AB 5 „Elektrische Bauteile und deren Schaltzeichen“

Die aufgeführten Schaltzeichen dienen in erster Linie zur Orientierung bei der Auswahl von Bauteilen der Elektrotechnik. Da viele Bauteile in dem Simulationsprogramm Yenka® nicht mit normgerechten Schaltsymbolen wiedergegeben werden, enthält die Tabelle beide Darstellungsarten. Es hat sich als zeitsparend und effektiv erwiesen, jede Schülerin und jeden Schüler (SuS) jeweils ein Bauteil näher bearbeiten und ein kurzes Handout für einen Vortrag erstellen zu lassen. Als Differenzierung lassen sich einfache oder komplexere Bauteile bewusst zuteilen.

Zu AB 6 „Grundlegende Funktionsweisen in der Elektronik“

Hier werden jeweils mit einer Aufgabe die für das weitere Verständnis notwendigen Grundschaltungen erläutert. Diese

sollen mit einfachen Breadboards auch praktisch aufgebaut und getestet werden. Mithilfe der Stücklisten lassen sich alle benötigten Komponenten beschaffen. Der abgebildete QRCode beschreibt das Funktionsprinzip bzw. die Nutzung der Experimentierplatinen. Das youtube-Video stellt das Funktionsprinzip des Transistors in geeigneter Weise dar. Dieses Video oder ein ähnliches lässt sich über die Smartphones der SuS oder einen Laptop/Beamer in den Unterricht einbinden.

Zu AB 7 „Sensoren und Aktoren“ Mit diesem Arbeitsblatt sollen die SuS an die Erfassung und Auswertung von Daten und Signalen herangeführt werden. Dabei wird bewusst der Vergleich zum menschlichen Organismus gewählt (fächerübergreifender Aspekt; Beispiel aus der Lebenswirklichkeit der SuS). Da in den letzten Jahren einfache Servomotoren preisgünstig geworden sind, sollten sie neben klassischen Motoren, Lautsprechern und Lampen ebenfalls im Unterricht behandelt werden. Ein Verständnis dafür zu schaffen, wie die Ansteuerung von Servos funktioniert, ist nicht vorgesehen.

Zu AB 8 „Einführung in Simulationsprogramme“ Für die Simulation elektrotechnischer Schaltungen am Rechner benötigt man für jede Schülergruppe (max. 2 – 3 SuS) einen Computer mit der Software YENKA® (oder eines der Vorgängerprogramme, z. B. Crocodile Clips). Der Schwerpunkt des Unterrichts sollte jedoch darauf ausgerichtet sein, die SuS möglichst eigenständig und häufig mit der Simulation arbeiten zu lassen. Es ist nicht sinnvoll, die Software nur zu Motivationszwecken als Selbstzweck einzusetzen.

Das Arbeitsblatt ist so aufgebaut, dass die SuS den Zweck eines Elektrotechnik-Simulationsprogramms kennenlernen. Das Programm wird als kostenlose Heimlizenz unter www.yenka.com angeboten (ab 15:00 Uhr nutzbar) oder muss als Klassensatz erworben werden. Beachten Sie den Hinweis auf der U 3 (hintere Umschlagseite). Da Simulationen nicht nur auf Elektrotechnik-Programmen verwendet werden, empfiehlt es sich, die Simulation eines anderen Vorganges in den Unterricht einzubeziehen. Es finden sich zahlreiche Animationen wie z. B. die vorgestellte Gletscher-Simulation im Netz.

Zu AB 9 „Einführung in das praktische Arbeiten“ Löten – eine Verbindungstechnik

In der Elektronik werden elektrisch leitende Verbindungen fast ausschließlich durch Löten (Weichlöten) hergestellt. Beim Lötvorgang dient meist ein Metalllot (Legierung; Lötzinn) zum Verbinden der Teile, wobei das Lot einen

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niedrigeren Schmelzpunkt hat als die zu verbindenden Teile. Entscheidend für das Zustandekommen einer vollkommenen Lötverbindung sind die im Arbeitsblatt genannten Punkte. Der Lötvorgang aus physikalischer Sicht:

• Benetzen. Nach dem Erreichen der Arbeitstemperatur befreit das Flussmittel im Lot die Metalloberfläche von Oxidationen.

• Fließen. Das heiße Lot füllt den Bereich der Lötstelle aus.

• Legieren. Das Lot kann in die Randzonen des Metalls eindringen und geht mit diesem eine Legierung ein.

Wichtig ist die Einhaltung der richtigen Temperatur beim Löten. Bei zu hoher Löttemperatur verdampfen Legierungsbestandteile des Lots, im Werkstück bildet sich grobes Korn, die Festigkeit der Lötstelle wird herabgesetzt und die Wirksamkeit des Flussmittels entfällt.

Kleiner Lötkurs

Wenn die SuS noch keine Erfahrungen im Löten haben, sollte man den Lötvorgang durch eine Videosequenz demonstrieren. Diese kann als Ergänzung zu einem kurzen Lehrgang durch die Lehrkraft gezeigt werden, da sich die einzelnen Schritte besser kommentieren lassen. Außerdem empfiehlt es sich, vor der Herstellung einer funktionstüchtigen Schaltung einen dekorativen Würfel aus Silberdraht als Übungsstück zu erstellen.

Materialliste: Lötwerkzeug, Lot, Silberdraht

Der Silberdraht soll in 24 Stücke à 12 cm Länge geschnitten werden. Dann werden 6 Figuren in Doppelkreuzform # und danach die sechs Doppelkreuze zu einem Würfel zusammengelötet. Zum leichteren Zusammenbau kann ein Montagehalter verwendet werden. Als Differenzierung lässt sich die Formgebung mit Silberdraht für die Erstellung der Karosserieform des Modellfahrzeugs anwenden.

Einfache Leiterplattenherstellung

Für die Herstellung einer elektronischen Schaltung gibt es verschiedene Aufbautechniken. Allen Techniken ist gemeinsam, dass die Bauteile auf einer Platine befestigt und elektrisch leitend so miteinander verbunden sind, dass die Vorgaben des Schaltplans eingehalten werden. Schaltungen auf Lochstreifenplatinen lassen sich schnell und unkompliziert herstellen. Sie werden auch bei der Herstellung der Fahrzeugmodelle weiter hinten im Heft verwendet.

Die Anschlüsse der meisten elektronischen Bauteile und die Bohrungen der Lochstreifenplatinen haben einen bestimmten Abstand zueinander. Diesen Abstand nennt man Rastermaß (RM). 1 RM entspricht dabei 2,54 mm (1/10 Zoll).

Lochstreifenplatinen sind ein- oder beidseitig mit einer dünnen Kupferschicht versehen. Vorteilhaft im Unterricht ist, dass sie weder geätzt noch gebohrt werden müssen.

So kommt man schnell zu einer fertig aufgebauten, professionellen Schaltung:

• Schaltplan auf die Platine übertragen,

• überschüssige Kupferbahnen unterbrechen,

• Bauteile einsetzen,

• Bauteile verlöten,

• fehlende Leitungsverbindungen ergänzen.

Sicherheitshinweis:

• Keine Arbeiten an unter Spannung stehenden Teilen durchführen.

• Beim Löten besteht Verbrennungsgefahr!

• Wegen der entstehenden Lotdämpfe ist darauf zu achten, dass der Raum immer gut gelüftet ist.

• Häufig sind die Anschlussleitungen von Lötkolben durch geschmolzene Isolierschichten beschädigt. Alle Lötkolben sind vor Unterrichtsbeginn entsprechend zu überprüfen.

Zu AB 10 „Einführung in SIEMENS LOGO!“

Steuern und Regeln

Nach den technischen Definitionen über „Steuerungen“ und „Regelungen“ lassen sich speicherprogrammierbare Steuerungen (SPS) als Systeme beschreiben, die selbstständig auf bestimmte Umweltfaktoren in einer programmierten Art und Weise reagieren. Dazu benötigt das System neben Sensoren und Aktoren in den meisten Fällen auch mechanische Teile. Die Sensoren erfassen je nach Bauart unterschiedliche Umweltbedingungen und wandeln die Werte in elektrische Signale um. Diese gelangen zur Steuerungseinheit, welche die Signale funktional verarbeitet und je nach Programmierung wiederum als Signal an die angeschlossenen Aktoren sendet, die dann eine gewünschte Tätigkeit ausführen.

Speicherprogrammierbare Steuerung (SPS)

einheit

Eine Steuerungseinheit kann aus einzelnen Bauteilen hergestellt werden; für den Unterricht bietet sich jedoch die Verwendung von fertig aufgebauten Modulen an: bestimmte Umweltbedingung

16 Lehrerinformationen zu Modul 2

Reaktion des Systems

Aktor 1 Aktor 2 Aktor X Sensor 1 Sensor 2 Sensor X Steuerungs-

• Mikrocontroller und elektronische Treiberschaltungen,

• eine Steuerungseinheit aus technischen Baukästen, z. B. LEGO MINDSTORMS® oder fischertechnik,

• eine speicherprogrammierbare Steuerung, z. B. Siemens LOGO!®, Arduino oder C-Control.

Die Hardware

Die SPS Siemens LOGO!® ist ein kommerzielles Steuerungssystem für die Realisierung einfacher Automatisierungsaufgaben. Die LOGO!® kann in sehr unterschiedlichen Anwendungsbereichen eingesetzt werden, beispielsweise zur Maschinensteuerung, zur Ansteuerung von Transporteinrichtungen wie Aufzügen oder Förderbändern, zur Steuerung von Überwachungsanlagen oder in der Haus- und Gebäudetechnik, um Heizungen, Lüftungen und Markisen anzusteuern.

Der Vorteil des Systems besteht in der einfachen und unproblematischen Anwendung. Für den Gebrauch sind keine tieferen Elektronikkenntnisse notwendig. Eine StandardLOGO!® ist für 12 V Betriebsspannung ausgelegt und besitzt 8 Eingänge, davon können 4 für analoge Signale verwendet werden. Weiterhin gibt es 4 digitale Ausgänge. Die LOGO!® ist flexibel erweiterbar auf bis zu 24 digitale Eingänge, 16 digitale Ausgänge, 8 analoge Eingänge und 2 analoge Ausgänge. Sie bietet somit ausreichende Anschlussmöglichkeiten für Sensoren und Aktoren auch in weiterführenden Projekten im Unterricht. Für den Unterrichtseinsatz im Rahmen dieses Arbeitsheftes sind prinzipiell alle Versionen der LOGO!® einsetzbar. Am häufigsten sind an den Schulen die Versionen 6 und 7 anzutreffen. Im vorliegenden Arbeitsheft wird die Version 8.1 verwendet.

Die Software

Das Programm LOGO!® Soft Comfort ist anschaulich aufgebaut und weitgehend selbsterklärend. Mit der Hilfefunktion können sich die SuS Informationen zu einzelnen Funktionen einholen.

38 verschiedene, integrierte Funktionen können zu nahezu beliebig vielen Blöcken miteinander verknüpft werden. Dabei können verschiedene Logikgatter – wie AND (UND-Funktion), NAND (NICHT-UND-Funktion), NOT (NICHT-Funktion), OR (ODER-Funktion), NOR (NICHT-ODER-Funktion) – sowie Impulsgeber, Schwellwertschalter, Verzögerungsschalter etc. ausgewählt und über „Drag and Drop“ miteinander verschaltet werden. Die optische Darstellung der Softwareversionen 6 bis 8 variiert etwas. Bei der Darstellung der Schaltungen in der Software sind jedoch keine Unterschiede erkennbar.

Das heißt, ein grafischer Schaltplan wird in „Funktionsplan“ oder „Kontaktplan“ aus logischen „Gattern“ per „Drag and Drop“ gezeichnet, die SuS müssen also keine Programmiersprache beherrschen.

Im sogenannten Simulationsmodus kann zu jedem Zeitpunkt die Funktion des entwickelten Programms überprüft werden. Zudem kann das gesamte Schaltprogramm offline am Rechner simuliert und getestet werden.

Die Installation des Programms erfolgt in der Regel ohne Probleme. Eventuell müssen vorhandene Schutzsysteme auf dem Computer deaktiviert werden. Beim Übertragen der Programme in die LOGO!® ist darauf zu achten, dass die Schnittstellen im Rechner (USB/seriell) erkannt werden.

Zu AB 11 „Einführung in LEGO® MINDSTORMS®“ Voraussetzungen

Mit LEGO MINDSTORMS® können SuS sehr schnell komplexe Zusammenhänge aus dem Themengebiet Sicherheits-/Sensortechnik nachbauen.

Für die Bearbeitung der Arbeitsmaterialien werden das „LEGO MINDSTORMS® Education EV 3 Basis Set“ sowie die zugehörige MINDSTORMS-Software benötigt.

Im Vordergrund soll das Experimentieren mit Sensortechnik an fahrzeugähnlichen Robotern stehen. Das „Konstruieren“ beschränkt sich bei allen Aufgaben auf das Anbauen der benötigten Sensoren an den Roboter. Alle Aufgaben lassen sich mit einem Roboter lösen, der nach Anleitung (im Robot Educator) zusammengebaut wird. Auch mit anderen fahrzeugähnlichen Robotern lassen sich die Aufgaben problemlos bearbeiten. Lediglich die gegebenen Hilfen für den Anbau der Sensoren können dann nur teilweise verwendet werden.

Beim Einsatz von LEGO MINDSTORMS® im Unterricht ist es wichtig, dass die SuS lernen selbstständig zu arbeiten und Problemstellungen zu lösen. Als primäre Anlaufstelle soll möglichst nicht die Lehrkraft gesehen werden, sondern die Hilfsmittel, die vor allem die MINDSTORMS-Software anbietet. Im „Robot Educator“ und im „Hilfebereich“ finden die Lernenden zahlreiche Informationen.

Einführung in das Arbeiten

Die größte Hürde für die SuS besteht im Anfertigen des ersten selbstgeschriebenen Programms. Im vorliegenden Arbeitsblatt werden deshalb die wichtigsten Grundlagen und Begriffe allgemein eingeführt. Der Robot Educator liefert schrittweise Anleitungen zu ähnlichen Aufgabenstellungen. Die sehr übersichtlich gestaltete Hilfe bietet ausführlichere Informationen zu verschiedenen Programmierelementen.

In Aufgabe 4 wird der Weg zum ersten eigenen Programm nachvollzogen. Auf diese Weise lernt man jedoch nicht, wie man die Konfigurationsbereiche der Programmierblöcke einstellt. Dies müssen die SuS mit eigenen Experimenten herausfinden. Die Möglichkeit, Sensorwerte direkt auslesen zu können, ist für bestimmte Problemlösungen wichtig. Im EV 3-Baustein kann man sich unter dem Menüpunkt „View“ sämtliche Sensorwerte anzeigen lassen.

Lehrerinformationen Modul 2 17

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Die SuS suchen z. B. zur Lösung von Aufgabe 4 im Menü den Menüpunkt „Reflected light“, um das Umgebungslicht zu messen, und stellen den Roboter erst auf eine schwarze Linie und dann auf eine weiße Oberfläche. Wichtige Erkenntnis hierbei ist, dass die Sensoren nicht 0 für schwarz und 100 für weiß anzeigen, sondern Zwischenwerte, die auch vom Umgebungslicht (Sonneneinstrahlung usw.) abhängen. Um die Funktionsweise der Sensoren kennenzulernen, sollten alle vorhandenen Sensoren nacheinander angeschlossen werden sowie verschiedene Messungen durchgeführt und protokolliert werden. Dieses Vorgehen ermöglicht das Einschätzen von zu erwartenden Messwerten sowie den sinnvollen Ein-

satz des EV 3-Bausteins zur Ermittlung von Schwellenwerten. Materialien auf dem Server – siehe U3: Für jede Aufgabe wurde ein Projekt vorbereitet, in dem die Aufgabenstellung und Hinweise angegeben sind. Die SuS können im Projekt ihre Erfahrungen in einem Journal dokumentieren. Hier befinden sich auch Bauanleitungen für den Roboter und den komplexeren Aufbau der Sitzerkennung. In der Lehrerversion steht für jede Aufgabe eine Musterlösung zur Verfügung. Die Programme sind mit Kommentaren als Hilfestellung versehen.

Der Text auf Seite 42 eignet sich als Einstieg in das spannende Thema der Sensortechnik.

Exkurs: Logikgatter (logische Verknüpfungen) Grundlage des Funktionsprinzips der LOGO!® und vieler anderer speicherprogrammierbarer Schaltungen ist die Digitaltechnik. Anders als bei der Analogtechnik werden Infor mationen nicht in Form von Spannungen oder Strömen verarbeitet, sondern es werden digital vorliegende Signale, sogenannte diskrete Signale, miteinander verknüpft. Die Verarbeitung geschieht mithilfe von logischen Gattern, Datenspeichern und Mikroprozessoren. Um analoge in digitale Signale und umgekehrt umzuwandeln, werden diese in Analog-Digital-Wandlern (A/D-Wandlern) übersetzt. Logische Gatter sind die Grundbausteine der Digitaltechnik. Sie werden zur Verarbeitung der digital vorliegenden Eingangssignale zu Ausgangssignalen verwendet. Anliegende Eingangssignale werden durch logische Operatoren, wie z. B. UND, ODER und NICHT, zu einem logischen Ergebnis umgewandelt und als Signal am Ausgang ausgegeben. Das Gatter selbst ist in der Regel mit Halbleiterbausteinen

wie Dioden und Transistoren aufgebaut. Anliegende Signale sind Spannungen, die die logischen Zustände, sogenannte Pegel, darstellen. Sie werden meist mit „0“ und „1“ oder „high“ und „low“ bezeichnet. Theoretisch könnten Gatter aber auch mit Relais oder mit mechanischen Bauteilen realisiert werden.

Die Zustände eines Gatters können in einer Wahrheitstabelle dargestellt werden. Hier werden alle möglichen Kombinationen der Eingangssignale aufgeführt und die dazugehörigen Ausgänge dargestellt. Dadurch lassen sich logische Zusammenhänge und Formeln relativ einfach auslesen. Eine Wahrheitstabelle enthält bei n Eingangsvariablen 2n Eingangskombinationen und damit auch 2n Zeilen.

Außerdem lassen sich die Zustände eines Gatters bzw. die Verknüpfung von Eingangs- und Ausgangsvariablen mit sogenannten Funktionsgleichungen darstellen. So lassen sich die Ausgangsvariablen mithilfe der Grundfunktionen UND, ODER und NICHT berechnen.

18 Lehrerinformationen zu Modul 2

Name Schaltsymbol Funktionsgleichung Wahrheitstabelle UND-Gatter (AND) A & B X X = A  B X = A B A B X 0 0 0 0 1 0 1 0 0 1 1 1 ODER-Gatter (OR) A ≥1 B X X = A  B X = A + B A B X 0 0 0 0 1 1 1 0 1 1 1 1 NICHT-Gatter (NOT) A 1 X X = A X = ¬ A A X 0 1 1 0 NICHT UND-Gatter (NAND) A & B X X = A  B X = A  B X = AB A B X 0 0 1 0 1 1 1 0 1 1 1 0 NICHT ODER-Gatter (NOR) A ≥1 B X X = A  B X = A  B X = A + B A B X 0 0 1 0 1 0 1 0 0 1 1 0

4 Methoden beim technischen Arbeiten

Technik dient letztendlich der Bedürfnisbefriedigung des Menschen. Ein Ingenieur bzw. eine Ingenieurin entwickelt beispielsweise mithilfe von naturwissenschaftlichen Erkenntnissen Lösungen, die für die Menschen hilfreich sein sollen. Dazu müssen technische und wirtschaftliche Probleme gelöst und Produktionsweisen optimiert werden.

1. Über welche Fähigkeiten und Fertigkeiten müssen Techniker und Technikerinnen bei der Entwicklung eines Produkts verfügen? Finde für die vier folgenden Bereiche passende Überbegriffe.

Kenntnis von fachwissenschaftlichen Grundlagen, komplexen technischen Gebilden, übergeordneten Zusammenhängen, Modellbildung, Simulation und Bewertung, Computern, …

Kenntnisse von Ideenfindung, Entscheidungsfindung, Durchführung und Kontrolle technischer Handlungen, Zeit und Produktionsmanagement, …

Kenntnisse von Methoden der Zusammenarbeit, kollegialem Verhalten, Führungsverhalten, …

Kommunikationsfähigkeit, Vortrags- und Präsentationsfähigkeit, Moderationsfähigkeit, Verhandlungsfähigkeit, Fremdsprachenfertigkeit, …

2. Strukturiere die vorgegebenen Begriffe zum „Lebenszyklus eines technischen Produkts“ in einer Kreisform. Entsorgung, Entwicklung einer Idee, Gebrauch, Bewertung, Produktentwicklung, Produktion, Produktplanung, Vertrieb und Service, Wirtschaftlichkeitsprüfung

Erkennen eines Bedürfnisses technisches Produkt

3. Warum führt der Gebrauch eines Produkts in den meisten Fällen zu einer neuen Idee?

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Methoden beim technischen Arbeiten

4. Im Laufe des Entstehungsprozesses eines technischen Produkts werden verschiedene Methoden verwendet. Bearbeite die Aufgaben a) bis c) zu den folgenden Vorgehensweisen.

a) Ergänze die fehlenden W-Fragen.

Zum Erkennen eines Bedürfnisses und Entwickeln einer Idee lässt sich die „W-Fragen-Methode“ verwenden. Die notwendigen Informationen werden gewonnen, indem man zum Kernproblem eine möglichst große Zahl von W-Fragen formuliert. Zur besseren Übersicht werden diese in einer Strukturkarte angeordnet. Diese Karte dient als Grundlage für die Ideenfindung.

b) Zeichne mögliche Entscheidungswege ein.

Bei der Gewinnung von Lösungsideen lässt sich die Kombinationsmethode verwenden. Dabei werden mögliche Lösungsvarianten zu einer neuen Lösung verknüpft und kombiniert. So wird festgestellt, aus welchen Elementen das Produkt bestehen soll, welche Ausführungsmöglichkeiten angewendet werden können und welche mögliche Lösung die geeignetste ist.

c) Benenne die Stufen der Produktentwicklung.

Bei der Produktentwicklung haben sich zwei Methoden etabliert. Bevor man das geplante Produkt herstellt, werden möglichst mithilfe von Simulationen Unsicherheiten und kritische Aspekte durchgespielt. In der folgenden Stufe wird ein Prototyp des Gegenstands erstellt. Hierbei handelt es sich um ein vereinfachtes, aber dennoch funktionsfähiges Versuchsmodell.

5. Soft Skills (also „weiche Fähigkeiten“, die eher im sozialen und personalen Bereich liegen) spielen in der modernen Produktion eine immer wichtigere Rolle. Recherchiere auf der Seite www.soft-skills.com, was es mit dem sogenannten „Soft-Skills-Würfel“ auf sich hat. Erläutere die Ergebnisse deiner Recherche und erstelle einen kurzen Vortrag mit Erklärungen, wofür die ausgewiesenen Kompetenzen zukünftig notwendig sind.

was

Antrieb Elektromotor Ottomotor Hybridsystem Reichweite niedrig mittel hoch Kosten niedrig mittel hoch Personen 2 4 5 Kofferraum klein mittel groß Tankzeit niedrig mittel hoch

© André Moritz, www.soft-skills.de

5 Elektrische Bauteile und deren Schaltzeichen

1. In der Elektrotechnik hat man sich weltweit auf eine Symbolsprache geeinigt und jedem Bauteil ein Symbol zugeordnet. Stelle dir eine übersichtliche Tabelle der wichtigsten Schaltzeichen zusammen. Dazu findest du auf der Rückseite die wichtigsten Symbole der Elektrotechnik und das jeweilige Symbol im Simulationsprogramm Yenka. Kopiere die Symbole, schneide sie einzeln aus, ordne sie dem passenden Text zu und klebe sie in die Tabelle. technisches Schaltzeichen Symbol in Yenka® Benennung

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Diode Widerstand

regelbarer Widerstand Trimmpotenziometer Strommessgerät

Relais Schwimmerschalter Thermistor

Leitungen, ohne Verbindungen und mit Verbindungen konstante Spannungsquelle variable Spannungsquelle Masse Elektromotor Glühlampe Leuchtdiode

(R)

technisches Schaltzeichen Symbol in Yenka® Benennung Spannungsmessgerät Elektrolytkondensator Kondensator Transistor Tastschalter Schalter Wechselschalter

Fotowiderstand (LDR) Reedkontakt

zu Aufgabe 1 Kopiere diese Schaltzeichen, schneide sie aus und ordne sie in der Tabelle auf Seite 21 der richtigen Benennung zu. Technische Schaltzeichen Symbole in Yenka®

Erstelle auf einem gesonderten Blatt für alle Bauteile ein Wiki in Tabellenform nach dem vorgegebenen Muster.

Widerstände werden benötigt, um Strom zu begrenzen. Der Widerstandswert R ) angegeben. Widerstände werden verwendet, um z. B. Leuchtdioden vor zu hoher Spannung zu schützen oder um über einen einstellbaren Widerstand die Drehzahl eines Lüfters zu regeln. Benannt ist die Einheit des elektrischen Widerstandes nach dem deutschen Physiker Georg Simon Ohm Wissenswertes zur physikalischen Größe oder dem Bauteil Der Wert eines Widerstands als Bauteil wird mit einem Zahlenaufdruck, z. B. %, oder mit einer farbigen Kennzeichnung angegeben. Das Vielfache der Einheit 1 Ohm sind ein Kiloohm (1 kΩ) und ein Megaohm (1 MΩ). Der elektrische Widerstand eines Bauteils wird mit der Gleichung R = U/I berechnet.

22 5 Elektrische Bauteile und deren Schaltzeichen

0 -12 V

A V M 0

M 0

A V

B E C +

A V + 10 0 µF 0

B E C A V

B E C +

µF A V

B E C A V

+ 1

250

A V M 0

B E C + 100 µF 1,00

A V M 0 -12 V B E C + 100 µF

A V B E C + 100 µF A V M 0 -12 V B E C + 100 µF A V M B E C + 10 0 µF A V B E C + 10 0 µF A V M B E C +

µF A V M 0 -12 V B E C + 10 0 µF A V M 0 -12 V B E C + 100 µF A V M B E C + 100 µF 20 kΩ °C 40 20 0 –20 –t° A V M 0 -12 V + 100 µF 1 MΩ + 10 0 µF

12 V

-12 V

10 0 µF 12 V

-12 V

M 0 -12 V

10 0 µF

-12 V

10 0

-12 V M

-12 V

M 0 -12 V

kΩ

Ω

-12 V 10 kΩ

-12 V

1,00 V

10 0

0 -12 V

B E C +

-12 V

10 0 µF Reedkontakt 100 µF

6 Grundlegende Funktionsweisen in der Elektronik

In der Elektrik kennt man nur „Leiter“ und „Nichtleiter“. In der Elektronik benutzt man zusätzlich „Halbleiter“, die nur unter bestimmten Bedingungen leitend sind.

1. Ergänze die fehlenden Felder in der Tabelle.

Bauteil Schaltzeichen Erklärung

Diode

Leitet den Strom nur in eine Richtung, in der anderen sperrt sie. Allerdings reduziert sich die Spannung um 0,7 V Schwellenspannung, darunter sperrt sie also in beiden Richtungen.

Ein Kurzzeitladungsspeicher. Wird eine Spannung angelegt, lädt er sich langsam auf, abhängig von seiner Kapazität und der Stromstärke. Fällt die Spannungsquelle weg, entlädt er sich langsam wieder.

2. Schaltungen testen

Scanne den abgebildeten QR-Code, der wichtige Informationen über Breadboards enthält. Besorge dir die Teile der nebenstehenden Stückliste.

a) Zeichne das Schaltbild einer einfachen LED-Schaltung, die mit den aufgeführten Bauteilen umgesetzt werden kann. (Tipp: Welchen der aufgelisteten Vorwiderstände musst du verwenden, wenn die LED für 2,2 V/30 mA ausgelegt ist?)

b) Baue die LED-Schaltung auf.

3. Transistoren und Verstärkerschaltungen

Ein Transistor hat drei Anschlüsse: Basis (B), Kollektor (C) und Emitter (E). Eine Transistorschaltung besteht aus zwei Stromkreisen: dem Steuerstromkreis und dem Arbeitsstromkreis.

a) Suche im Internet eine geeignete Erklärung (z. B. unter https://www.youtube.com/watch?v=EYTKQ3dkQ0w), wie eine Transistorschaltung funktioniert, und vollende den folgenden Satz.

Steigt im Steuerstromkreis

b) Beschrifte die dargestellte Transistorschaltung mit den im Video erläuterten Begriffen.

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Stückliste 1 Breadboard mit 240 Pins 1 Blockbatterie 9 V 1 Anschlussstecker 9 V 1 Widerstand 220 Ω 1 Widerstand 470 Ω 1 Widerstand 82 Ω 1 Widerstand 120 Ω

Widerstand 4,7 kΩ

B E

0 -12 V B

A V M

E C + 10 0 µF

B E

1 Transistor BC 547 1 LED rot 1 Taster 1 Potenziometer 10 kΩ

C + 10 0 µF

9 V 10 kΩ 470 Ω 220 Ω

c) Wie reagiert die Schaltung, wenn der Wert des regelbaren Widerstands verringert wird?

d) Baue die abgebildete Schaltung mit deinem Experimentierset auf. Was passiert, wenn du den drehbaren Widerstand (Potenziometer) und den 470-Ω-Widerstand vertauscht?

4. Spannungsteiler

Wenn in einem Stromkreis zwei Widerstände in Reihe geschaltet sind, teilt sich die anliegende Spannung im gleichen Verhältnis zwischen ihnen auf. Ist ein Widerstand doppelt so groß wie der andere, fällt an ihm auch die doppelte Spannung ab.

a) Berechne für die folgenden Schaltpläne, welche Spannungen jeweils an welchem Widerstand anliegen. 12 V

220 Ω 470 Ω 9 V

82 Ω 220 Ω

4,7 kΩ 470 Ω 4,5 V

b) Baue eine der Schaltungen nach und miss mit einem Spannungsmessgerät dein errechnetes Ergebnis nach.

5. Sensor- und Zeitschaltungen

Eine Sensorschaltung dient dazu, schwache Signale zu erfassen, zu verstärken und auszuwerten. In der Schaltung bilden ein Sensor und ein Widerstand einen Spannungsteiler. Baue die abgebildeten Schaltungen nach und erkläre ihre Funktion. Benenne die beiden fehlenden Bauteile und besorge sie dir von deiner Lehrperson.

9 V 470 Ω 220 Ω 220 Ω 470 Ω 9 V +

24 6 Grundlegende Funktionsweisen in der Elektronik

7 Sensoren und Aktoren

Bei Lebewesen sind die Sinnesorgane „Sensoren“, die dem Organismus helfen auf äußere Einflüsse zu reagieren. So etwa verarbeitet unser Gehirn zu einem großen Teil optische und akustische Reize. Auch technische Sensoren reagieren auf physikalische Größen wie Helligkeit, Lautstärke, Druck u.a. Meist wandeln sie diese Signale in elektrische Größen um, da diese einfacher weiterzuverarbeiten sind.

1. a) Ordne die aufgeführten Sensoren den Beispielen aus Natur und Technik zu. Auge, Federmembran, Fotowiderstand, Hand und Haut, Haut, Kühlwassertemperatursensor, Lichtautomatik für Abblendlicht, Mikrofon, Ohr, Öldrucksensor, Sprachsteuerung des Telefons, Thermistor

optischer Sensor akustischer Sensor Drucksensor Temperatursensor Mensch

Technik

Beispiel im Auto

b) Welche der oben nicht aufgeführten Sensoren hat der Mensch darüber hinaus? Gibt es entsprechende technische Sensoren?

c) Gibt es einen technischen Sensor, für den der Mensch kein Sinnesorgan hat? Nenne auch eine mögliche technische Anwendung.

2. Um z. B. ein Fahrerassistenzsystem zu konstruieren, müssen die Umgebungsdaten im Verkehr erfasst werden. Dafür benötigt man besonders präzise Sensoren. Die Tabelle zeigt die derzeit verbreitetsten Systeme. Ordne mit Pfeilen den Systemen das passende Funktionsprinzip und mögliche technische Anwendungen zu. Du kannst die passenden Felder zur besseren Übersicht auch mit der jeweils gleichen Farbe markieren.

Funktionsprinzipien

Ultraschall Erfasst zurückgestreutes Licht von ausgesendeten Laserimpulsen.

mögliche technische Anwendungen

Überwachung von Bewegungen im Schiffs- und Flugverkehr, Aufspüren von Wetterfronten, Türöffner oder Lichtschalter in Gebäuden, Abstandshalter und Notbremsfunktion in Fahrzeugen, Vermessung der Bahnen von Planeten, Überwachen von lebenden Personen und deren Körperbewegung.

Radar Erfasst die abgegebene Wärmeenergie, die von Personen oder Gegenständen in Form von Infrarotwellen ausgestrahlt wird.

Wärmebildkamera Erfasst Schallfrequenzen oberhalb des Hörfrequenzbereichs des Menschen.

Entfernungsmesser von Gegenständen z. B. in Einparkhilfen, Tiefenmessung und Meeresbodenuntersuchung, Entfernung von Zahnstein, Geräte zur Abschreckung von Mardern oder Hunden.

Prüfung der Wärmedämmung von Gebäuden, Aufspüren von Glutnestern bei Bränden, Suche von Lebewesen, Erfassung der Oberflächentemperatur von Landflächen oder Ozeanen, Feststellung von Durchblutungsstörungen, Nachtsicht-Assistenten in Fahrerassistenzsystemen.

Lidar Erfasst zurückgestreute elektromagnetische Wellen (Funkwellen) im Radiofrequenzbereich.

Messinstrument bei Geschwindigkeitskontrollen, Entfernungsmessung von Gegenständen, Hinderniserkennung von Fahrzeugen, Objekt- und Formerkennung bei der Umgebungserfassung.

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3. Aktoren sind Wandler, die Signale beispielsweise in Bewegungen umsetzen.

Wähle vier Aktoren aus der Abbildung. Benenne sie und nenne jeweils eine Anwendung.

Aktor und Anwendung

4. Die Abbildungen zeigen vier Beispiele für Aktorsysteme.

Teilt euch in Gruppen mit jeweils vier Schülern auf. Diese Gruppe heißt von jetzt ab „Stammgruppe“. Jedes Mitglied der Stammgruppe wählt ein Aktorsystem aus den abgebildeten Beispielen (alle Aktorsysteme müssen vergeben sein!). Bilde mit den Schülern aus den anderen Stammgruppen, welche das gleiche Thema haben wie du, eine Expertengruppe. Diese Expertengruppe recherchiert nun, nach welchem Prinzip das Aktorsystem funktioniert. Erstellt einen kurzen Steckbrief eures Aktors und kopiert ihn, sodass jedes Gruppenmitglied eine Version erhält. Löst nun die Expertengruppen auf und trefft euch wieder in eurer Stammgruppe. Erklärt euch gegenseitig das Prinzip eures Aktors.

5. Vervollständige die Entscheidungskette für die Weitergabe der Information. Ordne dazu die genannten Begriffe richtig zu. Unterstreiche die verwendeten Begriffe. Ausführen eines technischen Vorgangs, bewegte Luft, Ermitteln der Ist-Größe, Lüftermotor, physikalische Größe, temperaturabhängiger Widerstand, Verstärken und Vergleichen einer Soll- und Ist-Größe, Vergleich von Soll- und Ist-Temperatur

Eingabe: Sensor Verarbeitung Ausgabe: Aktor Ergebnis physikalischer Zustand Ermitteln der Ist-Größe am Beispiel Wärme

26 7 Sensoren und Aktoren

Piezo-Summer Zeigerthermometer mit Bimetallstreifen hydraulischer Wagenheber elektrischer Hubmagnet

8 Einführung in Simulationsprogramme

Einfachere Bauteile und Baugruppen in technischen Systemen lassen sich meist recht gut konstruieren und analysieren. Dagegen sind komplexe Systeme oft schwer durchschaubar, elektrische Vorgänge in Schaltkreisen nicht sichtbar oder große technische Lösungen kostenintensiv. Daher nutzen Techniker/-innen und Ingenieure/-innen häufig Modellvorstellungen und Simulationen, um technische Vorgänge zu verdeutlichen.

Mithilfe eines Computers und entsprechender Software wird dazu ein Modell der Realität aufgebaut und beliebig verändert. So können optimale Lösungen für ein Problem gefunden werden.

1. Beschreibe, welche technischen Herausforderungen in den folgenden Bereichen mithilfe von Simulationen bearbeitet werden.

Aerodynamik

Computertechnik

Verkehrstechnik

Klimaforschung

2. Mithilfe von Software lassen sich heute viele kostenintensive oder gefährliche Versuche einfacher simulieren. Welche Nachteile kann jedoch der Einsatz eines Simulationsprogramms auch haben?

Simulation des Rhone-Gletschers 1856 Simulation im Jahr 1962 Simulation im Jahr 2050 Quelle: VAW/ETH Zürich

3. Die Simulation von elektrischen Schaltungen ermöglicht den schnellen Aufbau einer Schaltung und zerstörungsfreie Tests. Im Folgenden wird das Programm Yenka® verwendet. Einfachere Bauteile und Baugruppen in technischen Systemen lassen sich damit meist recht gut konstruieren und analysieren.

a) Nach dem Start von Yenka® findest du auf dem Startbildschirm verschiedene Möglichkeiten. Klicke auf „Grundschaltungen“ und lass dich vom Programm durch die Erklärungen führen.

b) Teste das Programm aus und beschrifte hier die gekennzeichneten Buttons der Simulationssoftware.

4. Baue die abgebildete Schaltung nach. Ziehe dazu die Symbole der Bauteile aus dem Menü in die Programmoberfläche. Bevor du den Schalter betätigst schreibe eine Vermutung auf, was passieren wird.

Vermutung:

+ 12 V

5. Ergänze deine Schaltung um das fehlende Bauteil, sodass die Leuchtdiode ordnungsgemäß leuchtet. Berechne dazu den Wert des Bauteils. Die notwendige elektrische Größe kannst du dem Programm entnehmen, wenn du mit der Maus über die LED fährst.

6. Entwickle zusammen mit deinem Banknachbarn/deiner Banknachbarin eine Alarmanlage. Sammelt gemeinsam Ideen, über welche Module eine Alarmanlage verfügen sollte (z. B. Auslösen des Alarms über einen Sensor, verzögertes Ausschalten, Blinken einer LED in der Hundehütte …). Setzt die gesammelten Module in einzelnen Projekten mit Yenka um und verbindet am Schluss die Projekte zu einer Gesamtschaltung.

28 8 Einführung in Simulationsprogramme

9 Einführung in das praktische Arbeiten

Löten ist die verbreitetste Art, Metallteile und elektrische Bauteile miteinander zu verbinden. Dabei werden die zu verbindenden Teile und eine besondere Metalllegierung (Lot) erwärmt. Ab einer bestimmten Temperatur fließt das geschmolzene Lot zwischen die Metallteile und verbindet diese. Nach dem Erstarren besteht eine stoffschlüssige Verbindung.

1. Finde passende Überschriften für die folgenden Sicherheitsregeln beim Löten.

Die Lötspitze darf nicht mit der Haut in Berührung kommen. Auch das Kabel des Lötkolbens darf nicht mit der heißen Lötspitze berührt werden.

Da heißes Lot flüssig ist, kann es leicht von der Lötspitze abtropfen. Ein nasses Schwämmchen dient daher zum Abstreifen von überschüssigem Lot.

Durch Erhitzen des Flussmittels im Lot werden giftige Dämpfe freigesetzt. Beim Löten ist daher immer auf eine gute Lüftung zu achten.

2. Wie lötet man richtig? Informiere dich im Internet (z.B. bei www.youtube.com/watch?v=T5v3illPk8I) und beschrifte die aufgeführten Schritte beim Löten in der richtigen Reihenfolge, indem du die Ziffern von 1 bis 8 einträgst.

Das geschmolzene Lot läuft in die Spalten zwischen den Bauteilen und verbindet diese. Meist steigt dabei ein kleiner Rauchfaden auf und es knistert etwas.

Um zu prüfen, ob die Spitze des Lötkolbens heiß genug ist, wird eine geringe Menge Lot geschmolzen.

Nach dem Erstarren des Lots glänzt die Lötstelle silbrig und es ist eine feste Verbindung entstanden.

Das Lot wird etwa 1 bis 3 Sekunden an die Verbindungsstelle gehalten, bis es schmilzt.

Wenn das sauber geflossene Lot silbrig glänzt, wird der Lötkolben entfernt.

Zwischen den beiden zu verbindenden Metallteilen sollte eine mechanische Verbindung bestehen (Teile fixieren).

Überschüssiges Lot und Flussmittel an der Lötspitze sollten umgehend mit einem nassen Schwamm entfernt werden.

Mit dem Lötkolben werden die beiden zu verlötenden Teile gleichzeitig etwa 2 bis 3 Sekunden erwärmt.

3. Beschreibe und bewerte die folgenden Lötverbindungen.

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Einführung in das praktische Arbeiten

4. Herstellung der Bodenplatten für die Modellfahrzeuge.

Platinen sind Bodenplatten, auf denen alle Bauteile einer Schaltung befestigt und elektrisch leitend miteinander verbunden sind. Für die Herstellung der Bodenplatten der Modellfahrzeuge werden professionelle Lochstreifenplatinen verwendet. Bei dieser Platinenart sind im Abstand von 2,54 mm (Rastermaß 1/10 Zoll) ein- oder beidseitig dünne Kupferstreifen aufgebracht. Die Bahnen sind außerdem vorgelocht. Es muss also weder geätzt noch gebohrt werden.

Materialliste:

• 1 einseitige Lochstreifenplatine 160 mm x 100 mm

• 2 Achsen, 100 mm, Ø 3 mm

• 4 Metallhülsen (Buchsen für die Achse), 10 mm, Ø 3,5 mm

• 4 Räder, Ø max. 30 mm, Bohrung Ø 3 mm

• 1 Batteriehalterung für 9-V-Block-Batterie

• Laubsäge oder Dekupiersäge

Arbeitsschritte:

• Plane eine individuelle Bodenplatte für dein Fahrzeug. Denke an die Anzahl der Räder, die Ausschnittmaße für die Räder und an eventuelle Befestigungspunkte für eine Karosserie. Skizziere deine Idee und bemaße die Zeichnung. Verwende nur bei Bedarf die vorgegebene Zeichnung und die darin enthaltenen Maße.

• Übertrage die Karosserieform und deine Maße auf die Lochstreifenplatine. Säge sie an den eingezeichneten Linien z. B. mit einer Laubsäge aus. Der mittlere Steg lässt sich auch mit einer Zange ausbrechen.

• Überlege dir vor dem Festlöten der Buchsen für die Achsen auf der Platine, wie du verhindern kannst, dass die Metallachsen später auf den Lochstreifen aufliegen. Das Aufliegen würde einen Kurzschluss verursachen.

• Löte nun die Buchsen an. Um die Buchsen zu zentrieren empfiehlt es sich, bereits beim Löten durch beide Metallhülsen eine Achse zu schieben. Außerdem kannst du ein Verrutschen der Bauteile vermeiden, indem du die eingeschobenen Achsen mit einem Streifen Tesafilm fixierst.

• Löte die Halterung für den 9-V-Block wie abgebildet mittig in den hinteren Teil der Platine.

• Schiebe, falls noch nicht geschehen, die Achsen durch die Buchsen. Stecke jeweils ein Rad an die Achsenden.

5. Herstellen der Karosserie.

Biege mit Silberdraht die Konturen einer Fahrzeugkarosserie. Versteife das Ergebnis mit Querdrähten oder Stützverbindun gen. Löte die fertige Karosserie erst nach dem Bestücken der elektrischen Schaltung auf der richtigen Platinenseite fest oder lass genügend Platz in deinem Drahtmodell für eine spätere Bestückung der Platine.

30 9

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160 100 42 10 10

10 Einführung in SIEMENS LOGO!

Immer öfter müssen elektrische Anlagen flexibel handhabbar und auf veränderte Bedürfnisse anpassbar sein. Daher werden klassische Schaltungen häufig durch sogenannte Mikrocontroller ersetzt. Diese Kleincomputer werden mit einem normalen PC programmiert und dann an die entsprechenden Sensoren und Aktoren angeschlossen. Danach arbeitet die Anlage selbstständig, bis sie umprogrammiert und an neue Anforderungen angepasst wird. Hier wird das speicherprogrammierbare System Siemens LOGO!® vorgestellt und verwendet. Es wird mit 12 Volt betrieben, hat acht Eingänge für Sensoren, vier Ausgänge für Aktoren und wird mit der Software LOGO!® Comfort programmiert. Das Programm wird mit einem Kabel oder über das Netzwerk in den Speicher der LOGO!® übertragen.

1. Die Abbildung zeigt eine mit Siemens Logo! gesteuerte Schaltung. Suche dir zur Erklärung ein geeignetes Tutorial im Internet. Beschrifte die dargestellten Bauteile und beschreibe, welche Funktion die Schaltung haben könnte.

Funktion der Schaltung:

2. Starte das Programm und benenne mit Unterstützung der Onlinehilfe die Funktionssymbole von LOGO!® Comfort.

Das Symbol stellt eine Eingangsklemme an einer LOGO!® dar, an der ein „high“- oder „low“-Signal anliegen kann.

AI1 Q Q1

I1 & B001 >1 B002

B001 AI

digitaler Eingang

Diese Funktion hat vier Eingänge. Ihr Ausgang schaltet dann auf „high“, wenn alle Eingänge geschlossen (high) sind.

Diese Funktion hat vier Eingänge. Ihr Ausgang schaltet durch, wenn mindestens einer der Eingänge geschlossen ist.

B003 A B004 I

B003 A B004 AI

B003 A B004 B003 A B004

Ersteller: PJ2629 Geprüft: Erstellt/Geändert: 20.08.13 08:43/11.11.13 B003 A B004 I

AI1 Q Q1

Ersteller: PJ2629 Geprüft: Erstellt/Geändert: 20.08.13 08:43/11.11.13 17:53

Kunde: Zeichen-Nr.: Seite: 1 1 I1 & B001 >1 B002

Ersteller: PJ2629 Geprüft: Erstellt/Geändert: 20.08.13 08:43/11.11.13 17:53 Projekt: Anlage: Datei: Funktionsbloecke_01_pl_JK.lsc Kunde: Zeichen-Nr.: Seite: 1 1 AI1 Q Q1

Projekt: Anlage: Datei: Funktionsbloecke_01_pl_JK.lsc Kunde: Zeichen-Nr.: Seite: 1 1 I1 & B001 >1 B002

Das Symbol stellt einen analogen Eingang an der LOGO!® dar, an der Strom, Spannung oder Widerstand anliegen können.

Das Symbol zeigt die Ausgangsklemme der LOGO!®. Hier wird ein Aktor angeschlossen und ein-/ausgeschaltet.

Diese Funktion schaltet ein anliegendes „high“-Signal nach einer vorbestimmten Zeit durch.

Der Ausgang dieses Bauteils wird in Abhängigkeit eines analogen Eingangssignals ein- und ausgeschaltet.

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I I1 &

>1 B002 AI AI1 Q Q1 B003 A B004

I I1 & B001 >1 B002 AI AI1 Q Q1 B003 A B004

17:53

Projekt: Anlage: Datei: Funktionsbloecke_01_pl_JK.lsc I

3. Die Anschlussklemmen der LOGO!® stellen die Verbindung zur Außenwelt her. Dabei können die Anschlüsse 1 bis 8 als digitale und die vier Klemmen 1 und 2 sowie 7 und 8 als analoge Eingänge (A 1 bis A 4) verwendet werden. Die Klemmen Q1 bis Q4 dienen als Relaiskontakt-Ausgänge. Die Anschlüsse + und – werden für die Stromversorgung benötigt. Zeichne die notwendigen Anschlüsse für einen automatischen Lüfter in die Grafik ein.

4. Wie muss das Anwenderprogramm für die Steuerung in Aufgabe 3 (also die Regeln für das Verarbeitungsteil zur Verknüpfung der Eingänge mit den Ausgängen) aussehen? Beschrifte die Abbildung und benenne die Symbole.

AI1 Q1 B001

5. Zum Übertragen der Software in die LOGO!® sind verschiedene Schritte notwendig. Bringe den folgenden Ablauf in die richtige Reihenfolge.

Über „Extras“, „Übertragen“ und „Diagnose“ die LOGO!® auswählen.

Übertragungskabel an den Anschlussport der LOGO!® anschließen.

Über „Extras“, „Übertragen“ und „Diagnose“ die Schnittstelle des Übertragungskabels wählen.

Mit „Extras“, „Übertragen“, „PC LOGO!®“ das Programm übertragen.

Übertragungskabel an den seriellen, den USB- oder LAN-Port des Computers anschließen.

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32 10 Einführung in SIEMENS® LOGO!® ©

Als

11 Einführung in LEGO MINDSTORMS

Die Hauptbestandteile eines LEGO®-MINDSTORMS®-Education-Roboters sind LEGO®-Technik-Bauteile, Sensoren, Motoren und natürlich der EV3-Baustein, das „Gehirn“. Mit einem Roboter kann man spielerisch unterschiedliche Probleme lösen, aber auch Bereiche aus der Sicherheitstechnik bei Fahrzeugen realitätsnah simulieren.

1. Ordne die abgebildeten Bestandteile eines LEGO®-MINDSTORMS®-EducationRoboters den Elementen Eingabe, Verarbeitung und Ausgabe zu.

Eingabe: Verarbeitung: Ausgabe: Die Hardware

2. Ergänze den Text zum EV3-Baustein. Schlage ggf. im Handbuch nach.

Abb. mit freundlicher Genehmigung von LEGO Education

USB-PC-Verbindung

Ausgänge für Motoren

Das Herzstück von LEGO®-MINDSTORMS®-Education ist der . Er beinhaltet Eingänge zum Anschluss der sowie Ausgänge für . Für die Verbindung mit dem Computer steht entweder ein zur Verfügung oder man lädt über Bluetooth oder WLAN die Programme auf den EV3-Baustein. Zusätzlich verfügt er über ein mit einem Menü und einen kleinen Das Fahrzeug – der „Roboter“ Zum Bearbeiten der Arbeitsblätter benötigst du einen fahrbaren Roboter mit unterschiedlichen Sensoren. Die Bauanleitung für den abgebildeten Roboter erhältst du von deiner Lehrkraft. Eine andere Bauanleitung findest du in der EV3-Software (Karussel links bei „Robot Educator“ unter „Bauanleitungen“  Fahrgestell). Man kann für alle Aufgaben aber auch ähnlich konstruierte Roboter verwenden. Der Anbau der Sensoren wird auf dem jeweiligen Arbeitsblatt erklärt.

Anzeige einschalten und Auswahl ausschalten

Speicherkarten

Navigationstaster links, rechts, auf, ab

Eingänge für Sensoren

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Aktoren/Motoren (groß/mittel)

Für das Fahren und Lenken werden zwei Motoren benötigt (für jedes Rad ein Motor). Als Anschluss wählt man standardmäßig die Eingänge B (Antrieb rechts) und C (Antrieb links) am EV3-Baustein.

Großer Motor:

• Drehungen gradgenau ansteuerbar

• Motorleistung von –100 % (rückwärts) bis 100 % (vorwärts)

• enthält integrierten Rotationssensor zur gradgenauen Messung von Drehungen

• ca. 170 U/min, max 0,4 Nm

Sensoren

Mittlerer Motor:

• Drehungen gradgenau ansteuerbar

• Motorleistung von –100 % bis 100 %

• enthält integrierten Rotationssensor zur gradgenauen Messung von Drehungen

• ca. 250 U/min, max 0,12 Nm

Die Sensoren müssen sinnvoll an den Roboter angebracht werden und mithilfe eines Kabels an den EV3-Baustein angeschlossen werden.

Farbsensor:

• misst Rot-Grün-Blau-Farben (RGB-Farben) und Helligkeit von 0 % bis 100 %

• 3 Betriebsarten: Helligkeit der Umgebung, Helligkeit der Reflexion der eigenen Infrarot-Lichtquelle, Farberkennung

• Farben: 0 für keine Farbe, 1 für schwarz, 2 für blau, 3 für grün, 4 für gelb, 5 für rot, 6 für weiss, 7 für braun

Ultraschallsensor:

• sendet Ultraschallsignale aus und ermittelt aus der gemessenen Laufzeit des reflektierten Signals (Echo) die Entfernung

• Entfernungsangabe in cm oder inch

• Messwinkel ca. 30 Grad

• Qualität des Messwerts hängt stark von Struktur und Winkel der reflektierenden Oberfläche ab

• kleine Objekte werden nur schwer erfasst

Berührungssensor:

• Kontaktsensor, reagiert auf leichten Druck

• unterscheidet zwischen Druck (1) und kein Druck (0)

• Druck-Wechsel werden im Programm erkannt

Abb. mit freundlicher Genehmigung von LEGO Education

Kreiselsensor:

• misst die Drehgeschwindigkeit um eine Achse (Kreissymbol auf Sensor)

• berechnet aus Drehgeschwindigkeit den Drehwinkel

• Nullpunkt muss durch Reset neu gesetzt werden

34 11 Einführung in LEGO MINDSTORMS®

Die grafische Programmieroberfläche der Entwicklungsumgebung

3. Benenne die fett blau umrandeten Bereiche (Programmierpalette, Arbeitsbereich, EV3-Controller, Programmiersymbolleiste, Konfigurationsbereich, Inhaltseditor) und ordne sie mit den Nummern der passenden Beschreibung in der Tabelle zu.

Nr. Bereiche

Beschreibung

Die Programme werden aus Programmierblöcken (diese beschreiben, was der Roboter tun soll) zusammengesetzt. Die Programmierblöcke sind nach Kategorien geordnet und werden in verschiedenen Programmierpaletten angezeigt.

Ein „digitales Übungsheft“; enthält kurze (direkt im Bereich) sowie ausführlichere Informationen (über „Weitere Hilfe – Informationen“) zu verschiedenen Programmierelementen.

Dieser Bereich ermöglicht die Übertragung eines fertigen Programms auf den Roboter ( Herunterladen). Zudem können dort Verbindungen konfiguriert werden. Die Werte von Sensoren und Positionen der Motoren können bei verbundenem Roboter verfolgt werden.

Der aus der Programmierpalette gewählte Programmierblock kann per „drag and drop“ in diesen Bereich gezogen werden. Es ist wichtig, dass der Programmierblock an den Start gesetzt bzw. mit Reihenleitungen verbunden wird.

Jeder Programmierblock hat eigene Konfigurationsmöglichkeiten. Damit wird die Aufgabe, die der Programmierblock erfüllen soll, genauer beschrieben.

Hier können Programmierwerkzeuge ausgewählt werden.

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11 Einführung in LEGO MINDSTORMS® 35 ©

Als

2 5 4 6 1 3

Von der Aufgabenstellung zum fertigen Roboter

4. Aufgabenbeschreibung:

Ein Roboter soll in einem mit schwarzem Klebeband abgeklebten Rechteck im mer solange geradeaus fahren, bis er auf eine schwarze Linie trifft. Dann soll er sich um 90° bis 180° drehen und wiederum weiterfahren, bis er auf die nächste schwarze Linie trifft.

a) Lösungsidee: Der Roboter benötigt einen Farbsensor, der den Boden auf die Oberflächenhelligkeit untersucht. Dazu liest du die Bauanleitung „Farbsensor nach unten gerichtet – Fahrgestell“ im Robot Educator unter  Grundlagen  An Linie stoppen. fahren Untergrund hell

ja weiter stoppe und drehe um 90° nein

b) Programmierung im Arbeitsbereich EV3-Software: Ziehe nun die einzelnen Programmierblöcke in der folgenden Reihenfolge in den Arbeitsbereich.

1 Schleifen-Block: Wiederholt die Blöcke in der Schleife unendlich oft.

2 Standardsteuerung: Die Motoren an Port B und C werden so angetrieben, dass der Roboter geradeaus fährt.

3 Schalter-Block: Mit dem Farbsensor wird die Stärke des reflektierten Lichts gemessen und mit dem Grenzwert verglichen. Falls Bedingung wahr ist, wird der obere Teil durchgeführt, ansonsten der untere.

4 Standardsteuerung: Die Motoren an Port B und C werden so angetrieben, dass der Roboter eine Kurve fährt.

1 2 3

Die einzelnen Programmierblöcke müssen noch konfiguriert werden. Führe den Mauszeiger über die Programmierblöcke und lies die Kurzinformationen zu den jeweiligen Stellen. Danach informiere dich im Menü Hilfe „EV3-Hilfe einblenden“ über die Konfigurationsmöglichkeiten.

c) Testen:

• Verbinde den Roboter über den USB-Anschluss mit dem Computer.

• Lade das Programm herunter, indem du im EV3-Controller auf den „Herunterladen“-Button klickst. Der Roboter piept, sobald er das Programm übertragen hat.

• Halte den Roboter in der Hand und teste das Programm.

• Ziehe das USB-Kabel ab.

• Wähle mit den Navigationstasten des EV3-Bausteins das 2. Register (Dokumentsymbol) im Display. Suche in der darunter erscheinenden Liste dein Projekt und wähle es aus (markieren). Starte das Programm mit der mittleren Taste.

Wenn du gut programmiert hast, erledigt der Roboter seine Aufgabe. Meistens muss man aber noch Korrekturen der Parameter vornehmen (z. B. den Vergleichswert mit dem Farbsensor oder die Gradzahl für die Drehung des Rades genau einstellen).

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36 11 Einführung in LEGO MINDSTORMS®

Lehrerinformationen zu Modul 3

Praxistipp:

Auch bei der Realisierung einzelner Assistenzsysteme empfiehlt es sich, die hinter den QR-Codes abgelegten digitalen Informationen in das Unterrichtsgeschehen einzubeziehen. In der Regel werden die Nutzer auf Videosequenzen verlinkt, welche den genauen Funktionsablauf des jeweiligen Systems didaktisch reduziert und transparent darstellen.

Das Arbeiten mit Yenka®, Siemens® LOGO!® und LEGO® ist in Gruppengrößen von zwei bis drei Lernenden am effektivsten. Bei den Gruppenphasen ist darauf zu achten, dass alle Gruppenmitglieder die Aufgabengebiete (Bauen, Programmieren und Testen) immer wieder wechseln. Natürlich hängt die Gruppengröße in der Praxis von der Anzahl der vorhandenen Systeme oder Roboter ab.

Der Aufbau der Arbeitsblätter in Modul 3 ist prinzipiell immer gleich; er hängt aber im Einzelnen vom Inhalt (der Sensorart) sowie der didaktischen Sinnhaftigkeit und Umsetzbarkeit ab. „Komplette“ Einheiten behandeln jeweils eine Sensorart unter folgenden Aspekten:

• Allgemeine Einführung

• Simulation mit dem Computer (Yenka®)

• Umsetzung mit SIEMENS LOGO!®

• Umsetzung mit LEGO MINDSTORMS®

• Umsetzung auf einer Platine

Die Sensorarten sind nach steigender Komplexität angeordnet. Dieser Aufbau dient lediglich der Orientierung; der tatsächliche Schwierigkeitsgrad hängt vom Vorwissen der Klasse ab.

Die LEGO®-Kapitel haben mit Ausnahme von Arbeitsblatt 14 folgende Struktur:

• Zuerst wird eine Aufgabenstellung zu einem Thema aus der Sicherheitstechnik erläutert.

• Optional gibt es für die Schülerinnen und Schüler (SuS) unterschiedliche Hilfestellungen. Diese sind für Fortgeschrittene meistens nicht mehr notwendig, aber zu Beginn empfehlenswert.

• Aufbauend auf die Grundaufgabe werden weitere Aufgaben gestellt. Diese haben einen höheren Schwierigkeitsgrad und sind optional je nach Leistungsstand zu lösen.

• Nach jedem bearbeiteten System sollten die SuS dokumentieren, inwieweit die Schaltung oder der Roboter den Ansprüchen echter Sicherheitstechnik genügt und ob eine Optimierung möglich wäre.

Arbeitsblatt 14 beinhaltet eine kleinschrittige Einführung und Aufgabenstellung zu LEGO MINDSTORMS®. Danach können die Aufgaben je nach Interesse und Vorwissen bearbeitet werden.

Zu AB 12 „Die Tankanzeige“

Bei modernen Fahrzeugen wird das Signal der Füllstandsanzeige des Tanks zusätzlich durch eine nachgeschaltete Elektronik aufbereitet. Dadurch werden Schwankungen im Tank, hervorgerufen durch Vibrationen auf unebenen Straßen oder Schräglagen in Kurven, herausgefiltert.

Simulation mit dem Computer

Die Schaltungssimulation des Systems mit Yenka® ist einfach aufgebaut und ermöglicht einen problemlosen Einstieg in das Programm. Über einen Schwimmerschalter bzw. die Kopplung von vier Schwimmerschaltern wird die Schaltung dahingehend ergänzt, dass ein Potenziometer als Geber für die Anzeigelampen (LEDs) fungiert.

Umsetzung

mit SIEMENS LOGO®!

Die Aufgabe ist bewusst so aufgebaut, dass eine Steigerung des Schwierigkeitsgrads von einfachen Schaltern bis zur komplexen Displayausgabe erfolgt. Je nach Ausstattung kann auch ein externes Display an die LOGO!® angeschlossen werden. Durch dieses Bauteil wirkt die Schaltung deutlich professioneller. Ein LOGO!®-Textdisplay TDE (6ED1055-4MH000BA1) kann z. B. unter der Bestellnummer 1268257-62 bei Conrad Electronic bestellt werden.

Umsetzung mit LEGO MINDSTORMS®

Für die Aufgabe werden neben dem Grundroboter ein Ultraschallsensor und ein Wasserglas benötigt. Als „Kraftstoff“ kann einfaches Wasser verwendet werden. Auch Experimente mit eingefärbtem Wasser sind sinnvoll. In Aufgabe 2 kommt als neues Thema die Ausgabe einer Anzeige auf dem Display dazu. Dieser Block bereitet im Unterricht meist keine größeren Schwierigkeiten, im Robot Educator werden die benötigten Funktionen anschaulich beschrieben.

Umsetzung auf einer Platine Die notwendigen Bauteile können z. B. bei Conrad Electronic oder Technik LPE bezogen werden.

Als Kopiervorlage freigegeben. Genius – Die junge WissensCommunity von Mercedes-Benz, Stuttgart 2018

• Trimmpotenziometer: Kohleschicht 1 kΩ ; 0,2 W, linear, 6-mm-Achse

• Mikroschalter: Ausführung mit langem Schalthebel

• Kontroll-Anzeige: Drehspulinstrument mit der Farbskala R i = 1,7 kΩ, Vollausschlag bei ca. 0,6 V (Bestellnr. 122327). Es eignet sich auch jedes andere analoge Voltmeter, allerdings müssen dann die Widerstände neu berechnet werden. Bei vielen Analoggeräten lässt sich das Gehäuse öffnen und die Skala durch eine selbst gemalte Skala (0 ½ 1) ersetzen.

Die auf der Materialliste des Arbeitsblatts geforderte Grundplatine mit Rädern ist die in Arbeitsblatt 9 hergestellte Bodenplatte für die Modellfahrzeuge. Neben Kenntnissen in der Elektrotechnik werden hier auch mechanische Kenntnisse von den SuS verlangt, z. B. Umgang mit Heißklebepistolen, Biegen von Draht, sowie räumliches Vorstellungsvermögen. Da der Tankgeber das Trimmpotenziometer nur um ca. 60° dreht (statt möglicher 270°), muss es entsprechend größer dimensioniert werden.

Zu AB 13 „Die Sitzheizung“

Die beschriebene „hohe“ Leistung beim Betrieb einer Sitzheizung ist relativ zu sehen. Erst die Summe der Aggregate, die aus Komfortgründen in einem Fahrzeug betrieben werden, benötigen eine nicht unerhebliche Mehrleistung: Zum Beispiel erbringt der Fahrzeuggenerator in einem Pkw etwa 2,5 kW (bereits abgezogen ist die Leistung zum Laden der Autobatterie), die Leistung einer Klimaanlage beträgt noch einmal ca. 6 – 10 kW. Das bedeutet, dass bei einem Fahrzeug mit 60 kW (ca. 82 PS) fast 10 % der Leistung für zusätzliche Geräte eingesetzt werden.

Umsetzung mit LEGO MINDSTORMS®

Eine Umsetzung mit LEGO MINDSTORMS® wird nicht angeboten. Diese ist im Kontext der Aufgabenstellung nicht sinnvoll, da Heizelemente einen hohen Stromverbrauch haben.

Umsetzung auf einer Platine

Die Bauteile des Modellfahrzeugs können im Elektronikzubehörhandel (z. B. Conrad Electronic) erworben werden. Der Sitz kann über den Zubehörhandel (Traudl Ries, Technik LPE, Opitec u.a.) bezogen werden. Beim Aufbau des Fahrzeugs kann die Heizwendel mit dem Thermistor auch ohne Sitz in der Mitte des Fahrzeugs positioniert werden. Wegen der hohen Stromaufnahme wird eine zweite Batterie benötigt.

Praxistipp:

Für die Wicklung der Heizwendel sollte ein dünner Draht mit Isolierschicht verwendet werden. Zur Montage auf der Platine muss die Isolierschicht abgeschliffen werden. Um Fehler auszuschließen, sollte die Schaltung vor Inbetriebnahme der Heizwendel mit einer Streichholzflamme getestet werden.

Zu AB 14 „Lichtautomatik und Regensensor“

In der Praxis wird ein Regensensor durch unterschiedliche Lösungen realisiert. Bei einem optischen Sensor wird durch einen Sender ein Lichtstrahl in eine Glasscheibe gestrahlt. Dort wird er auf den äußeren Grenzschichten der Scheibe hin- und herreflektiert. Dieser Vorgang dauert an, bis der Lichtstrahl die Scheibe verlassen kann und auf einen lichtabhängigen Widerstand trifft. Diese Problemlösung ist Grundlage für die hier verwendeten Schaltungen.

Simulation mit dem Computer Beim Aufbau der Schaltungen ist darauf zu achten, dass die sogenannte Freilauf- oder Schutzdiode neben dem Relais eingebaut wird. Die Schaltung funktioniert zwar auch ohne Diode, in der Realität führt das Weglassen aber zur raschen Zerstörung der Bauteile.

In den Aufgaben 2 bis 5 wird für die Sitzheizung das Symbol eines Heizkörpers verwendet. Dies ist didaktisch dadurch begründbar, dass Yenka® kein anderes Symbol für ein Heizelement zur Verfügung stellt. Der Heizkörper ist normalerweise als Ausgangssymbol für die Digitaltechnik konzipiert.

Umsetzung mit SIEMENS LOGO!®

In Aufgabe 3 wird die Sitzheizung um einen zusätzlichen Thermostat erweitert. Bei modernen Fahrzeugen wird dies in der Praxis so nicht durchgängig verbaut.

Der einfache kapazitive Sensor mit einem Kondensator als Kernstück reagiert etwas langsamer. Das Wasser dürfte also nicht so schnell abfließen, wie es bei einer Autoscheibe der Fall ist. Daher werden diese Sensoren häufig bei Dachfenstern verbaut.

Der Widerstandssensor besteht aus einer Platine, auf der eng nebeneinander liegende Leiterbahnen flächig ineinandergreifen, ohne sich zu berühren. Beim Auftreffen eines Wassertropfens ändert sich der Widerstandswert.

Simulation mit dem Computer

Es werden verschiedene Umsetzungsmöglichkeiten angeboten. Nicht alle Systeme müssen in der Realität zwingend mit einem lichtabhängigen Widerstand umgesetzt sein. Da die Preise für lichtabhängige Transistoren mittlerweile günstig sind, werden Schaltungen häufig auch mit diesen deutlich schnelleren Bauteilen realisiert.

38 Lehrerinformationen zu Modul 3

Yenka® bietet diesen Sensor an, so kann der Umbau der Schaltung mit einem lichtabhängigen Transistor als Differenzierung angeboten werden (Aufgabe 3).

Es wird ein einfacher Transistor (Grundeinstellung BC548B) zum Ansteuern von zwei Lampen verwendet. In einem praktischen Schaltungsaufbau sollte stattdessen ein Leistungstransistor (z. B. BC517) verbaut werden.

heitsaspekt und dennoch leicht verständlich zu realisieren: Eine Anzahl von Kontaktschaltern lösen eine Aktion aus oder unterbinden diese. Das Thema eignet sich gut als Einstiegsthema in die Elektronik.

Simulation mit dem Computer

Umsetzung mit SIEMENS LOGO!®

Bei der Umsetzung der Thematik mit Siemens LOGO!® werden drei unterschiedliche Verwendungsbeispiele angeboten. Bei der Innenlichtverzögerung steht das zeitversetzte Schalten im Vordergrund, beim automatisierten Scheinwerfer die Auswertung eines analogen Widerstandswerts eines LDR und beim automatisierten Scheibenwischen die Taktung des Ausgangs für den Scheibenwischermotor. Bei den letzten beiden Aufgaben wurde die Wahl zwischen Automatikmodus und manueller Steuerung berücksichtigt.

Umsetzung mit LEGO MINDSTORMS®

Wie in allen folgenden Aufgaben wird für die Programmierung ein Schalter-Block benötigt. Die verwendeten Farbsensoren (die ersten drei Aufgaben sind mit einem Sensor möglich) messen die Werte und geben sie an den einen oder den anderen Strang aus. Die SuS verwenden gerne den Warten-Block, der auf einen bestimmten Messwert wartet und dann mit dem Programm fortfährt. Allerdings lassen sich komplexere Aufgaben damit meist nicht mehr lösen.

In den folgenden Aufgaben wird der Warten-Block verwendet. Zur Lösung müssen die SuS diesen Programmierblock an der richtigen Stelle hinzufügen.

Für Aufgabe 4 werden zwei Farbsensoren benötigt. Die Aufgabe dient der Differenzierung, da sich durch die Verarbeitung zweier Sensoren der Schwierigkeitsgrad deutlich erhöht. Die Komplexität des Programms ist jedoch überschaubar.

Die Sitzbelegungserkennung in Yenka® ist als Einstieg gut geeignet, da es sich nur um einfache Reihen- und Parallelschaltungen handelt. Die Funktion der Schutzdiode muss von der Lehrkraft erklärt werden: In der Praxis funktioniert die Schaltung im Dauereinsatz nicht ohne Diode.

Wird eine absichtlich zu schwach ausgelegte Glühlampe als Treibsatz verwendet, kann man dem Wunsch der SuS nach „explodierenden“ Bauteilen nachkommen.

Umsetzung mit SIEMENS LOGO!®

Die Thematik „Sitzplatzerkennung“ eignet sich zur Einführung der Schaltlogik (UND, ODER und NICHT-Gatter).

Umsetzung mit LEGO MINDSTORMS®

Das Programm zu Aufgabe 1 ist sehr kurz und deswegen schnell geschrieben, da lediglich der Berührungssensor mit einer Tonausgabe gekoppelt ist. Bei der Realisierung wird die Nichtbelegung des konstruierten Sitzes durch eine akustische Ausgabe des „Geräuscheditors“ angemahnt. Dafür ist das anzubauende Modul etwas aufwendiger anzufertigen. Bei Aufgabe 3 erhöht sich der Schwierigkeitsgrad durch die größere Komplexität der Aufgabe. Zudem ist die gleichzeitige Verarbeitung von zwei Sensoren für die SuS oft schwierig.

Umsetzung auf einer Platine

Bei der Erweiterung der Schaltung in Aufgabe 5 müssen die SuS den zusätzlich benötigten Vorwiderstand berechnen. Dazu sollte die Lehrkraft die Daten der zu verwendenden LEDs angeben, wenn nicht die vorgegebenen Bauteile (rote LED 2,2 V/40 mA) verwendet werden.

Zu AB 15 „Die Sitzbelegungserkennung“

Die Sitzbelegungserkennung in modernen Fahrzeugen wird eingesetzt für die Gurtanzeige und die Aktivierung bzw. Deaktivierung von Airbags. Sie ist also ein entscheidender Sicher-

Umsetzung auf einer Platine Beim Bau der Sitzplatzerkennung steht weniger der elektronische Aspekt als vielmehr die praktische Arbeit im Vordergrund. Die Aufgabe ist deshalb auch für jüngere Schülerinnen und Schüler geeignet. Der handwerkliche Aufwand (Kunststoffsitz fertigen und Gurtlöcher bohren, Alufolie falten, Haken und Ösen biegen, Gummi knoten) ist nicht zu unterschätzen, dafür können sich die SuS hier kreativ betätigen. Da es sich um eine einfache Aufgabe für Unerfahrene handelt, ist es besser, das Relais wie gezeigt mit den Anschlüssen nach oben auf die Platine zu kleben. So entfällt das Durchtrennen der Leiterbahnen und die Anschlüsse lassen sich leichter zuordnen. Außerdem kann zur Differenzierung statt der LED ein Summer mit einem eigens berechneten Vorwiderstand verwendet werden.

Lehrerinformationen Modul 3 39

© Als Kopiervorlage freigegeben. Genius – Die junge WissensCommunity von Mercedes-Benz, Stuttgart 2018

Zu AB 16 „Der Airbag“

Moderne Fahrzeuge haben bis zu sechzehn vermehrt auch doppelstufige Airbags. Aufbau und Funktion eines Airbagsystems ist daher ein wichtiges Thema für den Technikunterricht. Airbags haben eine Schutzfunktion, aber bei unsachgemäßem Gebrauch geht auch ein Gefahrenpotenzial von diesen Systemen aus. Sowohl „Schutz“ als auch die „Gefahren“ werden jeweils in einer Frage abgedeckt. Im Folgenden werden die zusammenwirkenden Bauteile und Baugruppen nach den Kategorien Sensor, Elektronik und Aktor systematisiert.

Simulation mit dem Computer

Um in Yenka® eine Simulation des Airbagsystems durchführen zu können, müssen zuerst die grundlegenden Bezeichnungen der Sensoren thematisiert werden. Der erste Schaltplan besteht aus einfachen Schaltern, im zweiten wird das System um einen Speicherkondensator (Pufferschaltung) ergänzt. Im dritten Teil kommt eine Sitzbelegungserkennung hinzu. Um einen weiteren Schalter zu vermeiden, sollte nun ein Kontaktsensor aus den Digitaltechnikbauteilen gewählt werden. Dieser kann direkt dazu verwendet werden, eine einfache Transistorschaltung anzusteuern.

Umsetzung mit SIEMENS LOGO!®

Auch für die Simulation mit LOGO!® sollten die im Yenka®-Teil beschriebenen Bauteilbezeichnungen eingeführt sein. Die erste Schaltung besteht aus einfachen Eingängen, die über UND-Funktionen gekoppelt je zwei Airbagtreibsätze auslösen. Im zweiten Teil dieses Aufgabenblocks wird die Schaltung um eine Kindersitzerkennung und eine Signalleuchte bei entsprechender Deaktivierung des Beifahrerairbags erweitert. Im dritten Teil werden die Airbagtreibsätze pro Seite verdoppelt und an eine Zeitschaltung gekoppelt. In der Realität ist die Zeitverzögerung beim Auslösen der zweiten Airbagstufe sehr gering (> 0,1 s). Zur besseren Kontrolle sollte die Verzögerung in der Simulation auf 2 s eingestellt werden.

Umsetzung mit LEGO MINDSTORMS®

Neben den üblichen Programmierelementen kommt als neuer Block der Anzeigeblock dazu, mit dem man Ausgaben auf dem Display erzeugen kann. Dieser Block bereitet im Unterricht meist keine größeren Schwierigkeiten. Aufgabe 2 ist ein schöner Einstieg in die Verwendung von Reihenleitungen. Reihenleitungen, die eine parallele Abarbeitung verschiedener Programmierstränge ermöglichen, stellen bereits eine fortgeschrittene Programmiertechnik dar (siehe Hilfe „Code-Segmente“). Die grafische Darstellung hilft bei der Verständlichkeit. Die Fehlersuche wird bei der Verwendung mehrerer Reihenleitungen jedoch erschwert.

Umsetzung auf einer Platine

Das Modell eines Airbags lässt sich mit wenigen Bauteilen eindrucksvoll umsetzen. Die Kombination eines einfachen Mikroschalters mit einem Reedkontakt dient als Sensor. Durch ein Pendel mit Magnet ausgelöst, ersetzt der Reedkontakt dabei auf wirkungsvolle Weise den Gyro- oder Beschleunigungssensor. Mittelpunkt der Schaltung ist ein elektrisch auslösbarer Treibsatz. Diese Zündkapseln werden normalerweise zum Zünden von Raketenmodellmotoren verwendet.

Die notwendigen elektronischen Bauteile können z. B. bei Conrad Electronic, die Zündkapseln (Brückenanzünder) bei Raketenmodellbau Klima mit der Nummer 7001 oder 0022 bezogen werden. Der eigentliche Airbag ist ein klein gefalteter Luftballon (Wasserbombe). Der Ballon sollte vor dem Falten und Einbringen in die Lenkradnabe mit Talkum oder Babypuder eingerieben werden, da er sonst verklebt.

Sicherheitshinweis:

Das Zünden der Zündkapseln ist bei gewissenhaftem Umgang ungefährlich. Das verwendete Treibmittel entspricht etwa einer Spielzeugpistole für Karneval oder Fasching. Dennoch können bei Missbrauch schwere Schäden am Gehör oder an den Augen entstehen. Die Zündkapseln dürfen nur in Gegenwart der Lehrkraft getestet werden. Sicherheitshalber sollte die Batterie erst nach Fertigstellung des Modells ausgegeben werden.

Zu AB 17 „Das Antiblockiersystem“

Ein ABS ist ein elektromechanisches Bremssystem zur Erhöhung der Fahrstabilität; es erhält die Lenkbarkeit und kann den Bremsweg auf nasser Fahrbahn verkürzen. Im vorliegenden Arbeitsblatt liegt der Schwerpunkt auf der Elektronik; die mechanischen Komponenten werden der Einfachheit halber simuliert, z. B. die Mechanik der Bremszylinder durch Leuchtdioden. Um die Schaltung zu verstehen, sollte zuerst die Funktionsweise einer Bremse erklärt werden.

Simulation mit dem Computer

Durch die Verwendung von Reedkontakten und Relais wird in der Simulation ganz auf die Verwendung von Transistoren verzichtet, das Arbeitsblatt eignet sich also auch für Klassen, die lediglich über elektrische Grundkenntnisse verfügen.

40 Lehrerinformationen zu Modul 3

Umsetzung mit SIEMENS LOGO!®

LOGO!® bietet keine Möglichkeit der Zeitmessung zwischen zwei Impulsen. Daher müssen die induzierten Spannungen verglichen werden. Dazu muss das Bauteil „Analogkomparator" eingeführt werden. Die Fragen im weiteren Verlauf vertiefen das technische Verständnis.

Umsetzung mit LEGO MINDSTORMS®

Auf diesem Arbeitsblatt werden anspruchsvollere Aufgaben angeboten. Neu hinzu kommt der Block „Motorumdrehung“. In den Aufgaben werden mit steigender Komplexität ausgelesene Sensordaten über Datenleitungen mithilfe des Programmierblocks „Mathe“ verarbeitet.

In Aufgabe 1 wird das Grundkonzept erarbeitet. Sensordaten müssen ausgelesen, konvertiert und anschließend im Display ausgegeben werden. In Aufgabe 2 kommt als Schwierigkeit dazu, dass nun auf zwei Sensoren zugegriffen wird und deren Werte auf dem Display angezeigt werden müssen. Zusätzliche Schwierigkeit in Aufgabe 3 ist das Vergleichen zweier Werte. Es besteht die Möglichkeit mit Variablen zu arbeiten, aber es ist auch möglich, mithilfe mehrerer Datenleitungen zum gewünschten Ergebnis zu kommen.

Simulation mit dem Computer Auch in Yenka® lässt sich die Laufzeitmessung von Ultraschallsignalen nur simulieren. Dazu wird eine Sensorschaltung aufgebaut, die Licht ausstrahlt und die Intensität des reflektierten Lichts misst. Das Arbeitsblatt vertieft Aufbau, Verständnis und Berechnung von Sensorschaltungen. Es werden die Hellund die Dunkelschaltung miteinander verglichen und die Dimensionierung der Widerstände in den Spannungsteilern bearbeitet. Wenn Aufgabe 3 simuliert wird, müssen mangels Bauteil im Programm für die Darlington-Transistoren jeweils zwei gekoppelte einzelne Transistoren verwendet werden.

Umsetzung mit SIEMENS LOGO!®

In LOGO!® lässt sich eine echte Parkhilfe mit Ultraschall programmieren, bei vorhandener Hardware (Ultraschallsender und Mikrofon) funktioniert diese wie in einem „echten“ Auto. Die Berechnung der Laufzeiten eignet sich für fächer- oder themenübergreifenden Unterricht (Physik, Mathematik) und zeigt gleichzeitig die Grenzen von LOGO!® auf.

Umsetzung mit LEGO MINDSTORMS®

Umsetzung auf einer Platine Es ist durchaus möglich, eine funktionierende Steuerung für ein ABS aus einfachen Bauteilen aufzubauen. Allerdings ist dies die komplizierteste Schaltung im Heft; sie sollte deshalb nur mit erfahrenen SuS erarbeitet werden. Eine häufige Fehlerquelle liegt in der Anordnung der Magnete und Reedkontakte. Je nach Größe und Stärke der verwendeten Magnete muss der richtige Abstand gefunden werden, damit der Reedkontakt nicht dauerhaft anzieht, aber auch nicht zu schnell wieder abfällt.

Zu AB 18 „Der Abstandshalter und die Parkhilfe“

Von der belächelten „Hilfe für schlechte Autofahrer“ hat sich die Parkhilfe als Basis für eine Reihe von Funktionen zu einer Alleskönnerin gemausert: Vollautomatisches Einparken, automatische Abstandsanpassung, automatische Notbremsung und vollautomatisches Fahren bis zur gesetzlich erlaubten Geschwindigkeit existieren bereits in Serie. Dabei arbeiten viele unterschiedliche Sensoren und Systeme zusammen: Ultraschall, Radar, Wärmeerfassung, Kameras und GPS. Im Unterricht sollten nicht nur der technische Aspekt, sondern auch die physikalische Funktionsweise der Sensorarten sowie die gesellschaftlichen Auswirkungen thematisiert werden.

Das Parkassistenzsystem: Die Umsetzung des Systems wird durch die vorgegebenen Programmierblöcke „SensorBlöcke“ und „Mathe Grundlagen“ erleichtert. Ein wichtiges Element ist die Schleife, die durch den Sensor gesteuert wird. Der automatische Abstandshalter: Das System dient dem Einstieg in die wichtigsten Programmierblöcke (Bewegungslenkung, Schalter-Block, Schleifen-Block). Die Auseinandersetzung mit der Programmieranleitung „Vor Objekt stoppen“ beinhaltet alle wichtigen Schritte zum Aufbau des Systems. Spurwechselassistent und Totwinkelassistent: Ein häufig vorkommendes Problem ist, dass die Roboter nicht geradeaus fahren. Das liegt oft an einem unsymmetrischen Zusammenbau des Fahrgestells. Der Totwinkelassistent ist wegen seiner Komplexität eine anspruchsvolle Aufgabe zur Differenzierung.

Umsetzung auf einer Platine Eine echte Laufzeitmessung ist für die unterrichtliche Umsetzung zu kompliziert. Stattdessen wird eine Sensorschaltung gefertigt, welche die Intensität von reflektiertem Licht auswertet. Im Bereich von 3 –12 cm funktioniert die Schaltung recht zuverlässig, sofern kein direktes Sonnenlicht auf den LDR fällt (abschirmen). Die Justierung hängt ab von der Raumhelligkeit und dem Zustand der Batterie, es muss also vor jedem Einsatz neu justiert werden. Aufgabe 3 dient zur Differenzierung und ermöglicht eine mehrstufige Warnausgabe mit mehreren Darlington-Transistoren, z. B. BC 558BTA.

Lehrerinformationen Modul 3 41

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Auf den Spuren von Bertha Benz

Im August 1888 startete Bertha Benz zu ihrer berühmten ersten automobilen Fernfahrt von Mannheim nach Pforzheim. Damit stellte die Frau von Carl Benz die Alltagstauglichkeit des Benz-Patent-Motorwagens unter Beweis und bereitete so den Weg für den weltweiten Erfolg des Automobils. Genau 125 Jahre später, im August 2013, gelang Mercedes-Benz auf der gleichen Route eine nicht weniger spektakuläre Pionierleistung: Ein Forschungsfahrzeug fuhr selbstständig auf den rund 100 Kilometern zwischen Mannheim und Pforzheim –und das nicht wie einst Bertha Benz „allein auf weiter Flur“, sondern bei hoher Verkehrsdichte, im Stop-and-go-Verkehr und in komplexen Verkehrssituationen.

Autonom unterwegs mit seriennaher Sensorik

Das Forschungsfahrzeug wurde für das Projekt mit seriennaher Sensortechnik ausgestattet. Durch den Einsatz moderner elektronischer Systeme haben die Entwickler dem Fahrzeug beigebracht, zu wissen wo es ist, was es sieht und wie es selbstständig reagieren soll: Ganz alleine fand das Auto mit seinem „Strecken-Pilot“ so den Weg durch dichten Stadtund Überlandverkehr.

Systeme den Kern der intelligenten Vernetzung aller Sicherheits- und Komfortsysteme.

Für das Versuchsfahrzeug wurden Anzahl und Anordnung der Sensoren weiterentwickelt, um eine umfassende Abdeckung der Fahrzeugumgebung in alle Richtungen zu erreichen. Damit können auch zusätzliche Informationen über das Fahrzeugumfeld gesammelt werden. Auf Basis dieser Sensordaten, der Bestimmung der eigenen Position des Fahrzeugs über GPS-Systeme und anhand von Informationen aus einer digitalen Karte erfolgen in den autonom fahrenden Autos die Analyse des befahrbaren Freiraums und die Planung des eigenen Fahrwegs.

Die technischen Anpassungen sind im Einzelnen:

• Um Objekte in größerer Entfernung zusätzlich zum Radar auch mittels Kamera zu erkennen, ist eine Stereokamera mit großem „Augenabstand“ integriert.

• Zwei zusätzliche Fernbereichsradare in den seitlichen vorderen Stoßfängern oder den Seitenspiegeln erkennen frühzeitig in Kreuzungsbereichen von links oder rechts kommende Fahrzeuge. Ein weiterer Fernbereichsradar beobachtet das Verkehrsgeschehen nach hinten.

• Vier Nahbereichsradare in den Fahrzeugecken erkennen andere Verkehrsteilnehmer in der näheren Umgebung.

• Eine Farbkamera hinter der Windschutzscheibe mit einem Öffnungswinkel von 90 Grad beobachtet die Ampeln.

• Eine weitere Kamera durch die Heckscheibe lokalisiert das Fahrzeug anhand von bekannten Merkmalen in der Umgebung. Diese Umgebungsmerkmale werden zuvor in einer digitalen Karte erfasst: Der Vergleich des gerade Gesehenen mit dem dort Gespeicherten ermöglicht es dem Fahrzeug, sich sehr genau zu lokalisieren.

Überwacht wurde das autonom fahrende Versuchsfahrzeug von speziell geschulten Sicherheitsfahrern, die im Fall einer Fehlentscheidung des Systems sofort eingegriffen und die Fahrzeugführung übernommen hätten.

Autonome Fahrzeuge sind ein wichtiger Schritt auf dem Weg zum unfallfreien Fahren. Denn selbstständig agierende Fahrzeuge reagieren auch dann, wenn der Fahrer unaufmerksam ist oder etwas übersieht und nehmen ihm unangenehme oder schwierige Fahraufgaben ab. Die wesentlichen Vorteile des autonomen Fahrens liegen damit auf der Hand: Schnell, sicher und entspannter ans Ziel kommen.

Teilautomatisiertes Fahren gelingt bereits heute: Lenk-Assistenten und Stop&Go-Piloten lenken moderne Fahrzeug weitgehend automatisch durch einen Stau. Damit bilden diese

Herausforderungen auf dem Weg zum autonomen Fahren Besonders herausfordernd sind für autonome Fahrzeuge die Abstimmung und Interaktion mit anderen Verkehrsteilnehmern. Sich mit einem entgegenkommenden Fahrzeug darauf zu einigen, welches als erstes eine Engstelle passieren soll, bedeutet eine komplexe Situationsanalyse. „Wo ein menschlicher Fahrer vielleicht beherzt in die Lücke vorstoßen würde, verhält sich unser autonomes Fahrzeug eher zurückhaltend“, sagt ein Entwickler. „Das führt manchmal zu komischen Situationen, etwa wenn das Fahrzeug an einem Zebrastreifen anhält, uns die Passanten aber signalisieren zu fahren – und unser Auto einfach weiter wartet, weil wir bei der Programmierung nicht mit so viel Höflichkeit gerechnet haben.“

Bis das Ziel des vollautonomen Fahrens erreicht ist, müssen nicht nur technische Entwicklungshürden genommen werden. Vieles, was jetzt schon technisch machbar wäre, ist heute rechtlich noch nicht überall erlaubt.

42 Lehrerinformationen zu Modul 3

12 Die Tankanzeige

Früher hatten Autos noch keine Tankanzeige. Deshalb wusste jeder Fah rer oder jede Fahrerin nur ungefähr, wie viel Kraftstoff sich noch im Tank befand. Hatte man sich verschätzt, ging der Motor aus und das Auto blieb stehen. Manche Fahrzeuge hatten einen Reservetank, der sich al lerdings nur umständlich mit einem Schalter zuschalten ließ.

Heute befindet sich im Blickfeld des Fahrers bzw. der Fahrerin im Ar maturenbrett ein Zeigerinstrument, die „Tankuhr“. Es unterscheidet zwischen den Marken „voll“ und „leer“ mit Teilstrichen für Viertel-, Halbund Dreiviertelfüllung. Zusätzlich leuchtet in der Tankuhr eine kleine Warnlampe auf, wenn der Kraftstoffvorrat zur Neige geht.

Das Anzeigeinstrument als Ausgabeteil erhält die entsprechenden Wer te von einem Sensor im Tank, der den Füllstand des Kraftstoffs mel det. Die meisten Sensoren besitzen dazu ein Trimmpotenziometer, das durch einen Hebel verstellt wird. Am Ende des Hebels befindet sich ein Schwimmkörper, der seine Höhenlage mit dem Kraftstoffstand än dert. Damit der Hebel in Kurven und bei Unebenheiten nicht zu sehr schwankt (und der Zeiger in der Tankuhr zittert), befindet sich zur Beru higung des Schwimmkörpers um den Tankgeber ein größeres Rohr mit kleinen Öffnungen.

1. Der Aufbau des Tanksensors

a) Benenne mithilfe des QR-Codes die beiden wichtigsten Teile des Sensors im Kraftstofftank und erläutere ihre Funktion.

b) Beschreibe mithilfe des QR-Codes, wie die Veränderung der Tankanzeige im Armaturenbrett zustande kommt.

c) Erkundige dich, was passiert, wenn sich nur noch wenig Kraftstoff im Tank befindet.

2. Nicht immer stimmt der angezeigte Wert der Tankuhr mit dem tatsächlich vorhandenen Kraftstoffvorrat verlässlich überein: Entweder man kann den Punkt „voll“ korrekt einstellen oder aber den Anzeigepunkt „leer“. Beschreibe, warum die Kraftstoffanzeige zwischen „voll“ und „leer“ meistens nicht linear erfolgt.

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Simulation mit dem Computer

1. Simuliere die Schaltung für die Ansteuerung einer Tankanzeige.

In einem Tank befindet sich ein mechanischer Schwimmerschalter. Je nach Tankinhalt schaltet dieser und die Leuchtdiode zeigt den Füllstand an. Durch den Vorwiderstand wird die Leuchtdiode vor Überspannung geschützt.

a) Baue die entsprechende Schaltung mit einem Simulationsprogramm auf.

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+ 12 V

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b) Erweitere die Schaltung so, dass durch weitere Sensoren auch ein ¾ voller, ein halb und ein viertel voller Tank angezeigt werden kann. Beschreibe deine Schaltung.

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c) Welche Probleme könnten sich im Alltag bei einer Tankanzeige ergeben, der diese Schaltung zugrunde liegt?

2. Tankanzeige mit stufenlosem Sensor

a) Um Zwischenschritte anzeigen zu können, werden die Schwimmerschalter durch ein Trimmpotenziometer ersetzt.

b) Erweitere die Schaltung in einem zweiten Schritt so, dass eine zusätzliche Warnleuchte anzeigt, wenn der Tank fast leer ist.

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44 12 Die Tankanzeige

+ 12 V

Umsetzung mit Siemens LOGO!

1. Baue eine einfache Tankanzeige

a) Mit der LOGO!® soll eine Tankanzeige entwickelt werden, die die Zustände „voll“, „¾ voll“, „½ voll“, „¼ voll“ und „leer“ mittels vier LEDs anzeigen kann. Verwende für das Programm vier digitale Eingänge, an die später einfache Schwimmerschalter angeschlossen werden können, und vier digitale Ausgänge für den Anschluss von Leuchtdioden.

b) Da die Lösung a) in der Praxis aufwendig umzusetzen ist und störungsanfällig sein kann, sollen die vier einzelnen Tankgeber durch einen Schwimmerschalter ersetzt werden, der an einen regelbaren Widerstand gekoppelt ist. Verwende zur Umsetzung in LOGO!® einen analogen Eingang und zur Signalauswertung einen analogen Schwellwertschalter (PT100).

2. Schwankungen des Tankinhalts

a) Wenn der Tankgeber aufgrund von Unebenheiten auf der Straße ein schnell wechselndes Signal ausgibt, flackern die Leuchtdioden in der Füllstandsanzeige. Erweitere die Anlage so, dass kurze Signalschwankungen abgefangen werden. Verwende dazu vier Ein-/Ausschaltverzögerungen und stelle die Zeitverzögerungen auf 1 s (Sekunde) ein.

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12 Die Tankanzeige 45

Umsetzung mit LEGO MINDSTORMS

Zur Messung des Tankinhalts ist ein Sensor notwendig. Hierzu eignet sich der Ultraschallsensor, mit dem man sehr gut den Abstand einer Flüssigkeitsoberfläche bestimmen kann.

Materialliste:

• 1 Grundroboter

• 1 Ultraschallsensor

• 1 Wasserglas als Tank

Schließe den Ultraschallsensor an den EV3 an und wähle im Menü „Port View“ den Ultraschallsensor aus. Wenn der Roboter über den PC mit der Programmiersoftware verbunden ist, können unten rechts die Sensorwerte abgelesen werden. Der Ultraschallsensor am Eingang 4 misst beispielsweise gerade 32,8 cm.

1. Messsystem entwickeln Entwickele ein Messsystem, das in der Lage ist, den Füll stand einer Flüssigkeit in einem Gefäß zu ermitteln und ein Warnsignal auszugeben, wenn der Füllstand unter einen be stimmten Wert sinkt.

Hilfestellung: Informiere dich in „Robot Educator  Komplexere Program me  Sensor-Blöcke“ über den Gebrauch von Sensoren in Programmen und wie Sensorwerte auf dem Display ange zeigt werden können.

Anzeige auf dem Display

Erweitere das Programm und gegebenenfalls die Konstruktion so, dass der Füllstand auf dem Display als Zahlenwert oder als Balken angezeigt wird. Es gibt natürlich auch die Möglichkeit, den Tankinhalt mithilfe eines Zeigers darzustellen, der vom mittleren Motor gesteuert wird.

12 Die Tankanzeige 47

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Umsetzung auf einer Platine

Mit den Bauteilen in der nebenstehenden Materialliste lässt sich ein funktionstüchtiges Modell einer Tankanzeige bauen.

Materialliste:

• 1 Grundplatine mit Rädern, Batteriehalter und Batterie

• Lötkolben, Lötzinn

• 1 Drehspulinstrument mit Farbskala mit R i = 1,7 kΩ, Vollausschlag bei ca. 0,6 V

• 1 Trimmpotenziometer, 1 kΩ; mit Achse, liegende Montage

• 1 Mikroschalter, Ausführung mit langem Schalthebel

• 1 Widerstand, 4,7 kΩ

• 1 LED, rot

• 1 Widerstand, 330 Ω

• 1 Plastikbecher mit Wasser

• 1 Stück Platine, 10 cm x 5 cm

• Heißkleber

• ca. 15 cm Draht, d = 2 mm

• 1 Styroporkugel, d = 20 mm

1. Aufbau der Tankanzeige

• Klebe ein Stück Platine senkrecht auf die Grundplatine, z. B. an die Rückwand des Batteriehalters.

• Löte rechts oben an die Platine das Trimmpotenziometer.

• Durchbohre die Achse, sodass du den Draht durchstecken kannst, und stecke die Achse in das Potenziometer. Biege das Drahtende um und sichere es mit Heißkleber.

• Klebe die Styroporkugel an das andere Ende des Drahtes und biege den Draht wie abgebildet.

• Klebe den Mikroschalter so auf die Platine, dass er bei tiefem Füllstand vom Draht betätigt wird.

• Positioniere alle Teile so, dass genug Platz für den Tank (Plastikbecher mit Wasser), den Tankgeber und das Messgerät auf der Grundplatine ist.

Fertigung der Platine

Löte nun die benötigten Bauteile auf die senkrecht oder die waagrecht stehende Platine. Verbinde beide Platinen mit Drahtbrücken. Verwende dazu den abgebildeten Schaltplan. Halte den Platz, auf dem der Tank stehen wird, frei von Bauteilen.

3. Justierung der Tankanzeige

Stelle den Tank auf die Platine, lege eine Batterie ein und teste deine Anlage.

9 V

4,7 kΩ 330 Ω

Tipps: Falls die Anzeige bei ganz leerem Tank nicht auf Nullstellung geht, verbiege den Draht oder löte das Trimmpotenziometer in einem anderen Winkel auf die Platine. Falls die Anzeige bei ganz vollem Tank nicht voll ausschlägt, benutze statt des 4,7-kΩ-Widerstandes einen kleineren Widerstand oder ein weiteres Trimmpotenziometer. Je nach Höhe des Bechers schlägt der Tankgeber weiter aus, deshalb kann es hier zu Abweichungen kommen. Falls das Trimmpotenziometer zu schwergängig ist und sich der Messfühler nicht von alleine absenkt, stecke ein paar Nägel in die Styroporkugel. Falls sich der Messfühler bei steigendem Flüssigkeitsstand (Tanken) nicht anhebt, benutze eine größere Styroporkugel.

Tankgeber 1 kΩ

48 12 Die Tankanzeige

13 Die Sitzheizung

Im Winter oder an kalten Tagen ist eine Sitzheizung ein großer Komfortgewinn beim Autofahren. Da jeder Mensch ein anderes Wärmeempfinden hat, sollte die Sitzheizung individuell einstellbar sein und bei einer bestimmten Temperatur einschalten bzw. bei Wohlfühltemperatur wieder abschalten. Kernstück hierfür ist ein wärmeabhängiger Widerstand, der ein Heizelement steuert.

Je nach Fahrzeughersteller lässt sich die Heizleistung nur ein- und ausschalten, in mehreren Stufen regeln oder stufenlos anpassen. Über einen Schalter wird dazu ein elektrisches Signal an ein Steuergerät übermittelt. Dieses versorgt das Heizelement mit der notwendigen Spannung. Das Heizelement besteht aus einer flexiblen elektrischen Leitung, die schlangenförmig in oder unter dem Bezug der Sitzfläche verläuft.

1. Auf welche Weise wird eine Sitzheizung vor Überhitzung und der damit verbundenen Brandgefahr geschützt?

2. Eine Sitzheizung hat nicht nur Vorteile. Informiere dich z. B. im Internet über deren Nachteile.

3. Beim Kauf eines Gebrauchtwagens kann es vorkommen, dass eine Sitzheizung nicht verbaut wurde. Recherchiere, ob es möglich ist, diese nachzurüsten und beschreibe ggf. die Funktionsweise.

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Simulation mit dem Computer

1. Baue die abgebildete Schaltung mit einem Simulationsprogramm nach. Der eingebaute Heißleiter (Thermistor) hat bei –10 °C einen Widerstand von 10 kΩ. Verändere die Temperatur mit dem Regler an dem Thermistor und beobachte die Wirkung. Beschreibe die Auswirkungen unterschiedlicher Temperaturen auf den Widerstand des Heißleiters und auf die Sitzheizung (diese wird in der Schaltung durch eine LED dargestellt).

+ 12 V

°C

40 20 0 –20 470 Ω

20 kΩ 10 kΩ –t°

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3. Teste, was die Veränderung des Widerstands R1 bewirkt. Beschreibe die möglichen Auswirkungen auf das Verhalten der Sitzheizung.

50 13 Die Sitzheizung

2. Wird der Widerstand des Thermistors größer, ist die Spannung an der Basis groß genug, damit zwischen Kollektor und Emitter ein Strom fließt. Das bewirkt, dass die Heizung einschaltet. Überprüfe mit dem Simulationsprogramm, ab welchem Widerstand des Thermistors die LED leuchtet. Ersetze die LED und ihren Vorwiderstand durch ein Relais mit Schutzdiode und lass durch das Relais einen Heizkörper einschalten (in Yenka® bei Digitale Elektronik / Logikausgänge / Heizgerät). Ändere den Widerstand vor dem Heißleiter auf 10 kΩ. Erkläre, was passiert.

4. Baue die Schaltung so um, dass sich die Temperatur der Sitzheizung in drei Stufen auf 20 °C, 25 °C und 30 °C schalten lässt. Beschreibe, was du verändert hast.

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5. Optimierung und Individualisierung einer Sitzheizung

a) Überlege, wie du die Schaltung deiner Sitzheizung optimieren und komfortabler gestalten könntest. Setze deine Idee in der Schaltung um und beschreibe sie.

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b) Wie könntest du die Schaltung deiner Sitzheizung noch sicherer aufbauen? Erweitere die Schaltung entsprechend und erkläre deine Idee. Versuche zusätzlich die Nackenheizung auf dem auf Seite 49 abgebildeten Sitz in die Schaltung zu integrieren.

+ 12 V + 12 V + 12 V