Neujahrswettbewerb: tibo meistert einen Parcours!

Die Schaltung, die die beiden Jungs sich dafür ausgedacht haben, setzt sich aus den beiden Grundschaltungen für den Linienfolger und den Lichtfolger zusammen, die in unserer Anleitung beschrieben sind. tibo möchte mit der neuen Schaltung mit den Sensoren T2 und T4 der schwarzen Linie folgen. Gleichzeitig hält er nach Helligkeitsdifferenzen bei den Sensoren T1, T3 und T5 Ausschau, um die Hindernisbahn zu identifizieren. Die größte Schwierigkeit besteht wohl darin, die Steuerschaltung sehr genau zu justieren, ansonsten wüsste der Mini-Bot nicht, was er machen soll. Eine knifflige Denkaufgabe, die jedoch mit Geduld und Experimentierfreude gelöst worden ist.

Schauen wir uns die Steuerschaltung nun einmal genauer an: Wie bereits erwähnt, sind hier nun alle fünf Sensoren verbaut. Wir sehen auch, dass die Operationsverstärker nun nicht mehr ausschließlich als invertierender oder nicht invertierender Verstärker beschaltet sind. Stattdessen werden sowohl die invertierenden, als auch die nicht invertierenden OP-Eingänge mit variablen Spannungen gesteuert. 

Ein erster Ansatz für die Kombination der Signale InR, InL und InM wäre, InR bzw. InL wie beim Lichtfolger auf die invertierenden OP-Eingänge und InM auf die nicht invertierenden OP-Eingänge zu legen. Das dazugehörige Diagramm würde dann so aussehen:

In diesem Fall – bei gleichmäßiger Beleuchtung aller fünf Sensoren – wäre InR positiv (1 V), InL negativ (-1 V) und InM lägen bei 0 Volt. tibo würde rückwärtsfahren, was natürlich nicht gewollt ist.

Es gibt zwei Möglichkeiten, dies zu korrigieren:

1. Der invertierende Eingang von OP1R muss negativer und der invertierende Eingang von OP1L positiver werden: Dafür verbinden wir diese Eingänge über Widerstände mit „Minus“ bzw. „Plus“. Damit die Sensorsignale InR und InL nicht zu sehr unterdrückt werden, wurde eine sehr hochohmige Reihenschaltung mit  10 MΩ + 4.7 MΩ =  14.7 MΩ gewählt. Dieser Zweig liegt nun in Reihe mit den 2.2 MΩ Widerständen von InR bzw. InL. Für InR = 1 V ergibt sich am invertierenden Eingang von OP1R etwa folgende positive Spannung:  U_in- = 1 - 4 · 2.2 / (14.7 + 2.2) = 0.48 V   tibo fährt immer noch rückwärts, jedoch nur mehr halb so schnell. 
2. Daher wurde zusätzlich noch die Spannung an den nicht invertierenden Eingängen korrigiert. Dafür wurden die 4.7 MΩ Widerstände an den Positionen A2 eingesetzt. Auch hier teilt sich die Spannung zwischen 3 V und 0 V am nicht invertierenden Eingang von OP1R gemäß den Widerständen auf. Das Poti ist auf 10 MΩ eingestellt und wird bei folgender Betrachtung vernachlässigt: U_in+ = 0 + 3 · 2.2 / (4.7 + 2.2) = 0.96 V

Voilà: Uin+ ist nun etwas positiver als Uin- ist. Soll nun die Spannung an den Motoren bestimmt werden, kann man die Verstärkung der Schaltung berechnen oder das Diagramm benutzen. Auch hierbei werden die hochohmigen Widerstände mit 14.7 MΩ vernachlässigt. Für die Ausgangsspannung für den rechten Motor ergibt sich:  

U_out = 0.96 V + (0.96-0.48) · (2.2 + 1) / 2.2 = 1.66 V

tibo würde also ohne äußere Einflüsse mit etwas mehr als der halben Geschwindigkeit vorwärts fahren. Betrachten wir nun noch die symmetrischen aber extremen Fälle, wenn der mittlere Sensor T3 sehr hell (a) oder gar nicht (b) beleuchtet wird. InR wäre in diesen beiden Fällen a) 0 V bzw. b) 3 V.

Für U_in- ergibt sich wie gehabt:

a) U_in- = 0 - 3 · 2.2 / (14.7 + 2.2) = -0.39 V

b) U_in- = 3 - 6 · 2.2 / (14.7 + 2.2) = 2.22 V

Für U_out ergibt sich dann entsprechend:

a) U_out = 0.96 V + (0.96+0.39) · (2.2 + 1) / 2.2 = 2.92 V

b) U_out = 0.96 V + (0.96-2.22) · (2.2 + 1) / 2.2 = -0.87 V

Nun sehen wir schön: Wenn tibo im Parcours unterwegs ist und die seitlichen Sensoren T1 und T5 durch die Wände abgedunkelt sind, (a) fährt er mit fast maximaler Geschwindigkeit (2.92 V) vorwärts.

Im umgekehrten Fall steht tibo vor einer Wand, so wie das am Schluss des Parcours der Fall ist, sodass T1 und T5 beleuchtet sind und nur T3 abgedunkelt ist. In diesem Fall (b) fährt tibo langsam rückwärts (-0.87 V), bis er einen entsprechenden Abstand zur Wand eingenommen hat und zum Stillstand kommt.

Bei der Grundschaltung des Linienfolgers aus der tibo-Anleitung sind beide OPs übersteuert, wenn tibo in der Mitte auf der Linie fährt. Damit wurde ein hin und her Schwingen vermieden. Weil bei dieser beschriebenen Schaltung tibo die Geschwindigkeit beliebig wählen kann, auch wenn er auf der Linie unterwegs ist, mussten unsere Gewinnspielteilnehmer sich etwas Neues einfallen lassen, um ein Schwingen zu unterdrücken. Sie haben im Rückkopplungszweig der Schaltung zum 2.2 MΩ Widerstand D7 und zum 47 nF Kondensator D8 einen 1 MΩ Widerstand C7 in Reihe angeordnet. Das haben wir bei der Berechnung der Verstärkung bereits berücksichtigt. Der Kondensator dämpft bzw. verzögert dadurch nur den Teil des endgültigen Ausschlags am OP-Ausgang, der dem 2.2 MΩ Widerstand entspricht. Der andere Teil des Signals wird ohne Verzögerung an die Motoren weiter gegeben.

Diese Kombination macht Sinn: So kann tibo spontan auf schnelle Änderungen reagieren, ohne jedoch über zu reagieren und dabei ins Schwingen zu geraten. Vor allem beim Linienfolgen macht sich das bezahlt. 

Miguel und sein Vater haben mit ihrem Video eindrucksvoll gezeigt, dass man mit tibo auch kniffelige Aufgaben lösen kann, die man einem rein analog gesteuerten Roboter nicht so ohne Weiteres zutrauen würde. Dafür hat haben sie sich den Gewinn wirklich verdient, finden wir. Wir hoffen, sie freuen sich über den weiteren tibo. Jetzt können sie ihre Experimente um das Verhalten zweier Miniroboter erweitern.

Wir freuen uns natürlich auch ohne ein Gewinnspiel, wenn ihr eure Ideen oder Videos mit uns teilen möchtet. Vielleicht habt ihr hier eine kleine Inspiration erhalten, die ihr nun gerne ausprobieren wollt. Ran an die tibos! 

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