Der Roboter des Gymnasiums Korschenbroich gewinnt den VDE-Roboterwettbewerb

Die Vorgeschichte

Im Rahmen der WDR-Computernacht, die am 11.12.1999 in Paderborn stattfand, wurde ein vom VDE (Verband der Elektrotechnik) ausgeschriebener Roboterwettbewerb durchgeführt. Dabei sollten Roboter, die von Schülerteams geplant, gebaut und programmiert worden waren, in einem 2 x 3m großen Feld Golfbälle finden und aufsammeln. Der Wettbewerb war in verschiedene Abschnitte unterteilt,  in denen der Parcours mit unterschiedlichen Hindernisse versehen wurde, wodurch die Aufgaben von Mal zu Mal schwieriger wurden. Durchführung und Organisation des Wettbewerbs lag bei der Fachschaft Elektrotechnik der Uni Paderborn. Mit diesem Wettbewerb wollte der VDE Schüler auf ein Berufsfeld aufmerksam machen, in dem zwar in der Industrie eine erhebliche Nachfrage nach Fachleuten besteht, für das es aber viel zu wenig Studienanfänger gibt.

Das Gymnasium Korschenbroich war unter den fünf Schulen aus NRW, die an diesem Wettbewerb teilnahmen. Unser Konstruktionsteam bestand aus sechs Schülern und zwei Lehrern. Einen großen Teil des Teams stellten die Teilnehmer der Physik-AG. Kurz vor den Herbstferien wurde uns von den Organisatoren des Wettbewerbs das Material übergeben, aus denen der Roboter gebaut werden sollte: Elektromotoren, Messing- und Aluminiumprofile, Schrauben, elektronische Bauteile, Sensoren und ein kleiner Steuercomputer. Nur Optimisten konnten sich zu diesem Zeitpunkt vorstellen, dass daraus in knapp 8 Wochen ein Roboter entstehen würde. Es war wie im richtigen Leben: Ein enger Zeitplan, Anforderungen die ständig erhöht wurden, Lieferungen die sich verzögerten, und eine Aufgabe, für die keiner die Lösung kannte. Aber trotz einiger Rückschläge kam die Arbeit dann überraschend gut voran.

Die Konstruktionsphase

Das Gehirn des Roboters  ist ein C-Controll Mikro-Computer (von Conrads), der mit Hilfe einer PC-Entwicklungsumgebung in einem einfachen BASIC-Dialekt programmiert werden konnte. Der ca. 5 kByte große Programmspeicher war für unser Problem mehr als ausreichend. Das Steuerprogramm umfasst etwa 2,5 kByte. Es fragt die Sensoren ab, die Augen und Ohren unseres Roboters darstellen und ihre Informationen über die Eingabeports an den Steuerungscomputer weitergeben. Zwei Infrarot-Sensoren, die nach vorn gerichtet sind, haben eine Reichweite von ca. 30 cm und sollen die Wände des Parcours und eventuelle Hindernisse auf dem Parcours erkennen. Bei der für manche Manöver notwendigen Rückwärtsfahrt wird diese Aufgabe von einem handelsüblichen Ultraschall-Abstandswarner übernommen. Vier Infrarot-Sensoren, die zur Seite gerichtet sind und leider nur eine Reichweite von wenigen cm haben, sollen Gegenstände identifizieren, an denen der Roboter vorbei fährt. Da sie in unterschiedlicher Höhe über dem Boden angeordnet sind, können sie Golfbälle von Hindernissen und Wänden unterscheiden. Es war eines der verblüffendsten Manöver, wenn der Roboter zuerst knapp an einem Ball vorbei fuhr, dann plötzlich anhielt, zurücksetzte, sich zum Ball hin drehte und ihn schließlich aufnahm. Der einfachste aber wichtigste Sensor war eine Lichtschranke, die zwischen den Vorderenden des Greifers eingebaut war. Wurde sie unterbrochen, so war das das Indiz, dass ein Ball aufzuheben war.

Die aktiven Komponenten unseres Roboters waren vier Motoren: Zwei kräftige Motoren für den Antrieb der beiden Laufräder und zwei kleinere Motoren zur Betätigung des Greifers. Die Antriebsmotoren konnten mit unterschiedlichen Drehzahlen und -Richtungen angesteuert werden, wobei die Drehzahlen theoretisch 256 unterschiedliche Werte annehmen konnten. Dies verlieh unserem Roboter eine ausgezeichnete Manöverierbarkeit.

Der elektrische Energie für die Elektronik und die Motoren liefern zwei Akku-Packs.

Bei der Arbeit an unserem Roboter haben wir insbesondere gemerkt, wie wichtig Teamarbeit bei einem Projekt ist, das aufgrund seiner Komplexität von einem Einzelnen kaum noch überblickt werden kann. In den zwei Wochen vor dem Wettbewerb verlegte das Team seinen Hauptwohnsitz in die Schule, die kaum mehr vor 22 Uhr verlassen wurde. Aber: Wegen unseres Projekts ist keine einzige Unterrichtsstunde ausgefallen! Als der Tag des Wettbewerbs gekommen war, hatten wir das Gefühl, noch mindestens zwei Wochen zu benötigen, um den Roboter in den von uns gewünschte Zustand zu bringen. 

Unser Roboter in Aktion

Der Wettbewerb am 11. 12. 99:

Die Chronologie der Höhen und Tiefen der langen Computernacht vom 11.12.99:

15.00 Uhr: Wir treffen an der Wettkampfstätte im HNF ein und richten uns an dem uns zugewiesenen Standort ein. Wir haben zwar das Gefühl, dass sich unser Roboter (im Folgenden Robokor genannt) noch in einem halbfertigen Zustand befindet. Doch ein Blick zu den Arbeitsplätzen der Konkurrenten zeigt uns, dass die auch nicht besser dran sind als wir. Überall wird noch gelötet, geschraubt und getestet.

17.00 Uhr: Der Wettkampfparcours wird für Testläufe freigegeben. Wir passen die Empfindlichkeit der Lichtschranke des Greifers von Robokor an die Raumbeleuchtung an und führen die ersten Probeläufe durch. Dann beobachten wir die Testläufe unserer Konkurrenten. Unser Roboter hat die beste Motoransteuerung. Aber insbesondere die Roboter aus Castrop-Rauxel und Soest sind ernstzunehmende Konkurrenten. Der Roboter aus Castrop-Rauxel ist extrem stabil gebaut und hat eine einfache aber effektive Taktik. Er saust mit hoher Geschwindigkeit über den Parcours, attackiert dabei wütend Wände und Hindernisse und verschlingt mit einem zermalmenden Geräusch die Bälle, die er zufällig auf seinem Weg findet.

21.00 Uhr: Der erste Durchgang. Robokor findet schnell zwei Bälle, schubst den dritten aber an die Wand und schafft es nicht mehr, ihn dort aufzunehmen. Pech. Trotzdem liegen wir nach diesem Lauf zusammen mit Soest auf dem 1. Platz. Für die aufgenommenen Bälle gibt es je 50 Punkte. Der Zwischenstand nach dem 1. Durchgang:

23.00 Uhr:  2. Durchgang. Die Sternstunde unseres Roboters. An der Wand befinden sich jetzt Hindernisse. Trotzdem hat Robokor  bereits nach ca. 1.30 Min (von maximal acht Min.) alle Bälle aufgenommen. Das gibt eine Menge Bonuspunkte für die Zeit. Vor Erstaunen stellt der Schiedsrichter die Wettkampfuhr auf Null zurück, anstatt auf den Stopp-Knopf zu drücken, so dass die abgelaufene Zeit erst mühsam rekonstruiert werden muss. Die Konkurrenz ist deklassiert und wir sind jetzt klare Favoriten auf den Sieg. Die ersten Interviews werden geführt. Das Fernsehen interessiert sich für uns. Der Zwischenstand nach dem 2. Durchgang:

Trotz des tollen Zwischenstandes ist uns klar, dass sich bei etwas Pech für uns das Blatt schnell wenden kann.

1.00 Uhr: 3. Durchgang: Das Waterloo für Robokor. Jetzt stehen Hindernisse im Feld. Bei laufenden Fernsehkameras blamiert unser Roboter sich (und uns) . Er findet zwar noch den 1. Ball, verhakt sich dann aber in einem Hindernis, fährt zur Belustigung aller Nicht-Korschenbroicher mit diesem ständig im Kreis herum und verkeilt sich noch mit einem zweiten Hindernis. Zwei verschobene Hindernisse bedeuten zwanzig  Minuspunkte. Ausgerechnet jetzt hat unser Hauptkonkurrent aus Castrop-Rauxel seinen grossen Auftritt. Gesenkten Hauptes schleichen wir uns in unsere Ecke und beginnen mit der Fehleranalyse und dem Umprogrammieren des Roboters. Der Zwischenstand nach dem 3. Durchgang zeigt, dass unser Vorsprung nur noch knapp ist.

4.00 Uhr: Für die 4. Runde ist eine Zusatzaufgabe gestellt. Wir beschließen nach einigen Tests trotz der von unseren Hardwarespezialisten in aller Eile neu gebauten Zusatzelektronik, die Zusatzaufgabe einfach zu ignorieren und uns ganz aufs Bällesammeln zu konzentrieren. Diese Taktik macht sich bezahlt. Robokor findet diesmal alle Bälle und da die Zusatzaufgabe auch von keinem der Konkurrenten gelöst wird, gehen wir uneinholbar in Führung. Unser Sieg steht jetzt schon fest.

1.	Gymnasium Korschenbroich	489 Pkt.
2.	Janusz-Korczak-Gesamtschule Castrop-Rauxel	301 Pkt.
3.	Gymnasium Soest	260 Pkt.
4.	Gymnasium Münster	0 Pkt.
5.	Gesamtschule Troisdorf	0 Pkt.

5.00 Uhr. Die Schluss-Runde: Unser Roboter steht mit seinen Konkurrenten aus Soest und Castrop-Rauxel im Feld. Ein einzelner Golfball befindet sich am anderen Ende des Spielfelds. Der Roboter, der ihn sich holt, erhält 150 Punkte. Nach dem Start benehmen sich die beiden Konkurrenten recht merkwürdig. Sie scheinen zu wissen, dass der Kampf vorbei ist. Einer dreht sich dauernd um seine Achse, der andere fährt orientierungslos durch die Gegend. Robokor fährt noch eine Ehrenrunde, veranstaltet ein kurzes Katz-und-Maus-Spiel mit dem Ball und schnappt ihn sich dann. Aus.

Der endgültige Punktestand:

Wir lieben es, wenn ein Plan funktioniert.

Weitere Informationen und Internetadressen sind auf der Homepage des Gymnasiums Korschenbroich
zu finden.

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