Ein Linienfolger-Roboter funktioniert, indem er misst, wie viel Licht vom Boden unter ihm zurückgeworfen wird, für jeden Sensor entscheidet, ob er über der dunklen Linie oder der hellen Fläche steht, und dann so lenkt, dass die Linie mittig bleibt. Die Physik dahinter ist Reflexion. Der Code ist eine kleine Regelschleife, die einige hundert Mal pro Sekunde läuft. Stimmt beides, klebt der Roboter an einer engen Kurve; stimmt die Abstimmung nicht, eiert er gegen ein Tischbein. Dieser Leitfaden erklärt, wie das Ganze funktioniert, welche zwei Lenkverfahren üblich sind und warum ausgerechnet das Abstimmen echtes Ingenieurdenken vermittelt.

Wie der Sensor die Linie liest

Das Kernstück ist ein Infrarot-Reflexionssensor. Er kombiniert eine winzige Infrarot-LED mit einem Fototransistor, der misst, wie viel von diesem Licht zurückkommt. Eine dunkle Linie schluckt den größten Teil des Infrarotlichts, also kommt wenig zurück. Ein heller Boden reflektiert das meiste davon, also kommt viel zurück. Der Sensor sitzt wenige Millimeter über dem Boden und liefert einen Analogwert, der üblicherweise als Zahl aus einem Analog-Digital-Wandler (ADC) ausgelesen wird.

Die meisten Einsteigerroboter nutzen zwei oder mehr dieser Sensoren nebeneinander, die die Linie einrahmen. Wandert die Linie unter den linken Sensor, fällt der linke Messwert. Wandert sie nach rechts, fällt der rechte. Diese Differenz ist die gesamte Grundlage der Lenkung. Zwei praktische Wahrheiten zählen hier: Die Sensorhöhe verändert den Messwert, und Umgebungslicht schleicht sich ein. Ein Roboter, der unter Klassenzimmerlicht getestet wurde, verhält sich neben einem sonnigen Fenster womöglich anders — deshalb folgt als Nächstes die Kalibrierung.

Aus einem Messwert eine Entscheidung machen

Ein roher ADC-Wert nützt für sich genommen nichts, denn er verschiebt sich mit dem Untergrund, dem Licht und sogar einer schwächelnden Batterie. Die Lösung heißt Schwellenwertbildung. Man führt die Sensoren langsam über Linie und Boden, notiert den niedrigsten und den höchsten Messwert und legt den Schwellenwert in die Mitte. Alles darunter gilt als "auf der Linie", alles darüber als "auf dem Boden" — oder umgekehrt, je nach Verdrahtung.

Dieser Kalibrierschritt ist nicht optional. Machen Sie ihn auf der echten Strecke, im echten Raum, nach jedem Umzug. Mattes schwarzes Isolierband auf hellem Boden gibt einen sauberen Kontrast; glänzendes Band oder ein dunkler Fliesenboden nur einen schwachen. Zehn Minuten Kalibrierung sparen später eine Stunde ratloser Fehlersuche.

Zwei Arten zu lenken: Zweipunkt und proportional

Die einfachste Regelung ist die Zweipunktregelung, auch Ein-Aus-Regelung genannt. Die Logik lautet: Sieht der linke Sensor die Linie, lenke nach links; sieht der rechte sie, lenke nach rechts; sonst fahre geradeaus. Sie ist leicht zu schreiben und leicht zu verstehen, lenkt aber in harten Rucken. Der Roboter fährt Zickzack auf der Geraden und muss in Kurven kriechen, weil er immer nur ein oder aus kennt, nie, wie weit daneben.

Die Proportionalregelung behebt das, indem sie die Analogwerte statt eines Ja-oder-Nein nutzt. Man berechnet einen Fehler, zum Beispiel error = left - right, und lässt die Lenkstärke damit skalieren: turn = Kp * error. Ein kleiner Fehler ergibt eine sanfte Korrektur, ein großer eine kräftige. Die einzelne Zahl Kp, der Proportionalbeiwert, bestimmt, wie energisch der Roboter reagiert. Das ist der erste echte Vorgeschmack auf Regelungstechnik, und er reicht aus, damit ein Roboter über eine Strecke gleitet, über die er mit Zweipunktregelung nur rumpeln würde. Die I- und D-Anteile zu einer vollen PID-Schleife zu ergänzen, ist der natürliche nächste Schritt, sobald die Proportionalregelung sitzt.

Das Abstimmen ist die eigentliche Lektion

Der Code oben ist kurz. Fast der gesamte Lerneffekt steckt im Abstimmen, und das ist ein Vorzug, keine Pflichtübung. Beim Abstimmen begegnen Schülerinnen und Schülern der Ingenieursmethode: eine Variable ändern, testen, beobachten, wiederholen. Arbeiten Sie es der Reihe nach ab:

• Kalibrieren Sie auf der echten Strecke unter dem echten Licht, bevor Sie irgendetwas anderes anfassen.
• Setzen Sie eine Grundgeschwindigkeit, die langsam genug ist, um den Roboter zu beobachten und zu greifen.
• Beginnen Sie mit einem kleinen Kp und erhöhen Sie es, bis der Roboter der Linie folgt, statt abzudriften.
• Fängt er an zu schwingen und hin und her zu pendeln, senken Sie Kp etwas oder reduzieren Sie die Grundgeschwindigkeit.
• Testen Sie in der schärfsten Kurve der Strecke, nicht auf der bequemen Geraden. Die Gerade lügt.

Führen Sie ein Heft und ändern Sie immer nur eine Sache. Wer aufschreibt, dass ein hoher Beiwert den Roboter pendeln ließ, lernt mehr als jemand, der wahllos an Zahlen dreht, bis es zufällig klappt.

Häufige Fehler und wie man sie findet

Die meisten Probleme bei Linienfolgern fallen in eine Handvoll Muster. Ordnen Sie das Symptom der wahrscheinlichen Ursache zu, bevor Sie Code umschreiben:

• Der Roboter ignoriert die Linie völlig: Der Schwellenwert stimmt nicht, die Sensoren sind zu hoch montiert, oder die Batterie ist so schwach, dass die LEDs kaum noch leuchten.
• Heftiges Zickzack: Kp oder die Grundgeschwindigkeit ist zu hoch. Reduzieren Sie eines nach dem anderen.
• Fliegt in engen Kurven raus: zu schnell, oder die beiden Sensoren sitzen zu dicht beieinander, um die Kurve früh genug zu bemerken.
• Driftet auf der Geraden zu einer Seite: Die beiden Motoren laufen nicht exakt gleich. Geben Sie einer Seite einen kleinen festen Ausgleich.
• Funktioniert morgens, versagt nach der Mittagspause: Sonnenlicht hat die Messwerte verändert. Kalibrieren Sie für die neue Beleuchtung nach.
• Alle Sensoren liefern fast denselben Wert: Prüfen Sie Verdrahtung und Pin-Nummern und vergewissern Sie sich, dass das Band matt ist und nicht glänzend.

Im Klassenzimmer ausprobieren

Ein Linienfolger ist eines der besten ersten Robotikprojekte, weil die ganze Schleife — wahrnehmen, entscheiden, handeln — in einer einzigen Fahrt über den Boden sichtbar wird. Der Rover-Aufbau auf dem sheenbot∞-Board liefert Schülerinnen und Schülern die Reflexionssensoren und die Motorsteuerung auf einer Platine, und komplette Bausätze gibt es im Store. Wenn Sie es lieber unterrichtet haben möchten: Die Academy in Kapstadt bietet wöchentliche Kurse und Ferienworkshops an, in denen der Linienfolger ein fester Bauklassiker ist.

Fazit

Die Reflexionsmessung sagt dem Roboter, wo die Linie ist, der Schwellenwert macht daraus eine klare Entscheidung, und die Proportionalregelung macht aus der Entscheidung eine geschmeidige Lenkung. Der Code ist mit Absicht klein. Die eigentliche Fähigkeit ist das geduldige Abstimmen Schritt für Schritt, das einen eiernden Roboter dazu bringt, eine Kurve zu halten — und diese Fähigkeit trägt in fast jedes andere Projekt hinüber. Weitere Bauberichte finden Sie im Newsroom von sheen.bot.

Häufig gestellte Fragen

Wie viele Sensoren braucht ein Linienfolger?

Zwei genügen zum Lenken, denn zum Lenken muss man nur wissen, ob die Linie nach links oder rechts abgewandert ist. Mehr Sensoren — fünf sind üblich — lassen den Roboter genauer beurteilen, wie weit er daneben liegt, und engere Kurven bewältigen, was die Proportionalregelung geschmeidiger macht.

Warum folgt mein Roboter der Linie in einem Raum, aber nicht im anderen?

Umgebungslicht und Bodenfarbe verändern, wie viel Infrarotlicht zurückkommt, deshalb ist ein in einem Raum kalibrierter Schwellenwert im nächsten falsch. Kalibrieren Sie nach jedem Umzug auf dem neuen Untergrund und unter der neuen Beleuchtung nach.

Ist Proportionalregelung dasselbe wie PID?

Proportional ist das P von PID und der erste und wichtigste Anteil. PID ergänzt einen Integralanteil, der eine bleibende Abweichung ausgleicht, und einen Differentialanteil, der Überschwingen dämpft. Die meisten Jugendprojekte laufen mit reiner Proportionalregelung gut und ergänzen die anderen beiden später als Ausbaustufe.