Was das 3D-RoboCar ausmacht

Kleine flitzende Roboter gehören seit Jahren zu den beliebtesten Arduino-Projekten im Unterricht. An ihnen lässt sich unmittelbar ablesen, was eine Programmzeile bewirkt: Der Zusammenhang zwischen Befehl und Bewegung wird sichtbar. Mit wenigen zusätzlichen Modulen wird daraus ein automatisierter Roboter – ein Ultraschallsensor lässt ihn Hindernisse erkennen und umfahren, Line-Tracking-Sensoren lassen ihn einer Linie folgen.

Fahrgestelle für solche Roboter gibt es viele. Beim 3D-RoboCar sind die Bauteile bewusst so gewählt, dass sich der Roboter sowohl mit der originalen Arduino-Software als auch visuell auf Blockbasis programmieren lässt – etwa mit OpenRoberta. Alle Teile sind günstig nachzukaufen oder neu auszudrucken, was den Einsatz im Unterricht nachhaltig macht, auch wenn einmal etwas zu Bruch geht.

Vorgesehen ist das 3D-RoboCar für einen Arduino UNO oder einen Arduino NANO mit passendem Shield in UNO-Bauform. In dieser Anleitung ist immer der UNO abgebildet, die Verwendung ist bei beiden gleich.

3D-gedrucktes Roboterfahrzeug mit zwei Rädern und Ultraschallsensor — Das fertig aufgebaute 3D-RoboCar

Vergleich der UNO- und der NANO-Variante des 3D-RoboCar — Beide Varianten: links der Arduino UNO, rechts der Arduino NANO auf einem Shield in UNO-Bauform

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Für den Unterricht: Anforderungen und Differenzierung

Das sollten die Schülerinnen und Schüler mitbringen oder im Projekt lernen:

Kabel an die Motoren löten (vier Lötstellen)
Einfache Schaltpläne lesen
Mikrocontroller, zwei Motoren, eine Batterie und einen Motortreiber verkabeln
Kabel mit dem Schraubendreher in Schraubklemmen befestigen
Programmieren mit der Arduino-Software oder mit OpenRoberta
Das Gehäuse mit einem 3D-Drucker ausdrucken – bei Bedarf mit Unterstützung der Lehrkraft

Für schnellere Gruppen bietet sich an:

Eigene 3D-Teile entwerfen – Designs, Antennen, Spoiler, Schneeschieber, zum Beispiel mit Tinkercad
Die Elektronik um eine Linienverfolgung erweitern
Die Elektronik um Bluetooth erweitern

Aufbau des Gehäuses im Überblick

Das Gehäuse ist kompakt konstruiert: Jedes elektrische Bauteil hat seinen vorgesehenen Platz. Es besteht nur aus zwei gedruckten Teilen – dem Hauptkörper und einer Halbkugel, die als Gleiter dient.

Der Gleiter ist wichtiger, als er aussieht: Er sorgt dafür, dass das Fahrzeug waagerecht auf dem Boden steht. Ohne ihn würde der Ultraschallsensor schräg nach oben senden und Hindernisse gar nicht erkennen.

Der Zusammenbau erfolgt in der Reihenfolge der nächsten Schritte.

Explosionszeichnung des 3D-RoboCar mit nummerierten Bauteilen — Die Reihenfolge des Zusammenbaus

Motoren und Räder montieren

Die Motoren werden nacheinander in ihren Schacht gedrückt. Die Motorwelle wird dabei durch das kleine Loch nach außen geführt; mit leichtem Druck rutscht der Motor ganz nach außen in seinen Ausschnitt.

Anschließend schiebst du die beiden Räder mit leichtem Druck auf die Achsen.

Löte die Kabel an die Motoren, bevor du sie einsetzt. Im eingebauten Zustand ist das Löten nur sehr schwer möglich. Die Motoren werden allerdings nur gesteckt und nicht verklebt – du kannst sie also jederzeit wieder herausnehmen.

Gehäuse mit eingesetzten Motoren und aufgesteckten Rädern — Motoren einsetzen und die Räder auf die Achsen schieben

Lautsprecher einsetzen

Der kleine Lautsprecher kommt in die runde Aussparung zwischen den beiden Motoren. Die beiden Kontakte zeigen dabei nach oben, damit du sie später noch erreichst.

Gehäuse mit eingesetztem Lautsprecher — Der Lautsprecher kommt mit den Kontakten nach oben in die runde Aussparung zwischen die Motoren

Motortreiber einsetzen

Der Motortreiber wird im hinteren Bereich des Gehäuses platziert. Er muss weder fixiert noch geklebt werden – so bleibst du beim Basteln flexibel und kommst später noch an die Schraubklemmen heran.

Gehäuse mit eingelegtem Motortreiber L298N — Der Motortreiber wird lose in den hinteren Bereich gelegt

Sensoren einsetzen

Zum Schluss kommen der Ultraschallsensor an die Vorderseite und die beiden Line-Tracking-Sensoren nach unten in ihre Halterungen.

Die Line-Tracking-Sensoren werden hier bereits eingebaut, in dieser Anleitung aber noch nicht verwendet. Sie sind für die Erweiterung um eine Linienverfolgung gedacht. Wenn du sie zunächst nicht brauchst, kannst du sie auch weglassen und später nachrüsten.

Gehäuse mit eingesetztem Ultraschallsensor und zwei Line-Tracking-Sensoren — Zuletzt kommen der Ultraschallsensor und die beiden Line-Tracking-Sensoren an ihren Platz

Verkabelung vornehmen

Jetzt liegen alle Sensoren und Aktoren offen – nur der Mikrocontroller fehlt noch. Das ist der beste Zeitpunkt für die Verkabelung im Inneren, weil du überall gut herankommst. Verkabele alle Module nach der Schaltskizze, den Mikrocontroller selbst noch nicht.

Die vier Leitungen vom Motortreiber (IN1, IN2, IN3, IN4) und die beiden Leitungen der Spannungsversorgung (GND und 5V) führst du durch die seitlichen Löcher des Gehäuses nach außen. Solange kein Mikrocontroller montiert ist, lässt du sie dort einfach hängen.

Schaltskizze mit Mikrocontroller, Motortreiber, Motoren, Lautsprecher und Sensoren — Die Schaltskizze für die Verkabelung im Inneren

Batterie einsetzen

Die 9-V-Batterie wird oben auf den Motortreiber gelegt und an dessen Schraubklemmen angeschlossen. Je nach Batterieclip musst du zuerst einen vorhandenen Stecker abschneiden – die blanken Kabelenden kommen direkt in die Schraubklemmen.

An der GND-Klemme liegen am Ende zwei Kabel: der Minuspol der Batterie und die GND-Leitung zum Mikrocontroller.

Praxistipp: Es gibt wiederaufladbare 9-V-Blocks, die sich per USB-Kabel laden lassen. Das schont die Umwelt und den Geldbeutel – gerade wenn mehrere Gruppen gleichzeitig arbeiten.

3D-RoboCar mit eingelegter 9-Volt-Batterie — Die 9-V-Batterie liegt oben auf dem Motortreiber

Mikrocontroller montieren

Einen Arduino UNO schiebst du von hinten ganz oben in den dafür vorgesehenen Schacht. Er verdeckt danach einen Großteil der Technik im Inneren.

Einen Arduino NANO klinkst du stattdessen auf der Rückseite in seine Halterung ein. Seine Stiftleisten verschwinden dabei im Schacht zwischen Roboterboden und Gleiter.

Steck die Kabel schon während des Einschiebens an, sobald die Kabellänge es zulässt – hinterher wird es eng.

3D-RoboCar mit montiertem Arduino UNO — Der Mikrocontroller wird von hinten in den obersten Schacht geschoben

Mini-Breadboard auflegen

Im letzten Schritt des Zusammenbaus legst du ein Miniatur-Breadboard oben auf den Mikrocontroller. Wie bei großen Breadboards sind die langen Reihen elektrisch miteinander verbunden.

Damit stehen dir 5V und GND mehrfach zur Verfügung – das brauchst du, sobald mehrere Sensoren gleichzeitig angeschlossen sind.

Warum ein Motortreiber nötig ist

Das 3D-RoboCar fährt mit zwei Gleichstrommotoren. Die brauchen deutlich mehr Strom, als ein digitaler Ausgang des Mikrocontrollers liefern kann – der schafft nur wenige zehn Milliampere und würde den Roboter allenfalls zum Zittern bringen.

Deshalb bekommen die Motoren ihren Strom nicht vom Mikrocontroller, sondern von einem Motortreiber. Der Mikrocontroller sendet nur noch Steuersignale; die eigentliche Leistung schaltet der Treiber. Das 3D-RoboCar verwendet dafür den verbreiteten L298N. Solche Bausteine heißen je nach Aufbau auch H-Brücke oder Motorshield.

Auf der fertigen Platine sitzen Schraubklemmen, Steckverbinder und ein Kühlkörper. Zwei Motoren lassen sich daran anschließen und unabhängig voneinander ansteuern.

Schaltskizze des 3D-RoboCar mit allen Modulen — Der gesamte Aufbau der Elektronik auf einen Blick

Die Anschlüsse des L298N

Der L298N hat mehr Anschlüsse, als du zu Beginn brauchst. Die Skizze nummeriert sie durch:

1 und 2 – Anschlüsse für Gleichstrommotor 1 (Plus und Minus)
3 – der 5V-Jumper: gesteckt schaltet er den eingebauten 5-Volt-Regler ein
4 – Eingang für die Versorgungsspannung der H-Brücke
5 – Eingang für GND
6 – 5V-Ausgang, zum Beispiel für die Versorgung des Mikrocontrollers
7 – Enable-Pin für Motor 1 (ENA): gibt den Motor frei und regelt per PWM seine Geschwindigkeit
8 und 9 – IN1 und IN2, die Steuereingänge für Motor 1
10 und 11 – IN3 und IN4, die Steuereingänge für Motor 2
12 – Enable-Pin für Motor 2 (ENB)
13 und 14 – Anschlüsse für Gleichstrommotor 2 (Plus und Minus)

Zunächst brauchst du nur die Motoranschlüsse, die Spannungsversorgung und IN1 bis IN4. Die Enable-Pins kommen erst ins Spiel, wenn du die Geschwindigkeit regeln willst.

Lass den 5V-Jumper für dieses Projekt gesteckt – nur dann erzeugt das Modul die 5 Volt, mit denen der Mikrocontroller versorgt wird. Ziehen musst du ihn erst, wenn du den Treiber einmal mit mehr als 12 Volt betreibst; dann brauchst du eine eigene Stromversorgung für den Mikrocontroller.

Skizze des L298N-Moduls mit nummerierten Anschlüssen — Die Anschlüsse des Motortreibers L298N, durchnummeriert

Spannungsversorgung des Gesamtsystems

Für das ganze Fahrzeug gibt es nur eine Spannungsquelle: die 9-V-Batterie. Sie wird am Motortreiber an den Anschluss mit der Aufschrift 12V und an GND geklemmt.

Die Aufschrift 12V ist dabei etwas irreführend. Sie bedeutet nicht, dass dort genau 12 Volt anliegen müssen, sondern markiert die Grenze, bis zu der du den eingebauten Spannungsregler mitlaufen lassen darfst. Dieser Regler erzeugt aus der Batteriespannung zusätzlich 5 Volt – und genau daran hängt der Mikrocontroller. Eine zweite Stromquelle brauchst du deshalb nicht.

Den Mikrocontroller verbindest du also mit dem 5V-Ausgang und mit GND des Motortreibers. Vom Mikrocontroller gehen dann vier Leitungen von den digitalen Pins 2, 3, 4 und 5 zu IN1, IN2, IN3 und IN4 – diese vier steuern alle Bewegungen.

Die beiden Motoren kommen an die gegenüberliegenden zweipoligen Schraubklemmen. Auf die Polung musst du dabei nicht achten: Dreht sich ein Rad später falsch herum, tauschst du einfach die beiden Kabel dieses Motors.

Wie IN1 bis IN4 die Motoren steuern

IN1 und IN2 bestimmen, was Motor 1 tut, IN3 und IN4 dasselbe für Motor 2. Der Mikrocontroller legt an diese Leitungen jeweils HIGH oder LOW an – HIGH bedeutet, dass am Pin 5 Volt anliegen, LOW bedeutet, dass dort keine Spannung anliegt.

Aus der Kombination der beiden ergibt sich die Drehrichtung:

LOW / LOW – der Motor steht still
LOW / HIGH – der Motor dreht vorwärts
HIGH / LOW – der Motor dreht rückwärts
HIGH / HIGH – der Motor steht still

Für Motor 2 gilt dasselbe mit IN3 und IN4. Mit diesen vier Signalen kannst du beide Motoren gleich oder gegenläufig drehen lassen – und genau dadurch fährt der Roboter geradeaus, rückwärts oder dreht sich um die eigene Achse.

OpenRoberta einrichten

Den Roboter kannst du klassisch mit der Arduino-Software programmieren oder visuell auf Blockbasis. Wir nutzen hier die cloudbasierte Plattform OpenRoberta unter lab.open-roberta.org.

Damit die im Browser gebauten Programme per USB auf den Mikrocontroller gelangen, brauchst du zusätzlich das kleine Hilfsprogramm Open Roberta Connector. Es setzt eine installierte Java-Laufzeitumgebung voraus, die du bei Bedarf von java.com bekommst. Den Connector selbst lädst du in der jeweils aktuellen Version von GitHub herunter.

Erscheint beim Start des Connectors eine Fehlermeldung, ist Java nicht oder nur fehlerhaft installiert. Installiere es dann nach und starte den Connector erneut.

GitHub-Seite mit den Downloads des Open Roberta Connectors — Die Releases des Open Roberta Connectors auf GitHub

Fenster des Open Roberta Connectors — So sieht der Open Roberta Connector nach der Installation aus

Fehlermeldung beim Start des Open Roberta Connectors — Diese Meldung erscheint, wenn Java fehlt oder fehlerhaft installiert ist

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Mikrocontroller mit dem Lab verbinden

Schließe den Mikrocontroller per USB an den Rechner an. Der Connector erkennt ihn und wählt ihn automatisch aus. Ein Klick auf „Verbinde“ stellt die Verbindung zu lab.open-roberta.org her; als Bestätigung erzeugt die Anwendung eine Kombination aus Zahlen und Buchstaben – den Token.

Öffne nun lab.open-roberta.org im Browser und wähle das System Nepo4Arduino – das ist der richtige Eintrag für Arduino-Mikrocontroller. Dort klickst du auf „Roboter“ und dann auf „Verbinden“ und trägst den Token ein.

In der Menüleiste sind drei Punkte wichtig:

Bearbeiten – Programme erstellen, laden, exportieren und importieren. Exportieren speichert ein Programm auf dem PC, Importieren lädt es wieder ins Lab.
Roboter – hier wird der Mikrocontroller über den Token verbunden.
Benutzer und Gruppen – ein Konto ist nicht nötig, erlaubt aber das Speichern eigener Programme online. Der Gruppenlogin ist für die Arbeit mit Schulklassen gedacht.

Open Roberta Connector mit erkanntem Arduino — Der angeschlossene Mikrocontroller wird automatisch erkannt

Open Roberta Connector mit angezeigtem Token — Nach dem Verbinden erzeugt die Anwendung einen Token aus Zahlen und Buchstaben

Auswahl der Robotersysteme im Open Roberta Lab — Die Übersicht der Systeme im Open Roberta Lab – für den Arduino ist Nepo4Arduino richtig

Open Roberta Lab mit Menüleiste und leerer Programmfläche — Die Weboberfläche des Open Roberta Lab mit den drei wichtigen Menüpunkten

Dropdown-Menü Roboter im Open Roberta Lab — Über Roboter → Verbinden wird der Mikrocontroller mit der Internetseite verbunden

Eingabefeld für den Verbindungstoken im Open Roberta Lab — Hier wird der Token aus dem Connector eingetragen

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Die Roboterkonfiguration

In der Konfiguration teilst du der Software mit, welches Modul an welchem Port hängt. Für den Anfang reichen die beiden Motoren, der Lautsprecher und der Ultraschallsensor.

Beispiel Ultraschallsensor: Der grüne Baustein HC-SR04 bekommt einen Namen – hier S1 – und zwei Ports. „trig“ ist der Trigger-Pin des Sensors, im Beispiel am digitalen Port 9; „echo“ ist der Echo-Pin, im Beispiel am digitalen Port 8.

Für die Motoren nimmst du viermal den orangefarbenen Baustein „Aktor digital“. Er kann über einen digitalen Pin ein 5-Volt-Signal (HIGH) oder GND (LOW) ausgeben – genau das, was der Motortreiber an IN1 bis IN4 erwartet. Im Beispiel heißen diese vier Bausteine Motor1a (IN1), Motor1b (IN2), Motor2a (IN3) und Motor2b (IN4).

Achtung: Die Ports in diesen Screenshots stimmen nicht mit der Schaltskizze aus dem Verkabelungsschritt überein. Entscheidend ist immer dein eigener Aufbau – trage genau die Ports ein, an denen deine Kabel tatsächlich stecken. Geh dazu jedes Modul einmal durch: Welches Kabel kommt von welchem Modul, und wo endet es am Mikrocontroller?

Roboterkonfiguration im Open Roberta Lab mit Ultraschallsensor und vier Aktor-Bausteinen — Die Roboterkonfiguration: hier wird eingetragen, welches Modul an welchem Port hängt

Aufgabe 1: geradeaus fahren

Beide Räder sollen sich vorwärts drehen. Dafür müssen alle vier Eingänge des Motortreibers ein Signal bekommen.

Jedes Programm beginnt mit dem roten Block der Dauerschleife. Hinein kommt viermal der Baustein „Schreibe Wert“, den du links im Menü unter „Aktion“ und „pin“ findest. Im blauen Feld trägst du eine 1 oder eine 0 ein: Die 1 steht für 5 Volt am Pin, die 0 für GND – also für HIGH und LOW.

Dreht sich danach ein Rad oder drehen sich beide Räder rückwärts, tauschst du bei diesem Motor einfach die 1 und die 0. Sobald die Batterie angeschlossen ist, fährt der Roboter los.

Leerer Schleifenblock im Open Roberta Lab — Der Ausgangspunkt jedes Programms: die rote Dauerschleife

Menübereich Aktion mit dem Baustein Schreibe Wert — Den Baustein „Schreibe Wert“ findest du im Menü unter „Aktion“ und „pin“

Open-Roberta-Programm mit vier Schreibe-Wert-Bausteinen — Lösung Aufgabe 1: vier Bausteine schalten die vier Eingänge des Motortreibers

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Aufgaben 2 und 3: rückwärts fahren und drehen

Für die Rückwärtsfahrt musst du nur die Werte aus Aufgabe 1 vertauschen – aus jeder 1 wird eine 0 und umgekehrt.

Soll sich der Roboter um die eigene Achse drehen, muss sich ein Rad vorwärts und das andere rückwärts drehen. Du änderst also nur die Werte eines der beiden Motoren.

Alternativ lässt du ein Rad ganz stehen und nur das andere drehen. Der Roboter dreht sich dann nicht auf der Stelle, sondern um das stehende Rad herum.

Open-Roberta-Programm für die Rückwärtsfahrt — Lösung Aufgabe 2: die Werte sind gegenüber Aufgabe 1 vertauscht

Open-Roberta-Programm für die Drehung um die eigene Achse — Lösung Aufgabe 3: ein Rad vorwärts, das andere rückwärts

Open-Roberta-Programm für die Drehung mit nur einem Motor — Alternative zu Aufgabe 3: ein Rad steht still, nur das andere dreht

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Aufgabe 4: eine Melodie spielen

Jetzt soll der Roboter einen Ton von sich geben. Der Antrieb bleibt in dieser Aufgabe unbenutzt; du brauchst nur den Baustein für die Tonerzeugung aus dem Menü „Aktion“ und „Klang“.

Mit einem einzelnen Baustein gibt der Roboter 1000 Millisekunden lang einen Ton mit 300 Hertz aus. Weil die Dauerschleife ihn immer wieder aufruft, entsteht daraus ein Dauerton – alles andere als eine fröhliche Melodie.

Erst mehrere Bausteine mit unterschiedlichen Tonhöhen und Dauern ergeben eine Melodie. Probier es aus – mit etwas Gefühl für Tonfolgen klingt der Roboter schnell richtig freundlich.

Open-Roberta-Programm mit einem Klangbaustein — Ein einzelner Ton: 300 Hertz für 1000 Millisekunden

Open-Roberta-Programm mit mehreren Klangbausteinen — Lösung Aufgabe 4: mehrere Töne hintereinander ergeben eine Melodie

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Aufgabe 5: auf ein Hindernis reagieren

Nun soll die Melodie nur dann erklingen, wenn der Ultraschallsensor ein Hindernis erkennt. Den Messwert liefert der Baustein „gib Abstand“ aus dem Menü „Sensoren“.

Wenn du ihn ins Programm ziehst, wirst du merken: Er lässt sich nirgends andocken und bleibt blass. Das liegt daran, dass ein Sensorwert immer innerhalb einer Kontrollfunktion verwendet wird. Du brauchst also zuerst einen Wenn-Baustein.

An diesen Wenn-Baustein knüpfst du eine Logik – dahinter steckt die Frage: Was soll passieren, wenn welcher Fall eintritt? In unserem Beispiel soll die Melodie spielen, sobald der gemessene Abstand kleiner als 40 Zentimeter ist.

Menübereich Sensoren mit dem Baustein gib Abstand — Der Baustein „gib Abstand“ aus dem Menü „Sensoren“

Open-Roberta-Programm mit einem Wenn-Baustein — Erst zusammen mit einer Kontrollfunktion lässt sich der Sensorwert einsetzen

Open-Roberta-Programm mit Wenn-Baustein und Vergleichsoperator — An die Kontrollfunktion wird eine Logik geknüpft

Open-Roberta-Programm mit Abstandsabfrage und Klangbausteinen — Lösung Aufgabe 5: eine Melodie, sobald der Abstand unter 40 Zentimeter fällt

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Aufgaben 6 und 7: anhalten und ausweichen

Für Aufgabe 6 soll der Roboter bei einem Hindernis nicht nur eine Melodie spielen, sondern auch stehen bleiben. Neue Bausteine brauchst du dafür nicht – du kombinierst nur, was du schon kennst: die Abstandsabfrage aus Aufgabe 5 und das Anhalten aus Aufgabe 1.

Aufgabe 7 geht einen Schritt weiter: Nach dem Anhalten soll sich der Roboter drehen und in eine andere Richtung weiterfahren. Auch das setzt du allein aus den bekannten Bausteinen zusammen.

Spätestens hier wird das Programm unübersichtlich: Jede einzelne Bewegung kostet vier Bausteine. Genau das löst der nächste Schritt.

Open-Roberta-Programm, das die Motoren stoppt und einen Ton ausgibt — Lösung Aufgabe 6: anhalten und Melodie spielen

Langes Open-Roberta-Programm mit vielen einzelnen Bausteinen — Lösung Aufgabe 7 ohne Funktionen – das Programm wird schnell unübersichtlich

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Mit Funktionen aufräumen

Eine Funktion fasst mehrere Bausteine unter einem Namen zusammen. Statt jedes Mal vier Bausteine zu setzen, rufst du die Funktion im Hauptprogramm mit einem einzigen Baustein auf.

Lege dafür fünf Funktionen an: Vor, Zurück, Stop, Drehung und Melodie. Danach erscheinen sie im Menü „Funktionen“ und lassen sich beliebig oft verwenden.

Dieselbe Aufgabe 7 sieht damit sofort aufgeräumt aus – und wenn du später einmal die Drehrichtung änderst, änderst du sie nur an einer Stelle statt an fünf.