Funduino Funbot

An einem fahrenden Roboter lässt sich unmittelbar ablesen, was eine Programmzeile bewirkt. Genau deshalb gehören kleine Roboterfahrzeuge zu den beliebtesten Arduino-Projekten im Unterricht.

Beim Funbot sitzen alle Bauteile bereits fest auf einer Platine. Es muss nichts verkabelt und nichts gelötet werden – nach dem Zusammenbau kann es direkt mit dem Programmieren losgehen. Das macht ihn besonders für den Informatikunterricht geeignet, wo der Schwerpunkt ohnehin auf der Software liegt.

Kompatibel ist der Funbot mit einer ganzen Reihe von Mikrocontrollern: Arduino UNO, Arduino NANO, ESP32 und Raspberry Pi Pico, jeweils samt Boards in gleicher Bauform. Programmiert werden kann klassisch mit der Arduino IDE oder visuell auf Blockbasis, etwa mit OpenRoberta.

Der Zusammenbau besteht aus vier Handgriffen:

• Platine vorbereiten: Brich die Ränder vorsichtig an den Sollbruchstellen heraus und leg dir die einzelnen Komponenten neben die Platine.
• Motoren montieren: Die beiden Motoren kommen mit den weißen Halterungen an die Unterseite. Der überstehende Teil der Halterung zeigt nach außen, und auf beiden Seiten liegen jeweils die gleichen Kabelfarben.
• Kugelrolle montieren: Sie wird mit den kurzen Nylonschrauben und den Abstandshaltern vorn an der Unterseite befestigt.
• Komponenten ergänzen: Die übrigen Module steckst du in die dafür vorgesehenen Anschlüsse – fertig.

Zum Programmieren und Testen genügt das USB-Kabel: Alle Module lassen sich damit ansprechen. Nur für die Antriebsmotoren reicht die Leistung nicht zuverlässig aus.

Soll der Funbot frei fahren, schließt du deshalb eine externe Spannungsquelle mit 6 bis 9 Volt Gleichspannung an die DC-Buchse an. Ein Spannungswandler auf der Platine macht daraus die 5 Volt für den Mikrocontroller – eine zweite Stromquelle brauchst du also nicht.

Praktisch: Batterie und USB-Kabel dürfen gleichzeitig angeschlossen sein. Du kannst also programmieren, ohne ständig umzustecken.

Diese Bauteile sitzen auf der Platine und lassen sich über den Mikrocontroller programmieren:

• Frontscheinwerfer – zwei LEDs vorn, gemeinsam über Pin A1 geschaltet, mit 200-Ohm-Vorwiderstand
• Zwei Taster – links an Pin A2, rechts an Pin A3, jeweils mit 10-kOhm-Pulldown
• Lautsprecher – an Pin A0, ein passives Bauteil: der Ton muss per tone-Befehl erzeugt werden
• Zwei N20-Antriebsmotoren – über den Motortreiber L293D angesteuert
• Sechs WS2812B-Pixel an der Unterseite – an Pin 13, einzeln in tausenden Farben ansteuerbar
• Ultraschallsensor RCW-0001 – arbeitet wie der bekannte HC-SR04, läuft aber mit 5V und mit 3,3V
• Liniensensor – wird vorn waagerecht eingesteckt, meldet hell oder dunkel als digitales Signal
• Lagesensor MPU6050 – Gyroskop und Beschleunigungssensor, über I2C angebunden

Erweitern lässt sich der Funbot mit eigenen 3D-Anbauteilen. Die Grundplatte mit ihren Bohrungen steht als STL-Datei bereit, sodass sich Träger für weitere Module – bis hin zu KI-Kameras wie der Pixycam oder der Huskylens – aufbauen lassen.

Die blinkende Leuchtdiode ist das klassische erste Programm der Mikroelektronik – und sie bringt gleich drei Grundbausteine mit.

Aufgabe: Schalte die vorderen Leuchtdioden ein, warte eine Sekunde, schalte sie wieder aus und warte erneut eine Sekunde.

• Die Variable ganz oben merkt sich, an welchem Pin die LEDs hängen. int steht für Integer, also eine Ganzzahl. Den Namen darfst du frei wählen – er muss nur im ganzen Sketch derselbe bleiben.
• Im Setup legt pinMode fest, dass an diesem Pin etwas ausgegeben werden soll: OUTPUT.
• Im Loop schaltet digitalWrite die LEDs mit HIGH ein und mit LOW aus.

Ohne die beiden delay-Befehle würde das Blinken so schnell ablaufen, dass wir es nicht sehen könnten – die LEDs erschienen einfach dauerhaft an. Erst die Pausen machen den Wechsel sichtbar. Und weil der Loop sofort wieder von vorn beginnt, braucht es die zweite Pause auch nach dem Ausschalten.

Aufgabe: Beim Druck auf den linken Taster sollen die Scheinwerfer zwei Sekunden leuchten, beim rechten Taster vier Sekunden.

Neu sind hier drei Dinge. Erstens bekommt ein Taster im Setup ein INPUT statt eines OUTPUT – an diesem Pin soll ja etwas eingelesen werden. Zweitens liest digitalRead den Zustand des Pins aus und legt ihn in einer Variablen ab: 1 für HIGH, 0 für LOW.

Drittens kommt die if-Abfrage ins Spiel. Sie führt einen Abschnitt nur dann aus, wenn eine Bedingung erfüllt ist – genau wie im Alltag: Wenn Regen vorhergesagt ist, nimmst du einen Schirm mit. Hier lautet die Bedingung: Ist der Wert der Taster-Variablen genau 1?

Aufgabe: Immer wenn der Lautsprecher einen Ton abgibt, sollen auch die Scheinwerfer leuchten. Danach folgt eine kurze Pause, dann beginnt es von vorn.

Der Lautsprecher am Pin A0 ist ein Ausgang – schließlich gibt der Mikrocontroller etwas an ihn aus. Trotzdem brauchst du für ihn kein pinMode im Setup: Der Befehl tone erledigt das von selbst.

Zwei Befehle gehören zusammen: tone startet den Ton mit einer bestimmten Tonhöhe, noTone schaltet ihn wieder ab. Beachte die Schreibweise mit großem T – die Arduino-Software unterscheidet streng zwischen Groß- und Kleinschreibung.

Die beiden N20-Motoren bekommen ihren Strom nicht vom Mikrocontroller – dessen Pins sind dafür zu schwach. Dazwischen sitzt der Motortreiber L293D, eine H-Brücke. Der Mikrocontroller schickt nur Steuersignale, die Leistung schaltet der Treiber.

Jeder Motor hat zwei Richtungseingänge. Aus ihrer Kombination ergibt sich, was der Motor tut:

• HIGH und HIGH – der Motor steht still
• HIGH und LOW – der Motor dreht in die eine Richtung
• LOW und HIGH – der Motor dreht in die andere Richtung
• LOW und LOW – der Motor steht still

Die Geschwindigkeit regelt ein dritter Pin, der Enable-Pin. Weil digitalWrite nur an und aus kennt, kommt hier analogWrite zum Einsatz: Werte zwischen 0 und 255 bestimmen, wie viel Leistung der Treiber durchlässt. Dahinter steckt die Pulsweitenmodulation, die nur an bestimmten Pins funktioniert – auf dem Funbot sind dafür passende Pins verdrahtet.

Aufgabe: Lass zunächst nur den linken Motor mit voller Leistung drehen. Erweitere den Sketch danach so, dass sich das Rad zwei Sekunden vorwärts dreht, eine Sekunde steht und sich dann zwei Sekunden rückwärts dreht.

Damit der Funbot wirklich fährt, müssen sich beide Räder drehen. Der Schritt von einem zu zwei Motoren ist klein: Du ergänzt die drei Variablen für den rechten Motor – MSR für die Geschwindigkeit sowie MotorRa und MotorRb für die Richtung –, legst sie im Setup als Ausgänge fest und steuerst sie im Loop genauso an wie den linken.

Probier danach aus, was passiert, wenn du die Geschwindigkeiten unterschiedlich wählst. Schaffst du es, den Funbot im Kreis fahren zu lassen?

Jetzt bekommt der Funbot zum ersten Mal einen Sensor, der seine Fahrt steuert. Ziel: Er folgt selbstständig einer schwarzen Linie – zum Beispiel einem Streifen Isolierband auf dem Tisch.

Dazu muss er Kurven fahren können. Das geht über die Geschwindigkeit: Dreht der linke Motor schneller als der rechte, fährt der Funbot eine Rechtskurve – und umgekehrt.

Der Liniensensor liefert dieselbe Art von Signal wie ein Taster: 1 für hellen Untergrund, 0 für die dunkle Linie. Du liest ihn deshalb genauso aus wie den Taster in Lektion 2.

Neu ist die Erweiterung der if-Abfrage um else: Damit legst du fest, was passieren soll, wenn die Bedingung gerade nicht erfüllt ist. In Worten lautet das Programm: Wenn heller Untergrund erkannt wird, fahr nach rechts. Ansonsten fahr nach links. So pendelt der Funbot an der Kante der Linie entlang.

Der Ultraschallsensor arbeitet wie eine Fledermaus: Er sendet Schallwellen aus und wartet darauf, dass sie von einem Gegenstand zurückgeworfen werden. Aus der Laufzeit lässt sich die Entfernung berechnen.

Zwei Pins sind daran beteiligt: Trigger startet die Messung, Echo meldet die Rückkehr der Welle. Den Trigger schaltest du dafür kurz auf LOW, dann für 10 Mikrosekunden auf HIGH und wieder zurück auf LOW.

Die Laufzeit misst der Befehl pulseIn – der vorletzte Buchstabe ist ein großes i, kein kleines L. Weil die gemessene Zeit den Hin- und den Rückweg umfasst, wird sie halbiert und dann mit der Schallgeschwindigkeit multipliziert:

Entfernung = (gemessene Zeit ÷ 2) × Schallgeschwindigkeit

Aufgabe: Miss den Abstand zu deiner Hand oder einer Wand. Liegt er unter 30 Zentimetern, sollen die Scheinwerfer aufleuchten.

Jetzt werden zwei Lektionen zusammengeführt: Der Funbot fährt geradeaus und misst dabei laufend den Abstand nach vorn. Taucht ein Gegenstand näher als 30 Zentimeter auf, bleibt er stehen.

Das Zusammenführen läuft immer nach demselben Muster ab: Die Variablen beider Sketche kommen nach oben, die pinMode-Zeilen beider Sketche ins Setup, und im Loop stehen erst die Motorbefehle und danach die Messung. In die if-Abfrage kommt schließlich der Code, der beide Motoren stoppt – beide Richtungspins auf LOW und die Geschwindigkeit auf 0.

Die sechs WS2812B-Pixel an der Unterseite lassen sich einzeln in tausenden Farben ansteuern – und das über eine einzige Datenleitung. Im Unterricht sind sie mehr als Deko: Sie machen sichtbar, in welchem Programmabschnitt der Roboter gerade steckt. Leuchtet er grün, soll er fahren; fährt er trotzdem nicht, liegt der Fehler bei den Motoren und nicht in der Logik.

Hier kommt zum ersten Mal eine Bibliothek ins Spiel: fertiger Code, den andere geschrieben haben und den du in deinem Sketch mitbenutzt. Installiere sie über Sketch → Bibliothek einbinden → Bibliotheken verwalten und suche dort nach Adafruit NeoPixel.

Im Sketch rufst du sie mit #include auf. Danach fasst du die sechs Pixel zu einem Objekt namens BodenLED zusammen und übergibst ihm vier Angaben: Anzahl der Pixel, Datenpin, Farbraum und Frequenz.

Aufgabe: Lass die Pixel 0 und 1 rot, die Pixel 2 und 3 grün und die Pixel 4 und 5 blau leuchten. Die Farben gibst du als RGB-Werte an – Rot ist (255, 0, 0), Grün (0, 255, 0) und Blau (0, 0, 255).

Der MPU6050 vereint zwei Sensoren in einem Chip: ein Gyroskop, das Drehungen um die X-, Y- und Z-Achse erfasst, und einen Beschleunigungssensor. Zusammen ergeben sie die Orientierung im dreidimensionalen Raum – dieselbe Technik steckt in VR-Brillen und in der Fluglageregelung von Modellflugzeugen.

Angebunden ist er über den I2C-Bus, also über die Pins A4 und A5. Die passende Bibliothek heißt TinyMPU6050 von Gabriel Milan und wird wie die NeoPixel-Bibliothek über den Bibliotheksverwalter installiert.

Aufgabe: Lass dir den Drehwinkel um die Z-Achse im Seriellen Monitor anzeigen. Dreh den Funbot danach nach links und rechts und beobachte, wie sich der Wert verändert.

Drei Befehle aus der Bibliothek brauchst du dafür: MPU.Initialize() startet den Sensor, MPU.Calibrate() merkt sich die Ausgangslage, und MPU.Execute() holt im Loop die aktuellen Messwerte.

Zwei Motoren laufen nie exakt gleich schnell – fertigungsbedingt zieht jedes Fahrzeug ein wenig zur Seite. Mit dem Lagesensor lässt sich das ausgleichen: Der Funbot merkt sich beim Start seine Ausgangsrichtung und steuert dagegen, sobald er davon abweicht.

Das Prinzip: Im Setup wird der Winkel der Z-Achse einmal ausgelesen und als Grundstellung gespeichert. Im Loop wird laufend gemessen, wie weit der aktuelle Winkel davon abweicht. Ist der Funbot nach links gewandert, dreht der rechte Motor langsamer – und umgekehrt.

Der Sketch führt zusammen, was du in den Lektionen zu den Motoren und zum Lagesensor gelernt hast. Er ist durchgehend kommentiert; die ausführlichen Erklärungen stehen in den beiden Lektionen davor.