Ursulaschule Osnabrück

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Roboking 2008 Finale

Das Team zuseEins belegt beim internationalen besetzten Roboterwettbewerb Roboking 2008 einen hervorragenden geteilten 6. Platz bei 32 teilnehmenden Teams.

Für das Robotik-Schülerteam zuseEins der Ursulaschule geht es unmittelbar vor dem Start in die Osterferien noch ein mal „ums Ganze“. zuseEins hat sich als eines von 16 Teams für die Finalrunde der 1. Liga des bundesweit ausgetragenen Roboterwettberbs Roboking (www.roboking.de) qualifiziert.

An vier Tagen hintereinander (Donnerstag bis Sonntag) wird im Rahmen der CeBit auf dem Messestand des Wettbewerbsveranstalters Technische Universität Chemnitz in Vor- und Endrunde der Roboking 2008 ermittelt.

Die Aufgabe

Die Roboter haben die Aufgabe auf einem 2 mal 3 Meter großen, von Banden begrenzten Spielfeld Tennisbälle aufzusammeln und in Basen abzulegen. Die Basen (insgesamt 4) befinden sich an den Stirnseiten des Spielfeldes, jeweils 2 auf einer Seite. Im Spiel treten jeweils zwei Roboter gegeneinander an. Jedem Roboter „gehört“ eine Spielfeldhälfte mit den dazugehörigen beiden Basen. Jeder in einer Basis abgelegte Ball zählt ein Punkt für das Team, dem die Basis gehört. Gewonnen hat das Team, das nach 5 Minuten die meisten Punkte gesammelt hat. Als zusätzliches „Gimmick“ befinden sich auf dem Spielfeld zwei Galgen an denen jeweils 2 Ringe mit Hilfe von Magneten aufgehängt sind. Jeder Ring ist einer der vier Basen zugeordnet. Wird ein Ring abgezogen, so öffnet sich die zugehörige Basis und alle bisher in dieser Basis befindlichen Bälle rollen wieder heraus...

Es geht also darum einen mobilen (motorisierten) Roboter zu bauen, der mit einer Mechanik ausgestattet ist, die es ihm ermöglicht, Bälle aufzuheben und abzulegen. Zudem muss der Roboter über eine gewisse Intelligenz verfügen, um Bälle zu finden und diese an den richtigen Stellen auf dem Spielfeld abzulegen. Grundsätzlich gilt: Der Roboter muss sich nach Spielstart völlig autonom bewegen. Das heißt, dass während eines laufenden Spiels keine Eingriffe von außen (zum Beispiel eine Fernsteuerung) erlaubt sind.

Insgesamt eine Aufgabenstellung die Hochschulniveau besitzt und die fundierte Kenntnisse in Elektrotechnik, Maschinenbau und Informatik voraussetzt.

Die Herausforderung

Warum ist die Aufgabe eigentlich so schwierig? Ein Mensch könnte diese Aufgabe in kürzester Zeit ohne große Mühe erledigen. Schwieriger würde es allerdings bereits, wenn man diesem Menschen die Augen verbände. Er müsste sich nun tastend durch den Raum bewegen, um Bälle zu finden. Wie findet er nach dem Aufsammeln eines Balles zu seiner eigenen Basis zurück? Spätestens an dieser Stelle wird deutlich, dass die Aufgabe auch für einen Menschen, wenn man ihn seines wichtigsten Orientierungssinnes beraubt, äußerst anspruchsvoll wird. Ein Roboter sieht, hört, fühlt, riecht zunächst einmal überhaupt nichts. Man muss ihm alles mühsam beibringen...

zuseEins

16 Teams, 16 Roboter, 16 verschiedene Lösungsansätze. Die Schülerteams haben in einem Jahr Entwicklungsarbeit ihrer Kreativität freien Lauf gelassen. Im Wesentlichen lassen sich zwei Ansätze unterscheiden: Teams deren Roboter das Feld nach Raster abfahren, also systematisch auf immer dem gleichen Weg, und dabei mehr oder weniger zufällig Bälle finden und Teams deren Roboter gezielt nach Bällen suchen und sich somit „intelligenter“ verhalten.

So viel vorweg: zuseEins gehört zu den intelligenten Systemen!

Entwickelt, gebaut und programmiert worden ist zuseEins von Christian Fahnemann (11), Johannes Schäfer (12), Benjamin Panreck (13), Alexander Schiotka (13) und Tim Auf der Landwehr (12) in Zusammenarbeit mit den Teamleitern M. Blanke und Carsten Althoff (Student der Elektrotechnik an der Uni Paderborn). Die Mittel für die benötigte Hardware kommen aus eigens für dieses Projekt bewilligten Fördermitteln der Schulstiftung im Bistum Osnabrück.

Antrieb

zuseEins ist mit einem omnidirektionalen Antrieb (Omnidrive) ausgestattet. Drei Allseitenräder (Omniwheels), die zwei unterschiedliche, zuneinander senkrecht stehende Drehrichtungen besitzen, sind jeweils in Abstandswinkel von 120° zueinander auf einer kreisförmigen Plattform montiert. Die Spezialität dieses Antriebs ist es, das ein Roboter jederzeit in eine beliebige Richtung fahren kann (ohne sich erst vorher drehen zu müssen) und dadurch extrem wendig ist. Nachteilig ist es, dass – aufgrund der zu überwindenden Reibung – keine echte Spurtreue zu erwarten ist. Der Roboter hat also Probleme damit, „genau“ Geradeaus zu fahren.

Mechanik

Aus mechanischer Sicht kommt der Hebevorrichtung zum Aufsammeln der Tennisbälle eine besondere Bedeutung zu. Die Bälle müssen nicht nur aufgesammelt sondern zum Ablegen auch mindestens 12cm hoch angehoben werden. zuseEins benutzt dazu einen Gabel an einem Gabelbaum, der einem Robbe Modellbau-Gabelstapler entnommen ist. Mit Hilfe eines Servos lässt sich der Gabelbaum ankippen, damit ein einmal aufgesammelter Ball nicht mehr verloren gehen kann. Zudem sorgt ein Motor dafür, dass die Gabel hoch und runter gefahren werden kann. Die Hebevorrichtung funktioniert zwar zuverlässig, ist jedoch in Sachen Effizienz anderen Lösungen im Wettbewerb unterlegen. Das Hoch- und Runterfahren der Gabel dauert relativ lange, außerdem kann jeweils nur ein Ball aufgesammelt und hoch gehoben werden.

Sensorik

Mit Hilfe einer Kamera, die an der Vorderseite von zuseEins in Fahrtrichtung montiert ist, bekommt zuseEins laufend x-Koordinaten von Gelbschwerpunkten (alle Tennisbälle sind grell gelb) im Kamerabild mitgeteilt. Diese Informationen werden sofort an die Steuerung weitergegeben, die dafür sorgt, dass der Roboter auf diese Gelbschwerpunkte zufährt. So findet zuseEins zielgerichtet Tennisbälle! Ein Infrarot-Sensor signalisiert, dass ein Ball gefunden wurde und auf der Gabel liegt. Weitere Infrarotsensoren an der Vorder- und Rückseite des Roboters dienen der Erkennung von Hindernissen und werden zur Vermeidung von Kollisionen sowie dem Ausrichten des Roboters an einer Bande oder einer Basis benutzt. Schließlich verfügt zuseEins an seiner Unterseite noch über Farbsensoren, die schwarze und weiße Markierungen auf dem Spielfeld erkennen können. Anhand dieser Markierungen weiß zuseEins unter anderem in welcher Spielfeldhälfte er sich gerade befindet.

Taktik

zuseEins hat sich folgende Taktik zurecht gelegt: Bälle werden zielgerichtet mit der Kamera gefunden und angefahren. Ist ein Ball auf der Gabel, sucht der Roboter eine Band, an der der Ball abgelegt werden kann. Verlässt er dabei die eigene Spielfeldhälfte wird der Ball solange nicht abgelegt, bis die eigene Hälfte wieder gefunden worden ist. Wenn der Roboter ohne Ball zufällig die Mittellinie überquert, folgt er dieser und versucht, die gegnerischen Ringe abzuziehen. Zeitgesteuert (mit Hilfe eines Timers) sind außerdem Notfallroutinen vorgesehen, um den Roboter aus misslichen Lagen zu befreien.

Der Wettbewerb

Bereits im November qualifizierte sich zuseEins beim Qualifikationswettbewerb in Chemnitz für das Finale der 1. Liga auf der CeBit in Hannover. Die Finalrunde wird auf dem Messestand der TU Chemnitz über vier Tage (Donnerstag bis Sonntag) ausgetragen. Das Team zuseEins reist jeden Tag mit dem PKW von Osnabrück aus an: Abfart 6:30 Ursulaschule, zurück gegen 20.00 Uhr.

Am Donnerstag steht erst einmal ein freies Training auf dem Programm. Es gilt den Roboter auf die Wettbewerbsbedingungen anzupassen. Insbesondere die Sensorik muss kalibriert werden, da die Turniertische sich in einigen Details (zum Beispiel der Farbe) ein wenig vom Trainingstisch in der Ursulaschule unterscheiden. Auch letzte Verbesserungen am Roboter können noch umgesetzt werden. Außerdem werden die gegnerischen Roboter schon einmal unter die Lupe genommen. Damit man weiß, was auf einen zukommt...

Freitag dann der erste Wettkampftag. Die 16 Teams sind in zwei Gruppen gelost worden, in denen zunächst einmal nach dem Modus „Jeder gegen Jeden“ gespielt wird. Für einen Sieg (nach Ablauf der Spielzeit mehr Bälle in den beiden eigenen Basen als der Gegner) gibt es wie beim Fußball 3 Punkte, für ein Unentschieden 1 Punkt. Zu Beginn setzt es für zuseEins erst einmal zwei Niederlagen gegen die B.O.R.G. und die Robotrixer. Danach läuft es aber immer besser: Einem Unentschieden gegen CERG folgen am Samstag Siege gegen BSZ-Freital, Leibniz das 2te, Roboteam GiS und Limbach. Mit 13 Punkten landet zuseEins in der Vorrundengruppe A letztlich auf einem hervorragenden 2. Platz hinter B.O.R.G. und hat sich damit als eines von nur 4 Teams direkt für das Viertelfinale qualifiziert! Die Übrigen vier Viertelfinalisten werden in einer Zwischenrunde ermittelt.

Am Sonntag dann das große Finale. Der Gegner von zuseEins im Viertelfinale heißt Plan-B. Es wird nun in Hin- und Rückspiel ein Sieger ermittelt. Das Hinspiel geht mit 3-2 knapp an Plan-B. Dabei hat zuseEins dreimal Pech beim Ablegen schon gefundener Bälle. Das sollte doch noch umzudrehen sein? Aber auch das Rückspiel läuft unglücklich für zuseEins, da der Roboter sich zum ersten und einzigen Mal im Wettbewerb fest fährt. So ist im Viertelfinale nach toller Leistung gegen den späteren Finalisten Endstation. In der Endabrechnung steht für zuseEins bei der ersten Teilnahme am Roboking ein geteilter 6. Platz. Sieger wird das Team Ballcatcher aus Rheine.

Fazit

Die Teilnahme am Roboking 2008 hat sich für das Team zuseEins in vielerlei Hinsicht bezahlt gemacht. Zunächst einmal haben alle Teilnehmer – Schüler wie Lehrer – eine Menge gelernt. Die Robotik berührt viele Teilbereiche, die in keinem Lehrplan der Schule auftauchen, für technische Studiengänge allerdings zu den Grundlagen gehören. Des Weiteren haben die Schüler weitgehend selbstständig als Team, in dem sich jeder seine Aufgabe gesucht hat, über ein ¾ Jahr an der Aufgabe gearbeitet und dabei großes Durchhaltevermögen bewiesen. Die beiden Wettbewerbsveranstaltungen 'Qualifikation' und 'Finale' boten zudem die Gelegenheit sich mit anderen Teams aus ganz Deutschland und der Schweiz auszutauschen und zu messen. Ein Dank an dieser Stelle an die TU Chemnitz, die diesen Wettbewerb absolut professionell organisiert. Dem Team zuseEins wird der Roboking 2008 in bester Erinnerung bleiben. Das hat natürlich Lust auf mehr gemacht... Roboking 2009, wir kommen!

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Daniela Boßmeyer-Hoffmann

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