Dieser Roboter hält die Balance

TECHNIK ⋅ Für ihre Maturaarbeit haben die beiden Kantonsschüler Jan Berner und Christian Rohrer einen zweirädrigen Roboter gebaut. Das Besondere an ihm ist, dass er sich selbstständig ausbalanciert – auch ein kleiner Schubser wirft ihn nicht um.
20. März 2017, 05:00

Christopher Gilb

christopher.gilb@zugerzeitung.ch

«Geht’s los?» Jan Berner blickt etwas nervös auf den Roboter auf dem Tisch vor ihm. Er entfernt dann die beiden Holzklötze, die verhindern, dass er umkippt, und verbindet das weisse Kabel des Akkus, der etwa 15 Minuten hält, mit dem Steuercomputer. «Der Roboter ist jetzt aktiviert.» Er hält ihn fest, bis seine Räder zu drehen beginnen, dann lässt er ihn los

Statt wie vorgesehen abwechselnd etwas nach links und dann wieder nach rechts zu fahren und zu kippen, um sich einzupendeln, fährt der Roboter nur nach rechts und damit auf die Tischkante zu. «Da ich ihn anfänglich festgehalten habe, sind seine Regler etwas irritiert, weil sie dies als Störung wahrnehmen, die sie ausgleichen wollen», erklärt der 17-jährige Maturand. Kurz bevor er in den Abgrund fällt, fängt sich der Roboter aber wieder und beginnt sich zu stabilisieren – wie ein Pendel, jedoch ein umgekehrtes.

700 Stunden Arbeitszeit

Der selbstbalancierende Roboter ist das Ergebnis der Maturaarbeit von Jan Berner und seinem 18-jährigen Mitschüler Christian Rohrer. Rund 700 Stunden haben sie während eines Jahres gemeinsam in die Entwicklung und den Bau investiert. Dafür haben sie die Gesamtnote 5,5 erhalten. Das Geheimnis hinter der Standhaftigkeit des Roboters ist der Einsatz zweier Sensoren: des Gyrosensors, der die Änderung der ­Rotation misst, und des Beschleunigungssensors, der die widerfahrende Beschleunigung misst. «Dank dieser Sensoren, die das Wahrnehmungssystem des Roboters sind, führt auch ein kleiner Windstoss nicht dazu, dass er umfällt», sagt Christian Rohrer. Um es zu demonstrieren, gibt er dem Roboter einen leichten Schubs. Der Roboter schlingert kurz und fängt sich dann wieder.

Berner und Rohrer besuchen schon seit einiger Zeit ein Freifach in der Kantonsschule, in dem die Schüler sich mit Robotertechnik beschäftigen. «Ich bin schon als Kind lieber am Computer gesessen, als beispielsweise zu malen», sagt Rohrer, der Physik studieren will. Mit ihrem Projekt wollten sie sich selber beweisen, dass sie das System der Balance verstehen und mit einem Roboter anwenden können. «Die Balance spielt eine entscheidende Rolle, auch eine Drohne kann nicht senkrecht landen, solange sie äussere Einflüsse nicht ausgleichen kann», erklärt Jan Berner, der Maschinenbautechnik studieren will. Vergleichbar sei die Konstruktion ihres Roboters mit derjenigen eines Segways. Das sind die Einpersonenroller, mit denen beispielsweise Zug Tourismus Touren durch die Stadt anbietet. Eine Kopie sei ihr Roboter aber nicht. «Wir haben uns zwar informiert, was nötig ist, dass so ein Roboter funktionieren könnte, welche technischen Komponenten wir aber im Detail brauchen und wie die Konstruktion aussehen muss, haben wir durch Experimentieren herausgefunden», sagt Rohrer. Anfänglich sei ihr Roboter beispielsweise viel zu klein gewesen. «Die Elektronik war zu schwer für die Konstruktion. Der Roboter ist wirklich diverse Male umgefallen, bis es dann wirklich geklappt hat», erinnert sich auch Jan Berner. Nur 150 Franken hat sie die Elektronik für den Roboter insgesamt gekostet. «Der Roboter sollte günstig sein und seine Steuerung auf dem Raspberry Pi’s beruhen», sagt Berner. Die Idee hinter diesem chipkartengrossen Billigcomputer ist, Jugendlichen einen einfacheren Zugang zum Programmieren zu ermöglichen. Auch im Freifach arbeiten sie mit diesem.

Rauschender Sensor bereitete Kopfzerbrechen

Am meisten Kopfzerbrechen beim Bau hat den beiden dann das Rauschen eines Sensors bereitet. «Wir haben lange nicht gewusst, wieso der Roboter spinnt, deshalb hat sich bei uns auch zwischenzeitlich etwas Resignation breitgemacht. Über das Ausschlussverfahren sind wir dann auf den Beschleunigungssensor gestossen», erzählt Berner. Rauschen bei Sensoren bedeute, dass der Sensor nicht bewegt werde und er keine konstanten Werte anzeigt, sondern um den eigentlichen Wert schwanke. «Unser Beschleunigungssensor hatte Ausschläge bis zu 45 Grad.» Auch mit Hilfe eines Filters hätte sich der Sensor nicht beruhigt. Weshalb sie ihn gegen ein besseres Modell ausgetauscht hätten.

Doch der Roboter der beiden kann nicht nur aufrecht stehen, er kann auch eine Runde drehen. «Wir können ihn über einen Playstation-Controller steuern», sagt Rohrer. Bisher würde er aber hauptsächlich nur in eine Richtung fahren. Ein ferngesteuertes Auto zu bauen, sei ja auch nicht ihr Ziel gewesen, erklären sie.

Video: Dieser Roboter balanciert sich selber aus

Für ihre Maturaarbeit haben die beiden Kantonsschüler Jan Berner und Christian Rohrer einen zweirädrigen Roboter gebaut. Das Besondere an ihm ist, dass er sich selbstständig ausbalanciert – auch ein kleiner Schubser wirft ihn nicht um. (Patrick Hürlimann, 19.03.2017)




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