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Formel 1

Unter Bewegungsdesign versteht man die Definition einer Bewegungsbahn und der Bewegung auf dieser Bahn. Bewegungsdesign spielt nicht nur im Maschinenbau bei der Definition von Roboterbewegungen eine große Rolle. Auch die Bewegung eines Fahrzeuges, das mit Hilfe eines Parkassistenz-Systems einparkt, wird als Bewegungsfunktion auf einer bestimmten Bahn modelliert. In unserem Workshop beschäftigten wir uns unter Anleitung von Professor Dr. Burkhard Alpers vier Nachmittage lang mit Bewegungsdesign.

Was heißt Modellieren?

Modelle bilden eine reale Situation ab, die bewusst vereinfacht wurde. Nicht alle Aspekte, die eine Situation beschreiben, sind für das Ergebnis gleich wichtig. Modellieren ist eine wissenschaftliche Methode, mit der man komplexe Situationen durch Reduktion auf das Wesentliche besser verstehen, Zusammenhänge erkennen und Prognosen machen kann. Am Ende steht die Modellkritik, d.h. man überprüft die Prognose anhand der realen Situation. Je nach Ergebnis muss das bestehende Modell verbessert werden.

Die Aufgabe

In unserem Workshop ging es um Bewegungsdesign in einer etwas anderen Umgebung: Wir modellierten den Rennkurs einer Carrera-Autorennbahn und entwarfen eine Fahrfunktion für die Bewegung des Rennautos auf diesem Kurs.

Die Ausgangssituation

Aus den Teilen einer Carrera-Bahn, bestehend aus Kreisbogen- und Geradenstücken, sollte ein Rennkurs aufgebaut und anschließend mit dem Computer-Algebra-System Maple modelliert werden. Einige Schüler aus dem Team kannten sich mit der Software bereits aus und konnten ihren Mitschülern die Befehlsstruktur des Programms erklären.

Der Workshop

Als Erstes vermaßen wir die Geraden- und die Kurvenstücke der Carrera-Bahn: Längen, Radien und Winkel, und bauten dann einen „Formel 1 - Rennkurs“ auf. Aus diesen Daten erstellten wir die Fahrbahnteile in Maple, die wir dann wie beim Bau des Rennkurses aneinandersetzten, bis wir schließlich ein Abbild des tatsächlichen Kurses hatten.

Im nächsten Schritt mussten Daten des Rennautos gemessen werden: Maximalgeschwindigkeit auf der Gerade und in Kurven sowie die maximale Beschleunigung und Verzögerung. Statt Lichtschranken und Dunkelzeitmessung verwendeten wir ein Verfahren, das uns völlig neu war. Wir filmten die Fahrten des Fahrzeuges unter den genannten Versuchsbedingungen und werteten die avi-Dateien mit Hilfe der automatischen Videoanalyse-Software Viana aus. Mit diesen Daten erstellten wir zunächst eine Restriktionsfunktion in Maple, mit der die Einhaltung der Maximalgeschwindigkeit erleichtert wurde. Diese Restriktionsfunktion orientierte sich am Rennkurs, sie war also eine wegabhängige Funktion. Ein Zusammenschnitt der Videos findet sich am Ende dieser Seite.

Der schwierigste Teil des Workshops war die Programmierung einer optimalen Fahrfunktion. Dafür mussten wir festlegen, an welchem Ort der Rennwagen welche Geschwindigkeit hat. Der entscheidende Gedanke war also, aus einer Weg-Zeit-Funktion und einer Geschwindigkeits- Zeit-Funktion eine Geschwindigkeits-Weg-Funktion zu machen. Nach etlichen Stunden konnten wir dann die Fahrt unseres Rennwagens auf dem Bildschirm simulieren. Den Abschluss des Workshops bildete eine Diskussion zu den Schwachstellen unseres Modells.

Das Fazit

Wir haben verstanden, dass das Modellieren und Simulieren von Vorgängen für die Entwicklung von neuen Produkten äußerst wichtig ist. Wir haben auch verstanden, wie viel Mathematik hinter einer solchen Simulation steckt. Der Formel 1 - Workshop hat Spaß gemacht, obwohl es uns in vielen realen Testrunden nicht gelungen ist, den Computer zu schlagen.

Video

Zusammenschnitt der Videos zur Messung der Restriktionen

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