Laufzeitsensoren

Ablauf der Lektion

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   Schritt 1: Vorbereitung

   Kopiere die Arbeitsblätter für alle Schüler*innen. Besorge einen Karton von etwa 30 × 30 cm und Gegenstände, mit denen die Schüler*innen im Karton einen Hindernisparcours bauen können. Die Gegenstände müssen hoch genug sein, damit Ari sie erkennen kann. Wähle einfarbige, helle Gegenstände, damit Ari sie möglichst gut erkennen kann.

   Begriffe

   Laufzeitsensor – Ein Sensor, der ein Signal aussendet und anhand der Zeit, die das Signal für den Rückweg benötigt, die Entfernung zu einem Gegenstand berechnet.

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   Schritt 2: Einführung

   Stell der Klasse folgende Frage: „Wenn du einen Blitz siehst, kannst du abschätzen, wie weit er von dir entfernt ist, indem du zählst, wie lange es dauert, bis du den Donner hörst. Wie funktioniert das deiner Meinung nach? Warum siehst du den Blitz, bevor du den Donner hörst?“

   Gib den Schüler*innen Zeit, darüber nachzudenken und ihre Gedanken aufzuschreiben. Frag danach, wer die eigene Antwort mit der Klasse teilen möchte.

   Blitz (Lichtwellen) und Donner (Schallwellen) bewegen sich beide durch die Luft, bevor sie uns erreichen. Je schneller sich eine Welle bewegt, desto früher erreicht sie uns. Deshalb sehen wir den Blitz, bevor wir den Donner hören.

   Aber wie funktioniert Aris Abstandssensor? Ari hat einen Sender, der unsichtbares Infrarotlicht aussendet. Dieses Licht wird von den Oberflächen zurückgeworfen, auf die es trifft. Ari hat außerdem einen Sensor, der erfasst, ob das Licht zurückkehrt.

   Wenn das Licht auf einen Gegenstand trifft und zu Ari zurückgeworfen wird, führt Ari eine schnelle Berechnung durch. Anhand der Zeit, die das Licht für den Rückweg benötigt hat, kann Ari bestimmen, welche Strecke das Licht zurückgelegt hat.

   Dieser Sensortyp heißt Laufzeitsensor (ToF-Sensor), weil er misst, wie lange das Licht unterwegs ist, um die zurückgelegte Strecke zu bestimmen.

   Laufzeitsensoren werden für verschiedene Anwendungen genutzt, zum Beispiel:

   • Tiefenerkennung und Gesichtserkennung mit Smartphonekameras
   • Sensoren zur Hinderniserkennung, wie sie in einem Roomba verwendet werden
   • Intelligenter Autofokus in Kameras
   • Augmented-Reality-Apps, die ToF nutzen, um virtuelle Gegenstände in der realen Welt zu platzieren
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   Durchführung

   Schritt 3: Aktivität 1 – Mit Ari kartieren

   Bei dieser Aktivität bauen die Schüler*innen abwechselnd einen Hindernisparcours in einer Kiste. Die anderen Schüler*innen versuchen, das Innere der Kiste allein anhand der Abstandsmessungen von Ari zu kartieren.

   Teile die Schüler*innen in Gruppen ein und gib jeder Gruppe einen Ari, eine Kiste und 3–4 Gegenstände, die als Hindernisse in der Kiste dienen.

   Lass die Schüler*innen vor dem Bau des Hindernisparcours mit Ari die Länge und Breite der Kiste messen und auf ihrem Arbeitsblatt notieren.

   Jede Gruppe teilt sich in zwei Teams auf: Team A und Team B.

   Team A baut zuerst den Hindernisparcours. Die Schüler*innen stellen ihre 3–4 Gegenstände in die Kiste, ohne dass Team B sie sieht.

   Während Team A den Hindernisparcours baut, zeichnet Team B den Umriss der Kiste auf das Arbeitsblatt.

   Auch wenn der Hindernisparcours fertig ist, darf Team B nicht in die Kiste schauen. Team B darf nur:

   • Team A sagen, wohin Ari bewegt werden soll
   • Team A sagen, in welche Richtung Ari gedreht werden soll
   • Team A bitten, den von Ari gemessenen Abstand abzulesen

   Hinweis: Ari hat einen Durchmesser von ungefähr 4,5 cm. Die Schüler*innen müssen das berücksichtigen, um das Innere des Hindernisparcours genau zu kartieren.

   Wenn Team B mit dem Zeichnen des Plans fertig ist, vergleicht es den Plan mit dem tatsächlichen Hindernisparcours.

   Danach tauschen die Schüler*innen die Rollen: Team B baut einen Hindernisparcours und Team A kartiert ihn auf die gleiche Weise.

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   Schritt 4: Abschlussaufgabe

   Lass die Schüler*innen die Abschlussaufgabe bearbeiten und abgeben. Sie steht auf der letzten Seite des Arbeitsblatts.