Mechatronik Smarte Dartscheibe: Wenn das Bull’s-Eye dem Pfeil folgt

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Studierende der Hochschule Bielefeld haben in einem Praxisprojekt eine Dartscheibe weiterentwickelt, die sich von selbst so bewegt, dass ein geworfener Pfeil immer die Mitte der Scheibe trifft. Möglich macht das eine ausgeklügelte Kombination von hochauflösenden Kameras, dynamischen und präzisen Antrieben, exakter Bildverarbeitung und Programmierung.

Ein kleiner Wackler – und schon fliegt der Dart-Pfeil anders als beabsichtigt. „Egal“, sagt Felix Lütkebohle. Und tatsächlich: Der Pfeil trifft ins Schwarze, ins Bull’s Eye. Denn die Dartscheibe hat sich bewegt, hat sich in Sekundenbruchteilen so verschoben, dass der Pfeil genau in der Mitte landet. Lütkebohle freut sich: „Mechatronik macht’s möglich.“

Mechatronik/Automatisierung – so heißt auch der Bachelorstudiengang, den Felix Lütkebohle am Campus Gütersloh der Hochschule Bielefeld (HSBI) absolviert hat. In sieben Semestern lernen die Studierenden, Wissen aus Maschinenbau, Elektrotechnik und Informatik zu verknüpfen und komplexe technische Systeme zu entwickeln. Das Besondere: Der Studiengang ist praxisintegriert, die Studierenden durchlaufen abwechselnd Theoriephasen an der Hochschule und Praxisphasen in einem kooperierenden Unternehmen, bei dem sie auch angestellt sind. In Lütkebohles Fall: Beckhoff Automation aus Verl, Spezialist für Automatisierungssysteme.

Praxisintegriert studieren – Theorie und Praxis durchgängig verknüpft

„Die durchgängige Verknüpfung von Theorie und Praxis ist uns in beiden Phasen des praxisintegrierten Studiums sehr wichtig“, sagt Prof. Dr.-Ing. Thomas Freund, zuständig für das Lehrgebiet Elektrotechnik und Automatisierung am Fachbereich Ingenieurwissenschaften und Mathematik der HSBI. Deshalb bearbeiten die Studierenden auch an der Hochschule immer wieder praktische Projekte. Die anspruchsvollste Aufgabe steht mit dem obligatorischen mechatronischen Projekt am Ende des Studiums, in den beiden letzten Semestern, an. Ein solches ist das „Bull’s Eye“-Projekt.

Das „Bull’s Eye“-Projekt unterscheidet sich nur thematisch von vergleichbaren Anforderungen in der Industrie. „Bei unseren Projekten geht es immer darum, die industrielle Arbeitsweise, sozusagen, zu simulieren“, erklärt Thomas Freund. Heißt: eigenständig und im Team zu arbeiten, Industrie-Komponenten zu verwenden und sämtliche Stufen des Projektmanagements zu durchlaufen, von der Planung inklusive Lastenheft, Gefährdungsanalyse, Zeit- und Budgetplanung über die Ausführung und Dokumentation bis hin zur Abnahme samt CE-Zeichen und Konformitätserklärung.

Eine Aufgabe wie in der Industrie

Das Studierenden-Team hatte sich schnell gefunden. Neben Felix Lütkebohle begeisterten sich auch Louis-Pierre Detemble, Linus Bröker und Jule Brede für das „Bull’s Eye“-Projekt. Bis auf Brede, die ihr praxisintegriertes HSBI-Studium bei der Schüco International KG absolviert hat, sind alle Studierende des Teams zugleich Beckhoff-Mitarbeitende, ebenso wie die der Vorgänger-Teams. Vor allem das Zusammenspiel der verschiedenen Bereiche innerhalb des Projekts interessierte Brede: „Sie bauen aufeinander auf und dürfen nicht separat gedacht werden. Um zum Beispiel eine vernünftige Bildverarbeitung zu implementieren, muss erst die Mechanik stehen.“

Brede konzentrierte sich auf den mechanischen Teil, Detemble und Bröker kümmerten sich um die Programmierung, und Lütkebohle übernahm zur Bildverarbeitung auch die Projektleitung. Dabei fing das Team nicht bei Null an: „Manche Projekte wie Bull’s Eye sind so aufwendig und umfassend, dass sie über mehrere Semester von mehreren Gruppen bearbeitet werden“, erläutert Thomas Freund die Vorgehensweise.

Unterstützung aus der Industrie

Die vier Studierenden befassten sich als drittes Team mit dem „Bull’s Eye“-Projekt. „Die Vorgruppen hatten bereits tolle Arbeit geleistet und eine absolut hilfreiche Projektübergabe vorbereitet“, betont der Projektleiter. Das Ziel seines Teams: „Die Trefferquote erhöhen und das System noch schneller machen.“ Dabei geht es um weniger als Sekunden. Bröker nimmt einen Dartpfeil in die Hand und demonstriert einen Wurf: „Der Abstand zwischen Dartscheibe und Werfenden beträgt laut Reglement 2,37 Meter. So dauert es vom Abwurf des Pfeils bis zum Eintreffen auf der Scheibe nur 140 bis 150 Millisekunden.“ Nicht viel Zeit, um die Flugbahn zu berechnen und die Dartscheibe in die entsprechende Position zu bringen.

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Fokus Bildverarbeitung

Die Studierenden fokussierten sich auf die Bildverarbeitung und konnten dabei neu entwickelte Industriekameras mit höherer Aufnahmerate einsetzen, sodass mehr Bilder für die Berechnung der Flugbahn aufgenommen werden konnten. „Die Komponenten hatten bei unserer Übernahme des Projekts noch Prototypen-Status“, erzählt Lütkebohle. Professor Freund freut sich über den Einsatz der neuen Kameras: „Generell versuchen wir, in den Projekten moderne Methoden und auch die jeweils aktuelle Hardware zu verwenden.“ Ohne Sponsoren gehe das allerdings nicht, bekennt Freund. „Umso mehr schätzen wir die Bereitschaft unserer Kooperationspartner, uns die erforderlichen Komponenten zur Verfügung zu stellen.“

Unterstützung aus der Industrie

Für Beckhoff Automation ist das Engagement keine Frage. Das Unternehmen stellte nicht nur mechatronische Bauteile zur Verfügung, sondern half auch mit seinem Know-how. „Wir unterstützen unsere praxisintegrierten Studierenden sehr gerne bei ihren Studienprojekten, schließlich profitiert das Unternehmen von optimal ausgebildeten Mitarbeitenden“, sagt Dr. Ursula Frank, R&D Kooperationen bei Beckhoff Automation. Nicht nur das: „Prototypen wie beispielsweise die hier verwendeten Komponenten zur Bildverarbeitung durchlaufen so quasi nebenbei noch einen zusätzlichen Praxistest. Die Erkenntnisse aus den Studien-Projekten nutzen wir gerne für Optimierungen und Weiterentwicklungen.“

Neue Kameras mit höherer Aufnahmerate

Für Felix Lütkebohle bedeutete das die Neuprogrammierung der Bildverarbeitung: „Die von den Kameras dreidimensional erfasste Flugbahn wird als ballistische Kurve dargestellt, um die Position exakt zu berechnen, bei der der Pfeil auf die Scheibe trifft.“ Dafür muss die Hälfte der Flugzeit reichen. Detemble ergänzt hinsichtlich der Rahmenbedingungen: „In den verbleibenden etwa 70 Millisekunden muss die Dartscheibe bzw. ihr Mittelpunkt an die errechnete Position gebracht, oder wie wir sagen: verfahren werden.“

Damit das mit der erforderlichen hohen Dynamik und Präzision geschieht, wurden im „Bull’s Eye“-Projekt sogenannte Linearmotoren von Beckhoff verbaut. „Sie drehen sich nicht wie herkömmliche Rotationsmotoren, sondern schieben die anzutreibenden Objekte gradlinig an“, erklärt Thomas Freund. Bei der Abwärtsbewegung der Dartscheibe hilft außerdem die Schwerkraft mit. Und nach oben? „Für eine noch schnellere Aufwärtsbewegung haben wir einen zweiten Hilfsantrieb installiert“, nennt Jule Brede eine weitere Optimierung.

Last but not least: Dokumentationspflicht

Fehlt nur noch die Dokumentation. Die Studierenden schauen leicht betreten, schließlich bekennt der Projektleiter mit einem Lachen: „Das ist nicht unbedingt die Lieblingsdisziplin der technisch Interessierten.“ Prof. Freund nickt verständnisvoll: „Aber auch sehr wichtig und unverzichtbar, da rechtsrelevant.“ Und so hat das Team auch die Dokumentationspflicht erfüllt.

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