Ausweichroboter ohne Mikrocontroller

Ein Roboter, der Hindernissen ausweicht -- aber ohne Arduino, ohne ESP32, ohne eine einzige Zeile Code. Die komplette Steuerung wird aus diskreten Logik-ICs aufgebaut: 555-Timer, Gatter, Flip-Flops. Das ist die Art, wie Roboter vor der Mikrocontroller-Ära gebaut wurden -- und es zeigt, was digitale Logik wirklich kann.

Dieses Projekt ist das Gegenstück zum Ausweichroboter mit Arduino. Gleiche Mechanik (Karton-Chassis, TT-Motoren, HC-SR04), aber komplett andere Steuerung.

Idee

Der HC-SR04 Ultraschallsensor braucht eigentlich keinen Mikrocontroller. Er will nur:

Einen Trigger-Puls (10 µs HIGH)
Er gibt ein Echo-Puls zurück, dessen Breite proportional zur Entfernung ist

Die Frage ist: Wie erkennen wir ohne Software, ob das Echo "kurz" (Hindernis nah) oder "lang" (alles frei) war?

Schaltungskonzept

Block 1: Trigger-Generator

Ein NE555 im astabilen Modus erzeugt periodisch einen kurzen Puls. Die Wiederholrate muss mindestens 60 ms betragen (HC-SR04 braucht Zeit für das Echo). Der Trigger-Puls selbst muss ≥ 10 µs breit sein.

Dimensionierung: - Periode: ~100 ms (10 Hz Messrate) - Puls: ~15 µs (etwas mehr als die minimalen 10 µs) - \(R_1\), \(R_2\), \(C\) nach 555-Formeln

Block 2: Referenz-Puls (Schwelldistanz)

Ein zweiter NE555 im monostabilen Modus, getriggert durch die steigende Flanke des Echo-Signals. Er erzeugt einen Referenz-Puls mit fester Breite \(t_{ref}\), die der gewünschten Schwelldistanz entspricht.

Umrechnung Entfernung → Pulsbreite:

\[t_{echo} = \frac{2 \cdot d}{v_{Schall}} = \frac{2 \cdot d}{343 \text{ m/s}}\]

Für 25 cm Schwelldistanz:

\[t_{ref} = \frac{2 \times 0.25}{343} \approx 1.46 \text{ ms}\]

Der Referenz-555 wird auf ~1.5 ms Pulsbreite dimensioniert.

Block 3: Vergleich (nah oder fern?)

Jetzt der Kern: Ist das Echo vor oder nach dem Ende des Referenz-Pulses zurückgekommen?

Echo kürzer als Referenz: Hindernis innerhalb der Schwelldistanz → ausweichen
Echo länger als Referenz: Freie Bahn → geradeaus fahren

Umsetzung: Die fallende Flanke des Echo-Pulses wird mit dem Zustand des Referenz-Pulses verglichen. Wenn der Referenz-Puls noch HIGH ist, wenn das Echo endet → Hindernis nah. Das kann ein D-Flip-Flop (74HCT74): Referenz-Puls an D, fallende Flanke des (invertierten) Echos als Clock.

Echo kürzer als Ref	Ref bei Echo-Ende	D-FF Ausgang Q
Ja (nah)	HIGH	HIGH = Hindernis
Nein (fern)	LOW	LOW = Frei

Block 4: Motorsteuerung

Der Q-Ausgang des Flip-Flops steuert die Motoren:

Q = LOW (frei): Beide Motoren vorwärts
Q = HIGH (Hindernis): Ein Motor vorwärts, einer rückwärts → Drehung

Für die Drehrichtung (immer gleich oder alternierend) kann ein zweiter Flip-Flop als Toggle dienen: Bei jedem Hindernis-Event toggelt er, und bestimmt ob links oder rechts gedreht wird.

Die Motoren werden über eine H-Brücke (L298N oder DRV8833) angesteuert. Die Logik-Ausgänge (5V, wenige mA) steuern die Enable- und Richtungspins der H-Brücke direkt.

Blockdiagramm

                                    ┌──────────┐
  ┌─────────┐    Trigger    ┌──────┤ HC-SR04  ├──────┐
  │ 555 #1  ├──────────────►│ Trig │          │ Echo │
  │ astabil │               └──────┤          ├──────┤
  └─────────┘                      └──────────┘      │
                                                      │
                              ┌────────────────────────┘
                              │
                    ┌─────────▼──────────┐
                    │   555 #2 mono      │
                    │   (Referenz-Puls)  │
                    └─────────┬──────────┘
                              │ Ref
                              │
               Echo ──────────┤
                              │
                    ┌─────────▼──────────┐
                    │   74HCT74 D-FF     │
                    │   (nah/fern)       │
                    └─────────┬──────────┘
                              │ Q
                    ┌─────────▼──────────┐
                    │   74HCT74 D-FF #2  │
                    │   (links/rechts)   │
                    └─────────┬──────────┘
                              │
                    ┌─────────▼──────────┐
                    │   H-Brücke         │
                    │   (L298N/DRV8833)  │
                    └─────────┬──────────┘
                              │
                         ┌────┴────┐
                         │ Motoren │
                         └─────────┘

Stückliste (zusätzlich zum Chassis)

Teil	Funktion	Anzahl
NE555	Trigger-Generator + Referenz-Puls	2
74HCT74	D-Flip-Flop (nah/fern + links/rechts)	1
74HCT04	Inverter (Flankenlogik)	1
HC-SR04	Ultraschallsensor	1
L298N oder DRV8833	H-Brücke für Motoren	1
TT-Motoren mit Rädern	Antrieb	2
Kugelrad	Drittes Rad	1
Widerstände, Kondensatoren	Timing-Netzwerke, Pull-Ups	diverse
Breadboard oder Lochraster	Aufbau	1
4× AA Batteriehalter	Stromversorgung	1

Gesamtkosten (ohne Chassis): unter 10 €. Alle ICs aus der Digitale-Logik-Stückliste.

Warum?

Klar, ein Arduino macht das in 50 Zeilen Code. Aber:

Man versteht was passiert. Kein Compiler, kein Framework, keine Abstraktion. Jedes Signal ist auf dem Breadboard messbar, jede Entscheidung ist ein physikalisches Gatter.
Kein Programmieren nötig. Für Leute, die lieber löten als coden. Oder als Einstieg bevor man zu Mikrocontrollern kommt.
Historisch. So wurden die ersten autonomen Roboter gebaut -- Braitenberg-Vehikel, Grey Walter's Schildkröten (1948). Verhalten entsteht aus Verschaltung, nicht aus Software.

Weiterführendes

Ausweichroboter mit Arduino -- die Mikrocontroller-Version
Digitale Logik: Grundlagen -- die Chips verstehen
HC-SR04 Ultraschallsensor -- wie der Sensor funktioniert
Motortreiber -- H-Brücken für die Motoren

Ausweichroboter ohne Mikrocontroller

Erstellt: 13.04.2026