Im Zusammenhang mit der digitalen Transformation von Lehr- und Lernformaten wurde das Projekt MYiTOPS von der Forschungsgruppe Motorentechnik und BHKW (GenLab) am Institut für Kälte-, Klima-, Kälte- und Umwelttechnik (IKKU) und dem Institut für Energieeffiziente Mobilität (IEEM) unter der Projektleitung von Prof. Dr.-Ing. Maurice Kettner initiiert. Kernidee ist es, digital vernetzte internationale Projekte und Laborexperimente zu ermöglichen, Projekte, die auf cyber-physischen Systemen basieren, auszuschreiben und den Studierenden der Fachrichtungen Fahrzeugtechnologie, Maschinenbau und Mechatronik anzubieten. Ziel ist es, eine innovative Methode anzubieten, die Studierende durch einen praxisnahen Ansatz an Zukunftstechnologien und internationale Zusammenarbeit in der Wissenschaft heranführt und befähigt.

Hintergrund und Organisation

Seit der Gründung der Forschungsgruppe GenLab am IKKU in der Hochschule Karlsruhe von Prof. Maurice Kettner wird der zunehmenden Zusammenarbeit mit internationalen Forschungspartnern große Bedeutung beigemessen. Mit der University of Zagreb, Croatia (UniZG), der Universidad de Valladolid, Spain (UVa) und der Universiti Malaysia Pahang (UMP) bestehen nun intensive und erfolgreiche Beziehungen. HsKA und UMP haben zusammen nach dem HsKA-Modell Doppelstudiengänge (Bachelor) entwickelt und kontinuierlich eingeführt, die seit 2010 von Prof. Dr. Weiß und Prof. Dr. Kettner betreut werden. Die für die Umsetzung notwendigen HsKA-Kurse in diesen Programmen werden zum Teil von einer sogenannten „Flying Faculty“ von HsKA-Professoren an der UMP durchgeführt. Der Lehrplan der Studiengänge ist identisch mit den beiden entsprechenden Studiengängen in Karlsruhe. Besonderer Zusatznutzen ist, dass Studierende der HsKA und der UMP (ohne Zeitverlust) jeweils ein Auslandssemester an der anderen Universität verbringen können. Diese Möglichkeit wird von Studierenden beider Universitäten genutzt, 4 bis 12 Studierende pro Semester sind regelmäßig beteiligt. Aufbauend auf dieser erfolgreichen Zusammenarbeit wird der Austausch von Studierenden zwischen den Universitäten weiter gefördert. Zumal eine intensive wissenschaftliche Zusammenarbeit zwischen Doktoranden und Professoren zu gemeinsamen Forschungsergebnissen geführt hat, die auf Konferenzen und in Zeitschriften veröffentlicht wurden. Das Projekt MYiTOPS ermöglicht den Austausch von insgesamt 36 Studierenden, darunter 18 Stipendiaten, sowie eine vertiefte Auseinandersetzung mit aktuellen digitalen Technologien in den eigenen Fachbereichen Fahrzeugtechnologie, Maschinenbau und Mechatronik. Dank des Programms Baden-Württemberg-STIPENDIUM for University Students – BWS plus konnte der Ausbau der Digitalisierung und Beziehungen zur malaysischen Universität nachhaltig intensiviert werden.
Auf der Grundlage der folgenden Aspekte wurden organisatorische Rahmenbedingungen für die Gestaltung partnerschaftlicher Zusammenarbeit, des Lernens, Lehrens und des Umgangs mit aktuellen digitalen Technologien gefördert:
• Aktives Lernen
• Kollaboratives Arbeiten
• Internationalität
• Digitalisierung

Abbildung 1: Innovative Organisationsstruktur, um digital vernetzte internationale Projekte und Laborexperimente zu ermöglichen.

Für den effektiven Einsatz aktueller Technologie und die Vermittlung von Methoden zur Problemlösung durch praktische Herangehensweise und Fehlerbehebung wurde zu Beginn der studentischen Projekte ein Kick-off-Workshop veranstaltet. Die Workshops sollten den Zusammenhang mit den technologischen Grundlagen für die Digitalisierung von Maschinen und die Relevanz des Themas cyber-physische Systeme hervorheben: Warum es sich lohnt, sich mit cyber-physischen Systemen zu beschäftigen und wie sie mit Automobilbau, Maschinenbau und Mechatronik zusammenhängen. Dies erhöht die Motivation, sich mit dem Thema auseinanderzusetzen. Der Erfolg der Studienprojekte hat diesen Ansatz mit beeindruckenden Ergebnissen bestätigt.

Abbildung 2: Das Lernen der Grundlagen durch eine praktische Vorgehensweise und Fehlersuche im MYiTOPS-Projekt, Foto: HsKA

Internationale IoT-Studentenprojekte und Digitalisierung von Laborexperimenten

Die beiden Teams, die sich jeweils aus drei malaysischen und drei deutschen Studierenden zusammensetzen werden durch Stipendium bzw. Mobilitätszuschuss unterstützt. Beide Teams arbeiteten nicht nur an ihren interdisziplinären Projekten, sondern konnten auch die Systemanforderungen formulieren und die Ziele in Absprache mit ihren Betreuern definieren. Die Gruppe in Malaysia entwickelte einen Fahrroboter („Gasfuß“) für Fahrzeuguntersuchungen auf einem Rollenprüfstand, und die Gruppe in Karlsruhe entwickelte eine Fernbedienung für Motorhandgeräte. Beide Teams können ihre Prüfstände über das Internet in Echtzeit und über Landesgrenzen hinweg von Malaysia bzw. Deutschland bedienen und steuern.

Abbildung 3: Von Studenten entwickelte Systeme, die über das Internet in Echtzeit und länderübergreifend bedient und gesteuert werden, Foto: HsKA

Fernbedienung für Motorhandgeräte
Ein Prototyp für dieses Projekt wurde erstmals 2019 in Deutschland entwickelt, um eine Kettensäge über eine Datenbankinfrastruktur in einer Testkammer zur Höhen- und Klimasimulation fernzusteuern. In diesem Jahr 2020 wurde der Prototyp zur Produktreife entwickelt und mit einer IoT-Infrastruktur nach Industriestandard erweitert. Jetzt können Benutzer mit einer Internetverbindung das System von überall auf der Welt und zu jeder Zeit über einen Internetbrowser überwachen und steuern.

Abbildung 4: Von der Karlsruher Gruppe entwickelte Fernbedienung für Motorgeräte, Foto: HsKA

Fahrroboter für Fahrzeuguntersuchungen
Die gemischten Teams in Malaysia entwickeln einen internetgesteuerten Fahrroboter für Fahrzeugtests auf einem Rollenprüfstand. Das Fahrrobotersystem ist mit einem Einplatinenrechner (Rasberry Pi 3) in das Virtual Private Network (VPN) integriert. Die Daten für die Systemüberwachung und -steuerung werden dann über eine Computer-Computer-Verbindung übertragen. Der Aufbau ermöglicht die gemeinsame Nutzung der Laborausrüstung zwischen HsKA und UMP. Beginnend mit der „Gasfuß“-Funktion wird der Fahrroboter sukzessive um die Funktionen Kupplungs- und Schaltbetätigung erweitert. Darüber hinaus wird das Gesamtsystem mit einer IoT-Cloud-Verbindung ausgestattet.

Abbildung 5: Über das Internet und Fahrroboter-System „Gasfuß“ ferngesteuertes Fahrzeug auf dem Rollenprüfstand im UMP-Labor

Die folgenden Punkte sind zu beachten, um Risiken zu minimieren und die Übertragbarkeit zu gewährleisten:

• Die Teilnahme an dem Programm ist freiwillig. Für die Teilnahme der Studierenden muss aktiv geworben werden.
• Die betreuenden Mitarbeiterinnen und Mitarbeiter müssen über Kernqualifikationen in den Bereichen IT-Infrastruktur, Softwareentwicklung, eingebettete Systeme und Mechatronik verfügen.
• Es erfordert eine IT-Infrastruktur, die für digitale Studentenprojekte Gestaltungsmöglichkeiten bietet.

Förderung: Finanzierung im Rahmen des Baden-Württemberg-STIPENDIUM für Studierende – BWS plus. Ein Programm der Baden-Württemberg Stiftung. Insgesamt Fördermittel um rund 110.000 Euro auf drei Jahre verteilt. Laufzeit bis Ende 2021. Finanzierung: Alle Mittel für Personal, Weiterbildung (Workshops) und Reisen (Transport, Unterkunft, Verpflegung) für Studierende, Mitarbeiterinnen und Mitarbeiter

Um Nachhaltigkeit und Verstetigung zu gewährleisten, sind ausreichende Sach- und Reiseressourcen sowie Projektleiterinnen und Projektleiter mit ausreichenden Qualifikationen in den Bereichen IT-Infrastruktur, Softwareentwicklung, eingebettete Systeme und Mechatronik erforderlich.

„IoT vom Feinsten – wir steuern Prüfstände in Malaysia und umgekehrt. Aber es gibt nicht nur Datenaustausch, sondern interkulturelle Erfahrungen zwischen Studierenden von Malaysia und Deutschland. Tolles Projekt!“ Dr. Robert Weiß (Dekan der Fakultät für Maschinenbau und Mechatronik, Hochschule Karlsruhe)

“iTOPS to develop a Cyber Physical System using IoT based approach to control driving profile on chassis dynamometer is not just a capstone course to culminate academic and intellectual experience for students of different engineering disciplines and backgrounds, but also a intercontinental project between UMP Malaysia and HsKA Germany to cultivate high level research collaboration for us together adopting mechanical and automotive engineering in digital era.” Associate Prof. Dr Saiful Anwar Che Ghani, Head of Automotive Engineering UMP

“iTOPS is not just about completing the project and the tasks given. It is about a good friendship collaboration between UMP Malaysia and HsKA Germany to strengthen the academic and research between both universities. Students from Malaysia and Germany have achieved memorable outside class experiences that will be valuable for them for a lifetime” Dr. Muhammad Aizzat Zakaria, Head of Mechatronics Engineering UMP

“iTOPS has shown the highest international level of collaboration between students in UMP and HsKA. The capability, creativity and hard work of students as well as supervisors from both institutions are they key ingredients for this project successful. Congratulation to all!” Prof. Dr. Mahadzir Ishak@Muhammad, Dean of Faculty of Mechanical and Automotive Engineering Technology UMP