Diplomarbeitsbroschüre 2014

STUDIUM
Bachelorarbeiten 2014
Bachelor of Science FHO in
Elektrotechnik
Vorwort des Studiengangleiters
Sehr geehrte Damen und Herren,
liebe Eltern und Interessierte
47 Bachelors of Science FHO schliessen dieses Jahr das Studium der Elektrotechnik an
der HSR erfolgreich ab. Wir sind stolz auf unsere Absolventinnen und Absolventen und
freuen uns, Ihnen hier die Abschlussarbeiten des Jahrgangs 2014 zu präsentieren.
Die Bachelorarbeit ist das umfangreichste eigenständige Projekt und stellt den
krönenden Schlusspunkt eines dreijährigen Ingenieurstudiums dar. Anfang Semester
erhielten die Studierenden die Aufgabenstellung. Innerhalb von 16 Wochen erarbeiteten
sie ein tragfähiges Konzept, realisierten eine brauchbare Lösung und verfassten
einen ansprechenden technischen Bericht. Beurteilen Sie selbst, was sie in Anbetracht
der knappen Zeit dank Motivation, Engagement und mit vielen Überstunden erreicht
haben.
Die vorliegende Diplomarbeitsbroschüre zeigt, wie vielfältig die Arbeitsgebiete
eines Elektroingenieurs sind und wie kreativ die Absolventinnen und Absolventen die
auftretenden Probleme gelöst haben.
Wir freuen uns über Ihr Interesse und wünschen Ihnen eine anregende Lektüre.
Rapperswil, im September 2014
Prof. Dr. -Ing. Heiner Prechtl
Studiengangleiter Elektrotechnik
3
Preisstifter
Electrosuisse SEV, Fehraltorf, ZH
Mettler-Toledo AG, Greifensee, ZH
Phonak AG, Stäfa, ZH
Sensirion AG, Stäfa, ZH
Siemens Schweiz AG, Zürich
Swiss Engineering STV, Zürich
4
Examinatorinnen und Examinatoren
Dr. Ivar Austvoll
13
Prof. Reto Bonderer
19, 20
Prof. Erwin Brändle
21, 22, 23
Prof. Heinz Domeisen
36
Dr. Martin Geidl
24
Prof. Guido Keel
30, 31
Prof. Dr. Markus Kottmann
Prof. Dr. Heinz Mathis
Prof. Dr. Guido Schuster
Prof. Dr. Jasmin Smajic
Prof. Dr. Paul Zbinden
Alfred Züger
35, 36
32, 33, 34
12, 14, 15, 16, 17
18, 27, 28
29
25, 26
5
Experten
Dr. Bogdan Cranganu-Cretu
18
Dr. Kjersti Engan
13
Dr. Iossif Grinbaum
Stefan Hänggi
Dr. Thilo Krause
Dr. Markus A. Müller
Urs Reidt
32, 33, 34
24
35, 36
19, 20
Dr. Robert Reutemann
29, 30, 31
Theo Scheidegger
21, 22, 23
Gabriel Sidler
Prof. Martin Wiederkehr
6
27, 28
12, 14, 15, 16, 17
25, 26
Themen
Digitale Bildverarbeitung
Automatische Rohrkontrolle mittels Digitaler Bildverarbeitung
12
Detection of heart rate and breathing frequency from human video
13
Digitale Signalverarbeitung
Automatische Flüssigkeitsdosierung
14
Automatischer Handheld Pulver- und Flüssigkeitsdosierer (HPD)
15
Brückenmesssystem mit 3-D-Visualisierung
16
Support Vector Machines for Basecalling
17
Elektromagnetische Felder und Wellen
Elektrisches Antriebssystem für einen Messaufbau
18
Embedded Software Engineering
E-Ticketing: Kommunikation zwischen Zuordnungs- und Erfassungsmodulen und
dem Bordrechner für ein BeIn/BeOut-System
19
Wireless On-Chip Debugger
20
Embedded Systems
BLDC/LinMot Controller
21
IceHSR Rapperswil – Eurobot 2014: Prehistobot
22
Universal Bootloader Environment
23
Energiesysteme
Analyse des Regelenergiemarktes in der Schweiz und in den Nachbarländern
24
Erneuerung des Kraftwerks Mühlehorn
25
Optimaler Einsatz von Wasserkraftwerken zur Spannungshaltung
26
Leistungselektronik
Asynchronmaschine mit Steuerung im Rotorkreis
27
Entwicklung eines frequenzvariablen dreiphasigen Sinuswechselrichters
28
Mikroelektronik
Elektro-Impedanztomografie mit Pseudo-Random-Noise (PRN)-Anregung
29
Induktive Energie- und Datenübertragung
30
Testaufbau für «Time of Flight»-Kameras
31
7
Themen (Fortsetzung)
Mobilkommunikation
Energy Harvesting for HSRvote
32
HSR DemoSat and Ground Station
33
Phase centre simulation and measurement of a GNSS antenna for cubETH
34
Regelungstechnik
8
Positionsregelung für einen Quadrocopter
35
Schnelle digitale Regelung
36
Bachelors, Diplomandinnen und Diplomanden
Amiet Dorian
29
Auer Michael
24
Bader Roger
36
Badertscher Hannes
17
Berni David
26
Bollmeier Matthias
16
Bolz Julian
14
Bolzern Sven
16
Bruhin Urban
22
Cherpillod Jonathan
31
Eugster Jonas
35
Falett Nino
26
Franz Thomas
27
Furger Damian
30
Grauer Bernhard
20
Gross Sebastian
31
Gwerder Christian
15
Hofer Felix
23
Inauen Adrian
30
Kistler Linus
34
Kopelent Yves
20
Köppel Gian Claudio
12
Körner Sven
15
Kündig Miklos
14
Meienhofer Matthias
34
Méndez Tabea
17
Mullis Matthias 33
Narath Marc
21
Nay Dominik
25
Niedermann Fabian
19
Oberhänsli Fabian
21
Olsthoorn Timo
25
Racine Philip
27
Rast Felix
29
Rast Jürg
12
Rohrer Martina
18
9
Bachelors, Diplomandinnen und Diplomanden (Fortsetzung)
10
Schärer Michael
35
Schmid Christian
28
Schmid Thomas
22
Stocklin Armin
13
Suter Yannick
32
Tam Lok Lun
33
Vogt Nicolas
36
Waldvogel Andreas
19
Wettstein Marco
12
Wright David
32
Zett Tobias
24
11
Diplomanden
Gian Claudio Köppel, Jürg Rast, Marco Wettstein
ExaminatorProf. Dr. Guido Schuster
Experte
Gabriel Sidler, Eivycom GmbH, Uster, ZH
ThemengebietDigitale Bildverarbeitung
Projektpartner
Gian Claudio
Köppel
Jürg
Rast
Otto Rohrunterhalt GmbH, Zürich
Marco
Wettstein
Automatische Rohrkontrolle mittels Digitaler Bildverarbeitung
Erkennung von verschobenen Muffen
Ausgangslage: Bei Umbauten und Renovierungen ist es oftmals nötig, die bestehenden
Kanalisationsleitungen zu überprüfen. Sowohl der Architekt als auch die Behörden sind
am Zustand der Leitungen interessiert – einerseits, um die Funktionstüchtigkeit zu garantieren, andererseits um sicherzustellen, dass keine Flüssigkeiten in den umliegenden
Boden diffundieren. Die Firma Otto Rohrunterhalt GmbH führt solche Inspektionen mit
branchenüblichem Kanal-TV durch. Die aufgenommenen Videos werden direkt vor Ort
oder zu einem späteren Zeitpunkt ausgewertet. Trotz der Tatsache, dass die Defekte immer ein ähnliches Schadensbild aufweisen, ist die Auswertung sehr zeitaufwendig und
erfordert grosse Konzentration.
Beispiel einer «guten» Muffe
Beispiel einer verschobenen Muffe
12
Ziel der Arbeit: Das Ziel dieser Arbeit ist die automatische Erkennung von häufig auftretenden Schäden in Kanalisationssystemen. Dazu werden die Videos mit Hilfe von digitaler Bildverarbeitung untersucht und entsprechende Schäden detektiert. Das primäre Ziel
ist, sogenannte «versetzte Muffen» zu finden, da diese zu den grössten Schwachstellen
zählen. Eine Muffe wird dazu verwendet, zwei Rohre miteinander zu verbinden. Bei diesen Übergängen besteht die Gefahr, dass sich die Rohre gegeneinander verschieben und
nicht mehr dicht sind. Nebst dieser Verschiebung muss auch die entsprechende Position
im Rohr angegeben werden können. Um dies zu ermöglichen, wird die im Videobild eingebettete Distanzangabe verwendet.
Ergebnis: In dieser Arbeit konnte eine erste Abschätzung über die Machbarkeit einer automatischen Detektion von verschobenen Muffen erarbeitet werden. Ebenso wurde ein
Prototyp erstellt, mit welchem die automatische Auswertung von Videos durchgeführt
werden kann. Die Muffen werden dabei mittels einer Kreisdetektion gesucht und verfolgt.
Somit kann jeweils das beste vorhandene Bild einer Muffe ausgewählt und analysiert werden. Anhand verschiedener Features wurde ein Klassifikator erstellt, der die gefundenen
Muffen in die beiden Klassen «verschoben» und «nicht verschoben» einteilt. Aufgrund
der bisher kleinen Anzahl an Trainingsdaten und einer grossen Zahl völlig unterschiedlicher Videoqualitäten ist die Zuteilung teilweise nicht zuverlässig. Dies könnte weiter verbessert werden, indem der Klassifikator laufend mit verifizierten Daten erweitert würde.
Graduate Candidate
Armin Stocklin
Examiner
Dr. Ivar Austvoll, University of Stavanger, Norway
Co-Examiner
Dr. Kjersti Engan, University of Stavanger, Norway
Subject Area
Digitale Bildverarbeitung
Project Partner
Laerdal Global Health, Stavanger, Norway
Armin
Stocklin
Detection of heart rate and breathing frequency from human video
Feasibility study of detecting heart rate and breathing frequency of African babies using a webcam
Introduction: Leardal Global Health, a company in Stavanger, manages a project called
Safer Births, which is a collaboration between Tanzanian, Norwegian and international
research institutions. The goal of the project is to increase the survival of newborns in lowresource countries by improving training and contributing equipment. This leads to new
knowledge and the development of innovative products.
The black crosses show the pulse detection made by a webcam. The
blue dots show the pulse measured with an ECG device
The movement of the stomach between two images on t1 and t2 is
shown on the right figure
Proceeding: The idea is that measurement of the pulse and breathing of a newborn baby
could be done with a cheap camera. The camera is mounted on the top of the bed of the
baby and detects both the breathing and the pulse. Advantages of this method are that
we use a cheap camera instead of an expensive electrode and we do not need to touch
the baby. An important reason why this would be useful in low-resource countries is the
lack of nurses and doctors to watch babies in intensive care units. Work with motion magnification showed that it is possible to make the pulse visible in a video from a human. The
reason is that skin colour changes a little with every heartbeat. With motion magnification
it is possible to see the colour changing in a video. A similar method can be used to detect
the movement of the stomach and the respiratory frequency can be monitored. Our goal
is not to make the pulse visible in a video, but we would like to measure it by a video, so
that it would be possible to sound an alarm if necessary.
Result: Based on some videos of the face from European adults, an algorithm implemented that allows detecting and measuring of the heart rate. An error measurement
was implemented to be able to test the results of the video pulse algorithm with a reference ECG. Laerdal recorded videos of newborn babies from Tanzania during the semester.
Based on these videos and the implemented error measurement, the algorithm was tested
and optimized.
The time signal is in red, green and blue. The black signal is the green signal subtracted with the blue and red signal,
which contain the pulse
13
Diplomanden
Julian Bolz, Miklos Kündig
ExaminatorProf. Dr. Guido Schuster
Experte
Gabriel Sidler, Eivycom GmbH, Uster, ZH
ThemengebietDigitale Signalverarbeitung
Projektpartner
Julian
Bolz
Mettler-Toledo AG, Greifensee, ZH
Miklos
Kündig
Automatische Flüssigkeitsdosierung
Flüssigkeitsdosierung basierend auf Durchfluss-, Druck- und Füllstandmessung
Auftrag: Es sollte ein Prototyp für ein automatisches Flüssigkeitsdosiersystem entwickelt
werden. Die einzige Bedingung war, dass auf eine Waage verzichtet werden muss. Ansonsten durfte jeder mögliche Sensor verwendet werden. Eine möglichst hohe Genauigkeit und Präzision betreffend eine Zielmasse von zwei Gramm war anzustreben. Neben
der momentanen Präzision und Genauigkeit ist auch das Langzeitverhalten, welches bei
einer Waage sehr gut ist, von Interesse. Die Tests sollen automatisiert ausgeführt werden.
Schematische Darstellung des Gesamtsystems
Vorgehen: Die Flüssigkeit wird mit einem Schaltventil dosiert. Der perfekte Zeitpunkt für
das Schliessen des Ventils ist zu bestimmen. Ein Durchflussmesser, ein Drucksensor und
eine Kamera kommen zum Einsatz. Vorhersagen für die dosierte Masse ergeben sich
durch den von einer druckabhängigen Korrekturfunktion unterstützten Durchflusssensor,
die Beziehung von Druck und Fluss in Form eines Modells sowie den Druckabfall während
einer Dosierung. Mit Hilfe der klassischen Statistik werden die drei Masseschätzungen
fusioniert. Mit einer präzisen optischen Füllstanderkennung wird eine anfängliche Kalibration des Durchflusssensors und des Modells vollzogen.
Ergebnis: Mit einer Druckmessung bei einer Flüssigkeitsdosierung lässt sich viel gewinnen.
Für eine exakte Füllstanderkennung ist eine Kamera sehr gut geeignet. In Kombination
ergibt sich ein präzises Flüssigkeitsdosiersystem. Bezüglich Genauigkeit kann es aber noch
nicht in wirkliche Konkurrenz mit einer Waage treten, was jedoch nicht heisst, dass es
keine sinnvollen Anwendungen für die Entwicklung gibt.
Druckabfall während einer Dosierung
Füllstanderkennung mit Hilfe einer Kamera
14
Diplomanden
Christian Gwerder, Sven Körner
ExaminatorProf. Dr. Guido Schuster
Experte
Gabriel Sidler, Eivycom GmbH, Uster, ZH
ThemengebietDigitale Signalverarbeitung
Projektpartner
Christian
Gwerder
Mettler-Toledo AG, Greifensee, ZH
Sven
Körner
Automatischer Handheld Pulver- und Flüssigkeitsdosierer (HPD)
Erweiterung des Quantos HPD für automatische Dosierung von Pulvern und Flüssigkeiten
Ausgangslage: Genaue und schnelle Pulver- und Flüssigkeitsdosierungen werden heutzutage in der Pharmaindustrie immer mehr gefordert. Deshalb bietet Mettler-Toledo AG das
neue, preisgünstige Quantos HPD an, ein Handheld zum Dosieren von Pulver. Die dosierte
Menge bestimmt dabei der Laborant mit seinem geübten Daumen. Dies ermöglicht es
dem Laboranten, eine einfache und relativ genaue Pulverdosierung vorzunehmen, ohne
dabei mit dem Pulver direkt in Kontakt zu kommen. Das Dosieren mit der Hand erfordert
jedoch eine hohe Konzentration, wobei für hohe Genauigkeiten die Dosierung entsprechend langsam erfolgen muss. Dies führt dazu, dass nur geübte Personen über mehrere
Dosierungen hinweg eine entsprechende Genauigkeit in angemessener Zeit erreichen.
Übersicht des kompletten Dosiersystems mit erweitertem HPD, Pulverdosierköpfe und Flüssigkeitsdosiermodul
Rauschen gefiltert durch Kalman- & Limited-Information-Filter
Ziel der Arbeit: Um genaue und rasche Dosierungen auch bei vielen Dosiervorgängen zu
gewährleisten, soll der Dosierungsprozess mit dem Quantos HPD automatisiert werden.
Neben der Pulverdosierung soll neu auch das Dosieren von Flüssigkeiten mit Hilfe des
Flüssigkeitsdosiermoduls von Mettler-Toledo AG ermöglicht werden. Dadurch entsteht zudem die Möglichkeit, präzise Lösungen aus dem Gemisch von Pulver und Flüssigkeit zu
erstellen. Die Dosierung erfolgt dabei auf einer Präzisionswaage, welche per BluetoothVerbindung die aktuell dosierte Menge an den Quantos HPD übermittelt. Über das Steuerpanel der Waage soll der Laborant eine einfache Möglichkeit erhalten, die gewünschten
Dosierungsparameter einzustellen.
Ergebnis: Mit einer Abweichung unter ±1 mg zur Sollmenge bei den Pulverdosierungen
erreicht der erweiterte Quantos HPD die Genauigkeit eines geübten Laboranten in einer
deutlich kürzeren Zeit. Durch die Erweiterung der Hardware ist es nun möglich, automatisch Flüssigkeiten zu dosieren, was eine hochpräzise Lösungserstellung ermöglicht.
Da das Messsignal stark verrauscht und mit einer Totzeit belegt ist, wurde ein Regler mit
integriertem Kalman-Filter direkt auf dem Quantos HPD implementiert. Ein sehr kompaktes Bluetooth-Modul im Quantos HPD ermöglicht die Kommunikation mit der Waage, so
kann das Quantos HPD die geforderten Parameter von der Waage lesen.
Messdaten des automatisierten Quantos HPD bei Dosierung von 2 g
Wasser
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Diplomanden
Matthias Bollmeier, Sven Bolzern
ExaminatorProf. Dr. Guido Schuster
Experte
Gabriel Sidler, Eivycom GmbH, Uster, ZH
ThemengebietDigitale Signalverarbeitung
Projektpartner
Matthias
Bollmeier
IBU Institut für Bau und Umwelt der HSR, Rapperswil, SG
Sven
Bolzern
Brückenmesssystem mit 3-D-Visualisierung
GPS-gestütztes Messsystem, bestehend aus verteilten Geräten, zur Auswertung und Visualisierung der Vibrationen
von Brücken
Einleitung: Der Studiengang Bauingenieurwesen der HSR befasst sich u. a. mit der Erhaltung von Tragwerken. Für die Beurteilung des Zustands können die gemessenen Eigenfrequenzen wichtige Erkenntnisse liefern. Grundsätzlich gilt, dass bei kleineren Eigenfrequenzen als berechnet, die Tragwerkssteifigkeit kleiner ist als angenommen. Dies
kann durch Risse, Korrosion etc. verursacht sein. Durch Schwingungsmessungen können
Zustandsveränderungen festgestellt und Gegenmassnahmen ergriffen werden.
Ziel der Arbeit: Aufbauend auf früheren Projektarbeiten soll mit dieser Bachelorarbeit ein
Messsystem entwickelt werden, welches die Schwingungen an mehreren Punkten einer
Brücke misst und aufzeichnet. Anschliessend sollen die gesammelten Daten ausgewertet
und visualisiert werden können, sodass diese mit den Berechnungen vergleichbar sind.
Visualisierung Sparrenaubrücke in Sihlbrugg
3-D-Modell eines Messgeräts
Blockschaltbild
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Lösung: Das Messsystem besteht aus verteilten Geräten, welche über GPS synchronisiert
werden. Dies ist notwendig, da die Messungen unabhängig voneinander gestartet, die
Messdaten jedoch zeitsynchron ausgewertet werden müssen. In jedem Gerät befinden
sich drei Geophone, welche feinste Schwingungen dreidimensional messen. Diese Signale werden mit einer Frequenz von 1 kHz abgetastet und auf einer SD-Karte gespeichert.
Nach erfolgter Messung können die Daten auf den PC heruntergeladen und ausgewertet
werden. Hierbei kommt eine 3-D-Visualisierung zum Einsatz, welche die Verformung der
Brücke animiert darstellt. Die Entstehung dieses Messsystems war durch viele Teilaspekte
geprägt:
.. Entwicklung der Elektronik und Elektromechanik
.. Entwicklung der Firmware für ein Realtime Embedded System
.. Einarbeitung in GPS
.. Datenkompression
.. Erstellung verschiedener Matlab-Auswertungen mit GUI
.. Aufbereitung der Sensordaten
Diplomanden
Hannes Badertscher, Tabea Méndez
ExaminatorProf. Dr. Guido Schuster
Experte
Gabriel Sidler, Eivycom GmbH, Uster, ZH
ThemengebietDigitale Signalverarbeitung
Hannes
Badertscher
Tabea
Méndez
Support Vector Machines for Basecalling
Bestimmung der Basenabfolge in einer DNA-Sequenz mithilfe einer Supervised Learning Strategie
Ausgangslage: In den letzten Jahren wurden verschiedene Next-Generation-SequencingVerfahren entwickelt, welche eine schnelle und günstige Bestimmung von DNA-Sequenzen erlauben. Bei solchen Verfahren wird jede Position in der DNA-Sequenz mit einem Laser belichtet, wobei gleichzeitig die vier Intensitäten, welche den möglichen Basen (C, T, A,
G) entsprechen, gemessen werden. Aus den gemessenen Intensitäten muss anschlies­send
die entsprechende Base bestimmt werden, was als Basecalling bezeichnet wird. Verschiedene Fehlereinflüsse, z. B. ein Übersprechen (Crosstalk) zwischen den Intensitäten oder
eine Verschiebung innerhalb der DNA-Sequenz (Phasing), erschweren das Basecalling und
begrenzen die Möglichkeiten heutiger Verfahren. Um Fehlereinflüsse zu korrigieren, nutzen bestehende Verfahren statistische Modelle oder Supervised-Learning-Strategien (SLS).
Prozess des Basecalling: Detektion der korrekten Base anhand der
gegebenen Intensitäten
Trennebenen der Support-Vektor-Maschinen, welche die Messpunkte
(Vektoren der Intensitäten) in die vier Gruppen (C, T, A, G) aufteilt
Vorgehen: In der vorliegenden Arbeit wird das Basecalling mit Support-Vektor-Maschinen
(SVM), einer SL-Strategie, gelöst. In einem ersten Schritt wurde dazu ein bestehender
SVM-Basecaller analysiert, welcher bereits gute Ergebnisse liefert. Dabei lernt die SVM in
einer Trainingsphase die Muster der Fehlereinflüsse, indem sie Messpunkte (Vektoren der
Intensitäten) bekannter DNA-Sequenzen der jeweiligen Base zuordnet und die vier Gruppen mittels Trennebenen voneinander separiert. Neue Messdaten können anschliessend
mittels der gefundenen Trennebenen den Basen zugeordnet werden. In einem zweiten
Schritt wurde ein neuer Basecaller entwickelt. Dieser wurde anschliessend mit systematischen Tests optimiert und mit bestehenden Verfahren verglichen.
Ergebnis: In dieser Arbeit wurde gezeigt, dass das Basecalling mit Support-Vektor-Maschinen deutlich bessere Resultate erreicht als bisher eingesetzte Verfahren. So konnte mit
dem neu entwickelten Basecaller der Anteil korrekt gecallter DNA-Sequenzen gegenüber
dem bisherigen Verfahren um 76% gesteigert werden. Dadurch sinkt die Fehlerrate (Anteil falsch gecallter Basen) auf unter 10%. Die Erhöhung der für das Basecalling benötigten Zeit von wenigen Minuten auf insgesamt 1716 Minuten (Training: 1152 min, eff.
Basecalling: 546 min) könnte durch eine zukünftige Parallelisierung der Software noch
stark reduziert werden. Somit bildet diese Arbeit eine solide Grundlage für mögliche Weiterentwicklungen.
Ergebnisse der Support-Vektor-Maschine, verglichen mit dem bisherigen
Verfahren
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DiplomandinMartina Rohrer
ExaminatorinProf. Dr. Jasmin Smajic
Experte
Dr. Bogdan Cranganu-Cretu, ABB Schweiz AG, Zürich
ThemengebietElektromagnetische Felder und Wellen
Martina
Rohrer
Elektrisches Antriebssystem für einen Messaufbau
Auslegung des linearen Motors
Ausgangslage: Der Bachelorarbeit liegt ein Messaufbau zu Grunde, in welchem ein Projektil beschleunigt wird. Dieses Messgerät wird zurzeit vorwiegend von Hand bedient und
benötigt eine mechanische Bewegung für die Messauslösung. Das Auslösesystem des
Messgerätes soll automatisiert werden.
Ziel der Arbeit: Es wird gefordert, dass das Projektil mit sehr genau definierter Geschwindigkeit beschleunigt wird und die gleiche Anordnung fähig ist, das Geschoss im Anschluss
wieder in die Ausgangsposition zu bringen. Diese Beschleunigung soll mit Hilfe eines Linearmotors automatisiert werden. Das Spulenfeld soll sich so schnell fortbewegen, dass
das Projektil nach der geforderten Zeit die zwingend zu erreichende Geschwindigkeit aufweist. Die Auslegung des Linearmotors soll mit Hilfe von Simulationen erfolgen.
Beschleunigung des Projektils
Ergebnis: Im Simulationsprogramm COMSOL wurde ein Simulationsmodell des Linearmotors entworfen, und die Ergebnisse wurden mit MATLAB überprüft. Das Simulationsmodell besteht aus den mechanischen Bewegungsgleichungen des Projektils, elektromagnetischen Gleichungen des Spulensystems und des Permanentmagneten und dessen
Kopplung durch die magnetische Kraft. Durch diese Kopplung konnten die mechanischen
Bewegungsgleichungen des Projektils und die elektromagnetischen Gleichungen des gesamten Systems eingebunden werden. Um die Beschleunigung tief zu halten und der
Zeitvorgabe gerecht zu werden, sind Anpassungen der Spulendimensionen nötig. Der
Stromverbrauch kann durch Einsetzen eines Magneten mit geeigneter Grösse und Remanenzflussdichte niedrig gehalten werden.
.. Herunterfahren
Magnetischer Teil des Projektils und Feld der Spulen
Das Projektil startet an der obersten Spule mit einer Geschwindigkeit von 0 m/s und erreicht durch konstante Beschleunigung im Bereich der Spulen die berechnete Geschwindigkeit an der untersten Spule. Um die Geschwindigkeit des Feldes und somit auch jene
des Projektils zu erhöhen, wird die Frequenz des Stroms linear auf die berechnete Endfrequenz gebracht.
.. Hochfahren
Durch Vertauschen zweier Phasen läuft das Feld entgegengesetzt und befördert das Projektil wieder in seine Ursprungsposition.
Frequenz des Stromrichters
18
Diplomanden
Fabian Niedermann, Andreas Waldvogel
ExaminatorProf. Reto Bonderer
Experte
Urs Reidt, Hamilton Medical AG, Bonaduz, GR
ThemengebietEmbedded Software Engineering
Projektpartner
Fabian
Niedermann
Albis Technologies AG, Zürich
Andreas
Waldvogel
E-Ticketing: Kommunikation zwischen Zuordnungs- und Erfassungsmodulen und dem
Bordrechner für ein BeIn/BeOut-System
Datenverbindung und Stromversorgung in einem Ethernetring
Ausgangslage: Ein bei Albis Technologies AG in der Entwicklung stehendes E-TicketingSystem für den öffentlichen Verkehr (öV) kann mit einem speziell dafür ausgelegten, batteriebetriebenen Ticket kommunizieren, sobald ein Fahrgast damit ein Verkehrsmittel des
öVs betritt. Die im Verkehrsmittel fest installierten Kommunikationsmodule (Erfassungs-/
Zuordnungsmodule), über welche mit dem elektronischen Ticket kommuniziert werden
kann, werden von einem zentralen Bordrechner über ein Ethernetkabel gesteuert. Alle
Module sind zurzeit in einem sternförmigen Netzwerk angeordnet und haben je ein eigenes Netzteil zur Stromversorgung.
Ethernetring mit redundanter Datenübertragung und Stromversorgung
über Power over Ethernet (PoE)
Entwickeltes Adapter-PCB mit Ethernetswitch und Einspeisungspunkte
für PoE
Ziel der Arbeit: Um den Verkabelungsaufwand zu minimieren und gleichzeitig für jedes
Modul eine redundante Datenverbindung und Stromversorgung zur Verfügung zu stellen, sollen alle Kommunikationsmodule mit dem Bordrechner über Ethernet in einen Ring
geschaltet werden. Gleichzeitig sollen Standardethernetprotokolle weiterhin unterstützt
werden. Die Stromversorgung der einzelnen Module soll direkt über das Ethernetkabel
geschehen (Power over Ethernet: PoE). Der Bordrechner speist den dazu nötigen Strom
direkt in den Ethernetring ein.
Ergebnis: Für die Stromversorgung wie auch für die Datenverbindung wurden verschiedene Varianten erarbeitet. Dabei war immer auch der Stückpreis eines fertigen Gesamtmoduls ein Entscheidungskriterium. So wurde für die Stromversorgung eine proprietäre
Lösung entwickelt, bei der die ganze Überwachung der Stromversorgung im Bordrechner
untergebracht ist. Für die ringförmige Datenverbindung unter allen Netzwerkteilnehmern
wurde jedes Modul mit einem Ethernetswitch ausgestattet, mit welchem im Fehlerfall
sofort auf die redundante Ethernetverbindung zum Bordrechner umgeschaltet werden
kann. Die Kommunikation eines Moduls mit dem Bordrechner und die Steuerung des
eigenen Ethernetswitches wird von einem auf jedem Modul vorhandenen FPGA mit synthetisiertem Softcore übernommen.
Blockdiagramm des Testaufbaus eines Kommunikationsmoduls
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Diplomanden
Bernhard Grauer, Yves Kopelent
ExaminatorProf. Reto Bonderer
Experte
Urs Reidt, Hamilton Medical AG, Bonaduz, GR
ThemengebietEmbedded Software Engineering
Bernhard
Grauer
Yves
Kopelent
Wireless On-Chip Debugger
Entwicklung einer Debugger- und Kommunikationsschnittstelle für Cortex-M3 Microcontroller
Ausgangslage: Im Auftrag des Instituts für Mikroelektronik und Embedded Systems IMES
wurde das Entwicklungsteam im Rahmen des Projekts «Wireless On-Chip Debugger» vor
die Herausforderung gestellt, eine Problemstellung im Bereich des Embedded Software
Engineerings zu lösen. Ziel war es, eine Debugger-Schnittstelle zu entwickeln, welche auf
einem Microcontroller mit ARM Cortex-M3-Architektur lauffähig ist. Im Wesentlichen sollte dieses Debugger Interface die Funktionen «Single Step», «Pause» und «Run» beherrschen sowie das Setzen von Breakpoints unterstützen. Dabei sollte die Kommunikation
zwischen dem Host und einem Testsystem während des Debuggens ausschliesslich über
Funk erfolgen.
Use Cases: «Funkverbindungen verwalten», «Programmdaten verwalten», «Breakpoints verwalten», «Programmausführung steuern»
Funkmodul am Host: «CC1111» USB Dongle von Texas Instruments
Vorgehen: Zu Beginn der Arbeiten mussten die Anforderungen des Auftraggebers analysiert und in einem Pflichtenheft spezifiziert werden. Die daraus resultierende Spezifikation der Anforderungen wurde im Anschluss an die Analyse durch Auftraggeber und
-nehmer abgenommen. Zeitgleich wurde ein Terminplan aufgestellt und Meilensteine
mit Arbeitspaketen definiert. Da der Auftraggeber eine Implementation auf einem Evalbot von Texas Instruments favorisierte, musste in einem weiteren Schritt die Machbarkeit
auf der gewünschten Zielplattform im Rahmen einer kleineren Projektstudie bewiesen
werden. Einer der Schwerpunkte des Projekts bildete die Erarbeitung einer geeigneten
Softwarearchitektur, mit deren Hilfe der Debugger schlussendlich implementiert wurde.
Neben den eigentlichen Fragestellungen im Bereich des Embedded Software Engineering
lag der Fokus ebenso stark auf dem Projektmanagement, weshalb das Projekt thematisch
sehr breit abgestützt war. Aufgrund der spezifizierten Anforderungen im Pflichtenheft
war es dem Entwicklungsteam möglich, zielgerichtet zu arbeiten und sich während der
Umsetzung auf technische Probleme zu konzentrieren. Eine grössere Herausforderung
bestand allerdings darin, die einzelnen Komponenten des Debuggers und deren Kommunikationsschnittstellen geeignet zu modellieren.
Ergebnis: Während des 16-wöchigen Projekts konnte ein Debugger Interface für den Evalbot mit allen geforderten Funktionen implementiert und in die Entwicklungsumgebung
Eclipse integriert werden. In diesem Zusammenhang wurde für die drahtlose Datenübertragung eine passende Kommunikationsschnittstelle entwickelt, welche im geforderten
Betriebsradius stabil funktioniert und die Übermittlung verschlüsselter Daten erlaubt.
Testsystem: Mit «CC1110»-Funkmodul ausgerüsteter Evalbot von Texas
Instruments
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Diplomanden
Marc Narath, Fabian Oberhänsli
ExaminatorProf. Erwin Brändle
Experte
Theo Scheidegger, swens GmbH, Schänis, SG
ThemengebietEmbedded Systems
Marc
Narath
Fabian
Oberhänsli
BLDC/LinMot Controller
Aufbau einer Versuchsplattform für Permanentmagnet-Synchronmotoren
Ausgangslage: Um Permanentmagnet-Synchronmotoren und Linearmotoren anzusteuern, gibt es unterschiedliche Konzepte und Varianten. Eine qualitativ sehr gute und zunehmend verbreitete Umsetzung basiert auf dem sogenannten Prinzip des Field Oriented
Control (FOC). Ein bedeutender Vorteil von FOC ist, dass ein Motor damit jederzeit mit
dem optimalen Drehmoment und der idealen Geschwindigkeit betrieben werden kann.
Mit FOC lassen sich sehr exakte und zugleich hochdynamische Geschwindigkeitsregelungen realisieren. Ein grosser Vorteil der feldorientierten Regelung ist, dass dank der geringeren Drehmomentschwankungen ein sehr gleichmässiger Motorenlauf erreicht werden
kann. Damit reduzieren sich einerseits die Motorgeräusche, und andererseits werden die
mechanischen Lager geschont, was zu einem geringeren Verschleiss führt.
Struktur der feldorientierten Regelung (FOC)
Versuchsaufbau für BLDC-Motoren
Aufgabenstellung: Das Hauptziel dieser Bachelorarbeit besteht darin, einen BLDC/LinMot
Controller in Hard- und Software zu entwickeln und aufzubauen. Damit sollen drehende
und lineare Permanentmagnet-Synchronmotoren (PMSM) im sogenannten Field Oriented Control (FOC) getestet und betrieben werden können. Die Hard- und Software des
BLDC/LinMot Controller ist so auszulegen, dass gleichzeitig zwei PMSM parallel und unabhängig voneinander betrieben werden können. Für den BLDC/LinMot Controller soll ein
passender Mikrocontroller mit geeigneten Peripherien und ausreichender Rechenleistung
evaluiert und eingesetzt werden. Als Leistungsstufen für beide Motoren kann auf zwei
Motortreiber BoosterPacks von Texas Instruments zurückgegriffen werden. Als grafische
Bedienapplikation soll PC-seitig ein passendes GUI entwickelt werden. Mit diesem GUI
sollen beispielsweise Drehmoment, Geschwindigkeit, Distanz sowie weitere zentrale Regelparameter der Motoren eingestellt bzw. visualisiert werden können.
Ergebnis: In dieser Arbeit sind zwei verschiedene Versuchsplattformen entstanden, auf
welchen Tests und Versuche mit der Field Oriented Control für BLDC-Motoren und Li­
nearmotoren durchgeführt werden können. Es wurde eine grafische Benutzeroberfläche
entwickelt, auf welcher das Drehmoment und die Geschwindigkeit der BLDC-Motoren
und die Position des Linearmotors eingestellt und die Motormessungen visualisiert werden können.
PC-seitige Benutzeroberfläche der Motoren
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Diplomanden
Urban Bruhin, Thomas Schmid
ExaminatorProf. Erwin Brändle
Experte
Theo Scheidegger, swens GmbH, Schänis, SG
ThemengebietEmbedded Systems
Urban
Bruhin
Thomas
Schmid
IceHSR Rapperswil – Eurobot 2014: Prehistobot
Bau zweier autonomer Roboter
Eurobot 2014: Prehistobot Spieltisch
ARM Cortex-M4F Development Board: Herzstück der beiden Roboter
Einleitung: Bei der jährlich stattfindenden Eurobot-Meisterschaft war die Hochschule für
Technik Rapperswil in den vergangenen Jahren immer mit mindestens einem Team vertreten. Auch in diesem Jahr führte ein HSR-Team diese Tradition weiter. An den EurobotWettbewerben messen sich Teams mit ihren autonomen Robotern im nationalen und
internationalen Vergleich. Dabei haben sich die Roboter jeweils zuerst an einer nationalen
Meisterschaft zu bewähren. Die besten Teams ringen anschliessend an der Weltmeisterschaft um den begehrten Eurobot-Meistertitel. Das HSR-Team IceHSR Rapperswil bestand
aus zwei angehenden Maschinenbau- und zwei angehenden Elektrotechnikingenieuren.
Von zentraler Bedeutung für ein erfolgreiches Gelingen des Eurobot-Vorhabens war einerseits eine gut funktionierende Kommunikation zwischen allen Teammitgliedern und
Beteiligten. Auf der technischen Seite war andererseits ein geeignetes und ausreichend
flexibles Gesamtkonzept zu erarbeiten und in einer zuverlässigen Implementierung umzusetzen. Das elektronische und steuerungstechnische System war mit der mechanischen
Konstruktion und deren Teilsystemen bestmöglich in Einklang zu bringen.
Aufgabenstellung: Das Thema von Eurobot 2014 lautete Prehistobot. Dabei ging es darum, sich in der Prähistorie zu bewähren, indem beispielsweise ein Mammut gejagt und
eingefangen, Früchte geerntet und korrekt abgelegt oder Feuer unter Kontrolle gebracht
werden musste. Die Aufgabe des Teams bestand darin, einen oder zwei autonome Roboter zu entwickeln, welche die gestellten Aufgaben optimal zu lösen im Stande waren und erfolgreich an den Wettbewerben teilnehmen konnten. Die in den offiziellen
Eurobot-Spielregeln gemachten Vorgaben und Spezifikationen waren strikte einzuhalten
und sinngemäss umzusetzen. Bei der konzeptionellen und technischen Umsetzung sollte und durfte auf bestehende Module aus früheren Eurobot-Teilnahmen zurückgegriffen
werden, sofern dies zweckmässig und erfolgversprechend erschien. In den wesentlichen
Teilen waren jedoch eigene Lösungen und Konzepte erforderlich und mussten entsprechend umgesetzt werden.
Ergebnis: Als Ergebnis dieser Arbeit entstanden zwei zuverlässig funktionierende Roboter,
die sich an der Schweizer Meisterschaft hervorragend geschlagen haben und es auf den
zweiten Platz schafften. Durch dieses gute Abschneiden durfte das Team die HSR und die
Schweiz am internationalen Wettkampf in Dresden (DE) vertreten und sich mit den besten
Mannschaften aus aller Welt messen. Dort konnten die Roboter des Teams IceHSR bis ins
Viertelfinale vorstossen und schliesslich den erfreulichen fünften Rang erzielen.
Die beiden Elektrotechnikstudenten mit ihren Robotern
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DiplomandFelix Hofer
ExaminatorProf. Erwin Brändle
Experte
Theo Scheidegger, swens GmbH, Schänis, GL
ThemengebietEmbedded Systems
Felix
Hofer
Universal Bootloader Environment
Konzeption und Implementation einer universellen Bootloader-Lösung für die ARM Cortex-M4-Familie
Ausgangslage: Während der Entwicklung von Software für Embedded Devices wird diese meist über ein JTAG-Interface in den Programmspeicher des Zielsystems geladen. Die
Debug-Schnittstelle eröffnet zugleich vielfältige Debug-Möglichkeiten, die im Produktivbetrieb jedoch meistens nicht mehr notwendig sind. Der Zugang zum Debug-Interface ist
dann nicht mehr gewährleistet. Um trotzdem Firmware-Updates vornehmen zu können,
ist man deshalb auf einen sogenannten Bootloader angewiesen, der diese Funktionalität
über eine alternative Schnittstelle zur Verfügung stellt.
Beispiel-Systemaufbau (Prinzip-Darstellung)
Ziel der Arbeit: Es soll eine universelle Bootloader-Lösung für die ARM Cortex-M4-Familie
auf TI Tiva C-Launchpads konzipiert, mit der Programmiersprache C implementiert und
umfassend getestet werden. Mit der entwickelten Bootloader-Lösung sollen FirmwareUpdates zuverlässig über mindestens zwei Ebenen (Tiers) möglich sein. Dazu muss auch
eine PC-seitige Serviceapplikation entwickelt werden, die in einer Windows-Umgebung
mit .NET Framework lauffähig sein soll und die Kommunikation mit dem 1st Tier (Master)
über eine COM-Schnittstelle übernimmt. Weiter muss für die Launchpads eine Zusatzhardware zur Energieversorgung der Slaves (2nd Tier) und zur Vernetzung von 1st und
2nd Tier über einen CAN-Bus entwickelt werden. Das Ausgangsformat für ein FirmwareUpdate über die entwickelte Bootloader-Lösung soll das Intel-Hex-Format sein, wie es
die Entwicklungsumgebung Code-Composer-Studio erzeugt. Über eine eindeutige Kennzeichnung in der Hex-Datei und im Speicher der Embedded Devices soll die Kompatibilität der Firmware zur Hardware überprüft und so unzulässige Konstellationen verhindert
werden. Weiter sollen Übertragungs- und andere Fehler erkannt und dementsprechende
Massnahmen eingeleitet werden.
Realer Hardwareaufbau
Ergebnis: Trotz massiven Schwierigkeiten aufgrund einer nicht (richtig) funktionierenden
CAN-Arbitrierung bzw. Kollisions-Detektion und entsprechendem Handling seitens CANController/-Libraries konnte dank einer manuellen Implementation schlussendlich dennoch ein Gesamtsystem entwickelt werden, welches die gegebenen Anforderungen erfüllt und in der Lage ist, auch über CAN zuverlässig Firmware-Updates durchzuführen.
PC-seitige Serviceapplikation
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Diplomanden
Michael Auer, Tobias Zett
ExaminatorDr. Martin Geidl
Experte
Dr. Thilo Krause, ETH, Zürich
ThemengebietEnergiesysteme
Michael
Auer
Tobias
Zett
Analyse des Regelenergiemarktes in der Schweiz und in den Nachbarländern
Statistische Betrachtung der Regelleistungsangebote und deren Einflüsse
Einleitung: Swissgrid ist seit 2009 die einzige Übertragungsnetzbetreiberin der Schweiz.
In dieser Funktion ist sie verantwortlich für einen sicheren und zuverlässigen Netzbetrieb.
Um dies zu erfüllen, besorgt Swissgrid Systemdienstleistungen, zu welchen auch die
Leistungs-Frequenz-Regelung zählt. Die Leistungs-Frequenz-Regelung erfolgt in drei Regelungsstufen und wird in täglichen und wöchentlichen Ausschreibungen beschafft. Sie
dient dazu, die Netzfrequenz bei 50 Hz zu stabilisieren und den Austausch der Regelzone
Schweiz zu kontrollieren.
Marktanpassung: Zusammenarbeit mit Deutschland im Bereich der
Primärregelleistung
Marktanpassung: Reduktion der vergebenen Tertiärregelleistung
Preisverlauf tägliche Tertiärregelleistung positiv und negativ
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Ziel der Arbeit: In dieser Arbeit werden der Regelenergiemarkt der Schweiz und der Nachbarländer Deutschland und Österreich beschrieben. Die grundlegenden Eigenschaften
dieser Märkte, die Systemdienstleistungen und Netzregelungsprodukte der verschiedenen
Länder sowie die Präqualifikationskriterien zur Teilnahme an den jeweiligen Märkten werden in einem ersten Schritt erläutert. In einem zweiten Schritt werden die Ausschreibungen des Schweizer Regelenergiemarkts genauer betrachtet und untersucht. Neben der
Darstellung der Preis- und Mengenverläufe der drei Regelprodukte werden auch Einflüsse
von kausalen Einflussgrössen wie Niederschlag, Temperatur sowie des Börsenstrompreises
SwissIX mithilfe von Korrelationen untersucht. Ausserdem wird der Einfluss von verschiedenen Marktanpassungen analysiert. Des Weiteren werden die veröffentlichten Angebote
und ihre Eigenschaften sowie Extremereignisse untersucht. Aufgrund der zeitlichen Begrenzung der veröffentlichten Daten wurde der untersuchte Zeitraum von Anfang 2011
bis zur Kalenderwoche 22/2014 festgelegt.
Ergebnis: Die Analyse der Marktanpassungen zeigte, dass die Zusammenarbeit mit
Deutschland im Primärbereich einen grossen Einfluss auf das Preisniveau der Primärregelleistung hatte. Dagegen zeigte die Zusammenarbeit mit Österreich (ebenfalls Primärregelleistung) und die Anpassung der Mengen bei der Tertiärregelung praktisch keine
Wirkung auf die Preisniveaus. Die Regelprodukte Primär und Sekundär sowie die negative
Tertiärregelleistung weisen untereinander eine mittlere bis hohe Korrelation auf. Die Untersuchung mit den Niederschlagsdaten und der Temperaturabweichung ergab lediglich
schwache Korrelationen. Die untersuchten Extremereignisse wurden mithilfe von Thesen
erläutert. Unter anderem konnten langanhaltende extreme Wettersituationen als mögliche Ursache identifiziert werden.
Diplomanden
Dominik Nay, Timo Olsthoorn
ExaminatorAlfred Züger
Experte
Prof. Martin Wiederkehr, FHNW Fachhochschule Nordwestschweiz,
Windisch, AG
ThemengebietEnergiesysteme
Projektpartner
Dominik
Nay
Technische Betriebe Glarus Nord, Näfels, GL
Timo
Olsthoorn
Erneuerung des Kraftwerks Mühlehorn
Hauptprojekt
Ausgangslage: Aufgrund diverser Maschinen- und Anlageschäden ist das Kraftwerk Mühlehorn am Meerenbach seit mehreren Jahren stillgelegt. Nach der Fusion mehrerer Gemeinden zu Glarus Nord wurden die Elektrizitätswerke in die Technischen Betriebe Glarus
Nord (TBGN) zusammengefasst. Diese möchten nun das Kraftwerk reaktivieren.
Ziel der Arbeit: Das Ziel der Arbeit ist, die beste Variante hinsichtlich der folgenden Aspekte aufzuzeigen.
.. Ökologische Aspekte
Ansicht des projektierten Entsanders bei der Wasserfassung
Die Analyse der Verfügung des Amts für Umwelt Glarus sowie das Studium der allgemeinen Gewässerschutzbestimmungen waren die Grundlage, um die Wasserentnahmeund Wasserrückgabestandorte sowie die Ausbauwassermenge im Hinblick auf bestimmte
«Konzessionsvarianten» zu beurteilen. Diese bestimmen den Spielraum der Kraftwerkserneuerung wesentlich.
.. Technische Aspekte
Die technische Auslegung der Wasserfassung, des Entsanders, der Druckleitung, der
Turbine, der Leittechnik und Energieableitung wurde ausgeführt.
.. Wirtschaftliche Aspekte
Die zu erwartende jährliche elektrische Energieproduktion wurde berechnet. Das Abschätzen der Sanierungskosten und die Abklärungen betreffend die «Kostendeckende Einspeisevergütung» (KEV) seitens der Swissgrid ermöglichten eine Investitionsrechnung.
Ansicht des Meerenbachs in Mühlehorn vom Turbinenhaus aus
Ergebnis: Technische, wirtschaftliche und ökologische Aspekte wurden miteinander verknüpft, die KEV abgeschätzt und letztlich eine Bestvariante für die Totalerneuerung des
Kraftwerks Mühlehorn vorgeschlagen.
Ansicht einer möglichen Kraftwerksturbine; die Wahl (Art, Grösse, Einsatzbereich usw.) erfolgte gemäss detaillierter
Berechnungen.
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Diplomanden
David Berni, Nino Falett
ExaminatorAlfred Züger
Experte
Prof. Martin Wiederkehr, FHNW Fachhochschule Nordwestschweiz,
Windisch, AG
ThemengebietEnergiesysteme
Projektpartner
David
Berni
Axpo Power AG, Baden, AG
Nino
Falett
Optimaler Einsatz von Wasserkraftwerken zur Spannungshaltung
Ausarbeitung eines Konzeptes zur automatischen Steuerung der Blindleistungsproduktion eines Hochdruck-Wasser­
kraftwerkes
Ausgangslage: Das Übertragungsnetz der Netzebene 1 (NE-1) in der Schweiz wird seit
2009 von der Swissgrid geführt, um die Betriebssicherheit zu verbessern und einen diskriminierungsfreien Zugang zum Energiemarkt zu gewährleisten. Die Steuerung der NE-1
liegt im Jahre 2014 weitestgehend noch bei den vorherigen Besitzern. Diese erhalten von
der Swissgrid genaue Vorgaben betreffend die Spannung und Frequenz. Die Spannung
wird durch die Regulierung der Blindleistung in den einzelnen Kraftwerken gesteuert. Die
Regulierung erfolgt nach den Vorgaben der Swissgrid, welche die zu erreichende Knotenspannung vorgibt. Das Ziel der Swissgrid ist es, dadurch den Blindleistungsaustausch im
Netz und somit die Verluste zu verringern. Zurzeit erfolgt die Steuerung der Kraftwerke in
der Regel manuell aus der Netzleitstelle.
Konformität der Blindleistung mit Toleranzen für Messfehler (aus Sicht
des Generators)
Zusammenhang Netzblindleistung/Ist-Spannung: Durch Steuerung
der Blindleistung wird versucht, die Ist-Spannung der Soll-Spannung
anzugleichen.
Dieses Powerchart zeigt die Leistungsgrenzen der Maschinen in
Mapragg.
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Aufgabenstellung: Im Rahmen dieser Bachelorarbeit soll ein Konzept erstellt werden, welches sich mit der Automatisierung der Blindleistungsproduktion von Wasserkraftwerken
befasst. Dazu soll untersucht werden, in welchem Teil der Kraftwerkssteuerung eine Automatisierungssoftware implementiert werden könnte und wie der genaue Ablauf einer solchen Software aussehen sollte. Um das Konzept zu konkretisieren, wurde das Pumpspeicherkraftwerk Mapragg der Kraftwerke Sarganserland respektive der Axpo ausgewählt.
Ergebnis: In Gesprächen mit Vertretern der Axpo und der Rittmeyer AG konnte evaluiert werden, was die Anforderungen an ein solches Programm sind und welcher Standort für die Implementierung geeignet wäre. Die Abklärungen haben ergeben, dass das
Leitsystem des jeweiligen Kraftwerks die geeignetste Wahl darstellt. Je nach Kraftwerk
kann die Software in einem zentralen Leitsystem oder in den Leitsystemen der einzelnen Maschinengruppen implementiert werden. Anschliessend wurde der konkrete Ablauf
der Software festgelegt. In einem ersten Schritt geht es darum, den Sollwert aus dem
Spannungsfahrplan der Swissgrid von der 380-kV-Ebene des Übertragungsnetzes auf die
11-kV-Ebene der Sammelschiene der Maschinen umzurechnen. In einem zweiten Schritt
wird der optimale Blindleistungsaustausch ermittelt. Dabei werden diverse momentane
Messwerte beim jeweiligen Kraftwerk benötigt. Im letzten Schritt wird kontrolliert, ob
der ausgerechnete Blindleistungssollwert konform ist und somit die Spannung in die gewünschte Richtung beeinflusst wird. Anschliessend wird der Blindleistungssollwert auf die
in Betrieb stehenden Maschinengruppen optimal aufgeteilt.
Diplomanden
Thomas Franz, Philip Racine
ExaminatorinProf. Dr. Jasmin Smajic
Experte
Dr. Iossif Grinbaum, ABB Schweiz AG, Baden-Dättwil, AG
ThemengebietLeistungselektronik
Thomas
Franz
Philip
Racine
Asynchronmaschine mit Steuerung im Rotorkreis
Ausführung mit einem Drehstromsteller
Aufgabenstellung: Ein Asynchronmotor mit Schleifringläufer soll mit Hilfe von Leistungselektronik im Rotorkreis betrieben werden. Das Statordrehfeld versetzt die gewickelten
Rotorstränge des Schleifringläufers in Rotation. Die Wicklungsenden des Rotors sind auf
ein Klemmenbrett geführt, wo sie kurzgeschlossen oder auf Anlaufwiderstände geführt
sind. Ziel dieser Arbeit war es, die Anlaufwiderstände durch einen Drehstromsteller zu
ersetzen. Dadurch sollen die Verluste minimiert werden.
PSPICE-Ersatzschaltbild des Läuferkreises gesteuert mit Leistungselektronik
PCB mit Drehstromsteller und Impulsmustersteuerung
Vorgehen: Der erste Schritt bestand darin, den Asynchronmotor vom Labor auszumessen
und die Drehmomentkennlinien aufzuzeichnen, mit oder ohne Anlaufwiderstände. Mit
den gewonnenen Parametern wurde in PSPICE ein Modell des Motors aufgebaut, in welchem die Leistungselektronik integriert und simuliert werden konnte. Nach erfolgreichen
Simulationen wurde die Schaltung in Hardware umgesetzt. Das Resultat ist eine Leiterplatte, die mit der Leistungselektronik und der Impulssteuerung bestückt ist. Gleichzeitig
wurde eine Software in C-Code geschrieben, welche das Impulsmuster für die schaltbaren
Leistungshalbleiter berechnet. Diese Software ist schliesslich auf einem MSP430 LaunchPad eingebettet worden.
Ergebnis: Mit der entwickelten Schaltung kann der Asynchronmotor in den Nennbetrieb
gefahren werden. Ein Detektor erkennt die Nulldurchgänge eines Strangstromes, mit welchen das Pulsmuster im Mikrocontroller berechnet wird und zum richtigen Zeitpunkt die
Triacs zündet. Mit einem Potentiometer kann der Steuerwinkel zwischen 0° und 60° verstellt werden. Durch die angeschnittenen Sinusströme ändern sich die Drehmomentkennlinien des Motors. Anders als erwartet, erhalten die aufgenommenen Kennlinien nicht
dieselben Formen wie mit den Anlaufwiderständen. Gründe dafür werden in der Arbeit
mit einem mathematischen Modell bewiesen.
Drehmomentkennlinien M(n)
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DiplomandChristian Schmid
ExaminatorinProf. Dr. Jasmin Smajic
Experte
Dr. Iossif Grinbaum, ABB Schweiz AG, Baden-Dättwil, AG
ThemengebietLeistungselektronik
Christian
Schmid
Entwicklung eines frequenzvariablen dreiphasigen Sinuswechselrichters
Flexible Ansteuerung eines Asynchronmotors mit sinusförmigem Strom variabler Frequenz
Ausgangslage: Moderne Antriebssysteme müssen eine Vielzahl an Kriterien erfüllen. An
die Effizienz, Kosten, Wartungsfreundlichkeit und Flexibilität werden hohe Ansprüche gestellt. Um günstige und robuste Asynchronmaschinen flexibel betreiben zu können, ist es
notwendig, die zur Verfügung stehende elektrische Energie entsprechend den Anforderungen des Betriebs anzupassen und umzuformen. Diese Aufgabe erfüllt ein Wechselrichter, welcher den angeschlossenen Motor ansteuert und dessen Kontrolle unter Betrachtung verschiedener Parameter erlaubt.
Motorkennlinie bei 10 Hz Sinusfrequenz, 1 kHz Ansteuerungsfrequenz
und verschiedenen Spannungen
Drehmoment bei einer Versorgungsspannung von 64 V und verschiedenen Sinus- und Ansteuerungsfrequenzen
Vorgehen: Im Rahmen der Studienarbeit wurde ein einphasiger Wechselrichter für
ohmsch-induktive Lasten entworfen, welcher während der Bachelorarbeit erweitert und
verbessert wurde. Mit der entwickelten Schaltung ist es möglich, einen dreiphasigen Asynchronmotor flexibel zu betreiben. Die Generierung der zur Ansteuerung des Leistungsteils notwendigen Steuersignale wurde mittels eines einfachen Mikrocontrollers realisiert.
Die Umformung der Gleichspannung erfolgt mit einer dreifachen Halbbrückentopografie
mit IGBTs. Dabei erwies sich insbesondere der Schutz vor den im Betrieb entstehenden
Überspannungen durch die Schaltvorgänge als herausfordernd. Zur Untersuchung des Betriebsverhaltens wurden mehrere Messungen mit einer Asynchronmaschine durchgeführt.
Betriebsparameter wie die resultierende Sinusfrequenz, die Ansteuerungsfrequenz und
die Eingangsspannung wurden dabei variiert und deren Einfluss analysiert.
Fazit: Durch die vielseitige Entwicklungsarbeit, welche Bereiche wie Messtechnik, Schaltungs-, Platinen- und Softwareentwicklung abdeckte, wurden wertvolle Erkenntnisse zur
Funktionsweise von Wechselrichtern gewonnen. Weiter konnte gezeigt werden, dass die
Kennlinie des Motors flexibel variiert und so an die Anforderungen des Betriebs angepasst
werden kann.
Der dreiphasige Wechselrichter (grün) mit Kühlkörper sowie der steuernde Microcontroller (rot) im Testbetrieb
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Diplomanden
Dorian Amiet, Felix Rast
ExaminatorProf. Dr. Paul Zbinden
Experte
Dr. Robert Reutemann, Miromico AG, Zürich
ThemengebietMikroelektronik
Dorian
Amiet
Felix
Rast
Elektro-Impedanztomografie mit Pseudo-Random-Noise (PRN)-Anregung
Vor- und Nachteile einer PRN-Einspeisung gegenüber dem konventionellen Lock-in-Verfahren mit sinusförmiger Anregung
Ausgangslage: Weltweit müssen mehr als 3,8 Millionen Menschen jährlich auf Intensivstationen künstlich beatmet werden. Dabei erleiden 15% einen schweren Lungenschaden durch einen unerkannten Lungenkollaps. Mehr als 39% von ihnen sterben an den
Folgen. Die Elektro-Impedanztomografie ist eine vielversprechende Technologie für die
Diagnose solcher akuter Lungenkollapse. Tausende von Patienten könnten gerettet und
Millionen von Franken eingespart werden. Zurzeit besteht ein funktionierendes Verfahren,
bei welchem 32 Elektroden auf Brusthöhe an einen Patienten angeschlossen werden. An
einer Elektrode wird ein sinusförmiger Strom eingespeist und an den übrigen Elektroden
werden die daraus resultierenden Spannungen gemessen. Aus den Messdaten kann das
Luftvolumen in der Lunge abgeschätzt werden.
Prinzip der Lungenüberwachung mittels Elektro-Impedanztomografie
Systemantworten des Körpermodells: Violett und olivgrün zeigen rein
ohmsches, blau und grün ohmsch-kapazitives Verhalten.
Ziel der Arbeit: Das Sinussignal soll durch eine PRN-Sequenz ersetzt werden. Durch Kreuzkorrelation der gemessenen Ausgangsspannungen mit den eingespeisten Signalen soll
die Impulsantwort gemessen werden. Dies soll Rückschlüsse auf das transiente Verhalten
des Gewebes ermöglichen. Zusätzlich sollen mehrere verschiedene Sequenzen gleichzeitig
eingespeist werden. Durch Korrelation der resultierenden Spannungen mit den einzelnen
anregenden Sequenzen sollen die unterschiedlichen Ausgangssequenzen den jeweiligen
Quellen zugeordnet und separat ausgewertet werden können. Durch diese Parallelisierung soll sich die Messdauer verkürzen.
Ergebnis: Es wurde ein Versuchsaufbau entwickelt, welcher die beiden Verfahren vergleicht. Es liess sich beweisen, dass der Einsatz von geeigneten PRN-Folgen mehrere Messstrecken im Körper ohne gegenseitige Beeinflussung ermöglicht. Dadurch wurde eine
bessere zeitliche Auflösung bei vergleichbarer Genauigkeit erreicht. Ausserdem kann
durch das neue Verfahren zusätzlich das transiente Systemverhalten ermittelt werden.
Bezahlt werden diese Vorteile mit einem höheren Aufwand im Digitalteil.
Systemdiagramm des entwickelten Versuchsaufbaus, welcher einen
Vergleich der beiden Verfahren ermöglicht
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Diplomanden
Damian Furger, Adrian Inauen
ExaminatorProf. Guido Keel
Experte
Dr. Robert Reutemann, Miromico AG, Zürich
ThemengebietMikroelektronik
Projektpartner
Damian
Furger
ABB Schweiz AG, Baden, AG
Adrian
Inauen
Induktive Energie- und Datenübertragung
Bidirektionale Kommunikation mit gleichzeitiger Energieversorgung eines ASIC
Ausgangslage: Die ABB hat ein Gerät entwickelt, welches Spannungspegel von 0 VDC bis
300 VDC messen kann. Diese Spannung wird mit einem ASIC ermittelt und galvanisch getrennt an ein FPGA übertragen. Diese Gewährleistung der Spannungsfestigkeit zwischen
dem ASIC und dem Modul mit dem FPGA wird mit einem Optokoppler realisiert. Momentan können 12 Messungen gleichzeitig erstellt werden, doch für zukünftige Module sollen
bis zu 24 Messungen möglich sein. Ebenso soll die aktuelle Präzision von 1 ms auf 100 μs
erhöht werden. In einer Vorstudie der ABB Schweiz und dem IMES wurde das Schaltungskonzept überarbeitet und ein Vorschlag für diese Bachelorarbeit verfasst.
Abbildung 1: Aufbau für die bidirektionale Kommunikation und
induktive Energieübertragung
Abbildung 2: Ausgänge von FPGA (Request) und ASIC (Response)
während eines Kommunikationszyklus
Aufgabenstellung: Im Rahmen dieser Arbeit soll die Realisierung der in der Vorstudie vorgeschlagenen Lösung vollzogen werden. Diese Lösung umfasst unter anderem die Verwendung eines Transformators für die bidirektionale Kommunikation zwischen dem FPGA
und dem ASIC sowie die Energieversorgung des ASIC durch das FPGA. Zur Arbeit gehört
die Entwicklung eines Transformators sowie die Definition und Implementierung eines
geeigneten Protokolls.
Ergebnis: Mit der erarbeiteten Lösung ist die bidirektionale Kommunikation zwischen dem
Modul und dem ASIC sowie die Spannungsversorgung des ASIC gewährleistet. Dabei
wurde eine Transformatorschaltung modelliert, simuliert und erstellt. Weiter wurde ein
Protokoll definiert, in VHDL implementiert und getestet. Die Kommunikation und Energieübertragung funktioniert mittels Manchester-Code, was ein codiertes Wechselsignal
auf der ASIC-Seite zur Folge hat. Durch eine Gleichrichtung kann so die benötigte Energieversorgung für den ASIC erstellt und gewährleistet werden. Dank dieser Bachelorarbeit ist es dem Kunden möglich, eine geeignete Realisierung der induktiven Energie- und
Datenübertragung einzusetzen.
Abbildung 3: Erarbeitete Lösung mit dem Transformator in der Mitte und den Schnittstellen zu den Komponenten
FPGA und ASIC auf jeder Seite
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Diplomanden
Jonathan Cherpillod, Sebastian Gross
ExaminatorProf. Guido Keel
Experte
Dr. Robert Reutemann, Miromico AG, Zürich
ThemengebietMikroelektronik
Projektpartner
Jonathan
Cherpillod
MESA Imaging AG, Zürich
Sebastian
Gross
Testaufbau für «Time of Flight»-Kameras
Testaufbau zur Charakterisierung der Pixel eines Bildsensors
Aufgabenstellung: Für die Charakterisierung der Pixel des Bildsensors soll ein Testaufbau
entwickelt werden, mit dem das zeitliche Verhalten genau getestet werden kann. Statt
eines modulierten Signals sollen vom Testaufbau sehr kurze Laserpulse kontrolliert ausgelöst werden, die vom Chip gemessen und ausgewertet werden. Die Pulse sollen möglichst
kurz sein und v. a. zeitlich sehr präzis kontrolliert werden, damit die Demodulation im Chip
genau qualifiziert werden kann.
Blockschema
GUI
Vorgehen: Die Entwicklung einer solchen Schaltung erfordert viel Zeit, da die Komponenten, welche dafür eingesetzt werden können, begrenzt sind. Das Projekt wurde in einen
Hardware- und einen Softwareteil aufgeteilt. Der Softwareteil beinhaltet eine Programmierung des FPGA-Boards, um das Delay-Board zu steuern, und andererseits die Programmierung eines GUI in MATLAB, um die gewünschten Verzögerungen und Impulsbreiten
einzulesen. Der Hardwareteil beinhaltet die Ausarbeitung der genauen Schaltung, um
eine Leiterplatte zu entwerfen. Das Layout der Leiterplatte ist anspruchsvoller als übliche
Schaltungen. Die eingesetzten Komponenten verfügen alle über LVPECL-Ein-/Ausgänge,
ein Standard für differenzielle Signale. Beim Routen solcher differenziellen Leitungen müssen einige Details beachtet werden, um Störungen zu vermeiden.
Ergebnis: Über das programmierte GUI können Verzögerung- und Impulsdauer eingegeben werden, welche in MATLAB so umgerechnet werden, dass sie über eine RS232-Schnittstelle auf das FPGA-Board geschrieben werden können. Dieses stellt die Verzögerungsglieder auf dem selber entwickelten Delay-Board auf die entsprechenden Werte
ein. So kann ein Impuls von 350 ps bis 2 ns Dauer generiert werden. Die Auslösung dieses
Impulses kann um bis zu 38 ns verzögert werden. Die eingesetzten Verzögerungsglieder
können maximal 10 ns verzögern, bei einer Auflösung von 10 ps. Um die gewünschte
Verzögerung von minimal 30 ns zu erreichen, wurden vier solcher Verzögerungsglieder in
Serie geschaltet. Für jede positive Flanke des Triggers wird ein Impuls generiert. Um einen
Impuls generieren zu können, wird das Signal gesplittet und auf zwei Delay-Lines geführt.
Diese zwei Delay-Lines verzögern das Signal unterschiedlich. Die Differenz beider Signale
entspricht der Dauer des Impulses. Mittels einer einfachen AND/NAND-Schaltung und
der beiden unterschiedlich verzögerten Signale wird der Impuls generiert. Der eingesetzte Laser sendet Licht im Infrarotbereich aus. Um diesen zu treiben wird ein Lasertreiber
eingesetzt.
Z1: Zoom von 1 ns-Puls; C1 (rot): Trigger, C2 (gelb): generierter Puls
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Graduate Candidates Yannick Suter, David Wright
ExaminerProf. Dr. Heinz Mathis
Yannick
Suter
Co-Examiner
Stefan Hänggi, Armasuisse, Bern
Subject Area
Mobilkommunikation
David
Wright
Energy Harvesting for HSRvote
Using the piezoelectric effect
The HSRvote
A plot of the charging and transmission process: input voltage
(turquoise), buffered voltage (green – red), applied force (blue)
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Introduction: There is a fast-spreading interest in the process of energy harvesting in contrast to centralized respectively localized power plants that generate large amounts of
energy. Energy harvesting exploits the behaviour of a device operator or the device itself
and stores small amounts of energy generated from kinetic, thermal, or any other ambient
energy to operate a low power device. One possible way to transform kinetic into electrical energy is piezoelectricity. The piezoelectric effect is best known for its use in gas grills,
camping stoves and lighters, where a great amount of force is generated by a mechanic
shock which causes a deformation of the piezoelement. The element in turn accumulates
an electrical charge, which is then used to ignite the gas. Another well-known application
that uses the electromechanical effect in the reverse direction is the piezo buzzer which
generates sound. This effect is mostly used in sirens and fire alarms.
Objective: The objective of this thesis is a high efficiency discrete circuit design that exploits the potential of piezoelectric energy harvesting to power a wireless radio frequency
(RF) transceiver developed by the Institute for Communication Systems (ICOM), the HSRvote. The device is used for multiple choice tests or voting and has four buttons. It is
desired that, by pushing either of these buttons, the energy that is necessary to start the
controller and transmit the information to the receiver is generated and buffered. In addition to the energy supply, the buttons are still to be used as the source of information as
to which button was pushed. In order to decrease the energy usage of the device, modifications of the software are also to be undertaken, but the controller is not to be replaced.
Result: Since the energy output of piezoelements is extremely small, it was essential that
every element of the circuit lay in the nanopower range. Therefore a special self-supplying
active rectification circuit was designed which implemented the function of diodes with
far superior efficiency compared to conventional rectifiers. In order not to lose energy
through the HSRvote before the desired upper threshold voltage in the storage capacitors was reached, a voltage supervisory circuit was designed. This system connects the
HSRvote to the buffer capacitors as soon as a sufficient energy level is reached. Although
integrated circuits that implement that very behaviour are available at a very low power
level, this power level is unfortunately still too high for this application. Also a discrete
implementation of a Schmitt-Trigger circuit was impossible on account of the very low and
inconstant supply voltage of the necessary voltage reference. Fortunately, another design
idea with a voltage divider and a self-locking Metal Oxide Semiconductor Field Effect
Transistor (MOSFET) circuit could be implemented that requires much less energy and thus
renders the circuit significantly more satisfactory in terms of efficiency. Even though the
energy consumption of the device was able to be reduced by more than 30% by software
modifications and the circuit, it was not possible to generate enough energy by a single
push of a button. Nonetheless it was possible to transmit the information by repeatedly
pushing the button until the desired threshold was reached. Still, this thesis and the results presented therein serve as a deep and fundamental insight into the subject for future
research. It might very well be possible to power the device by the piezoelectric effect,
although significant changes regarding the circuit are in order. Mainly the controller would
have to be replaced by another device which requires a smaller energy supply, for example
an MSP430 controller in combination with a designated RF transmitter. Additionally, the
harvesting circuit would have to be implemented as an Application Specific Integrated
Circuit (ASIC), which would need to be matched to the piezo source. By designing an
ASIC, the behaviour of the circuit could notably be improved regarding its precision and
efficiency, which is undoubtedly crucial for this remarkable application.
Graduate Candidates Matthias Mullis, Lok Lun Tam
ExaminerProf. Dr. Heinz Mathis
Matthias
Mullis
Co-Examiner
Stefan Hänggi, Armasuisse, Bern
Subject Area
Mobilkommunikation
Project Partner
HB9HSR, Rapperswil, SG
Lok Lun
Tam
HSR DemoSat and Ground Station
Development of a demo satellite and establishment of communication with earth-orbiting satellites
Introduction: Since 1957, thousands of satellites have been launched into orbit. They are
used for a large number of purposes such as observing the earth and its movements,
broadcasting radio and television, sending navigation signals, watching weather conditions, transmitting phone calls and much more. The HSR, which is involved in the CubeETH
project, is newly in possession of a ground station to track and communicate with those
satellites. But it is not yet comfortable to use due to lack of tracking automation.
Objective:
.. The HSR ground station, consisting of antennas, radio equipment, a motor controller
and other hardware, is to be extended and optimized. A satellite is to be automatically
tracked to communicate with it.
Satellites surrounding the earth (Source: European Space Agency ESA)
.. In addition, a small demo satellite (10 ×10 ×10 cm) must be developed. Similar to the
ongoing project CubETH, a transceiver that is capable of modulating and demodulating FSK and AFSK should be used. The demo satellite is used to test the new ground
station and therefore must be able to send packets to and receive commands from the
ground station.
Result:
.. The ground station is able to follow satellites with its two motors automatically. A
software application is used to calculate the azimuth and elevation angles into motor
movements. Also, the Doppler shift is taken into account, so the user can fully concentrate on his or her activities, such as listening to the ISS astronauts. There is the option
to use the station as an internet gateway for the Automatic Packet Reporting System
(APRS).
HSR ground station antenna mast with two x-quad and one multiband
monopol antenna
.. The developed demo satellite is able to send AFSK modulated data. Due to its integrated GPS module, the HSR DemoSat is traceable over APRS. The hardware has been
designed to the point that the functionality of the satellite can be easily extended by
software.
Developed HSR DemoSat with receive, transmit and GPS antenna
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Graduate Candidates Linus Kistler, Matthias Meienhofer
ExaminerProf. Dr. Heinz Mathis
Linus
Kistler
Co-Examiner
Stefan Hänggi, Armasuisse, Bern
Subject Area
Mobilkommunikation
Matthias
Meienhofer
Phase centre simulation and measurement of a GNSS antenna for cubETH
.
Introduction: This study deals with the phase centre of GPS antennas, assembled on a
cube-sat, the cubETH. The phase centre is defined as the point of an antenna from which
radiation emanates spherically in every direction. The location of the phase centre may be
affected by the antenna structure, and only individual analysis can establish its exact location. Geodesic measurements involving antennas can, for example, be set to a very high
standard in terms of accuracy. Inexactitude is highly problematic, especially in space technology. The main objective of this study is to investigate the difference the phase centre
encounters when such an antenna is first considered as an individual, independent unit
and is then installed as part of a quadruple antenna array, on a satellite.
Model of the satellite (cubETH) with the designated phase centre and
the associated phase pattern
Approach/Technologies: Utilization of the two conventional radio frequency simulation
tools, CST MWS and Ansys HFSS, allow effects to be investigated by virtual means. Practical observation and measurement of the effects were performed in the university‘s internal anechoic chamber. Because no phase measurements had ever been carried out there,
every aspect of the system initially needed to be reviewed. Based on the measurements
obtained, an additional mathematical approach enabled the phase centre position to be
computed, which shortened the procedure.
Result: Comparison of the results not only revealed differences among the simulation
software, but also produced notable measurements. A significant displacement of the
phase centre was confirmed. However, although an antenna array appears to present a
viable solution, detailed examination is recommended in order to guarantee precision.
The current study lays a comprehensive basis for further research and development in this
field of application.
Antenna under test in an anechoic chamber, mounted onto a specifically
developed positioning system
Measured phase patterns of the patch antenna; used to determine the phase centre
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Diplomanden
Jonas Eugster, Michael Schärer
ExaminatorProf. Dr. Markus Kottmann
Experte
Dr. Markus A. Müller, Frei Patentanwaltsbüro, Zollikon, ZH
ThemengebietRegelungstechnik
Jonas
Eugster
Michael
Schärer
Positionsregelung für einen Quadrocopter
Entwicklung einer überlagerten Regelung
Aufgabenstellung: Der Quadrocopter kann für verschiedenste Anwendungen eingesetzt
werden. Die Luftbildfotografie und der Transport von leichten Gütern in schwer zugängliche Gebiete sind nur zwei Beispiele der vielseitigen Einsatzmöglichkeiten. Es wurden
bereits einige Bachelor- und Studienarbeiten zu diesem Themenbereich an der HSR durchgeführt. Sensorik und Regelung wurden bei diesen Arbeiten direkt auf dem Quadrocopter
montiert. In dieser Arbeit soll eine Positionsregelung für einen ferngesteuerten Quadrocopter entwickelt werden. Dabei soll mit Hilfe einer externen Sensorik die Position erfasst
und geregelt werden. Zu den intern stabilisierenden Inertialsensoren soll eine überlagerte
Regelung implementiert werden, die es erlaubt, eine definierte Position zu halten.
Abbildung 1: Quadrocopter Hubsan X4
Vorgehen: Mit einer handelsüblichen Webcam wird der Quadrocopter erfasst. Das implementierte Modell übernimmt dabei folgende Aufgaben:
.. Detektion im Bild
.. Positionserkennung (X-, Y-, Z-Anteil)
.. Aufbereitung der Signale
.. Positionsregelung
Die Signale des Reglers werden über den Digital-/Analogwandler an die Fernsteuerung
übertragen. Sie lenken den Quadrocopter zu der gewünschten Position. Somit wird der
Regelkreis geschlossen. Um eine exakte Regelung zu ermöglichen, wird das Modell auf
einem Echtzeitsystem ausgeführt. Dies erlaubt dem Regler 15-mal in der Sekunde die
Korrektursignale zu erneuern.
Abbildung 2: Aufbau des Regelkreises
Ergebnis: Bei der Modellierung des Systems wurde festgestellt, dass im Regelkreis eine
Verzögerung besteht. Diese wird durch die Kamera erzeugt. Für eine optimale Positionsregelung müssen die Signale aufbereitet werden. Mit einem geeigneten PID-Regler kann
sichergestellt werden, dass die gewünschte Position mit einer maximalen Toleranz von
± 3 cm gehalten wird.
Abbildung 3: Schematische Darstellung des geschlossenen Regelkreises
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Diplomanden
Roger Bader, Nicolas Vogt
Examinatoren
Prof. Dr. Markus Kottmann, Prof. Heinz Domeisen
Experte
Dr. Markus A. Müller, Frei Patentanwaltsbüro, Zollikon, ZH
ThemengebietRegelungstechnik
Roger
Bader
Nicolas
Vogt
Schnelle digitale Regelung
Machbarkeitsstudie eines Reglers für Präzisionsmaschinen
Ausgangslage: Zur Steuerung ihrer Systeme setzt eine namhafte Firma seit Jahren ihre
selbst entwickelte Steuerung ein. Aufgrund der hohen Anschaffungs- und Unterhaltskosten dieser Steuerung und der rasanten Entwicklung im Bereich der industriellen Steuerungen und echtzeitfähigen Bussysteme, wird in dieser Bachelorarbeit evaluiert, ob eine
solche industrielle Steuerung als Alternative in Frage kommt.
Kaskadenregelung
Vergleich des dynamischen Verhaltens der Regler. Ergebnisse werden in
Abhängigkeit der Temperatur angezeigt.
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Vorgehen: Zur Bestimmung der Einsetzbarkeit der industriellen Steuerung wurden sowohl
theoretische als auch praktische Kriterien festgelegt, welche auf einem einfachen System getestet wurden. Für die Messungen mussten die wesentlichen Einflussfaktoren und
Störgrössen ermittelt und herausgefiltert werden. Zur Ansteuerung wurde eine Kaskadenregelung verwendet, welche das Stromsignal für den Motor aus einer vorgegebenen
Sollposition berechnet. In den einzelnen Abschnitten wurden PI-Regler gewählt und die
anschliessende Bestimmung der Reglerparameter in Matlab durchgeführt. Da schnell und
genau positioniert werden muss, ist die Anforderung an das Programm hoch. Die Steuerung muss den vorhandenen Programmcode in einer nützlichen Zeit abarbeiten, damit
die Prozessdaten fristgerecht versendet oder eingelesen werden können. Deshalb ist der
Code einfach und effizient geschrieben. Eine normierte Programmiersprache, welche speziell für industrielle Steuerungen bestimmt ist, unterstützt diese Umsetzung.
Ergebnis: Die getestete Steuerung erreicht die Anforderung mit einer Zykluszeit von 250
Mikrosekunden. Die Messungen haben ergeben, dass die Genauigkeit ebenfalls gut ist.
Umwelteinflüsse, wie erhöhte Temperaturen, können die Genauigkeit der Ergebnisse um
bis zu 20% verschlechtern. Auch die Messgeräte kommen an ihre Grenzen, reichen hingegen für einen direkten Vergleich. Die industrielle Steuerung kommt für bestimme Anwendungen als Alternative in Frage.
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