Diplomarbeitsbroschüre 2013

STUDIUM
Bachelorarbeiten 2013
Bachelor of Science FHO in
Elektrotechnik
Vorwort des Studiengangleiters
Sehr geehrte Damen und Herren
Dieses Jahr schliessen 40 Bachelors of Science FHO 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 2013 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 mussten
sie ein tragfähiges Konzept erarbeiten, eine brauchbare Lösung realisieren und einen
ansprechenden technischen Bericht verfassen. 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 unsere Absolventinnen und Absolventen die
elektrotechnischen Probleme gelöst haben.
Wir freuen uns über Ihr Interesse und wünschen Ihnen eine anregende Lektüre.
Rapperswil, im September 2013
Prof. Dr. Ing. Heiner Prechtl
Studiengangleiter Elektrotechnik
3
Preisstifter
Electrosuisse SEV, Fehraltdorf ZH
Mettler-Toledo AG, Greifensee ZH
Phonak AG, Stäfa ZH
Sensirion AG, Stäfa ZH
Swiss Engineering STV, Zürich
4
Examinatorinnen und Examinatoren
Prof. Reto Bonderer
19, 20, 21, 22
Prof. Erwin Brändle
23, 24
Dr. Martin Geidl
25, 27, 28
Prof. Guido Keel
29, 30
Prof. Dr. Markus Kottmann
34, 35
Prof. Dr. Heinz Mathis
32, 33
Prof. Dr. Guido Schuster
Prof. Dr. Jasmin Smajic
11, 12, 13, 14, 15
16, 17, 18
Prof. Dr. Paul Zbinden
31
Alfred Züger
26
5
Experten
Dr. Bogdan Cranganu-Cretu
Dr. Iossif Grinbaum
16, 17
Stefan Hänggi
32, 33
Prof. Dr. Petr Korba
Dr. Markus A. Müller
Frank Pleuler
Urs Reidt
Dr. Robert Reutemann
Dr. Walter Sattinger
Theo Scheidegger
Ramun Schmid
Gabriel Sidler
Prof. Martin Wiederkehr
6
18
27
34, 35
28
19, 20, 21, 22
29, 30, 31
25
23, 24
15
11, 12, 13, 14
26
Themen
Digitale Bildverarbeitung
DNA Image Registration
11
Digitale Signalverarbeitung
Automatische Erfassung des Pittsburgh-Schlafqualitätsindex (PSQI) mittels einer
intelligenten Matratze
12
Automatische Ohrmodellerzeugung
13
Präzise und schnelle digitale Echtzeit-FM-Demodulation für ein Rotationsmessgerät
14
Pseudo-vectorcardiogram15
Elektromagnetische Felder und Wellen
Electro-magnetic field simulation of a synchronous machine
16
Elektromagnetische Analyse eines Synchronmotors
17
Elektromagnetische Analyse eines trockenen Distributionstransformators
18
Embedded Software Engineering
Disturber zur Generierung von reproduzierbarem Fehlverhalten des CAN-Busses
19
Mobile Data Logger
20
Netzmonitor zur Überwachung der 230-V-Hausinstallation
21
Testbench für die automatisierte Testdurchführung von Embedded Software
22
Embedded Systems
Multiprocessor-Network CAN / SPI
23
Testbed for Robot Chassis
24
Energiesysteme
Analyse der direkten Leiterseiltemperaturmessungen auf einer 220- und einer
380-kV-Leitung25
Ausbau des Pumpspeicherkraftwerks Etzelwerk
26
Ausbildungsmodul zum Thema Lastfluss in elektrischen Netzen
27
Untersuchung des Stromverbrauchs und Identifikation von
Verbrauchsverschiebungspotential28
7
Themen (Fortsetzung)
Mikroelektronik
Integrierter LCD-Display-Treiber
29
Messung von Kapazitäts-Arrays
30
Realisierung eines Sigma-Delta-Wandlers als Semi-Custom-Schaltung
31
Mobilkommunikation
Digital IQ demodulator based on two-channel FPGA-based digitiser
32
Position and velocity measurement of rock falls
33
Regelungstechnik
8
Hardware / Software zur Regelung eines Quadrocopters
34
Interaktive Testumgebung für Regler
35
Bachelors, Diplomandinnen und Diplomanden
Abplanalp Dany
31
Bammatter Adrian
12
Baumann Eric
16
Bertsch Samuel
34
Boos Nadine
30
Brunner Theo
21
Brunold Reto
28
Camenzind Matthias
19
Cardillo Biagio
34
Derrer Rico
14
Diethelm Matthias
14
Di Pino Giorgio
17
Fässler Roger
30
Fischbacher Christoph
18
Glaus Stefan
17
Haltmann Patrick
27
Helbling Roger
22
Helbling Stefan
23
Hinder Matthias
25
Hunziker Thomas
26
Keller Kevin
12
Kofmehl Lukas
24
Kuoni Marco
19
Malacarne Selina
33
Manatschal Dumeni
32
Marti Andreas
35
Mettler Roger
13
Nestler Raphael
11
Oehler Philipp 15
Peter Marc
28
Pult Jonas
22
Riedel Philipp
11
Röllin Lukas
27
Sabathy Mischa
33
Schälle Anina
31
Schnyder Michael
29
Vogt Fabian
23
Winterhalter Christian
21
Ziegler Andreas
20
Zweifel Tina
15
9
10
Diplomanden
Raphael Nestler, Philipp Riedel
ExaminatorProf. Dr. Guido Schuster
Experte
Gabriel Sidler, Eivycom GmbH, Uster ZH
ThemengebietDigitale Bildverarbeitung
Projektpartner
Raphael
Nestler
Qiagen Instruments AG, Hombrechtikon ZH
Philipp
Riedel
DNA Image Registration
Untersuchung und Entwicklung von verschiedenen Registrierungsalgorithmen mit Anwendung in der optischen
DNA-Sequenzierung
Aufgabenstellung: Diese Arbeit befasst sich mit einem Teilproblem im Gebiet der DNA-­
Sequenzierung mittels eines optischen Verfahrens. Die Aufgabe ist, vier verschiedene
Basen­bilder auf ein Referenzweissbild zu registrieren.
Aufnahme einer Flow-Cell mit DNA-Beads
Links: Resultat einer Registrierung mit Ausreissern; rechts: Verbesserung
mittels Viterbi-Algorithmus; unten: Viterbi-Funktionsweise
Vorgehen: Verschiedene bestehende Registrierungsverfahren wurden auf ihre grundlegende Eignung für das vorliegende Registrierungsproblem überprüft. Diejenigen Methoden, welche sich eigneten, wurden in MATLAB implementiert und bezüglich Genauigkeit
und Geschwindigkeit mit dem bestehenden Verfahren des Instituts für Kommunikationssysteme ICOM an der HSR verglichen. Es wurden spezifisch auf das Problem angepasste
Algorithmen entwickelt, welche die Eigenschaften der entsprechenden Bilder mit einbeziehen. Zum Vergleich der verschiedenen Verfahren und Algorithmen dienten einerseits
zur Verfügung gestellte Basenbilder sowie künstlich erzeugte Bilder mit bekannter affiner
Transformation.
Ergebnis: Es konnte gezeigt werden, dass sich blockbasierte Verfahren für das Problem
gut eignen und dass Gradientenabstiegs- und Feature-Matching-Verfahren für die Problemstellung ungeeignet sind. Das bestehende Verfahren des ICOM, welches auf der Phasenkorrelation basiert, wurde optimiert. Um den zirkularen Fehler der Phasenkorrelation
zu dämpfen, wurde ursprünglich ein Hamming-Fenster verwendet. Es wurde gezeigt, dass
dies in der Anwendung zu einer Verschlechterung führt. Zusätzlich ist ein Motion-Prediction-Verfahren entwickelt worden, das von der Bildmitte heraus registriert. Es erreicht eine
sehr hohe Qualität in der Registrierung, hat jedoch eine höhere Laufzeit. Ebenfalls wurde
eine auf dem Viterbi-Algorithmus basierende Methode entwickelt, welche die Qualität
der Registrierung in einem zweiten Schritt verbessern kann. Darauf basierend wurde ein
neuartiges Verfahren entwickelt, um mittels des List-Viterbi-Algorithmus den Pfad durch
ein zweidimensionales Netz zu optimieren. Tests zeigten, dass dieses Verfahren keine wesentlich besseren Resultate liefert als der ursprüngliche Viterbi-Algorithmus, jedoch die
Laufzeit signifikant höher ist. Zum Vergleich der Algorithmen wurden Kriterien, wie die
Smoothness, definiert sowie eine grafische Testapplikation implementiert, welche automatisierte Tests durchführen kann. Eine Untersuchung der zur Verfügung gestellten Datensätze brachte Aufschluss darüber, welche Störfaktoren, die die Registrierung erschweren, auftreten können.
Vergleich der Registrierungsqualität der entwickelten Algorithmen
11
Diplomanden
Adrian Bammatter, Kevin Keller
ExaminatorProf. Dr. Guido Schuster
Experte
Gabriel Sidler, Eivycom GmbH, Uster ZH
ThemengebietDigitale Signalverarbeitung
Projektpartner
Adrian
Bammatter
FoamPartner Fritz Nauer AG, Wolfhausen ZH
Kevin
Keller
Automatische Erfassung des Pittsburgh-Schlafqualitätsindex (PSQI) mittels einer
intelligenten Matratze
Datenanalyse zur indirekten Bestimmung der Schlafqualität
Aufgabenstellung: Mit dem Pittsburgh-Schlafqualitätsindex (PSQI) besteht ein etabliertes
Mass zur Messung der Schlafqualität. Der Index wird aufgrund eines Fragebogens errechnet, der neben diversen subjektiven Empfindungen auch Schlafdaten wie die «Zu-BettGeh-Zeit», die Wachliegezeit, die Schlafdauer oder das Vorhandensein von Atemproblemen erfragt. In einer früheren Bachelorarbeit wurde bereits ein Messsystem in Form einer
intelligenten Matratze entwickelt, mit welcher man Bewegungen, Atmung sowie den
Herzschlag während des Schlafes überwachen kann. Ziel dieser Arbeit ist, aufgrund dieser Daten, die objektiven Komponenten des PSQI zu bestimmen, um anschliessend eine
möglichst gute Schätzung des realen Testresultats zu produzieren.
Summensignal mit rot eingezeichneten Detektionen (oben), Anzahl
belasteter Bereiche auf der Matratze (unten)
Detektierte Bewegungen und relative Bewegungshäufigkeit
(Bewegungsdichte)
Atmungssignal mit gekennzeichneter Apnoe
12
Vorgehen: Der Hauptteil dieser Arbeit befasst sich zunächst mit der Erkennung der Liegezeiten. Diese geben Aufschluss darüber, wie lange und zu welchen Zeiten ein Proband
auf der Matratze liegt. Dazu werden die Bereiche der Matratze erkannt, die eine gewisse
Last aufweisen, und aufgrund deren Anzahl, ob eine Person auf der Matratze liegt. Im
Anschluss wird die Schlafdauer und die Wachliegezeit erkannt. Mittels einer gleitenden
Varianz können die relevanten Bewegungen aus den Messdaten gewonnen werden, um
danach die Häufigkeit von Bewegungen in einem definierten Zeitfenster zu berechnen.
Um die Einschlafzeitpunkte zu erkennen, wird von der Behauptung ausgegangen, dass
eine Person, die sich während zehn Minuten nie bewegt, eingeschlafen ist. Zuletzt wird
die Atmung analysiert, um Atemprobleme feststellen zu können. Mittels der AC-Leistung werden mögliche Atemaussetzer ermittelt und danach mittels Autokorrelation überprüft. Aufgrund der ermittelten Features erfolgt die automatische PSQI-Bestimmung. Zum
Schluss werden diese Werte mit den tatsächlichen Werten verglichen.
Ergebnis: Die geforderten Features werden mit relativ hoher Genauigkeit erkannt. Aufgrund der vielen subjektiven Komponenten, die einen grossen Einfluss auf das Ergebnis
haben, treten jedoch vereinzelt hohe Abweichungen zum tatsächlichen PSQI-Wert auf.
Die numerischen Daten werden häufig auf die Minute genau gemessen, während bei der
manuellen Bewertung ungenauere Zeitangaben gemacht werden. Schlussendlich kann
gesagt werden, dass der PSQI eine schwierige Referenz für die automatische Messung der
Schlafqualität darstellt. Vielmehr müsste man ein eigenes Mass einführen, welches die
messbaren Fakten einer einzelnen Nacht stärker berücksichtigt.
DiplomandRoger Mettler
ExaminatorProf. Dr. Guido Schuster
Experte
Gabriel Sidler, Eivycom GmbH, Uster ZH
ThemengebietDigitale Signalverarbeitung
Projektpartner
Phonak AG, Stäfa ZH
Roger
Mettler
Automatische Ohrmodellerzeugung
Von der Erfassung eines Ohrs mit einem 3-D-Scanner bis zur Erzeugung des Modells als Polygonnetz
Ausgangslage: Die Form unseres Ohrs hat entscheidenden Einfluss auf die wahrgenommene Akustik. Um die akustischen Eigenschaften des Hörgeräts auf das individuelle Ohr
anzupassen, wird die Geometrie des Hörgangs vorgängig erfasst. Für die Ohrmuschel
wird hingegen ein durchschnittliches Ohr angenommen. Eine bessere Anpassung würde
ein 3-D-Modell der Ohrmuschel voraussetzen. Als Ziel dieser Arbeit soll deshalb ein Prototyp realisiert werden, der auf einem bestehenden 3-D-Scanner aus einer Studienarbeit
aufbaut und automatisch ein 3-D-Modell des erfassten Ohrs erstellt.
Skizze des 3-D-Scanners
Projizierter vertikaler und horizontaler Gray-Code während des
Scan-Vorgangs
Vorgehen / Technologien: Die Kalibration des 3-D-Scanners, bestehend aus einem Projektor und drei Kameras, baut auf der «Camera Calibration Toolbox» für Matlab auf. Der
Kalibrationsvorgang wurde so erweitert, dass er – bis auf das Erfassen des Kalibrationsmusters – automatisch abläuft. Zur Erfassung des Ohrs wird durch den Projektor ein GrayCode-Muster projiziert. Die so identifizierten Punkte werden unter Anwendung eigener
Algorithmen in eine 3-D-Punktwolke des Ohrs zurückgerechnet. Um zum Schluss ein 3-DOhrmodell zu erhalten, wird mithilfe des «Poisson Surface Reconstruction»-Algorithmus
ein Polygonnetz über die Punktwolke gelegt. Für Referenzmessungen wird ein Tetraeder
eingescannt, dessen Seitenflächen in der Punktwolke mithilfe eines RANSAC-Algorithmus
gefunden werden. Aus diesen können sämtliche Längen und Winkel abgeleitet und mit
der Vorlage verglichen werden.
Ergebnis: Ausgenommen von leichten Verzerrungen am Bildrand erwies sich die intrinsische Kalibration als sehr gut. Die verwendete extrinsische Kalibration ist weniger exakt, was zu leichten Skalierungsfehlern führt. Die Generierung der Punktwolke und die
anschliessende Oberflächenrekonstruktion funktionieren sehr gut und stabil. Zu Fehlern
kommt es hingegen, wenn sich das Objekt zu stark bewegt.
Resultierendes Ohrmodell als Polygonnetz nach der Oberflächenrekonstruktion
13
Diplomanden
Rico Derrer, Matthias Diethelm
ExaminatorProf. Dr. Guido Schuster
Experte
Gabriel Sidler, Eivycom GmbH, Uster ZH
ThemengebietDigitale Signalverarbeitung
Projektpartner
Rico
Derrer
Insoric AG, Stein am Rhein SH
Matthias
Diethelm
Präzise und schnelle digitale Echtzeit-FM-Demodulation für ein Rotationsmessgerät
Verfahrensanalyse und Implementation
Ausgangslage: Das Institut für Kommunikationssysteme ICOM an der Hochschule für
Technik Rapperswil hat für die Firma Insoric AG in einer früheren Arbeit ein hochpräzises Rotationsmesssystem entwickelt. Das damals verwendete Verfahren ermöglicht eine
stationäre Genauigkeit von 1 mHz bei einer Rotationsfrequenz von 20 Hz. In dieser Bachelorarbeit sollen alternative Frequenzbestimmungsmethoden evaluiert und umgesetzt
werden. Dabei besteht das Ziel darin, ein Rotationsmesssystem zu entwickeln, welches
gegen­über dem bestehenden System einen erweiterten Anwendungsbereich bei gleichbleibender Genauigkeit bietet.
Prototyp Vorder- und Rückseite
Blockschaltbild Extended-Kalman-Filter
Vergleich fMessung mit fReferenz
14
Vorgehen: Die Arbeit lässt sich grob in drei Bereiche aufteilen: Vorbereitung, Umsetzung
und Auswertung. Die Vorbereitung beinhaltet unter anderem das Design und den Aufbau eines Prototypen. Die Literaturrecherche bezüglich verschiedener digitaler FM-Demodulationsverfahren und das Erstellen eines PC-Interfaces bilden weitere Bestandteile der
Vorbereitung. In der Umsetzungsphase sollen die verschiedenen Verfahren in Matlab geprüft und das meist versprechende Verfahren gewählt werden. Dieses ist anschliessend in
der Firmware umzusetzen. Während der Auswertung soll das System ausgetestet werden,
um eine qualifizierte Aussage über die Genauigkeit und Geschwindigkeit zu ermöglichen.
Ergebnis: Die Frequenzbestimmung durch einen Extended-Kalman-Filter EKF hat sich gegenüber den anderen getesteten Verfahren – Sampling Phase-Locked Loop (SPLL) und
Polardiskrimination – am besten bewährt. Zur Bestimmung der Genauigkeit wurden mehrere Messungen im Bereich von 5 Hz bis 40 Hz gemacht und die gemessene Frequenz mit
der Referenzfrequenz verglichen. Das verwendete EKF erreichte dabei eine relative Genauigkeit von unter zwei Promille. Nach erfolgreichem Verbindungsaufbau via Bluetooth
wird innerhalb von 2,5 ms der erste Frequenzwert geliefert. Bei sprunglosen Frequenzveränderungen zeigt das EKF eine Zeitverzögerung von unter 0,5 s, womit das gewünschte
Echtzeitverhalten erreicht wurde. Mit Blick auf zukünftige Erweiterungen dieser Arbeit
kann gesagt werden, dass das Prinzip des Schätzers grosses Potential für die Frequenzmessung aufweist. Ein Unscented-Kalman-Filter UKF anstelle des EKF oder die dynamische
Anpassung der Kovarianzmatrizen sind zwei der möglichen Ansätze.
Graduate Candidates Philipp Oehler, Tina Zweifel
ExaminerProf. Dr. Guido Schuster
Philipp
Oehler
Co-Examiner
Ramun Schmid, Schiller AG, Baar ZG
Subject Area
Digitale Signalverarbeitung
Project Partner
Schiller AG, Baar ZG
Tina
Zweifel
Pseudo-vectorcardiogram
From derivation to adaptive use
Introduction: It is a fact that the heart is one of the most important organs in the human
body, which makes it vital that medical practitioners diagnose abnormal functionalities.
To record the electrical stimulation of the heart muscle, a helpful piece of equipment is
the Electrocardiogram (ECG). The electrodes must be fixed on different positions on the
body, so the difference of potential can be measured (so-called leads). There are several
possibilities to get the vectorcardiogram (VCG) out of the ECG. Some of them are purely
mathematical approaches; one other method is to measure it directly. In the following, we
go into the mathematical way in detail.
Electrocardiogram with 12 standard leads I, II, III, aVR, aVL, aVF and
V1 to V6
Stimulation of the heart muscle
Approach / Technologies: One method to convert the ECG into a VCG is Principal Components Analysis (PCA). PCA makes it possible to identify patterns in data. It searches the
components with the highest variance in a certain direction, so that the new dataset is
uncorrelated and orthogonal. Taking only the three most important components results in
the VCG. The next step is to make it possible to use PCA in an adaptive way, so that the
data can be handled consecutively. The Jacobi algorithm offers a brilliant opportunity for
that. The eigenvectors of the covariance matrix are used to find the principal components.
Instead of calculating the eigenvectors for every new symmetrical covariance matrix it is
assumed that the diagonal matrix (containing the eigenvalues of the covariance matrix)
do not change much. The Givens rotations do the rest to diagonalise it again and create
new adapted eigenvectors for the next data block.
Solution: The results clearly show the performance of the Jacobi Algorithm. It is a perfectly
tailored method for our particular need. Having integrated the code, the eigenvectors
converge very fast. Moreover, it can be easily implemented and with very few lines of code
in an embedded system. In case of any signal perturbations, the Jacobi Algorithm reacts in
a stable way and is still able to calculate eigenvectors.
Procedure of the Principal Components Analysis
15
Graduate Candidate
Eric Baumann
ExaminerProf. Dr. Jasmin Smajic
Co-Examiner
Dr. Iossif Grinbaum, ABB Schweiz AG, Baden-Dättwil AG
Subject Area
Elektromagnetische Felder und Wellen
Project Partner
ABB Schweiz AG, Baden-Dättwil AG
Eric
Baumann
Electro-magnetic field simulation of a synchronous machine
Rotor eccentricity
Introduction: ABB produces big synchronous engines which directly drive big ore mills
without the need of a gear. To achieve this goal, the engine is built around the mill. This
approach has already been successfully implemented. The rotors of these machines have
a diameter of approximately 10 m with an air gap of only about 1,5 cm. Due to heat dissipation from the windings and heat created in the iron, both the rotor and the stator
expand, which ultimately leads to rotor eccentricity.
Figure 1: The conductors (blue) of the stator excitation placed in the
slots of the stator (green)
Objective: The degree to which possible rotor eccentricity affects the electrical and mechanical behaviour of the machines is as yet mostly unknown. The problem with such
big machines is that the parameters which describe the machine cannot be that easily
determined by actual measurement. Also, a mathematical approach using analytical expressions does not provide a promising approach. However, the field of computational
electro-magnetics, which applies maths in a whole new way, offers a lot of potential. It
is thus the goal of this bachelor thesis to set up a 2-D model of a small synchronous machine from the laboratory to see whether the computer model can accurately represent
the behaviour of the machine.
Result: The software which is used is called Ansys Maxwell. Using the CAD tool provided,
a model can be conveniently drawn. After the materials and their properties have been
defined and assigned the software allows for the display of a wide array of results, such
as magnetic field configuration (vector field), resulting torque, inductance matrix, induced
voltage etc. The results obtained from the simulation match the data obtained from the
measurements very well. Thus computational electro-magnetics can serve as a powerful
tool to describe the behaviour of electric machines with or without rotor eccentricity.
Figure 2: The magnetic flux density in proximity of the centre of the
rotor depicted in vector form
Figure 3: The magnitude of the magnetic flux density in the whole machine
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Diplomanden
Giorgio Di Pino, Stefan Glaus
ExaminatorProf. Dr. Jasmin Smajic
Experte
Dr. Iossif Grinbaum, ABB Switzerland Ltd., Baden-Dättwil AG
ThemengebietElektromagnetische Felder und Wellen
Projektpartner
Giorgio
Di Pino
ABB Switzerland Ltd., Baden-Dättwil AG
Stefan
Glaus
Elektromagnetische Analyse eines Synchronmotors
Einfluss der mechanischen Rotor-Exzentrizität auf das Verhalten eines Synchronmotors
Ausgangslage: Mechanische Asymmetrie und Exzentrizität des Rotors beeinflussen die
elektromagnetischen Eigenschaften eines Synchronmotors. Der Stator eines grossen Synchronmotors hat eine waagrechte Längsachse und ist normalerweise auf einem eigenen
Fundament aufgesetzt und befestigt. Er dehnt sich bei der Erwärmung unabhängig vom
Rotor aus, was eine Exzentrizität verursacht. Zusätzlich wird diese auch durch unsymmetrische Gehäusefestigkeiten und thermische Ausdehnung bei axialer Kühlung ausgelöst.
Diese Exzentrizität löst eine asymmetrische Feldverteilung im Luftspalt der Synchronmaschine aus und erzeugt damit in den parallelen Zweigen der Statorwicklung einen Ausgleichstrom. Dies hat zu Folge, dass eine gewisse magnetische Gegenkraft und eine Verminderung des Drehmoments des Motors entsteht.
Ausgleichströme in den Parallelzweigen
Ziel der Arbeit:
.. Wahl eines geeigneten Synchronmotors für die theoretische und experimentelle
Untersuchung
.. Aufbau und Vorbereitung der Synchronmaschine für die Messungen
.. Experimentelle Untersuchungen mit und ohne Exzentrizität der Synchronmaschine
und Auswertung der Messergebnisse
Drehmomentkennlinie der drei Messungen mit unterschiedlicher
Exzentrizität
Ergebnis: Die Seriestränge der Synchronmaschine wurden erfolgreich zu Parallelsträngen
umverdrahtet, womit der Ausgleichstrom gemessen werden konnte. Die Synchronmaschine wurde so bearbeitet, dass sie im Originalzustand und mit Exzentrizität des Rotors
gemessen werden konnte. Werden nun beide Messergebnisse miteinander verglichen, so
ist ersichtlich, dass bei maximaler Exzentrizität der Ausgleichstrom in den Parallelsträngen
gestiegen und das Drehmoment im Vergleich zur Nullstellung um 3% gesunken ist. Durch
diese Beweise wurde die Berechnung der Ausgleichströme möglich.
Übersicht der Synchronmaschine und Entstehung der Parallelzweige der Statorwicklungen
17
DiplomandChristoph Fischbacher
ExaminatorProf. Dr. Jasmin Smajic
Experte
Dr. Bogdan Cranganu-Cretu, ABB Switzerland Ltd., Baden-Dättwil AG
ThemengebietElektromagnetische Felder und Wellen
Projektpartner
ABB Switzerland Ltd., Baden-Dättwil AG
Christoph
Fischbacher
Elektromagnetische Analyse eines trockenen Distributionstransformators
Erstellung eines 2-D-Simulationsmodells
Ausgangslage: Das moderne Design von trockenen Transformatoren basiert auf mathematischer Optimierung ihrer Ziele. Dazu gehören unter anderem die minimalen Mate­
rial- und Herstellungskosten, die bestmögliche Transformatorqualität und die vollständige
Erfüllung der technischen Anforderungen. Um diese Ziele zu erreichen, müssen die Berechnungen der Transformatorkennwerte sehr schnell und genau sein. Ziel der Arbeit ist,
eine analytische und numerische Berechnung des magnetischen Feldes, der Streuimpedanz und der magnetischen Kurzschlusskräfte eines trockenen Distributionstransformators zu simulieren.
Darstellung der magnetischen Feldstärke H in Abhängigkeit vom
Abstand zum Schenkel (obere Trafohälfte)
Vorgehen: Anhand der Geometrie eines bestimmten Transformators werden die analytischen Methoden zur Berechnung der Trafoimpedanz und der Kurzschlusskräfte vorgestellt. Zur Überprüfung der erhaltenen Resultate werden die Ergebnisse mittels einer
2-D-Simulation verglichen. Das 2-D-Simulationsmodell der Trafowicklungen wird mit einer
geeigneten Software bereitgestellt.
Fazit: Von Hand und mit Matlab wurden die magnetische Feldstärke und die Kurzschlusskräfte für einen bestimmten Transformator berechnet. Mit Comsol wurde ein 2-D-Simulationsmodell der Trafowicklungen bereitgestellt, das sich in relativ kurzer Zeit simulieren
lässt. Die erhaltenen Ergebnisse wurden grafisch dargestellt und verglichen. Das 2-D-Modell lässt sich einfach und relativ schnell für andere Geometrien desselben Transformatortyps abändern und simulieren. Da die für die Simulation geforderte Menge an Arbeitsspeicher grösser war als die vom benutzten Rechner bereitgestellte, wurde mit einem relativ
groben Netz und dadurch mit einer geringen Anzahl Freiheitsgraden gearbeitet. Demnach
kann mit einem leistungsfähigeren Rechner eine bessere Genauigkeit erreicht werden.
Darstellung der magnetischen Feldstärke H in Abhängigkeit vom
Abstand zum Schenkel (untere Trafohälfte)
2-D-Simulationsmodell der Transformatorwicklungen
18
Diplomanden
Matthias Camenzind, Marco Kuoni
ExaminatorProf. Reto Bonderer
Experte
Urs Reidt, Hamilton Medical AG, Bonaduz GR
ThemengebietEmbedded Software Engineering
Matthias
Camenzind
Marco
Kuoni
Disturber zur Generierung von reproduzierbarem Fehlverhalten des CAN-Busses
CANdisturber
Ausgangslage: Beim von der Firma Bosch spezifizierten CAN-(Controller Area Network-)
Standard handelt es sich um ein asynchrones, serielles Feldbussystem. CAN wird häufig
zur Vernetzung von Steuergeräten in Fahrzeugen sowie in der Automatisierungstechnik
verwendet. CAN ist Multi-Master-fähig und regelt den Buszugriff nach dem CSMA / CR(Carrier Sense Multiple Access / Collision Resolution: «Mehrfachzugriff mit Trägerprüfung
und Kollisionsauflösung»-) Verfahren, wenn mehrere Teilnehmer gleichzeitig Daten senden möchten. Des Weiteren verwendet CAN eine zyklische Redundanzprüfung (CRC) für
die Datensicherung. Das Bussystem wird meist mit drei Leitungen ausgeführt; zwei Datenleitungen, die mit Differenzsignalen arbeiten sowie eine Masseleitung.
Einsatzmöglichkeiten des CANdisturber
Hauptbildschirm des CANdisturber GUI
Ziel der Arbeit: In dieser Bachelorarbeit soll ein CANdisturber erarbeitet werden, der an
einen zu testenden CAN-Bus angehängt werden und defekte Frames und Bitfolgen generieren kann. Es sollen dabei Defekte der Form, des Timings und der elektrischen Parameter
generiert werden. Dabei soll die Reaktion der restlichen Busteilnehmer auf diese Fehlerzustände analysiert werden. Um dieses Ziel zu erreichen, soll die entsprechende Hard- und
Software entwickelt werden.
Ergebnis: Als Grundlage des CANdisturbers musste zunächst ein geeigneter Mikrocontroller gefunden werden, der den hohen Timing-Anforderungen des CAN-Standards genügt
(bis zu 1 MHz, High Speed CAN). Dabei wurde ein Altera Cyclone II FPGA verwendet, auf
dem ein Altera Nios II Softcore implementiert wurde. Der eigentliche CAN-Controller wurde ausserhalb des Softcores, direkt auf dem FPGA, als eine in Verilog beschriebene Hardware umgesetzt. Die nötigen Manipulationen für das Generieren von Fehlerzuständen in
Frames und Bitfolgen wurden direkt im CAN-Controller realisiert. Für die Manipulationen
der elektrischen Parameter wurde eine Leiterplatte entworfen und produziert. Das gesamte System wird von einer grafischen Benutzeroberfläche bedient und überwacht. Am
Ende der Arbeit konnten alle im Pflichtenheft verlangten Fehlerzustände umgesetzt werden. Einzig das Einstellen der Spannungspegel auf dem Bus ist mit dem aktuellen Stand
der Hardware nur eingeschränkt möglich.
CANdisturber-Leiterplatte
19
Graduate Candidate
Andreas Ziegler
ExaminerProf. Reto Bonderer
Co-Examiner
Urs Reidt, Hamilton Medical AG, Bonaduz GR
Subject Area
Embedded Software Engineering
Project Partner
Sportec AG, Höri ZH
Andreas
Ziegler
Mobile Data Logger
Mobile data logger for recording decentrally captured dynamic motor vehicle data
Problem: The company Sportec AG from Höri ZH is a professional tuner for cars and is
also active in motor sports. To analyse and optimise the driving dynamics of racing cars,
Sportec AG needs a measurement system. With this system it should be possible to mea­
sure highly dynamic processes, like length changes of the dampers. At the same time,
slow processes like the oil temperature should also be captured over a longer time, and
the position of the car should be logged by the system with a GPS receiver. Because of the
rough environment, the A / D converters should be placed close to their sensors. To reach
this goal, the system will be realised as a distributed system with data acquisition (DAQ)
modules, which already exist, and with a central data logger.
The position of the DAQ modules and the mobile data logger
The use case diagram of the mobile data logger software
The PandaBoard
20
Proceeding: In the analysis, the specification for the mobile data logger has to be undertaken as the first step, according to the job description. In the next step, the best fitting
hardware has to be evaluated and ordered. After the hardware is chosen, the development of the software, starting with the analysis and followed by the design and the implementation, must be carried out. At the end the whole mobile data logger (hardware
and software) has to be tested.
Result: The PandaBoard running Ubuntu Core was chosen as the embedded platform.
Ubuntu Core has a very small footprint but still allows for the installation of a lot of stan­
dard Linux packets. The mobile data logger software allows five DAQ modules to connect
over a WLAN. Over these connections, the DAQ modules are configured and the mea­
surement started and stopped. With IEEE802.15.4 broadcast messages every 250 ms over
an XBee module, the five DAQ modules are kept in sync. The sensor data which the DAQ
modules send over WLAN are received by the mobile data logger software and saved to
a file on an SD card.
Diplomanden
Theo Brunner, Christian Winterhalter
ExaminatorProf. Reto Bonderer
Experte
Urs Reidt, Hamilton Medical AG, Bonaduz GR
ThemengebietEmbedded Software Engineering
Theo
Brunner
Christian
Winterhalter
Netzmonitor zur Überwachung der 230-V-Hausinstallation
Webbasierte, ereignisgetriggerte Netzqualitätsüberwachung
Ausgangslage: Es kommt nicht oft vor, trotzdem hat es schon fast jeder erlebt: Nach einem Stromausfall funktionieren Kaffeemaschine oder Computer nicht mehr so, wie sie
eigentlich sollten. Eine Störung im Elektrizitätswerk oder in einer Verteilstation verursacht
eine zu hohe Netzspannung, zum Beispiel durch einen Nullleiterunterbruch. Wenn dadurch elektronische Geräte beschädigt werden, ist es schwierig, gegen den Elektrizitätsversorger vorzugehen, da meistens die nötigen Beweise fehlen.
Konzeptioneller Aufbau des Netzmonitors
Aufgabenstellung: Ziel dieser Bachelorarbeit war die Entwicklung eines Netzmonitors.
Dieser soll es ermöglichen, eine quantitative Aussage über die Qualität der Netzspannung
zu machen. Der Strom und die Spannung werden gemessen und daraus verschiedene
Wechselstromgrössen wie Wirk-, Schein- und Blindleistung sowie der Anteil der vorhandenen Oberwellen berechnet. Bei auftretenden Abweichungen vom Normalfall werden
die Messdaten während einer bestimmten Zeit aufgezeichnet und abgespeichert.
Ergebnis: Das Ergebnis dieser Arbeit ist die Konzeption und Umsetzung eines webbasierten Netzmonitors, der zwischen Netz und Verbraucher angeschlossen wird. Über den
integrierten Webserver kann der Netzmonitor konfiguriert sowie der aktuelle Status des
Systems abgefragt werden. Zudem können über das Webinterface Trigger eingestellt werden. Sprechen diese an, wird das Ereignis geloggt und die Daten des betroffenen Zeitabschnitts abgespeichert. Um eine quantitative Aussage über die Qualität der Netzspannung
zu ermöglichen, werden die harmonischen Oberwellen bis 10 kHz berechnet und grafisch
dargestellt.
Ansicht des Webinterface
Aufbau der Hardware
21
Diplomanden
Roger Helbling, Jonas Pult
ExaminatorProf. Reto Bonderer
Experte
Urs Reidt, Hamilton Medical AG, Bonaduz GR
ThemengebietEmbedded Software Engineering
Roger
Helbling
Jonas
Pult
Testbench für die automatisierte Testdurchführung von Embedded Software
Den Vorteil der automatisierten Tests im Embedded-Bereich nutzen
Ausgangslage: Um die Funktionalität einer Software zu garantieren, muss diese vor der
Freigabe geprüft werden. Dies kann aber aufgrund der Komplexität viel Zeit und Kosten
in Anspruch nehmen, weshalb die Verwendung automatisierter Tests in der Entwicklung
von PC-Software bereits etabliert ist. Zudem können solche Tests jederzeit ohne grossen
Aufwand repetiert und reproduziert werden, was die allfällige Fehlersuche beschleunigen
kann. Im Bereich Embedded Software gestalten sich diese Tests etwas schwieriger, da der
Softwareablauf oft durch elektronische Signale mit Echtzeitanforderung beeinflusst wird.
Von der Testbench generiertes Signal zur Prüfung des Schmitt-Triggers
Ziel der Arbeit: Es soll eine Testbench entwickelt werden, die den Vorteil der automatisierten Tests im Embedded-Bereich zulässt. Dazu gehört die Erstellung einer geeigneten
Hardware, welche Signale generiert und überprüft. Wird eine neue Softwareversion zur
Freigabe in das Versionsverwaltungssystem geladen, soll die Testbench den Test starten
und das Ergebnis abspeichern.
Ergebnis: Es wurde ein Prototyp mit einem ARM Cortex-M4F entwickelt, der mit einfachen
Instruktionen gesteuert werden kann und so die nötigen Signale generiert. Für die Konfiguration der Testbench wurde eine Software erstellt, die unter anderem einen Assistenten
zur grafischen Erstellung der Testsignale enthält. Auf dem Computer der Testbench übernimmt die webbasierte Software Jenkins die Kontrolle und steuert den Ablauf der Tests,
welcher wie folgt aussieht:
Software zur Konfiguration der Testbench inklusive Assistent zur
grafischen Signalerstellung
.. Entwickler lädt neue Softwareversion ins Versionsverwaltungssystem
.. Jenkins lädt diese herunter und kopiert sie auf die Hardware
.. Test wird auf dem Embedded System durchgeführt
.. Resultate werden von Jenkins empfangen
.. Für die Rückmeldung an den Entwickler werden die Ergebnisse ins Versions­
verwaltungssystem geladen
Hardwareaufbau mit aufgestecktem Testobjekt
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Diplomanden
Stefan Helbling, Fabian Vogt
ExaminatorProf. Erwin Brändle
Experte
Theo Scheidegger, swens GmbH, Schänis SG
ThemengebietEmbedded Systems
Stefan
Helbling
Fabian
Vogt
Multiprocessor-Network CAN / SPI
Aufbau eines Multiprozessor-Netzwerkes zur gezielten Evaluierung der beiden Bussysteme
Ausgangslage: Am IMES, Institut für Mikroelektronik und Embedded Systems der HSR,
werden innovative Lösungen auf dem Gebiet der eingebetteten Systeme entwickelt und
umgesetzt. In einem zeitnahen Kundenauftrag soll ein in die Jahre gekommenes Analysegerät mit einer komplett neuen Steuerelektronik ausgerüstet werden. Die bis heute
verwendete Elektronik basiert auf einem zentralen Rechner, welcher über komplizierte
Verkabelung alle Peripherieeinheiten ansteuert. Für das neue System sollen verschiedene
dezentrale Mikrocontroller verwendet werden, welche über einen galvanisch getrennten
Bus miteinander kommunizieren.
Blockschaltbild des gesamten Netzwerkes
Ziel der Arbeit: Für das neue Analysegerät soll evaluiert werden, welches Bussystem sich
zur Kommunikation zwischen den einzelnen Mikrocontrollern am besten eignet. Im Fokus
der Analyse stehen die Bussysteme CAN (Controller Area Network) und SPI (Serial Peripheral Interface). Schwerpunkte der Arbeit:
.. Aufbau eines Multiprozessor-Netzwerkes mit mindestens fünf Teilnehmern
.. Untersuchung galvanisch getrennter CAN- und SPI-Transceiver bezüglich System­
tauglichkeit
.. Prüfung des Software- und Hardwareaufwandes
Durch die gewonnenen Erkenntnisse sollen Empfehlungen für die Konzipierung und Umsetzung abgegeben werden können.
Datenmessung auf dem CAN- und SPI-Bus mittels LogicPort
Ergebnis: Mithilfe des aufgebauten Multiprozessor-Netzwerkes haben wir eine detaillierte
Einsicht in die Einsatzgebiete und den Implementationsaufwand der beiden Bussysteme
erhalten. SPI eignet sich besonders für Systeme mit hohen Datenraten, grossen Datenvolumen sowie flexiblen Übertragungsgeschwindigkeiten. Durch das Master-Slave-Prinzip
hat der SPI-Master stets die volle Kontrolle über das Netzwerk. Bei Anwendungen, in welchen grosse Distanzen, einfache Erweiterbarkeit und hohe Störfestigkeit gefordert werden, eignet sich hingegen CAN besser.
Aufbau des Multiprozessor-Netzwerkes
23
DiplomandLukas Kofmehl
ExaminatorProf. Erwin Brändle
Experte
Theo Scheidegger, swens GmbH, Schänis SG
ThemengebietEmbedded Systems
Lukas
Kofmehl
Testbed for Robot Chassis
Eine Testumgebung für autonom agierende Roboter mit seitlich angebrachten Antriebsrädern
Eurobot Roboter der Hochschule für Technik Rapperswil
Systemgrenze des Prüfstandes
Ausgangslage: Sehr oft basieren Fahrwerke von autonom agierenden Robotern auf zwei
seitlich angebrachten Antriebsrädern. Komplexe Trajektorien lassen sich mit diesem Antriebskonzept relativ einfach berechnen und es lassen sich damit gewünschte Routen fahren. Beim Testen und Debuggen von sich bewegenden Robotern ergeben sich jedoch
erhöhte Schwierigkeiten, da sich das Gefährt ständig fortbewegt. Damit die Qualität der
Fahreigenschaften von zweirädrigen Robotern auch stationär getestet werden kann, wurde in einer vorangegangenen Projektarbeit der mechanische Aufbau für einen Roboterprüfstand entwickelt. Dieser Prüfstand besteht im Wesentlichen aus zwei Rollen, welche
je mit hochauflösenden Inkremental-Encodern ausgerüstet sind. Auf diesen massiv gelagerten Rollen laufen die Antriebsräder des zu testenden Roboters. Aus den beidseitig
gemessenen Inkrementen lassen sich verschiedene Grössen berechnen und ableiten wie:
Wegstrecke, Geschwindigkeit, Beschleunigung, Drehwinkel etc.
Aufgabenstellung: In dieser Arbeit soll der mechanische Aufbau des existierenden Roboterprüfstandes wo notwendig optimiert und als Themenschwerpunkt mit einer geeigneten Auswertesteuerung und Visualisierung ergänzt werden. Die Fahrbewegungen des zu
prüfenden Roboters sollen mithilfe einer geeigneten, auf Mikrocontroller basierten Steue­
rung erfasst und ausgewertet werden. Die zu entwickelnde Steuerung muss in der Lage
sein, die ermittelten Fahrparameter, wie z. B. Wegstrecke, Geschwindigkeit, Beschleunigung und Drehwinkel zweckmässig darzustellen. Notwendige Einstellungen wie auch die
Bedienungen des Prüfstandes müssen einfach und direkt an der Steuerung vorgenommen
werden können. Die errechneten Fahrbewegungen wie auch die Rohwerte der beiden
Inkremental-Encoder sollen über eine geeignete USB-Schnittstelle an einen PC übertragen
werden können. Auf diesem PC sollen die erhaltenen Fahrdaten mittels eines geeigneten
GUI zweckmässig visualisiert und echtzeitnah dargestellt werden. Ein geeignetes Kommunikationsprotokoll zwischen Steuerung und PC ist zu definieren.
Ergebnis: Die in der Aufgabenstellung formulierten Ziele und Anforderungen konnten
erreicht werden. Mit einem bestehenden Roboter-Chassis konnten umfangreiche Tests
durchgeführt werden. Diese Tests zeigen, dass die erfassten Fahrbewegungen erfolgreich
durchgeführt und zweckmässig visualisiert werden können.
Fertiger Prüfstand mit Roboter-Chassis
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DiplomandMatthias Hinder
ExaminatorDr. Martin Geidl
Experte
Dr. Walter Sattinger, Swissgrid AG, Laufenburg AG
ThemengebietEnergiesysteme
Projektpartner
Swissgrid AG, Laufenburg, AG
Matthias
Hinder
Analyse der direkten Leiterseiltemperaturmessungen auf einer 220- und einer
380-kV-Leitung
Aufbereitung der Messdaten
Ausgangslage: Die Swissgrid AG führt seit März /April 2012 an mehreren Hochspannungsmasten der Habsburgleitung wie auch an der Berninaleitung verschiedene Messungen
durch. Dabei werden Leiterseiltemperaturen, Luftfeuchtigkeit, Globalstrahlung, Windgeschwindigkeit und 3-D-Windrichtung in einer zeitlichen Auflösung von 1 bis 10 Minuten
gemessen. Die erfassten Daten werden via Datenlogger und GSM-Übertragung in eine
zentrale Datenbank der Meteodat GmbH übermittelt, dort aufbereitet und archiviert.
Leiterseiltemperatursensor emo der Firma Micca
Ziel der Arbeit: Die Messdaten sollen in Kombination mit den Betriebsdaten, d. h. Strömen, analysiert, Auswirkungen der verschiedenen meteorologischen Einflüsse auf die
Seiltemperatur erörtert und die aussagekräftigen Erkenntnisse aufgezeigt werden. Auch
sollen weitere Erkenntnisse über die sogenannte «Hot-Spot»-Problematik erlangt werden.
All diese Erkenntnisse werden als Grundlage für zukünftige Entscheide verwendet, um
das Übertragungsnetz so sicher und effizient wie möglich zu machen.
Ergebnis: Aus der Analyse der Messdaten konnten wertvolle Erkenntnisse gezogen und das
Verständnis für das thermische Verhalten der Leitungen weiter vertieft werden. Die Analyse
der Daten hat folgende Ergebnisse zu den Einflüssen auf die Leiterseiltemperatur ergeben:
.. Leitungsstrom: 1,2 bis 2,8 °C Erwärmung pro 100 A
.. Thermische Trägheit: 7 bis 15 Minuten
.. Luftfeuchtigkeit: 0,49 bis 0,74 °C Kühlung pro 10%
.. Globalstrahlung: 0,75 bis 0,93 °C Erwärmung pro W / m2
.. Wind: 3,0 bis 4,0 °C Kühlung pro 2 m / s
Bezüglich «Hot-Spot»-Situationen hat sich ergeben, dass diese immer zu Gegebenheiten
Tagesmessung der Übertragungskapazität und der Leiterseiltemperaturen entstanden, an denen der Wind sehr gering, also weniger als 1,5 m / s und die Luftfeuchtigkeit kleiner als 60% war. Sicherlich spielen die anderen Umgebungsbedingungen dabei
auch eine Rolle, dennoch sind die beiden letztgenannten Faktoren die einflussreichsten.
Messstandort an der Habsburgleitung
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DiplomandThomas Hunziker
ExaminatorAlfred Züger
Experte
Prof. Martin Wiederkehr, FHNW, Windisch AG
ThemengebietEnergiesysteme
Projektpartner
Schweizerische Bundesbahnen (SBB), Etzelwerk AG, Altendorf SZ
Thomas
Hunziker
Ausbau des Pumpspeicherkraftwerks Etzelwerk
Vorstudie
Hochwasserschutz Zürich
Problemstellung: 2005 war die Stadt Zürich wegen der Sihl nur knapp einer Hochwasserkatastrophe entgangen. Für den längerfristigen Hochwasserschutz an der Sihl prüfen
die Kantone Zürich und Schwyz verschiedene Konzepte. Eines dieser Konzepte sieht vor,
die bestehenden Kraftwerksanlagen der SBB in Altendorf mit einem Pumpspeicherkraftwerk zu ergänzen. Bei drohendem Hochwasser sollen die überschüssigen Wassermassen
über ein zusätzliches Triebwassersystem zwischen dem Sihl- und Zürichsee zur Strom­
erzeugung genutzt werden. Auch aus energiewirtschaftlicher Sicht gewinnen Pumpspeicherkraftwerke immer mehr an Bedeutung. Wegen des stetigen Ausbaus von Wind- und
Sonnenkraftwerken mit fluktuierenden Leistungen ist die Nachfrage nach Kraftwerken,
welche schnell und gezielt Leistung produzieren bzw. reduzieren können, ständig gestiegen. Hier stellen Pumpspeicherkraftwerke eine technisch ausgereifte und verhältnismässig
günstige Lösungsvariante dar.
Ziel der Arbeit: In der Arbeit soll ein Konzept für die Zentrale, die elektromechanische Ausrüstung und die Energieableitung des neuen Pumpspeicherkraftwerks erarbeitet werden.
Dabei müssen die Anlagen den aktuellen und zukünftigen energiewirtschaftlichen Anforderungen gerecht werden. Dazu sollen die verschiedenen Betriebsarten von Wasserkraftanlagen analysiert und die elektromechanische Ausrüstung dementsprechend ausgelegt
werden. Die Überlegungen zur Ausführung der Zentrale sollen anhand von anschaulichen
Beispielen erklärt werden. Im Weiteren sollen konzeptionelle Überlegungen betreffend
der Energieableitung vom Motorgenerator in das Verbundnetz ausgeführt werden.
Ergebnis: Das SBB-Netz ist sehr stark vom aktuellen Betrieb des bereits bestehenden
Pumpspeicherwerks abhängig und darf durch einen Ausbau nicht eingeschränkt werden.
Aus diesem Grund soll parallel zum bestehenden Etzelwerk zusätzlich ein neues Kraftwerk
mit Anbindung an das Drehstromnetz gebaut werden. Die Zentrale wird dabei unterirdisch als Kaverne ausgeführt. Vier drehzahlvariable Maschinensätze (Varspeed) sollen zum
Einsatz gelangen. Durch die Drehzahlvariabilität kann die Leistung auch im Pumpbetrieb
reguliert werden, was die Flexibilität des Pumpspeicherwerks weiter erhöht. Als elektrische Maschinen könnten doppeltgespeiste Asynchronmaschinen mit je einer Leistung von
140 MVA eingesetzt werden. Das Pumpspeicherwerk soll an die in der Nähe befindliche
380 kV Freileitung angeschlossen werden. Eine Energieableitung auf das SBB-Netz ist im
Rahmen dieser Arbeit nicht geplant.
Hydraulisches Konzept
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Diplomanden
Patrick Haltmann, Lukas Röllin
ExaminatorDr. Martin Geidl
Experte
Prof. Dr. Petr Korba, ZHAW, Winterthur ZH
ThemengebietEnergiesysteme
Projektpartner
Patrick
Haltmann
Swissgrid AG, Laufenburg AG
Lukas
Röllin
Ausbildungsmodul zum Thema Lastfluss in elektrischen Netzen
Lehr- und Lernunterlagen für Operatoren im Netzbetrieb
Ausgangslage: Bei der nationalen Netzgesellschaft Swissgrid werden Mitarbeitende in einem internen Aus- und Weiterbildungsprogramm in ihrem jeweiligen Tätigkeitsbereich lizenziert. Nach erfolgreichem Absolvieren dieser Ausbildung erlangen die Operatoren eine
Lizenz, die sie zur vollumfänglichen Ausübung ihrer Tätigkeit ermächtigt. Im Zuge der
Erstellung aller Module dieser Ausbildung wurde uns die Aufgabe übertragen, im Bereich
der Grundlagen ein Modul vollständig zu erstellen. Dieses Modul behandelt die Thematik
des Lastflusses in elektrischen Netzen. Die Vermittlung des Themas soll den aktuellen didaktischen Anforderungen entsprechen.
Visualisierung der Leitungsparameter
Nasenkurve eines 2-Knoten-Systems
Vorgehen: Zu Beginn war es wichtig, die Grundlagen zur Erstellung des Moduls im Selbststudium zu erarbeiten. Dies beinhaltete das Lesen von unterschiedlichen Quellen. Bevor
mit der Arbeit begonnen werden konnte, bedurfte es einer Abschätzung bezüglich des
Vorwissens der Teilnehmenden. Nach der Unterteilung des Themas in vier Unterthemen
wurden die dazugehörigen Lernziele definiert. Sie bildeten die Grundlage, um die Lerninhalte zu erarbeiten und sie in die entsprechenden Unterrichtsmethoden zu verpacken.
Der Unterricht wird vor allem von Aufgaben und Simulationen begleitet. Zum Schluss
wurde ein Fragekatalog mit einer Auswahl möglicher Fragen für die Lizenzierungsprüfung
erstellt.
Ergebnis: Die erarbeiteten Grundlagen im didaktischen Bereich werden in der Dokumentation zusammenfassend beschrieben. Damit sind alle Methoden, welche für die Durchführung des Moduls von Bedeutung sind, kompakt und übersichtlich festgehalten. Mit
dem Abschluss der Arbeiten konnten den zukünftigen Referierenden sämtliche Unterlagen zur Verfügung gestellt werden, die sie für die Vermittlung des Themas benötigen.
Es werden je nach Thema unterschiedliche Unterrichtsmethoden verwendet, so dass die
Teilnehmenden, wann immer möglich, aktiv in den Unterricht eingebunden sind. Es wird
stets versucht, die Teilnehmenden nicht mit komplizierter Theorie zu überfordern, sondern den Fokus auf praxisrelevante Themen zu lenken. Für die interessierte Leserschaft
stehen jedoch ausführliche Zusatzkapitel mit Hintergrundinformationen zur Verfügung.
Die erstellten Unterlagen bilden eine erste durchführbare Variante des Moduls und sind
durchaus ausbau- beziehungsweise anpassungsfähig. Sie sollten stets den aktuellen arbeitsspezifischen Anforderungen der Operatoren angepasst werden.
PowerWorld-Simulationsbeispiel eines 2-Knoten-Systems
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Diplomanden
Reto Brunold, Marc Peter
ExaminatorDr. Martin Geidl
Experte
Frank Pleuler, Swissgrid AG, Laufenburg AG
ThemengebietEnergiesysteme
Projektpartner
Reto
Brunold
Swissgrid AG, Laufenburg AG
Marc
Peter
Untersuchung des Stromverbrauchs und Identifikation von
Verbrauchsverschiebungspotential
Verbrauchskontingentierung bei Strommangellagen
Ausgangslage: Mit der geplanten Umsetzung der vollständigen Liberalisierung des Strommarktes und dem wachsenden Einfluss von erneuerbaren Energien nehmen die Herausforderungen für ein stabiles Netz stark zu. Unterbrüche oder Engpässe der elektrischen
Energieversorgung fügen der Wirtschaft einen beachtlichen finanziellen Schaden zu. Im
Falle einer Energiemangellage würde die OSTRAL (Organisation für Stromversorgung in
aussergewöhnlichen Lagen) die Angebots- und Verbrauchslenkung koordinieren. Für diese Koordinationsaufgaben sind genaue Kenntnisse über das Verbrauchsverhalten notwendig.
Ziel der Arbeit: Diese Arbeit soll das Bezugsverhalten in den folgenden Sektoren aufzeigen: Haushalte, Verkehr, Landwirtschaft, Industrie, Dienstleistungen
Energiebedarf im Dienstleistungssektor in GWh
Dabei soll der Energiebedarf einzelner Branchen und Bereiche verifiziert werden. Mittels
Lastprofilen soll das typische Lastverhalten der verschiedenen Verbrauchergruppen analysiert werden. Mit den Lasterkenntnissen sollen Möglichkeiten zur Verbrauchsreduktion
und Nachfrageflexibilisierung aufgezeigt werden.
Ergebnis: Im Sinne einer Metastudie wurden Recherchen betrieben und Firmen über ihren Energieverbrauch befragt. Sämtliche Branchen der jeweiligen Sektoren wurden mittels Top-down-Methode analysiert. Um das Verbrauchsverhalten untersuchen zu können,
wurde ein Matlab-Tool entwickelt, welches interaktive 3-D-Lastprofile generiert. Die Profile ermöglichen ein detailliertes Verständnis über das Verbrauchsverhalten der einzelnen
Sektoren. Im Falle von Versorgungsengpässen kann mithilfe der Erkenntnisse dieser Bachelorarbeit die Energieabhängigkeit der einzelnen Branchen abgeschätzt werden, um
anschliessend entsprechende Massnahmen bezüglich Rationierung zu vollziehen.
Strassenbeleuchtungen grösserer Gemeinden in MWh
Normiertes Lastprofil des Energiebedarfes der Schweiz
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DiplomandMichael Schnyder
ExaminatorProf. Guido Keel
Experte
Dr. Robert Reutemann, Miromico AG, Zürich
ThemengebietMikroelektronik
Michael
Schnyder
Integrierter LCD-Display-Treiber
Entwicklung eines IP-Blocks für Mixed Signal ASIC
Ausgangslage: Mobile elektronische Systeme sollten möglichst wenig Energie verbrauchen, damit die Batterien eine lange Lebensdauer haben. Dabei kommen in solchen Systemen oft LCD-Displays zum Einsatz, welche durch einen Mikrokontroller angesteuert
werden. Ein Beispiel solcher Systeme zeigt die Abbildung 1. Häufig werden Messsysteme
benötigt, welche die Messwerte direkt ausgeben können. Für Low-Power-Anwendungen
kommen dabei oftmals ASIC zum Einsatz, welche jedoch die Ansteuerung der LCD-Displays nicht implementiert haben.
Abbildung 1: Anwendungsbeispiel LCD-Display-Treiber
Abbildung 2: LCD-Display-Treiber Layout
Ziel der Arbeit: In dieser Arbeit soll auf einer 350-nm-Technologie ein integrierter LCDDisplay-Treiber entwickelt werden, welcher unterschiedliche LCD ansteuern kann. Die
Schaltung soll je nach Grösse des LCD-Displays flexibel erweiterbar und möglichst stromsparend sein. Die Ansteuerung der Displays soll dabei über Leitungen, die einem Multiplexverfahren unterzogen wurden, realisiert werden.
Ergebnis: Die Schaltung besteht aus fünf verschiedenen Blöcken, welche es im Ganzen
ermöglichen, Displays im Multiplexverfahren anzusteuern. Die Daten, die auf dem Display
ausgegeben werden sollen, werden über den seriellen Dateneingang (SR_DATA) in ein
Schieberegister (Speicher) eingelesen und im Kontroll-Logik-Block weiterverarbeitet. Die
erzeugten Backplane- und Segmentleitungssignale wechseln ihre Spannungen nach einem Algorithmus, welcher durch die 4MUX-Methode gegeben ist. Nebst den gegebenen
Betriebsspannungen (VDDA und VSSA) benötigt die Schaltung für das 4MUX-Verfahren
zwei weitere Spannungen (VLCD1, VLCD2), die ebenfalls im Mikrochip durch eine integrierte Ladungspumpe (Charge Pump) generiert werden. Das Layout und die Schaltung
sind so aufgebaut, dass sie ohne grossen Aufwand für grössere LCD-Displays erweitert
werden können.
Abbildung 3: LCD-Display-Treiber Top-Schema
29
Diplomanden
Nadine Boos, Roger Fässler
ExaminatorProf. Guido Keel
Experte
Dr. Robert Reutemann, Miromico AG, Zürich
ThemengebietMikroelektronik
Nadine
Boos
Roger
Fässler
Messung von Kapazitäts-Arrays
Realisiert mit einer diskreten Elektronik
Aufgabenstellung: Hintergrund dieser Arbeit ist eine vorangegangene Studienarbeit, in
welcher Kapazitätssensoren benutzt wurden, um die Druckverteilung einer liegenden
Person auf einer Matratze zu messen. Mit diesem Verfahren ist es möglich, das Bewegungsverhalten aufzuzeichnen, wodurch anschliessend auf das Schlafverhalten dieser
Person geschlossen werden kann. Bei dieser Arbeit wurde ein auf dem Markt erhältliches
(kommerzielles) Sensor-Interface benutzt, um die Kapazitätssensoren auszuwerten. Die
Aufgabe bestand darin, eine diskrete Elektronik zu entwerfen, mit der ein Array von kapazitiven Sensoren effizient und präzise ausgemessen werden kann. Die Anforderung an
das Schaltungskonzept bestand darin, dieses so auszuarbeiten, dass es zu einem späteren
Zeitpunkt in einem applikationsspezifischen IC (ASIC-Design) implementiert werden kann.
Blockschaltbild
Prototype PCB-Messschaltung
GUI mit Messresultaten
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Vorgehen: Nach intensiver Einarbeitung in das Thema der Kapazitätsmessung und der
Analyse von existierenden Schaltungen wurde ein geeignetes Schaltungskonzept entworfen, welches nur den variablen Teil der Kapazität misst und die Grundkapazität wegkompensiert. Mithilfe einer Simulation wurde das Konzept vor der Umsetzung auf einem PCB
überprüft. Parallel zum PCB-Design ist die komplette Ansteuerung in VHDL für ein FPGADevelopment-Board realisiert worden. Nach Inbetriebnahme und ersten Messversuchen
wurde die Schaltung weiter optimiert, um die Messresultate zu präzisieren. Durch ein GUI
wurde die gesamte Steuerung der Messschaltung zusätzlich vereinfacht und die Messresultate wurden optimal dargestellt.
Ergebnis: Entstanden ist eine Messschaltung, welche sich komplett über ein GUI kalibrieren und steuern lässt. So kann eine oder mehrere Kapazitäten aus einem Array von
64 Kapazitäten adressiert werden. Die Schaltung misst diese nacheinander aus und sendet
die Daten zur Auswertung und zur grafischen Darstellung an den PC. Bei der Auswertung
der Messresultate wurde eine Standardabweichung von ± 2 fF erreicht. Der Messaufbau
gibt einen guten Ausblick auf die Möglichkeit der Messung von Kapazitäten für ein späteres ASIC-Design und deren Limitierung aufgrund des gewählten Schaltungskonzepts.
Diplomanden
Dany Abplanalp, Anina Schälle
ExaminatorProf. Dr. Paul Zbinden
Experte
Dr. Robert Reutemann, Miromico AG, Zürich
ThemengebietMikroelektronik
Dany
Abplanalp
Anina
Schälle
Realisierung eines Sigma-Delta-Wandlers als Semi-Custom-Schaltung
Überarbeitung des Referenzprojekts für CAS-MEA-Studierende im Tanner EDA Tool
Ausgangslage: Die Firma Microdul bietet mit dem MD500 einen interessanten Semi-Custom-Array an. Er beinhaltet neben einer Vielzahl von n- und p-Transistoren für digitale
und analoge Anwendungen auch Kapazitäten, Widerstände und weitere Elemente. Die
Grundausstattung erlaubt es, einfache Sensorinterfaces zu realisieren.
Aufgabenstellung: Weil Microdul kürzlich den CAD-Flow von Simmetrix auf Tanner EDA
Tools umgestellt hat, muss nun auch Erfahrung mit dem Tanner Designflow gesammelt
werden. Der MD500 dient als Grundlage für die Projektarbeit beim CAS Mikroelektronik
Analog der HSR. Die HSR ist deshalb daran interessiert, praktische Erfahrungen mit dem
neuen CAD Designflow zu erlangen und das Referenzprojekt für das CAS MEA auf den
neuen Designflow zu portieren. Folgende Teilfragen werden in dieser Arbeit beleuchtet:
Blockschaltbild: Sigma-Delta-Wandler
.. Theorie: Einarbeitung in die Theorie der Sigma-Delta-Modulatoren
.. Implementierung: Realisierung des Referenzprojektes auf dem Semi-Custom-Array
MD500 von Microdul
.. Dokumentation: Designanleitung und Datenblatt für die Studierenden des CAS MEA
Ergebnis: Für eine Systemanalyse der Schaltung wurde ein High-Level-Modell des Referenzprojektes in Matlab erstellt. Die Schaltung wurde sowohl im Tanner-Schema-Editor
als auch im Layout-Editor vollständig realisiert und ist bereit für die Herstellung von TestChips. Um das Verhalten der Chips zu verifizieren, wurde ein Datenblatt der Schaltung
erstellt. Für die Studierenden des CAS MEA wurde zusätzlich eine Designanleitung des
Referenzprojektes erstellt.
Sinus-Eingang und Bitstream
MD500 Basis Array mit Layout des Sigma-Delta-Wandlers
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Graduate Candidate
Dumeni Manatschal
ExaminerProf. Dr. Heinz Mathis
Co-Examiner
Stefan Hänggi, Enkom AG, Gümligen BE
Subject Area
Mobilkommunikation
Project Partner
Anapico AG, Zürich
Dumeni
Manatschal
Digital IQ demodulator based on two-channel FPGA-based digitiser
Phase noise measurement
Introduction: A real oscillator produces a sinusoidal signal that can contain phase noise.
Phase noise can be modelled as Asin(ωt + φ(t)) where φ(t) represents normally distributed
white noise. Due to this, its PSD exhibits power at frequencies other than the wanted carrier frequency which makes the oscillation of the generated sinusoid unclean. Illustration 1
shows a phase noised sample sinusoid (blue) and a clean reference sinusoid (red).
Illustration 1: Phase noised sinusoid. Red clean reference signal.
Blue phase noised signal
Illustration 2: Simplified visualisation of the multistage FFT with the
phase noise digital signal processing block marked in red
Illustration 3: Detailed visualisation of the phase noise digital signal
processing implementation
32
Objective: The goal is to visualise the phase noise spectral density in [dBV2] at [Hz] offset
from the carrier. The setup to expand is a board hosting two differential, analogue input
sockets. The input signals are digitised via a 125 MS / s A / D converter. The digitised input
signal is then further processed through an FFT implementation using a Xilinx Spartan 6
FPGA. A multistage FFT and a very precise frequency counter have already been implemented before this thesis by Patrick Fleischmann (ICOM) using Xilinx Design Suite. Illustration 2 shows the concept and the position of the phase noise DSP.
Solution: The two-channel phase noise DSP is visualised in illustration 3. A digital I / Q mixer is used to separate the real and imaginary part of the input signal and downmodulate it
to baseband. After low-pass filtering both, an implementation of atan2 is used to recover
the phase information of the input signal. Atan2 is a 4-quadrant version of the arctan
function, which means it is defined in all 4 quadrants of the coordinate system. However
2π or –2π phase jumps occur on every transition between two quadrants. This effect can
visually be described as phase wrapping into a [–π, π] domain. A phase unwrapper has
therefore been implemented using the concept of a finite state machine. Furthermore a
direct digital synthesiser (DDS) cannot be set to the input frequency with infinite precision. Also the input frequency may vary over time due to temperature or other non-ideal
effects on the oscillator device under test (DUT). Due to the use of phase unwrapping and
DDS instead of a PLL, adjustments to long-time frequency deviations of the DUT are not
possible. An increasing discrepancy between the DDS and the DUT frequencies introduces
a slope that superimposes itself on the real phase course. Since HW registers have a maximal representable number, a linear scale block has been implemented to prevent overflow
of the output HW registers. In the end, the two input channels are subtracted from one
another to minimise phase jitter created by the A / D conversion.
Graduate CandidatesSelina Malacarne, Mischa Sabathy
ExaminerProf. Dr. Heinz Mathis
Selina
Malacarne
Co-Examiner
Stefan Hänggi, Enkom AG, Gümligen BE
Subject Area
Mobilkommunikation
Project Partner
Eidg. Forschungsanstalt für Wald, Schnee und Landschaft WSL, Birmensdorf ZH
Mischa
Sabathy
Position and velocity measurement of rock falls
Using a GPS-aided inertial navigation system
Introduction: This project was carried out on behalf of the Swiss Federal Institute for Forest, Snow and Landscape Research (WSL). One field of their activity lies in the research of
rock falls. As well as simulations of rock falls, field tests are carried out in which the position and velocity of rocks are measured and recorded for further data processing. With the
help of this data, protective equipment can be developed to reduce the risk of damage
to the environment and population. Until now, rock falls were recorded on videos and
manually analysed. This method is very time-intensive and it is too inefficient to create
statistical rock fall models.
Top: main board, bottom: antenna board
Objective: A more efficient method to measure the position and velocity of rock falls must
be developed. Therefore an inertial navigation system which contains a 3-D accelerometer, 3-D gyro sensor, GPS receiver and other sensors to measure position and velocity must
be implemented. The system has the ability to log all data for further offline processing.
To achieve an improvement in accuracy, the data should be processed by a Kalman filter.
The error variance could thus be significantly reduced. The goal is to build a system for
tracking the position and velocity of falling rocks with more efficient offline data processing algorithms and without loss of accuracy.
Result: The final result is a device which is installed in a rock and records the data of the
sensors and the GPS receiver, and logs them on a micro SD Card. The device has the following sensors installed:
GPS-aided inertial navigation system overview
.. 3-D ±16 g Accelerometer
.. 3-D ±200 g Accelerometer
.. 3-D ±2000° / sec Gyroscope
.. 3-D ±1200 μT Magnetometer
.. Temperature and Pressure Sensor (0.25 m Resolution)
.. u-blox NEO-6N or NEO-7N GPS Module
The sensor data is processed offline in a Matlab programme that determines the position
and velocity of the falling stone. In a first step, the acceleration data is rotated into the
ECEF coordinate system with the help of the gyroscope and the magnetometer. This is
required for later data fusion with the GPS data in the Kalman filter. A loosely coupled
Kalman filter is implemented after the data pre-processing. The results show a precision
up to 1 m in position and up to 1.5 m / s in velocity, depending on the environment.
Position measurement of a rock fall (green: Kalman filtered data,
red: raw data)
33
Diplomanden
Samuel Bertsch, Biagio Cardillo
ExaminatorProf. Dr. Markus Kottmann
Experte
Dr. Markus A. Müller, Frei Patentanwaltsbüro, Zollikon ZH
ThemengebietRegelungstechnik
Samuel
Bertsch
Biagio
Cardillo
Hardware / Software zur Regelung eines Quadrocopters
Untersuchung der Programmierung eines Arduino direkt aus Matlab / Simulink
Aufgabenstellung: Ziel der Arbeit war, für die Regelung eines Quadrocopters ein Board zu
finden, welches sich idealerweise direkt aus Matlab / Simulink programmieren lässt. Diese
Anforderung erfüllen zurzeit folgende Produkte:
.. Lego NXT Mindstorms
.. BeagleBoard
.. PandaBoard
.. Arduino
Der Quadrocopter wurde an der HSR entwickelt
Für die Navigation wurde eine integrierte Sensorlösung eingesetzt. Die Implementierung
der Navigationsalgorithmen war nicht Teil der Arbeit. Als Fluggerät stand uns ein an der
HSR entwickelter Quadrocopter zur Verfügung.
Vorgehen:
.. Zu Beginn stand die Auswahl der zu verwendenden Hardware an. Früh wurde entschieden, auf einen Arduino zu setzen. Dies aufgrund seiner Anzahl serieller Schnittstellen, welche im Vergleich zu den anderen Produkten höher ist.
.. Nachdem feststand, welche Hardwarekomponenten verwendet werden, unterzogen
wir diese verschiedenen Tests. Dem Sensor wurde dabei die meiste Zeit gewidmet. Insbesondere das Kommunikationsprotokoll stellte sich als Herausforderung dar.
.. Den Tests folgten der Zusammenbau aller Komponenten und das Ausmessen der physikalischen Parameter. Mit diesen war es möglich, verschiedene Linearisierungsmodelle
zu erstellen, aus welchen anschliessend die Systemmatrizen bestimmt wurden.
Linearisierungsmodell des Quadrocopters in z-Richtung
Ergebnis: Eine grosse Schwierigkeit bestand in der Implementierung von seriellen Schnittstellen in Simulink. Ein fehlerfreies Auslesen der Sensordaten, welches sich als problematisch herausstellte, wurde mit einer aufwändig programmierten Zustandsmaschine
erreicht. Die serielle Kommunikation zwischen den übrigen Komponenten lief stabil. Aufgrund der fehlenden PWM-Schnittstellen auf dem Arduino wurde anstelle einer üblichen
Modellflugzeug-Fernbedienung eine Bluetooth-Schnittstelle implementiert.
Verdrahtung der Hardware. Auf die Darstellung der Motoren wurde in dieser Abbildung verzichtet.
Am RS232-Stecker wird der Sensor angeschlossen.
34
DiplomandAndreas Marti
ExaminatorProf. Dr. Markus Kottmann
Experte
Dr. Markus A. Müller, Frei Patentanwaltsbüro, Zollikon ZH
ThemengebietRegelungstechnik
Andreas
Marti
Interaktive Testumgebung für Regler
Implementation von Simulink-Modellen zur Simulation eines Helikopterflugs
GUI mit Animation der Simulation
Problemstellung: Die Arbeit hat zum Ziel, in einer Computersimulation einen Helikopter
durch einen Hindernisparcours zu manövrieren. Die Horizontalgeschwindigkeit bleibt dabei konstant, es muss nur die vertikale Position geregelt werden. Das Problem besteht
darin, die Hindernisse zu erkennen und als verwertbares Signal in eine Regelung einzuspeisen, die dann die Funktion des Piloten einnehmen kann. Im Rahmen einer früheren
Studienarbeit ist ein Demonstrator entwickelt worden, der für dieses Problem einige Standardregler mithilfe von Matlab-Funktionen implementiert. In dieser Arbeit sollen dafür
Simulink-Modelle erstellt werden. Diese sind für den Benutzer transparenter und einfacher zu modifizieren; so lassen sich beispielsweise Reglerblöcke mit wenigen Mausklicks
ersetzen. Um die Bedienung noch weiter zu vereinfachen, soll eine grafische Benutzeroberfläche (GUI) geschaffen werden, mit der der Benutzer die Modelle bearbeiten und in
Echtzeit auswerten kann.
Vorgehen:
.. Einarbeiten in Matlab-Konzepte: Um die Anforderungen mit Matlab und Simulink zu
erfüllen, sind vertiefte Kenntnisse in den Bereichen GUI-Entwurf, Callbacks und massgeschneiderten Blöcken (Stichwörter Masken und S-Functions) auf diesen Plattformen
notwendig.
.. Entwurf Regelkreis: Aus den Hindernissen muss eine Führungsgrösse generiert werden, welche von Reglern weiterverwertet wird. Die Regler werden nach Stabilitätskriterien (Wurzelortskurve, Nyquist) entworfen. Da die Hindernisse über eine weite
Strecke bekannt sind, sind auch vorausschauende Methoden interessant.
Regelung mit PID-Regler und Anti-Windup
Ergebnis: Mit einem GUI können beliebige Modelle eingebunden und deren Blöcke bearbeitet werden. GUI und Modell arbeiten synchron. Eine Library stellt Simulink-Blöcke für
die Erzeugung von Hindernissen, grafischer Animation, Routenplanung, Reglern, Regelstrecken usw. zur Verfügung, so dass weitere Modelle problemlos erstellt werden können.
Mit Model Predicitve Control (MPC) ist eine vorausschauende Regelung, die verschiedene
Flugtrajektorien durchrechnet und daraus die beste Option wählt, realisiert worden. Diese
Methode liefert die besten Resultate in der Flugauswertung, bietet aber noch Spielraum
für Weiterentwicklungen.
Evaluation verschiedener Flugrouten mit MPC (rot: schlecht; grün:
mittel; blau: gut). Die optimale Route ist mit schwarzen Ringen markiert.
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