Absolventenbuch 2012 - Berner Fachhochschule Technik und

Transcription

Berner Fachhochschule
Haute école spécialisée bernoise
Bern University of Applied Sciences
Technik und Informatik
Technique et informatique
Engineering and Information Technology
Abschlussarbeiten 2012
4RAVAUXDEÚNDÂTUDES
Graduation Theses 2012
ti.bfh.ch/book
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Editorial
Wissen und Engagement
Savoir et Engagement
Im aktuellen book präsentieren
wir Ihnen 264 Abschlussarbeiten
aus dem Jahr 2012: ausgewählte
35 aus den beiden Masterprogrammen und aus der Weiterbildung sowie alle 229 aus den
5 Bachelorprogrammen.
Dans le book actuel, 264 travaux In this publication we present 264
de fin d’études de l’année 2012 final theses from 2012 – 35 from
sont présentés. 35 ont été sélec- the two Masters programmes
tionnés dans les programmes de and from further education, and
master et de formation continue, all 229 from the five Bachelor proalors que la totalité des 229 tra- grammes.
vaux provenant des cinq programmes de bachelor ont été The successful graduation of a
choisis.
technical Bachelor study requires
a lot of knowledge and skills. FurTerminer avec succès des études ther, a really large commitment
techniques de bachelor exige and engagement is required.
beaucoup de savoir et de doigté Many of our students work in orainsi qu’une bonne dose d’inves- der to finance themselves part of
tissement et d’engagement. Un their studies. With this additional
grand nombre de nos étudiant-e-s load they demonstrate persevertravaille en parallèle pour subvenir ance and willpower. Thus, they
eux-mêmes à une partie de leurs also confirm the practice oriented
études. Cette charge supplémen- profile of the universities of aptaire prouve leur endurance et vo- plied sciences, whose subjects
lonté. Ils corroborent ainsi aussi are accurately catered for the latle profil axé sur la pratique des er working environment.
hautes écoles spécialisées, dont
les branches sont taillées sur me- The ambitious engagement of
sure pour le mode du travail qui our students is rewarded with a
strong connection to the industriles attend.
al practice, excellent professional
Grâce au rapport étroit avec la perspectives and a respectable
pratique industrielle, l‘engage- starting wage. However, besides
ment de nos étudiant-e-s est the material values a totally difrécompensé par d’excellentes ferent aspect is in the focus for
perspectives professionnelles et most of our graduates: an interun salaire de départ appréciable. esting- and challenging job offerOutre le côté matériel, un tout ing creativity, challenges and reautre aspect revêt une impor- sponsibility.
tance particulière pour la plupart
de nos diplômé-e-s: Un job inté- I wish you an exciting look into
ressant et varié, qui offre créati- the presented theses, and I congratulate the successful students
vité, défis et responsabilité.
as well as thank the lecturers, exJ’espère que l’aperçu des travaux perts, project partners and adverde fin d’études présentés vous tisers for their commitment and
passionnera, je félicite les heu- support.
reux-euses étudiant-e-s et remercie les enseignant-e-s, expert-e-s,
partenaires de projet et annonceurs pour leur engagement et
leur soutien.
Der erfolgreiche Abschluss eines
technischen
Bachelorstudiums
erfordert viel Wissen und Geschick. Verlangt ist aber auch
eine gehörige Portion an Einsatz
und Engagement. Viele unserer
Studierenden gehen einer Arbeit
nach, um sich einen Teil des Studiums selber zu verdienen. Mit
dieser Mehrbelastung beweisen
sie Ausdauer und Willenskraft.
Sie untermauern damit aber auch
das praxisorientierte Profil der
Fachhochschulen, deren Fächer
stark auf die spätere Arbeitswelt
zugeschnitten sind.
Das hohe Engagement unserer
Studierenden wird mit dem starken Bezug zur industriellen Praxis,
ausgezeichneten Berufsperspektiven und einem beachtlichen Anfangssalär belohnt. Neben dem
Materiellen steht für die meisten
unserer Studienabgängerinnen
und -abgänger aber ein ganz anderer Aspekt im Vordergrund: Ein
interessanter und abwechslungsreicher Job, der Gestaltungsmöglichkeiten, Herausforderungen und Verantwortung bietet.
Ich wünsche Ihnen spannende
Einblicke in die vorgestellten Abschlussarbeiten, gratuliere den
erfolgreichen Studierenden und
bedanke mich bei Dozierenden,
Experten, Projektpartnern und Inserenten für Ihren Einsatz und
Ihre Unterstützung.
Dr. Lukas Rohr
Dr Lukas Rohr
Knowledge and Engagement
Dr. Lukas Rohr
Departementsleiter
Directeur du département
Head of Department
Dr. Lukas Rohr
ti.bfh.ch
1
Inserat
+ Wir machen aus
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Medical
Jewellery
Watches
Refining
Inhalt
Contenu
Contents
Inserenten
Annonceurs
Advertisers
4
Ihre Ansprechpartner
Vos interlocuteurs
Your contact persons
5
Lehre und Forschung
am Puls der Praxis
Enseigement et recherche
liés à la practique
Teaching and research
in line with practice
7
Liste der Absolventinnen
und Absolventen
Liste des diplômées
et des diplômés
List of the graduates
Abschlussarbeiten
Travaux de fin d’études
Graduation Theses
14
Master
Master of Science in Engineering
19
Master of Science in Biomedical Engineering
39
Managementzentrum Bern
Management Center Berne
51
Softwareschule
Software Engineering School
57
Medical Technology Center
63
Bachelor of Sciences
Automobiltechnik
Technique automobile
Automotive Engineering
69
Elektro- und Kommunikationstechnik
Électricité et systèmes de
communication
Electrical- and Communication
Engineering
95
Informatik
Informatique
Computer Science
141
Maschinentechnik
Mécanique
Mechanical Engineering
186
Mikro- und Medizintechnik
Microtechnique et
technique médicale
Micro Engineering
238
Impressum
Impressum
Imprint
Berner Fachhochschule, Technik
und Informatik
book.bfh.ch
Haute école spécialisée bernoise,
Technique et informatique
Bern Univrsity of Applied Sciences,
Engineering and Information Technology
Inserate
[email protected]
Annonces
Advertiesments
Druck
staempfli.com
Impression
Printing
Auflage
3300 Ex.
Tirage
3300 exemplaires
Edition
3300 copies
ti.bfh.ch
3
Inserenten
Annonceurs
Advertisers
Ein herzliches Dankeschön geht an unsere Inserenten:
Nous remercions chaleureusement nos annonceurs :
A heartfelt thank you goes to our advertisers:
bbv Software Services AG 6002 Luzern . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Cover 2
www.sti-stiftung.ch
Schleuniger AG, 3600 Thun . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Cover 3
www.schleuniger.ch
Bystronic Laser AG, 3362 Niederoenz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Cover 4
www.bystronic.ch
Cendres + Métaux SA, Biel/Bienne . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2
www.cmsa.ch
STI, Stiftung für Innovation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
www.sti-stiftung.ch
BFH-TI /BFH-AHB . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .37, 93
www.bfh.ch /master
Universität Bern / Master of Science in Biomedical Engineering . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
www.bme.master-unibe.ch
BFH-TI /Weiterbildung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61
www.ti.bfh.ch /wb
Selectron Systems AG, Lyss . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103
www.selectron.ch
Wistar Informatik AG, Bern . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 154
www.sti-wistar.ch
Intersys AG, 4500 Solothurn . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 177
www.intersys.ch
EnDes Engineering Partner AG, Kestenholz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 198
www.endes.ch
Hy-Tech AG, Brügg . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 250
www.hytech.ch
Ziemer Ophthalmic Systems AG, 2562 Port . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 262
www.ziemergroup.com
4
ti.bfh.ch
Ihre Ansprechpartner
Vos interlocuteurs
Your contact persons
Berner Fachhochschule, Technik und Informatik
Haute école spécialisée bernoise, Technique et informatique Berne
Bern University of Applied Sciences, Engineering and Information Technology
Departementsleiter
[email protected]
Directeur du département
Head of Department
[email protected]
[email protected]
[email protected]
Management Center Bern
Softwareschule Schweiz
[email protected]
[email protected]
BSc in Automobiltechnik
[email protected]
BSc en Technique automobile
BSc in Automotive Engineering
BSc in Elektro- und
Kommunikationstechnik
[email protected]
BSc en Électricité et systèmes
de communication
BSc in Electrical- and
Communication Engineering
BSc in Informatik
[email protected]
BSc en Informatique
BSc in Computer Science
BSc in Maschinentechnik
roland.hungerbü[email protected]
BSc en Mécanique
BSc in Mechanical Engineering
BSc in Mikro- und
Medizintechnik
[email protected]
BSc en Microtechnique
et technique médicale
BSc in Micro- and
Medicaltechnology
ti.bfh.ch
5
Von der innovativen Idee zum marktfähigen Produkt
D’une idée innovatrice à un produit compétitif
STI - Wir unterstützen Innovationen
Die Stiftung für technologische Innovation gewährt Gründern von
Start-up-Firmen eine finanzielle Unterstützung in Form langfristiger
zinsloser Darlehen. Gefördert werden technologische Innovationen
mit wirtschaftlichem Potential.
STI - Nous soutenons les innovations
La Fondation pour l’innovation technologique alloue aux créateurs
d’entreprises une subvention financière sous forme de crédits à long
terme exempts d‘intérêts. Les innovations technologiques économiquement prometteuses bénéficient de ce soutien.
www.sti-stiftung.ch
Lehre und Forschung am Puls der Praxis
Enseignement et recherche liés à la pratique
Teaching and research in line with practice
Im Departement Technik und Informatik der Berner Fachhochschule (BFH-TI) erbringen wir abgestimmte Leistungen in der
Aus- und Weiterbildung, der angewandten Forschung und Entwicklung sowie im Transfer von
technologischem Wissen.
Drei Ansprüche stehen im Zentrum unseres Wirkens:
Q Die hohe Qualität, um der Wirtschaft qualifizierte und innovative Fachkräfte und Dienstleistungen anbieten zu können.
Q Die internationale Ausrichtung,
um Studierenden und Dozierenden beste Chancen in der
globalisierten Bildungs- und
Wirtschaftswelt zu eröffnen.
Q Ein interdisziplinäres Denken
und Handeln, um den Erwartungen an die zunehmend
heterogenen Teams in Industrie
und Wissenschaft gerecht zu
werden.
Dans le département Technique
et informatique de la Haute école
spécialisée bernoise (HESB-TI),
nous fournissons des prestations
concordantes en formation et formation continue, en recherche
appliquée et développement ainsi
qu’en transfert du savoir technologique.
Notre activité se concentre sur trois
exigences principales:
Q Une qualité de haut niveau
pour proposer à l’économie
des ingénieur-e-s qualifié-e-s
et des prestations de services
compétitives.
Q Une orientation internationale
pour que les étudiant-e-s et les
enseignant-e-s disposent des
meilleurs atouts dans le monde
éducatif et économique globalisé.
Q Une réflexion et une action
interdisciplinaire pour satisfaire
les attentes élevées placées de
plus en plus dans les teams
hétérogènes en industrie et
science.
The department of Engineering
and Information Technology at the
Bern University of Applied Sciences (BUAS-TI) renders services
relating to education and continuing education, applied research
and development, and the transfer of technological knowledge.
The core of our work centres on
three aspirations:
Q High quality, to offer the industry qualified and innovative
specialists and services.
Q International orientation, to
offer our students and lecturers
the best opportunities in the
globalised world of economy
and education.
Q Interdisciplinary thinking and
action, to ensure our graduates
meet the demands placed on
increasingly heterogeneous
teams in industry and science.
Verbindet Wissenschaft und industrielle Praxis: Die
Berner Fachhochschule, Technik
und Informatik.
Relie la science
et la pratique
industrielle: la
Haute école spécialisée bernoise,
Technique et
informatique.
Combines science
and industrial
practice: Bern
University of Applied Sciences,
Engineering and
Information Technology.
ti.bfh.ch
7
Das Bachelorstudium, der Start in eine
interessante und erfolgreiche berufliche Zukunft.
Les études de bachelor, le début d’un
avenir professionnel intéressant et
couronné de succès.
Bachelor studies: the first step to an
interesting and successful professional
future.
Das Bachelorstudium als
starke Basis
Mit Automobiltechnik, Elektround Kommunikationstechnik, Informatik, Maschinentechnik, Medizininformatik sowie Mikro- und
Medizintechnik stehen sechs
Bachelor-Studiengänge zur Wahl.
Die Studiengänge Automobiltechnik und Medizininformatik werden
in der Schweiz exklusiv an der
BFH-TI angeboten.
Das 8 Semester dauernde berufsbegleitende
Informatikstudium
kann auch im Frühjahr begonnen
werden.
Im Bachelorstudium arbeiten die
Studierenden an spannenden
Projekten mit. Sie wählen die Vertiefung und einen Teil der Module
individuell. In Biel werden alle Studiengänge zweisprachig ange boten. Studentinnen und Studenten können ein «Zertifikat bilingue»
erwerben und mit dieser Zusatzqualifikation ihre Chancen auf
dem Arbeitsmarkt verbessern.
Mehr Informationen unter
ti.bfh.ch/bachelor
8
ti.bfh.ch
Les études de bachelor,
une base solide
Six filières d’études de bachelor sont à choix: Technique automobile, Électricité et systèmes
de communication, Informatique,
Mécanique, Informatique médicale ainsi que Microtechnique et
technique médicale. En Suisse les
filières d’études Technique automobile et Informatique médicale
sont exclusivement proposées à la
HESB-TI.
Il est également possible de commencer les études d’Informatique
en cours d’emploi au printemps;
elles durent 8 semestres.
Pendant les études de bachelor, les
étudiant-e-s collaborent à de passionnants projets. Ils choisissent
individuellement une spécialisation et une partie des modules. À
Bienne les études sont proposées
en deux langues. Les étudiant-es peuvent acquérir un « certificat
bilingue », qualification supplémentaire convoitée et recherchée sur le
marché du travail. Les cinq filières
d’études de bachelor actuelles sont
accréditées par ASIIN: la qualité de
l’offre d’études, les buts de l’enseignement et de l’encadrement correspondent au standard reconnu
au niveau international.
Plus d’informations sur
ti.bfh.ch/bachelor
Bachelor studies –
a solid foundation
Students can choose between
six Bachelor programmes: Automotive Engineering, Electricaland Communication Engineering,
Computer Science, Mechanical
Engineering, Medical Informatics,
and Micro- and Medical Technology.
In Switzerland the degree courses Automotive Engineering and
Medical Informatics are exclusively offered at BUAS-TI. Students
may start their part-time degree
courses in Informatics in the
spring as well. The courses last 8
semesters.
During their Bachelor studies,
students collaborate on exciting
projects. They choose their own
specialisation and some of the
modules. In Bienne, all courses
are offered in two languages (German and French). Students can
acquire a certificate in bilingual
skills, an additional qualification
that can improve their chances in
the employment market. All five
current programmes are accredited by ASIIN. The quality of our
study programmes, educational
goals, and mentoring comply with
internationally recognised standards.
For more information go to
ti.bfh.ch/bachelor
Das Masterstudium als
Sprungbrett für Ambitionierte
An der BFH-TI führen wir zwei unterschiedliche Studiengänge zum
Master of Science durch:
Les études de master, tremplin pour les ambitieux-euses
À la HESB-TI nous organisons
deux filières d’études de Master of
Science différentes:
Master studies – stepping
stones for the ambitious
At BUAS-TI there are two different
courses that lead to a Master of
Science.
Das von den Schweizer Fachhochschulen gemeinsam angebotene Studium zum «Master of
Science in Engineering» ist auf die
Praxis ausgerichtet. Die sogenannten Master Research Units
umfassen einen fachlichen Kompetenzbereich, verfügen über
eine ausgezeichnete Infrastruktur
und sichern mit ihren Projekten
den Bezug zur industriellen Praxis. Die vier Units der BFH-TI sind
«Energie-Verkehr-Mobilität», «Mobile Informationsgesellschaft», «Produktionstechnik» sowie «Tech nologie am Menschen».
Les études de «Master of Science
in Engineering» proposées conjointement par les hautes écoles spécialisées suisses sont orientées
sur la pratique. Les Master Research Units comprennent un secteur de compétence, disposent
d’une excellente infrastructure et
garantissent avec leurs projets le
lien avec la pratique industrielle.
Les quatre Units de la HESB-TI
sont «Énergie-Transport-Mobilité»,
«Société mobile de l’information»,
«Technique de production» ainsi
que «Technologie appliquée à l’être
humain».
The Master of Science in Engineering (MSE) is practice-based
and offered in cooperation with
all Swiss universities of applied
sciences. So-called Master Research Units cover specific areas
of competency, have outstanding
infrastructure, and through their
projects ensure students that
they become aware of industrial
practices. The four units at BUASTI are: Energy-Transport-Mobility,
Mobile Information Society, Production Technology, and Human
Interface Technology.
Es besteht die Möglichkeit, sich
das Studium durch die Industrie
sponsern zu lassen, was mit einer
Anstellung als Assistent/in an der
BFH-TI verbunden ist.
ti.bfh.ch/master
Les études peuvent être sponsorisées par l’industrie, ce qui est associé à un poste d’assistant-e à la
HESB-TI.
ti.bfh.ch/master
Das von der medizinischen Fakultät der Universität Bern in einer
engen und erfolgreichen Zusammenarbeit mit der BFH-TI angebotene Studium zum «Master of
Science in Biomedical Engineering» befasst sich mit interdisziplinären
Fragestellungen
am
Schnittpunkt von Medizin und
Technik. Es trägt dem grossen
Bedarf der Schweizer Medizintechnik-Industrie nach gut ausgebildeten Fachkräften Rechnung.
Absolvent/innen einer Schweizer
Fachhochschule sind ohne Vorbedingungen zum Studium zugelassen. Der erfolgreiche Abschluss erlaubt den Anschluss
einer Promotion.
ti.bfh.ch/master oder
bioeng.master.unibe.ch
Les études de «Master of Science
in Biomedical Engineering, proposées avec succès par la faculté de
médecine de l’Université de Berne
en étroite collaboration avec la
HESB-TI s’occupent des questions
interdisciplinaires reliant la médecine et la technique. Elles tiennent
compte du besoin accru de l’industrie suisse de technique médicale
en relève performante. Les diplômé-e-s d’une haute école spécialisée suisse sont admis-e-s sans
condition préalables aux études.
L’obtention du diplôme donne accès au doctorat.
ti.bfh.ch/master ou
Students have the option of obtaining industrial sponsorship,
which involves being employed as
an assistant at BUAS-TI.
For more information please go to
ti.bfh.ch/master
The Master of Science in Biomedical Engineering, offered by
the medical faculty at the University of Bern in a close and successful partnership with BUAS-TI,
deals with interdisciplinary issues
at the interface between medicine
and technology. The programme
is responding to the Swiss medical technology sector’s considerable demand for highly educated specialists. Graduates from
any Swiss university of applied
sciences are admitted to study
with no preconditions. Successful graduation from the degree
programme qualifies students to
work on a doctoral dissertation.
ti.bfh.ch/master or
ti.bfh.ch
9
Die Forschung als Triebfeder
der Innovation
An der BFH-TI wird Wissen in
neue Anwendungen und Produkte umgesetzt. Die dafür benötigten Kompetenzen und Ressourcen sind in zehn Instituten
konzentriert. Unsere Professoren,
Assistierenden und Studierenden
sind in zahlreichen multidisziplinären und anwendungsorientierten
Forschungsprojekten engagiert.
Davon profitieren Studierende
und Wirtschaft zugleich. Die Studierenden arbeiten im Rahmen
von Semester- und Abschlussarbeiten an den Projekten mit und
sichern sich so den Bezug zur
Praxis. Die Unternehmen erhalten
Zugang zu qualifiziertem Nachwuchs, zu Spitzentechnologien
und zu Projekten mit Bundesund/oder EU-Beteiligung. Zudem
bieten wir ihnen eine Palette von
Dienstleistungen und stellen ihnen das in nationalen und internationalen Netzwerken erworbene
Wissen unserer Forschenden sowie unsere Infrastrukturen zur
Verfügung.
Die STI, Stiftung für technologische Innovation, gewährt Gründern von Start-up-Firmen eine finanzielle Unterstützung in Form
langfristiger und zinsloser Darlehen. Gefördert werden technologische Innovationen mit wirtschaftlichem Potenzial.
forschung.ti.bfh.ch
Die Weiterbildung als
Fitnessparcours
Der kontinuierliche Erfolg unserer
Weiterbildung basiert auf einer
klaren Positionierung. Alle Angebote sind berufsbegleitend und
auf die unternehmerische Praxis
ausgerichtet. Die Dozierenden arbeiten mehrheitlich in der Industrie. In den Projekten und «Living
Cases» werden Fallbeispiele aus
der beruflichen Praxis von Studierenden und Dozierenden behandelt. So lässt sich das Gelernte
10
ti.bfh.ch
La recherche, mobile de
l’innovation
À la HESB-TI, le savoir est transféré dans de nouveaux produits et
applications. Dix instituts abritent
les compétences et les ressources
nécessaires. Nos professeur-e-s,
assistant-e-s et étudiant-e-s sont
engagés dans de nombreux projets
de recherche multidisciplinaires et
orientés sur l’application.
Étudiant-e-s et économique en
profitent. Dans le cadre des travaux
de semestre et de fin d’études, les
étudiant-e-s collaborent aux projets et garantissent ainsi la relation
avec la pratique. Les entreprises
ont accès à une relève qualifiée,
à des technologies de pointe et à
des projets avec participation de
la Confédération et/ou de l’UE. De
plus nous leur offrons une palette
de prestations de services et mettons à leur disposition le savoir de
nos chercheurs acquis dans les réseaux internationaux ainsi que nos
infrastructures.
La STI, Fondation pour l’innovation
technologique, alloue aux fondateurs d’entreprises Start-up un support financier sous forme de crédit
à long terme exempt d’intérêts. Les
innovations technologiques économiquement prometteuses bénéficient de ce soutien.
recherche.ti.bfh.ch
La formation continue,
parcours fitness
Un positionnement clair se trouve
à la base du succès constant de
notre formation continue. Toutes
les offres sont en cours d’emploi et
axées sur la pratique entrepreneuriale. Les enseignant-e-s travaillent
pour la plupart dans l’industrie,
dans les projets et les «Living
Cases» deviennent des exemples
de pratique professionnelle traités
par les enseignant-e-s et les étudiant-e-s. Il est ainsi possible d’appliquer 5 sur 5 ce qui a été appris,
une aubaine pour les étudiant-e-s
et les employeurs.
Research drives innovation
At BUAS-TI, knowledge is translated into new applications and
products. The requisite competencies and resources are focused in ten institutes: Our professors, assistants, and students
are involved in numerous multidisciplinary- and application-orientated research projects.
This benefits students and industry alike. While working on semester papers and final theses, students participate in these projects
and help relate theory to everyday
practice. Partner companies have
access to young professionals,
cutting edge technologies, and
projects with federal and/or EU
funding. We also provide a range
of services, as well as access to
our infrastructures and to knowledge acquired by our researchers
through national and international
networks.
The Foundation for technological innovation (STI) offers financial support to business startups
in the form of long-term, interestfree loans. The foundation promotes technological innovations
with economic potential.
forschung.ti.bfh.ch
Continuing education –
fitness training for the future
The ongoing success of our continuing education offers is due to
clear positioning. All courses are
part-time and focus on corporate
practice. The majority of our lecturers work in industry. Students
and lecturers work on case studies based on their everyday professional experiences, in the form
of projects and “living cases”.
Lessons learned are implemented
1:1, benefiting both students and
employers.
The Management Centre in Berne
allows engineers and future managers to build specific competencies in business administration
Steht beim Masterstudium im Vordergrund: die interdisziplinäre Lösung
anspruchsvoller Probleme.
Au premier plan des études de master:
la résolution interdisciplinaire de problèmes complexes.
At the heart of Master studies: interdisciplinary solutions to demanding
problems.
1:1 umsetzen, was Studierenden
und Arbeitgebern zu Gute kommt.
Das Managementzentrum Bern
vermittelt Ingenieur/innen und
angehenden Managern gezielte
Kompetenzen in Betriebswirtschaft und Unternehmensführung. Es ist vernetzt mit Partneruniversitäten in Europa und
Übersee.
Die Angebote der Software-Schule Schweiz beinhalten primär die
Software-Entwicklung, die Planung und Realisierung von ITSystemen sowie das Informationsmanagement.
In den Studiengängen des Medical Technology Center erwerben
die Studierenden Fähigkeiten, um
die vielschichtigen Herausforderungen im Gesundheitswesen erfolgreich zu meistern.
Mehr Informationen unter ti.bfh.
ch/weiterbildung – Informationen
zum Master of Advanced Studies
der Schweizer Fachhochschulen
in Nano and Micro Technology
unter nanofh.ch/nmt-master
Le centre de management Berne
transmet aux ingénieur-e-s et aux
futurs managers des connaissances ciblées en Gestion et Direction d’entreprise. Il est connecté à
des universités partenaires en Europe et Outre-Atlantique.
Les offres de la Software-Schule
Schweiz comprennent en premier
lieu le développement Software, la
planification et la réalisation de systèmes IT ainsi que le management
de l’information.
Les filières d’études du Medical
Technology Center donnent aux
étudiant-e-s des capacités pour
relever avec succès les défis complexes dans le domaine de la santé.
Plus d’informations sur ti.bfh.ch/
formationcontinue – Informations
sur le Master of Advanced Studies
des hautes écoles spécialisées
suisses en Nano and Micro Technology sur nanofh.ch/nmt-master
and corporate management. The
centre is part of a network of partner universities in Europe and beyond.
The Software Engineering School
primarily offers courses in software development, planning and
realisation of IT systems, and information management.
Courses at the Medical Technology Centre build capabilities for
mastering the multifaceted challenges within the healthcare sector.
For more information go to ti.bfh.
ch/weiterbildung
For information about the Master of Advanced Studies in Nano
and Micro Technology offered by
the Swiss universities of applied
sciences, go to nanofh.ch/nmtmaster
ti.bfh.ch
11
Liste der Absolventinnen und Absolventen
Liste des diplômées et des diplômés
List of the Graduates
Im Folgenden präsentieren wir
Ihnen ausgewählte Abschlussarbeiten aus unseren beiden
Masterprogrammen und aus der
Weiterbildung sowie alle Bachelorarbeiten des Jahres 2012.
Die Absolventinnen und Absolventen sind je Studiengang in
alphabetischer Reihenfolge aufgeführt. Bei Teams bestimmt die
alphabetische Position des ersten
Teammitglieds die Einordnung.
12
ti.bfh.ch
Nous vous présentons ci-après
une sélection de travaux de fin
d’études de nos deux programmes
de master et de la formation continue ainsi que tous les mémoires
de bachelor de l’année 2012.
Les diplômées et les diplômés
sont présenté-e-s dans l’ordre
alphabétique par filière d’études.
Lorsqu’il s’agit d’un team, le nom
de la personne dont la première
lettre est la plus proche du début
de l’alphabète détermine la position du team.
In the following we present you selected theses from our two Master
Programmes and the Continuing
Education as well as all Bachelor
theses of the year 2012.
The graduates are listed alphabetically according to their study
course. In teams the alphabetic
position of the first member of the
team appoints the placement.
Efe Anil Aksöz . . . . .
Marcel Berger . . . . .
José Beuchat. . . . . .
José Beuret . . . . . .
Markus Brönnimann.
Christian Dietrich . . .
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Christoph Gusset . .
Andreas Habegger.
Irene Kunz . . . . . . .
Erich Raemy . . . . .
Thomas Reber . . . .
Johannes Renner .
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Luca Roncarati . . . .
Sandro Schnegg . . .
Tim Wacher . . . . . . .
Jonathan Wey . . . . .
Simon Zumbrunnen .
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Christian Affolter . . . . . . . . . . 40
Christian Dellenbach . . . . . . . 41
Raphaël Deschler. . . . . . . . . . 42
Lukas Frei . . . . . . . . . . . . . . . 43
Lukas Kohler . . . . . . . . . . . . . 44
Daniel Lachner. . . . . . . . . . . . 46
Aymeric Niederhauser . . . . . . 47
Jonas Reber . . . . . . . . . . . . . 48
Peter Stalder . . . . . . . . . . . . . 49
Managemantszentrum Bern
Management Center Berne
Dieter Friedli. . . . . . . . . . . . . . 52
Daniel Hodel . . . . . . . . . . . . . 52
Oliver Stalder . . . . . . . . . . . . . 53
Thomas Zurkinden . . . . . . . . . 54
Softwareschule
Pascal Irminger . . . . . . . . . . . 60
Andrea Lehmann . . . . . . . . . . 58
Marcel Lehmann . . . . . . . . . . 60
Markus Maeder . . . . . . . . . . . 59
Franziska Stebler . . . . . . . . . . 58
Axel Zenklusen . . . . . . . . . . . 60
Daniel Ammann . . . . . . . . . . . 64
Reto Kaufmann . . . . . . . . . . . 65
Christoph Spicher . . . . . . . . . 65
Raymond Yerly. . . . . . . . . . . . 66
Matthias Allgayer . . . . . . . .
Julien Berthoud . . . . . . . . .
Joris Bettler . . . . . . . . . . . .
Manuel Bloch. . . . . . . . . . .
André Burkhard . . . . . . . . .
Peter Csaszar . . . . . . . . . .
André Filipe Figueiredo
da Silva . . . . . . . . . . . . . . .
Thomas Ebnöther . . . . . . .
Olivier Fragnière . . . . . . . . .
Sébastien Golay. . . . . . . . .
Romain Gueninchault. . . . .
Bastien Haller . . . . . . . . . .
Oliver Heiniger . . . . . . . .
Stephan Heshusius . . . .
Marco Jordi . . . . . . . . . .
Christoph Koch . . . . . . .
Simeon Krummenacher .
Michael Lanker . . . . . . .
Nicolas Lebert . . . . . . . .
Thomas Metzger . . . . . .
Patrick Mönnig. . . . . . . .
Alexander Mussitelli . . . .
Philipp Mutti. . . . . . . . . .
Andreas Ramseier . . . . .
Silvan Rindisbacher . . . .
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75
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80
87
76
82
Patrick Rohner . . . . . . .
Glen Romagnoli . . . . . .
Dominic Sahli. . . . . . . .
Peter Schilliger. . . . . . .
Nadja Schwarz. . . . . . .
Stefan Sempach . . . . .
Tobias Singer . . . . . . . .
Florian Sommerhalder .
Roland Staudenmann .
Julian Suter . . . . . . . . .
Timotheus von Däniken
Christoph Wegmüller . .
Corsin Zürcher . . . . . . .
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88
ti.bfh.ch
13
BSc in Elektro- und Kommunikationstechnik
BSc en Électricité et systèmes de communication
BSc in Electrical- and Communication Engineering
Adrian Adam . . . . . . . . . .
Daniel Aebi . . . . . . . . . . .
Christian Bachmann. . . . .
Daniel Balz. . . . . . . . . . . .
Simone Baragiola. . . . . . .
Marco Beffa . . . . . . . . . . .
Sascha Berger . . . . . . . . .
Chasper Buchli . . . . . . . .
Christoph Bühlmann . . . .
Lukas Bühlmann . . . . . . .
Sandro Burn . . . . . . . . . .
Christian Bütikofer . . . . . .
Gion Andri Clalüna . . . . . .
Luis Filipe Silva Costa . . .
Gabriel Da Silva Cardoso .
Angel Javier Rodriguez
del Rio . . . . . . . . . . . . . . .
Michael Diethelm . . . . . . .
Marco Dubach . . . . . . . . .
Kevin Eggen. . . . . . . . . . .
Dominik Eichenberger . . .
Nabil Elbadry . . . . . . . . . .
127
109
110
.111
102
100
Alain Felder . . . . . . .
Mohammed
Fonseca Boukhalat .
Thomas Gerber . . . .
Nathanaël Grunder. .
Simone Guscetti . . .
Philipp Gysel . . . . . .
Thomas Hess . . . . .
Urs Hofer . . . . . . . . .
Christoph Hofer . . . .
Stefan Hubacher . . .
Michael Huldi . . . . . .
Jürg Jäggi . . . . . . . .
Claudio Kälin . . . . . .
Samuel Kreuzer . . . .
Stefan Lenz . . . . . . .
Daniel Lüdi. . . . . . . .
Felix Mosimann . . . .
Alessio Piazza . . . . .
Theo Reichenbach . .
Thomas Rothenfluh .
Lukas Röthlisberger .
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120
121
122
123
105
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151
152
153
155
156
157
158
159
160
161
Manuel Frischknecht
Marco Gfeller . . . . . .
Raffael Gottardi . . . .
Marco Hochstrasser
Fabio Hufschmid . . .
James Hulka . . . . . .
Ruth Imwinkelried . .
Christoph Isch . . . . .
Matthias Jeker . . . . .
Simon Käser . . . . . .
Florian Künzi . . . . . .
Nils Lanthemann . . .
Rainer Lengler . . . . .
Sandro Leoni . . . . . .
Jan Thomas Liechti .
Rolf Linder . . . . . . . .
Yoël Luginbühl . . . . .
Tobias Merz . . . . . . .
Michael Müller . . . . .
Claude Nobs . . . . . .
Christian Pauwels . .
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150
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152
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152
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147
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.174
175
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. 99
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106
. 99
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108
108
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. . . . . . .111
Tobias Daniel Rüetschi .
Marcel Ryser . . . . . . . .
Jonas Schild . . . . . . . .
Samuel Schaad . . . . . .
Remo Schläppi . . . . . .
Raphael Schertenleib . .
Manuel Sommer . . . . .
Andreas Staub . . . . . . .
Manuel Stäubli . . . . . . .
Sandro Steffen. . . . . . .
Mathias Stucki . . . . . . .
Marco Tanner. . . . . . . .
Caspar Trittibach . . . . .
Andreas Vitelli . . . . . . .
Daniel Wälchli . . . . . . .
Cedric Weber. . . . . . . .
Stefan Weyeneth . . . . .
Fabian Zobrist . . . . . . .
Stefan Zürcher . . . . . . .
Cyril Zwahlen . . . . . . . .
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131
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134
135
128
136
121
137
118
138
139
139
136
133
110
Andrea Pellegrini . . . .
Giuliano Pescio . . . . .
Michel Reuteler . . . . .
Markus Roth . . . . . . .
Kevin Schneider. . . . .
Thomas Schmid. . . . .
Lorenz Schori . . . . . .
Angelo Seiler . . . . . . .
Tobias Soltermann . . .
George Sriranjan . . . .
Nick Pete Stähli . . . . .
Jan Stohler . . . . . . . .
Silvan Strüby . . . . . . .
Stefan Tock . . . . . . . .
Tobias Vogel . . . . . . .
Pascal von Dach . . . .
Philémon von Bergen .
Jean-Bernard
Wansi Njengoue. . . . .
Michael Widmer . . . . .
Pauli Winkelmann. . . .
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180
150
181
181
173
148
181
182
183
184
176
BSc in Informatik
BSc en Informatique
Petar Aleksandrovic . .
Florian Bänziger . . . . .
Marc Baumann . . . . .
David Baumgartner . .
David Berger . . . . . . .
Stephan Berger . . . .
Louis Bernath . . . . . .
Ken Blum. . . . . . . . . .
Patric Blunschi. . . . . .
Kevin-Dave Brechbühl
Damian Breu . . . . . . .
Florian Bühlmann . . . .
Marcel Bühlmann . . . .
Simon Burkard. . . . . .
Urs Dix . . . . . . . . . . .
Lea Fabienne Dolder .
David Ehrler . . . . . . . .
Matthäus Eismont . . .
Lorenz Emmenegger .
Adrian Fahrer . . . . . . .
Simon Flachsbart. . . .
14
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. . . . . 185
. . . . . 165
. . . . . .174
BSc en Mécanique
Joel Allemann . . . . . . . .
Xaver Bandi . . . . . . . . . .
Adrian Baumgartner. . . .
Dominik Boner . . . . . . . .
Simon Bosshard . . . . . .
Manuel Bracher . . . . . . .
Enver Enrique
Buendia Orozco . . . . . . .
Joel Costan . . . . . . . . . .
Andreas Egger . . . . . . . .
Donat Reto Fetz . . . . . . .
Severin Flisch. . . . . . . . .
Richard Eugen Fuchs . . .
Benedict Gfeller . . . . . . .
Adriano Giovannini . . . . .
Raphael Grossenbacher.
Micha Güdel . . . . . . . . .
Michael Hirschi . . . . . . .
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189
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212
213
214
215
216
217
218
219
220
221
222
Gino Andrea Rovitti . .
Christian Schaller . . . .
Simon Schär . . . . . . .
Michael Schori . . . . . .
Daniel Schranz. . . . . .
Christian Siegenthaler
Michael Sollberger . . .
Nils Trachsel . . . . . . .
Winh Truong . . . . . . .
Rolf von Ballmoos . . .
Lukas Weder . . . . . . .
Christian Wegmüller . .
Simon Wüthrich . . . . .
Musa Zuberi. . . . . . . .
Beat Zulauf . . . . . . . .
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233
234
235
236
237
Christian Mauerhofer . . . . .
Danilo Mazzarella. . . . . . . .
Vivien Meyer . . . . . . . . . . .
Damien Müller . . . . . . . . . .
Martin Mumenthaler . . . . . .
Andreas Thomas Neuhaus .
Michael Nyffeler . . . . . . . . .
Carlos Puertas . . . . . . . . . .
Adrian Räz . . . . . . . . . . . . .
Enrico Renna . . . . . . . . . . .
Alban Rudaj . . . . . . . . . . . .
Benjamin Schemer. . . . . . .
Florian Schleiss . . . . . . . . .
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260
261
263
264
265
266
267
Lukas Schneider . . . . . .
Simon Schnider . . . . . . .
Guillaume Sottas . . . . . .
Adrian Stirnimann . . . . .
Christina Stöck . . . . . . .
Gisèle Taboada . . . . . . .
Preethy Elizabeth
Vadakkadath . . . . . . . . .
Nicolas Wiedmer . . . . . .
Jeremias Wolfensberger.
Beat Wyss . . . . . . . . . . .
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274
275
276
Philip George Hofer . .
Simon Hugi . . . . . . . .
Nikola Janjic . . . . . . .
Stefan Kleiner . . . . . .
Kevin Köhl . . . . . . . . .
Martin Kropf. . . . . . . .
Micha Matthias Künzi .
Simon Lanz . . . . . . . .
Priska Lienhard . . . . .
Patric Mosimann . . . .
Reto Simon Müller . . .
Martin Mumenthaler . .
Felix Münster . . . . . . .
Pascal Peter . . . . . . .
Antonio Prince . . . . . .
Martin Reuteler . . . . .
Jonas Rohrer . . . . . . .
Bastian Roth . . . . . . .
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BSc in Mikro- und Medizintechnik
BSc en Microtechnique et technique médicale
BSc in Micro- and Medicaltechnology
Daniel Achermann . .
Kai Bachofner . . . . .
Oliver Baumann . . . .
Matthieu Borgognon
Daniel Christen . . . .
Davide Di Francesco
Matthias Furrer . . . .
Julien Gumy. . . . . . .
Stefan Haudenschild
Daniel Heiniger . . . .
Christof Hommann . .
Jane Krähenbühl . . .
Thomas Lüthi. . . . . .
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ti.bfh.ch
15
Alumni: Brücke zwischen Hochschule und Praxis
Alumni: une passerelle entre haute école et pratique
Alumni: the bridge between university and professional life
Die Absolventinnen und Absolventen einer Hochschule (Alumni)
stellen eine wichtige Verbindung
zwischen dieser und den Bereichen Wirtschaft, Gesellschaft und
Kultur dar. Nach Studienabschluss wenden die Alumni ihr
Wissen in der Praxis an und geben an der Hochschule gewonnene Erfahrungen als deren Botschafter weiter. Auch die BFH
erachtet die Beziehungspflege zu
ihren Alumni als essentiell. Aus
diesem Grund wurde vor vier Jahren die Fachstelle Alumni gegründet, die seither mit dem Auf- und
Ausbau sowie der Koordination
des Alumni-Wesens beauftragt
ist. Sie agiert als zentrale Anlaufstelle für die Anliegen der BFHAlumni und ihrer vierzehn AlumniVereine.
Zu den Hauptaufgaben der Fachstelle Alumni gehören:
Q Intensivierung der Beziehungen
zu sowie zwischen den Alumni
der BFH
Q Stärkung der Identifikation der
Alumni mit der BFH
Q Regelmässige Information der
Alumni über Entwicklungen
und Aktivitäten an der BFH
Q Förderung der beruflichen
Chancen und der Weiterbildung von Alumni
Q Vermittlung von Erfahrungen
und Informationen aus der
beruflichen Praxis der Alumni
Q Weiterentwicklung der Leistungen für Alumni und Alumni-Vereine
Q Begleitung bei Neugründungen
von Alumni-Vereinen
2011 erstellten die Delegierten der
Alumni-Vereine ein Konzept zur
strategischen Weiterentwicklung
des Alumni-Wesens an der BFH.
Im Zentrum stand die Wahl einer
16
ti.bfh.ch
Les diplômés et diplômées d’une
haute école (alumni) sont de véritables traits d’union avec le
monde de l’économie, de la société civile et de la culture. Au
terme de leurs études en effet,
ils appliquent leur savoir dans la
pratique où, tels des messagers,
ils transmettent les expériences
qu’ils ont acquises. Comme bon
nombre d’institutions de formation, la HESB accorde une grande
importance à l’entretien des relations avec ses alumni et alumnae.
C’est la raison pour laquelle elle a
créé, voilà quatre ans, un service
spécialisé Alumni qui se consacre
depuis lors à la mise sur pied, au
développement et à la coordination des activités concernant les
anciens étudiants et étudiantes.
Elle agit en tant que plateforme
centrale pour défendre les intérêts des diplômés et diplômées
de la HESB et de leurs quatorze
associations.
Les principales tâches du service
spécialisé Alumni consistent à:
Q intensifier les relations entre et
avec les alumni
Q renforcer leur identification
avec la HESB
Q les informer régulièrement sur
les développements et activités
en cours à la HESB
Q promouvoir les opportunités
professionnelles et la formation
continue en leur faveur
Q assurer l’échange des expériences et des informations
issues de leur pratique professionnelle
Q développer des prestations
pour les alumni et leurs associations
Q fournir un encadrement lors de
la création de nouvelles associations Alumni
The graduates of an university
(alumni) form an important link
between the university and the
spheres of business, society and
culture. On completing their studies, alumni apply their knowledge
in practical situations and, as its
ambassadors, provide the university with valuable feedback. BUAS
also regards alumni relations as
an essential part of its remit. This
was why the Alumni Department
was founded four years ago with
the aim of establishing, developing and coordinating alumni relations. It acts as a central point
of contact, dealing with the concerns of BUAS alumni and its
fourteen alumni associations.
The main duties of the Alumni Department include:
Q Intensifying relations with and
between the BUAS alumni
Q Strengthening alumni ties to
BUAS
Q Keeping alumni up to date on
BUAS developments and activities
Q Promoting career opportunities
and continuing education for
alumni
Q Passing on experiences and
information from the professional life of alumni
Q Further development of services for alumni and alumni
associations
Q Supporting the establishment
of new alumni associations
Alumni association delegates
drew up a concept for the strategic development of alumni relations at BUAS in 2011. Its main
focus was to select an optimum
organisational form for the future:
the formation meeting of the umbrella association BUAS ALUMNI
will take place as early as this Oc-
optimalen, zukünftigen Organisationsform: noch diesen Oktober
findet die Gründungsversammlung des Dachverbands ALUMNI
BFH statt. Dieser soll die sich in
vielen Punkten – z.B. bezüglich
Entstehungsgeschichte oder Mitgliederzahl – unterscheidenden
Alumni-Vereine der BFH vereinigen und beim Erreichen ihrer Ziele unterstützen. In der Startphase
wird der Dachverband durch die
BFH finanziert.
ALUMNI BFH verspricht unter anderem:
Q einen starken Auftritt nach aussen
Q eine unterstützende Wirkung
für die Positionierung der BFH
in der Hochschullandschaft
Q einen erfolgreichen internen
Austausch aufgrund der Vielfalt
seiner Mitglieder
Der Dachverband ALUMNI BFH
zeichnet sich durch eine demokratische Struktur mit klarer Definition von Aufgaben, Kompetenzen und Verantwortung aus und
regelt die Zusammenarbeit zwischen den Alumni-Vereinen und
Dach bei der Umsetzung von
Massnahmen. Innerhalb des Departements Technik und Informatik der BFH bestehen folgende
vier Alumni-Vereine: BFH Alumni
Technik, Gesellschaft zur Förderung der Software-Technologie,
Ingena Bern und Alumni BFH
MedInf/MedTec.
Weitere Informationen unter
bfh.ch/alumni
En 2011, les délégués des associations Alumni ont élaboré une
stratégie relative au développement de leur domaine au sein de
la HESB. Il s’est agi en priorité de
définir une forme d’organisation
optimale et orientée vers l’avenir.
En octobre prochain se tiendra
l’assemblée constitutive de l’organe faîtier ALUMNI HESB. Celuici aura pour mission de réunir des
associations qui se différencient
en de nombreux points – de par
leur genèse ou leur effectif notamment – et de les soutenir dans
la réalisation de leurs objectifs.
Durant sa phase de lancement, il
sera financé par la HESB.
ALUMNI HESB s’engage notamment pour
Q une meilleure visibilité à l’extérieur
Q un soutien au positionnement
de la HESB dans le paysage
des hautes écoles
Q un échange interne riche et
efficace grâce à la diversité de
ses membres
L’association faîtière ALUMNI HESB
se caractérise par une structure démocratique et une définition claire
des tâches, des compétences et
des responsabilités, ainsi que par
une réglementation de la collaboration entre membres et organe faîtier pour la mise en œuvre des mesures adoptées. Le département
Technique et informatique compte
quatre associations Alumni: Alumni
HESB Technique, Société pour la
promotion de la technologie logicielle, Ingena Bern et Alumni HESB
MedInf/MedTec.
tober. Its aim is to unite the BUAS
alumni associations under the one
roof and to assist them in achieving their goals. The associations
currently differ from one another
in many respects, including how
they originated or membership
numbers. Initially, the umbrella association will be funded by BUAS.
BUAS ALUMNI goals include:
a stronger public image
Q support in positioning BUAS in
the university community
Q successful internal networking
due to the diversity of its members
Q
The BUAS ALUMNI umbrella association has a democratic structure and clearly defined duties,
areas of competency and responsibility. It works together with the
alumni associations to implement
joint measures. The BUAS Engineering and Information Technology department includes the following four alumni associations:
BUAS Engineering Alumni, Society for the Promotion of Software
Technology, Ingena Bern and
Alumni BUAS MedInf/MedTec.
For more details, visit
bfh.ch/alumni
Pour en savoir plus:
bfh.ch/alumni
ti.bfh.ch
17
Beispiel
Exemple
Example
BI BE BU VA BSc in Informatik
Biel-Bienne
Bern
Burgdorf
Vauffelin
Ort, wo die Arbeit ausgestellt wird
Lieu où le travail est exposé
Exhibition place of the thesis
Titel der Arbeit / Titre du travail / Title of the Thesis
Fach – Branche – Subject / BetreuerIn – Directeur-trice de thèse – Thesis advisor
Experte – Expert – Expert
Projektpartner – Partenaires du projet – Project partner
18
Vorname Name
Prénom Nom
First name Surname
Telefon
Téléphone
Phone
E-Mail
Courriel
E-mail
ti.bfh.ch
BI BE BU VA
Development of a Novel FES Tricycle for Children
Rehabilitation Engineering / Thesis advisor: Prof. Dr. Kenneth J. Hunt
Expert: Dr. med. Sebastian Grunt
It is a challenging task for children with a spinal cord injury(SCI) to make exercises or participate recreational activities. This increases their risk of developing cardiovascular diseases and can affect child’s natural
development. Lower-limb cycling by means of functional electrical stimulation (FES) of the paralyzed muscle groups have been used to improve the cardiorespiratory health of SCI individuals. The primary aim of this
study was to develop pediatric FES-cycling equipment with motor assist.
Efe Anil Aksöz
[email protected]
20
Introduction
Better cardiovascular fitness and
bone strength are the main benefits of adequate physical activity
in childhood. Children with a spinal cord injury (SCI), cerebral palsy
(CP), or other neurological deficits
are faced not only with psychological challenges, but also physical limitations which prevent them
performing adequate exercise required for their natural growth and
development. Reported data suggest that cycling with functional
electrical stimulation (FES) has
positive health benefits not only for
adults but also for children with
neurological impairment.
The main idea of FES cycling is to
stimulate paralysed muscles using
an external stimulator. Stimulation
is coordinated with pedal position
to achieve continuous cycling
movement. Stimulation intensity
can be controlled automatically or
manually, and this directly affects
pedal torque and cadence. The
muscle groups normally stimulated are the quadriceps, hamstrings
and gluteal muscles.The main goal
of this master thesis was to de-
velop a novel FES tricycle for children with lower-limb paralysis.
Modified Tricycle with trailer
Control Strategy
ti.bfh.ch
Methods
A child’s sports trike (KMX Cyclone) was modified for FES. Due
to the weak muscles of Children
with SCI or CP, higher torques are
needed to move the entire tricycle
The pedal movement is assisted
by a DC motors, but the inertia of
the trike still has to be overcome.
In order to solve this problem,
main idea was to have two independent drives: one for the pedals
and legs, coordinated with stimulation, and the other for moving the
entire trike. A DC motor (Maxon
EC90 brushless 90 Watt motor)
with a 21:1 gearhead was implemented at the pedals. A toothed
synchronous belt drive system
was designed to transmit power
from the motor to the pedals using
a belt of 15 mm width and 5 mm
pitch. In order to retain the original
shaft, additional mechanical parts
were used to fix the drive system
to the trike.
A 350 W hub motor (Crystallite)
with 40 Nm torque and 23 km/h
maximum speed with a 20” rim
was mounted in the rear wheel to
move the entire trike. A thumb
regulator is used to throttle the
motor and with the help of the
controller the motor speed can be
adjusted. Control software was
developed to connect the rear and
front drive systems. This was implemented in Matlab/Simulink. The
Real-Time Windows Target was
used for analogue inputs and outputs.
Results
The angular speed, maximum
torque and power were experimentally calibrated. The FES stimulator was tested and its connection to the throttle and front motor
verified in recreational cycling
tests. The response time and time
delay between front and rear drive
was checked. The trike’s mobile
performance was tested by throttle and torque feedback control
trials.
Stimulation
BI BE BU VA
UMTS-Trägerdetektion
Mobile ITC / Betreuer: Dr. Rolf Vetter
Projektpartner: COMLAB AG, Ittigen / Experte: Dr. Peter Schlatter
Die Berner Fachhochschule hat von der Firma COMLAB AG den Auftrag erhalten, ein System zu entwickeln,
welches vorhandene UTMS-Übertragungen erkennt, um diese anschliessend wirkungsvoll zu stören. Die
UMTS-Frequenzen sollen dabei nicht ständig gestört werden, sondern nur dann, wenn ein UMTS Signal
vorhanden ist. Damit soll verhindert werden, dass Teilnehmer unerlaubt über UMTS kommunizieren können.
Das System soll im Bereich der Sicherheitsverwahrung (Gefängnisse, Anstalten etc.) eingesetzt werden.
Ausgangslage
Die COMLAB AG, mit Sitz in Ittigen,
ist ein spezialisiertes, weltweit
tätiges Unternehmen für Hochfrequenztechnik. Als Schweizer
Firma projektiert, entwickelt, produziert und installiert sie schlüsselfertige Funksysteme. Unter anderem stellt sie auch Systeme
zur Störung von Funkübertragungen her. Bisher setze sie einen
Mobilfunk-Detektor ein, welcher
die Leistung auf den gewünschten
Frequenzen misst. Dieser arbeitet
bei UMTS aber nicht zuverlässig.
Universal Mobile Telecommunications System (UMTS) ist der
Mobilfunk-Standard der dritten
Generation (3G) und wird inzwischen international von den Netzbetreibern eingesetzt. Zur Übertragung von UTMS-Signalen wird
ein Bandspreizverfahren verwendet.
Aufbau des Detektionssystem
Marcel Berger
[email protected]
Dieses hat die Eigenschaft, dass
der Leistungspegel eines UMTSSignal unter dem Umgebungsrauschen liegen kann. Die Detektion
des Signals wird dadurch erheblich erschwert.
Realisierung
Das System wurde mit einer Hardware realisiert, welche von der
COMLAB AG entwickelt und hergestellt wurde. Die sogenannte
Data Acquisition Unit (DAU) beinhaltet einen Hochfrequenz-Teil
(mit Filter, Mischer), einen AnalogDigital-Wandler und für die Datenverarbeitung ein Field Programmable Gate Array (FPGA) und
einen digitalen Signalprozessor
(DSP).
Für die Detektion vom UMTS wurde ein innovatives Verfahren ausgearbeitet. Auf dem FPGA wurde
dieses Verfahren mit Hilfe der
Hardwarebeschreibungssprache
VHDL umgesetzt. Der DSP ist für
die Kommunikation zwischen der
DAU und der Umwelt zuständig. In
einem webbasierten Interface
werden Daten, wie die Frequenzen
der erkannten UMTS-Signale und
die Signalpegel dieser Frequenzen, bereitgestellt.
Ergebnis
In dieser Master Thesis ist ein System entstanden, welche das zuverlässige Detektieren von UMTSSignalen erlaubt. Damit kann das
entwickelte System zusammen mit
einem Störsender in der Praxis
eingesetzt werden.
Die DAU im Einsatz
ti.bfh.ch
21
BI BE BU VA
A Secure Distributed Bulletin Board
E-Voting / Thesis advisor: Prof. Dr. Eric Dubuis
Expert: Prof. Dr. Andreas Steffen
More and more data are published on the Internet everyday. How can we ensure that the displayed content
has not been modified? In serious contexts (e.g., e-voting) it is essential to prove the correctness of the data.
Using a secure bulletin board, authorized users will be able to post messages and have the assurance that
they will never be changed, moved or deleted. Also, the messages will be available to everyone. The goal
of this thesis is to describe a working solution that produces correct results even in presence of actively
corrupt parties.
José Beuchat
[email protected]
22
In this master thesis, we show that
bulletin boards can be used in different contexts (e.g. e-voting, auctions, system logs, etc) to allow
users to post and read messages
that will never be removed, modified or moved. Moreover, they
should always be available, possess no single point of failure and
their users are able to prove it if
any of those properties are not
respected.
a secure broadcast channel described by M.K. Reiter.
We also present a distributed solution (see Figure 2) running at n
parties, of whom less than one
third can be corrupt without affecting the correctness of the bulletin board. The users randomly
choose a party, post their messages and receive a receipt for
them. This solution, based on the
master thesis of R.A. Peters, uses
As you can see in Figure 1, our
solution has a relaxed layered architecture composed of the following seven layers: Network, Secure Group Membership, Echo
Multicast, Reliable Multicast,
Atomic Multicast, Synchronized
Multicast and Application. When a
message is posted at a party, it is
broadcast to the n parties by going threw all of those layers. Six
layers have currently been implemented and tested. The application layer remains to be done.
However, we realized a simple
implementation that gives us the
ability run our protocols and to
monitor and manage them using a
JMX client. Note that this last layer
can differ a lot depending on the
Figure 1: Relaxed Layered Architecture
Figure 2: Distributed Solution
ti.bfh.ch
context. A major difference in
comparison to Peter’s solution is
that our prototype, implemented
in Java, is multi-threaded. It makes
us gain performance and gives
more possibilities to test the system. Unfortunately, thread-safe
protocols were hard to realize.
Future work will add group-threshold signatures in the Echo Multicast Protocol, making it more efficient. It will be important to use
a scheme not requiring a trusted
dealer. Otherwise, a single point of
failure will exist. Additionally, alternative message formats (ASN.1,
XML, JSON, etc.) will be used in
order to make our bulletin board
ready for interoperability with possible other implementations.
BI BE BU VA
Du raisonnement avec OWL et NoSQL?
IT Sécurité / Directeur de thèse: Prof. Dr. Olivier Biberstein
Expert: Prof. Dr. Gilles Falquet
Notre but est de découvrir des connections ou des relations entre sites Web hébergeant des informations
illicites pour permettre l’étude et la compréhension de l’organisation en réseaux de ces derniers. La représentation des sites est décrite au moyen de Web Ontology Language (OWL). Un «raisonneur» est employé
afin de déduire de nouvelles relations entre les sites à partir de l’information OWL. Parallèlement, plusieurs
types de bases de données NoSQL (Not Only SQL), mieux adaptées dans ce contexte, sont étudiés comme
alternatives aux bases de données relationnelles.
L’objectif de ce travail est d’offrir
des moyens techniques pour
mettre en évidence des liens entre
sites Web qui hébergent des informations illicites (utilisation abusive
de marques déposées, vente de
produits contrefaits ou prohibés,
etc.) et de comprendre comment
ces sites sont organisés entre eux.
Pour ce faire l’information extraite
des sites Web est exprimée sous
forme d’ontologie au moyen de
Web Ontology Language (OWL). A
partir de cette information, sous
forme d’ontologie, un raisonneur
est employé pour inférer les relations entre sites.
Raisonnement
Une partie importante du raisonnement réside en réalité dans la
description de l’information. Pour
qu’un raisonneur puisse interpréter la structure de l’information et
l’associer à des concepts, chacun
de ces concepts doit être spécifié.
OWL permet d’exprimer des
concepts et d’associer des données à ces concepts. Il est aussi
possible de définir des concepts
équivalents. Les concepts équivalents offrent la possibilité d’observer ou d’analyser l’information
sous différents points de vue.
Un raisonneur basé sur OWL permet des raisonnements liés au
typage de l’information. Une fonction du raisonneur consiste à trouver des relations entre les différents concepts. Des équivalences
de concepts ou des relations
d’héritages peuvent alors être
découvertes. Un raisonneur détecte aussi les données satisfaisant la description de concepts.
Ces données sont alors reconnues comme étant des instances
de ces concepts. Le raisonneur
signale également toute incohérence découverte.
NoSQL
Les bases de données relationnelles sont adaptées pour la
grande majorité des applications.
Néanmoins ces bases de données
persistent l’information sous une
structure relativement rigide limitant l’évolution de cette dernière.
Il n’est pas simple non plus de
recomposer une donnée répartie
sur plusieurs tables. L’approche
Not Only SQL (NoSQL) apporte
des solutions à cette problématique. Certaines de ces bases de
données persistent l’information
sous forme de graphes, d’autres
sous forme de documents.
D’autres encore persistent l’information sous forme de triplets.
Nous avons évalué trois implémentations de bases de données
que sont Neo4j une base de données à graphes, AllegroGraph une
base de données à triplets et
MongoDB une base de données à
documents. Notre étude traite des
langages de requêtes mises à disposition et les possibilités de migration des données vers OWL.
José Beuret
Exemple de représentation de sites Web au moyen d’OWL.
ti.bfh.ch
23
BI BE BU VA
Image Data Hub Firmware
Human Centered Engineering (HuCE-microLab) / Betreuer: Prof. Dr. Theo Kluter
Projektpartner: Firma, CH
Highend Bildverarbeitungssysteme erfordern Daten-Übertragungsraten jenseits von mehreren Gbit/s. Erhältliche embedded Systeme sind häufig durch ihre limitierten Hardware-Ressourcen nicht in der Lage die
geforderten Spezifikationen zu erfüllen. Für einen Industriepartner wurde im Rahmen dieser Arbeit eine
Lösung für ein System entwickelt, welche die Kommunikation und die Datenverarbeitung für High Speed
Streaming-Geräte in einer Single-Chip FPGA Lösung vereint.
Markus Brönnimann
[email protected]
Problemstellung
Neue Technologien im Bereich der
Bildverarbeitung oder Datenanalyse
verlangen stetig grössere Übertragungsraten. Häufig sind industrielle
Systeme mit solchen Anforderungen
nicht auf dem Markt verfügbar. Die
limitierende Bandbreite, fehlende
Erweiterungsmöglichkeiten, langsame und unflexible Datenverarbeitung oder ganz einfach die falsche
Baugrösse der Geräte sind nur einige der Nachteile. Diese Arbeit soll
zeigen, wie es mit einer Single-Chip
FPGA Lösung möglich ist, einen effizienten Datenmanager (Data Hub)
für Highspeed DatenverarbeitungsAnwendungen mit grossen Übertragungraten zu realisieren.
Ziele
Der Data Hub soll in der Lage sein
den Daten-Stream von bis zu vier
Geräten mit einem kontinuierlichen
Durchsatz von bis zu 400 Mbit/s pro
Kanal zu empfangen und hardwarebasiert im FPGA zu verarbeiten.
Je nach Betriebsart werden die Daten anschliessend gebündelt zu einem Host-Rechner übertragen oder
für die spätere Analyse auf einem
nicht flüchtigen Speicher abgelegt.
Die resultierende Nutzdatenrate von
1.6 Gbit/s ist dabei zu erreichen.
Umsetzung
In einem ersten Teil der Arbeit wurde
eine geeignete, industrielle Hardware
evaluiert, welche diesen Anforderungen theoretisch genügt. Im zweiten
24
ti.bfh.ch
Teil wurden alle Funktionalitäten
schrittweise in das System integriert.
Die Herausforderung besteht darin,
alle Komponenten in den limitierten
Hardware-Ressourcen zu integrieren
und so zu optimieren, dass die geforderten Übertragungsraten erreicht
werden können.
Die aktuelle Hardware basiert auf
einem Stratix IV FPGA von Altera.
Die Streaming-Geräte sind je über
eine Gigabit-Ethernet Schnittstelle
an den Data Hub angebunden. Der
1 GByte grosse DDR2 SDRAM
Speicher sorgt für genügend Speicherplatz bei der temporären Zwischenspeicherung der Daten. Die
über eine SerialATA III Schnittstelle
angeschlossene Harddisk dient für
die längeren Aufzeichnungen. Für
die Auswertung wird der DatenStream über einen PCI Express Link
(Gen2 x4/x8) an einen Host-Rechner transferiert. Alle diese Komponenten sind direkt oder über einzel-
ne, externe Treiber an das FPGA
angeschlossen. Die ganze Logik ist
im FPGA untergebracht und wird
durch einen NIOS II SoftCore-Prozessor kontrolliert.
Ergebnisse
Die Schnittstellen sind implementiert und die Performance-Tests
zeigen die erreichten Datenraten.
Teils liegt die Übertragungs-Geschwindigkeit weit unter der theoretisch erreichbaren der jeweiligen
Schnittstellen-Spezifikation, doch
sie reicht für die geplante Anwendung aus. Durch zusätzliche Optimierung der FPGA-Interconnects
und Realisierung der kritischen
Funktionen in Hardware kann zudem eine markante Verbesserung
der Performance erreicht werden.
Der Data Hub ist soweit funktionsfähig und dokumentiert, so dass
das Design vom Industriepartner
umgesetzt werden kann.
Blockdiagramm der Data Hub Implementation
BI BE BU VA
Microcontroller System for Treadmill Control
Human Centered Technology / Betreuer: Prof. Dr. Elham Firouzi
Experte: Prof. Dr. Kenneth J. Hunt
Für das Institut der Rehabilitation und Leistungstechnologie (IRPT) soll eine Embedded-System Lösung
entwickelt werden, welche Regelungsaufgaben für ein h/p/cosmos-Laufband übernimmt, ohne einen PC
benutzen zu müssen. Das Embedded System soll im Bereich des Leistungssports, aber auch im Rehabilitationsbereich eingesetzt werden. Im Leistungssport ist es für viele Ausdauersportler wichtig, bei einer
genau definierbaren Belastungsintensität trainieren zu können. Diese Arbeit liefert die Software für den
Prototyp des Embedded Systems.
Ausgangslage
Am Institut für Rehabilitation und
Leistungstechnologie werden Systeme für kardiopulmonale Rehabilitation und Automatisierungssysteme
für Trainingsgeräte entwickelt. In verschiedenen vorgängigen Projekten
wurden Herzfrequenzregelung, Sauerstoffaufnahmeregelung und eine
Automatisierung des Laufbandes
erarbeitet. Alle Regelungen werden
über Matlab/Simulink mit der Realtime Windows Target Toolbox gesteuert.
Ziel
Die vorliegende Arbeit befasst sich
mit der Realisierung der Software für
ein Embedded Controllersystem.
Das Ziel war es, eine Software für
einen Mikrocontroller zu entwickeln,
die die drei Regelungsaufgaben für
das Laufband übernimmt. Hardware
Als Hardware diente das Entwicklungsboard MCBSTM32E der Firma
Keil. Dieses Board enthält einen
ARM-basierten Cortex-M3 Mikrocontroller (STM32F103ZE). Mittels
des RTX-Kernel von Keil kann ein
RTOS (Realtime Operating System)
gebaut werden. Dies wird im heutigen Embedded Bereich sehr häufig
eingesetzt.
Realisierung der Software
Für die Software wurden zuerst die
Anforderungen definiert. Wichtig
dabei war es, dass alle Einstellungsmerkmale für die Regelungsaufgaben vorhanden waren. Die regelungstechnischen Daten (Führungsgrösse, Messgrösse und Stellgrösse)
sollten abgespeichert werden können. Dazu wurde der microSD-Slot
genutzt. Für das Schreiben und Lesen auf die microSD-Karte wurde
das Flash File System von Keil benutzt. Insgesamt wurden drei verschiedene Regelungstypen für das
Laufband implementiert. Eine Sauer-
stoffaufnahme-Regelung, HerzratenRegelung sowie eine Positionsregelung. Neben den bereits berechneten Regelparametern ist es
möglich, eigene Parameter zu testen.
Resultate
Mit der vorliegenden Software konnten alle Anforderungen erfüllt werden. Alle bisherigen entwickelten
Regelungstypen können mit der ausgearbeiteten Software ausgeführt
werden. Mittels eines einfachen Bedienkonzepts sind alle notwendigen
Einstellungen machbar. Bei Bedarf
können die Daten auf eine microSDKarte geloggt werden.
Christian Dietrich
Ausblick
Mit dieser Arbeit können Kunden auf
ein neues innovatives Produkt aufmerksam gemacht werden. Eine interessante Erweiterung des Systems
wäre, dass das Bedienkonzept komplett von einem Smartphone übernommen wird. Das grosse Plus der
heutigen Smartphones liegt in ihrer
Bedienungsfreundlichkeit. Es wäre
denkbar, dass eine für dieses System
zugeschnittene Applikation mit der
Mikrocontrollereinheit kommunizieren könnte. Die Bedienung und auch
die Anzeige würden somit vollumfänglich über das Smartphone laufen. Die Regelungsaufgaben würde
dann die Software des Mikrocontrollers übernehmen. Für die Kommunikation wäre die Bluetooth-Schnittstelle eine mögliche Variante.
Regelsystem
ti.bfh.ch
25
BI BE BU VA
Seamless Gateway-Handover in Ad Hoc Networks
Mobile Information and Communication Technology
Thesis advisor: Prof. Dr. Ulrich Fiedler
Expert: Prof. Dr. Torsten Braun, University of Bern
In disaster recovery and public safety, wireless ad hoc networks are a promising approach for mobile broadband communication. Big challenges in such multi-hop wireless networks include seamless connectivity
and seamless handover for broadband real-time traffic like video transmissions among different gateways
to a fixed network. In this thesis we have designed and implemented a demonstrator to show that seamless
gateway-handover for real-time videoconferencing traffic is feasible when employing off-the-shelf low-cost
equipment. In- and outdoor tests look promising.
Christoph Gusset
Figure 1: a) Cell handover from doted to dashed wireless link in single-hop
cellular wireless networks such as GSM, UMTS and LTE. b) Gateway handover
from doted to dashed wireless path in a multi-hop wireless ad hoc network.
Mobile publicaly available communication services are based on cellular wireless single-hop network architectures (GSM, UMTS,
LTE), where only the last hop is
premised on a wireless medium as
shown in figure 1a).
In rescue operations, disaster recovery and other crisis management scenarios up to military operations, the use of publicly
available networks is either not
possible or not appropriate. Autonomous communication systems
are utilised – but these today’s mobile radio networks support only
narrow bandwidth.
In future, upcoming wireless network concepts can provision
broadband connectivity in crisis
management scenarios – even for
real-time traffic like video transmissions.
A not damaged fix installed telecommunication infrastructure can
26
ti.bfh.ch
be expanded by rescue forces
from outside into a disaster area
with a wireless ad hoc network:
transportable and mobile wireless
nodes have to be placed for network coverage extension and buildup automatically a multi-hop
wireless ad hoc network, interconnected to a fix installed core
network by multiple gateways.
When a mobile terminal with its mobile wireless node is moving
around, the network has to choose
dynamically the optimal path between the communication partners.
Therefore, two types of handover
can occur: a handover inside the
wireless ad hoc network (intra-do-
main) and a gateway-handover
(inter-domain) between the mobile
node and the communication partner in the core network. The second case is similar to a cell handover in cellular networks, but more
complex due to the multi-hop network characteristic.
For real-time traffic, every handover
must happen in a seamless way
without any interruption of running
transmissions.
A seamless gateway-handover protocol for real-time traffic was designed and a demonstrator was
implemented.
The demonstrator consists of a
core network and a multi-channel
multi-radio wireless ad hoc network
with three gateways, two fixed wireless nodes and one mobile wireless
node as shown in figure 1b).
This demonstrator was evaluated in
a realistic setting towards its ability
to guarantee seamless connectivity
for real-time traffic like IP live video
streaming and IP videoconferencing.
From our tests in-house and outdoor we conclude that seamless
gateway-handover for broadband
real-time traffic is feasible.
BI BE BU VA
HW-Accelerator for Sub-Pixel FP Reconstruction
HIT – Human Interface Technology
Thesis advisor: Prof. Dr. Marcel Jacomet
Expert: Felix Kunz
Fingerprints are the favorite biometrics for user authentication. Automatic fingerprint recognition systems
represent more than 66% of the worldwide biometrics market. With the principle goal to reduce cost and
energy consumption, the sweep fingerprint sensor technique has been adopted by various sensor-manufacturers. An additional benefit of sweep sensors is their self-cleaning feature avoiding theft from latent
fingerprints. Sliding a finger over a sweep sensor generally shows not uniform speed, pressure, and adhesion during the capturing phase, which complicates the reconstruction problem.
Motivation
We consider two-line sweep sensors for which the reconstruction
algorithms are proprietary and not
published. These algorithms run in
dedicated high performance,
power hungry companion chips,
which are not suitable for our target low-cost, low-power, portable
applications that we realize with
hardware algorithms.
Sub-pixel Shift Estimator
Sweep fingerprint sensors capture
with constant sample-rate consecutive frames (CFs) from a
sweeping finger. The sweep speed
varies in time, and, therefore, the
displacements Δs between each
two CFs vary as well. Our algorithm
estimates the sequence of Δs
based on an ad-hoc formula involving correlation that indicates the
similarity of two sensor columns.
The displacement estimation formula has been developed by a
careful analysis of the sub-pixel image reconstruction problem.
Δs[n] ≈ (CCr[n] – CCs[n]) / (CCl[n] + CCr[n] - 2 · CCs[n])
Where CC s[n] is the correlation
between the left and right pixel
column of frame number n; CC l[n]
gives the correlation between the
left pixel column of frame n and its
follower frame n+1; finally, CC r[n]
is the counterpart for the right
pixel column. Figure 1 shows simulation results obtained by numerous fingerprint capturing- and
reconstruction experiments. The
bias of the algorithm is reduced in
a two step process.
Fig. 1: Performance analysis of our estimation algorithm over
the full speed range for constant sweep speeds.
Accuracy and Robustness
Analysis
We have analyzed the accuracy
and the robustness of our sub-pixel
fingerprint reconstruction algorithm
using various synthetic CFs. These
synthetic CFs, all base on real fingerprints, serving as the mother
templates of our synthetic slice model. The goal of the experiment is
to demonstrate the robustness of
our approach by analyzing: Global
stretching and worst-case local
stretching. Figure 2 illustrates the
global as well as the local stretching
effect. The standard deviation of
these experiment is 5.8 pixels.
Andreas Habegger
Further Reading
For more details, read our IEEE
peer-reviewed paper “A SubpixelBased Fingerprint Reconstruction
Algorithm”, published at NEWCAS2012, Montreal, Canada.
Fig. 2 : Influence of inaccurate estimations; The global
stretching for the sweep speeds 0.06 and 0.3 pixels per
frame, respectively, is 11 pixels.
ti.bfh.ch
27
BI BE BU VA
Maximum Power Point Tracker für das SolarShip
Energy and Environment / Betreuer: Prof. Dr. Andrea Vezzini
Experte: Markus Schwab
Projektpartner: SolarShip, Kanada
In Entwicklungsländern ist die Versorgung mit Lebensmitteln und medizinischen Gütern aufgrund fehlender
Strassen oft nicht gewährleistet. Daher entwickelt die kanadische Firma SolarShip ein Solarluftschiff zum
Transport von Lasten. Die mit Helium gefüllten Tragflächen haben eine Spannweite von 15 m und erzeugen
sowohl statischen als auch dynamischen Auftrieb. Dadurch ist es möglich das Solarschiff auf einem Fussballfeld zu starten und zu landen. Die Energie der Solarpanels wird in einer Batterie gespeichert, um damit
drei 40 kW Elektromotoren anzutreiben.
Das SolarShip
Irene Kunz
[email protected]
Im Rahmen dieser Arbeit soll ein
Maximum Power Point Tracker
(MPPT) entwickelt werden. Dieser
betreibt die Solarpanels im optimalen Arbeitspunkt, um so möglichst viel Energie in der Batterie
zu speichern.
Der MPPT soll nicht nur hocheffizient, sondern auch möglichst
leicht sein und eine hohe Zuverlässigkeit aufweisen.
Ausgangslage
Das Solarpanel besitzt eine maximale Eingangsleistung von 4 kW
bei einer Eingangsspannung von
80 bis 130 V, welche mit einem
Boost Converter auf eine Zwischenkreisspannung von 140 bis
200 V umgewandelt wird. So ist es
möglich die gewonnene Energie
aus dem Solarpanel an eine Batterie oder direkt an den Wechselrichter des Elektromotors abzugeben.
Realisierung
Um eine möglichst hohe Effizienz
zu erreichen, wird der Boost Converter im Transition Mode betrieben. Das bedeutet, dass der MOSFET zum Zeitpunkt, in dem der
Spulenstrom null erreicht, eingeschaltet wird und so praktische
keine Schaltverluste auftreten. Die
28
ti.bfh.ch
Schwierigkeit bei dieser Betriebsart liegt darin, dass sich die Schaltfrequenz bei unterschiedlichen
Betriebspunkten verändert (vgl.
Abbildung).
Verhalten bei variierendem Ausgangsstrom
Weiter wird aus der Grafik ersichtlich, dass der Betrieb im Transition
Mode einen hohen Eingangsstromrippel zur Folge hat. Zum
Ausgleich dieses Rippels wird deshalb eine grosse Kapazität benötigt. Um diesen Nachteil zu beheben, werden vier Wandler parallel
geschaltet und jeweils um 90°
zueinander phasenverschoben.
Dieses interleaved Prinzip bewirkt
eine teilweise Auslöschung des
Stromrippels und ermöglicht zudem die Leistung auf diese vier
Phasen aufzuteilen. Dadurch
könnne die vier Induktivitäten und
die Eingangskondensatoren deutlich kleiner gewählt werden und
sind in der Summe leichter als eine
Lösung mit nur einer Stufe.
Eine weitere Steigerung der Effizienz wird erreicht, wenn die Diode
des Boost Converters durch einen
weiteren, synchron geschalteten
MOSFET ersetzt wird. Dieser
MOSFET wird erst ausgeschaltet,
wenn der Spulenstrom auf einen
bestimmten negativen Wert abfällt, so dass die in der Induktivität
gespeicherte Energie gerade ausreicht um die Ausgangskapazität
Coss des unteren MOSFETs zu
entladen. Anschliessend kann dieser nahezu verlustlos eingeschaltet werden.
Um die Zuverlässigkeit des MPPTs
zu steigern wird die Leistung auf
zwei Platinen verteilt, welche über
eine CAN-Schnittstelle miteinander kommunizieren. Falls eine Platine ausfällt, kann die Zweite immer noch die halbe Leistung von
2kW an den Zwischenkreis abgeben.
Resultat
Die Funktionsweise dieses 4 kW
Boost Converters wurde mit der
PLECS Toolbox in MATLAB / Simulink simuliert und deren Machbarkeit erwiesen. Anschliessend
wurde ein Prototyp entwickelt und
aufgebaut. Die Regelung dieses
Systems wurde mit einem DSP der
Piccolo Familie von Texas Instruments (TMS320F28035) realisiert.
Prototyp des MPPT
BI BE BU VA
Evaluation von alternativen DeNOx-Systemen
Transportation / Betreuer: Prof. Dr. Jan Czerwinski
Experten: Christian Bach, Ralf Ulmann
Projektpartner: Liebherr Machines Bulle SA, Bulle
Bei heutigen Dieselmotoren ist die Abgasnachbehandlung ein wichtiger Punkt in der Entwicklung. Es
werden ständig neue Arten der Abgasnachbehandlung erforscht. Bei den DeNOx-Systemen gibt es insbesondere grosse Anstrengungen ein Abgasnachbehandlungssystem zu entwickeln, welches ohne die Verwendung von AdBlue auskommt. In dieser Arbeit wurden diese neuen und alten DeNOx-Systeme analysiert
und miteinander verglichen.
Die existierenden DeNOx-Technologien wurden zuerst analysiert
und verglichen. Anschliessend
wurde das ‹Ammonia Storage and
Delivery System› (ASDS) von Amminex für Prüfstandsversuche
ausgewählt.
ASDS-2 von Amminex
Das ASDS-2 ist ein AmmoniakSpeicher-System für mittlere
Nutzfahrzeuge. Dabei wird das
NH3 molekular in Strontiumchlorid-Behältern gespeichert und
kann durch thermales Desorbieren freigesetzt werden. Dieser
Vorgang ist reversibel, somit wird
das restliche Ammoniakgas beim
Ausschalten des Systems wieder
gespeichert. Die Lagerung von
Ammoniak auf diese Weise ist völlig ungefährlich und auch langzeitstabil. Das ASDS-2 besteht aus
zwei Main Units, welche durch die
Kühlflüssigkeit des Motors erhitzt
werden, einer Start-Up Unit, welche
elektrisch geheizt wird und einem
Ammoniak-Durchflussregler.
Prüfstandsversuche
Ein Prototyp des ASDS-2 von Amminex wurde bei Liebherr Machines Bulle und an der Johannes
Keppler Universität in Linz an einem Liebherr Motor getestet. Man
hat festgestellt, dass die Aufheizphase der Main Unit etwa 30 Minuten dauert, dies wird jedoch mit
der Start-Up Unit behoben, welche schon ab 3 Minuten bereit
zum Dosieren ist. Die KonstantDosiermenge der Start-Up Unit ist
jedoch stark vom Füllstand abhängig. Bei zu hohen Dosiermengen
sinkt der Druck zu schnell ab und
das System stoppt das Eindosieren, bis wieder genügend Druck
im Behälter vorhanden ist.
Dimensionierung des Systems
Nach der Verifizierung der Funktionalität des Systems wurde die
Dimensionierung des ASDS-2 für
die Liebherr-Motoren überprüft.
Dabei wurde festgestellt, dass
das System von der maximalen
Dosiermenge her nur für die
kleinsten Motoren der Motorpalette geeignet ist. Dazu kommt,
dass das System nicht genügend
Speicherbehälter hat, um die
Speicher behälter nur im Motorservice-Intervall auszuwechseln.
Erich Raemy
[email protected]
LIEBHERR Motor D934 A7 an der JKU in Linz
ti.bfh.ch
29
BI BE BU VA
Modulares FPGA basiertes Antriebssystem
Technische Informatik / Betreuer: Prof. Roger Weber
Experte: Daniel Kühni
Die heutigen Produktionsprozesse erfordern immer raffiniertere, schnellere und zuverlässigere Automatisierungslösungen. Gleichzeitig verlangt der Markt günstigere Systeme und kürzere Entwicklungszeiten. Um
diesen beiden Forderungen gerecht zu werden, ist eine Modularisierung der Elektronik unabdingbar. Das
in dieser Thesis erarbeitet Konzept und Funktionsmuster zeigt eine Modularisierung einer Antriebselektronik,
basierend auf der Verwendung eines FPGA’s.
Thomas Reber
[email protected]
30
Hintergrund
Heutige Automatisierungslösungen umfassen eine Vielzahl unterschiedlicher Sensoren, Aktoren
und Antriebe. Für die Vernetzung
dieser Komponenten mit der zentralen Steuereinheit, meist ein Industrierechner, wird in der Regel
ein echtzeitfähiger Feldbus auf
Ethernet Basis verwendet. Je
nach Anforderung werden als Antriebe einfache Schrittmotoren bis
hin zu hochdynamischen Servomotoren eingesetzt. Die Endstufen
zur Ansteuerung der verschiedenen Motoren sind unterschiedlich.
Die Anbindung an den Feldbus,
wie auch gewisse Steuer- und Regelfunktionen, sind für alle Motortypen gleich oder zumindest ähnlich. Hier besteht die Möglichkeit
durch ein skalierbares, modulares
Antriebssystem sämtliche Motoren und Konfigurationen mit einer
Baugruppe abzudecken.
ti.bfh.ch
Konzept
Die Ansteuerung von Motoren erfordert spezielle Peripherie wie
PWM-Generatoren und Quadratur
Decoder sowie eine schnelle
Schnittstelle zu den Analog-digital-Wandlern für die Strommessung. Die Regelalgorithmen können nur mit der notwendigen
mathematischen Unterstützung
eines kräftigen Prozessors im gewünschten Regeltakt berechnet
werden. Ein Digitaler-Signal-Prozessor würde diese Anforderungen erfüllen, wäre jedoch nicht
modular für verschiedene Motorentypen, -anzahl, und -konfigurationen einsetzbar.
In einem FPGA kann die Hardware
frei programmiert werden. Durch
die Integration eines Softcore Prozessors kann eine Single Chip Lösung realisiert werden. Die für die
Motorenansteuerung notwendige
Peripherie kann modular einge-
bunden werden. Die rechenintensiven Regelalgorithmen können
ausserhalb des Softcore Prozessors in Hardware abgearbeitet
werden. Dadurch wird die Komplexität der Software verringert
und die Echtzeitanforderungen
massiv reduziert. Sequenzielle
Abläufe wie zum Beispiel die Konfiguration der Motortreiber oder
die Kommunikation über den Feldbus auf Ebene Application Layer
laufen nach wie vor in Software.
Der Prozessor wird durch die programmierbare Hardware optimal
unterstützt und entlastet. Zudem
steht immer die benötigte Peripherie in der gewünschten Anzahl zur
Verfügung.
Realisierung
Das Konzept des modularen Antriebssystems konnte während der
Masterthesis auf einem Funktionsmuster verifiziert werden. Das
Funktionsmuster umfasste ein
FPGA Evaluationsboard und die
Endstufen für zwei DC- oder
Brushless-DC-Motoren sowie für
zwei Schrittmotoren. Das gesamte Design im FPGA ist modular
und skalierbar aufgebaut. Die beiden DC- resp. Brushless-DC-Motoren können stromgeregelt werden. Die Regelalgorithmen werden
dabei in Hardware berechnet. Die
Konfiguration der Regelstruktur
und die Parametrierung erfolgen
durch die Software.
BI BE BU VA
Vollautomatischer Dropwatcher
Mechatronik / Drucktechnologie / Betreuer: Guido Bucher
Experte: Fritz Bircher
Beim Drucken mit Piezo Inkjet Druckköpfen werden durch die Bewegung eines Piezokristalls Tropfen einer
Flüssigkeit an bestimmten Stellen auf ein Substrat geschossen. Das Einstellen der Eigenschaften von gedruckten Tropfen, wie z. B. Volumen oder Geschwindigkeit, wird heute in einem zeitintensiven, grösstenteils
manuellen Prozess, mit Tropfenanalysesystemen, sogenannten Dropwatchern, realisiert. Ziel der Thesis ist
die Realisierung eines vollautomatischen Dropwatchers, welcher den Zeit und Arbeitsaufwand für die Analyse und Einstellung von Inkjet Druckköpfen auf ein Minimum reduziert.
Piezo Inkjet Druckköpfe und
konventionelle Dropwatcher
Systeme
Industrielle Piezo Inkjet Druckköpfe haben ca. zwischen 100 und
5000 Düsen aus denen mit Frequenzen von ca. 10 – 100 kHz
Tropfen mit einem nominellen Volumen von ca. 1 – 100 Pikoliter
(dies entspricht Tropfendurchmessern von ca. 10 – 60 μm) gefeuert
werden können. Die wichtigsten
Parameter sind die elektrische
Pulsform und Frequenz, mit welcher der Aktor betrieben wird, die
Druckkopftemperatur sowie der
Druck der Flüssigkeit in den Düsen
(Meniskusdruck).
Bei einem Inkjet Dropwatcher werden unterschiedliche Parametersätze eines Drucksystems eingestellt und die Eigenschaften der
Tropfen bei den jeweiligen Einstellungen gemessen. Der Name
«Dropwatcher» kommt daher, dass
die Tropfen im Flug fotografiert,
und aus den Bildinformationen
ihre Eigenschaften bestimmt werden. Für die Analyse des Langzeitverhaltens einer Flüssigkeit in
einem Druckkopf oder die Optimierung der Parameter, um bestimmte Tropfeneigenschaften zu
erreichen, müssen je nach Anforderung Hunderte bis Tausende
Parametersätze getestet werden.
Wird ein ungünstiger Parametersatz getestet, können Düsen des
Druckkopfes ausfallen und erst
durch eine Druckkopfwartung, wie
z. B. spülen und abstreifen, wieder
reanimiert werden. Bei den auf
dem Markt erhältlichen Dropwatcher – Analysesystemen muss der
Benutzer für jeden Parametersatz
die korrekte Funktion des Druckkopfes kontrollieren und falls notwendig eine Wartung durchführen,
oder praktisch jeden Parametersatz des Drucksystems manuell
einstellen.
Realisierter vollautomatischer
Dropwatcher
Bei dem realisierten vollautomatischen Dropwatcher werden sämtliche Parametersätze automatisch
eingestellt und getestet. Mit Hilfe
von Bilderkennungsalgorithmen
werden die Messbilder anschliessend ausgewertet und Fehler des
Druckkopfes erkannt. Dies in
Kombination mit einem automatisierten Wartungssystem ermöglicht die Analyse ohne dem Eingriff
oder der Kontrolle durch einen
Benutzer. Dadurch können einerseits Arbeitszeit und Kosten gespart werden, andererseits können zeitaufwendige Messungen
rund um die Uhr autonom ablaufen
und so Ergebnisse früher gewonnen werden. Das Design des
Dropwatchers ist so gewählt dass
einerseits eine hohe Kompatibilität
zu auf den Markt erhältlichen
Druckköpfen gewährleistet wird
und andererseits ein Maximum an
Analysemöglichkeiten möglich ist.
Die Programmierung der Bilderkennung und Komponenten des
Teststandes wie Kamera, Druckkopfelektronik, Motor- und Prozessregler sowie der Referenzwaage sind mit dem Programm
Matlab realisiert.
Johannes Renner
[email protected]
CAD Modell des vollautomatischen Dropwatchers
ti.bfh.ch
31
BI BE BU VA
Thermische Optimierung einer Werkzeugmaschine
Produktionstechnik / Betreuer: Dr. Beat Neuenschwander
Experte: Prof. Dr. Reinhold Krause
Projektpartner: CH-Firma/
Das Beherrschen des thermischen Verhaltens von mechanischen Konstruktionen ist eine wesentliche Voraussetzung für die erfolgreiche Entwicklung einer Werkzeugmaschine. Moderne Simulationsprogramme
ermöglichen eine Voraussage über dieses thermische Verhalten. Die Anwendung von gekoppelten Simulationen erlaubt zusätzlich einen Einblick in thermische Verformungen und mechanische Spannungen, welche
aufgrund der Temperaturverteilung in den Bauteilen entstehen. Im Rahmen dieser Arbeit wurden gekoppelte Simulationen zur thermischen Optimierung einer Werkzeugmaschine durchgeführt.
Luca Roncarati
[email protected]
Problemstellung
Die untersuchte Werkzeugmaschine besteht aus mehreren Werkzeugen, welche auf Leisten montiert sind. Die Werkzeuge müssen
auf eine Temperatur von 50 °C
aufgeheizt werden, was eine Erwärmung der Konstruktion zur
Folge hat. Unter Einfluss von Wärmeleitung, Konvektion und Strahlung entsteht eine ungleichförmige
Temperaturverteilung, welche zu
unerwünschten
Verformungen
führt. Bereits kleine Temperaturunterschiede erzeugen unzulässige relative Positionsfehler der
Werkzeuge und beeinträchtigen
die Präzision der Maschine (siehe
Zeichnung).
Ziele
Das wichtigste Ziel ist das Beseitigen der relativen Positionsfehler,
Entstehung des Bearbeitungsfehlers
32
ti.bfh.ch
so dass die gewünschte Genauigkeit erreicht werden kann. Zusätzlich soll die Bereitstellungszeit der
Maschine verkürzt werden, indem
die Verformungen bereits während
der Aufheizphase kontrolliert werden können.
Umsetzung
Anhand von Simulationen eines
Testmodells und Vergleichsmessungen wurde in der ersten Phase
der Arbeit die Simulationsmethode
entwickelt. Dadurch konnten die
wichtigsten Simulationsparameter
bestimmt werden. Anschliessend
wurde die bestehende Konstruktion
der Maschine thermisch und strukturmechanisch untersucht. Die Ergebnisse liefern den aktuellen Zustand der Maschine und dienen als
Grundlage für die spätere Beurteilung von Massnahmen.
Im zweiten Teil der Arbeit wurden
Massnahmen zur Beseitigung des
Positionsfehlers und zur Verkürzung
der Bereitstellungszeit erarbeitet.
Die Anwendung von verschiedenen
Ansätzen wie die Verringerung des
thermischen Widerstands zwischen
den Bauteilen und die Temperierung einzelner Bereichen haben zu
einer gut geeigneten Lösung geführt, nämlich die gezielte Temperaturregelung der Konstruktion mit
Hilfe von Heizungen.
Ergebnisse
Durch die Massnahme sind eine
Verbesserung der Wärmeleitfähigkeit und des Wärmeaustauschs
sowie eine Temperierung der Leisten möglich, wodurch die thermischen Verformungen der Maschine erfolgreich reduziert werden
können. Dabei wird die gewünschte Präzision erreicht und um ein
Vielfaches erhöht sowie die Bereitstellungszeit der Maschine um
Faktor fünf reduziert.
Thermische Verformungen der Konstruktion aus der Simulation
BI BE BU VA
Piezo Leistungsverstärker für Druckköpfe
Industrial Technologies / Betreuer: Prof. Dr. Andrea Vezzini
Experte: Markus Schwab
In der Verpackungsindustrie werden hochviskose Medien wie zum Beispiel Kalt- oder Heissleime mit Hilfe
von Druckventilen aufgetragen. Für den Bau solcher Druckventile werden zunehmend Piezoaktoren eingesetzt, da die hohe Kraft und Dynamik dieses Aktors ideal für eine solche Anwendung ist. Allerdings stellen
diese Aktoren hohe Anforderungen an die Ansteuerelektronik. Zum einen bewirkt ihr kapazitives Verhalten
einen hohen Stromanstieg im dynamischen Betrieb, zum anderen müssen diese mit einer Spannung von
160V betrieben werden. Dies führt zu einer kurzzeitigen Pulsleistung von 1kW.
Während dieser Masterthesis wurde eine komplette Ansteuerelektronik für den Betrieb von Piezoaktoren realisiert. Diese besteht im
Wesentlichen aus zwei Teilen.
Zunächst wurde eine Eingangsstufe entwickelt und realisiert, welche aus dem 230 VAC Stromversorgungsnetz die für Piezoaktoren
benötigte Versorgungsspannung
von 160 V erzeugt. Die gesamte
Eingangsstufe
wurde
hardwaremässig mit einem ContollerIC von Texas Instruments realisiert. Dieser kombinierte PFC/
PWM-Controller ermöglicht es,
eine sogenannten Power-FactorCorrection (kurz: PFC) mit einem
Boost-Converter zu realisieren.
Dabei wird der Eingangsstrom des
Boost-Converters so geregelt,
dass das Versorgungsnetz mit einem sinusförmigen Strom in Phase zur 50 Hz Netzspannung belastet wird.
Um den Personenschutz sicherzustellen war zudem gefordert,
dass keine elektrische Verbindung
zwischen der 160 V Zwischenkreisspannung und dem Stromversorgungsnetz besteht. Diese
galvanische Trennung konnte mit
einem Two-Switch-Forward Converter realisiert werden.
Um nun aber das Druckventil in
den geforderten 150 μs zu öffnen,
muss auch der Piezoaktor in
150 μs von 0 V auf 150 V geladen
werden können. Dazu wurde die
sogenannte Ausgangsstufe mit
einer Grenzfrequenz von 4.5 kHz
entwickelt. Die Ausgangsstufe
erzeugt aus der Zwischenkreisspannung von 160 V eine variable
Spannung zwischen 0 V und
150 V. Dafür wurde ein bidirektionaler Buck-Boost Converter eingesetzt. Dieser ermöglicht es einerseits den Piezoaktor zu laden,
aber andererseits auch beim Entladen die Energie wieder zurück in
den Zwischenkreis zu speisen. Die
Energie wird also rekuperiert. Um
allerdings die hohe geforderte
Dynamik gewährleisten zu können, wurde ein interleaved Kon-
zept eingesetzt. Dabei werden
mehrere Buck-Boost Converter
parallel geschaltet (in unserem Fall
vier) auf die sich der Ausgangsstrom dann aufteilt. Da so die einzelnen Interleaved-Stufen kleiner
dimensioniert werden können,
erhöht sich die Dynamik des Systems. Indem das PWM-Signal dieser vier Interleaved-Stufen noch
zusätzlich zueinander verschoben
wird, löscht sich die Stromwelligkeit der Stufen in der Summe teilweise aus. Resultat ist also eine
Ausgangsstufe mit kleiner Stromwelligkeit bei gleichzeitig hoher
Dynamik.
Dank diesem Piezo-Leistungsverstärker ist es nun möglich, neue
hochdynamische Druckventile mit
Piezoaktoren zu entwickeln und zu
betreiben.
Sandro Schnegg
[email protected]
Grobübersicht Piezo Leistungsverstärker
ti.bfh.ch
33
BI BE BU VA
Generisches Testsystem für Betriebssysteme
Technische Informatik, Betriebssysteme / Betreuer: Prof. Roger Weber, Roland Eggli*, Peter Huber*
Experte: Daniel Kühni
Projektpartner: *Triadem Solutions AG, Biel
Ziel dieser Arbeit war es, ein generisches Testsystem zu entwerfen, welches plattformübergreifende Funktions- und Performancemessungen durchführt. Das Testsystem soll einen Vergleich unterschiedlicher
Betriebssysteme und Hardware-Plattformen ermöglichen. Dabei stellt das Testsystem dem Nutzer eine
Architektur zur Verfügung, welche ihm ermöglicht, seine eigenen individuellen Funktions- und Performancemessungen zu integrieren und durchzuführen. Die generierten Messresultate werden zentral verwaltet und
dienen zur automatischen Erstellung von Testberichten.
Tim Wacher
[email protected]
Ausgangslage
Ein Betriebssystem (OS – Operating System) ist für das Verwalten
der System Ressourcen verantwortlich und bietet dem Programmierer eine Basis für die Entwicklung eigener Software. Auf dem
Markt gibt es eine Vielzahl von
Betriebssystemen mit den unterschiedlichsten Anwendungsgebieten. Da so viele verschiedene
OS auf dem Markt sind, ist es oft
schwierig, ein geeignetes Betriebsystem für sein Projekt auszuwählen. Als Entscheidungsgrundlage
können hier Funktions- und Performancemessungen helfen. Bei
diesen Messungen können die
verschiedenen OS jedoch schlecht
miteinander verglichen werden, da
diese Zeiten Prozessor/Architektur
abhängig sind. Des weiteren ist
das Durchführen von Funktionsund Performancemessungen zeitin-
tensiv und es gibt keine ein heitliche
Basis, welche die Vorbereitung und
Durchführung dieser Messungen
erleichtert. Aus diesen Gründen
wurde im Rahmen dieser Arbeit ein
generisches Testsystem entwickelt,
mit welchem Funktions- und Performancemessungen auf unterschiedlichen Betriebssystemen und Prozessoren/Architekturen durch geführt werden können.
Aufbau
Das Testsystem besteht im Wesentlichen aus zwei Komponenten: Dem Host und dem Target.
Über die grafische Oberfläche
kann der User mit dem Host kommunizieren. Innerhalb der Testengine werden auf dem Host die
unterschiedlichen Test Agents implementiert. Dabei entspricht ein
Test Agent einer spezifischen
Funktions- oder Performance-
messung. Test Agents können
durch den User konfiguriert und
gestartet werden. Die anfallenden
Daten einer Messung werden in
einer Datenbank zentral verwaltet
und können falls gewünscht zu
einem Testbericht zusammengestellt werden. Über TCP/IP oder
eine serielle Schnittstelle kann der
Host mit der zweiten Komponente,
dem Target, im Testsystem kommunizieren. Auf dem Target werden nun die einzelnen Funktionsund
Performancemessungen
durchgeführt. Wird eine Messung
durch den User gestartet, wird innerhalb des Host der entsprechende Test Agent aktiviert. Der
Test Agent startet anschliessend
über die Schnittstelle die entsprechende Funktions- und Performancemessung auf dem Target
und speichert die ankommenden
Messdaten ab.
Zusammenfassung
Als Ergebnis steht dem Nutzer nun
ein System zur Verfügung, welches er mit individuellen Test
Agents ergänzen kann. Weiter
wurde die Target Software auf
zwei Betriebssyteme, QNX und
GNU/Linux, portiert. Beide Betriebssysteme nutzen ein Beagleboard xM als Target-Hardeware.
Auf dem Host können Testsequencen gestartet und die anfallenden Daten in der Datenbank
zentral verwaltet werden.
34
ti.bfh.ch
BI BE BU VA
Automated Malware Infection Signature Generation
Information & Communication Technologies, IT-Security / Thesis Advisor: Prof. Dr. Endre Bangerter
Expert: Dr. Andreas Greulich
Project partner: Non-Disclosed
Malicious software, commonly known as malware, has become a serious threat to the security of computer systems. While current anti-virus detection and defense solutions are important and useful, they
remain, loosely speaking, not effective enough. Companies and organizations are often confronted with
the problem of assessing the extent of infections by new malware. In this thesis, we have built a system for
the automated generation of malware infection signatures with the objective to detect infected computers,
which enables custom malware detections in organizations.
Problem Statement
A particular problem for companies
and organizations is to assess the
extent of malware infections. Thus,
how many and which computer
systems are infected, once a piece
of malware has been identified. Not
only is this important for remediating the systems, but as well for preventing the proliferation of the malware more effectively, and to assess
what information might has been
leaked from infected computers.
An obvious approach to this problem would be to perform an organization wide scan using an anti-virus
product. Yet, this only works for
malware that is known to the respective anti-virus vendor. This is
particularly not the case for targeted malware attacks, where the malware sample is usually unknown.
Another approach to solve the
problem is that the affected organization could submit the sample to
its anti-virus vendor to obtain a detection signature. However, anti-virus vendors in general do not provide such a service for customized
signatures. Furthermore, the organization under attack might not want
to share the sample with third parties for confidentiality reasons.
Goal
The goal of this thesis was to remedy this situation enabling companies and organizations to perform
custom malware detection of infected computer systems. More
precisely, the objective was to develop an automated custom infection signature generator that takes
an arbitrary sample which is known
to be malware as input and outputs
a detection signature for the infection. The signature is then fed into
a detection component that performs the malware detection on a
potentially infected host.
High-level view of the infection signature generation and detection.
Solution
We have developed a system that
generates an infection signature for
a given arbitrary malware sample.
This is performed by first executing
the sample in a virtual machine
where it is monitored. The monitoring results are then analyzed by a
heuristic algorithm that we have developed in order to identify and extract malicious memory regions.
These are regions of the malware
that exist in memory due to its infection. Finally, byte string candidates
identifying the malware are created
out of these regions, and then
sound candidates with respect to
false positives and negatives are
selected. For the selection, we have
adopted a machine-learning approach proposed by Hancock (Griffin et al.), which is based on a benign software model. We have as
well developed a detector that applies the infection signature in order
to detect infected systems.
Jonathan Wey
[email protected]
Results
The effectivity of our system has
been evaluated in an environment
that simulates an organization as
realistically as possible. We have
conducted a large-scale measurement on a mass malware set. The
obtained results suggest that the
detection of infected systems with
the generated infection signatures is
sound in terms of the false positive
and negative rate, and as well for
infections by variants of the malware.
ti.bfh.ch
35
BI BE BU VA
Mikro-Dosiereinheit für Bioreaktoren
Produktionstechnik / Betreuer: Karl-Heinz Selbmann, Prof. Guido Bucher
Experte: Prof. Dr. Gregor Burkhard
Projektpartner: Reseachem, Burgdorf
In der Biotechnologie werden viele Stoffe aus Kulturen von Bakterienzellen gewonnen. Damit diese Bakterienzellen optimale Bedingungen für das Wachstum haben, werden sie in sogenannten Bioreaktoren kultiviert.
Bei diesen Behältern wird Temperatur, pH-Wert, CO2 und Sauerstoffanteil ständig überwacht. Mit Pumpen
werden Nährmedien sowie Säuren und Basen geregelt dazugegeben. Eine neuartige Dosiereinheit soll nun
diesen Prozess vereinfachen und ein Downscaling der Bioreaktoren im Laborbereich ermöglichen.
Simon Zumbrunnen
Viskositätsunabhängiger
Durchflusssensor
In dieser Projektarbeit wurde das
bestehende Funktionsmuster eines Durchflusssensors optimiert
und als neuer Prototyp aufgebaut.
Der Durchflusssensor wird in
Kombination mit einem Mikroventil verwendet, indem die beiden
Bauteile in Serie geschaltet werden. Um einzelne Tropfen zu messen, welche vom Ventil abgeschossen werden, muss der
Durchflusssensor innerhalb von
Mikrosekunden die Strömung detektieren. Durch aufsummieren
des Durchflusses über die Öffnungszeit des Ventils wird das
Volumen jedes Tropfens auf 5%
genau bestimmt. Der Durchflusssensor ist so konzipiert, dass nicht
nur der Durchfluss sondern auch
die Viskosität der Flüssigkeit bestimmt wird. Dadurch wird eine
Abbildung 1: Mess- und Steuerelektronik
für die Dosiereinheit.
36
ti.bfh.ch
viskositätsunabhängige Durchflussmessung möglich. Flüssigkeiten mit der Viskosität von Wasser
(1 mPas) und bis zu Zuckerlösungen mit 10 mPas können so ohne
vorangehende Kalibrierung dosiert werden.
Durch das exakte Messen des
Durchflusses sinken die Ansprüche an das Ventil bezüglich Dosiergenauigkeit. Das Ventil kann
so weniger aufwändig und damit
günstiger gestaltet werden. Dosierfehler werden durch eine
Mess- und Regelungselektronik
(Abbildung 1) erkannt und elektronisch korrigiert.
kostengünstigen Einheit (Abbildung 2). Durch die geringen Herstellungskosten ist eine Verwendung als Einwegkomponente
denkbar.
Die Dosiereinheit ist Chemikalienbeständig und soll vor dem Verkauf sterilisiert werden. Die Arbeiten im Biotechnologielabor werden
durch kürzere Installationszeiten
und einfachere Handhabung
massgebend vereinfacht. Die Dosiereinheit und das Messverfahren
sind zum Patent angemeldet.
Design für Serienproduktion
Die Dosiereinheit wurde im Hinblick auf eine Grossserienfertigung optimiert. Ein Design aus
Kunststoff Spritzguss vereint Ventil und Sensor in einer kompakten,
Abbildung 2: Seriennahes Design der Dosiereinheit mit der
die Inline-Messung von μl-Tropfen möglich ist
"ERNER&ACHHOCHSCHULE
$UFKLWHNWXU+RO]XQG%DX
7HFKQLNXQG,QIRUPDWLN
3PRUNGBRETTFÓR!MBITIONIERTE
$ER-ASTEROF3CIENCEIN%NGINEERING
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WLEIKFKPDVWHU
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WLEIKFKPDVWHU
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WLEIKFKPDVWHU
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BFHCHMASTER
BI BE BU VA
Analysis of Unipolar Electrograms
Thesis Advisor: Prof. Dr. Andreas Stahel, Bern University of Applied Science
Expert: Prof Dr. med. Jan Kucera, University of Bern, Department of Physiology
Analysis of Unipolar Electrograms and the Detection of the Arrhythmogenetic Potential of Reference Drugs
Recorded in a Langendorff Rabbit Heart Preparation
Christian Affolter
40
Background
The Safety Pharmalogy Department of Novartis investigates the
influence of known torsadogenic
drugs on a Langendorff in vitro
rabbit heart preparation. In particular the transmural dispersion
and the apico-basal dispersion of
the repolarization wave as well the
beat to beat variability of consecutive beats preceding Torsades de
Pointes (TdP) is examined. In the
experimental setup three needles,
each containing 8 electrodes, are
inserted in the left ventricular wall.
After the atria is removed and the
His-Bundle was cut, the heart is
getting stimulated with an electrode placed in the ventricular
septum where the His-Bundle is
cut and the electrical propagation
is recorded over these 24 electrodes.
Rabbit Heart with Inserted Needles; The Picture is Provided by Dr.
Nicolas Guérard, Novartis Pharma
ti.bfh.ch
Project Scope
The goal of this thesis was to define and develop tools analyzing
these recorded transmural electrograms. This signal analysis can
be split up into two parts. On the
one hand the filtering of the signal
and on the other the parameter
extraction of the electrocardiograms. The biggest challenge here
was the detection of the parameters within the T-wave, because
this repolarization phase can assume every possible shape.
Results
The new signal analysis of the recorded unipolar electrograms is
the main part of this thesis. In addition a graphical user interface
was generated to facilitate the statistical analysis of one or more
experiments. Thanks to the new
much more reliable signal analysis, the added parameters and the
developed visualization tools, a
much better basis for an eventual
deeper pattern detection is realized.
Plot of the QT-Intervals of 60 consecutive beats before a TdP develops.
Discussion
Cause of the new closer look to
the signals we know now that it is
not possible to just look at sequences right before a TdP, then
in most of the cases there are already so much ectopic beats
around, that a detection of halfway
reliable parameters is not possible. Another thing that one have to
take into account with the 0.2 Hz
sequence is that the steady state,
after the pacing rate change from
1 Hz to 0.2 Hz is reached earliest
after 30 beats and so it is not possible to look at more than 20 beats
at steady state.
BI BE BU VA
Acquisition System for Multi-Mode Sensor Array II
Biomedical Engineering / Thesis advisor: Prof. Dr. Volker M. Koch
Experts: Prof. Dr. Volker M. Koch, Prof. Dr. med. Stephan Rohr
Project partner: Department of Physiology, University of Bern, Bern
The Department of Physiology of the University of Bern and the IMT-ESPLAB of the EPFL in Neuchatel
are presently developing an innovative Multi-Mode Sensor Array (MMSAII; collaborative project funded by
the SNF).
The novel device is aimed at measuring the electrical activity of excitable cells at high spatial and temporal
resolution. The device will permit to obtain an integrative understanding of the physiology and pathophysiology of excitable cells and is likely to find applications in drug screening studies.
Project scope
Because of the large number of
integrated sensors and the high
temporal resolution offered by the
device, the computational needs
to acquire and process the data
over extended periods of time are
huge and surpass the capabilities
of commercially available conventional techniques.
It was the aim of this master thesis
to develop an acquisition system
that controls the MMSAII chip,
digitizes the signals and stores the
measured data. The acquisition
system must handle all features
offered by the MMSAII. Furthermore, special attention has to be
paid on the signal quality, because
the recorded signal amplitudes
typically amount to 200μV – 2mV.
Results
A custom-made acquisition board
was developed to interface the
MMSAII. The platform is controlled
by a System on Chip (SoC), implemented in a Field Programmable
Gate Array (FPGA). The user can
define measurement protocols
and perform recordings with specifically designed software.
The system samples the sensor
array at a frame rate of up to
10 kHz. It handles all features of
the MMSAII, including a flexible
stimulation of the cell culture with
different patterns and user defined
signals, as well as variable temporal and spatial recording resolutions.
Discussion
In this master thesis, the first multi-pixel measurements with the
MMSAII were performed. The experiments with the MMSAII proved
that the developed system correctly records user defined subsets of sensors with an excellent
The above figure shows a typical setup to perform experiments with excitable cells. A layer of heart cells is cultivated
on the sensor array. The aim of the acquisition system is to
record the electrical activity measured by the sensor array.
Researchers are mainly interested in action potentials which,
in this figure, correspond to the two peaks in the recorded
signal.
signal quality. The acquisition system is now able to perform biological experiments with excitable
cells.
The performance of the entire
platform was measured and its
limits were identified. In particular,
the high data rate was found to be
the bottleneck for high-resolution
multi-modal sensor array acquisition systems.
Implementing a fast interface to
the computer and reducing the
amount of data on the FPGA level
are two potential solutions to improve the acquisition capabilities
of the platform. A further goal is to
implement an environmental control system to for example regulate
the cell culture’s ambient temperature.
Christian Dellenbach
Prototype of the developed acquisition platform.
It consists of a base board, an Altera Cyclone IV FPGA
module (in the front) and a MMSAII (in the back).
ti.bfh.ch
41
BI BE BU VA
Treatment of Bruxism with an Active Mouthguard
Electronic Implants / Thesis advisors: Prof. Dr. Volker Koch, Dr. Michael Büttner
Experts: Prof. Dr. Volker Koch, Dr. Michael Büttner
Project partner: Financial support: INVENTUS BERN – Stiftung
Bruxism is characterized by the subconscious and nonfunctional grinding or clenching of the teeth.
Bruxism often results in abnormal wear patterns of the teeth and over time, dental damage will occur.
Bruxism is an uncontrolled habitual behavior and one of the most common sleep disorders.
Studies have shown that about 5 % of the US population develop symptoms severe enough to have a
mouthguard made by a dentist. A mouthguard out of hard acrylic is a standard treatment to reduce tooth
wear.
Raphaël Deschler
raphael.deschler
@bluewin.ch
Besides the mouthguard, another
but seldom used treatment is the
biofeedback method. In this method electrodes are placed on the
masseter or temporal muscle and
connected to a monitoring device
which produces a sound whenever
a muscle activity is detected. For
short term use these devices seem
to decrease bruxing time effi ciently.
Unfortunately the electrodes and
their wires are uncomfortable and
one can get used to the sound, and
the effect decreases.
The aim of this project was to develop a mouthguard that incorporates an electronic device to
measure and radio transmit the
interocclusal distance and the
sagittal and transversal mandibular displacement. Based on these
real time data, an electrical stimulation could be produced and applied as feedback upon toothmouthguard contact.
Project Scope
A tiny magnet was encapsulated
in titanium and embedded in a
tooth filling preexisting on the
occlusal surface of a molar.
Two tiny electronic circuit boards
have been developed to be encapsulated in the mouthguard, a transmitter board and a sensor board.
Encapsulated magnet in molar / Active
mouthguard with sensor and transmitter electronic and batteries
The sensors on the sensor board
are read out four times a second
by the transmitter board, which
radio transmits the data to a receiver connected to a laptop. Depending on the sensor’s measured
field strengths, the magnet’s position can be determined.
The electronic is powered by batteries that can be recharged via
electromagnetic field (slit torus coil).
A timeslot of interest and its sagittal versus transversal
movement plot redrawn in red
42
ti.bfh.ch
Results
With a Matlab program, data of a
whole night with characteristic
sleep phases can be analyzed.
First measurements of 8 nights
with and without biofeedback
resulted in a highly significant
re duction of tooth-mouthguard
contact.
Discussion
Our measurements show grinding
activities during short sleep phases as reported in several studies.
The new mouthguard offers additional variables like position and
speed to define conditions upon
which bruxing events are detected.
The hardest and still unsolved
technical problem of the project is
the fast degrading of the rechargeable batteries. They only lasted for
3 months.
Clinical research would have to
prove the safe operation, long
term effectiveness and further effects of a stimulation on the users
sleep hygiene and mental health.
Measurements of 8 nights with and without biofeedback
BI BE BU VA
Life saving robot for elderly people
Biomedical Engineering / Thesis advisor: Prof. Dr. Volker M. Koch
Expert: Prof. Dr. Elham Firouzi
Elderly people often suffer from isolation and fear to have a serious problem when being alone at home.
One hard fall, a hypoglycemic coma or a stroke may cause the person to die because nobody is there to
help. The goal of this project is to build a prototype robot which can accompany his or her owner and detect
physiological anomaly. If a problem has been detected, the robot can send an alarm to one or more trusted
people to ask for help. The robot can then be remotely operated from a PC or smartphone such that the
alarmed person can check what happened.
Project Scope
The aim of the project is to build a
mobile platform that can navigate
autonomously through an apartment, as well as be remotely
steered over the Internet with a
webcam. A web server is used to
display all medical information on
a website and to control the robot.
Wireless medical sensors are
used to measure physiological
data like heart rate, breathing rate,
skin temperature and movements.
An algorithm was implemented to
detect anomalies in these signals.
Results
The developed robot can do almost everything that was planned.
Its most impressive feature is that
it can stand and drive on two
wheels using a self-balancing control algorithm. This has been
achieved by using an accelerometer and a gyroscope to know the
angle, and by using an incremental
sensor on the wheels to know the
speed of the robot. Once the
speed and angle are known, the
power on the motors is calculated
using a PID controller.
To know about the health of the
patient, a sensor from Zephyr
Technology, which is attached to
a chest belt, has to be worn by the
patient. This sensor sends data
about heart rate, breathing rate,
skin temperature and movements
to the robot via Bluetooth. The robot then monitors the health of the
patient and can send an email to
pre-defined persons.
Robot without dress
Physiological monitoring sensor from Zephyr Technology
On the robot’s computer, a Java
applet has been developed which
controls everything: the remote
control, the health data, the sending of emails and the communication with the sensor.
The video streaming has been
done with an open-source software running on Linux called FFserver. This is the part that consumes most processor power and
energy.
Lukas Frei
Discussion and Conclusion
A very interesting additional feature would be to add artificial intelligence such that the robot can
learn new skills on its own or by
teaching it. The results of this work
show good perspectives for a future commercialization of the robot. There is an abundance of
possible clients and their number
is expected to grow within the next
few years. To achieve commercialization, an industrial partner
should be found.
ti.bfh.ch
43
BI BE BU VA
E2corder (Esophageal ECG recorder) – Filter Design
ARTORG Center for Cardiovascular Engineering
Thesis advisors: Prof. Dr. Rolf Vogel, Prof. Dr. Josef Götte, Thomas Niederhauser
Many patients suffer from short and rare-occurring episodes of heart rhythm disturbances (paroxysmal
arrhythmias) that may have serious consequences such as stroke, loss of consciousness, or sudden cardiac
arrest. Diagnostics rely on long-term electrocardiogram (ECG) conventionally using skin electrodes. The
diagnostic yield increases with recording time and signal quality.
Lukas Kohler
[email protected]
Background
In contrast to skin electrodes, the
esophageal approach grants optimal electro-mechanical characteristics. Difficulties of recording longterm esophageal ECG emerge from
the baseline wander (BLW), that
arises from esophageal peristaltic,
respiration and cardiac motion. The
low-frequency BLW overlaps with
ECG’s bandwidth and makes linear
analog filtering inapplicable.
Methods
To extend the limited recording
time, ADC resolution and memory
size have to be reduced. This can
be achieved by subtracting the digitally estimated and stored BLW
prior to sampling with the analogto-digital converter (ADC) feedback. Different methods using
Simulink were simulated and the
most promising model has been
implemented on a specially built
low-power evaluation board. To
validate the simulations in real-
time, measurements with surface
and esophageal ECGs and synthetic signals were performed.
Results
All concepts with digital filters
(FIR, IIR, etc.) introduce a group
delay that has to be compensated
by a predictor (e.g. a LMS filter) for
online processing. The predictor
comes with high computational
effort that cannot be handled by
a low-power system. Another simple method called bang-bang
removes the baseline wander by
offset subtraction and can be imagined as the ADC range that follows the BLW. The evaluated method allows to use an ADC with
fewer bits without driving the system into the range limits and
additional data to be stored. The
acquired signals show that the
bang-bang principle is practically
feasible in vivo while resting, breathing, eating, liquid ingestion,
coughing and sneezing.
Functional block diagram of the baseline wander
suppression used to subtract BLW prior sampling.
44
ti.bfh.ch
Discussion and Outlook
The relative ECG-spike resolution
for a 1 mV peak is increased from
5.8 bit to 7.3 bit with the bangbang method. It has to be mentioned, however, that oversampling is necessary and that the
signal-to-noise ratio cannot be
improved. The bang-bang method
can be applied to many other signals and to almost any bio-signal
suffering from baseline wander,
such as surface ECG, electromyography (EMG), electrooculography
(EOG) or electro-encephalography
(EEG) signals.
Our self-developed, application
dedicated, low-power experimentation
board containing microcontroller,
flash, two analog ECG amplifiers and
USB 2.0 interface.
Human esophageal ECG during liquid ingestion sampled
with the bang-bang method (top) and the reconstructed
signal (bottom). The signal shows a superposition of esophageal peristaltic wave, mechanical motion and the ECG.
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VVVALDL@RSDQTMHADBG
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BI BE BU VA
Wireless stimulator for tactile sensation
Biomedical Engineering / Thesis advisors: Prof. Dr. Volker M. Koch, Prof. Kenneth J. Hunt
Expert: Prof. Dr. Alejandro Hernandez Arieta
Project partner: Universität Zürich, Artificial Intelligence Lab, Zürich
The sense of touch constitutes a vital feedback for a person during interaction with the environment. The
sense-actuate closed loop can be broken in the case of certain pathologies or amputation. With the aim of
reestablishing or relocating sensory feedback, this project deals with the development of two portable,
dual-channel, wireless, synchronized, transcutaneous electrical stimulators(TES) with output current monitoring. The generated signal is intended to stimulate the tactile sensory receptors located on the lower
back.
Daniel Lachner
[email protected]
Project Scope
To study the body’s response to
stimulation given different stimulation parameters, the stimulator
shown in Figure 1 is controlled by
a PC via Bluetooth. A GUI has
been developed to modify stimulation parameters, switch modes,
display output voltage, current
and skin resistance.
The stimulation signal as shown in
Figure 2 is square and biphasic,
aiming to deliver a charge-balanced stimulus. The carrier frequency (1/[t1+t2]) can be set to a
value from 1 kHz to 10 kHz, the
envelope frequency (1/Tp) from
1 Hz to 200 Hz. It is also possible
to stimulate continuously with
the carrier frequency (Tp=tb). The
stimulation amplitude can be
chosen from 2.3 V to 30 V.
The output current monitoring
feature allows generating similar
sensations across the electrodes,
independent of changes in the
body impedance.
Figure 2. Stimulation Signal
46
ti.bfh.ch
accordingly rising and falling amplitudes. The stimulus is perceived
as a one dimensional movement
between the two electrode pairs,
which can be used as a form of
sensory feedback.
Results and Discussion
The stimulator successfully generates the desired signals and the
GUI allows a smooth interaction.
Currents are monitored on every
positive phase and displayed on
the PC where the electrode-skin
interface resistance is calculated.
Further tests on humans are yet to
be performed in order to characterize the body response to the
different stimulus parameters.
Figure 1. Developed Stimultor.
As shown in Figure 3, a moving
sensation can be produced, which
is a tactile illusion generated by the
synchronized stimulation of tactile
receptors by two channels with
Figure 3. Moving Sensation.
BI BE BU VA
Display of a portable visual aid – New approach
Biomedical Engineering / Thesis advisor: Prof. Dr. Jörn Justiz
Expert: Prof. Dr. Volker M. Koch
Project partner: Reber Informatik + Engineering GmbH, Münsingen
Three out of ten individuals older than 75 years are affected by an eye disease, called the age-related macular degeneration (AMD), which causes irreversible damage to the retina. AMD is marked by the degeneration of photoreceptors in the macular region of the retina (center of the visual field) leading to opacities,
distortions, scotomas and may even finally result in blindness. Since the disease is currently untreatable,
research is conducted towards a visual aid within the scope of the VoiSee ® project. This electronic visual
aid will considerably disburden the everyday life of AMD patients.
Background
The sense of sight affects a large
portion of our extrasensory perception. Various diseases of the
retina and the nerve fibers, that
significantly impair the sense of
sight such as age-related macular
degeneration (AMD), are currently
not treatable. In these cases, one
can attempt to compensate the
visual impairment by technical
means (e.g. by visual aids). The
goal of magnifying visual aids is to
compensate the vision loss by an
appropriate enlargement to reenable reading of texts.
Within the scope of the VoiSee ®
project, research is conducted towards a novel, portable visual aid,
which will considerably disburden
the everyday life of AMD affected
individuals by means of a large
field of view to restore their ability
to perform general tasks more independently as well as to read
smaller writings outside their
homes (as for example product
inscriptions in supermarkets or
departure boards in railway stations). In addition to the large field
of view, a comfortable viewing
must be achieved, while the dimensions of the device ought to
remain acceptable. Both properties (optical and ergonomic) represent an important presupposition
for the acceptance of the future
VoiSee ® vision aid, which thus distinguishes itself from already existing yet much more restricted portable visual aids.
Project scope
During the present thesis a new
approach for the display of a portable VoiSee ® visual aid had been
reviewed with regard to feasibility
and was thereupon implemented.
During a subsequent patient
study, the newly developed display was compared to two already
existing optical VoiSee ® displays,
which had also been optimized
during this thesis. For the evaluation of the study, optical, ergonomic and economic criteria were
considered for selecting the optimal display type.
Results
The newly developed display increases the maximum visual angle
from 48.9° to 68° compared to the
previous display types. Moreover,
the new optics substantially improves the viewing comfort.
The statistical significance of the
benefits of the newly developed
display was shown by a systematic study. 22 of 25 questioned
AMD affected individuals preferred
the newly developed display which
was also the only one of the presented display types judged to be
acceptable in everyday life.
Additionally, essential knowledge
for further development of the
VoiSee ® vision aid could be gained
during the study.
Aymeric Niederhauser
[email protected]
Discussion
The best possible display technology (display-hardware with appropriate optics) could be selected by
study results. The chosen display
type will be implemented into the
first complete VoiSee ® prototype
in a future project. Therefore, a big
leap could be taken towards an
optimal portable electronic vision
aid.
The newly developed display
ti.bfh.ch
47
BI BE BU VA
Analysis of high-speed data from excitable tissues
Biomedical Engineering / Thesis Advisor: Prof. Dr. Volker M. Koch
Experts: Prof. Dr. Volker M. Koch, Prof. Dr. Stephan Rohr
Project partner: Institute of Physiology, University of Bern, Bern
To elucidate and further understand the electrical signalling in networks of excitable cells like cardiomyocytes
and neurons, state of the art experimental techniques permitting to assess membrane potential fluctuations
with high spatio-temporal resolution are indispensable. Such experiments are based on the use of voltage
sensitive dyes which report membrane potential variations by changing their fluorescence properties. The
resulting light intensity changes are captured by high-speed devices that are fast enough to follow electrical
activation, i.e., the spread of action potentials (Fig. 1).
Jonas Reber
Whereas the acquisition of data
works very well with these systems, available software solutions
for data analysis are rudimentary
and barely meet the specialized
demands of researchers. In particular, they fail to calculate parameters describing the network behaviour of the excitable tissues
under investigation. A solution to
accomplish the task of processing
cardiac mapping data is described
in this thesis.
Raw mapping data from highspeed cameras and other sources
like multi-electrode arrays can be
processed using various approaches. Pre-implemented filters
and analysis plug-ins allow the
extraction of desired characteristics of recorded signals and the
generation of different feature
maps (e.g., activation-, speedand upstroke velocity maps, Fig.2).
Moreover, the detection and tracking of phase singularities, the clus-
The new software drastically reduces the evaluation time of cardiac mapping data and also improves the general handling during
this phase of analysis. It is now
possible to process data in an intuitive way by the graphical user
interface that offers direct feedback, rather than manually writing
code for data analysis. The software enables scientists to obtain
a comprehensive analysis of the
experiments in short time which
enables them to focus on the understanding and treatment of the
causes of heart diseases.
(Original Title: Analysis of optobiological data from excitable tissues)
Fig.1, Propagating excitation wave on cardiac tissue, captured by the Micam Ultima high-speed camera and filtered for display by the developed software.
The data analysis tool developed
in this study provides basic data
conditioning and processing functionalities as well as advanced
feature extraction capabilities to
statistically analyse the network
behaviour of excitable cells. Recorded data is processed in both
the spatial and the temporal domain. The software is based on a
plug-in strategy that allows seamless integration of new data processing functionalities without the
need of remodelling the whole
architecture.
48
ti.bfh.ch
tering of propagating wave fronts,
the creation of velocity profiles or
the tracking of activation paths are
implemented in the software. For
this, several new algorithms have
been developed, like the tracing of
activation waves based on the fast
marching method.
Fig.2, Example activation map (of the
wavefront shown in fig1) displaying
the color-coded action potential activation times (APA=Action potential
amplitude).
BI BE BU VA
Endoscopic Measurement Head for OCT
OptoLab / Thesis advisor: Prof. Christoph Meier
Experts: Prof. Dr. Volker M. Koch, David Aebi
Project partner: Damedics GmbH, Nidau
Minimal invasive diagnosis and therapy for articular cartilage trauma and osteoarthritis is a cost effective
and conservative approach. Cross-sectional imaging of the injured or worn cartilage would be a valuable
tool for microstructure assessment. Optical Coherence Tomography is an appropriate modality due to its
high image resolution with comparatively high penetration depth of 2–3mm.
Background
Osteoarthritis of the knee joint is a
painful mechanical degradation and
abrasion of the articular cartilage
and the subchondral bone. It can be
induced by cartilage structure irregularities and micro lesions. About
one in ten individual is affected with
early osteoarthritis in western countries which leads to considerable
limitations of daily living. Today’s
arthroscopic treatment of osteoarthritis implies debridement (removal
of damaged or infected tissue), lavage, analgesics (pain killers) or total
knee joint arthroplasty (replacement) for severe degradations. But
the usefulness and achievements of
these procedures are questionable.
Therefore, cartilage reconstruction
or grafting is a demanded and an
ongoing research topic. Virtual biopsy in situ by Optical Coherence
Tomography OCT would be a valuable tool to assess cartilage thickness and abrasion degree and to
detect micro lesions.
Project Scope
However, due to the restricted
penetration depth of OCT, which
is generally less than 3mm, it requires some type of endoscope
probe for direct access to articular
cartilage. The OCT laser beam has
to be deflected at the proximal end
of the endoscope in order to acquire cross-sectional images. The
OCT scanning unit should be insertable into working channels
intended for surgery tools. They
are commonly no larger than 2 mm
in diameter. This limiting factor
makes the mechanical scan probe
design very challenging but also
limits physically the maximal possible scan range.
Results
In this thesis, an optomechanical
setup was designed and realized
by using a GRIN (gradient refractive index) relay rod lens to displace the scanning unit towards
the distal end of the endoscope
Unclosed OCT scanner integrated in dummy endoscope.
and therefore outside the human
body. Thereby cross-section size
and biocompatibility were considerably improved. A 2d MEMS mirror chip was implemented to provide 3d OCT volume assessment.
Discussion
An endoscopic OCT scanner prototype was produced and assembled, tested and characterized.
The endoscopic OCT system has
high signal sensitivity of 100dB
and first OCT images of porcine
cartilage gathered by the newly
designed endoscope probe were
exceedingly promising in the area
of osteoarthritis and chondral irregularities. Cartilage thickness
and structure abnormalities as
small as 50 μm could be illustrated.
Peter Stalder
[email protected]
OCT cross-section with OCT endoscope of porcine knee
joint with (A) the articular cartilage layer and (B) small
cartilage fractures which cannot be seen at the surface.
ti.bfh.ch
49
BI BE BU VA
Managementzentrum
Strategie für die Firma Friedli AG
Unternehmensstrategie / Betreuer: Prof. Christoph Gloor
Experte: Prof. Dr. Martin Rupp
Projektpartner: Friedli AG Engineering und Anlagenbau, 3400 Burgdorf
Durch die Erarbeitung einer breit abgestützten und weitsichtig formulierten Strategie soll die Firma Friedli
AG nach beträchtlichem Wachstum zielgerichtet in die Konsolidierungsphase geführt werden. Mittels exakt
auf die Firma zugeschnittenen strategischen Stossrichtungen soll die Zukunft der Firma nicht dem Zufall
überlassen werden, sondern gezielt und erfolgsversprechend mitgestaltet werden.
Dieter Friedli
[email protected]
Daniel Hodel
[email protected]
52
Die instabile wirtschaftliche Lage
im Euroraum, der überbewertete
Franken und die anhaltende Unruhe an den Finanzmärkten sind die
eine Seite der bevorstehenden
Herausforderungen der Friedli AG.
Das erhebliche Firmenwachstum
innerhalb kurzer Zeit sowie die zunehmende Sättigung des Heimmarktes stellen die Unternehmung
vor weitere Hürden.
Gewachsen aus einer Kleinstunternehmung war eine systematisch erarbeitete Strategie kein
zwingendes Bedürfnis. Die Unternehmensstruktur und die bestehenden Kunden waren überschaubar. Die Entwicklung der
Firma wurde durch das zuverlässige Bauchgefühl des Gründers
weitestgehend richtig gesteuert.
Doch die zunehmende Unternehmensgrösse schwächt die Qualität
des Bauchgefühls. Der Gründer
kann nicht mehr alles selber machen, wodurch das Unternehmen
in einem ersten Schritt an Kompetenz verliert.
ti.bfh.ch
Erstmalig in der Firmengeschichte
wurde die strategische Vergangenheit sowie die aktuelle Situation systematisch erfasst und bewertet. Durch die tiefgreifende
Analyse sind wichtige Erkenntnisse transparent zum Vorschein gekommen. Unter Einbezug der gesamten Belegschaft konnte ein
ganzheitliches Bild der Unternehmung sowie des Umfeldes erarbeitet werden. Daraus wurden die
wichtigsten strategischen Aussagen in einer Grundstrategie zusammengetragen.
Die Notwendigkeit sich unabhängiger vom Marktsegment des
Kerngeschäfts zu positionieren, ist
eine wesentliche Erkenntnis aus
der strategischen Analyse. Für die
langfristige Sicherung des Unternehmenserfolges muss die Firma
ein weiteres Geschäftsfeld aufbauen, um sich breiter abstützen
zu können. Hierzu sollen bestehende Kompetenzen zusammen
mit Chancen aus der Marktanalyse kombiniert werden.
Nach der Wachstumsphase ist
nun der Übergang in die Konsolidierungsphase von entscheidender Bedeutung. Dabei sind zugeschnittene
Geschäftsprozesse
und die Schaffung von Fach- und
Führungswissen für die Sicherung
des langfristigen Erfolges der Unternehmung von entscheidender
Bedeutung. Aber auch die Festlegung klarer Strukturen ist elementar, damit interne Abläufe effizient
und reibungslos ablaufen.
Der Zeitpunkt für die Erarbeitung
der Unternehmensstrategie hätte
nicht besser gewählt werden können. Nebst dem tiefen Einblick in
die Unternehmung wurde der
Heimmarkt wesentlich greifbarer.
Während der Analyse wurde allen
Akteuren bewusst, dass es höchste Zeit für eine weitsichtige Strategie ist. Nur so kann die Firma in
dieser Grösse rentabel und nachhaltig die nächsten Monate und
Jahre in Angriff nehmen.
Managementzentrum
BI BE BU VA
Solar Farming
Executive MBA in Innovative Business Creation / Betreuer:Heiner Kaufmann, Prof. Daniel Huber
Experte: Elmar Mock
Die Schweiz befindet sich energiepolitisch an einem Wendepunkt. Einerseits wurde der Atomausstieg beschlossen, andererseits stehen derzeit kaum die notwendigen Kapazitäten an alternativen Energiequellen
zur Verfügung. Neue Ideen und Geschäftsmodelle sind gefragter denn je.
Obwohl ein breites Interesse an
Solaranlagen (und im Speziellen
an der Photovoltaik) besteht, sind
entsprechende Anlagen längst
nicht für alle Interessenten zugänglich. Besondere Hindernisse
stellen der notwendige Besitz
geeigneter Dachflächen, die Finanzierung und staatliche Fördergelder dar. Diese Rahmenbedingungen repräsentieren die
Grundlage zur Entwicklung neuer
Geschäftsopportunitäten nach
den im Executive MBA Studium in
Innovative Business Creation vermittelten Denkmustern; die Basis
liefert der Störfaktor «Mich stört,
dass Photovoltaik-Anlagen nur für
wenige Leute zugänglich sind».
Das final entwickelte Geschäftskonzept beinhaltet Investitionsmöglichkeiten für private Personen, die mit Mikro-Beträgen von
bereits einigen hundert Franken im
landwirtschaftlichen Umfeld inves-
tieren möchten; Ziel ist freies
Ackerland (mit geeigneter Lage, z.
B. am Jurasüdfuss) mit Solarpanels zu belegen.
– Durch die grossen Flächen resultieren infolge von Skaleneffekten gute Renditen.
– Das Geschäftskonzept ergänzt
und vereint auf kreative Weise
zwei bisher getrennte Bereiche:
die Finanzierung (Mikrobeträge)
und die technische Umsetzung.
– Das Konzept profitiert maximal
von Skaleneffekten der globalisierten Welt (Fabrikation Solarpanels in China).
– Schwer zu bewirtschaftendes
Ackerland wird mit Panels belegt .
– Die Umsetzung sieht eine duale
strategische Positionierung vor:
gleichzeitig Kostenführer und
Premium Service Leader.
– Das Konzept wird in der Komponentenbauweise nach Prof.
Günter Faltin aufgebaut. Dazu
werden Partnerschaften mit
Banken, Planern/Installateuren
und den Landwirten eingegangen.
– Die Realisierung ist als Start-up
geplant.
– Zur Sicherung des Vorsprungs
vor Imitatoren wird auf einen
zeitlichen Vorsprung sowie auf
Partnerschaften gesetzt.
– Die Umsetzung erfolgt in zwei
Phasen.
– Phase 1: Aufbau von Referenzanlagen und Testen der zugrunde gelegten Hypothesen.
– Phase 2: Fokussierung auf den
Massenmarkt.
Der Markteintritt erfolgt in einem
geographisch eingegrenzten Gebiet, in dem kostengünstig
Werbung betrieben werden kann
(Phase 1). Der Minimierung des
Finanzierungsaufwandes
wird
hohe Aufmerksamkeit geschenkt.
Das Konzept wird disruptiv positioniert, indem bisherige NichtKunden zu Kunden gemacht werden (New Market Disruption). Die
Weiterentwicklung des Modells
sieht zusätzliche und diversifiziertere Revenue Streams durch Integration des Servicegeschäftes
vor.
Oliver Stalder
Geschäftsmodell, dargestellt im sog. Business Model Canvas (gemäss Alex Osterwalder)
ti.bfh.ch
53
BI BE BU VA
Managementzentrum
Modell zur Einführung von Innovation Management
Innovation Management / Betreuer: Prof. Daniel Huber
Experte: Prof. Pavel Kraus
Projektpartner: Hanspeter Zürcher AG, CH-6330 Cham
Nachdem sich über die letzten Jahre die Wissenschaft, Fachautoren, Beratungsunternehmen und Führungskräfte vor allem mit den theoretischen Grundlagen des Innovation Management beschäftigt haben, realisieren heute immer mehr Unternehmen, dass den menschlichen Faktoren, vor allem im Management, während
der Einführungsphase des Innovation Managements viel höhere Priorität zugesprochen werden muss. Die
Hanspeter Zürcher AG aus Cham bringt nun für Schweizer KMU eines der praktikabelsten Einführungsmodelle für Innovation Management mit Fokus auf die Führung auf den Markt.
Thomas Zurkinden
Führungskräfte werden heute für
ihre Ideen bezahlt und nicht für die
Routine. Denn die zunehmende
Komplexität der Umwelt und
der Arbeitsabläufe, schrumpfende
Margen und hoher Wettbewerb in
den globalisierten Märkten fordern
neue Denkansätze und Ideen.
Jede Innovation bedeutet aber
auch ein hohes Risiko für das Unternehmen. Es gibt in der Führung
keine vertrauten Lösungsmuster
mehr. Führungskräfte und Unternehmer haben gelernt, wie man
Unternehmen «verwaltet» und
nicht, wie man Unternehmen immer wieder «neu erfindet». Kein
Manager ist gegen Innovation an
sich, aber die Veränderung, die sie
auslöst, wird oft als Gefährdung,
verbunden mit Unsicherheit und
Angst, empfunden. Als Folge leisten dann Führungskräfte oft verdeckt oder offen Widerstand gegenüber der Einführung von
Innovation Management. Beispielsweise wird ein Bereichsleiter,
dessen Jahresbonus am Prozent-
Systemische Wirkungselemente des
Widerstandes von Führungskräften
54
ti.bfh.ch
satz der Einsparungen seiner Abteilungskosten gemessen wird,
seinen Mitarbeitenden kaum kostenintensive Freiräume für die Realisierung kreativer Innovationen
schaffen.
Blockaden im Management gegen
Innovation sind verständlich, normal
und werden verstärkt durch:
– Kurzfristige Ertragsorientierung
– Beim «Alten» bleiben wollen
– Führungskräfte werden nach Effizienz entlohnt
– Leistungswettbewerb zwischen
den Bereichen und Abteilungen
– Restriktives und kurzfristiges Verhalten des Rechnungswesen
– Risikovermeidende Entscheidungen
– Intoleranz gegenüber Misserfolgen
– Stark empfundene Hierarchie
– Etc.
Widerstände und Treiber verstehen
Die Liste der Widerstände und Treiber bezüglich Innovation ist in den
Führungsetagen Schweizer KMU
beinahe endlos. Die wirkenden
Kräfte sind zudem meist unsichtbar,
unbekannt, komplex, vielschichtig
und kaum fassbar. Um Innovation
Management erfolgreich einführen
zu können, sollte aber jede Unternehmensleitung die in seiner Führungscrew wirkenden Kräfte kennen, sich damit auseinandersetzen
und diese in den Einführungsphasen berücksichtigen.
Wirkungsvolle Einführungsmodelle sind gefragt
Mit Hilfe systemischer und computergestützter Hilfsmittel hat das
international tätige Beratungsunternehmen Hanspeter Zürcher AG
eine umfassende Analyse aller in
den Führungsetagen gegenüber
Innovation wirkenden Kräfte
durchgeführt und diese in einem
einfachen und verständlichen Einführungsmodell für Innovation
Management in der Führung integriert. Zielgruppe des Einführungsmodells sind Schweizer
KMU.
Erfolgreich weil ganzheitlich
und menschenorientiert
Das Einführungsmodell berücksichtigt einerseits alle gegenüber
Innovation wirkenden Widerstände und Treiber in den Führungsetagen und beschreibt andererseits
alle 50 notwendigen Aktivitäten
und Entwicklungsschritte über
4 Jahre zur erfolgreichen Einführung von Innovation Management.
Als Unterstützung bietet die Hanspeter Zürcher AG, in Kooperation
mit dem Managementzentrum der
Berner Fachhochschule, während
der Einführung ein ganzheitliches,
menschen- und entwicklungsorientiertes Coaching für die Führungskräfte an.
Adrian Zaugg
Alumni EMBA Innovation Management
Vice President New Business bei Sulzer Metco
„
Innovation ist die Triebfeder
für die Entwicklung eines
Unternehmens. Das
Studium vermittelte mir das
Wissen rund um deren
Management.
“
Softwareschule
BI BE BU VA
Software-Schule Schweiz
Virtual Scrum Board
MAS-IT / Betreuerin: Dr. Beatrice Amrhein
Experten: Daniel Bähler, Marcos Abalo
Das Scrum-Werkzeug unterstützt jetzt auch Homeoffice, die Standortabhängigkeit von Scrum in der Mobiliar
wird mit dem Virtual Scrum Board aufgehoben! Durch den starken Einbezug der Endbenutzer über Personas, Szenarien und Walkthroughs wird eine hohe Usability sichergestellt.
Andrea Lehmann
Franziska Stebler
58
Methodik
Die Erhebung der Anforderungen
für das Virtual Scrum Board wurde
in der Master Thesis mit den Methodiken Contextual Inquiry und
Personas durchgeführt. Anhand
der Interviews mit Endbenutzern
konnten ihre Bedürfnisse in Personas gebündelt werden. Zu diesen
fiktiven Personen wurden Name,
Zivilstand, ihre Bedürfnisse an das
Virtual Scrum Board etc. aufgenommen.
Aus den Bedürfnissen wurden anschliessend Szenarien abgeleitet.
Ein Szenario war beispielsweise
das Durchführen eines Daily Scrum. Diese grobgranularen Use
Cases konnten dann vorzüglich für
die Generierung der User Stories
sowie deren Priorisierung verwendet werden.
Parallel zum Dokumentieren der
Szenarien wurde mit dem Tool
Balsamiq ein GUI-Prototyp erstellt. Der GUI-Prototyp wurde mit
den Endbenutzern validiert. Nach
der Implementierung des Virtual
Scrum Board wurde die Applikation von den Endbenutzern in einem
Usability-Walkthrough nochmals
validiert.
Als weitere wichtige Methodik
wurde in der Implementierung Test
Driven Development eingesetzt.
Durch diesen Denkansatz werden
feingranulare, einfach testbare
Codestücke immer direkt vor/oder
nach der Implementierung mit einem Unittest verifiziert.
ti.bfh.ch
Technologie
Ein erklärtes Ziel der Master-Thesis war der Einsatz von HTML5.
Anhand einer Evaluation von GWT,
Primefaces, WiQuery und Icefaces
hat sich Primefaces als bestes
HTML5-Framework
herausgestellt. Es bietet Drag & Drop-Funktionalität sowie das Inplace-Editing
an. Seine Nähe zu JSF, welches
uns bereits bekannt war, war
ebenfalls ein wichtiger Zusatzpunkt. Primefaces hat sich dann
im Verlauf der Master-Thesis als
junges, noch recht fehlerhaftes
Framework mit nicht so guter Dokumentation herausgestellt.
Weiter ist das Virtual Scrum Board
eine JEE-Applikation, welche JPA
für die Datenbank-Integration sowie Bean Validation einsetzt.
Resultat
Die Applikation Virtual Scrum
Board stellt sich zusammen aus
den Bereichen «Projekt Configuration» und «Scrum Board». In der
«Project Configuration» werden
neue Projekte konfiguriert, Sprints
und Stories dazu erstellt. Zu jedem
Virtual Scrum Board
Projekt können die Team-Mitglieder erfasst werden. Die Definition
Of Done wird ebenfalls auf dieser
Seite gepflegt. Der Bereich «Projekt Configuration» wird durch den
Scrum Master gepflegt.
Der zweite Bereich «Scrum Board»
beinhaltet ein Sprint Board. Hier
werden zu den Stories innerhalb
des Sprints die Tasks verwaltet.
Als wichtige Funktion können via
«Daily Notes» Notizen zu Tasks
hinterlegt werden. Darüber können jene Entwickler, die Home
Office machen, mit den Entwicklern in der Firma kommunizieren.
Die Daily Notes gelten für ein bestimmtes Datum. An diesem Gültigkeitsdatum werden die Daily
Notes auf dem Scrum Board sichtbar. Sie sind demzufolge am Daily
Scrum als wichtige Information
des abwesenden Entwicklers mit
einzubeziehen.
Ein Sprint Burndown Chart, welches jederzeit generiert werden
kann, zeigt am Daily Scrum den
Fortschritt der Arbeiten an. Der
zweite Bereich «Scrum Board»
wird durch die Entwickler geflegt.
BI BE BU VA
Sicheres Single Sign On ins EJPD SSO Portal
Security / Betreuer: Peter Andres ([email protected])
Experte: Gerhard Hassenstein
Projektpartner: Informatik Service Center ISC-EJPD, Bern
Am Anfang stand eine Vision: Mitarbeiter der Ämter des EJPD verwenden für das Log-in an ihrer Arbeitsstation ihre Smartcard. Nach dem Log-in ist der Benutzer sowohl für die Büroautomatisierungsumgebung
als auch im Portal authentisiert (Single Sign On für beide Umgebungen). Die Autorisierung soll wie bis anhin
beibehalten werden.
Ausgangslage
Das SSO Portal (Single Sign On Portal) EJPD bildet die zentrale Sicherheitsarchitektur und -infrastruktur
des ISC-EJPD. Nach erfolgreicher
starker Authentisierung von Fachanwendungsbenutzern stellt es sämtliche erlaubten Anwendungen über
das Web zur Verfügung. Im Verlaufe
des Jahres 2013 wird die Verwendung von SmartCards zur Authentisierung auch für die Büroautomatisierung eingeführt.
Die Masterthesis untersuchte in einer
Studie, wie ein sicherer Single Sign
On zwischen Portal und Büroautomatisierung erfolgen kann.
Vorgehen
In 5 Schritten wurde vorgegangen:
1. Anforderungen Festhalten (Pflichtenheft)
2. Lösungsvarianten Entwickeln und
Beurteilen
3. Variante mit Proof of Concept
(POC) verifizieren
4. Risiken und Massnahmen definieren
5. Ausblick für eine Umsetzung
sind dabei beide Trustrichtungen vorstellbar. Insgesamt wurden in der
Thesis acht Lösungsvarianten erarbeitet un beurteilt.
Proof of Concept
Für den POC wurde eine Integration
über Kerberos gewählt, das SSO
Portal traut der Büroautomatisierung.
Die Herausforderung an diesem Ansatz war, dass das SSO Portal nur
den Authentisierungen trusten darf,
die mit der SmartCard durchgeführt
wurden. Im Kerberos-Standard ist
das nicht vorgesehen, so dass auf
Microsoft spezifische Erweiterungen
zugegriffen werden mussten. Für den
Authentiseirungsservice des Portales
wurde ein Plugin in Java entwickelt,
das diese Erweiterung in Java auswertet und den Single Sign On nur
zulässt, falls mit der SmartCard authentisiert wurde.
Für den POC wurde eine komplette
Testumgebung aufgebaut, die aus 8
virtuellen Maschinen bestand:
– Router
– Win2008R2
– Win7 32Bit
– Win7 64 Bit
– Analysesystem mit Wireshark
– Testserver mit spnego.soruceforge.net
Markus Maeder
[email protected]
Ergebnis
Die für den POC gewählte Variante
konnte erfolgreich verifiziert werden.
Der Autor freut sich, dass die in der
Studie erarbeiteten Ergebnisse eine
gute Chance haben, im nächsten
Jahr verwendet zu werden. Für eine
produktive Umsetzung wurden inbesondere auch in den Schritten vier
(Risiken und Massnahmen definieren)
und fünf (Ausblick für eine Umsetzung) aufgezeigt, was für eine produktive Umsetzung zu beachten ist.
Lösungsvarianten
Ein Single Sign On zwischen den
zwei Umgebungen bedingt einen
Trust zwischen ihnen. Grundsätzlich
Vorgehen in 5 Schritten
Der Kerberos-Trust wird nur akzeptiert, wenn eine starke
Authentisierung verwendet wurde (check SC only flag)
ti.bfh.ch
59
BI BE BU VA
Renewal TeamPortal
Enterprise Application Development / Betreuer: Rolf Wenger
Experte: Stefan Haefeli
Projektpartner: Die Schweizerische Post, Zollikofen
Das TeamPortal ist der Einstiegspunkt für die rund 50 Intranet-Entwickler bei der Schweizerischen Post,
um mehr als 380 Applikationen zu administrieren sowie deren Logs und DB-Jobs zu überwachen. Neu wird
es die Entwicklungs-Prozesse vereinfachen und dem Management aussagekräftige Informationen anbieten.
Axel Zenklusen
Pascal Irminger
PadMan – Post Application
Development Manager
PadMan ist eine neue zentrale Intranet-Applikation, welche die aktuellen Bedürfnisse der Entwickler
abdeckt, um die heutigen Prozesse zu verbessern.
Die Applikation ermöglicht dem
Benutzer, durch die Entwicklungsprozesse geführt zu werden und
automatisiert bislang manuelle
Tasks wie z. B. die Interaktion mit
der Versionsverwaltung.
Als neuer Dreh- und Angelpunkt
für die .NET-Webapplikationen im
Intranet der Schweizerischen Post
versorgt PadMan diese mit den
benötigten Daten wie z. B. Connection Strings, Sprach-Labels,
etc.
»Da die einzelnen Komponenten
nun miteinander verknüpft sind,
braucht es viel weniger Klicks.»
LogObi – Organized Bugs and
Information
Mit der neuen Intranet-Applikation
LogObi werden die ApplikationsLogs sämtlicher .NET-Webapplikationen aus dem Intranet der
Schweizerischen Post visualisiert.
Die Logfiles werden dabei vond er
Server-Farm eingesammelt und
nach dem Import vorverarbeitet,
so dass die logs sogleich nach
Benutzer-Wünschen vorgefiltert
angezeigt werden können.
Zusätzlich können die Benutzer
Suchfilter definieren, wonach sie
automatisch per E-Mail informiert
werden wollen, sobald konfigurierbare Schwellwerte überschritten
werden.
»Die Filter erledigen nun viel Arbeit
automatisch, die man vorher manuell machen musste.»
JobMonitor
JobMonitor ist eine neue IntranetApplikation zur Visualisierung von
SQL Server Jobs. Damit lässt sich
exakt feststellen, welche Jobs erfolgreich und welche fehlerhaft
ausgeführt wurden.
Gegenüber dem Log File Viewer
aus dem SQL Server Management
Studio verbindet JobMonitor die
SQL Server Agent Logs mit denjenigen aus den SSIS-Packages.
Datenbank-Administratoren können fehlerhafte Job-Runs nach
allfälligen Korrekturen als erledigt
markieren. Weiter werden die verantwortlichen Personen im Fehlerfall automatisch per E-Mail informiert.
»Die gleichzeitige und teilautomatisierte Überwachung von Agentund SSIS-Logs erhöht die Betriebsqualität und erspart uns
täglich viel Fleissarbeit.»
PadMan
LogObi
JobMonitor
Marcel Lehmann
60
ti.bfh.ch
Berner Fachhochschule
Weiterbildung
Ihre Karriere ist unser Programm
Sie wollen Ihre Karriere aufbauen oder weiterführen? Dann sind wir der Partner an Ihrer Seite.
Stufe für Stufe betreuen wir Sie bei berufsbegleitender Weiterbildung.
Unser Angebot:
Betriebswirtschaft und Management
Information Technology
Medizininformatik
Ihr Abschluss:
EMBA (Executive Master of Business Administration)
MAS (Master of Advanced Studies)
DAS (Diploma of Advanced Studies)
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Start jeweils im Frühjahr und Herbst
Telefon +41 31 84 83 111
ti.bfh.ch/wb
BI BE BU VA
Wissensmanagement Basis «StruktNet»
Medizininformatik – Wissensmanagement / Betreuer: Andreas Greulich, Dr. Samuel Henz
Experte: Prof. Andrea Back
Projektpartner: Kantonsspital St.Gallen
Das Management von Information und Wissen ist ein wesentlicher Bestandteil unternehmerischen Handelns.
Die Unternehmensstrategie des Kantonsspitals St.Gallen sieht deshalb vor, das neu eingeführte Intranet auf
Basis Microsoft SharePoint 2010 als Informations- und Zusammenarbeitsplattform aller Unternehmensbereiche zu etablieren. Für das bisherige Intranet bestanden keine Vorgaben betreffend Struktur und Inhalt
weshalb mit hohem Aufwand sehr heterogene Bereichslösungen entstanden.
Daniel Ammann
[email protected]
Insbesondere aus Sicht der klinisch tätigen Mitarbeitenden eines
grossen Spitals wird erwartet, dass
ein modernes Intranet mit wenig
lokalem Aufwand gepflegt werden
kann und die interdisziplinäre und
interprofessionelle Zusammenarbeit durch sinnvolle Strukturierung
und Benutzerführung erleichtert
wird. Die neue Plattform sollte nicht
wieder dasselbe Schicksal erleiden, weshalb auf Initiative einer
Klinik ein Projekt zur Entwicklung
und Einführung eines hoch strukturierten Intranets für alle klinisch
tätigen Bereiche initiiert wurde.
Gegenstand der vorliegenden
Masterarbeit war die Erarbeitung
eines Grobkonzepts sowie die Begleitung der Detailkonzeption.
Eine systematische Literaturrecherche ergab erstaunlich wenig spezifische Literatur zu Struktur und Nutzen von Intranets in Spitälern was
den Schluss nahelegt, dass die
Thematik bisher nicht als organisa-
Informationskategorien im ‘StruktNet’
64
ti.bfh.ch
torisch oder betriebswirtschaftlich
bedeutsam für Spitäler erkannt
wurde. Im Gegensatz zur medizinischen Literatur finden sich für die
Wirtschafsinformatik eine beachtliche Zahl methodologischer Empfehlungen. Um relevante Inhalte für
das Intranet nicht zu verpassen erfolgte ausserdem eine qualitative
Analyse der Extranets anderer Spitäler. Die Hauptanalyse beinhaltete
eine breitgefächerte Nutzerbefragung mit einer mehrstufigen quantitativen Bedarfsanalyse. Die Befragungen der Stakeholder bestätigten
und verfeinerten in einem iterativen
Vorgehen die erarbeiteten Informationskategorien. Zur Festlegung der
Prioritäten bei der Einführung wurde
mit den Stakeholdern eine Nutzwertanalyse zu den Informationskategorien durchgeführt. Aus den
Befragungen resultierten neben den
priorisierten Informationskategorien
auch konkrete Erwartungen betreffend Rechtekonzept und Benutzer-
führung beziehungsweise der Prozessunterstützung aus klinischer
Sicht. Auf dieser Basis wurde ein
Grobkonzept erstellt, welches folgende Ziele verfolgte:
– Jeder Bereich besitzt eine vorkonfigurierte Intranetsite
– Wichtige und oft verwendete Informationsobjekte werden zu
Informationskategorien zusammengefasst
– Für jede Informationskategorie
existiert eine spitalweite Übersichtsliste
Im Anschluss wurde das Konzept
durch unabhängige Fachexperten
in Bezug auf Innovation und Umsetzbarkeit bewertet.
Das durchgeführte Projekt ist im
Bereich des Informationsmanagements anzusiedeln. Die Inhalte und
die zu unterstützenden Prozesse
sind dabei stark abhängig von den
Aufgaben eines Betriebs respektive
einer Mitarbeitendengruppe. Aufgrund der hohen Interdisziplinarität
und Interprofessionalität der Arbeit
in einem Spital dürfte diese Branche besonders von einem gut
strukturierten und breit verfügbaren
Wissensmanagement profitieren.
Entsprechend stiess das Vorhaben
und die geplante Umsetzung in den
klinischen Bereichen auf grösstes
Interesse und eine hohe Unterstützung. Nicht zu unterschätzen sind
dabei eine einfache und intuitive
Bedienbarkeit und eine gute Einführungsbegleitung.
BI BE BU VA
Entwicklung eines Simulators für tcPCO 2-Sensoren
Medizintechnik / Betreuer: Dr. Peter Schumacher
Experten: Prof. Dr. Alex Zbinden, Prof. Dr. Jürg Streit
Projektpartner: SenTec AG, 4106 Therwil
Die Prüfung von Sensoren für das transkutane Monitoring von CO2 geschieht heute unter Laborbedingungen.
Gemäss den gültigen Normen wird der Sensor hierfür mit trockenem oder feuchtem CO2-Gas beströmt [1].
Dieser in vitro Test bildet jedoch die Verhältnisse beim Patienten nicht ideal ab, so dass die bestehende
Test-umgebung für Sensoroptimierungen und Neuentwicklungen ungeeignet ist. Es wurde daher ein Testsystem (Simulator) entwickelt, welches den physiologischen Bedingungen am Menschen möglichst nahe
kommen soll. Auf Wunsch des Auftraggebers wird die Arbeit als vertraulich eingestuft.
Reto Kaufmann
Christoph Spicher
Einleitung
Sensoren für das transkutane Monitoring von pCO2 erwärmen das lokale Gewebe auf 42 °C und messen
das durch die Haut austretende
CO2. Eine pH-Elektrode nach StowSeveringhaus [2] liefert daraufhin
eine Spannung, welche über einen
Algorithmus in einen Partialdruck
(mmHg) umgerechnet wird. Systembedingt unterliegen diese Sensoren
einem Messdrift, welcher wiederum
über einen Algorithmus ausgeglichen wird.
Ein Testsystem für pCO2–Sensoren
muss demnach unter anderem folgende Anforderungen erfüllen:
– Regelbare Temperatur
– Regelbarer CO2-Fluss
– CO2 soll feucht sein
Das Ganze soll mit einer Membran
abdeckbar sein. Auf der Membran
sollen die Sensoren mit demselben
Zubehör wie am Menschen appliziert werden können.
Das Testsystem soll folgende Anforderungen erfüllen:
Abbildung 1: Simulator
65
ti.bfh.ch
– physiologische pCO2-Werte im
Bereich von 32-46mmHg [3] (vgl.
Abb. 3)
– vergleichbares Heizverhalten der
Sensoren (vgl. Abb. 3)
– Probanden entsprechender Messdrift
Material und Methoden
Der Simulator (Abb. 1) besteht aus
Heizung, Gasflussregler und LabView-Software. Die Membranhalterung (Abb. 2) besteht aus einem
CNC-Frästeil und dient der Aufnahme der Membran und der Sensoren.
Die Temperatur und der CO2-Fluss
können präzise geregelt werden,
eine Wasser-Vaporisierungseinheit
befeuchtet das Gas.
Nach dem Bau wurde der Simulator
anhand von Vergleichsmessungen
mit 10 freiwilligen gesunden Probanden darauf geprüft, ob er den
Vorgaben entspricht. Es wurden
mehr-stündige Messungen sowohl
an Probanden wie auch am Simulator durchgeführt. Appliziert wurden
die Sensoren an Stirn, Wange, Ohrläppchen und subclavikulär.
Abbildung 2: Membranhalterung
Resultate
Die Resultate zeigen, dass die Sensordriftwerte zwischen allen Probanden und dem Testsystem zwar
signifikant verschieden sind, sich
absolut aber nur wenig unterscheiden. Wird die Applikationsstelle
«Ohrläppchen» gesondert ausgewertet, bildet das Testsystem das
Driftverhalten am Menschen akkurat
ab. Der Verlauf der Heizleistung der
Sensoren am Testsystem entspricht
dem Verlauf an allen Applikationsstellen mit guter Genauigkeit.
Diskussion
Es wurde eine funktionsfähige Plattform entwickelt, welche weiterführende in vitro Versuche ermöglicht.
Hierfür können auch die zahlreichen
während dieser Arbeit gesammelten
Daten dienen, indem sie für die Vorbereitung und Planung von zukünftigen Tests eingesetzt werden.
Abbildung 3: Beispielkurven der PCO 2Werte (oben) und der Heizleistung der
Sensoren (unten)
BI BE BU VA
Accuracy of 3D image-guided spine surgery
Computer-assisted spine surgery / Thesis advisor: Dr. Duccio Boscherini
Experts: Prof. Jean-Philippe Thiran, Dr. Peter Schumacher
Project partner: Clinique de La Source, Lausanne
To prospectively evaluate accuracy in neuronavigation assisted by intraoperative imaging techniques in a
standardized percutaneous thoracolumbar procedure. To assess the impact that reference frame distance
from surgical site might have on accuracy.
Raymond Yerly
Introduction
Neuronavigation is a technical device that presents comparable features to a GPS. This process of surgeon guidance is based on
intraoperative and most up-to-date
pictures that are acquired during
different phases of intervention. The
integration of intraoperative threedimensional imaging with a surgical
navigation system represents the
highest standard of image guided
spinal surgery. This technique is
particularly useful during percutaneous procedures, when the spinal
structures are not directly visible to
the surgeon. The benefits of computer-assisted surgery are now recognized. However, few studies have
investigated and quantified the
navigation accuracy in clinical settings, especially the impact of the
reference frame location.
Material and Methods
Based on image processing techniques, the position of the vertebro-
plasty needle as represented on the
navigation display is compared to its
actual position extracted from the
3D image after completion of its introduction into the vertebral body.
So far, only 2 patients have been
included in the trial and recruitment
of significant numbers will take
some time. In the interim, the pilot
study has been reinforced by the
data from a retrospective review of
9 patients who previously underwent a similar surgical procedure.
Results
The mean Euclidean distance between the navigated needle tip and
the actual position of the needle tip
extracted from the control CT was
2.23 ±; 1.36 mm. To date we observe no clear correlation between
degree of positional accuracy and
the number of vertebral segments
separating the reference frame and
the treated vertebra. The mean error
remained below 3 mm, regardless
the reference frame location.
while not compromising accurate
needle placement. Nevertheless,
the surgeon is advised to assess the
required accuracy for each individual application. The acceptable
number of vertebral levels between
the site of reference frame attachment and the navigated level may
also depend on the characteristics
of the particular patient, the rigidity
and geometry of the spine in question, and the forces that are applied
to the navigated instruments. These
factors must be taken into account
and one may not attempt to overly
generalize the results from a small
patient population.
Conclusion
From the sample size we have to
date, the positioning of the reference frame either above or below
the vertebra to be treated has, on its
own, a slight influence on navigation
accuracy.
Discussion
The preliminary findings for this particular application indicate that the
empirically established limit of 4 vertebral segments could be exceeded
StealthStation ® S7 navigation system
and the intraoperative 3D imaging
O- arm ® from Medtronic
66
ti.bfh.ch
Error measured with respect of the reference frame location
Post-operative 3D image containing
the actual needle overlaid on the
navigation’s snapshot containing the
virtual needle with 1cm graduations
BSc in Automotive Engineering
BI BE BU VA
Energieverbrauch und Emissionen von Personenwagen
Verbrennungsmotoren / Betreuer: Prof. Dr. Jan Czerwinski
Experten: Alfred Leuenberger, Marc Werner
Projektpartner: TCS und EMPA, Emmen und Dübendorf
Moderne Personenwagen sind mit immer aufwändigerer Technik ausgerüstet, um den hohen Ansprüchen
an geringen Verbrauch und niedrige Schadstoff-Emissionen nachzukommen. Der von den Herstellern ermittelte Verbrauch wird in der Realität häufig überschritten. In unserer Arbeit werden Benzin- und Dieselfahrzeuge mit neuartigen Motoren- und Abgassystemen auf den Rollenprüfstanden mehrerer Labors mit
unterschiedlichen Fahrzyklen untersucht. Damit sollen reale und normkonforme Verbrauchs- und Schadstoffwerte bestimmt und mit den Herstellerangaben sowie Werten aus Langzeittests verglichen werden.
Matthias Allgayer
[email protected]
Michael Lanker
[email protected]
Ausgangslage
Der Touring Club Schweiz (TCS)
betreibt grossen Aufwand, um mit
unabhängigen Fahrzeugtests seine Mitglieder über die aktuellen
Automobile zu informieren. Die
Verbrauchsmessungen spielen
dabei eine zentrale Rolle. Die Versuchsfahrzeuge werden gemäss
einem normierten Zyklus (Neuer
europäischer Fahrzyklus = NEFZ)
gefahren und der Kraftstoffverbrauch entweder gravimetrisch
mit einer Waage oder einer sogenannten CVS-Messanlage (Konstantvolumenstromanlage) bestimmt. Die Messungen an der
TCS-Anlage zeigen, dass die von
den Herstellern angegebenen Verbrauchswerte zumeist nicht erreicht werden. Dies führt zu Enttäuschungen bei den Fahrzeug besitzern. Um dem entgegenzuwirken, werden neue international
akzeptierte Fahrzyklen entwickelt.
Diese sollen den aktuell gültigen,
aber praxisfremden europäischen
Fahrzyklus ablösen. Auch dazu
sollen unsere Messungen einen
Beitrag liefern.
Schema Kältekammer-Prüfstand EMPA
70
ti.bfh.ch
Vorgehen
Die Arbeit gliedert sich in mehrere
Teile. Mit einem VW Golf 1.4 GT
wurde ein Ringversuch auf den drei
Prüfständen der beteiligten Labors
TCS Emmen, EMPA Dübendorf
und AFHB Nidau durchgeführt.
Diese Vergleichsmessungen mit
demselben Fahrzeug bei identischen Bedingungen dienen dazu,
die Resultate der Prüfstände periodisch abzugleichen und zu verifizieren. Mit einem Opel Ampera,
einem völlig neu entwickelten Fahrzeug, das elektrisch angetrieben
wird und zur Reichweitenverlängerung über einen Benzinmotor verfügt, wurden Messungen bei unterschiedlichen Betriebsbedingungen
(Batterieladestände und Umgebungstemperaturen) durchgeführt.
Insbesondere sollte der Schadstoffausstoss bei kalten und heissen Temperaturen wie auch bei
entladener Batterie geprüft werden. Mit zwei modernen Dieselfahrzeugen, einem Hyundai i40 1.7
CRDi und einem Honda Accord 2.2
i DTEC wurde die Partikelmasse
und Nanopartikel beim Betrieb des
Partikelfilters untersucht. Der Hon-
da Accord, der sich seit drei Jahren
im Fuhrpark des TCS befindet,
diente dazu, den Praxisverbrauch
aus 95’000 km gefahrener Strecke
mit den Prüfstandswerten aus dem
aktuellen NEFZ sowie den neuen
Fahrzyklen zu vergleichen.
Ergebnisse
Insgesamt wurden im Verlauf dieser
Arbeit rund 60 Fahrzyklen gefahren.
Die Korrelation der Messwerte aus
den unterschiedlichen Prüfständen,
Messeinrichtungen und Prüfmethoden der beteiligten Labors konnte
dabei mit hoher Genauigkeit bestätigt werden. Bei den Verbrauchsund Emissionsresultaten hat es zum
Teil erhebliche Unterschiede gegeben, je nach Zyklus- und Betriebsart. Insbesondere der Opel Ampera
mit seinem reichweitenverlängernden Benzinmotor unterliegt dabei
grossen Schwankungen. Auf dem
Schema ist zu sehen, wie der Opel
Ampera in der Kältekammer aufgebaut wurde. Das Diagramm zeigt
auf, dass der Verbrennungsmotor
zur Unterstützung der elektrischen
Fahrzeugheizung bei niedrigen
Temperaturen teilweise mitläuft.
NEFZ Kältekammer -7°C
BI BE BU VA
Attaches DCModBox
Conception de véhicules / Directeur de thèse: Prof. Sébastian Tobler
Partenaires du projet: Sécheron SA, Geneve
L’entreprise Sécheron SA est spécialisée dans l’équipement électrique ferroviaire. Elle développe en particulier un coffre modulaire pour accueillir tout ses composant électriques. Lors du fonctionnement des
disjoncteur DC, un arc électrique est crée, il chauffe l’air et provoque une pression. Un système doit être
trouvé pour décharger la pression afin de ne pas endommager le coffre.
Le but de ce travail est d’imaginer
les diverses solutions pour réaliser
cette fonction.
Une université Finlandaise a déjà
été mandatée par le passé pour
trouver une solution à ce problème. Une comparaison entre les
solutions sera menée.
Les contraintes de conception
Les contraintes sont ténues. En
effet la durée de vie des éléments
d’un train est de 30 ans. Le
nombre de cycles auxquels sera
soumis le coffre est de 106 cycles.
La température minimum et maximum est de –50° C à +70° C.
Brainstorming
Il a été imaginé plusieurs solutions,
des plaques de rupture qui
rompent à partir d’une certaine
pression, des soupapes mécanique à ressort ou à poids, la
modification du filtre existant afin
de laisser échapper les gaz avant
qu’ils ne créent d’augmentation de
pression dans l’enceinte du coffre.
Test d’explosion
Test d’explosions
Recréer ces conditions de courtcircuit nécessite des installations
électriques de très grande puissance que l’on ne trouve que dans
2 laboratoires de tests à Berlin et
en Italie. Ces tests sont très chers.
Afin de recréer des conditions similaires de pression sur le couvercle, des tests d’explosions ont
été imaginé.
deux variantes. Cependant en
termes de prix, de facilité de fixation, de poids, l’attache Finlandaise est mieux adaptée.
Conclusion
Les tests ont permis de valider
l’attache Finlandaise tout en mettant en évidence une faiblesse de
la fixation de la dite attache sur le
couvercle.
Julien Berthoud
[email protected]
076 379 80 69
Tests sur les filtres
Différentes configuration de filtre
ont été testées afin de mesurer la
différence de pression à l’intérieur
du coffre. Filtre bouché, filtre normal, filtre simplifié, et passage
libre. Ces tests ont montré une
faible incidence du filtre sur la pression interne à cause de la vitesse
extrêmement élevée des gaz.
Résultat final
Les tests comparatifs en explosions entre la solution Finlandaise
et la solution à plaque de frottement ont démontré l’efficacité des
Attache à frottement
Défaut de fixation de l’attache finlandaise sur le couvercle
ti.bfh.ch
71
BI BE BU VA
Führungsinstrumentarium SBB Park+Rail
Automobiltechnik / Betriebswirtschaftslehre / Betreuer: Prof. Dr. Urs Sauter
Experten: Carlo Bosio, Philippe Burri
Projektpartner: SBB Immobilien, Bern
Business Intelligence (BI) Technologien bieten heute vielfältige Möglichkeiten, Führungsprozesse zu unterstützen. Für den Bereich Park+Rail der SBB werden anhand eines Prototyps die Vorteile solcher Technologien aufgezeigt. Dabei wurden Daten aus verschiedenen Datenquellen der Divisionen Personenverkehr (P)
und Immobilien (IM) in einem Data Warehouse zusammengezogen und ausgewertet. Die technische Umsetzung erfolgte in Zusammenarbeit mit dem Institute for ICT-Based Management.
Joris Bettler
j_ [email protected]
Ausgangslage
In den vorangegangenen Projektarbeiten sind die bestehende Organisation von SBB Park+Rail und
die kurzfristig verfügbaren Daten
analysiert worden. In der Bachelor
Thesis werden diese Grundlagen
verwendet, um einen Prototyp einer Führungsplattform zu entwickeln.
Die SBB Immobilien betreiben
550 Park+Rail Anlagen in der ganzen Schweiz. Der Verkauf der
Park+Rail-Angebote erfolgt über
verschiedene Verkaufskanäle der
Divisionen P (Schalter, Online,
Hotline) und IM (Kassenautomaten). Dadurch entstehen Schwierigkeiten, die Daten für eine umfassende Analyse der Umsätze
bereit zu stellen und auszuwerten.
Vorgehen
Die von den SBB zur Verfügung
gestellten Excel-Files werden in
einem ETL Prozess in eine Staging
72
ti.bfh.ch
Datenbank importiert und in ein
mehrdimensionales Datenmodell
im Data Warehouse geladen. Daraus wird ein mehrdimensionaler
«Datenwürfel» (OLAP-Cube) generiert. Dieser kann in der webbasierten Benutzeroberfläche auf
einfache Weise nach seinen Dimensionen (z. B. Zeit, Region,
Park+Rail-Anlage, Produkt) analysiert werden.
Die grössten Probleme wurden in
der Datenqualität festgestellt. Die
Ursache dieser Probleme besteht
vor allem darin, dass die Informationssysteme der beiden beteiligten Divisionen nicht die gleichen
Stammdaten verwenden.
Ergebnis
Das System baut auf dem Microsoft Business Intelligence
Stack (MS SQL Server mit Integration und Analysis Services,
Sharepoint Server mit PerformancePoint Service) auf. Der erstell-
te Cube hat sieben Dimensionen.
Das Cockpit ist in verschiedene
Sichten unterteilt. Die verschiedenen Sichten wurden für die Hierarchiestufen der Division IM ausgelegt. Damit wird eine stu fengerechte und zielgerichtete Führungsunterstützung erreicht. Die
Ansichten sind interaktiv aufgebaut. Dies lässt dem Benutzer
grossen Spielraum offen, welche
Faktoren er wie vergleichen will.
Anhand von Zielwerten wird die
Zielerreichung nach dem Ampel
Prinzip angezeigt.
Ausblick
Mit Hilfe des entwickelten Prototyps wird veranschaulicht, wie das
Reporting und die Datenanalyse
im Bereich SBB Park+Rail vereinfacht und verbessert werden
kann. Einige Schwachstellen in der
Datenqualität wurden aufgezeigt.
Bei einer produktiven Einführung
eines solchen Systems sollten diese Probleme möglichst an der
Quelle angegangen werden. Dafür
ist eine intensive Zusammenarbeit
zwischen allen beteiligten Stellen
erforderlich.
BI BE BU VA
Charakterisierung von Elektro- & Hybridfahrzeugen
Automobiltechnik / Betreuer: Bernhard Gerster, Christian Schürch, Pascal Mäder
Aufgrund der verschärften CO2-Grenzwerte wird in Zukunft ein erhöhter Anteil an Hybrid- und Elektrofahrzeugen auf unseren Strassen erwartet, was politisch gewollt ist. Folglich sind Unfälle mit solchen Fahrzeugen nicht auszuschliessen. Deshalb wurde an einem Fahrzeugkollektiv verschiedener Hersteller die Aufbaufederrate sowie das Anfahr- und Bremsverhalten für die forensische Unfallanalyse untersucht. Die
Resultate werden einerseits der direkten Nutzung im Einzelfall und andererseits, im Sinne von Kennzahlen
und Faktoren, dem Abgleich von Berechnungsprogrammen dienen.
Vorgehensweise
Im Auftrag dieser Bachelorarbeit
wurden verschiedene Fahrzeugimporteure gebeten, uns einige ihrer
Elektro- und Hybridfahrzeuge für die
Messungen zur Verfügung zu stellen. Dies ergab ein Fahrzeugkollektiv mit folgenden elf Fahrzeugen:
– Toyota Prius 3
– Lexus RX 450h
– Lexus GS 450h
– Honda Jazz Hybrid
– Honda Insight Hybrid
– Honda CR-Z Hybrid
– Peugeot iOn
– Nissan Leaf
– Opel Ampera
– Renault Fluence Z.E.
– Renault Kangoo Z.E.
Um Kennzahlen für die forensische
Unfallanalyse zur Wiederherstellung
von Verkehrsunfällen an Kreuzungen und Einfahrten zu erhalten,
konnte mit Hilfe eines speziellen
GPS-Gerätes der Geschwindigkeitsverlauf verschiedener Beschleunigungs- und Verzögerungssituationen gemessen werden.
Diese umfassen für jeden Fahrmodus schwaches, normales und starkes Anfahren beim rechts und links
Einbiegen sowie geradeaus Anfahren. Zudem wurden die Verzögerungen aufgrund der Schleppmomente
und die Verzögerung mit der im
Fahrzeug angezeigten maximalen
Rekuperation dokumentiert.
Die Aufbaufederrate der Vorder- und
Hinterachse wurde anhand der mo-
mentanen Radaufstandskraft und
der Bestimmung der jeweils dazugehörenden Distanz zwischen Radmittelpunkt und Karosserie gemessen. Mit dieser Methode wurde die
Aufbaufederrate durch parallele Einund Ausfederung beider Achsen
ermittelt. Zudem wurde durch
wechselseitiges Ein- und Ausfedern
die Steifigkeit der Kurvenstabilisatoren und somit dessen Einfluss auf
die Aufhängungssteifigkeit ermittelt.
Resultate
Die Beschleunigungen und Verzögerungen der einzelnen Fahrmanöver wurden in verschiedenen Diagrammen in Abhängigkeit des
Weges und der Zeit dargestellt.
Diese dienen für den Abgleich der
Kennzahlen und Faktoren der Berechnungsprogramme der Unfallanalyse. Aus den jeweiligen Manövern wurde ein Mittelwert mit
Toleranzangabe errechnet, um diese der direkten Nutzung der Werte
im Einzelfall zugänglich zu machen.
Die Werte der einzelnen Fahrzeuge
wurden nach der Auswertung mitei-
Geschwindigkeitsverlauf über Weg und
Zeit
Beschleunigungswerte verschiedener
Fahrmanöver
nander verglichen um allfällige Zusammenhänge feststellen zu können und die Plausibilität zu prüfen.
Die Aufbaufederraten der einzelnen
Fahrzeuge wurden in der üblichen
Darstellung der Federkennlinien in
einem Kraft-Weg -Diagramm dargestellt. Die von uns gemessenen
Punkte wurden durch eine Trendlinie
der dazugehörenden Federkennlinie
angenähert. Zudem wurde die vom
Kurvenstabilisator
beeinflusste,
wechselseitige Federkennlinie im
gleichen Diagramm darüber gelegt
und verglichen. Am Schluss wurden
auch bei der Aufbaufederratenmessungen die verschiedenen Kennlinien der Fahrzeuge miteinander verglichen.
Manuel Bloch
Roland Staudenmann
Aufbaufederkennlinie
ti.bfh.ch
73
BI BE BU VA
Charakterisierung von Elektro- & Hybridfahrzeugen
Fahrzeugmechanik / Betreuer: Prof. Bernhard Gerster, Werner Krähenbühl, Pascal Mäder, Christian
Schürch
Experten: Bruno Jäger, Fabrice Marcacci
Am 1. Mai 2012 trat das revidierte CO2-Gesetz in der Schweiz in Kraft. Um die Zielwerte für Pkw’s zu erreichen, werden die Fahrzeughersteller unter Zugzwang gestellt, wodurch ein deutlich erhöhter Anstieg des
Absatzes von Elektro- und Hybridfahrzeugen erwartet wird. Verbunden damit steigt das Risiko, dass solche
Fahrzeuge in Verkehrsunfälle involviert werden. Für die forensische Unfallanalyse wurde deshalb das Massenträgheitsmoment und die Position des Schwerpunktes mittels Messungen an ausgewählten Fahrzeugen
bestimmt. Dies zur Nutzung im Einzelfall oder zum Abgleich von Kennzahlen.
André Burkhard
Fahrzeugkollektiv
In der ersten Phase der Bachelorarbeit wurde ein Kollektiv mit
Fahrzeugen von Grossserienherstellern zusammengestellt. Zu
beachten ist, dass die Fahrzeuge
anhand der Verfügbarkeit und den
Dimensionsanforderungen durch
die Massenträgheitswippe ausgewählt wurden.
die Periodendauer dieser Schwingungen. Bei Kenntnis der Schwerpunkhöhe und der Masse des
Fahrzeuges, lässt sich schlussendlich das Massenträgheitsmoment berechnen.
Vorgehensweise
Im Rahmen dieser Bachelorarbeit
wurde der Fokus auf die Charakterisierung von Elektro- und Hyb-
ridfahrzeugen hinsichtlich des
Massenträgheitsmomentes sowie
der Schwerpunktslage gelegt. In
der parallel laufenden Bachelorarbeit von Herrn Bloch und Herrn
Staudenmann werden zusätzlich
die Aufbaufederrate sowie das
Beschleunigungs- und Verzögerungsverhalten der Fahrzeuge
bestimmt.
Die Position des Fahrzeugschwerpunktes wurde mittels Radlastwaagen gemessen und berechnet. Steht das Fahrzeug horizontal,
kann die Schwerpunktslage in xund y-Richtung bestimmt werden.
Hebt man hingegen eine Achse
um einen bestimmten Winkel an,
ergibt sich eine Achslastverlagerung, aus welcher die Schwerpunkhöhe bestimmt werden kann.
Das Massenträgheitsmoment in
der z-Achse wurde mit Hilfe des
Drillpendels ermittelt. Das Moment
um die x- und y-Achse wurde hingegen nach dem Prinzip des physikalischen Pendels errechnet.
Dazu wird das Fahrzeug auf einer
Wippe positioniert und in Schwingung gebracht. Gemessen wird
Messung der Massenträgheiten
mithilfe einer Wippe
Ermittlung der Schwerpunktshöhe
Schwerpunktlage des Fahrzeugkollektiv
Hybridfahrzeugen:
– H1 Toyota Prius 3
– H2 Lexus RX 450h
– H3 Lexus GS 450h
– H4 Honda Jazz Hybrid
– H5 Honda Insight Hybrid
– H6 Honda CR-Z Hybrid
Oliver Heiniger
[email protected]
74
Elektrofahrzeuge:
– E1 Peugeot iOn
– E2 Nissan Leaf
– E3 Opel Ampera
– E4 Renault Fluence Z.E.
– E5 Renault Kangoo Z.E.
ti.bfh.ch
Resultate
Als Resultate erhielten wir Werte
für das Massenträgheitsmoment
sowie die Position des Schwerpunktes für das leere Fahrzeug.
Dies entspricht jedoch nicht der
Realität, da der Fahrer, Passagiere
und zusätzliche Zuladungen einen
wesentlichen Einfluss auf die Ergebnisse haben. Aus diesem
Grund wurden zwei zusätzliche
Beladungszustände bestimmt.
Zum einen die Situation indem das
Leerfahrzeug nur mit dem Fahrer
belastet wird und zum anderen der
Zustand wo das Fahrzeug mit zulässigem Gesamtgewicht unterwegs ist. Weiter wurden die Resultate
mit
Ergebnissen
von
Näherungsformeln sowie Berechnungsprogrammen abgeglichen.
BI BE BU VA
REX für e-Smart eingebaut in einem clevertrailer
Verbrennungsmotoren / Betreuer: Prof. Kurt Hug, Prof. Dr. Jan Czerwinski
Projektpartner: clevertrailer, Lyss
Ein Range Extender, kurz REX, erlaubt es Besitzern eines Elektrofahrzeuges, die eher bescheidene Reichweite ihres Fahrzeuges erheblich zu vergrössern. Dabei wird wie bei einem konventionellen Verbrennungsmotor herkömmlicher Kraftstoff verbrannt. Jedoch wird die Energie von der Antriebswelle nicht auf die
Räder eines Fahrzeugs geleitet, sondern auf einen Generator, welcher die elektrische Energie bereit stellt.
So ein Range Extender soll nun erstmals in einem Anhänger der Firma clevertrailer Platz finden.
Problemstellung
Beim Fahrzeugkauf spielen heutzutage ökologische Aspekte eine immer
wichtigere Rolle, wodurch der Anteil
an Elektrofahrzeugen stetig zunimmt.
Jedoch haben diese Fahrzeuge einen
erheblichen Nachteil gegenüber konventionell angetriebenen, nämlich die
Reichweite. Während ein Dieselfahrzeug mit einer Tankfüllung bis zu
1000 Kilometer zurück legen kann,
sind es bei den Spitzenreitern unter
den Elektrofahrzeugen gerademal an
die 200 – 300 Kilometer.
Die Firma clevertrailer aus Lyss, welche Kompaktanhänger für den Smart
herstellt, möchte nun in ihren Anhänger einen Range Extender einbauen,
welcher in Kombination mit dem neuen e-Smart zum Einsatz kommen
soll.
Das Konzept
Das Konzept sieht vor, dass der Lenker mit seinem e-Smart aus seiner
Stadt hinaus fährt, wo er den clever-
trailer auf einem definierten Sammelplatz ankoppelt. Die Distanz auf der
Autobahn zur nächsten Stadt wird
dann mit elektrischer Energie aus
dem Anhänger überbrückt. Kurz vor
dem Ziel wird der Anhänger wieder
auf einem Sammelplatz abgestellt
und die restliche urbane Strecke rein
elektrisch bewältigt.
Ziel
Ziel war es, ein Funktionsmodell eines Range Extenders zu entwickeln
und aufzubauen, welches in einem
clevertrailer Platz finden soll. Dabei
sollte auf bereits vorbestimmte Komponenten zurückgegriffen werden.
Vorgehen
Alle wesentlichen Bauteile werden
auf einem Grundrahmen aus Stahl
angeordnet. Somit kann eine allfällige
Serienproduktion vereinfacht werden, weil die ganze Baugruppe als
Modul in den Anhänger eingebaut
werden kann.
Verbaut wurde ein Einzylindermotor
(26kW@7250 1/min) der Firma swissauto Wenko AG. Für die Umwandlung der mechanischen Energie
in elek trische wurde ein Generator
(25kW@8000 1/min) der Firma Brusa
verwendet.
Ein zentrales Problem bei dieser Anwendung ist, dass der Verbrennungsmotor in einem geschlossenen Umfeld betrieben wird. Deshalb ist ein
gutes Konzept für die Luftzufuhr im
Anhänger, als auch für die Kühlung
der Aggregate, von denen jedes seinen eigenen Kühlkreislauf hat, wichtig. Wegen des fehlenden Fahrtwindes im Anhänger ist es nötig, diesen
mit Hilfe von Lüftern künstlich zu erzeugen. Aufgrund der Berechnungen
konnten die richtigen Ventilatoren
ausgewählt werden, die einen ausreichenden Luftdurchsatz (1970 m3/h
pro Ventilator) gewährleisten.
Peter Csaszar
Christoph Koch
Ergebnis
Es entstand eine kompakte Einheit
mit einer Masse von 210 kg. Damit
liegt das Modul innerhalb der Nutzlast des clevertrailers. Es mussten
keine störenden Eingriffe an der Karosserie des Anhängers, die stilistisch
dem Smart angepasst ist, vorgenommen werden.
Der Gesamtwirkungsgrad des Range
Extenders im clevertrailer (Treibstoff
zu Fahrzeugbatterie) beträgt dabei
über 32%, was einem sehr guten
Wert für eine Anwendung mit Verbrennungsmotor entspricht.
Range Extender Modul auf clevertrailer
ti.bfh.ch
75
BI BE BU VA
Aktive DPF-Regenerationshilfen
Verbrennungsmotoren / Betreuer: Prof. Dr. Jan Czerwinski
In dieser Bachelor Thesis werden zwei unterschiedliche Konzepte der aktiven DPF-Regeneration untersucht.
In einem ersten Teil werden die light-off-Temperaturen der verschiedenen Abgasbestandteile aufgrund der
Temperatur im vorangeschaltetem Dieseloxidationskatalysator (DOC), ohne DPF und mit verschiedenen
Kraftstoffen, untersucht. Die Erhöhung der Temperatur erfolgt je nach Konzept mit einer Kraftstoffeinspritzung in den Abgasstrang oder mit einem Stillstandbrenner, welcher sich unmittelbar vor dem DOC befindet.
Thomas Ebnöther
Andreas Ramseier
[email protected]
76
Aktive Regeneration
Das während dem Betrieb des
Dieselmotors emittierte Abgas
wird durch einen Dieselpartikelfilter (DPF) geleitet und gereinigt.
Die Russ-Partikel verbleiben im
Filter und setzen ihn langsam zu,
was sich durch eine Erhöhung des
Gegendruckes ermitteln lässt. Ist
der maximale Gegendruck in höhe
von ca. 150mbar erreicht, wird ein
Freibrennen der Partikel, eine Regeneration, erforderlich. Um eine
vollständige Regeneration gewährleisten zu können, müssen im
Partikelfilter Temperaturen zwischen 500–600 °C erreicht werden. Dies entspricht der Partikelabbrenntemperatur. Läuft ein
Motor lange Zeit unter geringen
Belastungen, kann dieser die benötigte Abgastemperatur nicht
erreichen. Dadurch wird eine aktive DPF-Regeneration erforderlich,
die während einer kurzen Zeit
ti.bfh.ch
Wärmeenergie in das Abgas einbringt. In unserer Thesis untersuchten wir zwei unterschiedliche
Produkte der Firma HUSS.
Ein Konzept verfährt mit einer
nachmotorischen Kraftstoffeinspritzung direkt in den Abgasstrang. Dieser eingespritzte Kraftstoff verbrennt vollständig am
Dieseloxidationskatalysator (DOC).
Das zweite System besitzt einen
Stillstandbrenner, welcher bei
ausgeschaltetem Motor mittels
selbsterzeugter Flamme eine genügend hohe Temperatur im DPF
generiert.
Soot-loading
Bisher wurde an der Berner Fachhochschule zur Beurteilung der
Filterbeladung lediglich der Gegendruck p7 betrachtet. Erstmals
wurden nun mittels Messungen
der DPF-Masse unter Verwendung
einer hochpräzisen Waage in Ab-
hängigkeit der Temperatur Rückschlüsse über den Beladungszustand des DPFs gezogen. Diese
Methode birgt weniger Anfälligkeiten, da die Partikelmasse lediglich
von der Temperatur beeinflusst
wird. Das unten stehende Diagramm zeigt, dass unter Verwendung von BioFuels (hier B17), im
Gegensatz zu B0, die Beladungszeit deutlich länger ausfällt. Dies
rührt unter anderem daher, dass
der Motor unter Verwendung von
BioFuels weniger Partikel emittiert
und die Abgaskomponenten eine
höhere Reaktionsfähigkeit besitzen. Dadurch wird ein Teil der Partikel bereits bei tieferen Temperaturen passiv regeneriert.
BI BE BU VA
Opération moteur avec SCR / Motorbetrieb mit SCR
Moteurs à combustion / Verbrennungsmotoren / Directeur de thèse: Dr. Jan Czerwinski, Yan Zimmerli
Experts: Marc Werner, Alfred Leuenberger
En réponse aux normes toujours plus exigeantes régissant les émissions de polluants des véhicules équipés
de moteurs à combustion, des solutions efficaces permettant de respecter les valeurs limites, tout en garantissant un fonctionnement optimal et une puissance élevée du moteur ont été développées. Le système
SCR en est un bon exemple. Ce travail consiste à analyser le fonctionnement et le potentiel d’amélioration
de différents systèmes SCR destinés à être montés ultérieurement sur des véhicules diesel non équipés de
cette technologie au moment de leur commercialisation.
Emissions d’oxydes d’azote
Les oxydes d’azote, substances
toxiques déjà en faible concentration, sont produits par le moteur
lors d’un fonctionnement avec une
haute température dans la
chambre de combustion. Concernées déjà par les premières
normes antipollution appliquées
aux véhicules au début des années 1990, les quantités maximales d’oxydes d’azote produites
par les moteurs à combustion ont
été progressivement amenées à
des valeurs très faibles. Si le catalyseur trois voies permet de réduire ces oxydes d’azotes sur le
moteur essence, le fonctionnement avec un mélange pauvre
empêche l’utilisation de celui-ci
sur le moteur diesel.
Système SCR
Le système SCR, de l’anglais selective catalytic reduction, est un
procédé permettant de diminuer
de manière efficace les émissions
d’oxydes d’azote. Grâce à l’introduction d’un agent réducteur dans
le flux des gaz d’échappement, en
amont d’un catalyseur SCR, les
oxydes d’azotes sont convertis en
azote et en eau, deux composants
présents naturellement dans l’air.
Mesures effectuées
Durant notre travail, nous avons
testé ces systèmes SCR avec un
moteur Iveco de 3 litres de cylindrée. Parce que ces différents
systèmes SCR peuvent être utilisés dans des conditions très variées, des données ont été récol
tées en imposant au moteur un
fonctionnement stationnaire ou
dynamique. Certaines mesures
ont été répétées, afin de nous
assurer que, sous les mêmes
conditions de fonctionnement, le
système présente un comportement répétitif.
Olivier Fragnière
Résultats
Parce qu’il a intégré de nombreux
aspects liés au système SCR, ce
travail a apporté de nombreux éléments de réponse à des questions
restées ouvertes par le passé.
Dans nos réflexions, nous avons
également soulevé quelques
points intéressants qui ouvrent la
porte à de nombreuses possibilités de mesures.
[email protected]
Timotheus von Däniken
[email protected]
Conversion des NOx pendant le test 4PTS
Banc d’essai avec le moteur Iveco F1C
et le système de dépollution HJS
ti.bfh.ch
77
BI BE BU VA
Faux-châssis de camion
Conception de véhicules / Directeurs de thèse: Prof. Sebastian Tobler, Prof. Heinrich Schwarzenbach
Experts: Pierluigi De Silvestro, Fabrice Marcacci
Partenaires du projet: Zbinden-Posieux SA, Posieux
Il existe plusieurs façons de concevoir un faux châssis de camion, que ce soit au niveau du type d’assemblage ou des profils utilisés pour concevoir les divers éléments. Cela dépend beaucoup de la structure qui
doit équiper le véhicule. Pour ce travail de Bachelor, le but était de rechercher les profils utilisés, que ce soit
pour les longerons ou les traverses ainsi que les différents moyens de les assembler entre eux pour pouvoir
les comparer. En plus de cela, un modèle réduit représentatif de tout ce qui se fait a été réalisé, ainsi qu’une
brochure résumant les comparatifs.
Sébastien Golay
Choix des profils
En premier lieu, il a fallu faire une
recherche afin de rédiger une liste
des profils existants pour les longerons, les traverses centrales et les
traverses extérieures, ainsi que
pour les différents assemblages.
L’éventail des possibilités étant très
grand, seul profils et les assemblages les plus courants ont été
étudiés. En plus de cela, divers systèmes de fixations rigides qui sont
souvent utilisées ont été analysés.
Comparaison
Les différents éléments ont été
comparés selon plusieurs points,
à savoir la résistance mécanique,
le poids, le prix et la complexité de
l’assemblage.
Afin d’évaluer la résistance mécanique de tous ces éléments, des
Modèle réduit
78
ti.bfh.ch
simulations ont été réalisées à
l’aide d’un programme de CAO. Il
a fallu dans un premier temps
définir des cas de charges simulant les sollicitations que peut
subir le faux châssis, c’est-à-dire
de la flexion et de la torsion. Pour
chaque cas, la contrainte et la
déformation ont été comparées.
Le poids a été déterminé à l’aide
de la CAO et le prix a été calculé
en tenant compte de la quantité de
matière nécessaire, du nombre de
plis à réaliser, du nombre de vis et
de la longueur des soudures. Pour
la comparaison des assemblages,
les plis, les vis et les soudures ont
été évalués.
Modèle réduit
Pour réaliser le modèle réduit, les
éléments plus représentatifs de ce
qui se fait en matière de faux châssis ont été choisis parmi ceux qui
ont été traités. Un modèle en 3d a
ensuite été créé, en y ajoutant des
longerons pour que le modèle
puisse être posé à plat. L’assemblage des deux a été fait au moyen
de différentes fixations rigides et
souples.
Conclusion
Il est difficile de définir un faux
châssis idéal. C’est principalement une question de compromis
entre la résistance mécanique, le
poids et le prix. Le choix du type
de construction doit surtout se
faire en fonction de l’utilisation et
de la structure qui sera installée
sur le camion.
BI BE BU VA
Adaptative Geometry
Technique Automobile / Directeur de thèse: Prof. Jean-François Urwyler
Experts: Joël Nicklaus, Rolf Ulmann
Ce mémoire de Bachelor offre un concept de géométrie variable qui s’adapte automatiquement aux variations de la route. L’étude propose un modèle universel qui a la possibilité de s’adapter sur tout type de
véhicules équipés d’une suspension de type McPherson. Un essieu avant qui s’adapte aux variations de la
route permet de garantir un comportement du véhicule aussi confortable que sportif tout en diminuant la
consommation en carburant.
Buts:
Dans un premier temps, ce mémoire s’occupe d’une étude théorique approfondie de tous les domaines touchant à la géométrie de
suspension: la trigonométrie, la
dynamique du véhicule ainsi que
la mécatronique sont les bases de
ce travail.
Dans un second temps, l’étude est
mise en pratique par la réalisation
d’un prototype didactique permettant de visualiser le comportement
de la géométrie en fonction de la
dynamique du véhicule.
Déroulement:
Les facteurs dominants qui influencent les angles de géométrie
ont été déterminés de façon précise et sûre. Les conclusions et les
formules déduites ont été créées
afin de permettre une application
du concept à de multiples véhicules. En effet, chaque paramètre
Concept en CAD
sélectionné dépend avant tout de
la configuration du véhicule luimême que ce soit sa masse, la
position de son centre de gravité
ou encore la construction même
de ses essieux.
Le model proposé est donc aisément applicable à une production
à grande échelle tout en étant
adapté à la configuration unique
au véhicule.
Le prototype final démontre que
les moyens financiers nécessaires
à la mise en place d’un résultat
concret sont relativement faibles.
Il illustre aussi le nouveau comportement de la dynamique du véhicule par la présentation d’un modèle démontrant la validité du
système.
Résultats:
La gestion des moteurs pas à pas
permet un contrôle précis des
angles de géométrie grâce à un
fonctionnement en boucle fermée.
La vérification en permanence par
microcontrôleur de la corrélation
des angles entre la réalité et l’analyse mathématique permet au
concept d’être sûr en toutes circonstances.
Le concept touchant à la suspension du véhicule, il démontre que
les normes de sécurités sont respectées en tout temps, de par la
détermination du système mécatronique choisi.
D’une manière plus générale,
l’analyse des coûts et le bilan total
étudiés affirment que le concept
justifie tout à fait sa présence dans
le monde automobile actuel. En
effet, le faible investissement financier qu’il demande comparé à
l’économie de carburant et de tenue de route qu’il promet, font de
ce système une innovation tout à
fait défendable.
Romain Gueninchault
Glen Romagnoli
[email protected]
Besoin en angle de carrossage
ti.bfh.ch
79
BI BE BU VA
REX pour une voiture de puissance neutre en CO2
Technique Automobile / Directeur de thèse: Prof. Kurt Hug, Andreas Meier
Experts: Philippe Burri, Carlo Bosio
Pour augmenter l’autonomie d’un véhicule électrique, l’installation d’un petit moteur à explosion permet
d’augmenter l’autonomie du véhicule en rechargeant les batteries. Pour être le plus propre possible pour
l’environnement, le moteur à essence est converti à l’éthanol. Pour permettre ce changement, plusieurs
modifications sont nécessaires. Ces changements ont lieu tant sur l’aspect mécanique que sur l’aspect de
la gestion du moteur.
Bastien Haller
[email protected]
Alexander Mussitelli
alexander.mussitelli
@gmail.com
80
Projet
Dans le cadre du projet Suncar,
l’ETHZ a conçu une voiture électrique solaire pour participer à la
WAVE-Race course reliant Rome à
Copenhague. Mais la capacité électrique des batteries ne permet pas
d’effectuer les 1000 km demandés.
Donc afin de palier ce manque, un
REX (Range Extender) a été développé. La voiture devant être la plus
propre possible, le moteur équipant
le REX a dû être converti à l’E85
(85% d’éthanol et 15% d’essence
sans plomb) afin de réduire les
émissions polluantes. C’est là-dessus que se porte notre projet.
moteur à l’aide d’un boîtier trijekt de
l’entreprise du même nom pour en
premier lieu le faire fonctionner avec
de l’essence (SP95). À partir de ce
point, la conversion a pu commencer
avec le remplacement de la bougie
(passage à une bougie plus froide
permettant une meilleure évacuation
de la chaleur), l’augmentation du
temps d’injection (environ 20%) et
l’augmentation de l’angle d’avance à
l’allumage (env. 4°). Une partie théorique nous permettant de connaître
les différences entre les deux carburants et les modifications à apporter
pour la conversion avait été effectuée
lors de notre projet de semestre.
Conversion
Afin de pouvoir convertir le moteur
250 cm3 de la maison Swissauto
Wenko AG, nous l’avons tout d’abord
monté sur un banc d’essai avec le
générateur qui l’accompagne dans le
montage du REX. Notre première
tâche a été le montage des éléments
d’alimentations et de gestions du
moteur. Il nous a fallu paramétrer le
Résultats
Nous avons été globalement satisfait du fonctionnement du moteur
tant avec l’essence qu’avec l ’E85.
Une fois le réglage des paramètres
moteur optimisés, des mesures de
pollution ont été effectuées pour
connaître les différences entre le
sans plomb 95 et l’E85 en fonctionnement avec ce moteur. Les valeurs
À gauche: moteur SwissAuto 250
(26 kW@5000 min -1);
À droite: générateur Brusa
(25 kW@8000 min -1)
n = régime
d = angle de papillon
ti.bfh.ch
Cartographie d’injection pour l’E85
de gaz nocifs sont plus basses pour
l’E85. En ce qui concerne le CO2, sa
valeur est plus élevée lors du test
antipollution, que la valeur de l’essence. En revanche, le faible taux
émis lors de la production de l’éthanol (jusqu’à moins –80% selon la
matière première) fait que l’éthanol
produit au final moins de CO2 que
l’essence.
Pour compléter notre analyse, nous
avons également fait des tests
d’émissions sonores avec pour résultats une émission plus forte
d’environ 2 dB(A) avec le SP95 (92.9
dB(A) contre 91 dB(A)).
*variable selon la matière première
utilisée pour produire de léthanol
BI BE BU VA
Prüfstand für Drehgestelle des Fahrzeugtyps Am 843
Mechatronik / Betreuer: Prof. Jean-François Urwyler
Experten: Ralf Ulmann, Jöel Niklaus
Projektpartner: SBB Industriewerk, Biel
Im Rahmen dieser Arbeit wurde für das SBB Industriewerk Biel einen Prüfstand für Drehgestelle des Fahrzeugtyps Am 843 entwickelt.
Der Kundenwunsch war dabei die Funktionsprüfung von verschiedenen pneumatischen und elektrischen
Komponenten, d.h. Sander, Sanderheizung, Spurkranzschmierung, Bremsfederspeicher und Bremsen, direkt
am Drehgestell bei der Aufarbeitung zu testen. Diese wurden bisher erst bei der Inbetriebsetzung und unter
der Lokomotive durchgeführt, was erhebliche Verzögerungen im Ausgang und bei der Terminhaltung brachte.
Bei Realisierung der Arbeit wurde
einen Prüfwagen mit verschiedenen Adapter und Anschlüsse für
die Funktionsprüfung der verschiedenen Komponenten modular aufgebaut, der aus drei Hauptmodulen besteht:
a) Elektrisches Modul
b) Pneumatisches Modul
c) Visuelles Modul
Das elektrische Modul besteht aus
(1) einer SPS-Steuerung von Siemens, (2) einem Analogen Signalmodul, das die Signale der Drucksensoren für die Bremsen erfasst,
sowie (3) einem zusätzlichen Signalmodul mit mehreren Digitalen
Ausgängen für die Steuerung der
verschiedenen Magnetventilen,
Relais und Signalleuchten. Um die
Strombilanz auszugleichen, wurde
noch zusätzlich eine Gleichstromversorgung von 24 Ampere eingebaut.
Die ganze Anlage wurde mit mehreren Sicherungen, einem Leitungsschutzschalter, sowie einem
NOT-AUS Taster gesichert. Da die
Magnetspulen der Magnetventilen
und der Relais hohe Induktionsspannungen erzeugen, musste
noch die Steuerung durch Freilauf-Dioden gesichert werden.
Die Komponenten wurden in einem verschliessbaren Blechschrank eingebaut und auf speziellen Hutschienen montiert. Die
Verkabelung wurde mit verschiedenen Farben gekennzeichnet
nach Strombedarf dimensioniert
und in Verdrahtungskanäle versteckt.
Das pneumatische Modul enthält
eine Druckluftkupplung, einen
Luftfilter, ein Handabsperrventil
mit Entlüftung, einen Ventilblock
mit mehreren elektromagnetischen Ventilen, sowie mehrere
Druckregler und Manometer für
die verschiedenen Komponenten.
Diese werden durch Schläuche
und verschiedene Anschlüsse auf
der anderen Seite der Platte direkt
am Drehgestell verbunden. Für die
Bremsen wurden noch zusätzlich
zwei Drucksensoren für eine
Dichtheitsprüfung,
sowie
je
ein Drosselrückschlagventil für ein
sanftes Einfahren des Bremszylinders gebaut.
Das visuelle Modul besteht aus
einem Touchscreen, welcher mit
der Steuerung via Ethernet verbunden ist. Dadurch werden die
verschiedenen Prüfverfahren gewählt und an die Steuerung weitergeleitet. Zusätzlich verfügt die
Anlage über Signalleuchten (rot
und grün), welche den Zustand
der Funktionsprüfungen signalisieren.
Die SPS-Steuerung bzw. der
Touchscreen wurden durch das
Programm ‘Step-7’ in mehreren
Funktionsbausteinen programmiert, was eine benutzerfreundliche Bedienung ermöglicht.
Prüfstand Am 843
Blechschrank
Touchscreen
ti.bfh.ch
Stephan Heshusius
s_ [email protected]
81
BI BE BU VA
Leichtes 3-Rad-Neigefahrzeug
Fahrzeugbau / Betreuer: Prof. Sebastian Tobler, Prof. Heinrich Schwarzenbach
Experten: Fabrice Marcacci, Pierluigi De Silvestro
Die Wichtigkeit der 3-Radfahrzeuge hat in der heutigen Zeit markant zugenommen. Nicht nur wegen der
verringerten Reibverluste im Vergleich zu vierrädrigen Fahrzeugen, sondern auch wegen den immer enger
werdenden Platzverhältnissen in den Städten. Leider weisen die 3-Radfahrzeuge eine reduzierte Kurvenstabilität auf. Aus diesem Grunde wurde an der Berner Fachhochschule für Technik und Informatik (BFH-TI)
im Rahmen dieser Bachelorarbeit ein Prototyp eines solchen Neigefahrzeuges entwickelt.
Marco Jordi
[email protected]
Silvan Rindisbacher
silvan.rindisbacher
@bluewin.ch
Ausgangslage
Bis zum heutigen Tage haben nur
wenige Menschen in unserem
Umfeld ein Neigefahrzeug durch
die Schweizer Strassen gelenkt.
Dementsprechend sind Fahrgefühl sowie Fahrdynamik eines solchen Fahrzeuges gänzlich unbekannt. Daher soll in absehbarer
Zeit ein Prototyp eines solchen
3-Rad-Neigefahrzeuges an der
Berner Fachhochschule gebaut
werden. Der Prototyp dient als Basis für die Erprobung verschiedener Neigesysteme und wird somit
modular aufgebaut sein. Schliesslich soll ein vollständiges und
durchdachtes Konzept des Prototyps vorliegen. Die Bachelorarbeit
soll zudem komplette Konstruktionszeichnungen beinhalten, so
dass einem Bau des Fahrzeuges
nichts mehr im Wege steht. Das
Fahrzeug soll dabei innovativ, umweltfreundlich und zukunftsorientiert sein.
Entwicklung
Bei der Entwicklung des 3-RadNeigefahrzeugs galt es den Spagat zwischen einem Einspur- und
einem Zweispurfahrzeug zu schaffen. So vereint die entstandene
Konstruktion die Sicherheit eines
Automobils und die Agilität eines
Motorrades. Dies wurde erreicht,
indem eine aufwendige Vorderachse entwickelt wurde. Sie ermöglicht in der Kurve das Neigen
und stabilisiert dadurch das ge-
82
ti.bfh.ch
samte Fahrzeug. Der ausschliesslich aus Aluminium gefertigte
Fahrzeugrahmen, wurde schliesslich vollständig mittels FEM-Analysen auf die Materialbeanspruchung überprüft. Die kinematische
und dynamische Machbarkeit
stützt sich auf Kollisions- (UG
NX7.5 Motion) und Fahrsituationsanalysen (IPG CarMaker) ab. Um
der Nachhaltigkeit Tribut zu zollen,
wurde ein Elektroantrieb ausgewählt, welcher durch Lithium-Polymer-Akkus gespeist wird.
Ergebnisse
Das Resultat dieser Arbeit ist eine
komplette Konstruktion mit Fertigungszeichnungen, welche es ermöglichen, das Fahrzeug zu bauen. Durch umfassende Analysen
wurde sichergestellt, dass einer
Inbetriebnahme nichts im Wege
steht und somit das Fahrverhalten von Neigemechanismen
erprobt und verfeinert werden
kann. Der modulare Aufbau des
Fahrzeuges gestattet es zudem,
die Fahrerkabine als Plattform zu
nutzen, welche modifizierte Vorder- und Hinterachsen aufnehmen
kann. Letztendlich verbindet das
3-Rad-Neigefahrzeug Leichtbau
mit hoher Festigkeit. Die einfache,
aber effektive Konstruktion besteht dabei aus hochwertigem
Aluminium und auserlesenen
Komponenten. Dank den kleinen
Fahrzeugabmessungen ist es zudem möglich, dass drei dieser
Fahrzeuge auf lediglich einem
Parkfeld abgestellt werden können. Die innovative und nachhaltige Kombination von elektrischem
Antrieb, Neigetechnik und geringem Gewicht verbindet somit grossen Fahrspass mit geringer Umweltbelastung.
BI BE BU VA
Autonomer Kleintraktor für Precision Farming
Fahrzeugelektrik und -elektronik / Betreuer: Prof. Kurt Hug
Experten: Carlo Bosia, Philippe Burri
Projektpartner: Hochschule für Agrar-, Forst- und Lebensmittelwissenschaften, Zollikofen
Die Topographie der Schweiz schränkt die effiziente Nutzung von grossen Landmaschinen empfindlich ein.
Für das steile Gelände in Berggebieten sind viele bestehende Geräte gar ungeeignet. Darum gab die Hochschule für Agrar-, Forst- und Lebensmittelwissenschaften die Konzeptstudie Kleintraktor in Auftrag. Die
Bachelor Thesis erbringt mittels Simulation den Machbarkeitsnachweis des Kleintraktors bezüglich Fahreigenschaften in Geradeausfahrt.
Kleintraktor
Der Kleintraktor arbeitet unbemannt und zählt daher zu der Kategorie der Autonomous Agricultural Vehicle (AAV). Seine Breite
beträgt ein Meter und seine Masse
beläuft sich auf rund 500 kg. Zwei
Elektromotoren mit jeweils 6 kW
Nominalleistung treiben den Traktor
an. Sie ermöglichen die Verwendung von lokalen Regenerativenergien und ihr leiser Betrieb erlaubt
Nachteinsätze. Zwei Gummiraupen
stellen den Kontakt zum Boden her.
Sie verschaffen dem Kleintraktor
enorme Steigfähigkeit und helfen
mit, unproduktive Wendezeiten zu
verkürzen. Der Kleintraktor kann
zehn verschiedene Werkzeuge zum
Bearbeiten des Bodens und der
domestizierten Pflanzen aufnehmen. Er agiert dazu GPS-gesteuert
nach dem Prinzip der teilflächenspezifischen Bewirtschaftung (Precision Farm ing).
Simulation
Das verwendete Programm SimulationX ist eine branchenübergreifende Software der ITI GmbH
Dresden zum Modellieren, Simulieren und Analysieren von physikalischen Effekten.
Der Kleintraktor wird mittels einer
Modellstruktur auf SimulationX
ausgelegt und geprüft. Dort
durchfährt er auf unterschiedlichen Böden mehrere Teststrecken
mit verschiedenen Gefällen und
Schräglagen. Der Fahrwiderstand,
welcher die Direktsaat-Säschare
der Kleintraktor-Bewegung entgegensetzt, ist in Abhängigkeit der
Fahrgeschwindigkeit hinterlegt.
Die Offroad-Fahrwiderstände beziehen sich auf die Bodenphysik
und liegen für drei einheimische
Böden vor.
Eine zusätzliche Kleintraktor-Modellstruktur mit Rädern gestattet,
den Raupenantrieb mit dem Rad-
antrieb zu vergleichen. Je nach
Untergrund vermag das Raupenfahrwerk doppelt so steil zu steigen wie das Radfahrwerk. Der
Raupentraktor braucht für denselben Parcours auf dem feuchtesten
der vorliegenden Böden bis zu
einem Viertel weniger Energie als
der Radtraktor.
Die Ergebnisse der Traktorfahrten
werden in Diagrammen gezeigt
und mit Animationsfilmen veranschaulicht. Dazu liegen über die
STL-Schnittstelle CAD-Entwürfe
vor.
ti.bfh.ch
Simeon Krummenacher
83
BI BE BU VA
Mechatronische Autogetriebekupplung
Fahrzeugmechatronik / Betreuer: Prof. Jean-François Urwyler
Experten: Jöel Niklaus, Ralf Ulmann
Im heutigen Zeitalter der Automobiltechnik ist das Zusammenspiel von Elektronik, Informatik und Mechanik
nicht mehr wegzudenken. Die Kombination dieser drei Fachgebiete eröffnet das relativ junge Gebiet der
Mechatronik. Im Bereich der Automobiltechnik wird die Mechatronik unter anderem eingesetzt um Schaltvorgänge schneller und bequemer auszuführen. Die ersten elektromechanischen Kupplungssysteme, bei
denen die Gänge noch manuell gewechselt wurden, waren bereits ein grosser Schritt Richtung neuem
Fahrkomfort. Heute jedoch setzen vollautomatische Schaltgetriebe neue Massstäbe.
Nicolas Lebert
Peter Schilliger
84
Ziel
Das Ziel der Arbeit war es, ein
Funktionsmodell einer mechatronischen Betätigung einer Autogetriebekupplung zu entwickeln.
Dazu sollen bereits bestehende
Kupplungssysteme studiert und
verstanden werden. Die daraus
erhaltenen Erkenntnisse sollen in
die Entwicklung des Kupplungssystems mit einfliessen. Das entwickelte Funktionsmodell soll als
Demonstrationsobjekt dienen und
als Grundlage für weitere Projektarbeiten zur Verfügung stehen.
Vorgehen
Bereits im Vorfeld zur Bachelor
Thesis wurde ein Getriebe inkl.
Kupplung organisiert um darauf
aufbauend einen mechatronischen Kupplungsaktuator zu entwickeln.
Nachdem die Recherchen über
bestehende Modelle getätigt waren, wurden in einem weiteren
Schritt verschiedene Möglichkeiten betreffend der Sensorik,
Steuerung/Regelung, Kupplungsbetätigung und Übertragung erarbeitet. Aus den verschiedenen
Lösungsansätzen wurden drei
verschiedene Varianten ausgewertet. Auf der Entscheidungsgrundlage des Paarvergleichs erfolgte die weitere Ausarbeitung
einer Lösungsvariante. Dazu gehörte das Konstruieren der mechanischen Bauteile ebenso wie
die Entwicklung der elektroni-
ti.bfh.ch
schen Komponenten und das Programmieren des μ-Kontrollers.
Resultate
Um Wärmeausdehnung und Verschleiss automatisch ausgleichen
zu können, wird eine hydraulische
Betätigung verwendet. Es zeigte
sich, dass bei einem sehr dynamischen Aktuator die Druckverluste
in der hydraulischen Leitung unbedingt beachtet werden müssen.
Die Ansteuerung der Hydraulik erfolgt über eine Kurbel mit Pleuel.
Dadurch können entscheidende
Vorteile für die Beschleunigungsphase des Aktuators erzielt werden.
Der verwendete DC-Motor wird
mit einer Maxon Motorsteuerung
angesteuert. Diese Motorsteuerung erhält ihre Befehle von einem
Funktionsmodell
Blockschaltbild der Steuerung
Olimex μ-Kontroller, welcher das
ganze System steuert und regelt.
Wegen zu langer Lieferfristen
konnte das System nicht mit dem
gewünschten Motor aufgebaut
werden. Dies hatte zur Folge, dass
die erforderliche Dynamik nicht
erreicht werden konnte. Trotzdem
konnte ein Funktionsmodell entwickelt werden, welches als gute
Grundlage für weitere Projekte
dienen wird.
BI BE BU VA
Old-Style Rahmen für ein BMW Boxer Motorrad
Fahrzeugbau / Betreuer: Prof. Sebastian Tobler, Prof. Heinrich Schwarzenbach
Experten: Pierluigi De Silvestro Pierluigi, Fabrice Marcacci
Motorräder im Old-Style Design finden zurzeit grossen Anklang auf dem häufig durch moderne Formen
gekennzeichneten Fahrzeugmarkt. Viele Motorradhersteller haben dieses Potenzial erkannt und richten sich
mit Retro-Konzepten danach aus. Das Motorrad sollte möglichst einfach Auftreten und ohne technischen
Schnick-Schnack auskommen. Die Tendenz der urchigen Maschinen ohne aufwändige Anbauteile führt zu
schlichten Fahrzeugen sondergleichen. Bobber, Cafe-Racer oder Flat-Tracker, wie solche Maschinen genannt
werden zollen Tribut an alte Zeiten und knüpfen an die Nostalgie längst vergangener Tage an.
Ausgangslage
Der innovative Hersteller BMWMotorrad mit Sitz in München, hat
zurzeit kein Old-Style Fahrzeug
auf dem Markt, welches den sogenannten Retro-Motorradkonzepten der Konkurrenz den Marktanteil streitig machen könnte,
obwohl gerade ältere BMW Motorräder sehr beliebt für Umbauten
sind. Aus diesem Grund verfolgt
diese Arbeit das Ziel, ein fundiertes Konzept für einen Old-Style
Rahmen aus Stahl zu erarbeiten,
welcher modernste Komponenten
aufnimmt und so die Innovativität
von BMW widerspiegelt. Die Form
des Rahmens und die angebauten
Elemente sollen dem Fahrzeug ein
nostalgisches Aussehen verleihen.
Der Gang dieser Arbeit leitet sich
von der Idee, ein konkretes Produkt zu realisieren und homologieren zu lassen.
Konzeption
Der Fokus dieser Arbeit liegt auf
der Konstruktion eines Old-Style
Motorradrahmens für einen BMW
Boxer-Motor. Nach einem intensiven Studium von realisierten Konzepten, konnten wichtige Parameter bestimmt und eine erste
Konstruktion vorgenommen werden. Durch die berechneten Lastfälle am Motorradrahmen wurde
mit Hilfe der Finite-Elemente-Methode das Chassis iterativ optimiert und angepasst. Um einen
Überblick, der im Motorradrahmenbau verwendeten Materialen
zu erhalten, wurden zuerst die
Produkte einiger Motorrad- und
Rahmenbauer unter die Lupe genommen. Dabei standen die Rohrdurchmesser sowie die Aufnahmen für den Motor, das Steuerrohr
und der hintere Monodämpfer
im Zentrum der Betrachtungen.
Dabei wurde der Fokus vor allem
auf Stahlrahmen gelegt, da die
Schweissbarkeit von Stahl einiges
besser ist als jene von Aluminium.
Die Wahl des richtigen Stahls sowie dessen Schweissbarkeit wurden durch die an Motorräder gestellten Anforderungen gewählt
und genau dokumentiert.
Thomas Metzger
Resultate
Die Resultate dieser Arbeit wurden in einer schriftlichen Dokumentation festgehalten. Die Arbeit
zeigt den Gang über verschiedene
Stationen bis hin zur Konzeption
und der Analyse des Chassis. Dabei wurden einige Optimierungen
genauer unter die Lupe genommen und diskutiert. Ein grosser
Abschnitt gehört der Ausführung
über das Auslegen des Materials
und der Bestimmung der Lastfälle
am Motorrad. Die Konstruktionszeichnungen liegen für eine Herstellung der Dokumentation bei.
ti.bfh.ch
85
BI BE BU VA
Anhänger zum Transport von Rennfahrzeugen
Fahrzeugbau / BetreuerProf. Sebastian Tobler, Prof. Heinrich Schwarzenbach
Experten: Marcacci Fabrice, Pierluigi De Silvestro Pierluigi
Rennfahrzeuge sind aufgrund ihrer Abmessungen schwierig zu transportieren. Grosse Rennteams transportieren ihre Fahrzeuge in Lastwagen mit Hilfe eines Vertikallifts. Für den passionierten Hobbyrennfahrer
ist dieser Lastwagen meist unerschwinglich und nicht praktisch. Für dieses Zielpublikum wurde an der
Berner Fachhochschule für Technik und Informatik ein Autotransporter speziell für die Bedürfnisse von
Rennfahrzeugen entwickelt und in CAD konstruiert.
Patrick Mönnig
[email protected]
Julian Suter
[email protected]
86
Ausgangslage
Rennfahrzeuge sind viel breiter
und haben in der Regel eine viel
geringere Bodenfreiheit als normale Strassenfahrzeuge. Diese
Eigen-schaften stellen die auf dem
Markt erhältlichen Anhänger mit
einem Gesamtgewicht von 3.5 t
vor grosse Probleme. Die Fahrzeuge können nur über mehrere
Rampen aufgeladen werden ohne
dass Aerodynamikanbauteile entfernt werden müssen. Die Vorgabe
war, dass der Autotransporter
ohne Rampen auskommt und ein
einfaches und schnelles Aufladen
des Rennautos ermöglicht.
Entwicklung
In der Entwicklung wurden verschiedene Ideen für die Lösung
des Anhängers erarbeitet und miteinander verglichen. Der Schwerpunkt lag darin die Auffahrhöhe
und –Winkel des Anhängers möglichst tief zu halten. Aus den Ideen
kristallisierte sich die Lösung heraus, bei der die Ladefläche des
Anhängers mit einer Hubspindel
vom Chassis auf den Boden gefahren werden kann. Bevor diese
Idee konstruktiv in einem CADProgramm umgesetzt werden
konnte, wurden alle notwendigen
Auslegungen und Berechnungen
bezüglich Festigkeit, Antrieb und
Fahrdynamik gemacht.
ti.bfh.ch
Ergebnisse
komplette CAD-Konstruktion mit
Konstruktionszeichnungen und
Berechnungen. Der entwickelte
Anhänger besticht mit seinen Attributen. Die Auffahrhöhe beträgt
lediglich 45 Millimeter. Die Ladefläche wurde sehr grosszügig ausgelegt mit einer Breite von über
2200 Millimeter, um auch sehr
breite Fahrzeuge sicher beladen
zu können. Die Nutzlast beläuft
sich auf rund 2500 kg, da bei der
Konstruktion konsequent auf
Leichtbau gesetzt wurde, durch
den durchdachten Einsatz von
Stahl und Aluminiumlegierungen.
Die Hubspindel wird über ein Hydraulikaggregat angetrieben und
ist in einem kippbaren Rahmen
gelagert. Die Plattform hat im hin-
teren Bereich eine Kröpfung.
Durch diese Kröpfung kann ein
Auffahrwinkel von nahe Null Grad
realisiert werden. Eine weitere Besonderheit dieses Anhängers ist,
dass die Ladefläche in der Fahrposition verschiebbar ist. Dadurch
kann die vorgeschriebene Stützlast des Zugfahrzeugs justiert werden ohne, dass das geladene
Fahrzeug auf der Ladefläche verschoben werden muss. Zusätzlich
wurden eine elektrische Seilwinde
und zwei massgefertigte Stauboxen mit Auszugsschienen verbaut.
In den Stauboxen können Werkzeuge für den Renneinsatz sowie
Spanngurte für die Ladungssicherung verstaut werden.
BI BE BU VA
Diesel-Wasser Emulsion
Verbrennungsmotoren / Betreuer: Dr. Klaus Hoyer
Experten: Marc Werner, Alfred Leuenberger
Projektpartner: PSI, Villigen
Der Dieselmotor ist mit seiner wirtschaftlichen und vielfältigen Anwendbarkeit eine etablierte Kraftmaschine.
Seine Weiterentwicklung bezüglich Leistung und Verbrauch wird durch die kontinuierlich anspruchsvoller
werdenden Emissionsgrenzwerte vorangetrieben. Hinsichtlich Kohlenmonoxid- und KohlenwasserstoffEmissionen stellt der Dieselmotor geringe Probleme dar. Die Aufmerksamkeit gilt in diesem Zusammenhang
den Stickoxidemissionen sowie den Russpartikeln.
Das Paul Scherrer Institut unternimmt Forschungsarbeiten zur
Minderung von kritischen Emissionen an einem Schiffsdieselmotor
mit Direkteinspritzung. Dieser
Grossmotor der Firma Wärtsilä arbeitet mit einem veränderten Ventiltrieb, dem Miller-Zyklus. Die Idee
des Miller-Zyklus ist, durch ein
frühes Schliessen des Einlassventils ein effektiv geringeres Verdichtungsverhältnis zu erzielen und
damit die Prozesstemperatur zu
senken, was niedrigeren NOxEmissionen gleichzusetzen ist.
Dies gelingt dadurch, dass ein Teil
der Kompressionsarbeit vom Zylinder auf die 2-stufen Aufladung
umverteilt wird. Die zweistufige
Aufladung mit zwischen- und
Nachkühler verdichtet die Luft
sehr effektiv auf den höheren Ladedruck von bis zu 6 Bar. Der frühe Einlassventilschluss bewirkt,
dass sich die Luft im Zylinder erstmals wieder entspannt, bevor sie
in der Kompressionsphase für die
Verbrennung verdichtet wird. Da
auch diese Verbrennungsstrategie
den NOx-Russ Trade-Off nicht
umgehen kann, sollen mithilfe der
Diesel-Wasser Emulsion die Russpartikel vermindert werden.
Eine Herausforderung beim Herstellen von Emulsionen stellt deren
Stabilität dar. Je nach Grösse der
Wassertröpfchen, fallen diese unterschiedlich rasch aus. Die Qualität von Emulsionen ist demnach
hoch, wenn die Wassertröpfchen
feinst verteilt sind. Vorliegende Arbeit untersucht anhand eines neu
entwickelten Einspritzsystems den
mechanischen Emulgierprozess.
Der Einsatz von Emulgatoren ist
dabei nicht vorgesehen.
Die Arbeit umfasst das Entwerfen
und Aufbauen einer Versuchseinrichtung. Es gilt den Emulgierprozess nachvollziehbar aufzuzeichnen und die Emulsionsqualität
anhand der Tröpfchenverteilung
im Diesel zu analysieren. An die
finalen Tests wird mit einer empirischen Vorversuchsreihe herangegangen.
Die erhaltenen Verteilungen der
Tröpfchen im Diesel-Öl ist angelehnt an die Poisson-Verteilung.
Diese Verteilung stammt aus einer
repräsentativen Stichprobe der
Emulsion. Dabei wurden Samples
herausgezogen und in einer Petrischale mit einer hochauflösenden
Kamera mit Makroobjektiv fotographiert. Mithilfe eines in LabVIEW programmierten Verfahrens,
konnten die Tröpfchendurchmesser exakt bestimmt werden.
Philipp Mutti
Tröpfchenverteilung bei 6 bar Einspritzdruck
ti.bfh.ch
87
BI BE BU VA
Impulsanlage für Vorbelastung von Laser-Modulen
Fahrzeugmechanik / Betreuer: Prof. Bernhard Gerster, Michel Schneider
Experten: Bruno Jäger, Fabrice Marcacci
Projektpartner: RUAG Schweiz AG, Bern
Aufbauend auf einem Konzept zur mehrmaligen Vorbelastung von Laser-Trainingsgeräten (ILU= Integrated
Laser Unit), welches in einer vorangehenden Semesterarbeit erarbeitet wurde, konnte im Rahmen dieser
Bachelorthesis die Konstruktion der Einrichtung in sehr einfacher und praktikabler Weise ausgearbeitet
werden. Die mit definierten, linearen Beschleunigungspulsen von 100 bis maximal 500 g arbeitende Einrichtung entspricht der Anforderungsliste der RUAG Schweiz AG. Die Fertigung eines Prototyps wurde
geplant und weitgehend realisiert.
Ziel
Erarbeitung der Konstruktionsgrundlagen der Impulsvorrichtung
und Realisation einer Versuchsanlage zur Belastung der Lasermodule.
Patrick Rohner
[email protected]
Corsin Zürcher
[email protected]
Ausgangslage
Die Integrated Laser Unit 400 (ILU
400) ist ein von der RUAG entwickelter Lasersimulator zur realitätsnahen Schiessausbildung.
Für eine präzise Simulation des
Projektflugs muss die Lasereinheit
vor dem Einsatz kalibriert werden.
Zwischen Produktion und erster
Kalibrierung muss das Modul
mehrfach, mechanisch mit bis zu
500g vorbelastet werden, damit
allfällige mechanische Setzvorgänge vor der Kalibrierung abgeschlossen sind. Damit soll die Stabilität, respektive die Genauigkeit
des Systems beim Übungseinsatz
von Beginn weg erhöht werden.
Vorgehen
Im Rahmen dieser Bachelor Thesis werden die Lösungsansätze
mit Hilfe verschiedener Lösungsfindungsmethoden wie dem morphologischer Kasten, dem Paarvergleich und zahlreichen technischen Berechnungen verfeinert
und konkretisiert. Die theoretische
Funktion des Mechanismus wurde
mit einer dynamischen Simulation
im Programm «Unigraphics NX 7.5
Motion» verifiziert.
Anhand diverser ausführlich erarbeiteter Konstruktionsvorschläge
werden die Grundlagen für die
Produktion eines Prototyps gelegt. Durch eine konkrete Prüfung
der einzelnen Bauteile mittels
FEM-Analysen und ergänzenden
Berechnungen wurde die gesamte
Konstruktion auf die vorgesehenen Belastungen überprüft und
ausgelegt. Die Konstruktionspläne
werden soweit erarbeitet, dass mit
Modell der Impulsanlage für Vorbelastung von Laser-Modulen
88
ti.bfh.ch
der Fertigung des Prototyps begonnen werden konnte.
Resultat
Mit den in dieser Bachelorthesis
erarbeiteten Weiterentwicklungen
des Konzepts zur mehrmaligen
Vorbelastung der Laser-Trainingsgeräte, konnte in Zusammenarbeit
mit zahlreichen Zulieferern, Firmen
aus dem Bereich der Fertigung
und der BFH TI internen Werkstatt
eine Versuchsanlage zur Belastung der Lasermodule realisiert
werden.
Auf eine detaillierte Erläuterung
der Funktionsweise wird an dieser
Stelle aus geheimhaltungsgründen verzichtet.
Der Prototyp erfüllt die Kriterien
der Anforderungsliste ausnahmslos und legt den Grundstein für
weiterführende Projekte im Bereich der mehrmaligen Vorbelastung der Laser-Trainingsgeräte.
Integratet Laser Unit 400 der RUAG Schweiz AG
BI BE BU VA
Realisation Range Extension Modec E-LKW
Fahrzeugelektrik, -Elektronik / Betreuer: Prof. Kurt Hug, Andreas Meier, Reto Gasser, Andreas Kessi
Experten: Carlo Bosia, Philippe Burri
Projektpartner: Ferme des Trois Epis Sàrl, 1860 Aigle
Die Firma «Ferme des Trois Epis» (f3e) in Aigle ist ein zukunftsorientiertes Unternehmen, das schon heute
seinen Energiebedarf zur Produktion aus der hauseigenen Photovoltaikanlage deckt. Im Zuge der Umstellung auf eine Fahrzeugflotte ohne fossile Treibstoffe gelangte der Auftraggeber mit seinen Ideen und Visionen an die Berner Fachhochschule in Biel. Der Schwerpunkt dieser Bachelor Thesis liegt in der Optimierung
der Reichweite und des Energieverbrauchs eines bereits im Verkehr stehenden Elektro-Lastwagens der
Marke «Modec» mit einer Lithium-Eisenphosphat-Batterie.
Ausgangslage
Bereits während den beiden Projektarbeiten des dritten Studienjahres 2011/2012 hat sich unser
Team mit der Thematik der Range
Extension befasst. In der Projektarbeit 1 wurden verschiedene Varianten ausgearbeitet, wobei eine
davon in der Projektarbeit 2 detailliert in Bezug auf die Realisierbarkeit der Reichweitensteigerung
untersucht wurde. Dabei sind Fragenstellungen im Bereich der Batteriethermik und des Innenwiderstandes aufgetreten, welche in der
Bachelor Thesis anhand von Messungen untersucht werden. Dies
schliesst auch eine Energieverbrauchsmessung am Fahrzeug
mit ein.
Die hohen Energieverluste durch
das manuelle Schiebetürsystem
am passiv gekühlten Aufbau des
Modec E-LKW und die unbefriedigende Situation am Seitentürsystem wird erneut aufgegriffen. Begleitend zu den Arbeiten wird die
Frage rund um den gesamten
Energieverbrauch am Kühlaufbau
erarbeitet und mittels eines Schaltungsmodells simuliert.
Messungen
Zuerst wurde eine Verbrauchsmessung am Modec E-LKW mit
dem TeleTRUCK-Modul durchgeführt, welches alle relevanten Parameter auf dem CAN-Bus aufzeichnen konnte. Weiter wurde der
Energieverbrauch der Nebenag-
gregate gemessen, um daraus ein
Energieflussdiagramm des Fahrzeugs zu erstellen. Für die Labormessungen wurde eine eigens
dafür hergestellte Batteriebox verwendet, um die Temperaturentwicklung bei den jeweiligen Betriebsbedingungen nachzustellen.
Dazu wurde die Batterie in einer
Kältekammer auf die gewünschte
Starttemperatur gebracht.
Der Kühlaufbau wurde mit einem
Heizgerät erwärmt und dabei sind
die Temperaturen und Spannungen erfasst worden. Die Daten
dienten als Grundlage für das
thermische Modell des Kühlaufbaus.
Ergebnisse
Die Ergebnisse zeigen, dass sich
die einzelnen Zellen bei den im Alltag auftretenden Strömen nicht
übermässig erwärmen. Um eine
unterschiedliche Zellalterung zu
vermeiden ist eine Batteriekühlung
dennoch empfehlenswert. Der
Innenwiderstand der analysierten
Zellen verhielt sich entsprechend
der Theorie. Das heisst, bei tiefen
Temperaturen (–20°C) ist der Innenwiderstand mit 6–10 mΩ pro
Zelle rund 10-mal grösser als bei
erhöhten Temperaturen (+40°C).
Was den Energieverbrauch des ELKWs betrifft, so liegt dieser bei
der ausgeführten Messfahrt bei
470 Wh/km.
Im Detailkonzept der beiden Türsysteme konnte ein funktionieren-
des Muster ausgearbeitet werden.
Dabei wurde das Rolltor an das
neue Seitentürsystem angepasst,
die Führungen des Schiebetürsystems optimiert und beide Systeme
mit einer automatischen Steuerung versehen. Der Energieverlust
rund um den Kühlaufbau wurde
analysiert und mittels Simulation
wurden verschiedene Türöffnungs-Szenarien im Zusammenhang mit der Auslieferung nachgestellt. Zusätzlich wurde der
Energieverbrauch zur Betätigung
der beiden Türsysteme ausgerechnet und mit 120 Wh pro Tag als
vernachlässigbar klein eingestuft.
Dominic Sahli
[email protected]
Stefan Sempach
[email protected]
Energieflussdiagramm Modec E-LKW
ti.bfh.ch
89
BI BE BU VA
Parkraumbewirtschaftung
Betriebswirtschaftslehre / Betreuer: Dr. Urs Sauter, Adrian Gschwend
Experten: Carlo Bosio, Philippe Burri
Parkplätze sind wichtige Komponenten des Strassenverkehrs. Die meisten Automobile stehen während
mehr als 90% ihrer Lebensdauer auf Parkplätzen. In den letzten Jahrzehnten hat die Bewirtschaftung von
Parkplätzen an Bedeutung gewonnen, da auch die Anzahl an Fahrzeugen auf Schweizer Strassen gestiegen
ist. Die Parkraumbewirtschaftung kann durch die jeweiligen Tarifmodelle und Preisunterschiede den Parkplatzsuchenden lenken. Dabei soll eine Verteilung der Nachfrage an Parkplätzen in der Stadt erwirkt werden,
damit die Parkhäuser besser ausgelastet werden und der Verkehr weniger belastet wird.
Nadja Schwarz
[email protected]
In der Verkehrsachse der Schweiz
gibt es unter anderen 4 grosse und
für unsere Arbeit massgebende
Städte: Basel, Bern, Genf und Zürich.
In allen diesen Städten gibt es zu
Stosszeiten Peaks an Fahrzeugen
auf den Strassen, die nur schwer zu
bewältigen sind und sich die Frage
stellt, wie wird dagegen mit Hilfe der
Parkraumbewirtschaftung etwas unternommen.
Um grössere Dimensionen von Parkhäusern und längeren Parkzeiten
und entsprechenden Langzeit-Tarifmodellen zu berücksichtigen wurden
die jeweiligen Flughäfen einbezogen.
Das Ziel des betriebswirtschaftlichen
Teils der Arbeit wurde erreicht. Die
Tarifmodelle der verschiedenen
Parkmöglichkeiten der 4 Städte und
Flughäfen konnten ausfindig gemacht und in Excel zu brauchbaren
Listen zusammengestellt werden.
Anhand praxisnaher Beispiele wurden die Preise gerechnet und die
Resultate durch die Online Berechnung auf einer Internetseite bestätigt.
Das heisst ja, die Parkraumbewirtschaftung versucht mit ihren verschiedenen Tarifmodellen den parkplatzsuchenden Verkehr von den
Stosszeiten weg zu verkehrsärmeren
Zeiten zu lenken.
Zukünftig wäre es sehr interessant
heraus zu finden, wie die verschiedenen Tarifmodelle zustande kommen.
Auf den Internetseiten der Parkhäuser
Vereinigungen wird die Anzahl aktuell
freier Parkplätze angezeigt. Diese Information kann weiterverwendet werden, um eine auf Semantic Web basierte Applikation für Smartphones zu
entwickeln, die dem Parkplatzsu-
Beispiel einer in RDF modellierten Person mit Name, Vorname, Geschlecht,
Geburtsdatum, etc. mit dem entsprechenden Vokabular
90
ti.bfh.ch
chenden zeigen soll wo, zu welchem
Preis der nächste Parkplatz frei ist
und wie er dorthin fahren kann.
Dazu wird in dieser Arbeit die Grundlage für eine Datenbank basierte Lösung erarbeitet und für die spätere
Anwendung vorbereitet.
Das bedeutet, die Informationen wurden so verarbeitet, dass sie im RDF
Datenmodell abgelegt und publiziert
werden können. Dazu wurde ein Vokabular bereits teilweise Entwickelt
und zusammengestellt, dass für erste
Versuche nutzbar ist.
Die Möglichkeiten des semantischen
Webs sind noch lange nicht ausgeschöpft und werden durch Zusammenarbeit im grösseren Sinne als nur
in der Schweiz vorangetrieben.
Zeigt die Parkhäuser der Stadt inkl. des
Flughafens Zürich in Rot und die P + RAnlagen der SBB in Gelb. Die Umkreise
sind bei 1, 1.5, 2 und 2.5 Kilometer Entfernung vom Stadtzentrum markiert.
BI BE BU VA
LKW Kippbrücke
Fahrzeugbau / Betreuer: Sebastian Tobler, Heinrich Schwarzenbach
Experten: Fabrice Marcacci, Pierluigi De Silvestro
Projektpartner: Sutter Fahrzeugbau AG, 6078 Lungern
Dreiseiten-Kipper sind seit Jahrzehnten bewährte und unverzichtbare Arbeitsgeräte auf den Baustellen rund
um den Globus. Diese Kippbrücken werden sowohl auf leichten Nutzfahrzeugen als auch auf schweren
Lastwagen eingesetzt und bieten grossen Spielraum für individuelle Kundenwünsche. Nebst den Brückenabmessungen können auch sämtliche Anbauteile, wie zum Beispiel Bordwände, Verschlüsse und Verriegelungen individuell auf den jeweiligen Einsatzbereich angepasst werden.
Ausgangslage
Die Firma Sutter Fahrzeugbau AG
zählt seit etlichen Jahren zu den
bekanntesten Herstellerinnen für
Kippfahrzeuge aller Art. DreiseitenKipper stellt die traditionsreiche Unternehmung aus Lungern im Kanton
Obwalden seit mittlerweilen mehr als
40 Jahren her und kann dementsprechend aus einem reichen Erfahrungsschatz im Bereich des Fahrzeugbaus schöpfen.
Der Markt für diese Fahrzeuge ist
hart umkämpft. Zahlreiche andere
Hersteller buhlen ebenfalls um die
Gunst der potentiellen Kundschaft.
Der Sutter Kippaufbau wird inzwischen seit beinahe 40 Jahren praktisch unverändert hergestellt. Die
Konstruktion hat sich zwar im harten
Praxiseinsatz bewährt, die Kunden
pochen jedoch auf etwas Neues und
Innovatives. Zu diesem Zweck hat
die Firma zwei Studenten der Fachhochschule für Technik und Informa-
Modifizierte LKW Kippbrücke
tik beauftragt, eine komplett neue
Kippbrücke zu entwickeln.
Entwicklung
Grundlage für die Neuentwicklung
war eine vorgängig durchgeführte,
minutiöse Analyse der bereits bestehenden Konstruktion. Im Zentrum
stand dabei eine Untersuchung mittels finiten Elementen (FEM). Dadurch
konnten
konstruktive
Schwachstellen lokalisiert werden.
Auf Basis dieser Ergebnisse wurden
anschliessend zwei komplett unabhängige Eigenkonstruktionen angefertigt. Dabei orientierte sich eine
Version eher an der bereits bestehenden Konstruktion, d.h. es wurden mehrere Formelemente von der
bestehenden Konstruktion wiederverwendet. Das Grundgerippe wurde aber nun hauptsächlich aus
Blech gefertigt und nicht mehr aus
Vierkant-Stahlrohren. Die zweite
Version nutzte fast ausschliesslich
V-förmige Blechprofile, weil gerade
diese Bauform sehr gute Ergebnisse
in Bezug auf Steifigkeit und Widerstandsfähigkeit liefert.
Diese beiden Lösungen wurden anschliessend zusammen mit der Auftraggeberin auf ihre Machbarkeit hin
überprüft. Mit den gewonnenen Erkenntnissen wurde eine endgültige
dritte Version angefertigt.
Ergebnisse
komplette Neuentwicklung einer
LKW Kippbrücke inklusive aller Konstruktionszeichnungen, welche für
die Fertigung benötigt werden.
Durch die X-förmig angeordneten
Träger werden beim Kippvorgang
die auf den Presskasten wirkenden
Kräfte optimal in die ganze Konstruktion eingeleitet. Dadurch werden
lokale Spannungsspitzen vermieden, was wiederum eine lange Lebensdauer der Brücke gewährleistet. Es wurde darauf geachtet, die
Konstruktion so leicht wie möglich
zu halten. Dies bedeutet, dass nur
dort Verstärkungen angebracht werden, wo diese auch wirklich benötigt
werden. Zahlreiche Detaillösungen
erhöhen zudem den Bedienungskomfort und sorgen nicht zuletzt für
einen optisch sehr ansprechenden
und unverwechselbaren Auftritt.
Mit dieser Neuentwicklung wird sich
die Firma Sutter Fahrzeugbau AG
auch in Zukunft erfolgreich auf dem
Markt der Kippfahrzeuge behaupten
können.
ti.bfh.ch
Tobias Singer
[email protected]
Christoph Wegmüller
[email protected]
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BI BE BU VA
Entwicklung einer Methode zur Ladeluftbefeuchtung
Verbrennungsmotoren / Betreuer: Dr. Jan Czerwinski, Dr. Klaus Hoyer
Experten: Marc Werner, Alfred Leuenberger
Projektpartner: Paul Scherrer Institut, Villigen
Die Emissionsminderung an Grossdieselmotoren ist in der Fachwelt ein viel diskutiertes Thema. Verschiedene Strategien zur Minderung der kritischen Motoremissionen werden angewendet. Durch Wasserzugabe
in den Brennraum können die Verbrennungstemperaturspitzen reduziert werden, was zur Minderung der
Stickoxid-Emissionen (NOx) führt. Die Ladeluftbefeuchtung als eine Variante der Wasserzugabe, ist das
zentrale Thema dieser Bachelorarbeit.
Florian Sommerhalder
Hintergrund
Am Paul Scherrer Institut wurde
eine Methode zur Ladeluftbefeuchtung entwickelt. Die Idee dieser
Methode ist es, dass zur Befeuchtung der Luft mehr Wasser eingespritzt wird, als die Luft maximal
aufnehmen kann. Zur Abscheidung
des überschüssigen Wassers wird
ein Zyklon verbaut. Bevor es zum
Einsatz dieser Methode am Schiffsdieselmotor kommt, gilt es sie an
einem Modell zu testen. Dazu wurde eine Versuchseinrichtung entwickelt und aufgebaut.
Modellaufbau
Um verschiedene Parameter variieren zu können, wurde einerseits
eine Heizung zur Beeinflussung
der Eintrittstemperatur am Zyklon
eingebaut und andererseits ein
Durchflussmesser für die hohen
Systemdrücke kalibriert. Durch Verstellen des Drucks kann der Durch-
Ausströmende Gasphase
92
ti.bfh.ch
fluss und somit die Strömungsgeschwindigkeit direkt beeinfluss
werden.
Zur Bestimmung der Luftfeuchtigkeit wurde ein Psychrometer gebaut. Die Erfassung der Temperatur
wird über eine Thermoschaltung mit
Pt100-Widerständen gemacht. Um
die von der Schaltung abgegebene
Spannung zu erfassen, wurde ein
Programm in Labview geschrieben,
welches die Spannungen über eine
DAQ-Karte erfasst und sie als Textfile abspeichert. Die Berechnung
der Temperatur und der relativen
Luftfeuchtigkeit erfolgt im Excel
wozu die Thermoelemente kalibriert
werden mussten.
Das System kann dank automatischem Wasserblass über mehrere
Minuten stationär betrieben werden.
Ergebnis
Die Messungen haben gezeigt,
dass trotz gesättigter Luft am
Zyklon-Ausgang keine Wassertropfen in der ausströmenden Luft
vorhanden sind. Selbst bei verschiedenen Betriebsbedingungen
(Parametervariation) funktioniert
die Methode der Abscheidung der
Wassertropfen im Zyklon einwandfrei.
Zyklon
Strömungssimulation
Strömungssimulation
Zum besseren Verständnis des
Strömungsvorgangs im Zyklon
wurde eine Simulation mit ANSYS
durchgeführt. Verschiedene Vereinfachungen des Zyklons lieferten verwertbare Ergebnisse.
(AUTEÂCOLESPÂCIALISÂEBERNOISE
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PDVWHUWL#EIKFK
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BFHCHMASTER
BSc in Electrical- and Communication Engineering
BI BE BU VA
VoIP im Zug
Android / Betreuer: Prof. Claude Brielmann
Experte: Martin Jaeggi
Projektpartner: Annax, Gümligen
In heutigen internationalen Zügen muss das Zugpersonal von fest montierten Stationen aus Informationen
an die Zuggäste weitergeben. Durch Drücken eines Notfallknopfes werden ebenfalls diese Stationen angewählt. Um die Arbeit des Zugbegleiters zu vereinfachen soll ein Android Smartphone die festen Station
ersetzen, so dass die Zugbegleiter die Fahrgäste jederzeit informieren und von diesen kontaktiert werden
können.
Adrian Adam
[email protected]
96
Ausgangslage
Die beauftragende Firma stellt Fahrgastinformationssysteme für internationale Züge her. Das Fahrgastinformationssystem beinhaltet sowohl
das Anzeigen der Haltestellen auf
Bildschirmen als auch die Durchsagen im Zug. Bis jetzt wurden die
Durchsagen von einer fest montierten Station aus getätigt. Auf Plätzen
für behinderte Personen und auf den
Toiletten sind Notfallknöpfe installiert, mit denen die Stationen angerufen werden können. In diesem
Projekt soll überprüft werden, ob die
festen Stationen durch Android
Smartphones ergänzt werden können. Dies hätte den Vorteil, dass der
Zugbegleiter bei einem Notfall sofort
auf sein Smartphone angerufen werden kann. Auch Informationen an die
Fahrgäste kann er von jedem Ort im
Zug aus erledigen.
ti.bfh.ch
Umsetzung
Zuerst wurde das in der Firma bereits
vorhandene System analysiert. Das
System basiert auf dem Session Initiation Protocol (SIP). Mit dem SIP
werden Kommunikationssitzungen
wie Telefonate gesteuert und aufgebaut. Der SIP-Stack ermöglicht einen
vereinfachten Umgang mit dem SIP
(High level API). Der verfügbare SIPStack von Android unterstützt nicht
alle Funktionen um die Einbindung
ins System zu gewährleisten. Als Lösung wurde ein in der Programmiersprache C geschriebener SIP-Stack
verwendet. Aber die Programmierumgebung von Android basiert auf
Java, weshalb das Java Native Interface (JNI) eingesetzt wurde um Csourcecodes einzubinden.
Resultat
Eine Applikation wurde mit Hilfe des
JNI so programmiert, dass ein einzelner Anruf empfangen und getätigt
werden kann. Dies beweist, dass
sich Smartphones in das System einbinden lassen.
Ausblick
Im Rahmen der Bachelorthesis habe
ich mich auf einen einzelnen Anruf
beschränkt, also einem Telefonat mit
einer Person oder das Ansteuern eines einzelnen Lautsprechers. Um
Durchsagen zu machen, müssen
aber alle Lautsprecher im ganzen
Zug angesteuert werden können.
Eine weitere nützliche Funktion wäre
die automatische Erkennung und
Verbindung mit dem Zug-Netzwerk
durch diese Applikation, wenn sich
das Smartphone dem Zug nähert.
Diese Applikation läuft immer, auch
im Standby-Modus. Somit ist gewährleistet, dass jeder Anruf empfangen werden kann, allerdings verkürzt sich dadurch die Akkulaufzeit.
Die Applikation sollte erst durch das
Drücken des Notrufknopfes über das
Netzwerk gestartet und anschliessend der Anruf aufgebaut werden.
BI BE BU VA
LEBE-Anlagen: Seeberg und Trubschachen
Photovoltaik / Betreuer: Prof. Urs Muntwyler
Experte: Thomas Schott
Pojektpartner: SolarCenter Muntwyler AG, 3052 Zollikofen/
Der Lehrerverband Bern (LEBE) startete im Frühjahr 2011 das Projekt «schulEnergie». Ziel dieses Projektes
ist es, auf Schulhausdächern mit Schülern eine Photovoltaik-Anlage zu installieren. Parallel dazu soll die
Thematik der erneuerbaren Energien in den Unterricht integriert werden. Die BFH-TI moderiert dieses Projekt auf fachlicher Ebene und hilft bei der Realisierung von Anlagen. In einem Bewerbungsverfahren konnten sich interessierte Schulen anmelden. Für zwei ausgewählte, Seeberg und Trubschachen, soll in dieser
Bachelor Thesis die Anlagenplanung realisiert werden.
Ziel der Arbeit
Das Ziel dieser BachelorThesis ist
eine Planung, eine detaillierte Simulation mit der Software «PVSyst», sowie eine ausführliche
Wirtschaftlichkeitsrechnung für
eine PV-Anlage auf den Schulhäuser Seeberg und Trubschachen.
Es soll resultierend eine Empfehlung abgegeben werden. Die besagten Ziele sollen als Einzelarbeit
innerhalb von acht Wochen realisiert werden.
Resultat
Als Resultat wurde für beide
Schulen eine Rangliste, mit verschiedenen Anlagevarianten, erarbeitet. Die Ranglisten stützen sich
auf detaillierte Simulationen und
Wirtschaftlichkeitsrechnungen.
Anhand dieser Rangliste und den
vorgängigen Anlagenbeschreibungen können die PV-Anlagen
durch die betreuenden Lehrkräfte
in Seeberg und Trubschachen beurteilt werden. Für die Schule Seeberg bietet sich eine 10kW oder
eine 15.5kW PV-Anlage auf dem
Neubau mit DelSolar-Modulen an.
Die DelSolar-Module bieten ein
sehr gutes Preis-Leistungsverhältnis. Die 10kW-Anlage ergäbe bei
CHF 38’080.– Investitionskosten
einen Nettoertrag von CHF
18’529.–. Die 15.5kW-Anlage ergäbe bei CHF 57’732.– Investitionskosten einen Nettoertrag von
CHF 29’944.–.
Für die Schule Trubschachen bietet sich eine 35kW oder eine
45.25kW PV-Anlage auf dem Süd-
trakt mit DelSolar-Modulen an. Die
DelSolar-Module bieten ein sehr
gutes Preis-Leistungsverhältnis.
Die 35kW-Anlage ergäbe bei CHF
105’223.– Investitionskosten einen
Nettoertrag von CHF 85’777.–. Die
45.25kW-Anlage ergäbe bei CHF
13’187.– Investitionskosten einen
Nettoertrag von CHF 88’264.–.
Daniel Aebi
[email protected]
Ausblick
Es muss nun entschieden werden,
welche Anlagevariante installiert
werden soll. Die jeweils zwei Varianten pro Standort haben ihre Vorund Nachteile. Der Investor muss
nun den definitiven Entscheid fällen, damit die PV-Anlagen installiert werden können.
Schule Hasenlehn inTrubschachen
ti.bfh.ch
97
BI BE BU VA
IHPoS-Boxer
Energiesysteme / Betreuer: Prof. Michael Höckel
Experte: Dr. Marco Santis
Projektpartner: CEKAtec AG, Wattwil
Die Berner Fachhochschule hat gemeinsam mit dem Industriepartner CEKAtec AG ein standardisiertes
Brennstoffzellensystem mit dem Produktnamen IHPoS («Independent Hydrogen Power System») entwickelt.
Bei grossen Leistungsbereichen treten in solchen Systemen aufgrund der hohen Anzahl gestapelter Zellen
Probleme auf, welche die Systemleistung einschränken. Um diesen entgegenzuwirken, wurde im Rahmen
dieser Bachelor Thesis eine Systemvariante mit zwei kleineren Brennstoffzellen-Stacks im Parallelbetrieb
untersucht.
Christian Bachmann
[email protected]
Ausgangslage
Das Herzstück des IHPoS-System
ist eine luftgekühlte PEM-Brennstoffzelle mit einem internen Zellenbefeuchtungskonzept für einen
Leistungsbereich von 200 W bis
1,2 kW. Die IHPoS-Stacks wurden
für den Einsatz in mobilen Anwendungen entwickelt, heben sich
durch die hohe Vereinfachung des
komplexen Brennstoffzellensystems hervor und haben ihre hohe
Zuverlässigkeit bereits in mehreren Projekten bewiesen.
Die Leistung eines solchen Systems hängt bei festgelegter Fläche
der Zellmembranen direkt mit der
Anzahl eingebauter Zellen zusammen. Bei Brennstoffzellenstapeln
mit Leistungen von mehr als 600
W ergeben sich so mechanische
Probleme, da der Anpressdruck
aller Zellen gleich sein muss. Zudem entsteht eine Inhomogenität
bei der Gasversorgung durch
IHPoS Brennstoffzellen-Stack
98
ti.bfh.ch
Wasserstoff und Luft, was den
kontinuierlichen Betrieb weiter einschränkt.
Ziele
In dieser Bachelor Thesis soll nun
eine Systemvariante für eine Leistung von 1,2 kW mit zwei gleichen
600 W IHPoS-Stacks geplant, aufgebaut und getestet werden. Dabei soll untersucht werden, ob ein
zuverlässiger Betrieb mit einer
gemeinsamen
Gasperipherie
möglich ist.
Umsetzung und Resultate
Es wurden verschiedene Umsetzungskonzepte erarbeitet und anschliessend eine geeignete Lösung ausgewählt. Als beste
Systemvariante erwies sich die
Parallelschaltung von zwei Brennstoffzellen-Stacks, wobei diese
über eine gemeinsame Wasserstoffzufuhr und einer Luftpumpe
zur Versorgung mit Sauerstoff betrieben werden. Von Interesse war
dabei die Aufteilung der Luft in die
beiden Stacks, welche im entsprechenden Systemaufbau erfolgreich getestet wurde. Somit konnte der Beweis für einen kontinuierlichen Betrieb der Brennstoffzellen bei einer Parallelschaltung
erbracht werden.
Die erhaltenen Erkenntnisse über
den Parallelbetrieb zweier Stacks
können nun in zukünftigen IHPoSProjekten miteinbezogen werden
und so mithelfen, die Entwicklung
der Brennstoffzellentechnologie
weiter voranzutreiben.
BI BE BU VA
Solaranlage Fritz Studer AG
Projektpartner: Fritz Studer AG, Steffisburg
Die Energiebilanz wird für moderne Unternehmen in Zeiten des Klimawandels und knapper werdenden
Energieressourcen immer wichtiger. Steigende Brennstoffkosten, notwendige Umweltzertifizierungen oder
auch nur der Wunsch nach einem positiven Umwelt-Image werden gerade bei internationalen Firmen immer
höher bewertet. Aus diesem Grund, soll eine Photovoltaik-Anlage auf den Gebäudedächern der Unternehmung Fritz Studer AG in Steffisburg geplant werden.
Ausgangslage
Die Maschinenfabrik Fritz Studer
AG in Steffisburg ist ein Mitglied
der Körber Schleifring GmbH in
Deutschland. Die Firma beabsichtigte bereits vor einiger Zeit, auf
Ihren Fabrikdächern eine Photovoltaik-Anlage zu realisieren. Aus
diesem Grund liess Sie sich von
zwei Unternehmen, welche in der
PV-Branche tätig sind, eine PVAnlage offerieren. Die zwei Offerten weisen grosse Differenzen auf.
Aus diesem Grund sind die Verantwortlichen der Fritz Studer AG
verunsichert und es wurde bis anhin noch keine PV-Anlage realisiert.
Deswegen soll mit den gewonnenen Informationen und Kenntnissen von der Projektstudie für den
gesamten Gebäudepark und dem
Parkplatz P1 der Fritz Studer AG
eine Photovoltaik-Anlage geplant
werden.
gen auf den Dächern realisiert
werden. Wird eine oder mehrere
PV-Anlagen realisiert, möchte dies
die Firma auch ihren Kunden und
Mitarbeitern präsentieren. Somit
soll zusätzlich zu den PV-Anlagen
ein Monitoring der PV-Anlagen geplant werden. Anhand der Dokumentation sollen die PV-Anlagen
realisiert werden können.
Auftrag
Ziel der Bachelor-Thesis ist es,
eine PV-Anlage auf allen möglichen Gebäuden und dem Parkplatz P1 zu planen, zu simulieren
und eine anschliessende Wirtschaftlichkeitsrechnung durchzuführen. Anhand dieser Informationen soll anschliessend eine
Gebäuderangliste erstellt werden.
Diese Gebäuderangliste soll den
Verantwortlichen der Fritz Studer
AG als Entscheidungsgrundlage
dienen, ob und wie viele PV-Anla-
Ergebnis
Der Gebäude Rangliste ist zu entnehmen, dass sich drei der neun
Gebäuden leicht absetzen. Dies
aus dem Grund, weil die Gebäude
ein gutes Preis/Leistungsverhältnis und das Gebäude und ein hohes Preis/Ertragsverhältnis haben.
Die Investitionssumme für die PVAnlagen auf diesen drei Gebäuden
liegt bei rund Fr. 606’000.00. Wird
angenommen, dass die PV-Anlagen 2013 ins KEV-Programm aufgenommen werden und somit die
Firma eine Vergütung von Rp. 27.3
pro produzierte kWh erhält, ist
diese Investitionssumme mit einem Zinssatz von 2.5% nach 16
bzw. 17 Jahren amortisiert. Möglicher Unterhaltsaufwand ist bei
der Berechnung mit einbezogen.
Da PV-Anlagen erfahrungsgemässe über 25 Jahre in Betrieb bleiben bedeutet dies, dass die reali-
Daniel Balz
[email protected]
Christian Bütikofer
[email protected]
Übersichts-Schema mit netzgekoppelter Photovoltaik-Anlage
sierten Anlagen danach noch
weitere Jahre Gewinn abwerfen.
Nach einer Betriebsdauer von
25 Jahren wird sich der Gewinn
bei rund Fr. 403’000.– einstellen.
Danach kann die Anlage noch weiter funktionieren.
Fazit
Anhand der Resultate kann gesagt
werden, dass die PV-Anlagen
nicht nur umweltfreundlich sind,
sondern sich auch rentieren.
ti.bfh.ch
99
BI BE BU VA
Solar Ship MPPT
Mechatronik / Thesis advisor: Prof. Dr. Andrea Vezzini
Expert: Peter Baumann
Project partner: Solar Ship (www.solarship.com), Canada, Toronto
Solar Ship, a Canadian company, is developing a new system that could revolutionize the concept of air
transport: flying with the energy of the sun! Nowadays it is no longer an utopia, the idea of traveling only
with solar energy. We want to contribute to this work by designing and constructing a part of this airplane.
The Solar Ship MPPT project is what best brings together all the knowledge acquired during our training at
the BFH. Technology, efficiency and ecology. These are three words which we recently heard very often
and which are the basis of our bachelor thesis.
Simone Baragiola
[email protected]
Nabil Elbadry
[email protected]
100
Solarship concept
The solar ship is an eco-friendly and
compact means of transport. Currently there are many aircrafts that
have a good capacity of transport
but not all aircrafts are able to access remote areas and land in small
spaces. Solar Ship instead is!
Its wing-ship design allows for short
take-off and landing (STOL), for example on a soccer field. This creative design also provides a large
surface area for solar panels, allowing long and self-sufficient range.
The main utility of the Solar Ship is
the transport of aid supplies, due to
its ability to land in areas affected
by natural disasters and in underdeveloped regions. Other secondary activities are the monitoring of
protected natural areas or, for example, tourist travels and advertising of products.
Background
The sun does not reach the earth’s
surface constantly. For this reason,
the energy received by solar panels
is constantly changing. The power
output has a peak, which is precisely called MPP, Maximum Power
Point. The purpose of this project is
to build a MPPT, a tracker that always works to this point. The result
we want to achieve is an optimal
battery charge and a maximum efficiency of electric motors. The initial conditions are the output power
of 2kW, the output voltage from
160V to 200V and the input voltage
varying between 80V and 130V. The
resulting circuit is a DC/DC converter that must be able to raise the
voltage adapting the current. One
important factor is the electrical efficiency. To improve the flight conditions, we must create a circuit with
very low power losses. In order to
achieve this, we need the best components on the market, a proper
MPPT prototype
Solar Ship
ti.bfh.ch
design of the power circuit and a
low energy consumption of the control logic.
Realization
The heart of the DC / DC converter
is formed by multiple Boost Converters. In total we included two
dual interleaved Boost Converters,
which are handled separately. In
this way we can implement a favorable energy consumption and a
good redundancy in case of damages. The control circuit is carried
out with two 32-bit microcontrollers.
These processors manage the
power blocs and the communication via CAN. The production process consisted of the following
steps. After an initial planning, we
performed multiple simulations in
Matlab/Simulink and PLECS. Then
we moved on to the practical implementation of hardware and software. Finally we commissioned a
prototype.
BI BE BU VA
Vibrationsanalyse einer Schleifmaschine
Signalverarbeitung / Betreuer: Prof. Dr. Daniel von Grünigen, Ivo Oesch
Experte: Peter Richli
Projektpartner: Elaso AG, Zuchwil
Bei der Herstellung von mechanischen Teilen hoher Präzision ist der Arbeitsgang des Schleifens von entscheidender Bedeutung. Um eine gleichbleibend hohe Qualität des Schleifergebnisses zu gewährleisten,
ist es notwendig, die Schleifscheibe während des Betriebes auszuwuchten. Die dafür eingesetzten Auswuchtsysteme benötigen als Grundlage für den Auswuchtvorgang einen präzisen Messwert der aktuellen
Unwucht. Es ist das Ziel dieser Arbeit, ein Messsystem zu entwickeln, welches das analoge Ausgangssignal
eines Vibrationssensors digital zu einem genauen und stabilen Messwertsignal verarbeitet.
Einleitung
Auswuchtsysteme zur Qualitätssteigerung werden in der Schleiftechnik
bereits seit langem erfolgreich eingesetzt. Die dafür verwendeten Messsysteme wurden hierbei häufig mittels analoger Elektronik aufgebaut.
Obwohl diese analogen Systeme
sehr zuverlässig und präzise funktionieren, bringen sie einige Nachteile
mit sich. Unter anderem sind dies
das grössere Bauvolumen, die Notwendigkeit des Einsatzes von temperaturstabilisierten diskreten Komponenten, der höhere Aufwand bei
der Fertigung (Abgleicharbeiten) und
Alterungserscheinungen bzw. Drifteffekte, welche die Messgenauigkeit
verschlechtern. Ein weiterer gewichtiger Nachteil ist, dass analoge Filter
höherer Ordnung bei den tiefen Arbeitsfrequenzen in der Auswuchttechnik (max. 200 Hz) nur schwierig
realisierbar sind. Die digitale Signalverarbeitung hingegen kann auch bei
diesen tiefen Arbeitsfrequenzen erfolgreich eingesetzt werden. Die bestehenden analogen Messsysteme
sollen daher durch ein Messsystem
ersetzt werden, welches auf der digitalen Signalverarbeitung beruht.
Anforderungen
Zur Messung der Maschinenschwingungen wird ein Beschleunigungssensor eingesetzt, der auf der
Schleifmaschine montiert wird. Das
zu entwickelnde Messsystem soll in
der Lage sein, das analoge Ausgangssignal dieses hochpräzisen
Beschleunigungssensors zur Messgrösse «Schwingweg» zu verarbeiten. Der Schwingweg ist hierbei definiert als Spitze-Spitze-Wert der
Schwingbewegung, welche vom
Scheibenmittelpunkt
ausgeführt
wird. Diese Schwingbewegung
nimmt der Mensch als Vibration
wahr. Der Schwingweg hat hierbei
eine übliche Grössenordnung von 0.1
Mikrometern bis zu einigen zehn
Mikrometern. Die Frequenz der
Schwingbewegung liegt je nach Maschinendrehzahl im Bereich von
5 Hz bis 200 Hz. Die Anforderungen
an den tolerierten maximalen
Schwingweg liegen je nach Einsatzgebiet bei 0.1 μm bis zu 1 μm. Zusammengefasst gilt es also, die Beschleunigung, welche von einer
Schwingung mit einer Spitze-SpitzeAuslenkung von 0.1 μm bis 50 μm bei
einer Frequenz von 5 Hz bis 200 Hz
erzeugt wird, messtechnisch zu erfassen und daraus den Schwingweg
zu berechnen.
Realisierung
Das nötige Messsystem wurde in
zwei Teilaufgaben gegliedert: Erstens die Entwicklung einer analogen
Vorverarbeitung, welche das sehr
kleine Sensorsignal verstärkt, amplituden- und bandbegrenzt und anschliessend mit einem 24-Bit SigmaDelta ADC digitalisiert. Die zweite
Teilaufgabe beinhaltet die Entwicklung der gesamten digitalen Signalverarbeitung, die auf einem Floating
Point DSP ausgeführt wird. Eine besondere Anforderung ist die variable
Eingangsfrequenz. Damit die digitalen Filter immer optimal auf die Eingangsfrequenz angepasst sind, wird
ein FIR-Bandpassfilter eingesetzt,
dessen Filterkoeffizienten bei Änderungen der Eingangsfrequenz auf
dem DSP automatisch neu berechnet werden. Aus dem gefilterten Eingangssignal wird anschliessend der
Schwingweg berechnet und auf
einem Display dargestellt.
ti.bfh.ch
Marco Beffa
101
BI BE BU VA
Modernisierung der Triebwagensteuerung der BOB
Eisenbahntechnik / Betreuer: Prof. Markus Moser
Experte: Felix Kunz
Projektpartner: Berner Oberland-Bahnen, Zweilütschinen
Die Berner Oberland-Bahn fährt schon seit dem frühen 20. Jahrhundert mit elektrischen Triebwagen die
Stecke Interlaken Ost – Grindelwald – Lauterbrunnen. Seit dem Jahr 1985 setzt die BOB drei Triebwagen
des Typs ABeh 4/4ll ein, um die Fahrgäste sicher an ihr Ziel zu bringen. Die bestehende Steuerung der
Fahrzeuge ist als Racksystem mit Einschubkarten aufgebaut. Die Elektronik kommt langsam ans Ende Ihres
Lebenszyklus. Aus diesem Grund muss eine neue, moderne Steuerung für den Triebwagen entwickelt
werden.
Sascha Berger
sascha_ [email protected]
Ausgangslage
Im Rahmen einer früheren Bachelor
Thesis wurde eine Hardware entwickelt, welche die gleichen Abmessungen wie die alte Steuerung aufweist. Auf diese Weise kann die alte
Steuerung ausgebaut, und die
neue eingebaut werden, ohne die
Infrastruktur des Triebwagens zu
verändern. Zusätzlich wurde eine
erste Fahrfunktion programmiert.
In einem zweiten Schritt sollen nun
die gesamten Funktionen der alten
Steuerung analysiert und in die
neue SPS-Steuerung implementiert
werden.
Dominik Eichenberger
[email protected]
BOB ABeh 4/4 ll 313
Modernisierung der alten Steuerung
102
ti.bfh.ch
Ziel
Die wichtigsten Funktionen des
Triebwagens sind das Fahren und
Bremsen. Eine Besonderheit des
Bremsmodus ist die Möglichkeit
der Rekuperation. Dabei wird die
elektrische Energie, welche während des Bremsens erzeugt wird,
nicht mithilfe von Bremswiderständen in Wärme umgewandelt, sondern in die Fahrleitung zurückgespeist. Zusätzlich muss eine
Vielzahl von speziellen Funktionen,
wie das Verhalten beim Durchdrehen einer Achse (ASR) oder der
kurzzeitige Verlust der Fahrleitungsspannung verarbeitet werden.
stand lässt sich so der gewünschte
Fahrmodus auswählen. Die Simulation übernimmt die Berechnung
der Motorenströme, Zug- und
Bremskraft sowie der Geschwindigkeit des Zuges. So kann das
Verhalten des Prototyps im Labor
getestet und verbessert werden.
Nach erfolgreichen Laborversuchen, führten wir verschiedene
Testfahrten mit einem Triebwagen
ABeh 4/4ll auf dem Depotgelände
der BOB in Zweilütschinen, sowie
auf der Doppelspurstrecke durch.
Während diesen Tests konnten die
Fahr- und Bremsfunktionen erfolgreich getestet werden.
Realisierung
Bevor mit dem Entwickeln der
Steuerung begonnen werden konnte, mussten wir uns intensiv in das
Fachgebiet der Eisenbahntechnik
vertiefen, erst danach wurde mit
dem Realisieren begonnen. Damit
wir in unserem Labor die Fortschritte der Software auch realistisch
testen konnten, entwickelten wir
einen Simulator, welcher sich wie
der Triebwagen ABeh 4/4ll verhält.
Über ein Bedienpult mit einem
Fahrschalter analog zum Führer-
Ausblick
Im Rahmen der Thesis konnte ein
einheitliches Konzept der Software
erstellt und erfolgreich getestet
werden. Um die Steuerung allerdings im alltäglichen Personenverkehr benutzen zu können, müssen
noch zusätzliche Testfahrten mit
Personenwagen durchgeführt, und
diverse Parameter angepasst werden. Zusätzlich muss die Hardware
und Software der Steuerung noch
durch das Bundesamt für Verkehr
abgenommen werden.
BI BE BU VA
GECKO4 Logic Analyzer and Pattern Generator
Digitaltechnik / Betreuer: Prof. Dr. Theo Kluter
Experte: Felix Kunz
Heutzutage gewinnen FPGAs in digitalen Schaltkreisen immer mehr an Bedeutung. Sie erlauben vielseitige
und flexible Anwendungen im Bereich von Echtzeit-Datenverarbeitung oder von System-on-Chip-Design.
Der GECKO4 ist eine FPGA-Plattform, die eine Umgebung für FPGA-basierte Entwicklungen zur Verfügung
stellt. Eine anwendungsspezifische Schaltung wird auf einem Zusatzmodul für den GECKO4 realisiert. Damit kann der GECKO4 in beliebige Anwendungen eingebettet werden und das FPGA als zentrales Steuerund Verarbeitungselement eingesetzt werden.
Chasper Buchli
[email protected]
Motivation
Logic Analyzer werden für die
Überprüfung und die Analyse von
digitalen Schaltungen aller Art verwendet. Sie erlauben eine umfangreiche Überwachung von digitalen Signalen, wie sie heute
in nahezu allen elektronischen
Schaltungen vorkommen. Für die
Überprüfung einer Schaltung ist
es oftmals nötig, diese mit Signalen anzuregen. Pattern Generatoren bilden jeweils einen Teil eines
Logic Analyzers und ermöglichen
die Erzeugung und die Ausgabe
von solchen Anrege-Signalen.
Auftrag
Für den GECKO4 wird eine Schaltung entwickelt, die es erlaubt ihn
als PC-gekoppelter Logic Analyzer mit integriertem Pattern Generator einzusetzen. Die GECKO4
Logic Analyzer-Schaltung bildet
die Schnittstelle zwischen der Verarbeitungslogik und der zu testenden Schaltung. Die Aufgabe der
Schaltung ist, die Signale der Prüflingsschaltung für eine Erfassung
und Verarbeitung aufzubereiten,
beziehungsweise Anrege-Signale
an die Schaltung auszugeben.
Realisierung
Die entwickelte Schaltung weist
16 Eingangskanäle für den Logic
Analyzer und 8 Ausgangskanäle
für den Pattern Generator auf. Neben den logischen Zuständen
High und Low, ermöglicht die
Schaltung auch die Erkennung
des hochohmigen Zustands einer
Signalleitung.
Aufgrund der vielen Bauteile und
dem beschränkten Platzverhältnissen, erwies sich die Realisation
der Schaltung als eine echte Herausforderung. Die fabrizierte Lei-
GECKO4 Logic Analyzer - Board (54mm x 85.5mm)
104
ti.bfh.ch
terplatte wurde erfolgreich bestückt und ein Stück weit in
Betrieb genommen. Für diese Aufgabe wurde ein FPGA-Design entwickelt um das Board konfigurieren zu können.
Ausblick
Um den GECKO4 Logic Analyzer
als solchen einsetzen zu können,
wird zunächst ein FPGA-Design
für den GECKO4 benötigt, das die
Signale vom Logic Analyzer-Board
erfasst. Die erfassten Daten müssen dann über USB zum PC geschickt werden, an dem eine Benutzeranwendung die Signale
darstellt. Diese Anwendung wird
zudem die Bedienung des GECKO4 Logic Analyzers ermöglichen.
Eine interessante Möglichkeit für
die Anwendung des Logic Analyzers ist, das System mit einem
Logik-Simulationsprogramm zu
koppeln und auf diese Weise die
Simulationen mit bestehender
Hardware zu kombinieren.
BI BE BU VA
Digitaler VHS-Videodemodulator
Digitale Signalverarbeitung / Betreuer: Prof. Dr. Rolf Vogt
Experten: Martin Zehnder, Hugo Ziegler
Projektpartner: Hochschule der Künste, Bern
Nebst Bild und Ton stellt Film in unserer modernen Gesellschaft ein wichtiger Teil in unserer Kulturlandschaft
dar. Kunstmuseen und Fernsehstationen halten daher grosse Filmarchive mit Aufzeichnungen von künstlerischem oder informativem Charakter. Solche Aufnahmen sind auf Videokassetten gespeichert, welche nun
ein kritisches Alter erreichen. In unserer Bachelor-Thesis haben wir ein System entwickelt, welches aufgrund
seines besonderen Konzepts – verglichen mit herkömmlichen Lösungen – mehr Flexibilität bei der Digitalisierung von Videobändern bietet.
Ausgangslage
Als Träger des Films dienen
Bänder, welche in Videokassetten
aufgerollt sind. Diese Bänder
be stehen meist aus einem Kunststoffträger mit magnetischer Beschichtung. Diese Bänder haben
eine beschränkte Lebensdauer,
welche nun bereits erreicht ist
oder bald erreicht sein wird.
Um Filmaufzeichnungen für die
Zukunft zu archivieren, werden die
Bänder abgespielt und digitalisiert. Dabei wird bei heutigen
Transfers das Videosignal mittels
originaler analoger Elektronik ausgelesen und abgespeichert. Die
Problematik dabei ist, dass die
alten Abspielgeräte justiert werden müssen und sehr unterhaltsintensiv sind. Eine Justierung mit
alten Videobändern ist aber teilweise nicht mehr möglich, da einige Bänder heutzutage nur noch
ein einziges Mal abgespielt wer-
den können. Das Bandmaterial ist
qualitativ derart degradiert, dass
sich die Rückseitenbeschichtung
teilweise löst und an den Videoköpfen haften bleibt. Dies führt zu
einem grösseren Abstand zwischen Videokopf und Band, was
sich in der Bild- und Tonqualität
niederschlägt.
Für diese Bachelor-Thesis arbeiteten wir eng mit Flo Kaufmann,
Hochschule der Künste Bern, zusammen. Er ist dort im Bereich der
Videorestaurierung tätig. Als Experte der analogen Videotechnik,
war er unser Ansprechpartner für
Fragen aus diesem Bereich.
Einzelbild einer digitalisierten Aufnahme
Systemübersicht der Aufzeichnung
Realisierung
Durch das direkte Abgreifen des
modulierten Signals am Videokopf
kann die analoge Signalkette erspart und das Nachjustieren der
Abspielgeräte ausgelassen werden. Am Videokopf wird das Signal abgetastet und danach gefiltert, digital demoduliert sowie als
PAL-Signal abgespeichert. Das
PAL-Signal liegt normalerweise am
Ausgang eines Videorekorders
vor. Aus den gespeicherten Daten
stellen wir das Bild dar und speichern es in einem digitalen Videoformat ab. Die gesamte Verarbeitungskette sowie ein Resultat der
Aufzeichnung sind auf den Grafiken ersichtlich.
Mit diesem System ist es momentan möglich, einen Film auf einer
VHS-Kassette in Graustufen zu
digitalisieren.
Ausblick
Das realisierte System ist herkömmlichen Systemen qualitativ
noch unterlegen. Wichtige Punkte
einer Weiterentwicklung sind die
Verbesserung des Rauschabstandes, das Erreichen einer stabilen
Synchronisation des Bildes (horizontal und vertikal) sowie die Digitalisierung der Farbinformationen.
Da das abgetastete Video in Form
von Rohdaten vorliegt, ist es möglich, beliebige Korrekturen und
Nachbearbeitungen am Signal zu
realisieren. Dabei ist es im Vergleich zu analogen Geräten nicht
nötig, dies in Echtzeit durchzuführen. So können Vorteile in Handhabung und Qualität erreicht
werden.
ti.bfh.ch
Samuel Kreuzer
[email protected]
Christoph Bühlmann
buehlmann.christoph
@gmail.com
105
BI BE BU VA
Urban Pedestrian Navigation
Navigationstechnik / Betreuer: Prof. Peter Raemy
Experte: Armin Blum
Seit vielen Jahren leistet das GPS-System gute Dienste in der Navigation, doch in urbanen Gebieten oder
in Gebäuden funktioniert das GPS-System nicht zuverlässig. Durch Reflexionen und schlechten Signalempfang kann die Position erheblich von der tatsächlichen Position abweichen oder gänzlich fehlen. Seit kurzem
sind günstige und kleine Trägheitssensoren erhältlich. Mit Hilfe dieser Sensoren wird ein Navigationssystem
entwickelt, welches ohne GPS auskommt.
Lukas Bühlmann
[email protected]
Sandro Burn
[email protected]
Alle Beschleunigungen und Drehungen werden gemessen und
durch Integration wird die Position
ermittelt. Die Messwerte der Beschleunigungs- und Drehsensoren
werden in der Entwicklungsphase
per Bluetooth zu einem Computer
gesendet. Dort wird mit Hilfe eines
Strapdown-Algorithmus’ und der
Schritterkennung der zurückgelegte Weg ermittelt. Schliesslich wird
die Bewegung grafisch dargestellt.
Ausgangslage
In der vorangegangenen Projektarbeit wurde der Strapdown-Algorithmus analysiert und optimiert.
Weil ein neuer, höher auflösender
Sensor verwendet wird, waren Anpassungen in den Berechnungen
erforderlich. Zudem musste die
Genauigkeit des Algorithmus’ verbessert werden. Bei einer Trägheitsnavigation vergrössert sich
der Fehler proportional zum Quadrat der verstrichenen Zeit. Um die
Integrationszeiten kurz zu halten,
wird jeweils nur ein Schritt gemessen und die einzelnen Schritte werden aufsummiert.
Die Sensoren sind mittlerweile so
klein, dass wir sie bei den Versuchen in
einem Schuh unterbringen konnten.
106
ti.bfh.ch
Realisierung
Der Strapdown-Algorithmus wurde
untersucht und auf den neuen
Sensor eingestellt. Es wurde eine
automatische Kalibrierung, eine
Lageerkennung und eine Schritterkennung entwickelt. Die Kalibrierung dient dazu, die vorherrschenden Umwelteinflüsse zu erfassen.
Die Lageerkennung ermittelt aus
den drei Accelerometern die Lage
während des Starts. Somit muss
nicht mehr darauf geachtet werden, dass der Sensor aus einer
horizontalen Lage gestartet wird.
Durch das Auf-Integrieren entstehen Drifts. Je länger man integriert,
umso grösser wird dieser Fehler.
Durch die Schritterkennung können wir die Integrationszeit auf einen Schritt beschränken. Beim
Absetzen des Fusses steht der
Schuh kurz still. Dies nutzen wir,
um die Geschwindigkeit zurückzusetzen und die Lagewinkel neu zu
berechnen. Der Algorithmus wurde
in Simulink programmiert. Um unser Programm genau zu analysieren, wurde eine Java-Applikation
entwickelt, welche die berechneten
Werte in 3D darstellt. So kann zu
jedem Zeitpunkt die Position und
die Lage des Sensors betrachtet
werden.
Wir können mit dem Sensor
und unserem Simulink-Programm
Schritte auf einige Zentimeter genau erfassen. In der Horizontalen
sprechen wir von 5 – 10 cm, in der
Vertikalen kann die Abweichung
je nach Sensor und Kalibrierung
10 – 15 cm betragen.
Flussdiagramm des Strapdown-Algorithmus’, dient zur Berechnung der
Position und Lage.
Visualisierungsmöglichkeiten,
Java-Applikation und Android-App mit
Google Maps.
Ausblick
Im nächsten Schritt wird eine neue
Hardware entwickelt, welche zusätzlich einen Kompass enthält.
Die neue Hardware enthält zudem
einen schnelleren Prozessor, um
höhere und genauere Abtastraten
zu erzielen. Mit einem Kompass
kann die Richtung bestimmt und
somit die Genauigkeit der Navigation erhöht werden. Dann wird es
möglich sein, den zurückgelegten
Weg in «Realtime» auf der Karte zu
visualisieren.
BI BE BU VA
Ereigniserkennung mittels Körperschall
Akustik / Betreuer: Prof. Peter Raemy
Experte: Armin Blum
Projektpartner: Cab Engineering GmbH, Kriessern
Als Körperschall wird Schall bezeichnet, welcher sich in Festkörpern ausbreitet. Körperschallanalyse wird
seit Jahren erfolgreich z. B. zur Früherkennung von Schäden an Maschinenteilen eingesetzt. Kleinste mechanische Schäden wie Haarrisse oder Abnützungen zeigen sich im Frequenzspektrum lange bevor grössere Schäden auftreten. Der Industriepartner möchte dieses Prinzip auch zum Erkennen von Diebstählen
und Einbrüchen anwenden.
Ausgangslage
Da während der Bachelor Thesis
kein geeignetes Objekt für Messungen zur Verfügung steht, wird als
Modell ein altes Kippfenster verwendet. Der Öffnungsvorgang eines Kippfensters hat vergleichbare
Eigenschaften mit jenem des Original-Objekts. Die Aufgabe besteht
nun darin, das Öffnen dieses Kippfensters zuverlässig zu erkennen.
Realisierung
Messsystem
Der Systemaufbau des Messsystems ist in Abbildung 1 dargestellt,
der Körperschallsensor besteht
aus einer Piezofolie, die mittels
doppelseitigem Klebeband auf der
Fensterscheibe befestigt wird. Er
wandelt Körperschallwellen in
elektrische Signale um, welche anschliessend verstärkt und gefiltert
werden. Die Analog/Digital-Wandlung erfolgt mit der im PC integrierten Soundkarte. Die Signalanalyse
wird anschliessend mit Matlab
(Mathematikprogramm für numerische Berechnungen) durchgeführt.
Abb. 1: Systemaufbau Messsystem
Ereigniserkennung
Das Prinzip der Ereigniserkennung
ist in Abbildung 2 illustriert. Grundsätzlich gliedert sich der Vorgang
in eine Lern- und Arbeitsphase. In
der Lernphase (Abbildung 2 oben)
werden 40 Öffnungsvorgänge aufgenommen und mit der Fast Fourier Transformation (FFT) in ihre
Spektralanteile zerlegt, anschliessend wird durch Überlagerung
der einzelnen Frequenzspektren
ein Referenzspektrum erzeugt.
Dieser Prozess muss nur einmal,
bei einem neuen Messobjekt, ausgeführt werden. In der Arbeitsphase wird das Messsignal des Vorgangs (öffnen, schliessen, etc.)
eingelesen und ein Messspektrum
erzeugt. Durch Korrelation von Referenz- und Messspektrum resultiert ein Wert zwischen 0 und 1,
welcher die Ähnlichkeit der beiden
Spektren und damit die Ähnlichkeit der Signale ausdrückt. Eine,
aus Erfahrungswerten festgelegte,
Schwelle entscheidet, ob das
Messsignal dem Referenzspekt-
rum zugeordnet werden kann und
somit dem gesuchten Öffnungsvorgang entspricht
Ausblick
Es konnte gezeigt werden, dass
die Ereigniserkennung des Öffnungsvorgangs (Modell Kippfenster) realisierbar ist, dies gilt als
Grundlage für weitere Entwicklungen. Die Ereigniserkennung wird
momentan noch auf dem PC
durchgeführt, später soll diese mit
einem batteriebetriebenen Kleinsystem erfolgen. Dazu müssen
allerdings die in Matlab entwickelten/verwendeten Algorithmen auf
ein Mikroprozessorsystem übertragen werden.
Gion Andri Clalüna
[email protected]
Abb. 2: Funktionsprinzip der Ereigniserkennung
ti.bfh.ch
107
BI BE BU VA
Surveillance de chiens de protection
Télémétrie par le réseau mobile / Directeur de thèse: Prof. Claude Brielmann
Expert: Prof. Jean-Philippe Nicolet
Partenaires du projet: OFEV/HESA, Berne/Zollikofen
L’association pour la protection des troupeaux souhaiterait réintroduire le chien de protection pour la surveillance des troupeaux de vaches ou de moutons, en particulier la nuit. Actuellement, la loi n’autorise pas
de laisser des chiens dans la nature sans surveillance. L’Office Fédéral de l’Environnement (OFEV - BAFU)
est prêt à contribuer au développement d’un dispositif électronique de surveillance pour évaluer l’efficacité
d’une surveillance électronique. Le mandat a été confié à la HESB.
Gabriel Da Silva Cardoso
[email protected]
Luis Filipe Silva Costa
[email protected]
Introduction
La surveillance et la localisation des
chiens de protection des troupeaux
font l’objet d’une attention particulière de la part de l’OFEV. En effet,
le loup ayant été réintroduit en
Suisse, une surveillance plus accrue des troupeaux est nécessaire.
Le développement du dispositif
électronique en question, à implémenter sur le collier du chien, permettrait à son propriétaire de le
localiser à n’importe quel moment
en temps réel et de visualiser l’historique de ses déplacements. En
outre, le recueil d’informations supplémentaires tels que l’activité et
les aboiements du chien permettrait à la Haute Ecole d’Agronomie
de Zollikofen (HESA) de mener des
études comportementales. Lors
des dix semaines précédant le
mémoire du Bachelor, nous avons
développé le hardware du système
embarqué et établi les spécifica-
tions du système avec nos mandataires. Le mémoire de Bachelor
comprend le développement du
logiciel du système embarqué, ainsi que le développement d’applications client et serveur.
Fonctionnalités
Le système embarqué est muni
d’un module combiné GSM/GPS,
d’un système de détection d’aboiements, d’un accéléromètre ainsi
que d’un microcontrôleur. Il fonctionne selon deux modes de surveillance : le mode «Watch» et le
mode «Live». Le premier propose
une surveillance avec des paramètres variables telles que la fréquence d’acquisition des données
GPS et la fréquence de remontée
des données au serveur. De plus, à
l’aide de la carte géographique disponible sur l’application client, un
ou plusieurs périmètres de surveillance sont configurables. L’utilisa-
teur sélectionne les différentes
alarmes SMS qu’il désire recevoir
et une fois les nouveaux paramètres configurés, les nouvelles
configurations sont transmises à un
serveur sur lequel est connecté un
module GSM qui enverra un SMS
de configuration au système embarqué. Finalement, le mode «Live»
permet de visualiser sur l’application cartographique les déplacements du chien en temps réel pendant une durée de 60 secondes.
Système intelligent et
consommation d’énergie
L’un des grands défis de ce projet
est de minimiser la consommation
en courant à l’aide d’un système
intelligent et de garantir une autonomie maximale. En effet, la présence d’un accéléromètre permet
de détecter les périodes d’activités
et d’inactivités du chien et ainsi de
faire entrer le système dans un
mode basse consommation. En
outre, la quantité de données transmises par GPRS sur le serveur est
réduite au strict nécessaire en supprimant les données redondantes
Résultats
La réalisation du projet a abouti à
un système prêt à être testé en
conditions réelles sur un chien et
garantissant
une
autonomie
moyenne en usage standard de
plus de 40 jours avec une batterie
de 6.75Ah.
Schéma fonctionnel
108
ti.bfh.ch
Elektro- und Kommunikationstechnik
BI BE BU VA
Solaranlage Hüttengraben
Elektrische Energietechnik / Betreuer: Prof. Urs Muntwyler
Experte: Dr. Rudolf Minder
Projektpartner: Baugenossenschaft Zurlinden, Zürich
Die Baugenossenschaft Zurlinden aus Zürich plant die Wohnüberbauung Hüttengraben 2-16. Damit die
Gebäude den Grundsätzen des SIA-Lehrpfads 2000 Watt-Gesellschaft entsprechen, muss pro Haus eine
Photovoltaikanlage installiert werden, welche 9500 Kilowattstunden pro Jahr erzeugt.
Ausgangslage
Die 8 Häuser haben sehr komplexe Formen mit 2 unterschiedlichen Dachniveaus. Diverse
Dachdurchdringungen und ein
2500 Millimeter hoher Liftschacht
machen einen grossen Teil der
Dachfläche nicht nutzbar. Da nur
2 dieser Gebäude identisch sind,
müssen bei jeder Variante 7 verschiedene Dachformen betrachtet
werden.
Aufgabe und Resultate
In der Bachelor Thesis wurden 3
unterschiedliche Varianten erarbeitet. Die Module wurden auf den
Dächern den Verschattungsverhältnissen entsprechend optimal
angeordnet. Es wurde ein Verkabelungskonzept mit Wechselrichter-Verschaltung erstellt. Eine
Ertrags- und Wirtschaftlichkeitsrechnung wurde durchgeführt. Pro
Ausrichtungsvariante gibt es noch
einzelne Optionen mit unterschiedlichen Verschaltungen und
Wechselrichtern (WR).
Die Variante 1, Südausrichtung,
wird mit kristallinen Zellen und 3
Wechselrichterkonfigurationen
beschrieben. Mit dem Fronius IG
Plus 35-Wechselrichter (WR) ist
die Amortisationszeit am längsten.
Beim PIKO 10.1-WR mit 3 MPPTrackern sind die Installationskosten tief. Mit den 3 StecaGrid 3600WR ist der Wirkungsgrad sehr
hoch.
Auch bei der zweiten Variante,
Ost- Westausrichtung, kommen
kristalline Zellen und unterschiedliche WR zum Einsatz. Bei der Option mit dem Fronius IG 30-WR
wird der grösste Jahresenergieertrag erzeugt.
Die Variante 3, Ausrichtung am
Dachrand, ist sehr unkonventionell. Auf den 8 Gebäuden gibt es
13–15 verschiedene Ausrichtun-
gen. Es wurden 3 Optionen angewendet, jedoch scheiterten alle.
Diese Variante wird nicht empfohlen.
Nach dem Beschrieb der einzelnen Varianten wurde eine Bewertung durchgeführt, bei der alle
Optionen miteinander verglichen
wurden. In Einbezug der unterschiedlichen Einflussfaktoren wie
Kosten, Verschaltung usw. wurde
die Ost- Westausrichtung mit den
galvanisch getrennten Fronius IG
30-WR gewählt. Sie erzeugt am
meisten
Jahresenergie
mit
11 084 kWh bei Installationskosten
von 42 890.40 Schweizer Franken.
Die Anlage ist nach 10 Jahren gewinnbringend amotisiert und
bringt nach 25 Jahren einen Erlös
von 92 845 Fr. pro Haus ein.
Michael Diethelm
[email protected]
Fazit
Der Ertrag von mindestens
9500 kWh konnte mit der Südwie auch mit der Ost- West-Ausrichtung mit kristallinen Solarmodulen erreicht werden. Die
Ausrichtung am Dachrand der
Solarmodule ist nicht empfehlenswert.
Überbauung Hüttengraben, Südausrichtung
ti.bfh.ch
109
BI BE BU VA
Realisierung eines DVB-S2 Coders
Informations- und Kommunikationstechnologien / Betreuer: Prof. Dr. Rolf Vogt
Experten: Hugo Ziegler, Martin Zehnder
Projektpartner: ENKOM INVENTIS AG, Gümligen
In nicht anderweitig versorgten Gebieten stellt der Internetzugriff via Satellit die einzige Möglichkeit dar,
«online» zu sein. Zu diesem Zweck sieht der Standard für das digitale Fernsehen, «Digital Video Broad casting
via satellite, second generation» (DVB-S2), einen Daten-Rückkanal via Satellit vor. In dieser Bachelor-Thesis
wurde anhand des DVB-Standards ein Signalgenerator/Simulator entwickelt, welcher es erlaubt, ein ideales
Satellitensignal zu erzeugen, mit welchem später professionelle Empfänger getestet werden können.
Marco Dubach
[email protected]
079 723 91 29
Cyril Zwahlen
c_ m_ a_ i_ [email protected]
Ziel
Unser Projektpartner möchte in
naher Zukunft einen professionellen DVB-S2 Empfänger entwickeln. Dieser soll vor Ort die
Empfangsqualität messen. Im Gegensatz zu herkömmlichen Messeinrichtungen soll nicht nur eine
Leistungsmessung erfolgen. Der
Empfänger muss auch in der Lage
sein, das Signal korrekt zu demodulieren um die Bitfehlerrate zu
ermitteln. Für dessen Realisierung
wird zu Testzwecken ein Modulator benötigt, welcher das Symbol
im Basisband korrekt simuliert.
In dieser Bachelor Thesis soll ein
vollwertiger DVB-S2 Simulator
entwickelt werden. Die dazu erzeugte Software soll im Anschluss
Hardware ansteuern, welche das
physikalische Signal generiert.
Anhand dieses Signalmodulators
wird unser Projektpartner in der
Lage sein, einen Empfänger zu
entwickeln, welcher nicht nur eine
Leistungsmessung durchführt,
Simulation des Systems
110
ti.bfh.ch
sondern auch ein Signal korrekt
decodiert.
Vorgehen
Mit Hilfe des genormten Standards für digitales Fernsehen
wurde in einem ersten Schritt die
Thematik kennen gelernt. Anschliessend wurde ein geeigneter
Signalgenerator ausgewählt, welcher die Spezifikationen des internationalen Standards erfüllt. Ein
wichtiges Kriterium bei der Auswahl war die hohe Bandbreite, mit
der komplexe Signale gesendet
werden. Als besondere Herausforderung galt der Umgang mit den
hohen Datenraten.
Damit ein korrekt moduliertes Signal gewährleistet werden kann,
wurden ein Signalmodulator, sowie ein Signaldemodulator jeweils
von einem Studenten entwickelt.
Dadurch war es möglich, das System Schritt für Schritt zu simulieren und auf Fehler zu prüfen. Folglich wurde aus der Simulation des
Modulators eine Software erzeugt,
welche die Signaldaten dem Signalgenerator zuführt.
Resultat
Wir konnten erfolgreich einen Modulator und einen Demodulator für
DVB-S2 Signale entwickeln. Dank
unserer Vorgehensweise, konnten
wir das System auf dessen korrekte Funktionalität prüfen. Die Software wurde mit Erfolg aus der
Simulation gebildet. Es wurde ein
Signalgenerator ausgewählt, welcher unseren Anforderungen gerecht wird. Tests haben bestätigt,
dass dieser die Signale mit der
geforderten Bandbreite erzeugen
kann und somit für unser System
geeignet ist.
Blockschaltbild der DVB-S2 Technologie
BI BE BU VA
Führerstand-Simulator für das Albula-Museum
Eisenbahntechnik / Betreuer: Prof. Dr. Hansjürg Rohrer
Experte: René Buser
Projektpartner: Bahnmuseum Albula, Bergün
Am 1./2. Juni 2012 wurde das Bahnmuseum Albula in Bergün eröffnet. Für das Museum wurde im Rahmen
dieser Bachelor-Thesis ein Fahrsimulator für eine Krokodillokomotive Ge6/6 sowie ein Bremssimulator entwickelt. Der Fahrsimulator befindet sich direkt in der Lokomotive, welche vor dem Museum steht und wird
mittels der originalen Führerstandelemente bedient. Der Bremssimulator steht den Besuchern im Innern des
Museums zur Verfügung. Die Erfassung der Hardwarekomponenten sowie die Programmierung der SPSSteuerung waren die Hauptbestandteile dieser Arbeit.
Ausgangslage
Ziel war es, einen Fahrsimulator
einer Ge6/6 zu realisieren. Bei dieser Lokomotive handelt es sich um
eine Krokodillok aus dem Jahr
1922. Der Simulator befindet sich
direkt im Führerstand und obwohl
die Lokomotive nicht mehr fahrtüchtig ist, soll sie so weit wie
möglich im Originalzustand belassen werden. Sie befindet sich vor
dem Bahnmuseum Albula in
Bergün und ist gleichzeitig eine
der Attraktionen dieses Museums.
Ebenfalls Teil dieser Arbeit ist die
Realisation eines Bremssimulators, welcher sich im Innern des
Museums befindet.
Eine der Aufgaben war es, die
Hardwarekomponenten elektrisch
zu erfassen. Weiter wurde eine
SPS-Steuerung eingesetzt, um die
erhaltenen Signale zu verarbeiten
oder Elemente anzusteuern. Die
SPS dient gleichzeitig als Schnittstelle zwischen der Hardware und
der Software, welche auf einem
Windows- PC abläuft.
Realisierung
Zu Beginn der Arbeit wurde der
Fahrkontroller ausgebaut und
nach Biel geschickt. Im Labor
wurde nach geeigneten Lösungen
für die Erfassung der Fahrstufen
sowie der Positionen für den Pantoschalter (Stromabnehmer) und
den Wendeschalter gesucht. Für
beide Schalter fiel die Entscheidung auf Hallsensoren. Diese sind
preiswert, zuverlässig und können
direkt auf die digitalen Eingänge
der SPS geführt werden. Auch bei
den Fahrstufen wurde nach einer
kontaktlosen Variante gesucht.
Schliesslich wurde ein Linearge-
ber eingesetzt, der ebenfalls nach
dem Hallprinzip funktioniert. Gespiesen mit einer 24V-Spannung
liefert er ein analoges Signal zwischen 0 und 5V. Somit kann auch
dieses Signal ohne Probleme auf
einen analogen Eingang der SPS
geführt werden.
Alle weiteren Komponenten waren
bereits elektrisch erfasst oder es
waren weitere Sensoren vom Projektpartner SysEngineer vorinstalliert worden.
Mit den Ausgängen der SPS wurden folgende Komponenten angesteuert: Der EC- Motor (elektrisch
kommutierter Motor), welcher den
original Tacho antreibt, die Anzeigen für diverse Volt- und Amperemeter, diverse Relais für 230VVerbraucher oder für Lampen, die
mit 24V betrieben werden.
Die Simulationssoftware Locsim
wurde von unserem Dozenten
Herr Dr. Hansjürg Rohrer realisiert.
Die Kommunikation vom PC zur
SPS erfolgt über eine RS232Schnittstelle.
Kevin Eggen
[email protected]
Alain Felder
[email protected]
Resultate und Ausblick
Sowohl der Fahrsimulator der Lokomotive als auch der Bremssimulator konnten während der Bachelor-Thesis in Betrieb genommen
werden. In einer weiteren Etappe
sind Erweiterungen bezüglich der
Vakuumbremse geplant, welche
im Moment noch nicht berücksichtigt wurde.
Krokodillok vor dem Bahnmuseum
Führerstand mit Simulator
ti.bfh.ch
111
BI BE BU VA
Gateway for Home Automation Systems
Domotique / Directeur de thèse: Prof. Claude Brielmann, Prof. Peter Aeschimann
Expert: Jean-Philippe Nicolet
Partenaires de projet: Biviator AG, Möringen
L’installation d’un système domotique post construction peut être gênante et onéreuse avec des câbles
spéciaux qui traînent dans toute la maison. Les systèmes de réhabilitation sont essentiellement financés
par de riches propriétaires pour leur appartement au centre ville ou leur résidence secondaire.
Afin de tirer profit du potentiel de marché, les fabricants de domotique devraient développer des systèmes
et des composants qui font appel à des protocoles de communication sans fil. Ces systèmes devraient être
à basse tension, fiables et avoir une forte compatibilité.
Mohammed Fonseca
Boukhalat
[email protected]
112
Introduction
Le mot domotique, contraction
du mot domus (latin: domicile) et
du suffixe tique (en rapport avec
l’électronique et l’informatique) est
l’ensemble des techniques utilisées dans les bâtiments (immotique) et plus particulièrement les
maisons individuelles, visant à
apporter des fonctions de:
– sécurité (alarmes, caméras IP et
autres équipements de télésurveillance),
– confort (configuration de scénarios, mobilité des commandes),
– gestion d’énergie (automatisation du chauffage et de la climatisation),
– communication (gestion à distance, commande par voix).
digitalSTROM (dS) est un système domotique qui communique
en mode courant porteur en ligne
avec les appareils électriques reliés au réseau 230V au travers de
composants-passerelles. dS est
intéressant du fait qu’aucun bus
dédié ne doit être installé. Ce système possède un serveur qui communique avec les appareils électrique et avec le réseau informatique
Déroulement
Pour commencer par étudier les
deux standards à différent niveau
d’abstraction, afin de comprendre
Système digitalSTROM
Composants EnOcean
ti.bfh.ch
via TCP/IP. Il permet de visualiser
la consommation d’énergie des
appareils et de les gérer depuis
internet.
EnOcean (EnO) est un ensemble
de produits communiquant par fréquence radio. La particularité de
ces produits est qu’ils intègrent
des éléments qui captent l’énergie
ambiante et permettent à un circuit
transmetteur d’envoyer des messages radio à une station placée
jusqu’à 30 m en intérieur ou 200 m
à l’extérieur. L’avantage des produits EnOcean est qu’il ne faut pas
les alimenter avec des batteries.
Buts
Les buts de mon travail ont été de
1. étudier les deux technologies,
2. développer, en Java, les deux
interfaces de communication
avec le PC,
3. réaliser une passerelle pour
faire interagir leurs composants
ensemble.
leurs protocoles respectifs et leurs
règles de communication.
Ces connaissances m’ont ensuite
permis de développer deux interfaces de communications sous
forme d’API avec un GUI facilitant
la lecture et l’écriture dans les
deux domaines.
Pour finir, j’ai pu réaliser une légère
application me permettant d’interagir entre les domaines, en créant
des couples d’action-réaction (par
exemple Lampe1 de dS est commandée par Switch2 de Eno).
Résultat
L’interopérabilités de ces deux
standards est désormais possible
grâce aux interfaces de communication et à la passerelle. Les interfaces peuvent être facilement intégrées dans d’autres projets.
Conclusion
Établir des passerelles entres protocoles domotique ouvre des voix
vers de nouvelles fonctionnalités.
Aussi, le fait de pouvoir faire interagir des produits de différent
fabricant permettra de réduire le
prix d’une installation domotique.
Il s’agit là, sans aucun doute,
d’un domaine à fort potentiel d’innovation.
Concept de passerelle digitalSTROMEnoCean
BI BE BU VA
Direct Sequence Spread Spectrum Demonstrationsanlage
ICT / Betreuer: Prof. Alfred Kaufmann
Experte: Hans Zahnd
Direct Sequence Spread Spectrum ist ein Bandspreizverfahren, das seine Anwendung in der Telekommunikationsbranche findet. Mit diesem Verfahren ist es möglich, mehreren Benutzern gleichzeitig das Übertragen von Daten über ein breites Spektrum zu erlauben. Seine Code Division Multiple Access (CDMA)
Eigenschaften machen sich UMTS- und GPS-Systeme zu Nutzen. In dieser Bachelor-Thesis wurde eine
einfache Demonstrationsanlage für die Berner Fachhochschule für Technik und Informatik entwickelt und
realisiert, die das Prinzip des Direct Sequence Spread Spectrum veranschaulicht.
Ausgangslage
Im Jahr 2007 wurde bereits eine
Diplomarbeit von S. Riemer über
das Thema «Spread Spectrum
Empfänger für Demonstrationen»
verfasst. Diese Arbeit, respektive
die Demonstrationsanlage wurde
während der Projektstudie in ihrer
Funktion, als auch in der rein diskret aufgebauten Hardwarelösung
hinterfragt. Daraus erfolgte ein
modernisiertes Konzept, das aus
einem Spartan 3E Evaluations
Board (Xilinx) und einem HF-Board
bestand, dass das Funktionsprinzip eines DSSS-Systems dem Benutzer veranschaulicht.
Zielsetzung
Das erarbeitete Konzept sollte so
umgesetzt werden, dass dem Benutzer der Demonstrationsanlage
ein übersichtliches Human Machine Interface und mehrere Verifikationspunkte zur Verfügung stehen.
Aus diesem Grund sollen mehrere
Spreiz-Code Arten in das Design
implementiert werden, damit der
Benutzer die Möglichkeit hat, deren Unterschiede und Eigenschaften im Spektrum zu verifizieren.
Des Weiteren soll der Benutzer mit
der Demonstrationsanlage eine
Übertragungsdistanz von 5 Meter
im freien Raum überwinden können.
Realisierung
Im Laufe der Bachelor Thesis erkannte man, dass die auf dem
Spartan 3E verbauten AD- und
DA-Converter nicht den Anforderungen für ein DSSS-System
genügten. Daraus entstand ein
erneuertes Konzept für die Demonstrationsanlage, bestehend
aus dem Spartan 3E Board, einem
IO-Converter, der die Signale Digital-Analog und Analog-Digital
wandelt, und einem HF-Board,
dass die vom IO-Converter quantisierten Signale in einem höheren
Frequenzband abstrahlen und
wieder empfangen kann.
Bei der Realisierung wurde der
Sendepfad der Direct Sequence
Spread Spectrum Demonstrationsanlage priorisiert behandelt.
Verifikation / Ausblick
Mit dem realisierten DSSS-System
kann ein Direct Sequence Spread
Spectrum Signal abgestrahlt und
auf der 5 Meter abgesetzten
Gegenstation wieder empfangen
werden. Dem Benutzer der Demonstrationsanlage werden zahlreiche Verifikationspunkte und ein
handliches Human Machine Interface für die Parameterwahl zur
Verfügung gestellt.
Das System kann in einem weiteren Schritt durch ein UserdatenInterface (RS232, USB) sowie
durch ein verbessertes digitales
Basisbandfilter oder mit einer
Messfunktion im FPGA erweitert
werden. Durch diese zusätzlichen
Features wird die Anschaulichkeit
eines Direct Sequence Spread
Spectrum Signals nochmals gesteigert.
Thomas Gerber
[email protected]
+41 79 322 91 65
Direct Sequence Spread Spectrum Demonstrationsanlage
ti.bfh.ch
113
BI BE BU VA
Automated Softwaremetric for Embedded Software
Softwaremetrik / Betreuer: Prof. Dr. Elham Firouzi
Experte: Luca Haab
Projektpartner: Keymile AG, Bern
In grösseren Firmen werden diverse Management Tools zur Analyse und Überwachung der Softwarequalität eingesetzt. Die dazu verwendeten repräsentativen Werte der aktuellen Qualität werden durch diverse
Softwaremetriken erhoben, die teils einen Ursprung in den 70er Jahren finden. Durch die kontinuierlichen
Rückmeldungen der Metriken hilft es den Softwareentwicklern und deren verantwortlichen Leitern, einen
Überblick über die vorzufindende Qualität zu verschaffen. Ein möglicher Nutzen einer hohen Qualität ist die
Risikominimierung und die Kostensenkung bei Fehlerkorrekturen.
Nathanaël Grunder
[email protected]
Ausgangslage
KEYMILE ist einer der führenden
Anbieter von Datenübertragungssystemen für Betreiber von Telekommunikationsnetzen. Kunden in
über 100 Ländern vertrauen im Bereich von Multi-Service-Zugangsplattformen, sowie spezifischen
Lösungen dieser Produkte. Zum
Funktionieren der einzelnen Produkte wird eine Vielzahl an Embedded-Softwarelösungen benötigt,
die kontinuierlich mit neuen Features ausgestattet werden. Bei den
bestehenden Softwarekomponenten ist zudem einen Instandhaltungsaufwand erforderlich.
Durch das starke Anwachsen der
Anzahl von spezifischen Softwareprodukten ist der Überblick
über deren Qualität für die Manager
bis auf Stufe des Entwicklers zunehmend schwieriger zu erlangen.
Die notwendigen Informationen
werden bis zum heutigen Zeitpunkt
von Hand zusammengetragen und
aufbereitet. Die Ergebnisse dienen
dann bei einem Code Review als
Grundlage zur Entscheidung der
genaueren Betrachtung konkreter
Softwarekomponenten. Doch das
Zusammentragen und das Aufbereiten der Informationen nimmt immer mehr Zeit in Anspruch und soll
deshalb in einem Automationsprozess erledigt werden.
Ziele
Das Hauptziel galt dem Aufbauen
einer Grundinfrastruktur zur auto-
114
ti.bfh.ch
matisierten Erhebung der Softwarequalität. Diese soll in einem
weiteren Schritt die gewonnenen
Daten durch eine standardisierte
Form in dem zentralen Datenpool
ablegen. Zum Darstellen dieser Daten wird ein web basiertes Interface
benutzt.
Der gesamte Analyseprozess soll in
der Zukunft einfach erweiterbar
sein, um mit mehreren Inputquellen
arbeiten zu können. Dies gilt auch
bei den benutzten Analyse Tools
und dem Webinterface.
Vorgehen
Das Vorgehen kann in drei Untergebiete aufgeteilt werden. Die erste
Phase beinhaltet eine State-of-theArt Analyse des gewünschten Systems (Metrictool & Grafik Interface)
und betrachtet die unterschiedlichen existierenden Lösungsansätze. Hier kommen kommerzielle Lö-
sungsansätze, sowie Open Source
Tools in die engere Auswahl und
werden mit einer Nutzwertanalyse
beurteilt.
Ein weiterer wichtiger Abschnitt beinhaltet die Evaluation der Tools für
die nachfolgende Implementierung.
Die Evaluation wird auf Grund
der gewonnenen Erkenntnisse der
durchgeführten State-of-the-Art gemacht und hat direkten Einfluss auf
die letzte Phase der Realisation.
Im letzten Schritt wird der Automationsprozess als Basissystem mit
der Benutzung eines Metriktools
implementiert. Da es sich dabei um
einen Standard für ein weiterführendes System handelt, wird der Generierung eins guten Designs viel
Wert beigemessen. Die anschliessende Darstellung als Webpage
wird weniger Gewicht gegeben,
dient jedoch als Komplettierung des
Systems.
Schematische Darstellung des Systems für die automatisierte Qualitätsanalyse.
BI BE BU VA
Lautsprecherlokalisierung eines E-puck Roboters
Robotik / Betreuer: Prof. Dr. Josef Götte, Prof. Dr. Björn Jensen
Experte: Felix Kunz
Projektpartner: GCtronic, Lugano
Eine der zentralen Fragen der mobilen Robotik ist die Bestimmung des Standorts. Die Antwort auf die Frage: «Wo bin ich?» erscheint so offensichtlich und ist doch der wichtigste Bestandteil für die Planung der
meisten Roboteraufgaben. Sei es eine einfache Wegplanung oder die Erfüllung komplexer Missionen. Die
Standortsbestimmung (Lokalisierung) kann im Allgemeinen mit einer Vielzahl von Sensoren erreicht werden.
Ausgangslage
Der E-puck ist ein kleiner Roboter
für die Bildung an Universitäten
und Hochschulen. Er wurde an der
EPF-Lausanne entwickelt. Der Epuck ist ausgerüstet mit 3 Mikrophonen, die eine Schallwellenaufnahme ermöglichen. Ziel dieser
Arbeit ist es, den Standort des
E-pucks durch die Lautsprechersignale mit den roboterintegrierten
Mikrophonen zu bestimmen. In
der Umgebung werden Lautsprecher an bestimmten Orten plaziert, die definierte Signale ausstrahlen. Von der Messung der
Laufzeitunterschiede wird dann
eine erste Positionsschätzung ermittelt. Mit einer Reihe von Positionsschätzungen wird dann die
konkrete Position ermittelt. Ausserdem soll die Positionswahrscheinlichkeit graphisch dargestellt werden.
E-puck Roboter
Vorgehensweise
Zuerst wurde ein mathematisches
Modell der Lokalisierung erstellt.
Das Modell beschreibt die kreisförmige Ausbreitung der Schallwellen. Um das Modell zu testen,
wurde eine Nachbildung der Epuck Signale theoretisch erzeugt
und ausgewertet. Dann wurde das
Modell mit den reellen Daten
nochmals ausgewertet. Es wurden
bestimmte Methoden eingesetzt
um die reellen Daten zu verbessern. Es wurde als nächstes die
Markov-Lokalisierung eingesetzt,
um die Position des E-pucks zu
bestimmen, da sie eine Positionswahrscheinlichkeit erzeugt. Die
Markov-Lokalisierung unterteilt
den Bewegungsraum des Roboters in eine bestimmte Anzahl von
Zellen. Die Laufzeitunterschiede
pro Lautsprecher mit bekannter
Ausrichtung einer jeden Zelle wurden berechnet und in einer Datei
gespeichert. Die reell ausgemessenen Daten wurden dann von
den berechneten Daten abgezogen. Durch die entstandenen Ergebnisse konnte dann ein 3D Fehlerbild erstellt werden. Die Fehler
wurden mit einer Gaussverteilung
bearbeitet um eine Positionswahrscheinlichkeit zu ermitteln.
Simone Guscetti
[email protected]
Resultate
Die theoretische Nachbildung der
Signale hat gezeigt, dass es möglich ist die genaue Position des
Roboters zu bestimmen. In der
praktischen Umsetzung waren die
Ergebnisse jedoch zu ungenau.
Aber man konnte den Winkel zu
den Lautsprechern bestimmen,
und daraus dann doch noch die
ungefähre Position des Roboters
ableiten. Durch die Markov-Lokalisierung konnte dann die Positionsschätzung noch verbessert
werden.
3D Fehlerdarstellung
ti.bfh.ch
115
BI BE BU VA
Universelles Prüfsystem für SPS von Selectron
Mechatronik / Betreuer: Prof. Markus Moser
Experte: Felix Kunz
Projektpartner: Selectron Systems AG, Lyss
Es wurde ein universelles Prüfsystem entwickelt, das die Funktion von CPUs der Firma Selectron Systems
AG sowie deren Erweiterungsmodule prüft. Durch die Verifizierung der korrekten Kommunikation über
sämtliche Schnittstellen wird eine automatisierte Prüfung realisiert. Die Bedienung des Systems erfolgt von
einem Notebook aus, welches mithilfe einer Prüfbox mit dem Prüfling kommuniziert.
Philipp Gysel
[email protected]
Raphael Schertenleib
[email protected]
Ausgangslage
Geräte der Produktefamilie MAS
der Firma Selectron kommen zur
Reparatur und weisen häufig keine
Defekte auf. Die Fehler liegen
vielfach beim Kunden: falsche
Verdrahtung, Sensoren, Aktoren
defekt, SW-Fehler und dergleichen. Die Fehlereingrenzung sollte
schnell und einfach schon beim
Kunden oder beim Wareneingang
Selectron möglich sein, daher
kommt der Wunsch nach einem
universellen Prüfgerät. Im Rahmen
der Studienarbeit 1 und 2 wurden
die Steuerungssysteme der Firma
Selectron analysiert, das Prüfgerätekonzept erarbeitet und dieses
in einem Pflichtenheft definiert.
Zielsetzung
Der Hardware-Aufbau der Prüfbox
ist zu realisieren. Weiter soll der
Prüfablauf genau definiert und
eine passende Anleitung für den
Innenaufbau der Prüfbox
116
ti.bfh.ch
Anwender geschrieben werden.
Zudem wird ein Programm mit einem GUI geschrieben, um dem
Anwender eine einfache Bedienung zu ermöglichen.
Realisierung Hardware
Der Aufbau der Prüfbox setzt sich
aus Speisungsmodulen, einer
CPU und einigen Erweiterungsmodulen zusammen. Die CPU als
Herzstück des Aufbaus dient als
multifunktioneller Adapter zwischen dem Notebook und dem
Prüfling; über sie wird kommuniziert. Die Erweiterungsmodule
wurden entweder als Erweiterungsgarant verbaut oder werden
zum Erzeugen von Prüfsignalen
für die I/O-Module verwendet.
Realisierung Software
Der Prüfablauf wird durch ein
C++-Programm gesteuert, welches auf einem Notebook läuft.
Dieses nutzt ein Software-Tool der
Selectron, mit dem einfach mit der
Prüfbox kommuniziert werden
kann. Durch Einloggen auf einer
CPU via Prüfbox kann die korrekte Kommunikation verifiziert werden.
Um ein Erweiterungsmodul zu testen, wird eine Applikation auf die
CPU geladen. Diese definiert das
Verhalten der CPU. Um einen Eingang zu testen, wird der Prüfling
mit einem Ausgang der Prüfbox
verbunden. So sendet die Prüfbox
ein Signal zum Prüfling, der auf
dieses Antwortet. Analog verhält
es sich für die Prüfung von Ausgängen.
Ausblick
Das Prüfsystem wurde bewusst
modular aufgebaut. So ist gewährleistet, dass das System in
späteren Projekten weiterentwickelt werden kann. Das Programm
besitzt noch kein GUI. Ausserdem
sollte das Programm auf dem
Notebook so erweitert werden,
dass auch analogen Erweiterungsmodule getestet werden
können. Ausserdem sollte es
möglich sein, den C-Bus und
L-Bus einer CPU zu testen. Diese
Busse werden verwendet, um zusätzliche Module mit der CPU zu
verbinden.
BI BE BU VA
Linearmotorgetriebenes Pick & Place
Mechatronik / Betreuer: Prof. Max Felser
Experte: Josef Meyer Ericsson, Franz Oebels Weiss GmbH
Projektpartner: Weiss GmbH, Buchen / Deutschland
In der Automatisierungstechnik steigt die Zahl der Anwendungen, bei denen Bauteile sehr schnell gehandhabt werden müssen, stetig an. Damit stösst man in der Automation an die Grenzen pneumatischer Handhabungsmodule. Der Trend zu höherer Dynamik erfordert vermehrt den Einsatz permanentmagneterregter
Linearmotoren. Diese Arbeit stellt einerseits die Grundlagen der Linearmotortechnik vor. Andererseits sind
die Motoren einer Pick & Place- Einheit berechnet, modelliert und anschliessend ausgemessen worden.
Ausgangslage
Die lineare Antriebstechnik ist in
vielen Bereichen der Industrie anzutreffen. Beispielsweise werden
in der Automatisierungstechnik
Werkstücke auf Palletten abgelegt, Bauteile umgesetzt oder in
Werkzeugmaschinen den Schlitten. Herkömmliche Lösungen sind
in oftmals mit Servomotoren angetrieben. Die Drehbewegung
wird über Kugelgewindespindeln
oder Zahnriemen in lineare Bewegungen transformiert. Das Bedürfnis nach immer kürzeren
Zykluszeiten in der Automatisierungstechnik verlangt nach dynamischeren Antriebskonzepten.
Linearmotortechnik
Die Pick & Place-Einheit integriert
in einem kompakten Modul zwei
direktangetriebene, freiprogrammierbare Linearmotorachsen. Die
Konzentration auf wenige Bauteile
schliesst das Vergiessen der Spulenpakete in das Grundgehäuse
mit ein. Deshalb unterscheidet
sich die Bauform von herkömmlichen Linearmotorachsen. Die
Pick & Place Einheit kommt weltweit überall dort zum Einsatz, wo
dynamische Positionierungsaufgaben bei hohem Maschinenausstoss auf engem Raum gefordert
ist. In der Praxis werden bis zu
120 Zyklen pro Minute erreicht.
Haupteinsatzgebiete dieser Einheit sind etwa die Montage von
Elektronikkomponenten für Haushalt- und Automobilindustrie, in
der Uhren- und Spielwarenherstellung oder in der Medizintechnik.
durchgeführt. Die Abweichungen
von Theorie und Praxis sind detailliert und nachvollziehbar dokumentiert.
Ausblick
Die Linearmotortechnologie wird
aufgrund ihres hohen Wirkungsgrades in Zukunft deutlich an Bedeutung gewinnen. Die höhere
Dynamik, flexiblere Handhabung
und energieeffizienter Betrieb sind
die ausschlagegebenden Faktoren, dass die pneumatischen
Handhabungsmodule in Zukunft
schwer zu finden sind.
Thomas Hess
[email protected]
+41 79 610 15 83
Realisierung
Für die Pick & Place-Einheit ist ein
Simulink-Modell erstellt worden.
Zur Abbildung des Modells in
Matlab sind die Systemgleichungen eines Linearmotors hergeleitet und dokumentiert worden. Die
Linearmotorachse ist in drei Teilbereiche aufgeteilt. Der elektrische Teil beinhaltet die Spulen zur
Generierung des Magnetfelds. Der
magnetische Bereich überträgt
die im Magnetfeld vorhandene
Energie in eine lineare Kraftkomponente. Die entstehende Kraft
wiederum beschleunigt ein mechanisch gekoppeltes System.
Anschliessend an die Erstellung
des Modells wurden die Kräfte
und Ströme der Motoren berechnet. Auf einem massiven Stahlunterbau sind diverse Messungen
zur Verifikation der Motordaten
ti.bfh.ch
117
BI BE BU VA
PV-Anlage Firma Loosli AG Wyssachen
Photovoltaik / Prof. Urs Muntwyler
Projektpartner: Loosli AG, Wyssachen
Eine Photovoltaik-Anlage ist die optimale Investition für Privatpersonen und Firmen. Nebst einem finanziellen Anreiz, besticht der Betrieb einer PV-Anlage auch mit der Tatsache, dass sie einfach auf jedermanns
Dach montiert werden kann. Die gesellschaftlichen und politischen Trends deuten immer mehr in Richtung
erneuerbare Energie. Die Firma Loosli AG in Wyssachen ist interessiert, eine notwendige Dachsanierung
mit der Produktion von Solarstrom zu kombinieren.
Urs Hofer
u_ [email protected]
Andreas Vitelli
[email protected]
Ausgangslage
Die Firma Loosli & Co. AG in Wyssachen plant, die Überdachung
ihrer Produktionshalle zu sanieren
(Bild 1). Die Idee ist, die Dachhaut
so zu konzipieren, dass einerseits
passives Licht in die Halle eindringen kann und andererseits Energie
mittels Photovoltaik-Zellen erzeugt
wird. Darüber hinaus soll sichergestellt sein, dass auch im Falle starken Schneefalls kein Wasser in die
Gebäudehülle eindringt, was momentan nicht der Fall ist. Sollte es
sich aus wirtschaftlichen Gründen
aufdrängen, könnte sogar eine
bauliche Veränderung der gesamten Dachkonstruktion vorgenommen werden.
Ziel der Arbeit
Während der Projektstudie wurden verschiedene Aufdach- und
Indach-Varianten analysiert. Es
zeigte sich, dass die Aufdach-Va-
Bild 1 Ansicht Dach
118
ti.bfh.ch
riante mit monokristallinen Modulen NU-R250J5 von Sharp für die
Gebäude am besten geeignet ist.
Aufbauend auf dieser Variante galt
es während der Bachelor-Thesis
abzuwägen, ob es sich lohnen
würde, eine nachgeführte PV-Fläche auf den Firsten der Produktionshallen zu installieren und die
Dachfenster entsprechend sinnvoll
anzuordnen. Zudem sollten die
Verschaltung, die Kabelführung,
die Netzanbindung, sowie die Vermarktung der erzeugten Energie
detailliert behandelt werden.
Mit Hilfe der Software PVSyst wurden für die gewählte Variante zahlreiche Simulationen durchgeführt.
Einerseits, weil noch ein zusätzliches Hochregallager (Bild 2) dazugekommen ist und andererseits,
weil für die Einteilung der Dachfenster mehrere Varianten in Frage
kommen. Zu diesem Zweck wurde
der gesamte Gebäudekomplex der
Firma Loosli AG in 3D nachgebildet
Bild 2 Areal der Firma Loosli & Co. AG
(Bild 3). Somit konnte der Sonnengang simuliert und anhand der
Nahverschattungseffekte der jeweilige Energieertrag ermittelt werden.
Als Resultat stellte sich heraus,
dass eine nachgeführte PV-Fläche
auf den beiden Firsten nur dann
sinnvoll ist, wenn die Investitionskosten der dafür benötigten
Konstruktion nicht mehr als
280’000 Franken betragen.
Die Variante 1 (Aufdach, monokristallin ohne Nachführung und Dachfenster beidseitig) erwies sich am
Rentabelsten. Sie weist eine Generatornennleistung von 352 kW auf
und erzeugt pro Jahr ca. 320 MWh.
Mit einem KEV-Satz von 23.9 Rp./
kWh (Annahme 2013) und einer Eigenkapitalverzinsung von 2% resultiert eine Amortisationszeit von
18 Jahren. Mittels Investitionskosten von 806’346 Franken kann dadurch nach 25 Jahren ein Überschuss von 406’708 Franken
erwirtschaftet werden. Die Anlage
wirft auch nach diesen 25 Jahren
auf unbestimmte Zeit noch einen
Gewinn ab.
Bild 3 Animierte Geländeansicht
BI BE BU VA
XML/SOAP Webservice für einen Microcontroller
ICT / Betreuer: Peter Aeschimann
Experte: Mario Giacometto
Die Aufgabe dieser Bachelorthesis ist die Entwicklung einer Anwendung auf einem Mikrocontroller, welche
über das XML/SOAP-Protokoll Daten austauschen kann. Es wurde ein Messsystem entwickelt, welches
Messwerte von verschiedenen Sensoren erfasst und über den Webservice verfügbar macht. Dieses Messsystem kann ausserdem so konfiguriert werden, dass es selbstständig Daten erfasst und auf einer SDKarte abspeichert. Diese Daten lassen sich anschliessend ebenfalls über den Webservice herunterladen.
Motivation
Heute ist fast alles vernetzt. Jedoch sind nicht ganz alle technischen Geräte in unserer Umgebung vernetzt. Das Internet jedoch
wächst und es werden immer
mehr Endgeräte angebunden. Das
Internet von morgen ist das Internet der Dinge. Im Internet von
Morgen hat sogar der Kühlschrank
eine Internetanbindung und bestellt Fehlendes selbstständig
nach.
Damit diese Vorstellung vom Internet überhaupt umgesetzt werden
kann, braucht es standardisierte
Schnittstellen, welche es ermöglichen, dass die Geräte untereinander Informationen austauschen
können. Eine solche Schnittstelle
ist das XML/SOAP-Protokoll, welches den Datenaustausch zwischen Computern ermöglicht. Bei
dieser Art von Datenaustausch
spricht man von sogenannten
Webservices. Solche Webservices sind für Computer in etwa
dasselbe wie Websites für Menschen.
Das Projekt «XML/SOAP-Webservice für einen Mikrocontroller» ist
als Machbarkeitsstudie oder Technologieprojekt aufzufassen. Das
oben beschriebene Zukunftsszenario wird erst umsetzbar, wenn
Computer im kleinen Format, oder
eben Mikrocontroller, fähig sind
über die heute standardisierten
Schnittstellen (wie XML/SOAP) zu
kommunizieren.
Umsetzung
Der Webservice läuft auf einem
AVR32-Mikrocontroller von Atmel.
Darauf kommt das Echtzeitbetriebssystem FreeRTOS zum Einsatz, welches mit dem lwIP-Stack
erweitert wurde. Der lwIP-Stack
ermöglicht es dem Mikrocontroller
über die Ethernet-Schnittstelle zu
kommunizieren. Der erste Schritt
zur erfolgreichen Umsetzung war
die Portierung der gSOAP-Library.
Diese wird benötigt, damit der
Mikrocontroller über das XML/
SOAP-Protokoll kommunizieren
kann und somit einen Webservice
anbieten kann. Nachdem diese
Testclient beim Messen von Temperatur und relativer Luftfeuchtigkeit
grundlegenden Funktionen integriert waren, ging es darum eine
Beispielanwendung zu realisieren.
Die Anwendung, welche in dieser
Bachelorthesis umgesetzt wird,
konnte selbstständig erarbeitet
werden. Es wurde ein Messsystem
entwickelt, welches es ermöglicht
verschiedene Sensoren auszulesen und deren Messwerte über
den Webservice abzufragen. Das
entwickelte Testprogramm stellt
die Messwerte anschliessend auf
dem PC dar. Das Messsystem
kann ausserdem so konfiguriert
werden, dass es selbstständig Daten erfasst und auf einer SD-Karte
abspeichert. Diese Daten lassen
sich anschliessend ebenfalls über
den Webservice herunterladen.
Christoph Hofer
[email protected]
Aufbau des Systems
ti.bfh.ch
119
BI BE BU VA
PCI-Express für Banknotenleser
Technische Informatik / Betreuer: Prof. Roland Brun
Projektpartner: CI Tech Components AG, Burgdorf
Die Firma CI Tech Components plant den Einsatz von PCI-Express in ihren Banknotenprüfgeräten. Während
der Bachelorthesis wurde für diese Firma ein Funktionsmuster erstellt. Dieses liest die Daten von einem
Sensor der Firma aus und sendet sie via PCI-Express an einen PC. Dort werden sie mit einer Java-Applikation visualisiert. Diese Arbeit wurde mittels eines PCIe-Entwicklungs-Kits von Lattice Semiconductors
erstellt.
Stefan Hubacher
[email protected]
PCI-Express
PCI-Express (PCIe) ist seit mehreren Jahren die Standard-Schnittstelle für Erweiterungskarten in
PCs. Gegenüber seinem Vorgänger PCI bietet PCIe höhere Übertragungsraten und eine grössere
Flexibilität beim Platzbedarf. Die
Daten werden auf einer oder mehreren seriellen Leitungen übertragen.
Ausgangslage
Um eine PCIe-Verbindung herzustellen wurde ein PCIe-Entwicklungsboard mit einem FPGA beschafft. Dieses soll von einem
Sensor des Auftraggebers die Daten auslesen und via PCIe an den
PC senden. Die Aufgabe bestand
darin, das FPGA so zu programmieren, dass es die Daten vom
Sensor ausliest und diese über die
PCIe-Verbindung zu einem Windows-PC sendet. Die transferierten Daten sollen dann mit einer
Applikation visualisiert werden.
Design
Die Datenübertragung vom FPGA
in den Arbeitsspeicher des PCs
Vereinfachtes Design
120
ti.bfh.ch
wird mit der DMA-Technik durchgeführt. Eine Java-Applikation auf
dem PC reserviert im Arbeitsspeicher Platz für die Sensordaten und
fordert diese dann an. Mittels eines Treibers wird ein DMA-Controller im FPGA programmiert. Der
DMA-Controller liest danach die
Daten vom Sensor aus und
schreibt sie via PCIe in den reservierten Platz im Arbeitsspeicher
des PCs. Die Java-Applikation
kann anschliessend die Daten lesen und visualisieren.
Realisierung
Als Grundlage für die Implementation diente ein Demo-Projekt von
Lattice. Die PCIe-Funktionalität
und der DMA-Controller sind mit
IP-Cores von Lattice realisiert
worden. Es wurde ein VHDL-Modul erstellt, das die Daten vom
Sensor abfragt und dem DMAController zur Verfügung stellt. Auf
der anderen Seite des DMA-Controllers wurde ein Modul erstellt,
welches Pakete für die PCIe-Verbindung generiert. Auf der PCSeite wurde der Kernel-Treiber des
Demo-Projektes angepasst, damit
der DMA-Controller richtig programmiert wird. Für die Visualisierung wurde eine Java-Applikation
erstellt, welche die Sensordaten
entweder als Text oder als Balkendiagramm anzeigt.
Verifikation
Um die Funktionalität zu verifizieren wurden bei der Implementation alle erstellten VHDL-Module mit
einer Testbench getestet. Das Gesamtsystem wurde mit einem Sensor getestet, welcher ein festes
Datenmuster liefert. Zudem wird
im FPGA jedem Datenblock vom
Sensor ein Zählerwert hinzugefügt. Damit kann die Java-Applikation testen, ob alle Datenblöcke
empfangen wurden.
Ausblick
Das Design kann nun dank des
programmierbaren DMA-Controllers relativ leicht erweitert werden.
Denkbar wäre zum Beispiel, dass
mehrere Sensorzeilen auf einmal
übertragen werden. So hätte man
eine Art Bild von den Sensordaten.
PCIe-Karte mit Sensor und Java-GUI
BI BE BU VA
FASST Power Based Signal Detector
ICT / Betreuer: Prof. Dr. Rolf Vogt, Andreas Zutter
Experten: Martin Zehnder, Hugo Ziegler
Projektpartner: PLATH AG, Bern
Internationale Grossanlässe wie beispielsweise das World Economic Forum (WEF) stellen höchste Anforderungen an die Sicherheit für Beteiligte und Unbeteiligte. Während der Luftraum sehr gut gegen Sabotageangriffe von bemannten Flugzeugen geschützt ist, ist der Schutz vor ferngesteuerten Flugobjekten noch
ungenügend. Um die Sicherheit vor solchen Objekten zu erhöhen, besteht die Idee, diese Fernsteuersignale zu erkennen, allenfalls zu stören oder im besten Fall deren Steuerung zu übernehmen, um die Flugobjekte kontrolliert weitab der Gefährdungszone landen zu lassen.
Ausgangslage
Da die Übertragungsprotokolle der
Fernbedienungen herstellerabhängig sind, wurde entschieden, sich
auf die neueste Technologie des
Herstellers FutabaTM, einer der
grössten Fernsteuerungshersteller
auf dem Markt, zu konzentrieren.
FASST (Futaba Advanced Spread
Spectrum Technology) ist die neueste Übertragungstechnologie von
FutabaTM, welche im 2.4 GHz ISMBand operiert und die Daten gespreizt mit einer Frequenzsprungtechnologie überträgt. Das Ziel
dieser Arbeit war es, das Funksignal
einer Fernsteuerung des Herstellers
FutabaTM zu erkennen und aufzuzeichnen. Die Technologie FASST ist
ein frequenzhüpfendes System und
verwendet 36 verschiedene Sprungsequenzen mit jeweils 36 Frequenzkanälen. Die Sprungsequenzen,
sowie die Spreizcodes der zusätzlichen Spreizung sind unbekannt und
werden vom Hersteller nicht bekannt gegeben.
Abb.1: Blockschaltbild des Systems
Realisierung
Das System wird auf einer USRP
(Universal Software Radio Peripheral) (Abb. 2) des Herstellers Ettus
realisiert und vom Computer aus
gesteuert. Durch eine Leistungsdetektion im internen FPGA wird erkannt, wann auf einem Frequenzkanal Leistung und somit ein gültiges
Signal vorhanden ist. Für die Bedienung des Systems über eine Eingabekonsole, wurde ein Microblaze
Prozessorkern im FPGA eingebettet. Weitere Aufgaben des Microblaze sind die Ansteuerung des LO
(Lokaloszillator) und die Implementierung der Algorithmen zum Aufzeichnen und Erkennen der Sprungsequenzen. Dieser Softcore verfügt
über genügend Rechenleistung für
zukünftige Erweiterungen von Algorithmen zur Erkennung von Funksignalen anderer Fernsteuerungshersteller.
Der Betrieb des Systems wird in drei
verschiedene Modi unterteilt. Der
erste Modus dient zum Aufzeichnen
der 36 verschiedenen Sprung-
sequenzen. Dies wird vorgängig
durch die Verwendung des Systems
mit einer Referenzfernbedienung
durchgeführt. Die aufgezeichneten
Sprungsequenzen werden in einer
Tabelle abgespeichert. Der zweite
Modus dient dazu, ein FASST-Signal
anhand der nun bekannten Sprungsequenzen zu erkennen. Im dritten
Modus wird der erkannten Sprungsequenz gefolgt und die Daten des
Signals aufgezeichnet. Diese Daten
werden anschliessend über Gigabit
Ethernet an den PC gesendet um
dort weiterverarbeitet zu werden.
Eine Übersicht des Systems ist in
Abbildung 1 zu sehen.
Ausblick
Es konnte gezeigt werden, dass es
möglich ist, ein Funksignal einer
Fernbedienung des Herstellers FutabaTM anhand seiner Leistung zu
erkennen. Ein Konzept zur Aufzeichnung, Erkennung und Verfolgung
einer Frequenzsprungsequenz wurde entwickelt und teilweise implementiert. Es wurde ein System entwickelt, in welchem die erarbeiteten
Algorithmen implementiert werden
können. Zudem ist das System erweiterbar.
Michael Huldi
[email protected]
Marco Tanner
[email protected]
Abb.2: USRP N210
ti.bfh.ch
121
BI BE BU VA
PV-Fassade Hochhaus Leimbachstrasse 215
Projektpartner: Baugenossenschaft Zurlinden, Zürich
In Zürich Leimbach werden von der Baugenossenschaft Zurlinden (BGZ) zwei 60 m Hochhäuser kernsaniert. Bei beiden Hochhäusern wird eine Photovoltaik-Anlage in alle vier Fassaden integriert. Die Sanierungsarbeiten für die Sihlweidstrasse 1 wurden im Februar 2012 abgeschlossen. Das Nachbargebäude an der
Leimbachstrasse 215 wird ab Mitte 2012 kernsaniert. Bei der Planung der Photovoltaik-Anlage an der
Fassade der Leimbachstrasse 215 sollen die Erkenntnisse der Sihlweidstrasse 1 weitergeführt und die neue
Simulationssoftware DDS-CAD PV eingesetzt werden.
Jürg Jäggi
[email protected]
Ausgangslage
In der Schweiz werden Photovoltaik-Anlagen heute vorwiegend
auf Gebäudedächern installiert.
Bei Hochhäusern steht die nutzbare Dachfläche jedoch in einem
schlechten Verhältnis zur gesamten Gebäudeoberfläche. Um diese
optimal auszunutzen, werden die
PV-Module direkt in die Fassade
integriert. An der Fassade der
Sihl weidstrasse 1, welche in der
Bachelor Thesis 2011 geplant
wurde, konnten so 1’062 Module
verbaut werden. Im Verlauf des
Tages wird das Hochhaus Leimbachstrasse 215 durch die Hoch-
Samuel Schaad
[email protected]
Hochhaus Leimbachstrasse 215
(DDS-CAD PV)
122
ti.bfh.ch
häuser Sihlweidstrasse 1 und
Leimbachstrasse 210 verschattet.
Durch die Gebäudeform treten im
Bereich der Balkone zudem Teilbeschattungen auf. Da bereits
geringe Teilbeschattungen der
Module einen massiven Leistungseinbruch bewirken, stellen
diese eine grosse Herausforderung an das Anlagekonzept dar.
Forderungen
Ziel der Bachelor Thesis ist es, ein
Verschaltungsprinzip zu entwickeln, welches den örtlichen, baulichen und finanziellen Gegebenheiten optimal angepasst ist. Mit
einer anschliessenden Wirtschaftlichkeitsrechnung soll gezeigt werden, mit welchem Gewinn die
Baugenossenschaft
Zurlinden
nach 25 Betriebsjahren rechnen
kann. Desweiteren soll ein Datalogger-Konzept
ausgearbeitet
werden, welches eine lückenlose
Überwachung der PV-Anlage ermöglicht.
Umsetzung
Das Hochhaus Leimbachstrasse
215 wurde mit der neuen 3D-Simulationssoftware DDS-CAD PV
simuliert. Das Gebäude konnte mit
Hilfe der vorhandenen Pläne detailliert gezeichnet werden. Um die
Verschattungen durch die Nachbargebäude zu berücksichtigen,
wurde von den beiden Hochhäuser Sihlweidstrasse 1 und Leimbachstrasse 210 ebenfalls ein Mo-
dell erstellt. Mit der Software
DDS-CAD PV ist es möglich, die
Schattenwürfe der Balkone und
der benachbarten Hochhäuser zu
simulieren. Dadurch konnte ermittelt werden, welche Module auf
Grund von Verschattung nicht an
einen Wechselrichter angeschlossen werden können.
Trotz der zwei zusätzlichen Stockwerke können an der Leimbachstrasse 215 wegen zusätzlicher
Balkone nur 1’006 DünnschichtModule montiert werden. Auf
Wunsch des Vertreters der Baugenossenschaft Zurlinden, Herrn
Stefan Kälin, wurde das Verschaltungskonzept im Vergleich zur Sihlweidstrasse 1 weiter optimiert.
Um den Ertrag der Nordfassade
zu optimieren, wurden die zwei
Wechselrichter vom Typ Fronius IG
Plus 35 um mehr als 400% unterdimensioniert. Zudem wurde das
Problem mit den «White-Spots» in
Kauf genommen, da diese nur
schwer sichtbar sind. Somit können an der Leimbachstrasse 215
total 987 Module angeschlossen
werden. Dies entspricht einer Generator-Nennleistung von 126.336
kWp und einem jährlichen Energieertrag von rund 61 MWh. So
entsteht an der Leimbachstrasse
215 die grösste umlaufende Solarfassade der Welt.
BI BE BU VA
WirelessHART Netzwerk für Performance Analysen
Elektro- und Kommunikationstechnik / Betreuer: Prof. Max Felser
Experte: Michael Bückel
Projektpartner: Endress + Hauser Process Solutions AG, Reinach BL
Um die Prozessautomatisierung einer Anlage zu überwachen und optimieren, benötigt man oft Prozessdaten die an entfernt gelegenen oder schwer zugänglichen Messpunkten gemessen werden. Mit WirelessHART
kann eine drahtlose Anbindung an die Prozesssteuerung realisiert werden. WirelessHART-Geräte kommunizieren miteinander in einem Maschennetzwerk, welches sich selbständig organisiert und die Übertragung
im Fehlerfall durch alternative Wege sicherstellt.
Ausgangslage und Aufgabenstellung
Endress + Hauser Process Solutions AG bietet ihren Kunden eine
solche WirelessHART-Lösung an.
Durch die unterschiedlichen Anwendungsfälle ist es notwendig
die WirelessHART-Produkte ständig den Bedürfnissen der Kunden
anzupassen und weiterzuentwickeln. Für die Produktetests werden die WirelessHART-Netzwerke
in einer Laborumgebung aufgebaut. Wegen den beschränkten
Platzverhältnissen würde sich das
Netzwerk sternförmig ausprägen.
Für Tests ist dies jedoch nicht immer gewünscht. Gezieltes ausschliessen von einzelnen Kommunikationspfaden
muss
dann
möglich sein. Die Route von einem
Gerät zum anderen sollte dann
über bestimme Repeater führen.
Automatisierung ist gerade bei
Tests, die über einen längeren
Zeitraum dauern, ein grosses Thema. Eine geeignete Lösung soll
aufzeigen, wie man Tests bei WirelessHART-Produkten durchführen und automatisieren kann.
Mit einem Beispieltest soll das
Wire lessHART-Netzwerk analysiert werden.
Realisierung
Der Einbau von Dämpfungsgliedern und eine Abschirmung durch
einen metallenen Schrank reduzierte die Empfangsleistung stark.
Mit einer geeigneten Positionierung der einzelnen WirelessHARTGeräte konnten dann die Feineinstellungen vorgenommen werden.
In einer Applikation wurde das
HART-Protokoll zum Versenden
von Kommandos implementiert.
Die Kommunikation mit dem WirelessHART-Gateway
erfolgte
über die Ethernet-Schnittstelle
und einer UDP/IP-Verbindung.
Resultat
Die gezielte Dämpfung reduzierte
die Sende- beziehungsweise
Empfangsreichweite.
Einzelne
Kommunikationspfade konnten,
gegenüber einem normalen Betrieb der WirelessHART-Geräte,
verhindert werden. Die Möglichkeiten eine beliebige Topologie
auszuprägen sind jedoch sehr beschränkt. Eine Route über einen
Repeater zu führen ist ohne Probleme realisierbar. Werden längere
Pfade benötigt, wird es je nach
Umgebung kompliziert. Für die
Tests ist das Ergebniss jedoch
ausreichend.
Mit der erstellten Applikation
konnte eine automatisierte Laufzeitmessung am WirelessHARTNetzwerk durchgeführt werden.
Für die Auswertung ist es möglich,
die erfassten Messdaten abzuspeichern. Die Applikation kann zu
einem späteren Zeitpunkt an andere Testfälle angepasst werden.
Claudio Kälin
[email protected]
Beispiel für ein WirelessHART Netzwerk
ti.bfh.ch
123
BI BE BU VA
Demodulator für TETRA
ICT / Betreuer: Prof. Rolf Vetter, Prof. Alfred Kaufmann
Experte: Dipl. Ing. Hans Zahnd
Diese Arbeit befasst sich mit den Möglichkeiten mit SystemVue automatisch VHDL Code zu generieren.
Damit lassen sich Field Programmable Gate Arrays, wie sie heute zu tausenden in Kommunikationsgeräten
verbaut sind, sehr einfach programmieren. SystemVue von Agilent Technologies ist eine Entwicklungsumgebung, in der sich komplexe Kommunikationssysteme entwickeln und simulieren lassen. Die Handhabung
der Software und die Qualität des implementierten Systems wird anhand des Projekts Demodulator für
TETRA untersucht.
Stefan Lenz
+41 76 442 85 85
TETRA
Terrestrial Trunked Radio (TETRA)
beschreibt einen Standard für den
digitalen Bündelfunk. Das darauf
basierende Funknetz ist zellular
aufgebaut und wird grösstenteils
lokal verwendet. Solche Systeme
ermöglichen Sprach- und Datenkommunikation. Die Idee dahinter
ist, die analogen Funknetze, welche z.B. von Feuerwehren oder
Betrieben des öffentlichen Verkehrs verwendet werden, durch
digitale abzulösen. Der Vorteil der
digitalen Funknetze besteht darin,
dass sie die Spektrumseffizienz
erhöhen und zusätzliche Funktionen zur Verfügung stellen.
Demodulator
Die Funktion eines Demodulators
ist, das empfangene Signal in dieser Weise aufzubereiten, dass die
gesendeten Daten zurückgewonnen und dann am Ausgang verschiedenen Anwendungen zur
Verfügung gestellt werden kön-
nen. Der Demodulator besteht aus
zwei Teilsystemen, dem Digital
Down Converter und der Symbolrückgewinnung. Diese Systeme
werden ihrerseits wiederum in
Funktionsblöcke unterteilt. Mit
SystemVue werden diese dann
einzeln entwickelt, simuliert, im
Field Programmable Gate Array
implementiert und getestet. Sind
die Teilsysteme in ihrer Funktion
verifiziert, werden sie zum Gesamtsystem Demodulator zusammengefügt.
Implementierungsprozess
Nach dem Design und der Simulation eines Funktionsblocks generiert SystemVue die VHDL Dateien. In der herstellerspezifischen
Entwicklungsumgebung ISE von
Xilinx werden sie in einem Projekt
zusammengeführt und kompiliert.
Die generierte Programmierungsdatei konfiguriert das Field Programmable Gate Array nach den
Vorgaben des Funktionsblocks.
Abb. 1: Automatische Implementierung von der grafischen Oberfläche direkt auf
die Implementierungsumgebung
124
ti.bfh.ch
Test
Die Implementierungsumgebung
besteht aus einem Analog Digital
Converter, dem Spartan-3A DSP
Kit mit dem Field Programmable
Gate Array von Xilinx und dem
Analog Digital Converter. Mit einer
Erweiterung der Implementierungsumgebung durch einen
Signalgenerator und Messinstrumente lassen sich die im Field Programmable Gate Array implementierten Funktionsblöcke testen
und mit den Simulationsergebnissen von SystemVue vergleichen.
Fazit
SystemVue eignet sich grundsätzlich für die automatische Implementierung. Die Effizienz des Implementierungsprozess lässt sich
steigern. Dennoch benötigt die
Anwendung der grafischen Entwicklungsumgebung viel Übung
und Knowhow, da die Dokumentation minimal ist. Durch die Automatisierung geht teilweise die
Transparenz des Prozess verloren.
Trotzdem sind Systeme dieser Art
komfortabel in der Bedienung und
zukunftsweisend.
BI BE BU VA
H2-Brennstoffzellen-Ladegerät
Energietechnologien / Betreuer: Prof. Michael Höckel
Experte: Dr. Marco Santis
Aus dem Blickwinkel der Wirkungsgradberechnung betrachtet, sind DCDC-Wandler in BrennstoffzellenBatterie-Systemen die kritischen Elemente. Kann diese Komponente weggelassen werden, lässt sich der
Wirkungsgrad des Gesamtsystems um bis zu 10 % steigern. Zusätzlich trägt der Wegfall des Wandlers zur
Kostenreduktion des Brennstoffzellensystems bei.
im Rahmen dieser Arbeit wird ein marktnahes System aufgebaut, mit welchem die Direkt-Parallelschaltung
demonstriert werden kann.
Ausgangslage
Die BFH hat in Zusammenarbeit
mit der CEKA ein luftgekühltes
PEM- Brennstoffzellensystem mit
dem Produktnamen IHPoS für den
Leistungsbereich von 300 – 1500 W
entwickelt. Bis dato ist jedes gebaute System mit einem DCDCWandler zwischen Brennstoffzellen-Stack und Batterie versehen
worden. Diese Wandler sind nicht
nur teuer, sie vermindern auch den
Wirkungsgrad des Gesamtsystemes und tragen zu dessen Komplexität bei. In der vorliegenden
Arbeit ist die Machbarkeit einer
Direktschaltung ohne Wandler
dargelegt. Als Anwendung ist ein
Ladegerät für Bleibatterien im
Campingbereich vorgesehen.
Lösungsansätze
Da sich bei vorgängigen Simulationen zeigte, dass es sich als
schwierig erweisen würde, die
beiden Redox-Systeme Brennstoffzelle und Batterie, im vorliegenden Fall handelt es sich bei der
Batterie um einen Bleiakkumula-
Umgehung DCDC-Wandler
tor, in den für beide Systeme optimalen Parametern zu bewegen, ist
eine zweistufige Lösung angedacht worden. Die Batterie und die
Brennstoffzelle sind über einen
DCDC-Wandler miteinander verbunden, welcher mittels einer Relaisschaltung umgangen werden
kann. Diese Auslegung erlaubt es,
die Systeme sicher hoch zu fahren
und bei passenden Parametern
(gleich hohe Spannungsniveaus)
auf Direktbetrieb umzuschalten.
Realisierung
Um eine genügende Anzahl aussagekräftige Messungen zu erhalten und das System Brennstoff zelle – Batterie besser unter
Kontrolle halten zu können, startete die Arbeit mit einem Testaufbau im Brennstoffzellenlabor der
BFH. Unter Berücksichtignung der
Auswertungen aus den Messreihen wurde in einem weiteren
Schritt ein Funktionsmuster aufgebaut. Neben der Direktschaltung
ist auch eine neuartige Variante für
den DCDC-Wandler in die Arbeit
eingeflossen. Durch die ähnlichkeit im elektrischen Verhalten der
Brennstoffzelle mit einer Solar zelle
kam als Wandler ein Solar-Laderegler zum Einsatz. Dieser elaubte
es den Fokus auf die Regelung der
Gasflüsse für die Brennstoffzelle
im Direktbetrieb zu legen.
Daniel Lüdi
Ausblick
Es zeigte sich, dass die Einhaltung
der Betriebsgrenzen der beiden
Redox-Systeme erhöhte Anforderungen an die Regelung stellen.
Die realisierte Variante mit stromabhängiger Luftzufuhr stellt nur
einen ersten Schritt in eine neue
Art der Prozesskontrolle bei PEMBrennstoffzellen dar.
Bevor aber weitere Arbeit in diese
Richtung investiert wird, muss der
Gewinn an Wirkungsgrad gegen
die erschwertere Regelbarkeit abgewogen werden.
[email protected]
In Transportbox integriertes Funktionsmuster
ti.bfh.ch
125
BI BE BU VA
Mehrkanal-Datenlogger mit Ereignisdetektion
Technische Informatik / Betreuer: Peter Aeschimann
Heute werden in vielen Bereichen massenhaft Daten erfasst. Von Temperatur bis Vibration werden verschiedenste Grössen gemessen. Die meisten dieser Daten werden nie analysiert und belegen nur Speicherplatz.
Sinnvoller ist es, die Daten zu analysieren bevor sie abgespeichert werden. Durch die Datenanalyse ist ein
System in der Lage zu entscheiden, welche Daten für eine spätere Auswertung benötigt werden und somit
abgespeichert werden müssen. In dieser Bachelor-Thesis wird ein Datenlogger entwickelt, der Daten erfasst,
diese analysiert, und gegebenenfalls auf einer SD-Karte abspeichert.
Felix Mosimann
[email protected]
Ausgangslage
Speziell in der Vibrationsüberwachung nimmt die Nachfrage nach
effizienten Systemen laufend zu.
Die Verkehrsbelastung und die
Verdichtung der Überbauungen
unserer Zentren nehmen zu. Deshalb wird die Belastung durch Vibrationen immer mehr zum Thema. Heute gibt es Systeme auf
dem Markt, die eine Überwachungen von Gebäuden zulassen. Diese basieren aber nicht auf aktuellen Technologien und sind nicht in
der Lage, bestehende Kommunikationsnetze zu nutzen. Die Installation wird durch die benötigte
Verkabelung sehr aufwändig.
Vibration und andere physikalische Grössen müssen über lange
Zeiträume erfasst werden, deshalb ist es wichtig, dass die Daten
bereits bei der Erfassung analysiert werden. Nur so ist eine effiziente Überwachung realisierbar.
Zielsetzung
In dieser Bachelor-Thesis sollen
die Softwaremodule Datenerfassung, Datenverrechnung und Datenspeicherung eines Datenloggers entwickelt werden. Die
Schematischer Aufbau des Datenloggers
126
ti.bfh.ch
Integration des Systems soll auf
einem CortexM3-Mikrokontroller
erfolgen und auf dem Echtzeitbetriebssystem FreeRTOS aufbauen.
So wird sichergestellt, dass das
System später durch einen Webserver und zusätzliche Funktionen
erweitert werden kann.
Datenauswertung
Die erfassten Daten werden auf
dem Mikrokontroller analysiert
und wenn erforderlich abgespeichert. Auf dem System werden
zwei Auswertungen gemacht. Die
Hintergrunddaten werden laufend
erfasst. Sie beinhalten Maximalwerte einer Beobachtungsperiode. Ist zum Beispiel ein Intervall
von einer Sekunde eingestellt,
wird jede Sekunde das Maximum
des jeweiligen Kanals abgelegt.
Bei der Vordergrund-Datenerfassung werden bei einem detektierten Event die Rohdaten rund um
dieses Event abgespeichert. Weil
Rohdaten gespeichert werden
müssen, die vor dem Event auftreten, benötigt das System einen
Buffer.
Realisierung
Der Datenlogger basiert auf zwei
Evaluierungsboards. Die analogen
Daten werden mit einem integrierten 8-Kanal-AD-Wandler (ADS1178
von Texas Instruments) erfasst
und über eine SPI-Schnittstelle
an den Mikrokontroller übertragen. Der Mikrokontroller (NXPLPC1768) empfängt die Daten und
wertet diese gemäss den genannten Verfahren aus. Unter dem Einsatz einer externen Bibliothek
werden die Daten auf einer FATformatierten MicroSD-Karte abgelegt. Es wurden verschiedene Bibliotheken geprüft und die
effizienteste ausgewählt. Gesteuert und kontrolliert wird der Datenlogger über eine RS232-Schnittstelle. Diese Implementierung
erreicht eine Samplerate von
5kHz. Für jedes Sample werden
8 Kanäle mit einer Auflösung von
16 Bit erfasst.
Ausblick
Die erarbeiteten Softwaremodule
bilden die Basis eines praxistauglichen Datenloggers. Um dieses
Ziel zu erreichen, müssen zusätzliche Kommunikationsfunktionen
und eine applikationsspezifische
Hardware entwickelt werden. Zudem muss die Stabilität und
Robustheit des Systems weiter
geprüft und verbessert werden.
BI BE BU VA
Schallpegel-Messgerät zur Überwachung nach SLV
Eventtechnik / Betreuer: Prof. Dr. Elham Firouzi
Experte: Boris Leisi
In der Schweiz verlangt der Gesetzgeber bei Veranstaltungen mit einem Schallpegel von mehr als 96dBA
eine elektronische Überwachung der Lautstärke. Bei Veranstaltungen mit 100dBA, die länger als drei Stunden dauern, wird eine Aufzeichnung verlangt.In dieser Bachelor Thesis wurde ein Lösungsweg erarbeitet
und ein Prototyp entwickelt, der den Anforderungen nach SLV entspricht. Nebst dem protokollieren des
Schalldruckpegels bietet unser Gerät die Möglichkeit per Ethernet-Schnittstelle auf die Momentanwerte
zurück zu greifen, wie auch Einstellungen vorzunehmen.
Entwicklung
Während der Projektarbeit 2 wurden zu unserer Problemstellung
Tests auf dem Eval-board von Keil
MCBSTM32C gemacht. Dazu
wurden erste Funktionen geschrieben. Um diese nicht wieder
zu verwerfen wurde die Architektur des Boards von Keil übernommen und unseren Anforderungen
angepasst und weiterentwickelt.
So kam zum Prozessor, dem Audiocodec und der EthernetSchnittstelle ein anderes Display,
ein Realtime-clock und eine analoge Schaltung, die ein Rosarauschen generiert, hinzu. Zur
3.3-VSpeisespannung der CPU
und der 2.5-Volt des Codecs, kam
noch eine 5-Volt Span-nung für
den analogen Schaltungsteil dazu.
Haupttätigkeit im Softwareteil dieser Bachelor Thesis war die Inbetriebnahme dereinzelnen Schnittstellen. Neben der Implementation
der I2C-Schnittstelle um mitdem
Realtimeclock und dem Codec zu
kommunizieren wurde auch das
I2S-Protokoll in Betrieb genommen, um Daten vom Codec zu
empfangen. Um den Anforderungen gerecht zu werden, wurde ein
RTOS Konzept erstellt, das bei der
Weiterentwicklung des Produkts
eingesetzt wird.
Bedienkonzept
Am Veranstaltungsort wird unser
Messgerät mit der Beschallungsanlage per XLRBuchse verbunden. Danach wird im Menü «Kalibrieren» angewählt wobei das
Gerät nun über die Anlage das
Rosarauschen ausgibt. Der Anwender sucht nun im Saal den
lautesten Ort. Der aktuelle Schallpegel wird dabei am Display angezeigt. Wurde der lauteste Ort
gefunden, wird dieser Pegel per
Knopfdruck festgehalten. Nun
kann das Gerät an den späteren
Einsatzort gebracht werden und
per erneutem Knopfdruck der Offset gesetzt werden. Nun rechnet
das Gerät immer zum einfallenden
Schallpegel den Offset dazu und
zeigt so den Schallpegel am lautesten Ort im Saal.
Während der Veranstaltung kann
sich der Anwender mit der mitgelieferten Software auf das Gerät
einwählen und bekommt nebst
den Werten wie Langzeitequivalentschallpegel (Leq), Momentanschallpegel (LA) und Maximalschallpegel (LAmax) auch eine
Spektralanalyse auf dem Bildschirm des Laptops zu sehen. Mit
dieser Software ist es auch möglich mehre Geräte von einem zentralen Ort aus gleichzeitig zu überwachen.
Nach der Veranstaltung können
mit Hilfe der Software die Protokolldateien heruntergeladen werden. Die Remotesoftware ermöglicht auch das ändern von
Einstellungen. So können zum
Beispiel Werte wie Name, IP oder
Aufzeichnungsort via Software
geändert werden.
ti.bfh.ch
Alessio Piazza
[email protected]
Angel Javier Rodriguez
del Rio
[email protected]
127
BI BE BU VA
Merging Unit
Informatik / Betreuer: Prof. Roland Brun
In Hochspannungsanlagen werden die Spannungen und Ströme heutzutage digital erfasst und zusammen
über ein Bussystem übertragen. Dabei ist eine Merging Unit dafür verantwortlich, diese Spannungen und
Ströme abzutasten, zusammenzufassen und über eine definierte Schnittstelle zu versenden. Ein Prototyp
einer solchen Merging Unit wurde in dieser Bachelorthesis auf Basis eines FPGAs entwickelt, um möglichst
hohe Abtastraten zu erreichen.
Theo Reichenbach
[email protected]
Sandro Steffen
Ausgangslage
Die Berner Fachhochschule hat
schon einmal eine Merging Unit
auf Basis eines Mikrocontrollers
entwickelt. Diese ist in der Lage,
50Hz-Signale pro Periode 80 Mal
abzutasten. Da aber der Trend gegen immer höhere Abtastraten
geht, stösst dieses System an seine Grenzen. Deshalb wurde entschieden, in Rahmen dieser Bachelorarbeit ein System mit einem
FPGA zu entwickeln. Dabei war
das Ziel, die Signale pro Periode
256 Mal abzutasten.
Realisierung
Zu Beginn der Arbeit wurde ein
detailliertes Konzept erstellt und
die Aufgabe in verschiedene Teilsysteme zerlegt, mit dem Ziel, diese dann unabhängig voneinander
[email protected]
FPGA-Board
128
ti.bfh.ch
entwickeln und implementieren zu
können. Nachdem das Design der
einzelnen Komponenten erstellt
wurde, ging es an die Umsetzung.
Es wurde eine Merging Unit mit
einem FPGA-Starterkit entwickelt,
welche mehrere Spannungssignale gleichzeitig über Analog-DigitalWandler mit einer definierten Abtastrate einliest. Der genaue
Zeitpunkt der Abtastung kann bei
Bedarf auch auf ein externes Referenzsignal synchronisiert werden. Weiterhin ist auch ein Modul
zum Kalibrieren der Analog-Digital-Wandler implementiert, um Offset- und Verstärkungsfehler der
analogen Eingangsstufe zu eliminieren. Die eingelesenen Werte
werden dann über eine EthernetSchnittstelle mit einem Protokoll
nach IEC 61850 gesendet.
Damit das System vom PC aus
über eine serielle Schnittstelle
konfiguriert werden kann, wurde
ein Softcore eingesetzt. Ein Softcore ist im Prinzip ein Bauplan eines kleinen Mikrocontrollers, welcher zusätzlich in das FPGA
geladen werden kann.
Resultat
Es wurde ein funktionsfähiges
System entwickelt, welches alle
wesentlichen Funktionen besitzt.
Es hat sich auch gezeigt, dass ein
FPGA für eine solche Anwendung
bestens geeignet ist. Es sind auch
noch genügend Reserven vorhanden, um die Abtastrate noch einmal deutlich zu steigern. Das Projekt kann so auf jeden Fall
weitergeführt werden.
BI BE BU VA
Drahtloses Messsystem für Photoplethysmographie
ICT, Signalverarbeitung / Betreuer: Prof. Dr. Rolf Vetter
Experte: Jean-Marc Koller
In Extremsportarten, wie zum Beispiel dem Bergsteigen, ist das frühzeitige Erkennen von Höhenkrankheiten
wichtig. Dazu wird das nicht invasive Pulsoxymetrie-Verfahren angewendet, um die Sauerstoffsättigung im
Blut sowie den Puls zu messen. Das Problem dieses Messverfahrens ist die Störanfälligkeit durch das Umgebungslicht sowie durch abrupte Bewegungen. In der vorliegenden Arbeit ging es darum, ein Messsystem
zu entwickeln, welches ermöglichen soll, verschiedene Verfahren zur Verbesserung der Störfestigkeit entwickeln und testen zu können.
Einleitung
Die Pulsoxymetrie, auch Photoplethysmographie genannt, ist ein Verfahren zur nicht invasiven Ermittlung
der arteriellen Sauerstoffsättigung.
Dabei wird die Lichtabsorption bzw.
die Lichtremission beim Durchleuchten der Haut gemessen. Dazu
werden zwei LEDs mit verschiedenen Wellenlängen, bevorzugt im
roten und infraroten Bereich, angewendet. Die Messung erfasst dabei
das durchströmende Blut. Gemessen wird an einem leicht zugänglichen Körperteil, vorzugsweise an
einem Finger oder am Ohrläppchen.
Neben der Sauerstoffsättigung
kann damit auch der Puls gemessen werden. Diese Technik zur Messung der Sauerstoffsättigung wurde
bereits 1972 entwickelt und realisiert. Sie ist im Rettungsdienst, in
der Anästhesie und auf Intensivstationen Teil des Standardmonitoring
des Patienten.
Realisierung
Unser Auftrag war, ein Laborprototyp zu entwickeln, der die Daten
eines gekauften PulsoxymetrieSensors auswerten kann. Dieser
Laborprototyp besteht aus einer
Hardware, bei dem ein rauscharmes Design wichtig war. Die
Messdaten sollen anschliessend
auf dem PC in einer Java Applikation visualisiert werden. Man soll
dabei auch die Ansteuerung der
LEDs des Sensors mit dem Programm beeinflussen können.
Dazu gehören unter anderem die
Pulslänge, die Signalform und die
Frequenz. Dabei müssen die Auswirkungen der veränderten Parameter auf die Messdaten ersichtlich werden.
Fazit
Das Ergebnis der Bachelor-Thesis
ist eine funktionierende, rauscharme Hardware sowie die dazugehörende Software. Das Pulsoxymetrie-Signal kann eingelesen
und auf dem PC dargestellt wer-
den. Zudem können die Parameter
zur Ansteuerung des Sensors geändert und deren Auswirkungen
auf dem PC mitverfolgt werden.
Das entstandene Gerät ist somit
eine gute Grundlage, um das
Messverfahren optimieren zu können. Damit können verschiedene
Modulationsverfahren, wie zum
Beispiel das Bandspreizverfahren
implementiert und ausgetestet
werden. Des Weiteren soll man
den Prototyp als Schulungsobjekt
gebrauchen können.
Thomas Rothenfluh
[email protected]
Jonas Schild
[email protected]
Laborprototyp Messsystem
Pulsoxymetrie-Sensor
Pulsoxymetrie-Signal
ti.bfh.ch
129
BI BE BU VA
Klangaufwertung mit digitaler Signalverarbeitung
Technische Informatik und ICT / Betreuer: Prof. Dr. Daniel von Grünigen, Ivo Oesch
Experte: Peter Richli
Die Anwendung der digitalen Signalverarbeitung in der Audiotechnik ist heutzutage weit verbreitet.
Aus persönlicher Motivation ist die Aufgabe entstanden, ein DSV-Echtzeitsystem zu entwickeln, das ein
Mikrofonsignal mit einem Multibandfilter aufwertet. Diese Aufwertung hat zum Zweck, das Klangvolumen
einer Bassdrum zu verbessern. Die Anforderungen an das System sind primär durch die Ansprüche des
Musikers gegeben. Das Resultat dieser Arbeit ist ein funktionstüchtiger Prototyp, der dank standardisierter
Schnittstelle Anwendung in der Audiotechnik findet.
Lukas Röthlisberger
luk.roethlisberger@gmail.
com
Ausgangslage
Die Aufgabe, ein Schlagzeug mit
einer Lautsprecheranlage zu verstärken, bringt diverse Schwierigkeiten mit sich. Es braucht
spezielle Mikrofone für die Instrumentenabnahme, sowie eine geeignete Signalverarbeitung, um
den gewünschten Klang zu erzeugen. Ich habe mir die Aufgabe gestellt, den Prototypen eines DSVEchzeitsystems zu entwickeln,
welcher für den Live-Einsatz auf
der Bühne geeignet ist. Der Prototyp ist speziell auf die Bassdrum
(grosse Pauke) ausgelegt und
dient dazu, das Mikrofonsignal so
aufzuwerten, dass ein möglichst
kompakter, druckvoller Klang entsteht.
Vorgehen
Um die Anforderungen an die
Hardware des Prototyps abzuklären, war zunächst eine genaue
Analyse notwendig. Es galt hauptsächlich zwei Aspekte zu beachten. Erstens, die Definition der
Signalverarbeitung. Dazu gehörte
in erster Linie eine Signalanalyse,
um herauszufinden, welche Frequenzanteile im Mikrofonsignal
vorhanden sind und wie diese zu
interpretieren sind. Zweitens, die
Algorithmen der Signalverarbeitung. Es mussten geeignete Filterstrukturen gefunden werden, die
einerseits einfach zu parametrisieren sind und anderseits die geforderte Signalverarbeitung ermöglichen. Für diesen Prozess hat sich
MATLAB als ein sehr nützliches
Werkzeug erwiesen. Als mögliche
Kandidaten für die Signalverarbeitung kamen das Peak-Filter, sowie
das Frequenzabtastfilter in Frage.
Durchgesetzt hat sich das Frequenzabtastfilter, das im Gegensatz zum Peak-Filter einen linearen Phasengang aufweist und
nicht rekursiv ist. Es entstand ein
einfaches MATLAB-GUI zur Simulation des Frequenzabtastfilters,
um die richtige Filterordnung und
Abtastfrequenz herauszufinden.
Bei der Implementation der Signalverarbeitung konnte für einige
Aufgaben auf die TMS320C55x
DSP Library von Texas Instruments zurückgegriffen werden.
Aufbau
Das Herzstück des Prototypen
bildet das TMDX5505EZDSP Development Tool von Texas Instruments. Sämtliche Systemressourcen, wie Benutzerschnittstelle,
Audio-Codec und Audio-Schnittstellen sind über eine Erweiterungsplatine mit dem Development Tool verbunden. Um den
Prototyp vor mechanischen Belastungen zu schützen, wurde er in
ein stabiles Aluminium-Profilgehäuse eingebaut. Die Integration
in ein bestehendes System, z. B.
eine PA-Anlage erfolgt über eine
standardisierte Schnittstelle.
Resultat
Die Erkenntnisse der Signalanalyse und Filterevaluation lieferten
das notwendige Wissen, um die
gewünschte Signalverarbeitung
auf dem Signalprozessor zu implementieren. Das Ergebnis ist ein
benutzerfreundlicher Prototyp, der
auf seinen ersten erfolgreichen
Einsatz wartet.
Prototyp
130
ti.bfh.ch
BI BE BU VA
Monitoring der Lebensräume von Reptilien
Technische Informatik, Elektronik, ICT, Mechatronik / Betreuer: Prof. Roger Weber
Experte: Dominique Renevey
Projektpartner: Dr.phil.nat. Ulrich Hofer, Naturhistorisches Museum, 3005 Bern
Die Überwachung und Erforschung von Reptilien ist sehr zeit-, personal- und kostenintensiv, denn bisher
wurde auf aufwändige Stichproben zurückgegriffen. Biologen sind daran interessiert, diese Arbeiten zu
automatisieren. Dazu sollen Reptilien mit RFID-Transpondern markiert werden, und ein System aus Antennen und Lesegeräten soll die Tiere in definierten Gebieten erfassen. Die Identifikationsnummer, die Zeit und
der Ort werden zur Auswertung zentral abgespeichert. In der Bachelor-Thesis wurde nun ein erster Prototyp
eines solchen Systems realisiert und erfolgreich getestet.
Vorbereitung
Bevor das System realisiert werden
konnte, mussten eine Reihe von Herausforderungen gemeistert werden. Die grösste davon bestand
darin, ein geeignetes Lesegerät mit
Antenne zu evaluieren, denn die
vom Biologen geforderten Erfassungsdimensionen sind für RFIDAnwendungen eher unüblich. So
sollen mehrere 5m lange Linien
überwacht werden, doch Antennen
in diesen Dimensionen gibt es nicht.
Daher musste selber eine Antenne
entwickelt werden, welche diese
Anforderungen erfüllt. Dies konnte
in einer Projektarbeit im Herbstsemester 2012 erfolgreich abgeschlossen werden. Auch ein leistungsfähiges Lesegerät wurde
evaluiert und getestet. Danach
musste in der Projektstudie ein Konzept für das System entwickelt werden. Dieses Konzept ist in der Bachelor-Thesis umgesetzt worden.
Realisierung
In einem Zweierteam entstand ein
modular aufgebauter Prototyp,
welcher vier Antennen hat und auf
zehn Antennen erweiterbar ist. Die
Arbeit wurde von den Teammitgliedern in Hardware und Software aufgeteilt. Tobias Rüetschi
war für die Software zuständig, die
die Aufgabe hat, das System zu
steuern. Sie ist auf dem Betriebssystem freeRTOS aufgebaut. Für
die Hardware war Marcel Ryser
zuständig. Sie besteht aus den
vier RFID-Lesegeräten mit Antennen, einem Mikrokontroller-Board
für die Steuerung, einem GSMModem zur Datenübertragung
und Systemüberwachung sowie
der Energieversorgung. Letztere
erwies sich als weiterer Knackpunkt, da die RFID-Leser sehr viel
Energie konsumieren. Nur Dank
neuster Akkutechnologien war es
möglich, die geforderte Autono-
miedauer von vier Tagen zu erreichen. Es wird dabei auf die Lithium-Eisenphosphat-Technologie
gesetzt, wobei der Akkumulator
bei einem Gewicht von 25 kg über
2000 Wh Energie speichert. Optional kann ein Photovoltaik-Modul
als Energiequelle angeschlossen
werden, wobei bei sonnigem Wetter schon ein 100-Wp-Modul ausreicht, um das System komplett zu
versorgen.
Ergebnis
Das System konnte ohne grössere
Probleme realisiert werden, und
wurde bereits in einem Testgebiet
eingesetzt. Es zeigte sich, dass
die markierten Tiere erfasst werden können. Somit wurde das
Hauptziel, zu zeigen, dass das erarbeitete Konzept funktioniert, erreicht. Da das System erst ein
Prototyp ist, gibt es noch Verbesserungspotential. Ob die Hardware den zum Teil schwierigen
Umweltbedingungen (Hitze, Kälte,
Feuchtigkeit, EMV) standhält wird
sich erst nach längeren Tests zeigen.
Tobias Daniel Rüetschi
Marcel Ryser
[email protected]
Ausblick
Da die ersten Tests erfolgreich waren, soll das Projekt nach der Bachelor-Thesis weitergeführt werden.
Laut Auftraggeber ist das Interesse
an solchen Systemen gross, und es
stehen zwei weitere Systeme für
Frühling 2013 in Aussicht.
Schematische Darstellung des Systems
ti.bfh.ch
131
BI BE BU VA
FLIM-CAM
Krebsforschung / Betreuer: Prof. Dr. Theo Kluter
Experte: Felix Kunz
Projektpartner: EPFL/François Powolny, Lausanne
Seit einiger Zeit gibt es neue Wege, Tumore im Körper zu erkennen. Einer dieser Wege ist mittels der fluoreszierenden Eigenschaft von Indocyaningrün (ICG). Auf dem Markt sind schon etliche Modelle für diese
Anwendung erhältlich. Diese lassen sich aber nur ausserhalb des Körpers verwenden. Es gibt noch keine
Sonde, welche als Operationswerkzeug in den Körper eingeführt werden kann. Um diese Lücke zu schliessen, wurde das Projekt «Fluorescence Lifetime Imaging Microscopy»-Camera, kurz FLIM-Cam, ins Leben
gerufen.
Remo Schläppi
[email protected]
Ausgangslage
In der Krebsforschung der École
Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL) wird zurzeit eine
Sonde zur Krebsdetektion entwickelt. Mithilfe der fluoreszierenden
Eigenschaft von Indocyaningrün
(ICG) kann das schadhafte Gewebe markiert werden. Ein Near-Infrared (NIR) Laserpuls regt das ICG
an. Die anschliessende Fluoreszenz hat eine exponentielle Charakteristik. So ergibt sich eine
Zeitkonstante, welche je nach
Fettgehalt und Gewebe anders ist.
Zielsetzung
Um eine Operationssonde zu entwickeln, welche diese Zeitkonstanten messen kann und in ein Bild
umsetzt, musste erst ein Prototyp
entwickelt werden. Dieser wurde
anschliessend für die weitere Forschungsarbeit verwendet. Die letzte Version dieses Prototyps ist
fehlerhaft. Zudem existieren noch
einige reproduzierbare Messfehler,
welche durch die Hardware in der
Kamera entstehen. Ziel ist es, die
Messfehler zu dokumentieren und
anschliessend zu beheben. Zudem
müssen diverse kleine Hardwareund Softwarefehler gesucht und
korrigiert werden.
Realisierung
Die Arbeit besteht aus zwei Teilen.
Der Erste befasst sich mit der Ausmessung der Verzögerungsglieder, welche zur Messung der Zeitkonstante verwendet werden. Die
Verzögerung, welche während der
Messung inkrementiert werden
Detektion von Tumoren
132
ti.bfh.ch
Messprinzip der FLIM-Cam
muss, weist nicht-lineare Inkrementierungsschritte auf. Dieser
Effekt wurde während der Arbeit
eruiert und genauer analysiert.
Der zweite Teil befasst sich mit
dem Debugging des neusten Prototyps. Dieser hat mehrere Fehler,
welche einen Betrieb verunmöglichen. Probleme in der Speisung,
Fehler in der Programmierung und
weiteres wurden behoben. Zudem
wurde ein Schalter implementiert,
welche einen Modus-Wechsel für
die Programmierung oder den Betrieb der Kamera ermöglichen.
Ausblick
Der neuste Prototyp funktioniert
nun vollständig und kann frei programmiert werden. Der Weg für
das Folgeprojekt, welches sich mit
der Miniaturisierung beschäftigt,
ist nun geebnet. Die Voraussetzungen sind gegeben, die FLIMCam als Prototyp zu reproduzieren und so mit der Entwicklung
der Sonde zu beginnen.
BI BE BU VA
«Pandan» Pilot-Projekt CO2-freie Tropeninsel
Projektpartner: Dreifels AG , 4450 Sissach
Ein philippinisches Tauch-Resort soll dank Schweizer Hightech Engineering und der Arbeit von zwei BFHStudenten energieneutral werden. Dabei können neue, wegweisende Erkenntnisse für einen nachhaltigen
Tourismus und den globalen Klimaschutz gewonnen werden. Durch eine Kombination aus Photovoltaik und
einem Batteriespeichersystem wird ein Energieversorgungssystem verwirklicht, das ohne fossile Brennstoffe
auskommt. Im Rahmen der Bachelor Arbeit soll ein konkretes Konzept für ein realisierbares System erarbeitet
werden.
Ausgangslage
Das Pandan Island Resort liegt auf
der gleichnamigen Insel in den
Philippinen. Die Insel besitzt keinen Anschluss ans öffentliche
Stromnetz. Das Resort ist aber auf
elektrische Energie angewiesen,
da die Tauchflaschen mit einem
Kompressor aufgefüllt werden
müssen. Auch Licht und Ladestationen für Laptops sollen den Besuchern und Mitarbeitern des Resorts zur Verfügung stehen. Bis
jetzt wurde die benötigte Energie
mit Dieselgeneratoren produziert.
Diese Generatoren sollen durch
eine nachhaltige und CO2-freie
Energieproduktion mit Photovoltaik ersetzt werden. Das Besondere
an unserem System ist, dass wir
«Second-Use»- Akkus von gebrauchten Go-Karts verwenden.
Der Vorteil davon ist, dass die benützten Akkumulatoren nach einer
Aufbereitungsphase weiter verwendet werden können und die
Akkumulatoren sozusagen recycelt werden.
Ziel der Arbeit
Im Rahmen der Bachelor Thesis
wird ein konkretes Verschaltungskonzept von der PV-Anlage über
Akkus und Leistungselektronik bis
zum elektrischen Verbraucher aufgezeigt und im Labor getestet.
Damit auf allfällige Fehler und Ausfälle bei den Akkus reagiert werden kann, wird ein Konzept für die
Batterieüberwachung erstellt. Au-
sserdem erstellen wir eine komplette Kostenrechnung unter
Berücksichtigung der Punkte
Transport, Unterhalt und Beschaffung aller Komponenten. Das Projekt soll soweit geplant werden,
das ein ausführungsreifes Konzept
vorliegt.
Zusammenarbeit
Für das Projekt «CO2-freie Tropeninsel» arbeitet die BFH zusammen
mit dem Engineering-Unternehmen Dreifels AG in Sissach und
den Besitzern des Pandan Island
Resorts. Die Dreifels AG stellt
hocheffiziente LiFePO4-Batterien
her, welche für die Energiespeicherung verwendet werden. Die
Besitzer des Resorts unterstützen
das Projekt mit Informationen zu
den Anforderungen ans Versorgungssystem und mit ihren Landes- und Klimakenntnissen.
Resultat
Als Resultat der Arbeit ist ein Verschaltungskonzept mit einer kompletten Materialliste für die Installation entstanden. Mit einer
18.4kWp-Photovoltaik-Anlage
wird die von den Verbrauchern benötigte Energie hergestellt. Ein
modernes Inselwechselrichtersystem von der Firma SMA erstellt ein
Wechselspannungsnetz und speichert die überschüssige Energie
in den Lithium-EisenphosphatBatterien. Mit einem Sicherungsund Blitzschutzkonzept wird das
System vor Blitzeinschlägen und
Kurzschlüssen geschützt. Die
Kosten für die ganze Anlage wurden anhand der Materialliste und
den schweizerischen Preisen für
die Komponenten berechnet. Die
Anlage ist auf ihre Lebensdauer
betrachtet etwa dreimal so teuer
wie die Energieproduktion mit Dieselgeneratoren. Der Grund für eine
solche Investition ist zudem nicht
nur der Wirtschaftliche Aspekt,
sondern auch der Ökologische
Aspekt. Mit einem energieneutralen CO2 freiem Resort könnte man
der Vorreiter und ein Vorbild für
weitere nachhaltige Tourismus
Projekte werden.
Manuel Sommer
le_ [email protected]
Stefan Zürcher
[email protected]
Blockschaltbild der Inselanlage
ti.bfh.ch
133
BI BE BU VA
Stromversorgungskonzept für das Dorf Richigen
Elektro- & Kommunikationstechnik / Betreuer: Prof. Michael Höckel
Experte: Christian Müller
Projektpartner: Licht und Kraft Genossenschaft Richigen, Richigen
Die Licht und Kraft Genossenschaft Richigen (LKR) baut und unterhält das Stromnetz im Dorf Richigen. Sie
tätigt den Stromeinkauf und verkauft ihn weiter an ihre Kunden im eigenen Netz. Heute wird der Strom zu
100% bei der BKW beschafft. Die LKR möchte wissen, inwieweit eine hauptsächlich regenerative Stromproduktion im eigenen Netz möglich ist und welche finanziellen Auswirkungen diese auf ihre Jahresbilanz
hat. Neben der Prüfung der Wirtschaftlichkeit von verschiedenen Stromerzeugungsanlagen untersucht
diese Arbeit auch deren technischen Auswirkungen auf das Niederspannungsnetz.
Andreas Staub
[email protected]
Aktuelle Situation
Anhand von Messungen an verschiedenen Standorten im Netz
wurden die Lastgänge von Verbrauchergruppen visualisiert. Zudem konnte eine Analyse der
Spannungsqualität gemacht werden. Der Lastgang im Netz von
Richigen an einem «normalen»
Wochentag liegt im Mittel um120kW. Speziell sind die extrem
hohen Leistungsspitzen um 22:00,
00:00 und 03:00 Uhr. Richigen ist
interessiert ob eine Versorgung im
Inselbetrieb möglich ist. Wenn diese Nachtspitzen nicht gebrochen
werden können, muss eine Anlage
installiert werden, welche für diese
maximalen Leistungen dimensioniert ist. Das ist nicht sinnvoll.
Wenn die Nachtspitzen gebrochen
werden, kann man eine viel kleinere Anlage einsetzen. Mit immer
mehr elektronischen Verbrauchern im Netz leidet die Spannungsqualität. Elektronische Ge-
Zur Überprüfung der Spannungsqualität wurde das Netz mit den Erzeugern
mittels Sofware modelliert.
134
ti.bfh.ch
räte haben keine sinusförmige
Stromaufnahme, was zu einer zusätzlichen Belastung von Netz und
Verbraucheranlagen führt. Es können Spannungseinbrüche aufgrund von stark schwankenden
Lasten und deshalb zu sichtbar
flackerndem Licht führen. Die
Qualität der Spannung im Netz der
LKR jedoch ist sehr hoch. An keinen der ausgewerteten Stellen
haben die Werte während der
Messperioden die erlaubten
Grenzwerte überschritten.
Analyse von Produktionsanlagen
Die analysierten Erzeugungsanlagen sind: Heizungen welche
zusätzlich Strom erzeugen, sogenannte WKK-Anlagen, Biogas anlagen, Photovoltaik Anlagen
und Windturbinen. Alle sind auf
ihre Wirtschaftlichkeit geprüft
worden.
Mögliche Eigenproduktion
Eine grosse Biogasanlage würde
einen Inselbetrieb von Richigen
ermöglichen. Wenn die Nachtspitzen gebrochen werden, ist die benötigte Leistung der LKR über einige Wochen im Sommer nicht
höher als 230kW. Mit einer 250kW
Biogasanlage könnte bei Netzunterbruch das eigene Netz versorgt
werden.
Netzauswirkungen
Energieerzeuger haben einen Einfluss auf die Qualität der Spannung
im Netz. Die von der Norm definierte Spannungstoleranz wird, beispielsweise bei der Einspeisung der
250kW Biogasanlage auf die Niederspannungsebene und schwacher Last im Netz überschritten. Es
müssen vorgängig Massnahmen
ergriffen werden die das verhindern.
Fazit
Mehr als 3000 Grossvieheinheiten
und anfallendes Grüngut in einem
Umkreis von wenigen Kilometern
und ein nahe gelegener Lebensmittelverarbeiter, machen den
Standort Richigen zu einem geeigneten für die Betreibung einer
Biogasanlage. Trotzdem können
die Stromgestehungskosten einer
Biogasanlage nicht mit den tiefen
Energiepreisen der BKW mithalten. Doch mit der Kostendeckenden Einspeisevergütung (KEV) ist
ein Betrieb rentabel. Mit dem Erhalt der KEV Zahlung gehört der
erzeugte Strom der Allgemeinheit
und somit muss der Strom wie
bisher von der höheren Netzebene
bezogen werden. Diese Studie
zeigt, dass es mit den analysierten
Erzeugungsanlagen für das Dorf
Richigen keine Möglichkeit gibt
auch nur annähernd zu marktüblichen Preisen Strom zu produzieren.
BI BE BU VA
LEBE-Anlagen Bethlehem
Projektpartner: SolarCenter Muntwyler AG, 3052 Zollikofen
Der Lehrerverband Bern (LEBE) startete im Frühjahr 2011 das Projekt «schulEnergie». Ziel dieses Projektes
ist es, auf Schulhausdächern mit Schüler eine Photovoltaik-Anlage zu installieren. Parallel dazu soll die
Thematik der erneuerbaren Energien in den Unterricht integriert werden. Die BFH-TI moderiert dieses Projekt
auf fachlicher Ebene und hilft bei der Realisierung von Anlagen. In einem Bewerbungsverfahren konnten
sich interessierte Schulen anmelden. Für eine ausgewählte, die Schulanlage Bethlehem, soll in dieser
Bachelor Thesis die Anlagenplanung realisiert werden.
Ziel der Arbeit
Im Rahmen dieser Thesis soll untersucht werden, auf welchem der
acht Gebäude des Schulareals
Bethlehem sich die Inbetriebnahme einer PV-Anlage am meisten
lohnt. Bezüglich der energetischen Ausbeute werden sämtliche
Anlagen mit PVSyst simuliert. Bei
jeder PV-Anlage werden folgende
17 Kriterien untersucht:
-Dachneigung [°]
-Ausrichtung [°]
-Nennleistung [kWp]
-Ertrag [kWh/Jahr]
-Performance Ratio [%]
-Anlagekosten [CHF]
-CHF/Wp
-CHF/kWh
-Gefahr durch Dachlawine
-kWh/kWp/Jahr
Schulareal Bethlehem
-Rentabilität
-Sichtbarkeit
-Beteiligung der Schüler
-DC-seitige Verkabelung
-Netzimpedanz
-Wechselrichterplatzierung
-Platzierung des Displays
Auf sämtichen Dächern wurde jeweils eine Variante mit Sharp
NUR250(J5) PV-Modulen, DelSolar D6M250B3A PV-Modulen und
Sanyo HIT-N240SE10 PV-Modulen. Bei den Wechselrichtern wurde die MT-Serie von SolarMax
verwendet.
Resultat
Das Haus Nr. 111 erzielte die besten Ergenisse. Als weitere optimale Standorte bieten sich sowohl
die beiden Flachdächer (Ost,
West) an, als auch das Gebäude
Nr. 103. Es hat sich gezeigt, dass
mit den Sharp und den DelSolar
Modulen jeweils mehr Geiwinn erzielt werden kann als mit den Sanyo Modulen. Beim Haus Nr. 111,
auf welchem sich ein Süd-Dach
befindet, liesse sich mit den DelSolar Modulen eine Generatorleistung von 26.25 kWp installieren,
was jährlich einen Gewinn von
rund 3300 CHF ermöglichen würde.
Manuel Stäubli
[email protected]
Ausblick
Mit dieser Arbeit wurde aufgezeigt, wo und wie eine oder mehrere PV-Anlagen installiert werden
könnten. Es liegt nun im Ermessen
der LEBE, bezüglich der Realisierung einen Entscheid zu treffen.
Lageplan Schulanlage Bethlehem
ti.bfh.ch
135
BI BE BU VA
Regeleinheit für Industrieumgebung
Technik und Informatik / Betreuer: Prof. Dr. Elham Firouzi
Experte: Michael Anderegg
Projektpartner: Fasnacht AG, Worb
Der Wunsch nach preiswerten Regeleinheiten in der Druckindustrie nimmt stetig zu. Trotzdem sollte die
Bedienerfreundlichkeit und Leistung gewährleistet sein.
Zusammen mit der Fasnacht AG entwickelte die BFH Biel eine «Low Cost» Regeleinheit, welche als Alternative zu einer bereits Bestehenden angeboten werden kann.
Anstelle der Ein-/Ausgabe über Taster und LCD erfolgt die Konfiguration des Gerätes über eine, auf der SD
Karte abgespeicherte, Konfigurationsdatei.
Mathias Stucki
Fabian Zobrist
Ausgangslage
Das Unternehmen Fasnacht AG
vertreibt seit geraumer Zeit die Regeleinheit MP5, welche in der
Druckindustrie genutzt wird. Diese
ist mit zahlreichen Funktionen
ausgerüstet. Ausserdem können
Konfigurationseinstellungen direkt
am MP5 selber vorgenommen
werden. Da für viele Kunden das
MP5 bereits zu viele Funktionen
bietet, hat die Fasnacht AG entschieden, eine preiswertere Variante anzubieten. Die Funktionalität
dieser MP5 MiniMe Regeleinheit
soll aufs Wesentlichste reduziert
werden.
Realisierung
Das Ziel bei der Realisierung war,
dass auch das billigere MP5 MiniMe Board über den Anwender
konfiguriert werden kann. Dafür
musste ein Konzept gefunden
werden. Anstelle des Displays und
der Taster ist beim MP5 MiniMe
eine Konfigurationsdatei auf einer
SD Karte abgelegt. Diese Datei
wird mittels dem, von uns eingesetzten, STM32F207 Mikrocontroller eingelesen und verwaltet.
Sie kann vom Anwender angepasst werden. Falls falsche Eingaben getätigt werden, wird automatisch ein Logfile angelegt, wo
diese ersichtlich sind. Mit der, von
Keil zur Verfügung gestellten, Library wurden die nötigen «Low Level» Treiber geschrieben. Zudem
befindet sich auf dem MP5 MiniMe
neben der Benutzer-SD Karte eine
weitere Speicherkarte, auf welcher ein Backup der Konfigurationsdatei und anderen System-
Fertig bestückter MP5 MiniMe Print
136
ti.bfh.ch
daten erstellt wird. Die gesamte
Software wurde mittels Echtzeitbetriebssystem realisiert.
Ausblick
Die Fasnacht AG wird diese Regeleinheit noch für ihre Anwendung
anpassen müssen. Dabei kann auf
die bereits vorhandene Software
des MP5 Boards zurückgegriffen
und mit unserer erweitert werden.
BI BE BU VA
Fingerprint Hardware-Algorithm
Biometrie / Betreuer: Prof. Dr. Marcel Jacomet
Experte: Felix Kunz
Biometrische Authentifikation hat in den letzten Jahren einen grossen Aufschwung erlebt. Die technischen
Fortschritte erlauben es, die biometrischen Features immer effizienter und mit genügend guter Qualität
aufzunehmen. Dabei ist der Fingerabdruckt das am häufigsten verwendete biometrische Merkmal.
Augangslage:
Mobile Anwendungen verlangen
nach kostengünstigen und energiesparenden Sensoren. Die neusten
Generationen von Fingerprintsensoren sind sowohl kleiner wie auch
energiesparender als die heutigen
Sensoren. Der Nachteil von ihnen
ist, dass eine aufwändige Bildrekonstruktion benötigt wird. Diese
Sweep Sensoren werden von den
Herstellern mit energiehungrigen
Begleitchips verkauft, welche das
Bild rekonstruieren.
Zielsetzung:
Ziel ist es diese günstigen Sensoren ohne die Nachteile des
Begleitchips einzusetzen. Dafür
wurde in einer Masterthesis ein
Rekonstruktionsalgorithmus entwickelt. Dieser Algorithmus wurde
bis jetzt mit einem synthetischen
Fingerprintmodell getestet. Der
nächste Schritt besteht nun aus
der Anbindung eines Sensors an
den Algorithmus an. Als Sensor
wird ein 192×2 Pixel Sensor, welcher die Pixel Kapazitiv aufnimmt,
verwendet.
Realisierung:
Weil diese Sensoren mit den Begleitchips verkauft werden, werden keine technischen Informationen zum Sensor veröffentlicht. Um
trotzdem die benötigten Informationen zu gewinnen, wurde ein
Evaluation Kit mit dem Sensor und
seinem Begleitchip in Betrieb genommen. Auf dem Evaluation Kit
wurde danach die Kommunikation
zwischen dem Begleitchip und
dem Sensor abgefangen und analysiert.
Nachdem alle benötigten Informationen zusammengetragen wurden, konnte der Sensor betrieben
werden. Der Sensor wurde an die
Entwicklungsplattform Gecko4
an gebunden und das entwickelte
Hardware System auf einem Spartan3 FPGA implementiert. Die Rekonstruktion läuft in MatLab, das
Gecko4 dient vorerst als Interface
zwischen Sensor und PC.
Ausblick:
Als nächstes wird es im Projekt
darum gehen, den Rekosntruktionsalgorithmus zu testen, optimieren und danach in das FPGA
zu implementieren. Sobald der
Sensor mit dem Rekonstruktionsalgorithmus autonom einwandfrei
funktioniert, lässt sich daran ein
komplettes Authentifizierungssystem anbinden.
Caspar Trittibach
[email protected]
Vom Sensor aufgenommener Fingerprint.
ti.bfh.ch
137
BI BE BU VA
Positionsbestimmung von Lautsprechern
Technische Informatik / Betreuer: Prof. Dr. Urs Brugger, Prof. Ivo Oesch
Projektpartner: ARTORG Center, Bern
In einer Richtungshöranlage werden die Positionen der Lautsprecher mittels der Microsoft Kinect bestimmt.
Dazu wird ein Referenzaufbau benötigt, von dem die Positionen der Lautsprecher als Soll-Positionen abgespeichert werden. Danach können die Lautsprecher nach einer Verschiebung jederzeit wieder an ihre
ursprüngliche Position gebracht werden. Dieses differenzielle Messverfahren ermöglicht reproduzierbare
Richtungshörtests selbst mit einem wiederhergestellten Messaufbau.
Daniel Wälchli
Auftraggeber für diese Bachelor
Thesis ist das «ARTORG Center
for Biomedical Engineering Research» der Universität Bern. Das
ARTORG-Center verfügt über eine
Richtungshöranlage, mit der audiologische Schallfeld-Experimente durchgeführt werden. Die Anlage besteht aus zwölf kreisförmig
angeordneten
Lautsprechern,
welche über eine Soundkarte von
einem Computer angesteuert werden. Diese Einrichtung ermöglicht
das Durchführen von Richtungshörtests bei Patienten und gesunden Probanden.
Um bei den Richtungshörtests
möglichst genaue Resultate zu erzielen, ist es wichtig, dass die
Lautsprecher genau im Raum positioniert sind. Diese Position soll
nun mit Hilfe der Microsoft Kinect
überprüft werden. Die Lautsprecher sollen im Bild erkannt und die
Position berechnet werden. Die
Kinect wird in der Richtungshöranlage bereits zur Gestenerkennung verwendet. Damit kann die
vom Probanden angezeigte Richtung der von ihm wahrgenommenen Schallquelle erfasst werden.
Microsoft Kinect
138
ti.bfh.ch
Während der Analyse wurde die
Auflösung der Kinect-Sensoren
eingehend untersucht. Es wurden
ebenfalls verschiedene Objekte
für den Einsatz als Marker geprüft.
Die Verwendung eines Markers ist
notwendig, da die Oberflächen
der Lautsprecher für die Erkennung mit dem Tiefensensor der
Kinect nicht geeignet sind. Die
Wahl für den Marker fiel schliesslich auf eine weisse Styropor kugel.
Das Zentrum der Kugel wird im
RGB-Bild mittels digitaler Bildverarbeitung erkannt. Mit den bestimmten Koordinaten kann anschliessend die Distanzinformation des entsprechenden Punktes
aus dem Tiefensensor der Kinect
gelesen werden. Somit wird die
Position der Kugel in einem dreidimensionalen Koordinatensystem
Richtungshöranlage
bestimmt. Bei dem genannten
Vorgehen wurde aus zeitlichen
Gründen auf die Kalibrierung der
Kamerasystemparameter verzichtet. Deshalb wurde die Positionsbestimmung mit einem differenziellen Messverfahren implementiert.
Die entwickelte Positionsbestimmungs-Applikation ermöglicht,
dass der Messaufbau abgeräumt
und mit einfachen Mitteln schnell
wieder aufgebaut werden kann.
Damit werden reproduzierbare
Richtungshörtests selbst mit einem wiederhergestellten Messaufbau möglich. Die Genauigkeit der
Positionsbestimmung der Lautsprecher liegt parallel zum Sensor
bei ± 7 mm, bei der Bestimmung
der Distanz zum Sensor liegt die
Genauigkeit bei ± 15 mm.
BI BE BU VA
Leistungsendstufe für kapazitive Lasten
Mechatronik / Betreuer: Prof. Markus Moser
Experte: Felix Kunz
Im Rahmen eines Projektes mit der EPFL (École polytechnique fédérale de Lausanne) haben wir einen
Prototyp einer Breitband-Leistungsendstufe für die Ansteuerung stark kapazitiver Lasten, speziell piezokeramische Aktuatoren, entwickelt. Beim Betrieb in einem engen Frequenzbereich kann der kapazitive Blindstrom durch eine angepasste Induktivität kompensiert werden. Dies ist bei einer Breitbandendstufe nicht
umsetzbar, deshalb wurde eine für den Breitbandbetrieb optimierte Endstufen-Topologie eingesetzt.
Ausgangslage
Für ein Projekt, bei welchem die
EPFL für die piezokeramischen
Aktuatoren zuständig ist, entwickelten wir eine Leistungsendstufe, welche es ermöglicht, erstens
stark kapazitive Lasten anzusteuern und zweitens die volle Leistung über eine möglichst grosse
Bandbreite mit kleinen Verlusten
abzugeben.
Schaltungsentwicklung
Bereits in den vorhergehenden
Semesterarbeiten haben wir uns
tiefgreifend mit verschiedenen
Endstufen-Topologien beschäftigt
und ein Funktionsmuster einer eigenen Schaltung verwirklicht. Aus
den Erkenntnissen des Funktionsmusters haben wir unsere Schaltung weiterentwickelt und einen
Prototypen erstellt.
Regelung
Der Prototyp besitzt einen 32 Bit
ARM Mikrocontroller der Frequenz
und Spannung entsprechend der
angeschlossenen Last selbständig regeln kann. Ein CPLD (Complex Programmable Logic Device)
erzeugt das Pulsmuster für die
Ansteuerung der Leistungshalbleiter. Messgrössen, die der Mikrocontroller verarbeitet, sind die
Spannung an der Last und der
aufgenommene Strom der Endstufe. Der Datenaustausch zwischen Mikrocontroller und CPLD
erfolgt via SPI-Schnittstelle. Ein
spezielles Pulsmuster für die Ansteuerung der Endstufe führt zu
einer optimale Kurvenform über
der Last und erlaubt minimale Verluste in der Endstufe
Steuerung
Die gesamte Schaltung kann vorerst mit einem handelsüblichen
Computer, später dann mit einem
Bediengerät gesteuert werden.
Die Kommunikation zur Schaltung
erfolgt via CAN-Bus. Dem Anwender stehen die Möglichkeiten offen, die Schaltung ein- oder auszuschalten und Frequenz, Leistung
und Lasttyp zu wählen. Die Speisespannung wird vorerst extern
geliefert.
Ausblick
Die Speisung mit galvanischer
Trennung, die Netzfilterung und
das Bediengerät muss noch eingebunden werden. Das Programm
auf dem Mikrocontroller kann mit
weiteren Funktionalitäten erweitert
werden. Wenn die Aktuatoren von
der EPFL zur Verfügung stehen,
müssen Messungen durchgeführt
und der Regelalgorithmus optimiert werden. Um noch höhere
Leistungen zu erzielen, kann ein
Parallelschalten von mehreren
Endstufen in Betracht gezogen
und implementiert werden.
Cedric Weber
[email protected]
Stefan Weyeneth
[email protected]
ti.bfh.ch
139
BSc in Informatik
BSc en Informatique
BI BE BU VA
BSc in Informatik
Kassandra – A Firefox Security Demonstration Add-On
IT Security / Betreuer: Dr. Emmanuel Benoist
Experte: Armin Blum
Anhand einer Erweiterung, eines sogenannten Add-Ons, konnten wir diverse Schwachstellen im Design des
Firefox Browser aufdecken. Wir waren in der Lage, bestehende Sitzungen (Ebay, Gmail…) zu übernehmen,
die Tastaturschläge des Benutzers aufzuzeichnen, Passwortfelder zur Laufzeit zu manipulieren und private
Dateien auf dem Laufwerk auszuspähen. Verschiedene Viren- und Internetscanner waren nicht in der Lage,
Kassandra zu entdecken. Ein weiteres Highlight ist das Verstecken und Auslesen von geheimen Nachrichten in Bildern auf Google+.
Petar Aleksandrovic
[email protected]
Stephan Berger
Firefox und seine Erweiterungen
Der Web-Browser nimmt in unserer
vernetzten Gesellschaft einen immer grösseren Stellenwert ein, und
dieser Trend wird sich mit den fortschreitenden technischen Möglichkeiten noch einmal vergrössern.
Die Version 1.0 von Firefox wurde
Ende 2004 veröffentlicht, und seitdem konnte der quelloffene Browser seinen Marktanteil auf gut
25 Prozent ausbauen, dies nicht
zuletzt wegen seinen Erweiterungen, den sogenannten Add-Ons,
deren Sicherheit wir uns in dieser
Bachelor-Thesis gewidmet haben.
Der Fuchs im Schafspelz
Ein Benutzer, so unerfahren er auch
sein mag, würde sich kein Add-On
installieren, wenn er auf den ersten
Blick sehen würde, dass es seine
Passwörter und Login-Daten
stehlen würde. Deshalb haben wir
ein sogenanntes Overlay programmiert, das dem Benutzer die aktuellen Angebote der Detailhandelskette Denner anzeigt. Auf
Knopfdruck erscheint dann unser
Denner Promotions – Das Overlay
für Kassandra
142
ti.bfh.ch
richtiges Add-On namens Kassandra (Seherin und Tochter des
Trojanischen Königs Priamos, die
die Trojaner vor der List der Griechen warnte). Wir haben unsere
Arbeit so benannt, weil wir uns wie
die Griechen einer List bedienen,
um den Benutzer dazu zu bewegen, unsere Erweiterungen zu installieren.
Ein Add-On, viele Möglichkeiten
Nachdem sich ein Benutzer Kassandra installiert hat (über SocialEngineering oder über einen anderen Kanal) stehen uns folgende
Möglichkeiten offen, um persönliche und private Daten des User
auszuspionieren sowie ihn auf
falsche Seiten zu leiten:
– Keylogging – Aufzeichnen der
Tastaturschläge inklusive Screenshot der besuchten Seite
– Redirection – Fernsteuern auf
fremde Seiten
– Session Hijacking – Übernahme
einer laufenden Sitzung (Ebay,
Ricardo, GMail…)
– Server Socket – Verbindung per
Telnet auf den Rechner des Be-
Der Hauptbereich von Kassandra
nutzers (Lesen / Schreiben von
Dateien auf der Festplatte, Verändern der Lesezeichen, Durchsuchen des Verlaufes…)
– DOM Manipulation – Ersetzen
von Formularen und auslesen
von gespeicherten Passwörtern
– Spoofing – Weiterleitung auf einen anderen Server und Täuschung des Benutzers, damit er
sich bei einer fremden Seite anmeldet (GMail / Yahoo Mail)
– Kryptographie – Verschlüsselte
Dateien zur Laufzeit in ein Objekt mit lauffähigem Code umwandeln zur Täuschung von
Malware-Scannern
Das letzte Feature von Kassandra
könnte z. B. von Regimegegnern
in unterdrückten Ländern verwendet werden:
– Steganographie – Das Verstecken von geheimen Nachrichten
in Bildern auf Google+
Unter dem Radar
Verschiedene Tests mit Viren- und
Internetscannern von namhaften
Anbietern verliefen positiv in dem
Sinne, dass Kassandra unentdeckt geblieben ist, und zwar bei
allen oben vorgestellten Funktionen. Dies zeigt deutlich, dass im
Hinblick auf die Sicherheit von
Browsern noch eine Menge Potential vorhanden ist, um den Benutzern die grösstmögliche Sicherheit gewährleisten zu können.
BSc in Informatik
BI BE BU VA
SuisseID ‹CAS as a VM›
IT-Security / Betreuer: Prof. Gerhard Hassenstein
Experte: Prof. Dr. Andreas Spichiger
Der ‹CAS as a VM› ist eine als virtuelle Maschine konzipierte und lizenzfreie Implementation des Claim
Assertion Services. Dieses System bildet in der SuisseID-Welt eine Art Auskunftsdienst für beliebig konfigurierbare Informationen aus verschiedenen internen LDAP- und MySQL-Datenquellen über einen auf dem
CAS registrierten Benutzer. Diese Informationen lassen sich, ausschliesslich mit der aktiven Zustimmung
des jeweiligen Benutzers, von jedem SP (Service Provider) signiert und somit beglaubigt abrufen.
Ausgangslage
Mit der SuisseID existiert seit dem
Frühling 2010, lanciert durch das
Staatssekretariat für Wirtschaft
(SECO), die erste standardisierte
Methode, um eine Person elektronisch sicher zu authentifizieren.
Weiter lassen sich damit eine kleine
Anzahl von Informationen, welche
klassischerweise auch in einem
Pass abgedruckt sind, über dieses
System abrufen. Diese sogenannten Core-Attribute werden von der
Basis-Infrastruktur, den IdPs (Identity Provider), in signierter und somit beglaubigter Form dem Benutzer zur Verfügung gestellt.
Damit der SuisseID-Welt zusätzliche, zu den durch die IdPs gelieferten begrenzten, Informationen
zugänglich gemacht werden können, wurde der CAS als Konzept
durch die Arbeitsgruppe der SuisseID ausgearbeitet.
Zielsetzung
Damit die einzelnen Firmen und
Verbände, welche Informationen
über Benutzer anbieten wollen,
einen CAS kostengünstig und einfach bei sich einbinden können,
soll mit diesem Projekt ein lizenzfreier und durch den jeweiligen
Administrator parametrierbarer
CAS entwickelt werden. Der CAS
soll zudem direkt als vollständig
lauffähige virtuelle Maschine zum
kostenlosen Download angeboten
werden, damit das ganze System
direkt in die bestehende Umgebung eingebunden und konfiguriert werden kann.
Umsetzung
Um das Konzept als kostenloses
System umzusetzen wurden als
Betriebssystem CentOS und als
Applikationsserver GlassFish gewählt. Aufbauend auf diese Grundlage wurde der CAS gemäss
Spezifikation und Konzept als
Webanwendung implementiert.
Zusammen mit der Administrationsanwendung, ist es dem Administrator des Systems möglich,
eine beliebige Anzahl an Datenquellen (zurzeit LDAP-Verzeichnisdienste und MySQL-Datenbanken)
an den CAS anzubinden. Basierend auf diesem Datenbestand
kann er einzelne Attribute dieser
Datenquellen unter einem eindeutigen Namen der SuisseID-Welt
zum Abrufen anbieten. Optional
lassen sich die Ausgabewerte der
Attribute anhand von Übersetzungsregeln vor der Ausgabe abändern.
Um den Dienst nutzen zu können,
muss der Benutzer zuerst mit seiner SuisseID-Nummer und internem Benutzernamen vom Administrator auf dem CAS registriert
werden. Zudem muss jeder dieser
Einträge vom jeweiligen Benutzer
zusammen mit seiner SuisseID
und seinem internen Passwort
validiert werden. Damit ist sichergestellt, dass jegliche Daten nur
an den eigentlichen Benutzer ausgegeben werden.
Florian Bänziger
[email protected]
Interaktion des Benutzers mit dem SP und dem CAS mit dessen unterstützten
Datenquellen
ti.bfh.ch
143
BI BE BU VA
BSc in Informatik
Information Lifecycle Management for Oracle ERP
Web and Business Applications / Betreuer: Prof. Dr. Arno Schmidhauser
Experte: Andreas Dürsteler
Projektpartner: Emmi Schweiz AG, Ostermundigen
Das Thema Information Lifecycle Management (ILM) ist in aller Munde, wird jedoch in den meisten Firmen
noch sehr stiefmütterlich behandelt. Viele Unternehmen setzen bisweilen die Prioritäten der IT andernorts.
Die vorliegende Thesis hat sich dieser Thematik bei der Emmi Schweiz AG für das ERP System angenommen.
Da auf dem Markt bisher keine optimale Archivlösung existiert, welche eine Anbindung an das ERP System
bietet, wurde eine Insellösung implementiert. So konnten auf der Datenbankebene mit eleganten Technologien, alte Daten, in eine Archivumgebung verschoben werden.
Marc Baumann
[email protected]
Ausgangslage
Die Emmi Schweiz AG hat 2005
ein Enterprise Resource Planning
(ERP) System eingeführt. Die
Hauptfunktionsbereiche sind die
Materialbewirtschaftung, der Verkauf, sowie das Finanz- und Rechnungswesen. Bis heute ist der
Datenbestand des ERP Systems
auf mehr als 2TiB gewachsen, was
einem durchschnittlichen Wachstum von 350GiB pro Jahr entspricht. Bezüglich Information
Lifecycle Management (ILM) wurde bis anhin nichts unternommen.
Momentan befinden sich sämtliche Daten auf gleich teurem Speicherplatz. Dies betrifft sowohl
aktuelle Daten, welche täglich eingesetzt werden, als auch alte Daten, die vom System nur äusserst
selten oder gar nicht mehr verwendet werden. Bei ständigem
Wachstum der Daten steigen ausserdem die Backup und folglich
auch die Recovery Zeiten an.
Vorgehen
Zuerst wurden das ERP System,
sowie die Oracle Datenbank analysiert. Sowohl die Analyse, als auch
die spätere Umsetzung, wurden auf
einer Kopie der produktiven Datenbank durchgeführt. Bei der Datenanalyse hat sich herausgestellt,
dass die grössten fünf Tabellen inkl.
deren Indizes über 60 % des Gesamtspeicherplatzes belegen.
Im Anschluss wurden zusammen
mit den Business Verantwortli-
144
ti.bfh.ch
chen die Anforderungen an eine
Archivierung definiert.
Darauf folgend wurden einige
Oracle Datenbank Technologien
getestet, welche als mögliche
Kandidaten für die Umsetzung der
Archivierung in Frage kamen:
– Online Redefinition (DBMS_REDEFINITION)
– Partitioning
– Compression
– Transportable Tablespace
– Fine-Grained Access Control
(FGAC)
Aus einer Kombination der obenstehenden Technologien konnte
eine äusserst effiziente und Compliance- sichere Methode entworfen werden, um einzelne Tabellen
zu archivieren.
Nach dem Aufbau eines Testsystems, wurde das beschriebene
Verfahren in der Implementierungsphase für die beiden grössten Tabellen umgesetzt.
Datenwachstum ERP System
Es folgten abschliessende Tests
der wichtigsten ERP Programme,
welche auf den beiden Tabellen
basieren.
Ergebnisse
Im Ergebnis erweist sich diese
Methode als sehr rentabel. Dank
der Archivierung von Daten dauert
z.B. eine Abfrage, welche bisher
über fünf Stunden benötigte,
heute nur noch 30 Minuten.
Ausserdem konnte der Datenbestand der Primären Datenbank
von 2.1TiB um 600GiB auf 1.5TiB
reduziert werden. Aus diesem und
weiteren Gründen konnten die
Speicherkosten um über 60 % gesenkt werden.
BSc in Informatik
BI BE BU VA
Elektronisches Flugbuch für Hängegleiter-Piloten
Web and Business Applications / Betreuer: Marcel Pfahrer
Experte: Dr. Federico Flueckiger
Die meisten Gleitschirm- sowie Delta-Piloten führen selbständig ein Flugbuch, welches als persönlicher
Nachweis von Flugstunden resp. Flugerfahrung dient. Nur wenige Piloten benützen dafür moderne Hilfs mittel
wie den Computer oder das Smartphone und führen das Flugbuch weiterhin auf Papier. Diese BachelorThesis zeigt wie ein zukünftiges, elektronisches Flugbuch in Form einer Web-Applikation umgesetzt werden
kann.
Das Ziel dieser Bachelorarbeit ist
es, eine ebenbürtige, elektronische Alternative zum papiergebundenen Flugbuch zu erstellen.
Dabei bietet das elektronische
Flugbuch sämtliche Funktionalitäten wie die bisherige Lösung, wie
das Auflisten sämtlicher Flüge,
Darstellen der totalen Flugdauer
oder die Möglichkeit, persönliche
Bemerkungen an einen Flug hinzuzufügen.
Ausserdem wird dem Piloten durch
die technischen Möglichkeiten ein
Mehrwert geboten, wie das automatische Addieren der Flugstunden, einer Übersichtskarte mit der
grafischen Darstellung sämtlicher
Flugbewegungen sowie detaillierten Statistiken als Infografiken.
Damit das elektronische Flugbuch
auf diversen Endgeräten wie
Desktop-Computer, Notebooks,
Tablets oder Smartphones benutzt werden kann, wurde es als
Web-Applikation umgesetzt und
nutzt offene Standards wie HTTP,
HTML5, CSS3, JavaScript usw.
Die Web-Applikation selbst basiert
auf dem ASP.NET MVC3 Framework von Microsoft in Verbindung
mit einer MSSQL-Datenbank und
läuft auf einem Windows 2008
Server.
Die Kernkomponente der Applikation ist ein Parser für IGC-Protokolldateien. Viele Piloten benutzen
heutzutage Fluginstrumente mit
einem integrierten GPS-Modul,
welche den gesamten Flugverlauf
aufzeichnen und in eine IGC-Datei
speichern. Die Web-Applikation ist
nun in der Lage, diese Dateien
auszulesen und die Flugroute grafisch auf einer Karte darzustellen.
Insbesondere bei längeren Flügen
werden diese Dateien sehr umfangreich und mit den eingesetzten Technologien ist es unmöglich,
mehrere Flüge auf einer Übersichtskarte darzustellen ohne dass
es zu langen Ladezeiten kommt.
Deshalb komprimiert die WebApplikation mit Hilfe des DouglasPeucker-Algorithmus die Flugrouten dynamisch auf die gewünschte
Detailstufe.
Weiter verwendet die Web-Applikation frei verfügbare Informationen zu rund 4500 Start- und Landeplätze aus der ganzen Welt und
erspart dem Benutzer somit das
Erfassen von bekannten Fluggebieten. Mittels einer fortgeschrittenen Suchfunktion, welche auch
Rechtschreibefehler ignoriert, hat
der Benutzer jederzeit Zugriff auf
diese Gebiete und sieht Statistiken
sämtlicher Flugbewegungen in diesem Gebiet. Auf einem Smartphone
kann sich der Benutzer unterwegs
die nächstgelegenen Fluggebiete
darstellen lassen und erhält nützliche Detailinformationen.
Übersichtskarte aller Benutzer
Detailansicht eines Fluges mit Flugroute
Flugstatistiken
David Baumgartner
[email protected]
Ken Blum
ti.bfh.ch
145
BI BE BU VA
BSc in Informatik
Sicheres und effizientes E-Voting
IT-Security / Betreuer: Prof. Dr. Rolf Haenni, Prof. Dr. Eric Dubuis
Die sichere Durchführung von elektronischen Abstimmungen ist eine der herausforderndsten Anwendungen
kryptografischer Protokolle. Ein im Jahr 2005 entworfenes E-Voting-Protokoll hat unter anderem die Eigenschaft, dass der Wähler nicht erpresst werden kann. Das Protokoll besitzt allerdings auch eine markante
Einschränkung bei der Stimmenauszählung. Aus diesem Grund wurden an der BFH mehrere optimierte
Versionen entwickelt, welche sich diesem Problem annehmen. Der Auftrag lautete, ein Prototyp der neusten
Variante zu entwickeln, um die Praktikabilität des Protokolls aufzuzeigen.
David Berger
[email protected]
Rolf Linder
[email protected]
146
Die weltweite Verbreitung des Internets eröffnet unter anderem
auch neue Möglichkeiten bei der
Interaktion zwischen Bürger und
Staat. Mittlerweile beteiligen sich
in der Schweiz 13 Kantone an
Pilotprojekten zum Thema EVoting.
Im Bereich von elektronischen Abstimmungen bestehen Anforderungen, welche weit über die von
anderen, sicherheitskritischen Internetanwendungen wie z. B. EBanking oder E-Shopping hinaus
gehen. So muss bei E-Voting nicht
nur sichergestellt werden, dass es
sich bei Wähler und Wahlbehörde
um die korrekten Parteien handelt.
Die Auszählung der Stimmen
muss transparent und für jedermann nachvollziehbar sein, darf
jedoch keinen Aufschluss darüber
geben, wer wie abgestimmt hat.
Zusätzlich darf der Wähler nicht
erpressbar sein: Einem Betrüger
soll es nicht möglich sein, einen
Wähler dazu zu zwingen, auf eine
bestimmte Art und Weise zu stim-
ti.bfh.ch
men, nicht an der Wahl teilzunehmen oder gar seinen Stimmausweis zu veröffentlichen. Diese
Eigenschaft wird als «Coercion
Resistance» bezeichnet.
Das E-Voting-Protokoll von Juels
et al. (2005) entspricht dem neusten Stand der Technik und liefert
eine Lösung für die geforderte
«Coercion Resistance». Das Protokoll besitzt allerdings eine gravierende Einschränkung: Die für
die Stimmenauszählung benötigte
Zeit wächst quadratisch mit der
Anzahl Stimmen. Bereits ab einer
vergleichsweise kleinen Anzahl
von Stimmen dauert die Auszählung so mehrere Stunden, was in
der Praxis nicht praktikabel ist. Die
E-Voting-Gruppe der Berner Fachhochschule hat mehrere Varianten
entwickelt, welche sich diesem
Problem annehmen.
Der Auftrag dieser Bachelor Thesis lautete, einen Prototyp der
neusten Protokollvariante zu
entwickeln. Die Spezifikation war
dabei so effizient wie möglich
zu implementieren. An gewissen
Stellen wurden Vereinfachungen
erlaubt. Das Hauptziel der Implementation bestand in einer
Proof-of-Concept-Studie, welche
die Praktikabilität des Protokolls
unter realen Umständen aufzeigen
sollte.
Entwickelt wurde eine auf Java
RMI basierende Client-/ServerApplikation mit verschiedenen
Rollen. Der Fokus bestand dabei
in der Stimmenauszählung. Die
Applikation beinhaltet Implementationen der Konzepte «ElGamalVerschlüsselung», «Zero-Knowledge-Beweise», «Reencryption
Mix-Network» und «verteilte Berechnung und Entschlüsselung».
Neben einer interaktiven Stimmabgabe wurde eine Simulation einer Abstimmung entwickelt, um
Aussagen über die Leistungsfähigkeit des Protokolls machen zu
können. Dabei konnte der lineare
Zeitverlauf der Stimmenauszählung erfolgreich unter Beweis gestellt werden.
BSc in Informatik
BI BE BU VA
KryptonIT Passwort Manager
Mobile Computing und Web Applications / Betreuer: Reto König, Dr. Bernhard Anrig
Experte: Dr. René Bach
Ein grosser Nachteil bestehender Passwort Manager ist, dass diese «challenging» sind. Dadurch sind sie
angreifbar. Basierend auf einer neu entwickelten kryptographischen Methode wurden zwei Passwort
Manager umgesetzt: Eine interaktive und grafische Lernkomponente, um die Grundlagen der Methode zu
vermitteln, und eine benutzerorientierte Applikation, um die Verwendung der Methode in der Praxis zu
erforschen.
Problemstellung
Diese Arbeit befasst sich mit der
Umsetzung einer kryptographischen Methode mit dem Namen
KryptonIT. Die Methode soll als
Grundlage für einen Passwort Manager dienen. Der praktische Einsatz der Methode ist weitgehend
unerforscht. Aus diesem Grund
sollen zwei Umsetzungen («Proof
of Concepts») erstellt werden: Eine
Umsetzung, welche in der Lehre
eingesetzt werden kann, um die
Grundlagen und Funktionsweise
grafisch zu vermitteln; eine weitere Umsetzung, mit welcher die
Verwendung aus der Sicht eines
Benutzers untersucht werden
kann. Bei der «Benutzersicht» soll
zusätzlich die Verwendung von
Kontext-bezogenen Daten (z. B.
ein Wifi-Netzwerk) als Eingaben
betrachtet werden, welche in einem modernen Smartphone zur
Verfügung stehen. Um einen
Passwort-Speicher sowohl in der
erklärenden Sicht, als auch in der
Benutzersicht untersuchen zu
können, soll ein Austausch eines
Chiffrates zwischen den beiden
Applikationen möglich sein.
KryptonIT Android Passwort Manager
KryptonIT GWT Passwort Manager
Lösung
Es wurden zwei Applikationen umgesetzt. Eine Mobile Applikation
auf der Basis von Android und
eine Web Applikation mit Google
Web Toolkit (GWT). Diese Technologien wurden gewählt, da die
Umsetzung der KryptonIT Methode als Java Bibliothek bereits zur
Verfügung stand.
Mit der Android Applikation können neue Chiffrate erstellt, gespeichert und abgefragt werden. Als
Eingaben für die Abfrage wurden
Text, der Inhalt eines QR-Barcodes, eine Wifi-Adresse und eine
Kompass-Himmelsrichtung umgesetzt. Für den Austausch von Chiffraten wurden Import- und ExportFunktionen realisiert.
Mit der GWT Applikation können
ebenfalls neue Chiffrate erstellt,
gespeichert, und abgefragt werden. Als Eingaben für die Abfrage
wurde ausschliesslich Text umgesetzt, da eine Web Applikation
keine Sensoren zur Verfügung hat.
Bei der Erstellung und beim Abfra-
gen eines Chiffrates wird dem Benutzer zusätzlich eine grafische
Visualisierung und ein Informationsbereich angezeigt. Diese beiden Bereiche zeigen dem Benutzer die Resultate der Berechnungen
während der einzelnen Erstellungs- und Abfrage-Schritte eines
Chiffrates auf. Des Weiteren hat
man die Möglichkeit, ein Chiffrat
zu importieren oder exportieren.
Schlussfolgerung
Durch grafische Untersuchungen
mit der Web Applikation konnte
gezeigt werden, dass die ursprünglich eingesetzten Hash-Methoden
(z. B. SHA1) für die Verwendung
ungeeignet sind. Deshalb musste
die Umsetzung der KryptonIT Methode mit einer zusätzlichen HashFunktion erweitert werden.
Sowohl für die Android, sowie
auch die GWT Applikation konnten
wie gewünscht umgesetzt werden. Somit stehen die Resultate
dieser Arbeit einerseits für die
Lehre, andererseits für weitere Untersuchungen der Usability und
Sicherheit der KryptonIT Methode
zur Verfügung.
ti.bfh.ch
Louis Bernath
Jan Thomas Liechti
147
BI BE BU VA
BSc in Informatik
Neuaufbau Herzsicher.ch
Web and Business Applications / Betreuer: Prof. Marcel Pfahrer
Experte: Mathis Marugg
Projektpartner: Erich Grossniklaus, Herzsicher.ch, Gysenstein
Stellen Sie sich vor, neben Ihnen erleidet jemand einen Herzstillstand. Was tun Sie? Notruf alarmieren und
CPR. – CPR hat jedoch nur eine 7% Chance, jemanden erfolgreich zu reanimieren, Defibrillatoren (AEDs)
haben eine 30% Chance. Doch wo findet man den nächsten AED? Hier kommt HERZSICHER.CH ins Spiel!
Diese Plattform zeigt Ihnen die Standorte der nächstbesten Defibrillatoren an. – Herzsicher.ch bietet eine
Webseite und einen Web Service, bei welchem ein Benutzer den Standort und Verfügbarkeit seiner AEDs
eintragen und verwalten kann, die dann auf einer Karte dargestellt werden.
Patric Blunschi
Jan Stohler
Auftrag
Für unsere Bachelor Thesis wurden
wir von Erich Grossniklaus, Projektinitiant der Webseite herzsicher.
ch, beauftragt, die Herzsicher
Plattform zu erweitern. Die Webseite existiert bereits, ist jedoch
technisch veraltet, so dass wir die
Plattform von Grund auf neu konzipieren mussten. Dies hatte den
Vorteil, dass wir die neuesten
Technologien verwenden konnten.
Da nicht nur eine Webseite, sondern auch andere Applikationen
wie z. B. eine Smartphone App
oder Ressource Management Systeme von Firmen auf die Datenbank
zugreifen können müssen, wird die
Plattform als Web Service realisiert.
Ein Web Service bietet Schnittstellen gegen aussen an, über welche
die Funktionen der Plattform aufgerufen werden können.
Weiterer Inhalt der Bachelor Thesis war es, die aktuelle Webseite
mit den bestehenden und einigen
zusätzlichen Funktionen neu umzusetzen.
Technologien
Wir entschieden uns bei der Umsetzung für Microsoft .NET als
Technologie, einerseits aus persönlichem Interesse und andererseits weil .NET mittlerweile sehr
ausgereift ist und viele unterstützende Frameworks und Templates
beinhaltet.
So wurde der Web Service als
RESTful Web Service mit WCF als
148
ti.bfh.ch
Basis umgesetzt, welcher für Aufrufe die Standard HTTP Operationen (GET, POST, PUT, DELETE)
verwendet. Daten werden dabei in
XML verpackt und via HTTP übergeben.
Für die Webseite entschieden wir
uns für die aktuellste Version des
.NET MVC 3 Frameworks, während die Daten in einer MS SQL
Datenbank gespeichert werden.
Die Anbindung an die Datenbank
von Seiten Web Service erfolgt via
dem ADO.NET Entity Framework,
durch welches die Tabellen als Objekte im Code dargestellt werden.
Web Service
Der Web Service offeriert eine Vielzahl an Funktionen zum Abfragen,
Erstellen, Ändern und Löschen von
Defibrillatoren, Standorten, Benutzern und Firmen. Zur Authentifizierung mit dem Web Service wird mit
einem zufällig generierten Token
gearbeitet, welches zeitlich beschränkt und dem eingeloggten
Benutzer zugewiesen ist.
Webseite
Die Webseite verfügt über keine
eigene Verbindung zur Datenbank,
sondern verwendet dazu die
Schnittstellen des Web Services.
Sie hat jedoch Zugriff auf einige
exklusive Funktionen des Web
Services, wie zum Beispiel das
Erstellen eines Benutzeraccounts.
Nebst der Möglichkeit für den Benutzer seine Defibrillatoren, deren
Standorte, seine Benutzerdaten
und Firma zu verwalten, bietet sie
Besuchern eine Liste der Defibrillatoren und die Darstellung der
Standorte übersichtlich auf einer
Google Map, inklusive aller notwendigen Informationen.
Ausblick
Da die Bachelor Thesis ein Neuaufbau der Herzsicher Plattform
ist, bietet sie nun genug moderne,
technische Möglichkeiten zur einfachen Weiterentwicklung, wie
zum Beispiel für eine Smartphone
Applikation und erweiterte Funktionalitäten.
Webseite mit Defi-Darstellung auf Google Maps
BSc in Informatik
BI BE BU VA
Touch – Zusammentreffen mobiler Geräte erkennen
Mobile Computing / Betreuer: Reto König, Claude Fuhrer
Experte: Armin Blum
In dieser Arbeit wird ein Framework für mobile Endgeräte (Android) entwickelt, welches das räumliche und
zeitliche Zusammentreffen zweier mobiler Endgeräte Benutzer registrieren kann, ohne dabei auf Benutzerinteraktionen angewiesen zu sein. Ziel des Systems ist es, mit Hilfe der verfügbaren Sensoren jene Teilnehmer in Echtzeit zu identifizieren, welche sich zeitgleich räumlich in unmittelbarer Nähe aufhalten. Das
Framework soll dabei möglichst schonend mit den vorhandenen Energie-Ressourcen umgehen.
Ausgangslage
Beim Projekt Where’s George?
(www.wheresgeorge.com) können
Menschen überall auf der Welt Dollar Noten und deren aktueller
Standort eintragen. Ab einem zweiten Eintrag derselben Note spricht
man von einem Hit. Die Menschen
können so ihre einmal eingetragenen Banknoten und deren Standort
jederzeit verfolgen. Diese Idee soll
auf eine mobile Applikation mit Android umgesetzt werden. Es soll ein
Framework entwickelt werden, welches das Zusammentreffen von
Menschen, ohne Einwirken der Benutzer, erkennt und es als Hit zentral hinterlegt. Als Beweis des
Frameworks wird die Beispielapplikation «Mobile Epidemiology» entwickelt, um das Wohlbefinden der
Teilnehmer auf einer Skala von 1–10
zu messen und miteinander in Verbindung zu bringen.
Lösungsansatz
In regelmässigen Abständen übermittelt das mobile Gerät die aktu-
elle Position an einen Applikationsserver. Dieser prüft, ob sich
andere Benutzer in potentieller
Nähe (< 1km) befinden und startet
für jeden gefundenen Benutzer
einen neuen «Touch»-Prozess. Pro
Prozess übermitteln jeweils die
zwei involvierten Mobiltelefone ihren genauen Standort anhand von
GPS und den sichtbaren Wifi
Netzwerken. Wenn der Applikationsserver erkennt, dass sich die
beiden Benutzer sehr nahe sind
(< 40 m oder mind. 1 gleiches
WLAN sichtbar) wird auf eine direkte Sichtbarkeit überprüft. Dazu
soll bei beiden Geräten Bluetooth
aktiviert und eine Suche nach
sichtbaren Geräten gemacht werden. «Sehen» sich die beiden Geräte, hat ein Zusammentreffen
stattgefunden und es wird ein Hit
in der Datenbank eingetragen. Da
die Suche mit Bluetooth nicht mit
allen Android Versionen möglich
ist, wird als Alternative der eingebaute Wifi-Hotspot verwendet, mit
welchem ein Smartphone ein ei-
Komponenten- und Schnittstellenübersicht
genes WLAN erstellen kann. Wie
bei Bluetooth kann auf die Sichtbarkeit des Netzwerkes überprüft
werden.
Der Applikationsserver besteht aus
einem Webserver mit verschiedenen Schnittstellen, welche über
HTTP Anfragen angesprochen werden können. Die übertragenen Daten werden in einem JSON zusammengefasst und an die definierten
Schnittstellen übermittelt. Die Datenübertragung vom Applikationsserver an das mobile Gerät wird
über Push Nachrichten (Cloud 2
Device Messages) gemacht.
Kevin-Dave Brechbühl
[email protected]
Probleme
Das grösste Problem war die Internetkonnektivität der mobilen
Geräte. Bis es zu einem Hit kommt,
müssen immer wieder Daten übertragen werden, welche leider
durch fehlende Internetverbindungen nicht immer an den Applikationsserver übermittelt wurden. In
diesem Fall wird ein Prozess abgebrochen und es kann somit kein
Hit erzeugt werden.
Ausblick
Das Framework ist noch in der Betaversion, jedoch wurde seine
Funktionsweise bewiesen. Es
können weitere Anwendungen auf
dem Framework aufgebaut, beliebige Daten zur Auswertung gespeichert und diese mit einzelnen
Benutzern in Verbindung gebracht
werden.
ti.bfh.ch
149
BI BE BU VA
BSc in Informatik
Pfadsuche in dreidimensionalen virtuellen Welten
Informatik / Betreuer: Dr. Jürgen Eckerle
Experte: Han van der Kleij
Das Finden eines Pfades in einer virtuellen Umgebung ist ein Problem, welches in der Informatik sehr häufig
vorkommt. Es gibt kaum noch ein Spiel, welches heutzutage ohne Pfadfindung auskommt. Bei der Betrachtung eines solchen Suchverfahrens spielt das Gelände eine entscheidende Rolle. So ist beispielsweise
eine Bewegung wie das Erklimmen eines Hügels bedeutend teurer als das Fortbewegen auf einer flachen
Strasse. Wir haben untersucht, wie ein solches Verfahren an ein dreidimensionales Terrain angepasst werden kann.
Damian Breu
[email protected]
Ausgangslage
Die Effizienz solcher Pfadsuchverfahren ist natürlich eng an eine
geeignete Repräsentation der
räumlichen und topologischen Eigenschaften dieser Welten gekoppelt. In einer Vorarbeit wurde eine
geeignete Terrainrepräsentation
gefunden, welche verwendet werden konnte, jedoch in einigen bedeutenden Punkten angepasst
werden musste. Es galt, aus den
Terraindaten einen Graphen zu erstellen, auf dem sowohl eine Pfad-
Terrain der berner Altstadt mit Basen
und Agenten
Raffael Gottardi
Kommandozentrale des Spiels
Angelo Seiler
Komplexes Terrain mit verschiedenen
Geländetypen
150
ti.bfh.ch
suche durchgeführt als auch die
errechnete Bewegung beschrieben werden kann. Weiter sollte ein
einfaches Spiel als proof of concept für die gefundene Lösung
entwickelt werden.
Ziel
Ein beliebiges Terrain, in dem sich
einer oder mehrere Agenten fortbewegen, sollte zunächst eingelesen werden können. Anschliessend sollte unser Programm
einen optimalen Pfad berechnen,
das ist ein Pfad mit kürzester Reisezeit unter der Berücksichtigung
von Steigung, Untergrund und
Wasser, sowie den Fähigkeiten
des Agenten. Dazu wird aus den
Terraindaten ein Netz von zusammenhängenden Knoten erstellt,
welches alle traversierbaren Wege
beinhaltet.
Aufbauend darauf wird ein Spiel
für 2 Spieler entwickelt, welches
die zuvor gefundenen Lösungsansätze implementiert und veranschaulicht. Die Bewegungen der
Agenten im Gelände sollen dabei
plausibel visualisiert werden.
Umsetzung
Diese Arbeit wurde in Java unter
Verwendung von Java 3D erstellt.
Für die Pfadsuche konnte der bekannte Algorithmus A* (sprich: AStern) so angepasst werden, dass
dieser auch in dreidimensionalen
Welten funktioniert. Dazu wurde
ein Gitter von Knoten erstellt, wobei jeder Knoten jeweils 8 Nachbarn hat. Die Daten zu Entfernung
und Steigung zu den Nachbarn
werden vor Spielbeginn vorausberechnet, so dass die Agenten
schnell die benötigten Informationen zur Pfadsuche verfügbar haben. Derselbe Pfad kann für jeden
Agenten je nach Terraincharakteristika unterschiedliche Werte liefern und wird deshalb nur dann
berechnet, wenn er benötigt wird.
Resultate
Die Pfadfindung konnte wie gewünscht umgesetzt werden und
dank geeigneter Optimierung läuft
die Suche auch auf grossen Landkarten unter einer Sekunde ab.
Das Spiel wurde für zwei Spieler
ausgelegt und kann mit beliebigen
Landkarten gespielt werden. Jeder Spieler besitzt zu Beginn einige Basen, aus welchen er Agenten
zu gegnerische Stützpunkte aussenden kann. Sind genügend
Agenten an einem Ziel angekommen, so wird diese Basis eingenommen. Die Interaktion beschränkt sich auf die Konfiguration
der involvierten Agenten und die
Wahl derer Ziele. Trotz dieser Einfachheit wurde ein actionreiches
Spiel entwickelt, welches die
Möglichkeiten der Pfadfindung im
Terrain gut aufzeigt.
BSc in Informatik
BI BE BU VA
Spielimplementation auf einem Tablet
Computer Perception and Virtual Reality / Betreuer: Prof. Dr. Bernhard Anrig
Experte: Armin Blum
Projektpartner: kittgeneration.com, Genf
Die Genfer Firma kittgeneration.com entwickelt Lernsoftware für junge Menschen und interessiert sich für
die Auswertung von psychologischen Eigenschaften bei den Benutzern. Zur Förderung des räumlichen
Denkens möchte die Firma ein Spiel in 3D entwickeln lassen, bei dem die Aktionen des Spielers protokolliert
und später ausgewertet werden können.
Die Bachelor Thesis umfasste die gesamte Planung und Entwicklung dieses Spiels. Dabei wurde eine ScriptSchnittstelle erstellt, welche ein dynamisches Verwalten der Spielszene durch die Auftraggeberin ermöglicht.
Damit die Firma kittgeneration.
com die Lernkurve des Menschen
bei der Entwicklung vom räumlichen Vorstellungsvermögen besser verstehen und analysieren
kann, soll ein Spiel in 3D zur Protokollierung und Messung aller
Spieleraktionen entwickelt werden. Dieses Spiel soll auf einem
Android-Tablet lauffähig sein, um
einerseits eine spielerisch interessante Atmosphäre zu bieten und
andererseits um die Interaktionsweise des Spiels durch das Rotieren des Tablets zu erweitern.
Da zum Zeitpunkt der Entwicklung
noch keine freie native Game-Engine für Android empfohlen wurde,
sind alle Spielkomponenten eigen-
ständig mit Hilfe von diversen Libraries entwickelt worden.
Als Basis des Spiels wird die native C/C++ Umgebung von Android
genutzt, um eine direkte Kommunikation mit der OpenGL ES 2.0
Schnittstelle zu ermöglichen. Die
Vorteile der nativen Umgebung
zeigen sich besonders bei der effizienten Verarbeitung von Berechnungen, aber auch dank der Verwendung von effizienten OpenGL
Befehlen.
Das Spiel erlaubt das Laden von
.3ds Modellen und kann Animationen anzeigen. Dank einer Physik
Engine werden Kollisionen des Spielers mit der Spielszene erkannt, ein
Raycasting erlaubt dabei das Erkennen von Gegenständen. Zusätzlich
wurde eine Audioausgabe sowie die
Unterstützung von Schriftarten implementiert.
Das gesamte Spiel lässt sich durch
eine Script-Schnittstelle in LUA
steuern. Dabei wird eine bidirektionale Kommunikation von
Spiel Script und Script Spiel
ermöglicht. Dies ist besonders für
den Auftraggeber wichtig, da dieser
die Szene für psychologische Zwecke mit geringem Aufwand anpassen kann.
Da Tablets auf einer ARM-Architektur basieren, mussten die verwendeten Libraries teilweise in
ihrer Funktionalität erweitert werden, um erstens ein Crosscompiling für ARM zu erlauben und zweitens um eine Verwendung der
Funktionen in Android zu ermöglichen. Das Spiel profitiert von wiederholenden Matrizenoperationen
und weiteren Berechnungen des
NEON-Befehlssatzes.
Aufgrund der sehr begrenzten Rechenkapazität wurde zusätzlich
spezielle Aufmerksamkeit der Optimierung von Rendercode und
Shader gewidmet.
Die für das Spiel verwendeten Grafiken und Modelle wurden von der
Auftraggeberin zur Verfügung gestellt.
Florian Bühlmann
[email protected]
Hauptmenü des Spiels
In-Game Screenshot
Ansicht des Pfades
ti.bfh.ch
151
BI BE BU VA
BSc in Informatik
myIdP Extension
IT-Security / Betreuerin: Dr. Annett Laube-Rosenpflanzer
Experte: Dr. Andreas Spichiger
Im Bereich E-Government und allgemein bei Webanwendungen hat sich herausgestellt, dass die redundante Dateneingabe in verschiedene Systeme für den Benutzer ein wesentliches Erschwernis darstellt. Durch
die Realisierung des myIdP Prototyps im SuisseID Umfeld, steht dem Benutzer nun eine persönliche Ab lage,
in der er seine signierten Daten aufbewahren kann, zur Verfügung. Nachdem er seine Daten erstmals eingegeben hat, stehen diese nach seiner Freigabe in allen Applikationen mit myIdP-Unterstützung zur Verfügung. Eine wiederholte Eingabe der Daten bleibt ihm nun dank dem myIdP Dienst erspart.
Marcel Bühlmann
Matthias Jeker
152
Ausgangslage
Die SuisseID ist der erste standardisierte elektronische Identitätsnachweis der Schweiz und garantiert mit
ihrem relativ aufwendigen Validierungsprozess, dass die elektronische Identität eindeutig einer natürlichen Person zugeordnet wird.
Durch die Einbindung sogenannter
Claims können Daten eines Benutzers bestätigt und beglaubigt werden. Ein Prototyp, welcher die Ablage und spätere Wiederverwendung
dieser Claims ermöglicht, wurde in
einer früheren Bachelor-Thesis erarbeitet und vorgestellt. Mit diesem
steht nun eine anpassungsfähige
Lösung bereit, welche von den Service Providern genutzt werden
kann.
Persönliche Attribute (z. B. Adresse),
die auf einem Client mit myIdP-Unterstützung eingetragen werden,
können von diesem validiert, zertifiziert und anschliessend als signierte SAML 2.0 Assertion an die myIdP
Webapp versendet werden. Dabei
ist es möglich, dass ein Client die
zuvor gespeicherten Attribute zu
einem späteren Zeitpunkt als SAML
2.0 Assertion abfragen und weiterverwenden kann.
myIdP Systemübersicht mit Interaktionen
zwischen den einzelnen Komponenten
Benutzeroberfläche des myIdP-Admin
Dienstes (Attributtyp-Verwaltung)
ti.bfh.ch
Zielsetzung
Die aktuelle Implementierung soll
durch einige weitere Funktionalitäten erweitert werden. Es stehen momentan nur zwei Attributtypen für
die Abfrage bereit, weitere sollen
flexibel, in Form von XML Schema
Definitionen, via Import integriert
werden können. Dafür soll eine neue
Komponente «myIdP Admin» erstellt
werden.
Im Gegensatz zur SuisseID Core
Infrastruktur und deren Attributtypen besteht zum myIdP kein definiertes Vertrauensverhältnis, deshalb soll ein Qualitätsmodell
implementiert werden, damit Service Provider die Vertrauenswürdigkeit der erhaltenen Claims überprüfen können. Zusätzlich bietet eine
neue Claim-Proxy Variante dem
Service Provider die Möglichkeit, die
Qualität selbst zu berechnen. Dazu
werden ihm vom myIdP Dienst alle
benötigten Informationen geliefert.
Des Weiteren soll man im myIdP
Dienst einstellen können, dass nur
Requests von registrierten Service
Providern bearbeitet werden. Dasselbe gilt auch für Claim Provider.
Ein Registrationsportal (für die Provider) und eine Verwaltung (für den
myIdP Administrator) soll realisiert
werden.
Umsetzung
Der Prototyp des myIdP Dienstes
wurde als Java-Applikation implementiert. Zur Umsetzung wurden
neuste Technologien wie z. B.
Spring, RichFaces und Querydsl
verwendet. Im myIdP Service und
Client wurde ein Qualitätsmodul eingebaut, welches einfach erweitert
und abgeändert werden kann. Die
neue myIdP Admin Komponente
stellt das User Interface für die Verwaltung der Attributtypen und der
Provider zur Verfügung. In dieser
können flexibel neue Attributtypen
importiert werden. Bestimmte Provider können zugelassen oder gesperrt werden. Dem Administrator
stehen deren Zertifikat sowie die
Metadaten zum Download bereit.
Alle umgesetzten Anpassungen
sind abwärtskompatibel. Die Registration kann einund ausgeschaltet
werden. Die Berechnung der Qualität erfolgt nur auf Anfrage des Service Providers. Um diese im SAML
Response mitzuschicken wurde das
SuisseID Schema erweitert.
BSc in Informatik
BI BE BU VA
VSD – Social Network Services
Web and Business Applications / Betreuer: Prof. Marcel Pfahrer
Virtual Skeleton Database (VSD) ist ein Informationssystem, welches für die Bildverarbeitung im Bereich der
biomedizinischen Forschung die Verwaltung und Verteilung der umfangreichen Bilddaten unterstützt.
Auf der bisherigen Plattform fehlte den Forschern die Möglichkeit, Erkenntnisse und Resultate zur Qualität
der Daten festzuhalten.
Durch unsere Social Media-Erweiterungen soll der Missstand der fehlenden Komponenten behoben und
so den Forschergruppen die Möglichkeit zum Informationsaustausch geboten werden.
Anforderungen
Die Web-Applikation Virtual Skeleton Database (VSD) dient der Verwaltung von medizinischen Abbildungen und Modellen des Skeletts.
Dabei geht es einerseits darum,
dass für die Bildung von Modellen
(z. B. Statistical Shape Models) die
benötigten Input-Daten (MRI- und
CT-Scans sowie Röntgenbilder) in
ausreichender Menge und Qualität
verfügbar sind. Andererseits sollen
auch die entstehenden Resultate
verwaltet und teilweise auch anderen Forschergruppen zur Verfügung gestellt werden können.
Ziel dieser Bachelor-Thesis war
die Integration von Social MediaFunktionalitäten in die bestehende
VSD-Plattform.
Den Forschern soll die Möglichkeit
geboten werden, ihre Arbeiten mit
der ganzen Community zu teilen,
Segmentation eines Schädels
um auch Feedback in Form einer
Diskussion zu erhalten.
Vorgehen und Realisierung
Ausgehend von den Anforderungen wurden ein Pflichtenheft sowie ein Kriterienkatalog ausgearbeitet. Aus der systematischen
Analyse wurden Modelle, welche
schlussendlich zum Design der
Lösung führten, erstellt. Durch unser agiles Projektvorgehen konnte
auch während der Entwicklung,
direkt auf veränderte Anforderungen des Kunden eingegangen
werden.
Eingesetzte Technologien
Bei der VSD-Plattform werden die
Microsoft Technologien .NET
Framework 4.0 und ASP.NET MVC
in der Version 3 eingesetzt. Aufgrund dieser Technologien wurde
mit Visual Studio 2010 gearbeitet.
Um eine möglichst hohe Benutzerfreundlichkeit zu erlangen, kam
zur Gestaltung des Webinterfaces
vorwiegend jQuery zum Einsatz.
Zudem konnte durch den Einsatz
der AJAX-Technologie die Wartezeit von Datenabfragen, während
der Interaktion des Benutzers mit
dem Interface, gering gehalten
werden.
Resultat
Die entwickelten Social MediaFunktionalitäten bieten den Forschern eine Vielzahl von Möglichkeiten. Jeder Benutzer kann
persönliche Erkenntnisse oder
allgemeine Informationen zu einem Bild erfassen. Mittels einer
Rating-Funktionalität zu vorhandenen Objekten wird das Auffinden von qualitativ hochstehenden
Daten erleichtert.
Zum gegenseitigen Austausch
zwischen den Forschern wurde
ein Forum entwickelt und in die
bestehende Plattform integriert.
Es kann eine freie sowie eine mit
Objekt-Daten verknüpfte Diskussion geführt werden. Bei verknüpften Diskussionen sind die objektbezogenen Informationen und
Abbildungen direkt ersichtlich.
Durch diese nützlichen Werkzeuge wird den Forschern die tägliche
Arbeit erleichtert. Wir sind überzeugt, dass diese Funktionalitäten
in naher Zukunft rege genutzt werden.
ti.bfh.ch
Simon Burkard
[email protected]
Florian Künzi
[email protected]
153
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BSc in Informatik
BI BE BU VA
SoapAnalyzer
IT Security / Betreuer: Prof. Dr. Eric Dubuis
Vertraulichkeit und Integrität von Daten sind unverzichtbar geworden. Auch im Umfeld von Webdiensten
kommen diese Sicherheitsziele zum Tragen, indem Teile von Nachrichten verschlüsselt oder digital signiert
werden. Für eine rasche Webdienst-Entwicklung stehen Werkzeuge zur Verfügung bei denen die Sicherheit
lediglich konfiguriert werden muss. Dies hat zur Folge, dass der Inhalt der SOAP-Nachrichten unlesbar ist
und die Entwicklerin oder der Entwickler das genaue Vorgehen der Verschlüsselung und der Signaturgenerierung nicht mehr zu kennen braucht.
Die Applikation SoapAnalyzer hilft
den Studierenden die Hintergründe der einzelnen Konfigurationsschritte nachzuvollziehen und zu
verstehen, was die Entwicklungsumgebung im Hintergrund macht.
Mit ihr können verschlüsselte Inhalte von SOAP-Nachrichten entschlüsselt und Signaturen überprüft werden. Diese Vorgänge
werden Schritt für Schritt zum
besseren Verständnis dargestellt.
Ausgangslage
Das SOAP-Protokoll ist ein auf
XML basiertes Nachrichtenformat.
Durch die vom W3C vorgeschlagenen Security-Erweiterungen
können Vertraulichkeit und Integrität bei der Übertragung erreicht
werden.
Aktuelle Entwicklungsumgebungen (z. B. NetBeans IDE) unterstützen Entwicklerinnen und Entwickler bei der Implementation der
Web Services soweit, dass sie
die Sicherheit beim Web Service
Grafische Benutzeroberfläche
lediglich konfigurieren müssen.
Der technische Hintergrund und
somit das Verständnis dafür, was
der Web Server konkret macht
(welche Verschlüsselung und/oder
Signaturmethode verwendet wird),
bleibt weitgehend verborgen.
Ziel der Thesis
In dieser Bachelor-Arbeit galt es
eine interaktive Applikation zu entwickeln, welche die von einem
Web Service generierten SOAPNachricht entschlüsselt und deren
Sicherheitsaspekte (Vertraulichkeit und Integrität) sichtbar macht.
möglichkeiten zu erhalten, wurde
neben einem Command Line-Interface auch eine grafische Benutzeroberfläche implementiert.
Bedingt durch die Tatsache, dass
der Web Service Security- Standard keine abschliessende Aufzählung der Verschlüsse lungsbzw. Signiermöglichkeiten aufweist, muss die Applikation eine
einfache Möglichkeit für zukünftige Erweiterung anbieten. Dies
wurde mittels eines Plugin-Systems realisiert.
Realisierung
Da die potenziellen Benutzer unterschiedliche Betriebssysteme im
Einsatz haben, ist es äusserst
wichtig, dass die Applikation plattformunabhängig läuft. Daher wurde das Programm in Java 6 geschrieben.
Um die Benutzerfreundlichkeit zu
steigern und weitere Darstellungs-
Urs Dix
Thomas Schmid
Command Line Interface
ti.bfh.ch
155
BI BE BU VA
BSc in Informatik
Identity Management System
IT-Security / Betreuer: Prof. Dr. Eric Dubuis
Experte: Dr. Igor Metz
Eine föderative Zugangslösung für externe Personen soll unter Berücksichtigung realer Gegebenheiten und
Anforderungen des Bundes untersucht werden. Dem Stand und Trends im Identity Management folgend
wurde ein Lösungskonzept nach dem Vorbild von SWITCHaai gewählt, das technisch auf SAML und Shibboleth basiert. Anhand des Anwendungsfalls «Internetcafé beim VBS» wurde ein architektonischer Durchstich
realisiert und dokumentiert. Es konnte gezeigt werden, dass sich mit relativ geringem Aufwand ein organisationsübergreifendes Identity Management aufbauen und flexibel erweitern lässt.
Lea Fabienne Dolder
Ausgangslage
In der Studie werden Stand und
Trends im Identity Management
untersucht, wie die Vision der öffentlichen Hand sowie der Bedarf
seitens Wirtschaft und Privatpersonen. Es hat sich gezeigt, dass
sich beim Bund noch kein übergreifendes Lösungskonzept abzeichnet. Weiter hat die Analyse
ergeben, dass der föderative Ansatz beim Identity Management
ein gangbarer Weg sein kann, der
sich mit der Föderation SWITCHaai im universitären Umfeld
durchgesetzt und gut bewährt
hat. Das nähere Studium ihrer organisatorischen und technischen
Lösung hat ergeben, dass sich
eine Kopie dieser Lösung nach
denselben Prinzipien und Standards auch für Bundesämter oder
grössere Firmen realisieren liesse.
Anwendungsfall Internetcafé
Im VBS werden ca. 200 Internetcafé Arbeitsplätze in der ganzen
Schweiz verteilt betrieben. Ein
neuer Bundesratsbeschluss fordert, dass der Internetzugang nur
noch mit einer persönlichen Identität gewährt werden darf. Nach
dem föderativen Ansatz von SWITCHaai für die organisationsübergreifende Authentifizierung und
Autorisierung von Benutzern wird
gezeigt, wie ein technisches und
organisatorisches Lösungskonzept aussehen könnte, das die
neuen Auflagen für Gäste beim
156
ti.bfh.ch
Zugang zum Internet erfüllt und
bei dem parallel auch der Zugang
für interne Mitarbeitende mit
Smartcard möglich ist.
Technisches Lösungskonzept
Für die technische Umsetzung des
Anwendungsfalls wird eine Lösungsarchitektur vorgeschlagen,
die auf SAML und Shibboleth basiert. Mit der Implementierung der
einzelnen Komponenten auf einer
virtuellen Umgebung wurde das
Konzept in den wichtigsten Ausprägungen als «Proof of Concept»
realisiert und dessen Tauglichkeit
verifiziert.
Organisatorisches Lösungskonzept
Die prozessuale, organisatorische
Lösung von SWITCHaai basiert
auf einem einfachen und klaren
Regelwerk über Rechte, Pflichten
und Verhalten der Mitglieder in der
Föderation, das die Basis für das
nötige Vertrauensverhältnis unter
allen Parteien bildet. Organisation,
Steuerungsgremien und Regelwerk sind im Internet veröffentlicht. Es wird in der Studie dargelegt, wie diese Lösung auf die
interne Situation beim VBS übertragen werden könnte.
Ergebnis
Das Ergebnis der Studie gibt einen
tragfähigen Rahmen, mit dem das
Projekt Internetcafé VBS ohne
nennenswerte Risiken umgesetzt
werden kann. Die technische Lösungsarchitektur ist im Innern und
gegen aussen flexibel erweiterbar.
Je stärker sich die organisatorische Umsetzung an die Vorlage
von SWITCHaai anlehnt und dies
andere ebenso tun, umso leichter
lassen sich Föderationsinseln zu
grösseren Föderationen zusammenschliessen. Technisch müsste
es möglich sein, SuisseID für die
Identifikation einzusetzen, wenn
sie sich als helvetischen Standard
durchsetzt.
Authentifizierungsplattform für den Anwendungsfall
Internetcafé VBS mit föderativem Ansatz
BSc in Informatik
BI BE BU VA
myIDP - der personalisierte Attribute-Dienst
Web and Business Applications / Betreuer: Prof. Dr. Annett Laube-Rosenpflanzer
Im Bereich E-Government und allgemein bei Webanwendungen hat sich herausgestellt, dass die redundante
Eingabe von Daten in verschiedene Systeme für den Benutzer eine wesentliche Erschwernis darstellt. Durch
den Einsatz des myIDP-Dienstes in Kombination mit einer SuisseID, erhält der Benutzer eine persönliche
Ablage, in der er seine signierten Daten aufbewahren kann. Nachdem er seine Daten erstmals eingegeben
hat, stehen diese nach seiner Freigabe in allen Applikationen mit myIDP-Unterstützung zur Verfügung. Eine
wiederholte Eingabe der Daten bleibt ihm nun dank dem myIDP-Dienst erspart.
Ausgangslage
Die SuisseID ist der erste standardisierte elektronische Identitätsnachweis der Schweiz und garantiert mit ihrem relativ aufwendigen
Validierungsprozess, dass die
elektronische Identität eindeutig
einer natürlichen Person zugeordnet wird. Durch die Einbindung
sogenannter Claims können Daten
eines Benutzers bestätigt und beglaubigt werden. Eine Ablage dieser Claims zur späteren Wiederverwendung war bis anhin nicht
möglich und soll nun mit dem
myIDP-Dienst zur Verfügung gestellt werden.
Zielsetzung
Persönliche Attribute (z. B. Email,
Adresse), die auf einem Client mit
myIDP-Unterstützung (z. B. von
einer Behörde oder einem Webshop) eingetragen wurden, sollen
von diesem validiert, zertifiziert
und anschliessend als signierte
SAML 2.0 Assertion an die myIDPWebapp versendet werden. Dabei
soll es möglich sein, dass derselbe oder ein anderer Client, die
zuvor gespeicherten Attribute zu
einem späteren Zeitpunkt, als signierte SAML 2.0 Assertion abfragen und weiterverwenden kann.
Im Rahmen unserer Bachelor
Thesis soll auf Basis der zuvor erstellten Spezifikation ein Prototyp
des myIDP-Dienstes implementiert und in eine SuisseID-Testumgebung integriert werden.
Umsetzung
Der Prototyp des myIDP-Dienstes
wurde als Java-Applikation implementiert. Zur Umsetzung wurden
neuste Technologien wie z. B.
Spring, RichFaces und Querydsl
verwendet. Die myIDP-Webapp (2)
sowie die myIDP-Clients (1) und (4)
verlangen die zertifikatbasierte
Systemübersicht myIDP mit Interaktionen zwischen den
internen Komponenten
Authentifizierung mittels SuisseID.
Nach Erfassung eines Attributes
im myIDP-Client (1), wird dieses
als signierte SAML 2.0 Assertion
an die myIDP-Webapp (2) versendet und dort in der Inbox gespeichert. Dabei sind sowohl Singlevalue-Attribute (z. B. Email) wie
auch Multivalue-Attribute (z. B.
Adresse) möglich. Zur Abfrage der
Attribute aus der myIDP-Webapp
(2) kommt der myIDP-Service (3)
zum Tragen. Als Basis für die
Webapplikation und den Service
dient eine API (5), die als zentrale
Komponente alle Services zur Verfügung stellt, um die im myIDPDienst anfallenden Daten zu verwalten.
David Ehrler
Ruth Imwinkelried
Benutzeroberfläche myIDP-Webapp mit Inbox
ti.bfh.ch
157
BI BE BU VA
BSc in Informatik
Ragnarok Game Client Renewal
Computer Perception and Virtual Reality / Betreuer: Prof. Urs Künzler
Experte: Walter Eich
3D Multiplayer Online Rollenspiele (Stichwort: MMORPG) erfreuen sich heut zu Tage einer grossen Beliebtheit. Dabei werden jährlich neue Titel veröffentlicht, die dank günstiger und leistungsstarker Hardware in
der Lage sind, Welten immer realistischer darzustellen.
In dieser Bachelorarbeit wurde die Re-Implementation des in die Jahre gekommenen Online Rollenspiels
«Ragnarok Online» realisiert.
Matthäus Eismont
158
Ziel
Das Ziel dieser Bachelor Thesis
bestand aus zwei Teilen. Zunächst
sollte eine Applikation (Client) implementiert werden, mit der es
möglich ist über eine NetzwerkVerbindung mit mehreren Spielern
in einer virtuellen Welt zu interagieren. «Ragnarok Online» wurde
dabei als Grundlage gewählt. Da
der Quellcode dieses Spiels nicht
offen ist, mussten alle notwendigen Informationen (Netzwerk-Protokoll, geometrische Darstellung
von Objekten) mit dem Reverse
Engineering Verfahren manuell ermittelt werden. Im zweiten Teil
sollte die visuelle Darstellung mit
modernen Rendering Techniken
(insbesondere dem Einsatz von
GPU Shadern) ergänzt werden.
ti.bfh.ch
Umsetzung
Der Client wurde vollständig in der
Programmiersprache C++ entwickelt. Als Rendering Engine kam
Ogre3D zum Einsatz. Boost.Asio
stellte darüber hinaus eine Schnittstelle zur Kommunikation zwischen dem Clienten und einem
Server dar. Für die korrekte Funktionalität war es notwendig sich
mit diversen Algorithmen vertraut
zu machen. Dazu gehören zum
Beispiel die Pfadsuche und die
Kollisionsdetektion. Die Dateistrukturen des originalen Clienten
wurden mit Hilfe von Debugging
Tools analysiert, in dem auf Assembler Ebene der Programmverlauf des originalen Clienten
untersucht wurde. Mit den so gewonnenen Informationen konnte
auch die geometrische Darstellung von Spielobjekten originalgetreu realisiert werden.
Ergebnisse
Im Rahmen dieser Bachelor Thesis konnte ein Grundgerüst implementiert werden,
auf dessen Grundlage es möglich
ist den originalen Clienten vollständig zu ersetzen.
Alle für diesen Zweck notwendigen Informationen konnten ermittelt und durch vielseitiges Testen
bestätigt werden. Dadurch ist es
nun möglich eine Netzwerk-Verbindung mit einem offiziellen
Spiel-Server aufzubauen. Sowohl
der neue, als auch der alte Client
können zur gleichen Zeit und auf
dem gleichen Server miteinander
interagieren. Durch den Einsatz
eines Bump Mapping Shaders
wurde die Darstellung gegenüber
dem originalen Clienten deutlich
verbessert.
BSc in Informatik
BI BE BU VA
CAVE Cockpit
Computer Perception and Virtual Reality (CPVR) / Betreuer: Prof. Urs Künzler, Michael Luggen
Experte: Yves Petitpierre
In dem seit einigen Jahren von der Forschungsgruppe Computer Perception & Virtual Reality betriebenen
Vier-Wand Cave Automatic Virtual Environment (CAVE), sind nebst der stereoskopischen Projektion zahlreiche weitere Systeme integriert. Bis heute war die Inbetriebnahme und die Einstellung der Systeme aufwändig und nur mit eingeschränktem Bedienkomfort möglich. Das Projekt hat zum Ziel die Steuerung und
die Konfiguration dieser Geräte in einer Bedienoberfläche zusammenzuführen. Das CAVE Cockpit bietet
nun ein ansprechendes Web User Interface für diverse Einstellungen.
Ausgangslage
Um einen möglichst hohen Realitätsgrad im CAVE zu erreichen
werden acht Projektoren für die
dreidimensionale virtuelle Welt
verwendet. Eine 3D-Audiowiedergabe, ein System zur haptischen
Wahrnehmung und ein Trackingsystem sorgen für ein komplexes
Netzwerk von Geräten. Für eine
vereinfachte Bedienung werden
über das Ethernet gesteuerte
Stromschienen und ein DVISwitch eingesetzt. Die Konfiguration ist jedoch nur über unterschiedliche Software mit zum Teil
sehr kleinem Komfort möglich.
Ziele
Die Steuerung und die Konfiguration soll nun über das CAVE Cockpit erfolgen. Um die Geräte von
einer zentralen grafischen Benut-
zerschnittstelle anzusprechen soll
ein Framework entwickelt werden,
welches auch eine Einbindung zukünftiger Geräte erlaubt. Die Idee
ist es pro System ein kleiner Webserver zu betreiben, welcher gemäss dem Architekturstil REST
(Representational State Transfer)
über HTTP angesprochen wird.
Eine dynamische Webseite mit JavaScript soll eine intuitive Bedienung ermöglichen.
Umsetzung
Die Aufgabe erfordert SoftwareImplementierung auf drei Ebenen
(Layer). Auf dem Layer 1 wird
pro Gerät über eine verfügbare
Schnittstelle (SNMP, RS232) oder
eine bestehende API eine Konfigurationssoftware erstellt.
Der Layer 2 umfasst verschiedene
Server. Die Verbindung von einer
URL (Internetadresse) zu einer
Geräteeigenschaft ist Teil des
Architekturstils REST. Diese Eigenschaft erlaubt jeweils verschiedenen Operationen für den
Zugriff. So kann z. B. der Status/
Wert abgefragt oder neu gesetzt
werden. Dies passiert über das
bekannte und bewährte Internetprotokoll HTTP. Dazu wurde ein
kleiner flexibler Webserver mit
C++ erweitert.
Die JavaScript-Klassenbibliothek
JQuery und das plugin JQuery UI,
waren bei der Umsetzung der
Website genau das Richtige. Der
Layer 3 soll die verschiedenen
REST-Webserver über HTTP-Request-Methoden
ansprechen.
JQuery UI bietet einige Bedienelemente und Interaktionen für die
Webseitenerstellung.
Lorenz Emmenegger
Fazit
In diesem Projekt konnte gezeigt
werden, dass die sehr flexible Architektur funktioniert und einige
Geräte können bereits über alle
Ebenen hinweg aus dem Browser
konfiguriert werden. Die Integration weiterer Geräte kann erfolgen.
Übersicht der Systeme im CAVE und das CAVE Cockpit
ti.bfh.ch
159
BI BE BU VA
BSc in Informatik
Polizon – WS-Policy Editor
IT Security / Betreuer: Prof. Dr. Eric Dubuis
Web Services wie SOAP verwenden Beschreibungssprachen um ihre Dienste und Schnittstellen zu spezifizieren. Ein mögliches Element dieser Beschreibung ist eine WS-Policy (Web Sercives Policy).
Eine Policy enthält diverse Regeln, wie Client und Server sich zu verhalten haben. Eine Policy kann ein sehr
komplexes Regelwerk darstellen: Ein logisches Konstrukt von Mindestanforderungen, optionalen und alternativen Regeln.
Ziel ist ein grafischer Editor, der den Anwender bei der Erstellung einer Policy aktiv unterstützt.
Adrian Fahrer
Die Policy
Policies werden in XML modelliert.
Die einzelnen Regeln, Assertions
genannt, werden dabei über logische Operatoren verknüpft. So
lässt sich ein komplexes Regelwerk erstellen: «Ich will eine synchrone Verschlüsselung oder eine
asynchrone, aber dann mit einem
Token. In beiden Fällen will ich aber
eine Signatur.»
Policies lassen sich in Policies verschachteln, lassen sich referenzieren und eine Assertion kann selbst
eine Policy enthalten um die eigenen Parameter als Regelwerk abbilden zu können. Client und Server handeln dann eine definitive
Konfiguration aus, die keine der
Regeln verletzt.
Der Editor
Das Ziel ist ein grafischer Editor,
der eine einfache Bearbeitung einer Policy zulässt. Der Editor selbst
benötigt eine gewisse Intelligenz:
– Er muss die Policy und ihre Assertions validieren können. Jede
Assertion hat ihre eigene Spezifikation.
– Er muss dem Benutzer eine
aktive Hilfestellung bieten. Dazu
gehören Vorschläge, was an
einer bestimmten Stelle alles
eingefügt werden darf, Beschreibungen zu den Assertions und
Web-Links zu deren Spezifikationen.
Die Spezifikationen der Assertions
sind sehr offen. Neue Standards
160
ti.bfh.ch
können nicht nur neue Assertions
definieren, sondern auch bestehende erweitern. Durch ein Plug-in
System soll sich der Editor erweitern lassen, um neue Assertions
«kennen zu lernen».
Das Plug-in System
Ein Plug-in kann dem Editor beliebig viele Assertions bekannt machen. Der Editor kann gleichzeitig
mehrere Plug-ins geladen haben.
Um den offenen Standards gerecht
zu werden, kann ein Plug-in Teile
eines anderen Plug-ins übersteuern. Ein Plug-in kann auch einfach
nur neue Assertions definieren.
Das Plug-in im Plug-in
Eigentlich müsste für jedes neue
Set an Assertions ein neues Plug-in
in Java, der Entwicklungssprache
des Editors, programmiert werden.
Diesem Umstand wird entgegengewirkt, indem der Editor bereits
mit einem flexiblen Plug-in ausge-
liefert wird. In diesem sind die unterstützten Assertions nicht hart
kodiert; das Plug-in liest die Assertions aus XML-Dateien ein und erzeugt anhand derer die Assertions
für den Editor.
Das Plug-in hat seine eigene Spezifikation, wie eine Assertion beschrieben werden muss, um dann
geparsed und als Assertion in den
Editor geladen zu werden. Diese ist
so gehalten, dass es sehr einfach
ist eine neue Assertion zu definieren. So können neue Assertions als
XML Plug-in erstellt werden. Die
Java Plug-in Schnittstelle ist somit
nur noch nötig, wenn ein Standard
eine Assertion definieren würde,
die zu komplex wäre, um dass sie
sich im XML Plug-in eigenen Dialekt beschreiben lassen würde.
Polizon während der Bearbeitung einer Policy
BSc in Informatik
BI BE BU VA
xComData-Anywhere
Mobile Computing / Betreuer: Claude Fuhrer
Experte: Pierre-Yves Voirol
Projektpartner: Logic Park AG, Winterhaltenstrasse 14A, 3627 Heimberg, www.logicpark.ch
Maschinen bieten oft mehr Daten an, als tatsächlich aufgezeichnet und ausgewertet werden. Diese Daten
können mit der Android-App xComData-Anywhere direkt von einem mobilen Gerät aus der Maschine ausgelesen und dargestellt werden. Zur Darstellung stehen einige Arten von Diagrammen sowie eine Liste mit
Namen-Wert-Paaren zur Verfügung. Je nach Infrastruktur ist es somit möglich, dass ein Produktionsleiter
seine Fabrikationshalle von jedem beliebigen Standort aus überwachen kann.
Der Cogent-DataHub benutzt
deshalb ein einfaches netzwerkfähiges Protokoll, welches die Daten
von der OPC-Schnittstelle im
Netzwerk zur Verfügung stellt.
Dieser DataHub soll nun als
Grundlage dienen, um die Maschinen-Daten vom Smartphone zu
lesen und auszuwerten.
Ausgangslage
Die xComData-Suite ist ein umfassendes Produkte-Portfolio der
Firma Logic Park AG zur Erfassung und Auswertung von Produktionsdaten.
Diese Werkzeuge ermöglichen
eine Optimierung der Fabrikationsprozesse. Im Rahmen einer
Diplomarbeit, soll dieses Portfolio
durch eine Android-Anwendung
erweitert werden, damit die Auswertungen auch unterwegs von
jedem Internet-Zugangspunkt vorgenommen werden können.
Cogent-DataHub
OPC ist eine standardisierte Software-Schnittstelle, welche die Daten, wie z. B. Temperatur oder
Drehzahl, von unterschiedlichen
Maschinen-Steuerungen (SPS) mit
deren hersteller-spezifischen Protokollen, in einem einheitlichen
Format anbieten kann. Dieser
Standard wird in der Industrie oft
eingesetzt, die direkte Kommunikation mit einem mobilen Gerät ist
jedoch durch dessen Aufbau unmöglich.
Maximale Flexibilität
Die Anwendungsfälle der Software
unterscheiden sich primär durch
deren zwei Hauptbenutzer. Einerseits sind das Personen wie Fabrikationsleiter – also solche, welche möglichst zeitnahe Daten von
der Maschine benötigen – und
andererseits Personen aus dem
Business-Umfeld – also solche,
welche an aufbereiteten Daten zur
Optimierung ganzer Maschinenparks und Fabrikationsstandorte
interessiert sind. Damit die beiden
Ansprüche abgedeckt werden
können, benötigt die Software unterschiedliche Datenquellen. Für
die Live-Daten wird primär der
Cogent-DataHub verwendet. Die
aufbereiteten Daten werden dagegen durch Datenbanken oder
Webservices angeboten. Die Soft-
Verteilung der Maschinendaten
ware ist also in der Lage verschiedene Arten von Daten aus unterschiedlichen Quellen einzulesen.
Individuelle Konfiguration
Die Software ermöglicht es, eine
einfache Konfiguration vorzunehmen. Dazu kann eine Datei eingelesen werden, welche die Einstellungen zu den Ansichten, sowie
der Herkunft der Daten beinhaltet
und für die Anwendung übernimmt. So ist es möglich, für jede
Anwendung eine Voreinstellung
anzulegen, sodass der Benutzer
sie schnell und einfach laden
kann.
Simon Flachsbart
Aufgezeichneter Temperaturverlauf
ti.bfh.ch
161
BI BE BU VA
BSc in Informatik
Kinect Integration in den BFH CAVE
Computer Perception and Virtual Reality / Betreuer: Prof. Urs Künzler
Experte: Jean-Jacques Jaquier
Der von Microsoft in Zusammenarbeit mit Primesense entwickelte Kinect Game Controller ermöglicht durch
seinen Tiefensensor die Erfassung von Körperhaltung und Bewegungen eines Benutzers.
Ziel der Arbeit war es, die Grundlagen zur Nutzung eines solchen Gerätes innerhalb des CAVE, der Virtual
Reality-Umgebung des Forschungslabors für «Computer Perception and Virtual Reality», zu schaffen. Dazu
wurde die dafür verwendete Software-Umgebung um eine Programmschnittstelle zur Übertragung der
erfassten Daten und Analyse von Bewegungsabläufen erweitert.
Manuel Frischknecht
[email protected]
Applikationssteuerung
mit Kinect
Kinect ist ein multifunktionales
Eingabegerät, das eine Kamera,
einen Tiefensensor und ein 3DMikrofon beinhaltet. Die dazu von
Microsoft zur Verfügung gestellte
Software-Umgebung erlaubt einerseits den Zugriff auf alle vom
Gerät gelieferten Rohdaten und
ermöglicht andererseits die Erkennung von Sprachbefehlen und
die Berechnung eines virtuellen
«Skeletts», mit dem die Körperposition einer vor der Kamera stehenden Person im dreidimensionalen Raum beschrieben wird.
Anhand dieser Informationen können Applikationen bestimmte
Bewegungsabläufe erkennen und
entsprechend auf sie reagieren,
was eine Steuerung rein durch
Gesten ermöglicht.
Integration in den CAVE
Da die Kinect-Software von Microsoft vergleichsweise hohe
Leistungsanforderungen hat, wird
die Berechnung des Benutzerskeletts im CAVE auf einem dedi-
zierten Rechner durchgeführt.
Hierfür mussten Client- und Serverkomponenten entwickelt werden, die das Übertragen der erfassten Daten über das lokale
Netzwerk ermöglichen. Das Versenden der Kinect-Informationen
wurde mit Hilfe von VRPN («Virtual Reality Peripheral Network»)
erreicht, einer Software-Bibliothek, die speziell für das Weiterleiten von Eingabedaten an Vir tual
Reality-Applikationen entwickelt
wurde.
Nach der Datenübertragung muss
der zentrale Applikationsserver
das virtuelle Skelett des Benutzers
verarbeiten, damit dessen Bewegungen analysiert und zur Steuerung einer Applikation verwendet
werden können. Dazu wurde eine
neue Software-Bibliothek geschrieben, die das Erkennen verschiedener Gesten ermöglicht.
Diese ist modular aufgebaut und
erweiterbar gestaltet, um das Erstellen und Nutzen neuer Gesten
für zukünftige Projekte möglichst
einfach zu gestalten.
Durch die Analyse der von Kinect erzeugten Tiefenbilder ist die Erkennung
von Bewegungsabläufen möglich. Die Abbildung stellt drei Momentaufnahmen
einer horizontalen Wischgeste dar.
162
ti.bfh.ch
Umsetzung und Resultate
Die neuen Software-Komponenten wurden in C++ erstellt und
direkt in das Framework I3D
(«Immersive 3D») integriert, das
eigens für den BFH CAVE entwickelt wurde. Während der Entwicklung wurde auf einen effizienten Einsatz der vorhandenen
Bibliotheken und die Möglichkeit
zur einfachen und zentralen Konfiguration der einzelnen Module
geachtet.
Die erweiterte Version von I3D ermöglicht nun den praktischen Einsatz einer Gestensteuerung in
CAVE-Applikationen, was mit Hilfe
einer simplen Applikation gezeigt
werden konnte, die eigens zur Demonstration der neu eingeführten
Interaktionsmöglichkeiten erstellt
wurde.
BSc in Informatik
BI BE BU VA
CMDB based Policy Verifier
IT Security / Betreuer: Hansjürg Wenger
Die Sicherheit in einem Netzwerk spielt zunehmend eine wichtigere Rolle. Eine Unachtsamkeit kann reichen
und sensitive Daten gelangen aus einem Firmennetzwerk in falsche Hände. Die Höhe der Sicherheit legen
heute die Firewalls und Servers mit ihren Konfigurationen fest. Doch sind diese genügend sicher konfiguriert?
Mit dem CMDB based Policy Verifier wurde ein unabhängiges System entwickelt, welches die Sicherheit
auf Basis einer CMDB und mit Hilfe von definierten Policies überprüft. Durchgeführt werden diese Überprüfungen mit dem bekannten Open Source Utility Nmap.
Ausgangslage
Mit der Entwicklung des Policy
Verifiers soll ein System erstellt
werden, welches die Einhaltung
von Policies verifizieren kann. Dabei ist das Netzwerkumfeld in einer CMDB abgespeichert, und die
Policies werden an Hand dieser
Informationen erstellt. Im Rahmen
einer Analyse wird festgelegt, wie
die CMDB auszusehen hat und
wie die Policies definiert werden.
Der Policy Verifier soll in der Lage
sein, die Überprüfungen automatisch oder manuell von mehreren
Punkten in einem Netzwerk auszuführen und die Resultate entsprechend darzustellen.
Aufbau
Die CMDB enthält Informationen
über die im Netzwerk vorhandenen Geräte sowie deren Dienste.
Zusätzlich sind architekturbezogene Angaben wie Subnetze,
VLANs und Zonenbezeichnungen
Testumgebung
enthalten. Mit diesen Informationen werden die Policies definiert.
Eine Policy gibt die erlaubten oder
verbotenen Dienste zwischen einem Sender und einem Empfänger an. Technisch ausgedrückt
regelt diese den Zugriff auf einen
Scope. Dieser Scope kann eine
einzelne IP-Adresse sein oder sogar aus mehreren Subnetzen bestehen. Weiter kann der Scope
von einer oder mehreren Prüfsonden aus, sogenannte Proben, verifiziert werden. Mittels Rules werden die erlaubten oder verbotenen
Dienste in der Policy hinterlegt.
Das Open Source Utility Nmap ermöglicht schliesslich das Scannen
dieser Dienste von den Proben
und führt auf, ob diese vom Scope
auch angeboten werden.
Testumgebung
Der entwickelte Policy Verifier wurde anschliessend in einer dafür
aufgebauten Testumgebung ein-
gesetzt. Der Management-Server
stellt dabei den eigentlichen Policy
Verifier dar. Die Proben ermöglichen die Verifikation von mehreren
Punkten im Netzwerk. In der Testumgebung wurden vier verschiedene Zonen mit jeweils einer Probe erstellt und durch eine Firewall
getrennt. Auch der ManagementServer kann als Probe eingesetzt
werden. Die erlaubte Kommunikation konnte in Policies festgehalten
und mit dem Policy Verifier auf
dessen Einhaltung hin geprüft
werden.
Policy Verifier
Neben der Überprüfung von Policies, ermöglicht der Policy Verifier
auch die Durchführung eines Konsistenz-Checks zwischen der statischen CMDB und dem dynamischen Netzwerkumfeld. Ganze
Netzwerkumgebungen und die
dazugehörigen Policies können
grafisch über eine Webseite erstellt und abgebildet werden. Änderungen in Konfigurationen, wie
beispielsweise das Aufschalten
oder Deaktivieren eines neuen
Dienstes auf einem Server werden
über den Policy Verifier automatisch oder auch durch manuell
gestartete Scans sichtbar. In Reports können Details zu diesen
Scans eingesehen werden. Zusätzlich bietet der Policy Verifier
die Möglichkeit weitere Netzwerkutilities über diese Webseite zu
nutzen.
ti.bfh.ch
Marco Gfeller
Giuliano Pescio
163
BI BE BU VA
BSc in Informatik
Heterogeneous Mobile Application Development
Mobile Applikationsentwicklung / Betreuer: Prof. Dr. Eric Dubuis
Experte: Dr. Wolfgang Joachim Kaltz
Der heutige mobile Markt ist innert kürzester Zeit zu einem vielseitigen Individuum herangewachsen. Es
existieren etliche mobile Betriebssysteme, und die Marktsituation ist extrem agil. Stellt sich die Aufgabe,
eine neue native App für mehrere Endgeräte zu entwickeln, so ist die Logik mehrmals zu implementieren.
Mit dem in dieser Arbeit realisierten Prototyp-Framework wird es nun möglich, eine App einzig durch das
Implementieren einer beschreibenden Sprache auf drei Endgeräten gleichzeitig bereitzustellen.
Marco Hochstrasser
[email protected]
Ausgangslage
Mehrere Marktplayer haben viel
Potential, aber keiner konnte sich
bis heute als klarer Marktleader
abheben. So ist die Konkurrenz
zwischen den Betriebssystemen
Android, iOS, WindowsPhone 7
und RIM BlackBerry sehr stark
und der Markt dementsprechend
flexibel. Dies macht es unmöglich,
mit einer App und einer einmaligen
Entwicklung eine grosse Zielgruppe zu erreichen. Stellt sich die
Aufgabe, eine neue App zu entwickeln, so gibt verschiedenste
Möglichkeiten, um native oder
webbasierte Apps zu realisieren.
Für native Applikationen kann man
sich früher oder später der Fokussierung auf einen Smartphone-Typ
nicht entziehen, ohne dass die
analoge Logik mehrmals implementiert werden muss. Das führt
dazu, dass sich sowohl die initialen
Entwicklungskosten wie auch die
Betriebskosten der Apps vervielfachen, wenn mehrere SmartphoneTypen gleichzeitig unterstützt werden sollen.
Zielsetzung
Das Ziel war einerseits, die heutige
Marktsituation zu analysieren, und
andererseits, eine Möglichkeit zur
einfachen und schnellen Entwicklung von nativen Applikationen
auf verschiedenartigen Betriebssystemen zu konzipieren. Hierfür
wurde ein explorativer Prototyp
entwickelt.
164
ti.bfh.ch
Konzept
Das im Prototyp angewandte Konzept ist die automatische und dynamische Codeverteilung (OTA,
over the air). Die eigentliche App
spielt hierbei nur eine untergeordnete Rolle. Sie ist eine Art Skelett
auf dem Smartphone, welches zur
Laufzeit Code von einem zentralen
Server lädt, parst und interpretiert.
Damit wird während dem Aufstarten der App eine grafische Oberfläche mit entsprechender Logik
generiert.
Realisierung
Das Framework wurde auf JEEBasis realisiert und beinhaltet
einen Service zur Bereitstellung
von Code, Mimes und weiteren
Drittservices (z.B. fürs Lesen von
RSS-Feeds) sowie einen intuitive
Administration für die einfache Erstellung von Apps.
Die Clientapplikationen wurden in
den jeweiligen Programmiersprachen der Gerätetypen realisiert
(Java SE, Java ME, C#). Die so
genannten Skelettapplikationen
enthalten nebst einem Client zur
Codebeschaffung, einen Parser,
Native App auf drei verschiedenen
Endgeräten (Android, Blackberry und
Windows Phone 7)
Konzept der automatischen und dynamischen Codeverteilung
einen Interpreter sowie einen generischen GUI-Builder.
Machbarkeitsnachweis
Der Prototyp hat nachgewiesen,
dass das gewählte Konzept durchaus seine Berechtigung im mobilen Markt erhalten könnte. Eine
Problematik stellen unter anderem
die extrem schnellen Releasezyklen der Geräte- und Betriebssystemhersteller dar, welche das
Framework jeweils unverzichtbaren Testprozeduren unterstellen.
Durch eine intelligente Anwendung und Abkapselung der einzelnen Endgeräte sowie der Verwendung einer übergeordneten
beschreibenden Sprache, wird die
Implementierung von Apps für verschiedene Smartphone Typen extrem vereinfacht.
BSc in Informatik
BI BE BU VA
Mobile Navigationsunterstützung für sehbeh. Pers.
Informatik / Betreuer: Prof. Reto König
Experte: Dr. Joachim Wolfgang Kaltz
Projektpartner: Schweiz. Blinden- und Sehbehindertenverband SBV, Bern
Diese Arbeit befasst sich mit einer Navigationshilfe für sehbehinderte/blinde Personen auf Basis einer
Smartphone Applikation mit Android. Wir setzen die Sensorik des Smartphones so in der App ein, dass es
möglich ist, Informationen aus der Umgebung abzurufen. Eine Routenaufzeichnung und ein Modus, der den
Benutzer durch die Route führt, muss von der App zielpublikumsgerecht präsentiert werden. Dabei wurde
auch das Problem multilingualer Textausgaben per Text-To-Speech angegangen, sodass Sätze, bestehend
aus Wörtern unterschiedlicher Sprachen, von der App korrekt ausgesprochen werden.
Problem:
Die heutigen Smartphones bieten
eine Unzahl von Sensoren mit denen Informationen über die Umgebung abgerufen werden können.
Sei es die Position via GPS oder
die Richtung über den Kompass,
um nur zwei zu nennen. Grosse
Bildschirme mit Touchscreens
sind mittlerweilen Standard. Gerade für sehbehinderte und blinde
Personen ist vor allem die Navigation über GUIs und die Eingabe
von Text auf dem Bildschirm ein
Problem. Eine Google-Gruppe namens «Eyes free» bietet zwar eine
brauchbare Lösung an, die aber
nicht mit allen Elementen kompatibel ist. Doch auch der Output
stellt ein Problem dar, da Smartphones vor allem für die optische
Informationsübertragung optimiert
sind, werden sehbehinderten Personen hier ausgegrenzt. Daher
muss auf die akustische und haptische Ebene umgeschaltet werden. Texte werden vorgelesen,
optische Signale durch akustisches und haptisches Feedback
ersetzt. Diese Thematiken flossen
in diese Arbeit ein und wurden berücksichtigt, um ein brauchbares
Navigationssystem für sehbehinderte Personen zu designen.
entwickelt, in welchem einzelne
Module einfach austauschbar
sind. Dies erlaubt eine einfache
Wartung und Weiterentwicklung.
Ein Modul, welches Daten liefert,
oder ein Userinterface, welches
den Benutzer durch Routen führt,
kann jederzeit ersetzt werden
ohne die restlichen Module zu ändern. Auf der Basis dieses Frameworks haben wir eine App entwickelt. Mit dieser ist es möglich,
Informationen aus der näheren
Umgebung abzurufen, um zum
Beispiel Richtung und Distanz
zum gewählten Ziel zu erfahren,
ebenso die ungefähre Adresse zu
der momentanen Position. Doch
auch der Kern der Navigationssoftware, ein Modus, welcher den
Benutzer auf einer gewählten
Route führt, wurde implementiert.
Schwierigkeit:
Bei der Entwicklung dieser App
sollte die Bedienung ein zentrales
Thema sein. Informationen sollen
schnell und einfach zugänglich
sein. Dazu wurden mehrere Ideen
aufgegriffen und ausgearbeitet.
Dabei mussten aber einige verworfen werden, da Android die
nötigen API Schnittstellen nicht
bot, andere haben es nur bis zum
Prototypen geschafft. Eine Idee
konnte schliesslich in abgeänderter Form integriert werden. Es ist
nun möglich, mit Gesten von einem Modus in einen anderen zu
wechseln. Ein weiterer Fokus war
die Informationsübertragung vom
Gerät zum Benutzer. Auf den
meisten heutigen Geräten, welche
mit synthetischer Stimme sprechen, existiert das Problem, dass
Wörter in einer anderen Sprache
als der des Sprachservices, nicht
verständlich ausgesprochen werden. Unsere Lösung erkennt die
Sprache von Wörtern und schaltet
entsprechend die Aussprache der
Ausgabe um.
Fabio Hufschmid
[email protected]
Michael Widmer
[email protected]
Lösung:
Aus einer Idee für eine Navigationshilfe für blinde und sehbehinderte Personen, hat sich im Laufe
der Projektarbeit ein Framework
ti.bfh.ch
165
BI BE BU VA
Faces Input Validator Tester
IT Security / Thesis Advisor: Prof. Dr. Emmanuel Benoist
Expert: Dr. Igor Metz
FIVT is a code analysis plugin for the popular Java Integrated Development Environment (IDE) NetBeans.
The FIVT plugin identifies input tags and their validators in Java Server Faces (JSF 2) applications and tests
the validators for SQL injection and cross-site scripting (XSS) vulnerabilities. Through this analysis, web
developers are able to pinpoint otherwise unknown weaknesses in their applications giving them the
opportunity to provide more secure interfaces for users of their software.
James Hulka
Context
Despite being known problems
since 1998 and since the birth of
javascript, respectively, SQL injection and XSS are both still commonly overlooked vulnerabilities
during the development of a web
application. According to the Web
Application Security Consortium’s
«Web Hacks Incident Database»,
22.6 % of incidents reported are
due to improper input handling,
with 20.1 % of total incident attack
methods being SQL injection related and 9.4 % being cross-site
scripting related.
Thesis Objectives
The goal of this thesis was to produce a prototype of a plugin that
can help JSF 2 web developers
identify input validators within their
applications that have SQL injection and XSS weaknesses.
Thesis Realization
As JSF 2 deals with xhtml elements rendered and used by client
browsers as well as server side
Java classes, the solution was di-
Information flow in FIVT
166
ti.bfh.ch
vided into smaller modules performing specific tasks within the
code analysis.
A parser module identifies individual JSF 2 inputs and their validators within the xhtml code of a
project using predefined JSF 2 library definitions. Managed bean
classes are also searched by the
parser to map the variable types
linked to inputs values.
Parsed inputs and validators are
then passed to a tester module
which identifies unique validators,
writing and compiling test classes
on the fly. Each test run requires a
mock JSF 2 context be created in
order to execute the validation
method of the validator class.
Mock contexts are achieved
through the MyFaces Test Framework from the Apache Foundation.
Were it not possible to create the
mock context a J2EE container
server would have to be started in
order to run the tests. In doing this
the resource usage advantage of
using static code analysis would
have been lost. When the test
cases are run they access lists
containing up to date SQL injec-
Analysis results list
tion and XSS input values recording how many of the values are
rejected by each validator.
All of the information gathered by
the parser and tester modules is
organized by a control module
and then passed on to the plugin
module which handles the interaction with NetBeans and the user.
Through the APIs provided by NetBeans the plugin module has access to project information such
as the location of source files as
well as other IDE tools. Through
this the plugin module is able to
provide direct linkage allowing a
user to open a file containing a
tested input, as well as add a FIVT
SQL injection or XSS validator to
an input.
Conclusion
The realization of the thesis shows
great promise for the use of static
code analysis in identifying specific vulnerabilities within J2EE
applications. The particular solution developed for JSF 2 provides
a generalized API that could
be adapted for other J2EE web
frameworks. Beyond input validation testing, the thesis also uncovered the usefulness of a possible
followup project involving tracking
variable usage inside the Java
server side code.
BI BE BU VA
MEMDroid – an Android tablet frontend for MEMDoc
Computer Perception and Virtual Reality / Betreuer: Prof. Dr. Emmanuel Benoist
As in almost every field of modern science, the collection, aggregation and interpretation of data has become
crucial in the domain of medical studies too. While clinics usually keep their records in closed, customized
systems the MEMDoc Project of the University of Berne and its partners provides a web based and standardised platform. In a medical practice environment the PC browser based, solution works well, in a hospital however medical staff is much more mobile and such a solution is suboptimal. Therefore MEMDroid
brings all the platforms functionality to an Android tablet device.
MEMDroid
MEMDroid brings the functionality
of the MEMDoc platform to Android tablet devices. Before a user
can do anything meaningful with
the application it must be logged
in to the underlying webservers
and thus to the application. The
MEMDroid application allows users to add new patients to a study
or to search for already existing
ones. Once a patient is selected
the different questionnaires of a
certain study are available to the
user. The user can choose which
questionnaire should be filled out
and the application exposes the
questions according to their nature
as either simple text fields or more
elaborate alternatives like drop
down lists, radio button groups or
even value range sliders. When the
user has finished filling out the
questionnaire, the answers can be
saved to the server.
MEMDoc
MEMDoc is a platform that standardises and facilitates the collection and handling of data for medical studies. The application is
web based and is built up on two
different web services, the so
called «module» for personal patient data, which is usually offshored to the study conducting
medical society. And the so called
«server», which is centralised and
contains the medically relevant
and anonymised user data. For
instance MEMDoc is accessed
and used by the means of a web
browser usually running on a
desktop pc or a laptop.
Details
Both the «module» and the «server» expose SOAP-based web services. To log a user in to the system first a session id must be
obtained by the server, which is
then sent to the module containing
the user name and password
which in return sends back the
module number, the module session id and a signature. By sending these with the original server
session id to the server the login
process can be completed. After
logging in the user data has to be
received, to be able to determine
the department in which the user
works. This is very important for
all the following steps as the department affiliation determines
which patients can be found an
what patient data can be entered
into the system. Before a questionnaire can be dsiplayed a patient must either be found and
selected or a new one must be
entered and selected. Each of
these steps comprises one or
more SOAP web service calls to
either the «module» or the «server»
or even both servers. The questions are displayed with Androids
native display elements to facilitate
the process of entering the data.
By hitting the save button the data
will be sent to the «server» server
and is instantly available for analysis purposes or other users treating the same patient.
Christoph Isch
Startscreen of the MEMDroid application
ti.bfh.ch
167
BI BE BU VA
BSc in Informatik
Webapplikation zur Ressourcenplanung
Informatik / Betreuer: Marcel Pfahrer
Projektpartner: Varrin & Müller / Raptus AG, Thun, Lyss
In Zusammenarbeit mit zwei Partnerfirmen (Varrin & Müller GmbH, Raptus AG), entstand eine Webapplikation zur Ressourcenplanung in kleinen und mittleren Unternehmen. Die Applikation wurde anhand der
Anforderungen beider Partnerfirmen konzipiert und anschliessend basierend auf der Programmiersprache
Python unter Verwendung des Grok Web Frameworks umgesetzt. Dabei wurde besonderen Wert auf
Benutzerfreundlichkeit und Branchenunabhängigkeit gelegt.
Simon Käser
168
Anforderungen
Grundsätzlich soll die Applikation
eine ganzheitliche Ressourcenplanung eines Unternehmens ermöglichen. Dabei soll sie Ressourcenengpässe auto-matisch erkennen
und entsprechende Meldungen
ausgeben. Dabei werden den verschiedenen Aufgaben der Projekte die entsprechenden Mitarbeiter
zugewiesen und den geschätzten
Arbeitsaufwand definiert. Anschliessend soll die Applikation
anhand der geplanten Arbeitszeit
der Mitarbeiter eine Prognose berechnet werden, wann ein Projekt
abgeschlossen wird. Mit Hilfe einer tagesaktuellen Prognose, welche die bereits geleistete Arbeit
miteinbezieht, soll ermöglicht werden, Engpässe zu erkennen und
entsprechend darauf zu reagieren.
Eine wichtige nicht-funktionale
Anforderung an die Applikation
war die Benutzerfreundlichkeit,
die verschiedenen Aufgaben sollen intuitiv, einfach und schnell
erledigt werden können.
ti.bfh.ch
Weitere Anforderungen waren unter anderem:
– Branchenunabhängigkeit
– Dezentraler Zugriff
– Historisierung
– Hierarchisches Rechtesystem
– Benachrichtigungen
– Modularität und Erweiterbarkeit
– OpenSource
Technologien
Der Technologieentscheid wurde
basierend auf verschiedenen Anforderungen (OpenSource, Modularität und Erweiterbarkeit, Plattformunabhängigkeit) und den
bestehenden Kenntnissen des
Studenten getroffen. Die Basis
legt dabei die interpretierte und
objektorientierte Programmiersprache Python (python.org). Die
nächste Ebene bildet das Zope
Toolkit (docs.zope.org/zopetoolkit), welches ver-schiedene generelle Module zur Webapplikationsentwicklung beinhaltet. Das Grok
Web Framework (grok.zope.org)
wurde als abschliessende Ebene
verwendet. Grok basiert auf dem
Zope Toolkit und verbindet die
verschiedenen Module zu einem
einheitlichen Ganzen.
Ergebnis
Im Laufe der Entwicklung entstand eine erste lauffähige Version
der Webapplikation. Wobei diese
aus verschiedenen, zum Teil vollkommen unabhäng-igen, Modulen
besteht, welche jeweils verschiedene Einstiegspunkte zur Erweiterung bereitstellen.
Sämtliche Module wurden unter
einer OpenSource-Lizenz veröffentlicht und können frei verwendet werden. Mehr Informationen
zu der entstandenen Applikation
finden Sie unter:
http://horae.raptus.com/docs
BSc in Informatik
BI BE BU VA
Moodle-basiertes Kursmanagementsystem
Web and Business Applications / Betreuer: Prof. Dr. Michael Röthlin
Die Open-Source-Plattform Moodle wird seit mehreren Jahren weltweit von zahlreichen Bildungsinstitu tionen
und weiteren professionellen und privaten Organisationen eingesetzt. Moodle verfügt über eine breite Palette
an Lern- und Kommunikationswerkzeugen, unterstützt jedoch wichtige Anliegen eines professionellen
Weiterbildungsmanagements im Standard nicht. Insbesondere fehlt die Anbindung an kaufmännische
Applikationen wie das in der Schweiz weit verbreitete ERP-System Abacus.
Anforderungen
Diese Lücken sollten im vorliegenden Projekt nun mithilfe einer gezielten Anpassung existierender
Komponenten sowie der Entwicklung von Moodle-Erweiterungen
so gefüllt werden, dass sowohl
firmeninterne als auch kommerziell angebotene Kurse administrativ
einfach abgewickelt werden können.
Die angestrebte Plattform sollte
insbesondere folgende Aufgaben
erfüllen:
– Erstellung von Zertifikaten: Bestätigung der Teilnahme (nach
erfolgter Zahlung) und des erfolgreich absolvierten Kurses im
PDF-Format
– Erzeugung von Rechnungen auf
Basis der bei der Anmeldung
und Einschreibung von Interessenten in Moodle hinterlegten
Daten
– Generierung von Exporten für
die Fakturierung und Debitorenabwicklung in Abacus ERP
– Assistierte Freigabe der Kursteilnahme, aufgrund einer im
Debitorensystem in Abacus ERP
eingegangenen Zahlung
– Führung einer automatischen
Warteliste bei begrenzter Anzahl
Kursplätze.
Umsetzung
Als erstes wurden das MoodleGrundsystem sowie verschiedene
Moodle-Zusatzkomponenten untersucht und in die Arbeitsumgebung
integriert. Um die Struktur und Inhalte der an das ERP-System Abacus
zu sendenden Daten (Adressdaten,
Debitorenstämme, Produktinformationen sowie Auftragsdetails) zu bestimmen, wurden die von Abacus
spezifizierten
XML-Schnittstellen
analysiert und ausgetestet.
Anschliessend galt es, aus den
gesammelten Angaben mögliche
Wege zur Abwicklung der Kurseinschreibung zu konzipieren sowie
eine optimale Umsetzung der Anbindung des ERP-Systems zu finden. Die gewählte Lösung beinhal
tet einerseits die Verwendung eines eigens entwickelten MoodleEinschreibe-Plugins und andererseits einen Datenexport aus
Moodle mittels XML-Dateien, welche in Abacus (interaktiv oder automatisiert) importiert und verarbeitet werden können.
Die Freischaltung der Benutzer erfolgt über ein ebenfalls im Rahmen
dieses Projektes entwickeltes intuitives Bedienungselement (Moodle-Block-Plugin), welches durch
Kursverantwortliche und Mitarbeitende aus der Administration bedient werden kann.
Die entwickelte Software wurde
bewusst so gestaltet, dass sie sehr
einfach auf spezifische Bedürfnisse zugeschnitten und erweitert
werden kann.
Die Installation der entwickelten
Komponenten erfolgt über die von
Moodle vorgesehenen Mechanismen zur Plugin-Verwaltung, alle
benötigten Software-Komponenten können somit sehr einfach in
ein laufendes Moodle-System integriert werden.
Nils Lanthemann
[email protected]
Eigenentwicklung
Komponentendiagramm
Ergebnisse
Die hier entwickelte Gesamtlösung zeigt, dass auch komplexe
und vielseitig einsetzbare Lernplattformen wie Moodle durch
Verwendung der eingebauten Erweiterungsmechanismen zuverlässig und sicher mit betrieblichen
Standardapplikationen verbunden
werden können.
ti.bfh.ch
169
BI BE BU VA
BSc in Informatik
Mashups (Dashboards) für Umfrage-Ergebnisse
Informatik / Betreuer: Prof. Rolf Jufer
Das Ziel dieser Arbeit ist die visuelle Aufbereitung der Daten aus Unterrichtsevaluationen, welche am
Departement Technik und Informatik der Berner Fachhochschule regelmässig durchgeführt werden. Die
Motivation dieser Arbeit leitet sich auf den Entwicklungen der heutigen Informationsgesellschaft ab, in welcher es – mit den verfügbaren elektronischen Hilfsmitteln und deren direkten Informationsfluss zu zentralen
Datenbanken – relativ einfach ist Daten zu erheben. Jedoch ist es schwierig diese gewonnene Datenmenge
ohne entsprechende Datenaufbereitung zu verstehen bzw. korrekt zu interpretieren.
Rainer Lengler
Ausgangslage
Die Berner Fachhochschule führt
einmal pro Semester eine elektronische Umfrage durch. Dazu werden verschiedene Produkte verwendet, unter anderem EvaSys,
welches die Umfrage elektronisch
mit den Studenten durchführt. Der
elektronische Fragebogen enthält
zwei Duzend Fragen, welche mit
«entspricht vollkommen», «ent-
Beispiel Dashboard
Beispiel Dashboard Tacho:
Stimmung für Fachochschuldirektion
Beispiel Dashboard mit einer
Differenzauswertung für
Automobiltechnik
170
ti.bfh.ch
spricht eher», «entspricht nicht»,
«entspricht vollkommen nicht» und
«keine Angabe» zu beantworten
sind. Der Datenrückfluss dieser
Umfrage-Evaluation ist die Grundlage dieser Thesis.
Motivation
Die Idee entspringt aus dem
Wunsch ein geeignetes Instrument
für die Umfrageergebnisse zu finden, welche einer Datenveredelung bedürfen. Der Rückfluss dieser Umfrageergebnisse – könnten
mit einer guten Aufbereitung – der
Dozierendenschaft und Direktion
der BFH wertvolle Informationen
liefern.
Das Ziel sind Erkennung von Tendenzen und – falls notwendig – das
Einleiten von geeigneten Gegenmassnahmen. Wichtig ist hierbei
der Langzeitvergleich mit Daten
mehreren Jahren. Liegen aussagekräftige Ergebnisse vor, können
diese mit den Verantwortlichen
für die Studiengänge besprochen
werden und die Qualität der Vorlesungen verbessert werden.
Realisierung
Während dieser Arbeit wurden die
Möglichkeiten von Informationsvisualisierungen ausführlich analysiert. Es wurden die enormen
Fortschritte in unserer Informationsgesellschaft im Bezug der
Datenaufbereitung-, und Visualisierung betrachtet, aber auch
deren Problematik und Beschrän-
kungen. Die grösste Herausforderung bestand darin, mit den vorhandenen Mitteln (Apache, PHP,
MySQL, PHPExcel und der Visualisierungssoftware ARIS MashZone) die vorhandenen Daten so
aufzubereiten, damit sie in angemes sener Weise visualisiert werden konnten und eine wirkliche
Hilfe bei der Erkennung von Tendenzen darstellen. Die in dieser
Arbeit erstellten Mashups stellen
vor allem Prototypen dar, welche
in Zukunft weiter ausgebaut werden können.
BSc in Informatik
BI BE BU VA
«Circle of Trust» SuisseID SP-CAS
IT-Security / Betreuer: Gerhard Hassenstein
Experte: Prof. Dr. Torsten Braun
Aufgabe dieser Bachelor Thesis war es, eine Lösung zu finden, wie innerhalb der SuisseID Umgebung eine
Vertrauensbeziehung zwischen Service Providern und Claim Assertion Services hergestellt werden kann.
Unsere Lösung sieht vor, dass die Komponenten über eine Verwaltungsstelle Metadaten austauschen und
so eine Vertrauensbeziehung herstellen können. Das Konzept wurde anschliessend in einer Pilotumgebung
realisiert.
Mit der SuisseID wurde im Mai
sind für Funktionsnachweise, die
2010 ein standardisierter elektro-
darüber hinausgehen, zusätzliche
nischer Identitätsnachweis einge-
Funktionsregister (Claim Assertion
führt, welcher die Möglichkeit zur
Services – CAS) notwendig.
sicheren, vertrauenswürdigen Authentifikation bietet.
Da für viele Prozesse bei einem
Service Provider (SP) ein Identitätsnachweis alleine nicht genügt,
ist es notwendig, dass weitere Eigenschaften
vertrauenswürdig
überprüft werden können. Solche
Eigenschaften können beispielsweise der Beruf (Notar, Arzt, Apotheker) oder die Mitgliedschaft bei
einem Verein sein. Diese Eigenschaften nennt man zusammenfassend Funktionsnachweise. Damit ein SP solche Funktionsnach weise anfordern kann, beschreibt
der SuisseID Standard dazu eine
offene Infrastruktur, die sogenannte Claim Assertion Infrastructure
(CAI). Diese besteht aus dem Identity Provider (IdP), der personenbe-
Motivation
Da die CAS externer Anbieter
nicht Teil der Core Infrastructure
sind, besteht zwischen SP und
CAS kein gegebenes Vertrauensverhältnis. Diese Vertrauensbeziehung ist aber in vielen Fällen die
Grundlage dafür, dass ein solcher
Dienst überhaupt angeboten, beziehungsweise in Anspruch genommen werden kann.
Bei einer kleinen Anzahl von CAS
und SP ist es möglich, Vertrauensbeziehungen zwischen den Komponenten bilateral zu regeln. Wird
die Infrastruktur aber grösser,
skaliert diese Methode unzureichend. Der organisatorische und
technisch administrative Aufwand
wäre zu gross.
zogene Informationen liefert und
die Authentifizierung vornimmt.
Da der IdP aber nur eine beschränkte Auswahl an Core Attributen liefern kann (die Daten, die
auch im Pass vorhanden sind)
Übersicht Circle of Trust
Idee
Die Claim Assertion Infrastructure
basiert technisch auf dem offenen
Standard SAML 2.0 des OASIS
Konsortiums. Dieser Standard
sieht vor, den Aufbau von Vertrauensbeziehungen durch den Austausch von Metadaten zu realisieren. Im Software Development Kit
der SuisseID-Projekt, welches
Referenzcharakter besitzt, ist die
Verwendung von Metadaten noch
nicht vorgesehen.
Das Konzept sieht vor für den Aufbau von Vertrauensbeziehungen
zwischen CAS und SP SAML Metadaten zu benutzen, die über eine
zusätzliche Komponente, der Metadata Registry (MDR), ausgetauscht werden. Dazu ist vorgesehen, dass CAS und SP ihre
Metadaten an den gemeinsamen
Vertrauensanker senden können
und sich damit bei einer Vertrauens-Community anmelden. Für
die Vertrauensgemeinschaft, im
Konzept «Circle of Trust» genannt,
müssen bestimmte Regeln gelten.
Diese Regeln werden bei der Registrierung bei der MDR manuell
überprüft. Durch die Delegation
der Überprüfung und der Verteilung der Metadaten, skaliert der
«Circle of Trust» auch bei einer
wachsenden Anzahl von Mitgliedern gut. Innerhalb des «Circle of
Trust» vertraut jede Komponente
jeder anderen, sofern sie ihr nicht
explizit das Vertrauen abspricht.»
Sandro Leoni
Tobias Merz
Kevin Schneider
Workflow Metadaten Austausch
ti.bfh.ch
171
BI BE BU VA
BSc en Informatique
Projet iCREDO
IT-Security / Directeur de thèse: Claude Fuhrer
Expert: Dr. Joachim Wolfgang Kaltz
Partenaires du projet: armasuisse, Thun
Depuis 2006, l’entreprise armasuisse collabore avec l’institut d’intelligence artificielle IDSIA de l’Université
de la Suisse italienne (Lugano), sur le projet CREDO, un outil d’aide à la décision basé sur les réseaux crédal (credal networks). La coopération entre armasuisse et la BFH-TI à pour but de créer une application du
type proof of concept sur un iPad afin de pouvoir se rendre compte de ce qu’il est possible de réaliser dans
ce domaine et d’envisager un outil d’aide à la décision encore plus facile d’utilisation.
Yoël Luginbühl
iCREDO
Depuis 2006, le Département Fédéral de la Défense Suisse, représenté par armasuisse Science &
Technologie, collabore avec l’institut d’intelligence artificielle IDSIA
de l’Université de Lugano, sur le
projet CREDO. Le projet CREDO
a pour but de développer un programme informatique offrant un
support dans les diagnostiques
complexes ou les problèmes décisionnels au travers d’un modèle
mathématique des connaissances
disponibles. La coopération entre
armasuisse et la BFH-TI à pour but
de créer une application du type
proof of concept sur une tablette
tactile afin de pouvoir se rendre
compte de ce qu’il est possible de
réaliser dans ce domaine et de
rendre l’outil d’aide à la décision
encore plus facile d’utilisation.
Réseaux Crédal
Les réseaux crédal utilisent des
connaissances approximées au
lieu de nombres précis. Ce sont
des modèles probabilistes qui ont
recours à des probabilités incertaines appelées intervalles de probabilités. Ils peuvent modéliser
des jugements incomplets et imprécis ainsi que des éventuels
conflits d’information. Ils procurent
une prévision visuelle sous forme
de surface estimée qui permet une
visualisation plus humaine du
risque avant de prendre une décision. Un réseau crédal est un
modèle graphique probabiliste
«state of the art». Ce tout nouveau
genre de modèle utilise des algorithmes performants basés sur les
derniers développements mathématiques des probabilités incertaines. Les variables relevantes au
problème considéré ainsi que
leurs dépendances sont représen-
Exemple de graphe construit à l’aide de l’application iCredo.
172
ti.bfh.ch
tées au moyen d’un graphe et les
relations entre les différentes variables sont estimées au moyen de
probabilités imprécises. Plus spécifiquement, les réseaux crédal
sont une généralisation des réseaux Bayésiens dans lesquels on
utilise des ensembles crédal à la
place de mesures probabilistes
précises.
iCREDO – Proof of Concept
La solution apportée par ce projet
de Bachelor permet de simplifier
la création et le design d’un réseau
crédal en utilisant les avantages
d’une interface tactile et la simplicité d’utilisation de l’iPad. Un des
buts principaux a été de rendre
l’application la plus «user-friendly»
possible tout en garantissant un
design attrayant qui tient compte
des contraintes dues à la taille limitée de l’écran. La solution proposée dans le cadre de ce travail
offre une interface complète qui
minimise les éléments graphiques.
Grâce à l’absence d’une barre
d’outils, l’utilisateur dispose d’une
surface de création la plus épurée
possible. Ceci a pu être accompli
en utilisant différentes reconnaissances de gestes liées à des actions bien précises (ajout, déplacement, édition de noeuds).
En tant que proof of concept, iCredo montre qu’il est maintenant
possible d’utiliser un outil d’aide à
la décision innovateur sur l’iPad.
BSc in Informatik
BI BE BU VA
Motion Tracking System Integration into CAVE
Informatik CPVR / Betreuer: Prof. Urs Künzler, Robert Hauck
Die Berner Fachhochschule für Technik und Informatik ist im Besitz eines CAVE (Cave Automatic Virtual
Environment), einen Raum zur Projektion dreidimensionaler virtueller Realitäten. Bislang wurde für die Berechnung der Bilder die Position des Benutzers nicht berücksichtigt. Diese Projektarbeit hat zum Ziel, ein
sogenanntes Motion Tracking in die CAVE-Umgebung zu integrieren, damit das Rendering unter Berücksichtigung der Position des Beobachters geschieht.
Aufgabenstellung
Unter Benutzung des im CAVE installierten optischen Motion-Tracking-Systems soll das bestehende CAVE-Framework so ergänzt
werden, dass das Rendering sich
anhand der Position des Benutzers in Echtzeit anpasst. Ausserdem soll ein mit 6 Freiheitsgraden
versehenes Eingabegerät zur
Steuerung innerhalb der virtuellen
Umgebung mit einbezogen werden. Die Entwicklung einer Beispielapplikation zur Demonstration
der Ergebnisse ist Teil des Projekts.
Umsetzung
Mithilfe einer spezialisierten, auf
Open Scene Graph (OSG) basierenden Variante des Virtual-Rea lity
Peripheral Network (VRPN), werden die Daten im Framework empfangen, teilweise aufbereitet und
zur weiteren Verwendung an die
verschiedenen Renderingstations,
welche für das parallele Rendern
verantwortlich sind, verteilt. Ausserdem wird anhand der Positions- und Neigungswerte des
Headtrackers die perspektivische
Ansicht angepasst. Unsere Implementation ist flexibel und lässt per
Konfigurations-File verschiedene
Anpassungen wie beispielsweise
die Skalierung der Daten ausserhalb des Programmcodes zu.
ModelViewer
Der ModelViewer ist eine der beiden von uns erstellten Demoapplikationen. Er dient dazu, beliebige
OSG-kompatible Modelle zu laden
und im CAVE anzuzeigen. Mit dem
PPT-Wand hat der Benutzer ein
vielseitiges Instrument zur intuitiven Bedienung der Applikation. So
lassen sich die Modelle stufenlos
rotieren und skalieren und die Betrachtungsperspektive kann nach
Belieben angepasst werden. Dabei können Modelle auch so angezeigt werden, als würden sie sich
direkt vor dem Benutzer im Raum
befinden. Dank des im ModelViewer ebenfalls enthaltenen Motion
Tracking, entsteht dabei eine Hologramm-ähnliche Illusion, da das
Modell vom Benutzer umrundet
und somit aus verschiedenen Perspektiven betrachtet werden kann.
Motion Tracking Demospiel
Das Demospiel erstellten wir mit
dem Ziel einer Applikation, welche
die Effekte des Motion Tracking
nicht nur klar sichtbar macht, sondern einen notwendigen Teil der
Steuerung zum Erreichen des
Spielziels darstellt. Dazu werden
Münzen so hinter verschiedenen
Objekten versteckt, dass sie aus
der normalen gemittelten Position
im CAVE nicht gesehen werden
können. Mit der Möglichkeit sich
innerhalb des CAVE zu bewegen
und damit die Perspektive auf
die virtuelle Szene zu verändern,
lassen sich die Münzen nun erspähen und mithilfe des PPT-Wand
einsammeln. Dieser kann bei anderen Spieleinstellungen wahlweise auch zum umherbewegen in
der virtuellen Welt oder als Taschenlampe bei gleichzeitig ausgeschaltetem Umgebungslicht verwendet werden.
ti.bfh.ch
Michael Müller
Nick Pete Stähli
173
BI BE BU VA
BSc in Informatik
Routenplan-Erweiterung für MEZI
Informatik / Betreuer: Dr. Bernhard Anrig
Projektpartner: Glue Software Engineering AG, Bern
Die Firma Glue Software Engineering AG hat für BERNMOBIL, RBS und PostAuto eine mobile App, MEZI
(Mobile Echt-Zeit Information) für verschiedene Plattformen (iPhone, Android, JavaME, mobile Web) entwickelt. Die Backend-Systeme der beteiligten Transportunternehmen unterstützen kein Routing (Planung/
Abfrage einer Reise «Von – Nach»). Damit dennoch ein Routing angeboten werden kann, soll das MEZI
Backend System, welches die ganzen Soll- und Ist-Fahrpläne der Transportunternehmen integriert und den
Clients als Auskunftsservice dient, schrittweise um eine solche Funktion erweitert werden.
Pauli Winkelmann
Claude Nobs
174
Lösung:
wurde eine Applikation entwickelt,
die anhand der Sollfahrpläne, welche im MEZI Backendsystem hinterlegt sind, einen Graph erstellt,
in welchem mittels geeignetem
Algorithmus mehrere Routen zwischen zwei Haltestellen gesucht
werden können. Da die zu entwickelnde Software anbieten soll,
wie man am schnellsten von A
nach B kommt, ist die nutzerfreundliche Aufbereitung dieser
Information sehr wichtig. Dafür
eignet sich das Client-/Server
Konzept. Dabei wird unsere Applikation mit den Such-Algorithmen
auf einem leistungsstarken Server
betrieben und mit einem Interface
kann der Client – z. B via Android/
iPhone-Gerät – die gewünschte
Information abfragen. Der zusätzlich implementierte Webservice
dient einerseits als Schnittstelle
zwischen der Applikation und dem
Client und anderseits für weitere
ti.bfh.ch
Funktionen z. B als WebClient
oder als Test-Umgebung.
Problematik:
In Verkehrsnetzen optimale Reiserouten zu bestimmen ist ein alltägliches Problem. Wurden sie früher
mit Hilfe von Karten geplant, ist es
heute in der breiten Bevölkerung
üblich, Routen mit der Unterstützung von Rechnern zu optimieren.
Ein Ansatz, um die besten Verbindungen in solchen Netzen computerunterstützt zu finden, stammt
aus der Graphentheorie. Dazu
modelliert man das Netzwerk als
Graphen und berechnet darin den
kürzesten Weg. Zur Bestimmung
dieses Pfades eignen sich zwei
bekannte Algorithmen, der Dijkstra- und A*-Algorithmus.
Werden diese Algorithmen nicht
modifiziert liefern sie nur ein Resultat. Wie man es von gängigen
Routenplanern kennt, bestimmen
sie meistens mehrere Routen, z. B
verschiedene Abfahrzeiten. Je
nach Anspruch des Reisenden
bringt der Algorithmus nicht immer das gewünschte Resultat –
wenn die Route mit minimalem
Umsteigen gewünscht wird, anstatt die kürzeste Reisezeit. Der
kürzeste Pfad ergibt die frühste
Ankunftszeit am Ziel, aber nicht
zwingend, die Route mit der kürzesten Reisedauer. Er sagt auch
nichts darüber aus, wie bequem
die Fahrt in Bezug auf Wartezeiten
und Umsteigen ist. In der Theorie
ist es wesentlich einfacher auf einem Graphen mit statischen Kantengewichten den kürzesten Pfad
zwischen zwei beliebigen Knoten
zu finden, als in einem realen Verkehrsnetz, wo verschiedene andere Faktoren, wie ein Linenwechsel
(Umsteigen), Wartezeiten und Reisezeit, mitspielen. Die Herausforderung der Arbeit lag darin, die
Thematik zu analisieren um die
Probleme zu erkennen, dann eine
Lösung zur Optimierung zu finden,
so dass der Algorithmus bei jeder
Abfrage ein optimales Resultat
liefert.
BSc in Informatik
BI BE BU VA
Stocktaking
Mobile Computing / Betreuer: Claude Fuhrer
Experte: Armin Blum
Die Erfassung und Dokumentation von materiellem Gut wird oftmals noch von Hand vorgenommen. Diese
Arbeit soll ein Konzept zeigen, welches es ermöglicht dieses Gut elektronisch zu erfassen und zu dokumentieren. Aufgrund der heutigen Technologien bietet sich ein Ansatz mit portablen Endgeräten, um die
Erfassung vor Ort durchführen zu können und die Position mit Hilfe von GPS zu erfassen.
Motivation
Durch die technische Entwicklung
von Tablet Computern gibt es heute viele handliche, tragbare Computer die eine hohe Portabilität
bieten. In diesem Projekt wird anhand eines solchen Tablets und
dessen Sensoren ein Projekt realisiert, welches es ermöglicht ein
Inventar von materiellem Gut das
sich im Freien befindet aufzustellen.
Konzept
Eine Android Anwendung die für
das Tablet «Samsung Galaxy Tab
10.1» mit Android 3.1 programmiert wurde, kümmert sich um die
Datenerfassung. Die Basis für diese Anwendung wurde bereits im
Modul «Projekt 2» erarbeitet. Im
Rahmen dieses Projektes wurde
diese weiterentwickelt und auf die
Bedürfnisse dieses Projektes
noch ein wenig angepasst.
Ein Server mit Debian Linux kümmert sich um die Weiterverarbeitung der Daten. Hierfür wurde ein
Server mit der objektrelationalen
Datenbank PostgreSQL und die
Erweiterung Postgis für die geografischen Daten gewählt. Eine
eigens entwickelte Anwendung
empfängt die Daten vom Tablet
und fügt diese in die Datenbank
ein. Für die Visualisierung von Karten, um die Objekte anzuzeigen,
wurde das Open Source Projekt
Geoserver verwendet welches die
frei zugänglichen OpenStreetMap
Daten verwendet um die Karten zu
erzeugen. Der Geoserver ist in
Form einer «Web Application» für
Tomcat verfügbar was praktisch
ist, da so der Tomcat Server auch
für den Zugriff auf die Fotos dienen kann.
Weiter wurde eine Client Anwendung realisiert die es ermöglicht,
die Landkarten beim Geoserver
anzufragen sowie die Objekte die
erfasst wurden mit dem dazugehörigen Foto anzuzeigen. Es ist
auch möglich, diese Daten zu verändern und den Standpunkt eines
Objektes, einem anderen, bereits
vorhandenen Standpunkt zuzuordnen.
Fazit
Die Separierung der Objekte nur
mit Hilfe von der GPS Position, der
geschätzten Entfernung des Benutzers sowie der Ausrichtung
gegenüber dem Norden ist nicht
effizient genug. Die relative Abweichung von der GPS Positionierung
ist alleine schon eine zu grosse
Hürde um eine verlässliche Angabe zu machen. Das Gesamtsystem funktioniert, jedoch mit der
Einschränkung, dass die Objekte
nicht zu nahe aneinander stehen
dürfen (>10m) oder das Foto aus
einem anderen Winkel zum Objekt
gemacht werden muss.
Christian Pauwels
Gesamtbild
ti.bfh.ch
175
BI BE BU VA
BSc en Informatique
SwissiVi: PoC for a Novel E-Voting Platform
Informatique / Directeurs de thèse: Prof. Dr. Eric Dubuis, Prof. Dr. Rolf Haenni, Prof. Reto Koenig
Expert: Dr. Andreas Spichiger
Bien qu’il existe aujourd’hui plusieurs protocoles cryptographiques qui satisfont de nombreuses exigences
suggérées pour des systèmes de vote électronique, une interface sûre et facile à utiliser entre le votant et
la cryptographie sur un PC ou smartphone potentiellement vulnérable manque toujours à l’appel. Le Research
Institute for Security in the Information Society de la HESB a mis en place un nouveau concept de vote
électronique résolvant ce problème. Le but de ce travail de bachelor est de réaliser une démonstration de
faisabilité (Proof of Concept, POC) de ce concept.
Andrea Pellegrini
[email protected]
Philémon von Bergen
[email protected]
Le concept de la HESB en bref
La plateforme sécurisée est un problème récurrent dans le domaine
de l’e-voting. Si le support utilisé
pour afficher la plateforme est infecté par un malware, la confidentialité ainsi que l’intégrité du vote ne
peuvent pas être garanties.
Pour éviter ce problème, la HESB a
développé un concept mettant en
jeu un petit appareil permettant de
confirmer le vote. Cet appareil n’a
pas de moyen de communication
direct avec l’ordinateur ou avec internet, et ne peut donc pas être
infecté par un malware.
Par conséquent, un support infecté
affichant la plateforme peut toujours modifier le vote, mais cela
sera détecté par l’utilisateur lorsqu’il
devra confirmer son choix sur l’appareil de vote.
Trois acteurs principaux interviennent dans ce concept: une plateforme de vote, l’appareil de vote
mentionné plus haut et une carte
de vote personnelle.
Aperçu du déroulement d’un vote
176
ti.bfh.ch
La plateforme de vote permet à
l’utilisateur de consulter les objets
à voter. Les résultats pouvant être
choisis par le votant sont représentés sous forme de codes-barres
bidimensionnels.
A l’aide de l’appareil de vote, l’utilisateur peut lire ces codes-barres
dont le contenu apparaît sur l’écran.
Il doit alors confirmer son choix.
La carte de vote permet de vérifier
la légitimation de vote, ainsi que de
récupérer le vote créé par l’appareil
de vote afin de l’envoyer à l’urne
électronique.
Réalisation
Le travail consiste en deux parties
principales. Pour la première, il
s’agit de simuler l’appareil et la
carte de vote avec des smartphones. La seconde partie est la
réalisation de la plateforme de vote.
Celle-ci doit supporter les types de
votes suisses (vote, initiative et
élections) pour le niveau fédéral, le
niveau cantonal et le niveau communal.
La simulation de l’appareil et de la
carte de vote a été réalisée sur
Android. L’appareil de vote permet
de scanner un code-barres de la
plateforme de vote, décode le
contenu du code-barres et l’affiche
sur l’écran. L’utilisateur confirme le
vote, puis celui-ci est envoyé au
smartphone simulant la carte.
Le fichier enregistré sur la carte de
vote peut être récupéré sur un ordinateur en y connectant le smartphone. Le vote peut finalement être
chargé dans l’urne électronique.
La plateforme propose une page
d’accueil où l’utilisateur peut choisir
son canton de résidence. Il doit
ensuite indiquer sa commune et
voit apparaître une vue d’ensemble
de tous les objets pour lesquels il
peut voter. Une page lui permet
alors d’afficher les codes-barres
pour les différents objets. Si des
élections sont disponibles, une interface lui permet de choisir une
liste, de la modifier ou de composer
sa propre liste.
Pour utiliser de manière optimale la
surface disponible à l’écran, les différents objets sont groupés par
niveau (fédéral, cantonal, communal), puis répartis en différents onglets.
Le résultat obtenu dans ce travail
propose une implémentation possible de ce concept et peut être
utilisé pour le présenter aux personnes intéressées.
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BI BE BU VA
BSc in Informatik
E-Commerce Web-Applikation – Adventures4Family
WBA / Betreuer: Prof. Jufer Rolf
Experte: Dr. Federico Flueckiger
E-Commerce gewinnt stetig an Bedeutung in unserer Wirtschaft. Mit dem Erfolg wachsen auch die Anforderungen und Erwartungshaltungen der Nutzer. Es gibt eine Vielzahl von generischen e-Commercelösungen,
die bis zu einem gewissen Grad an die Bedürfnisse des jeweiligen Einsatzzwecks angepasst werden können.
Viele Shop-Betreiber (wie z. B. LeShop) bevorzugen dennoch Eigenentwicklungen. Solche e-Commercelösungen bestehen meistens aus einem sehr heterogenen technologischen Umfeld und weisen eine äusserts
Komplexität auf.
Michel Reuteler
178
Ziel diese Arbeit ist, eine beispielhafte technische Implementierung
einer e-Commercelösung zu
schaffen, welche sich die Vorteile
aktuellster Technologien zu Nutzen macht.Über die erstellte eCommerce Plattform werden Familienausflüge vertrieben. Das
Angebot kann dynamisch gepflegt
und vom Kunden mittels einer
Vielzahl von Suchkriterien, wie
z. B. Region oder Altersempfehlung, durchsucht werden. Ein Produkt kann gebucht und mittels
diverser Zahlungsmethoden auch
online bezahlt werden. Die Bestellung wird mittels in BPMN (Business Process Model and Notation)
abgebildeten Geschäftsprozessen
verarbeitet.Um die Problemstellungen in möglichst kleine Fragmente zu unterteilen, besteht die
ti.bfh.ch
Softwarearchitektur aus mehreren
Schichten. Die erste Schicht dient
zur Abbildung des Domänenmodells und dessen Relationen. Diese Ebene bildet reale Gegenstände wie z. B. ein Produkt ab. Zudem
sorgt sie für die Persistierung der
Daten.Als nächstes folgt die
Schicht zur Abbildung der Geschäftslogik. Diese Ebene definiert die Regeln welche auf das
Domänenmodell angewandt werden und stellt sie als Service der
darüber liegenden Schicht zur
Verfügung. Des Weiteren übernimmt diese Schicht die Kommunikation mit Systemen von Drittanbieter.Die dritte Schicht bildet das
Bindeglied zwischen Benutzer
und Applikation. Sie stellt dem Benutzer die Geschäftslogik mittels
Benutzeroberfläche zur Verfü-
gung.Bei der Auswahl der Technologien und Komponenten wurde
darauf geachtet, dass diese ein
möglichst homogenes Umfeld bilden. Dies hat den grossen Vorteil,
dass sämtliche Umsetzungen mittels der Programmiersprache Java
gemacht werden konnten. So wurde z. B. sämtliche Datenbankinteraktionen mit Hilfe der Java Technologie JPA (Java Persistence API)
generiert oder alle nötigen Javascript und HTML Elemente
durch das Opensource Web
Framework Vaadin generiert.Die
Dokumentation zur Arbeit erläutert
das Vorgehen in der Entwicklung
anhand der eingesetzten Technologien sowie die softwarearchitektonischer Schlüsselstellen und
deren Schwierigkeiten.
BI BE BU VA
A Web-Based Multiplayer RTS using GCA*
Computer Games, Networking, Artificial Intelligence / Thesis Advisor: Prof. Dr. Jürgen Eckerle
Expert: Han van der Kleij
Markus Roth and Dr. Jürgen Eckerle of the Bernese University of Applied Sciences developed a novel
approach for collaborative pathfinding, named Generalized Collaborative A*. Using this method, a multiplayer Real-Time Strategy game was developed in Microsoft Silverlight to run inside a web browser. Besides
advanced pathfinding, it offers modern RTS components such as unit types, bases, fog of war, advanced
movement commands and more.
A multiplayer real-time strategy
game (RTS) involves at least two
players competing against each
other by directing their armies, using strategy and tactics like generals would. In these games, the
individual units use artificial intelligence techniques to act independently towards their strategically
A screenshot of the game, showing the
abstract graphical style
A visualization of the three-dimensional reservation store of the
pathfinding algorithm
The conference paper describing the
developed algorithm in detail
assigned targets. Thus, while a
player might direct their troops to
attack a certain group of opposing
forces, the troops maneuver and
exchange fire autonomously. This
enables the player focus their attention on tactics and strategy,
rather than forcing them to control
each of their troops individually.
Given that RTS games often use
terrain and other features blocking
the movement of troops to make
for a more complex game experience, the troops need advanced
pathfinding algorithms to achieve
their goals while not moving in the
wrong direction, blocking each
other, or getting stuck on obstacles. Ideally, troops would react
exactly as the player expects them
to, while simultaneously striving
for optimal path sums as groups
while reaching their potentially individually assigned targets. Since
the user can issue new commands
at any instant, these calculations
have to be done in close to realtime. Since the publishing of the
first modern RTS game in 1992,
efforts have been ongoing to develop and improve such pathfinding techniques.
In this thesis, I continue these efforts by designing and implementing an RTS game using the collaborative pathfinding algorithm
CGA*, developed by Dr. Jürgen
Eckerle and myself in 2010. Being
implemented in Microsoft Silverlight, it is the only completely web-
based, full-fleshed multiplayer
RTS with industry-standard pathfinding currently available.
Markus Roth
[email protected]
ti.bfh.ch
179
BI BE BU VA
Delta.js – A Diff and Patch Engine for DOM Trees
Web and Business Applications / Thesis Advisor: Prof. Dr. Olivier Biberstein
Expert: Peter Matti
Delta.js is a JavaScript framework capable of detecting changes between two versions of a structured
document. Furthermore it provides methods to apply those changes back to the original document or a
slightly modified version thereof. Our implementation runs in any modern web browser as well as on JavaScript based server software like node.js and on the command line. HTML and any XML based document
formats are supported, including SVG.
Lorenz Schori
Application Independent
Version Control
When different authors are working on the same document, the
ability to track and manage changes is essential. Existing solutions
often are tied to the editor application, i.e. the word processor or
spreadsheet software. As a consequence the involved editors are
forced to use the same applications. This approach works fine for
small teams collaborating in a
managed office environment. But
such a restriction might result in
major problems when a workflow
requires integration of third party
systems.
In the software industry, distributed teams rely heavily on generic
version control systems, which are
capable of tracking and merging
changes to source code. Those
systems work independently of
the tools and editors used by the
programmers, as long as the
source code is kept in plain text
files.
Realtime preview when applying a set
of changes to an SVG image.
180
ti.bfh.ch
Because more and more vendors
are adopting XML as the basis of
their own file formats, a more generic approach to change management of structured documents
independent of the editor application becomes realistic. The algorithms implemented in Delta.js
may form the basis for a change
management system for structured documents.
Diff and Patch for Structured
Documents
A number of algorithms suitable
for detecting changes in structured documents have been studied for this thesis. Based on our
research, we›ve chosen XCC (XML
Change Control) recently released
by Sebastian Rönnau and Uwe M.
Berghoff as the starting point for
our own implementation. The main
assumptions of the chosen approach are:
– Document order is important.
– Interesting content is contained
within leaf-nodes.
While we maintained the basic
concepts of the XCC-diff algorithm, our version departs significantly from the original implementation in some parts. As a result
the runtime of our implementation
is easier to predict in some cases.
XCC also proposes a file format
suitable for storing a set of changes into a file, commonly referred to
as a patch. Along with the changed
content, a context fingerprint rep-
resenting the neighborhood of
where the change took place in
the original document is recorded
in the patch. When a patch is
merged back into the original document or a modified version thereof, the patching algorithm is capable of verifying and adjusting the
location of a change by comparing
nearby content with the context
fingerprint.
In order to demonstrate the capabilities of the Delta.js framework
we provide a set of browser based
JavaScript applications. When
supplied with two versions of an
XML file, our application computes
the changes between them. Then
the original source code is displayed and changed parts are
highlighted. For certain file formats
like HTML and SVG a life preview
is available where the impact of
individual changes can be monitored in realtime.
Delta.js is publicly available from
http://github.com/znerol/nodedelta
BSc in Informatik
BI BE BU VA
libKeynect (Kinect-Suite)
Informatik / Betreuer: Prof. Roger Cattin
Das Ziel dieser Arbeit war, eine Library und eine grafische Oberfläche zu entwickeln, mit der ohne Programmierkenntnisse das Gerät namens «Kinect» von Microsoft vereinfacht angesteuert werden kann. Der Benutzer
kann eigene Gesten definieren und diese frei auf Aktion binden. Es sollen mehrere solche Gesten/AktionsPaare definiert werden können. Die Library erkennt daraufhin, welche Geste vom Benutzer durchgeführt
wird, worauf die vordefinierte Aktion ausgeführt wird.
Das Gerät
Das Kinect ist eine Neuentwicklung aus dem Hause Microsoft.
Ursprünglich für die XBox 360
konzipiert, kann es mittlerweile
von zahlreichen Entwicklungswerkzeugen angesteuert werden.
Das Gerät besteht aus einer Farbbildkamera, einem Infrarotsensor
und vier Mikrofonen. Des Weiteren
kann es per eingebautem Motor
nach oben oder unten gekippt
werden. Anhand der Infrarotkamera werden Tiefeninformationen
errechnet, was eine simple Art eines 3D-Bildes erlaubt.
Die Aufgabe
Die Aufgabe in diesem Projekt bestand darin, eine Bibliothek zu implementieren, die es erlaubt, Kinect ohne Programmierkenntnisse
am PC anzuschliessen und auf
rudimentäre Weise benutzen zu
können. Zwar können herkömmliche Eingabemittel wie Maus und
Tastatur nicht ersetzt, dafür aber
ergänzt werden. Die Entwicklung
von Algorithmen, welche Gesten
erkennen können, sind ein grosser
Bestandteil der Arbeit. Ausserdem
soll die Möglichkeit bestehen,
Mausklicks und Knopfdrücke zu
simulieren. Die Konfiguration all
dieser Funktionalitäten soll über
ein grafisches Interface möglich
sein. Zudem soll ein CommandLine Frontend entwickelt werden,
um eine Automatisierung zu ermöglichen.
Gesten-Konzept
Beide Hände kommen zum Einsatz, der Benutzer kann jedoch
definieren, welche Hand er als
Triggerhand und welche als Gestenhand benutzen möchte. Die
Triggerhand beeinflusst je nach
Anzahl ausgestreckten Fingern
den Modus, in dem man sich befindet. Mit der Gestenhand können Bewegungen durchgeführt
und damit eine Geste in die Luft
gezeichnet werden. Dank der Tiefeninformation werden hier alle
drei räumlichen Achsen (X-, Y-,
und Z-Achse) unterstützt. Der Benutzer kann also mit der Gestenhand zum Beispiel den Mauszeiger ziehen und nach vorne
drücken, um einen Klick auszuführen. Weiter können verschiedene
Aktionen gestartet werden, wie
zum Beispiel das Öffnen eines
Video-Players, die Änderung der
Systemlautstärke oder das Ausführen eines benutzerdefinierten
Skripts.
Realisierung
Die Software wurde für Linux realisiert. Im Design der Architektur
wurde explizit eine Plattformunabhängiglkeit
angestrebt.
Als
Schnittstelle zur Einbindung von
Kinect selber wurde OpenNI verwendet – ein Projekt mit dem Ziel,
«natürliche Interaktion» (d. h. ohne
Steuergerät) zu fördern.
Da die Auflösung des Tiefenbilds
nur den Werte einer normalen
Webcam entspricht, war es nicht
ganz einfach, die Anzahl hochgehaltener Finger herauszufinden.
Dank der Tiefeninformation konnte
zwar der Hintergrund weggerechnet werden, was das Herausfinden
der ungefähren Form der gesuchten Hand einwenig erleichterte.
Schliesslich wurde ein Algorithmus entwickelt, der den Abstand
für jeden Punkt auf der äusseren
Kante der Hand errechnet. Da, wo
die höchsten Peaks mit einem bestimmten Maximalwinkel zu finden
sind, befinden sich die Finger.
Tobias Soltermann
George Sriranjan
Silvan Strüby
Handisolation
ti.bfh.ch
181
BI BE BU VA
BSc in Informatik
Policy Authoring Tool
IT Security / Betreuer: Prof. Gerhard Hassenstein
Projektpartner: IBM Research – Zurich, Rüschlikon
Die Sicherheit von IT-Systemen ist heute ein zentrales Thema für jedes Unternehmen. Eines der wichtigsten
Werkzeuge ist die Zugriffkontrolle, welche genau definiert und durchsetzt, wer auf welche Daten oder
Anwendungen zugreifen darf. Früher war die Systemvielfalt gut überschaubar und meistens reichten dafür
bereits die Funktionen, welche in Betriebssystemen integriert waren. In Zeiten von dedizierten Serverfarmen
und serviceorientierter Architektur wird die Kontrolle jedoch komplexer. Diese Arbeit beschäftigt sich mit
der kollaborativen Administration moderner Zugriffsrichtlinien.
Stefan Tock
[email protected]
182
Motivation
Mit dem XACML-Standard der
OASIS (Organization for the Advancement of Structured Information Standards) wurde eine
xml-Notation zum Festlegen von
Zugriffsrichtlinien definiert. Dieser
Standard ermöglicht Zugriffskontrollsysteme systemübergreifend
zu implementieren und Richtlinien
zentral zu verwalten. Bereits seit
einiger Zeit sind Administrationswerkzeuge für die Verwaltung solcher XACML-Strukturen erhältlich
und werden auch produktiv eingesetzt. Diese Lösungen bieten jedoch kaum Möglichkeiten für die
kollaborative Arbeit. In der Praxis
ist es oft so, dass Mitarbeitende
Zugriffsrechte benötigen und diese
bei vorgesetzten Stellen beantragen müssen. Diese geben die Anfrage wiederum an andere Stellen
zur Umsetzung im System weiter.
Umsetzung
Die Implementation wurde in eine
Server- und eine Client-Applikation unterteilt. Der Server basiert
auf den Komponenten der Java
Plattform (Enterprise Edition). Für
die Kommunikation mit dem Client
wird ein RESTful Web Service
(JAX-RS) verwendet. Dies ermöglicht den datensparsamen und
asymmetrischen Austausch von
Informationen über das HTTP(S)Protokoll. Der Client basiert auf
dem JavaScript Toolkit Dojo und
ist völlig von der Serverseite losgelöst. Der Client bezieht die nötigen Daten über den erwähnten
Web Service und stellt dem Benutzer eine angenehme, grafische
Darstellung zur Verfügung. Die
Applikation ist mit allen bekannten
Webbrowsern kompatibel und bietet so einen plattformunabhängigen Zugang. Durch den Einsatz
Ziel
Es soll eine Webapplikation entwickelt werden, welche zeigt, wie
kollaborative Ansätze im Definieren von Richtlinien angewendet
werden können. Die beteiligten
Akteure sollen in dieser Applikation neue Zugriffsregeln beantragen
können, welche dann in derselben
Applikation von anderen Akteuren
genehmigt oder abgelehnt werden
können. Es gilt sich einen Ansatz
zu überlegen, welcher diesen
Prozess festlegt und den korrekten Ablauf sicherstellt.
Policy Authoring Tool Web-Client
ti.bfh.ch
des Web Services wäre es ausserdem möglich, weitere Clientapplikationen für spezifische Plattformen wie iOS oder Android zu
entwickeln.
Mit der Umsetzung des Policy Authoring Tools konnte ein Ansatz
veranschaulicht werden, welcher
die kollaborative Definition und
Administration von Zugriffsrichtlinien ermöglicht. Die Webapplikation kann nun zur Demonstration
zukünftiger Administrationskonzepte verwendet werden.
BSc en Informatique
BI BE BU VA
Mobile Way Inside the Building
Mobile Computing – Indoor Navigation System / Directeur de thèse: Dr. Abdelatif Mokeddem
Expert: Dr. René Bach / Partenaires du projet: Dr. Mahmoud Bouzelboudjen Université de Neuchâtel,
Service informatique et télématique (SITEL), Neuchâtel
Le but de ce travail est le développement d’une application mobile pour iPhone dans le domaine de la géolocalisation bidimensionnelle appliquée au rez-de-chaussée du bâtiment de la faculté des sciences de
l’Université de Neuchâtel (Unimail). Basée sur la position GPS (Global Positioning System) de l’iPhone, sur
les données issues du système d’information des locaux UniNE, et sur les services géo-web offerts,
l’application affiche le chemin entre la position actuelle du mobile et la destination recherchée. La destination peut être une salle ou une personne.
Approche
Cette thèse s’appuie sur un système d’information à références
spatiales qui contient les plans des
locaux ainsi que les chemins permettant le calcul des itinéraires. Il
interconnecte plusieurs bases de
données qui intègrent de manière
dynamique les attributs non spatiaux (noms des collaborateurs et
des étudiants, numéros de téléphone, etc.). De plus, ce système
contient deux services géo-web
(REST, SOAP, JSON). Le premier
offre des fonctionnalités de recherche, d’interrogation et d’identification spatiale des attributs. Le
second permet de calculer le
chemin optimal entre deux ou plusieurs localisations en fonction de
contraintes spécifiques. Il utilise la
technologie fournie par ESRI leader
mondial dans les système d’information géographique. L’architecture informatique s’appuie sur
ArcGIS Server, ArcSDE (Spatial
Database Engine), les API ArcGIS.
L’ensemble du système d’information des locaux UniNE a été développé et mis à ma disposition par
le service informatique et téléma-
tique de l’Université de Neuchâtel.
Le développement de l’application
s’appuie sur des outils logiciels
fournis par ESRI et par Apple. La
réalisation de cette application a
nécessité de nombreuses adaptations liées à l’évolution de ces nouvelles technologies.
Défis
Cette thèse m’a permis de relever
plusieurs défis. Le premier consistait à comprendre le système d’information géographique, y compris
les systèmes de projection des
coordonnées et le GPS. Le second
à apprendre le langage de programmation orienté objet réflexif
Objective-C ainsi que l’environnement de développement Xcode
d’Apple. Et enfin de me familiariser
vers les services géo-web. Durant
Résultat
L’application réalisée affiche le
chemin entre la position actuelle
du mobile et la destination recherchée. La destination peut être une
salle ou une personne. Si la localisation (GPS, WIFI, etc.) à l’intérieur du bâtiment est déficiente, le
système offre la possibilité à l’utilisateur d’indiquer le point de départ manuellement. L’application
contient plusieurs fonctionnalités
de recherche et d’identification
des locaux et des occupants.
Système d’information locaux UniNE
Vue du menu
Vue de la fonction de guidage
mon travail, j’ai intégré la mise à
jour de la version 2.1 de l’API ArcGIS ainsi que le passage au nouveau système d’exploitation iOS 5.
Cette phase représentait pour moi
aussi une chance de rehausser le
niveau de difficulté de ce défi.
ti.bfh.ch
Tobias Vogel
183
BI BE BU VA
BSc in Informatik
BluePin
Mobile Computing / Betreuer: Prof. Reto König
Experte: Prof. Dr. Torsten Braun
Mit Google Indoor-Navigation von Google Maps 6.0 ist es nun auch möglich sich in Einkaufszentren vom
eigenen Smartphone Navigieren zu lassen…
So ertönte es im Verlauf des Jahres 2011 aus den Reihen von Google. Der Gedanke sich mittels unserer
«Hosentaschen-PC’s» nicht nur unter freiem Himmel orientieren zu können, ist aber weitaus älter.
terführende Arbeiten verwendet
werden.
Pascal von Dach
Lokalisierung
Als Instrument für die Lokalisierung
innerhalb von Gebäuden können
moderne Geräte auf eine Vielzahl
von Sensoren zurückgreifen. Hierbei macht es Sinn die Sensoren auf
Grund Ihrer Reichweite oder Kapazität in einer spezifischen Reihenfolge anzusprechen.
Vom Groben ins Feine
Eine mögliche Abfolge der Informationsauswertung wäre zum
Beispiel die Nutzung von GPS und
GSM ausserhalb von Gebäuden,
WiFi- und Bluetooth Signale innerhalb von Gebäuden und zu guter
Letzt
Nahfeldkommunikation,
Trägheitssensoren und Kompass
Funktionen für die letztendliche
Ausrichtung.
RedPin als Basis
Im Jahr 2008 gab es eine Masterarbeit der ETH Zürich welche lange
vor Google die Navigation mittels
der oben genannten Kommunikationsschnittstellen GSM, WiFi und
Bluetooth prüfen sollte. Das Projekt mit dem Namen RedPin bildet
die Grundlage dieser BachelorThesis.
184
ti.bfh.ch
BluePin als Erweiterung
Die Applikation ist als klassische
Client- Serverapplikation ausgelegt, bei welcher ein Android-Client mit einem mittels JAVA implementierten Server kommuniziert.
Der Client unterscheidet hierbei
zwei Modi:
Generieren eines elektronischen
Fingerabdrucks «der eigentliche
Pin», welcher an den Server übermittelt wird und die Lokalisierung
bei welcher der Server dem Client
auf Basis eines zuvor übermittelten
Fingerabdrucks seine «geschätzte» Position bekannt gibt.
Die Idee für die Thesis lag aber nicht
darin das Projekt RedPin zu erweitern, sondern mittels eines neu definierten Projekts BluePin die Möglichkeiten von Bluetooth im Rahmen
der Positionierung zu prüfen.
Hierbei wurde der Fokus nicht auf
eine Endlösung gesetzt, sondern
vielmehr auf die Machbarkeit als
solches. Es soll bewiesen werden,
ob die Verwendung von Bluetooth
für die Positionierung Sinn macht
oder nicht.
Das Ganze hat somit mehr einen
Prototypen Charakter und kann
möglicherweise als Basis für wei-
Schwankendes Fazit
Eine zuverlässige und präzise Lokalisierung mittels Bluetooth ist
unter Verwendung handelsüblicher Smart-Phones zurzeit nur
bedingt möglich. Bluetooth stellt
zwar eine zuverlässige Schnittstelle dar, um auf kurze Distanz einfach Daten auszutauschen, jedoch
variiert der beim Empfänger ankommende Signalpegel derart
stark, dass dieser für die Positionierung unerlässliche Faktor nicht
zuverlässig genutzt werden kann.
Aufbau BluePin
Player und Recorder
BSc en Informatique
BI BE BU VA
Implementation d’un prototype BPMN avec Intalio
Web Business Application / Directeur de thèse: Prof. Rolf Jufer
Expert: Thomas Jäggi
Les processus d’entreprises jouent un rôle majeur dans les entreprises aujourd’hui. Car pour être compétitif sur le marché, il faut se doter des processus rigides et efficaces afin de faciliter les transactions et
éviter les pertes de temps. C’est la raison pour laquelle la concurrence entre logiciels modelant ces processus est plus que d’actualité. C’est dans cet optique que le choix de tester Intalio|BPM un logiciel
open-source qui permet de modeler des processus d’entreprise et des Workflows a été fait. Le processus
modelé va permettre d’automatiser certaines tâches (envoie des emails).
But:
Le processus qui va être développé aura pour but non pas seulement d’assigner de maniere
automatique des tâches à des
utilisateurs qu’on definira après
une saisie manuelle par une administrateur, mais aussi de permettre
l’envoie et la reception automatique des messages (Emails, Notifications) entre administrateur et
utilisateurs. Il avait aussi pour but
de prendre connaissance du logiciel Intalio|BPM qui sert à la modelisation des processus d’entreprises et de le tester.
Procédé:
1. Mettre en place un processus
capable d’envoyer des messages.
2. Mettre en place un processus
capable d’assigner des taches
a des utilisateurs.
3. Additionner les 2 processus
cites plus haut pour en creer un
seul et l’ automatiser de telle
maniere qu’ apres un certain
nombre de temps, qu’il puisse
assigner des tâches à des utilisateurs et envover des emails et
des notifications.
4. créer et sauvegarder dans le
système les utilisateurs à qui les
tâches seront destinées.
5. Tester les résultats après chaque
phase importante.
Resultats:
Les resultats de ce travail montrent
qu’on peut modeler et automatiser
par le moyen du logiciel Intalio|BPM
toutes les activites que l’on effectue dans le quotidien et que l’on
est obligé de repeter plusieurs
fois. Mais ce logiciel ne rends pas
facile l’ulisation de sa technologie,
par le fait qu’il n y a pas de documentation approprieés, mais aussi par le fait que les echanges
entre utilisateurs et administrateurs ne sont pas toujours positifs
dans la resolution des problemes
rencontrés, car plusieurs problemes restent jusqu’a nos jours sans
solutions.
Avantages:
En assignant les taches et en envoyant des messages de manière
automatique, ce produit va aider
l’administration dans le futur de
controler l’etat des taches qui ont
ete assignées à certains utilisateurs et qui restent en instance.
Ceci lui facilitera par ailleurs le travail et lui permettra d’eviter des
perte de temps inutiles.
Limites
Le processus developé n’est pas
connecté à une base de donnees
où l’on pourrait sauvegarder les
paramètres importants (Noms,
emails). Ce qui signifie que l’on est
obligé à chaque fois d’entrer ces
paramètres. En plus les destinataires des emails ne se distinguent
pas quand on a plusieurs destinataires, raison pourlaquelle on fera
des instance pour chaque destinataire.
Jean-Bernard Wansi
Njengoue
Automatisation d’un processus
ti.bfh.ch
185
BSc en Mécanique
BI BE BU VA
Vorrichtung zur Bestimmung von Reibungskoeffizienten
Maschinentechnik / Betreuer: Dr. Annette Kipka
Experte: Dr. Armin Heger
Die Bestimmung von Reibungskoeffizienten der Trockenreibung kann sehr aufwändig oder sogar fehlerbehaftet sein. Daher können Literaturangaben von Reibungskoeffizienten für ein und dieselbe Materialpaarung
um bis zu 50% voneinander abweichen. Um die Anforderungen an Prüfgenauigkeit und Wirtschaftlichkeit
des Prüf labors der Berner Fachhochschule zu erfüllen, wurde ein Co-Axial-Tribometer entwickelt. Damit
können Haft- und Gleitreibungskoeffizienten unterschiedlicher Materialpaarungen ermittelt werden. Diese
Kennwerte sind wichtig, z. B. für die Durchführung bestimmter Finite-Element-Analysen.
Funktionsweise
Abb. 1 zeigt das Co-Axial-Tribometer als Erweiterung der Universalprüfmaschine Zwick Z 100. Die
Funktion des Co-Axial-Tribometers
beruht auf der Bestimmung der
Normal- und Reibkraft, wenn zwei
Proben gleichen oder unterschiedlichen Materials gegeneinander
verschoben werden. Wesentliches
Element der Vorrichtung ist eine
Feder (Federrate: 7. 5 N/mm), mit
welcher die Normalkraftzustellung
erfolgt. Die Normalkraft kann in
einem Bereich von 20 bis 120 N
eingestellt werden. Der Reibkraftsensor darf in einem Bereich von
0,4 bis 100 N belastet werden. Die
zu prüfenden Materialien liegen als
zylindrische Probekörper vor, vor-
zugsweise mit einem Durchmesser
von 15 mm. Die Positionierung der
Proben erfolgt durch ein Spannbackensystem. Die Vorschubgeschwindigkeit kann mit der Universalprüfmaschine in einem Bereich
von 0,0005 bis 600 mm/min variiert werden. Die Auswertung der
Messwerte erfolgt mit der Software der Universalprüfmaschine.
Vorgehen
Das in der vorangegangen Projektarbeit 2 entwickelte Co-Axial-Tribometer wurde im Rahmen der
Thesis gebaut. Anschliessend
wurde seine Messgenauigkeit
überprüft, indem die Reibungskoeffizienten unterschiedlicher Materialpaarungen ermittelt und mit
Literaturwerten verglichen wurden. Die Ergebnisse wurden mit
Hilfe analytischer Verfahren kritisch beurteilt. Die – insgesamt
geringen – Abweichungen zwischen Mess- und Literaturwerten
konnten grösstenteils erklärt werden.
Joel Allemann
Ergebnisse
Der Vergleich der Messwerte mit
den Werten aus der Literatur ergab eine sehr gute Übereinstimmung. Die in der Auswertgrafik
beobachtete Schwankung der
Reibkraft ist auf geometrische Toleranzen des Tribometers und der
Prüfkörper (z. B. Oberflächenunregelmässigkeit) zurückzuführen.
Die Sensibilitätsanalyse ergab,
dass bei einer niedrigeren Federrate die relative Genauigkeit der
Messung auf 1.5% verbessert
werden kann. Bei dieser Genauigkeit wurden die Unsicherheiten
der beiden Sensoren sowie die
geometrischen Toleranzen berücksichtigt. Damit könnte mit
dem Co-Axial-Tribometer eine höhere Messgenauigkeit erzielt werden als mit dem vergleichbaren
Messverfahren nach DIN 53375.
[email protected]
Abbildung 1 : Co-Axial-Tribometer
ti.bfh.ch
187
BI BE BU VA
Formdüse zum Drucken von viskosen Materialien
Maschinentechnik / Betreuer: Manfred Schär
Experte: Andreas Thüler
Das Drucken von hochviskosen Materialien hat eine grosse Bedeutung in der heutigen Technik. Sei es für
dreidimensionale Strukturen im Prototypenbau, Anti-Rutsch-Flächen für Trittbretter oder Dichtungen von
Elektronikgehäusen. Bei grossen Stückzahlen ist es wichtig, dass dieser Druckprozess schnell abläuft. Für
genau solche Anwendungen ist in dieser Arbeit ein Druckverfahren entwickelt worden: Dieses ermöglicht
es, einfache geometrische Grundformen wie Linien und Kreise zu drucken.
Xaver Bandi
Ziel
Es gibt bereits ein Verfahren, mit
dem Gehäusedichtungen gedruckt werden, das sogenannte
Form-In-Place. Dabei fährt ein
CNC-Roboter mit einer Dosiereinheit die Gehäuseform ab und
druckt die Dichtung. Dieser Vorgang ist flexibel aber nicht besonders schnell. Mit einem neuen
Verfahren sollen ganze Gehäusedichtungen innerhalb von Sekunden gedruckt werden können.
Formdüse und Dosierung
Um die geforderte, kurze Druckzeit
einzuhalten, ist eine eigene Formdüse entwickelt worden. Diese ist
genau auf eine Form zugeschnitten. Die Form wird in einem Arbeitsschritt gedruckt. Um die ganzen Geometrien in einem Schritt
drucken zu können, sind verschiedene Düsenplatten entwickelt und
getestet worden: Düsenplatten mit
Bohrungen in einer Linie sowie Düsenplatten mit eingeklebten Dosiernadeln.
Eine grosse Herausforderung war
die präzise Dosierung. Innerhalb
von weniger als einer Sekunde soll
Liniendüse
188
ti.bfh.ch
eine genau bestimmte Menge Material gedruckt werden. Dazu wurden 0,5 ml Einwegspritzen in Kombination mit einem Linear antrieb
verwendet. Beim Linearantrieb
handelt es sich um einen elektrisch
geregelten Linearstellzylinder mit
einer maximalen Vorschubgeschwindigkeit von 275 mm/s.
Resultate
Als Resultat lässt sich festhalten,
dass es möglich ist, Linien (l =
30 mm) und Kreise (d = 30 mm) in
einem Arbeitsschritt zu drucken.
Die besten Resultate lieferte der
Druck mit den Düsenplatten mit
eingeklebten Dosiernadeln. Die Linien sind mit einer gemessenen
Breite von 4 mm noch sehr breit.
Die Mindestbreite einer Linie ist
durch den Abstand der Dosiernadeln zueinander (bei unserer Düsenplatte: 3 mm) begrenzt.
Gedruckte Linie
Eine automatische Tropfenablösung von den Dosiernadeln ist aufgrund der zu niedrigen Dosiergeschwindigkeit nicht möglich. Die
Tropfen mussten direkt auf einen
Träger abgesetzt werden. Dadurch
wird die Prozesszeit um einige Sekunden verlängert.
Fazit
Es hat sich gezeigt, dass Linien
und Kreise in einem Schritt gedruckt werden können. Obwohl
das Verfahren noch nicht industriell einsetzbar ist, ist es sehr vielversprechend. Mit den folgenden
Anpassungen kann es weiter verbessert werden.
Um die Druckzeit weiter zu reduzieren, wäre es sinnvoll, die Dosiergeschwindigkeit zu erhöhen.
So soll eine Tropfenablösung ohne
Absetzen erreicht werden. Notwendig dazu sind eine Düse mit
kürzeren Dosiernadeln für weniger
Reibungswiderstand sowie eine
schnellere, präzise Dosiereinheit.
Um dünnere Linien zu drucken,
sollten die Dosiernadeln näher beieinander positioniert werden. Hier
ist eine Tropfenablösung in der
Luft besonders wichtig: Je näher
die Dosiernadeln beieinander sind,
desto wahrscheinlicher bilden sich
Flüssigkeits-Rückstände zwischen
den Dosiernadeln. Verbleibendes
Material an den Dosiernadeln
muss minimiert werden, damit die
Wiederholgenauigkeit verbessert
wird.
BI BE BU VA
Luftaktuator Tensairity
Regelungstechnik / Betreuer: Prof. Dr. Kenneth Hunt
Experte: Felix Scheuter
Projektpartner: Institute for Rehabilitation and Performance Technology
Das Strukturkonzept Tensairity hat ein breites Anwendungsgebiet. Neben der statischen Anwendung kann
das Strukturkonzept auch dynamisch als Aktuator eingesetzt werden. Aufgrund des geringen Gewichts
eignet sich der Aktuator in der Interaktion mit Menschen oder fragilen Objekten. Mit dem Ziel Tensairity in
der Rehabilitationstechnik einzusetzen, wurde in dieser Arbeit das Strukturkonzept an eine Knieorthese
angebaut und eine Regelstrategie entworfen und umgesetzt.
Tensairity ist eine synergetische
Kombination von Stäben, Seilen
und einer unter geringen Überdruck stehenden pneumatischen
Struktur. Die Last wird von Stäben
und Seilen getragen. Die pneumatische Struktur trennt das Druckund Zugglied räumlich voneinander und stabilisiert die Stäbe
gegen Knicken. Bei kleiner werdendem Druck in der pneumatischen Struktur wird das Druckelement nicht mehr gegen Knicken
geschützt und der Aktuator kann
eine Bewegung ausüben.
Häufig entsteht nach Unfällen,
Krankheiten oder auch altersbe-
dingt eine Schwächung der Beinmuskulatur. Um diese Menschen
in der Rehabilitation zu unterstützen, wurde in dieser Arbeit das
Strukturkonzept an eine konfektionierte Knieorthese angebaut und
anschliessend der Prototyp analysiert und optimiert. Mit einem Proportional Druckregelventil wurde
eine Steifigkeitsregelung der Knieorthese realisiert. Um die Orthese
auch im Alltag einzusetzen sind
Konzepte für eine mobile Druckluftversorgung erarbeitet und
bewertet worden. Aufgrund des
geringen Gewichtes und der Lärmemission ist ein Hochdruckspei-
cher wie man ihn vom Tauchsport
oder vom Atemschutz der Feuerwehr kennt am besten geeignet.
Mit Hilfe des Prototyps konnten
die Möglichkeiten und das Verbesserungspotenzial des Strukturkonzeptes als Aktuator aufgezeigt
werden.
Adrian Baumgartner
Tensairity Balken
Prototyp
ti.bfh.ch
189
BI BE BU VA
Entwicklung einer Fonduezubereitungsanlage
Produktentwicklung / Betreuer: Karl-Heinz Selbmann
Die Aufgabenstellung dieser Bachelor Thesis beinhaltet die Entwicklung einer Fonduezubereitungsanlage
mit sämtlichen Fertigungszeichnungen, Offerten und einer Kostenrechnungen. Die Bestellung und Montage
der Anlage erfolgt erst nach dieser Arbeit, wenn die Konstruktion von unserem Industriepartner als tauglich
befunden wird. Somit wird das Kostenrisiko von Änderungs- oder Fehlbestellungskosten einzelner Komponenten vermieden. Im Jahr 2010 wurde in Form einer Bachelor Thesis bereits eine Fonduezubereitungsanlage realisiert. Auf deren Grundlage soll aufgebaut werden.
Dominik Boner
Arbeiten an der bestehenden
Fonduezubereitunsanlage
Bei der bestehenden Fonduezubereitungsanlage bestehen noch
ungelöste Probleme. Dazu gehört,
dass die Vorschubkraft vom Exlar
Elektrozylinder GSM20 nicht immer ausreicht. Auch verbleibt kaltes Fondue zwischen zwei Portioniervorgängen in der Transpor tleitung.
Das Problem der fehlenden Vorschubkraft wurde mit Messungen
der Auspresskräfte vom Fondue
aus dem Kessel auf der ZwickRoell Zug- und Druckmaschine
untersucht. Weiter wurde die Kraft
vom Exlar Elektrozylinder GSM20
gemessen. Die Folgerung daraus
war, dass die Reibungskraft des
Fondue in der Transportleitung die
hohe Kraft verursacht. Die Modifizierung der Transportleitung verkleinert nun die Reibungskräfte
und verhindert das Verweilen von
Fondueresten in der Leitung.
Entwicklung der neuen Fonduezubereitungsanlage
Die neue Fonduezubereitungsanlage bietet einige Verbesserungen.
Dazu gehört die Leistungserhöhung des Erwärmungsprinzips,
die Optimierung der Transportleitung und die zusätzliche Caquelonvorwärmung. Die Kesselzufuhr erfolgt ergonomischer via
Klappe auf Brusthöhe. Neu erfolgt
die Steuerung mit drei Schnittstellen in Form von einem Schalter,
190
ti.bfh.ch
Taster und Potentiometer und
nicht mehr via Laptop. Schlussendlich erhält die Maschine ein
lebensmittelkonformes Gehäuse.
Zur neuen Konstruktion wurde ein
3D-Aufbau mit allen nötigen Fertigungszeichnungen erstellt. Weiter
wurde für die Steuerung ein Pflichtenheft erarbeitet. Darauf wurden
zu allen Komponenten Offerten
Fonduezubereitungsanlage
eingeholt, worauf eine Kostenzusammenstellung gemacht werden
konnte. Anschliessend erfolgt eine
Sicherheitsanalyse sowie die Berechnung des Wirkungsgrades.
Das Prinzip der neuen Konstruktion wurde weiter mit Prototypteilen
auf der bestehenden Maschine
getestet.
BI BE BU VA
Modularer M-Robot – Gesamtaufbau und Konstruktion
Produktentwicklung / Konstruktion / Betreuer: Prof. Walter Güller, Prof. Roland Hungerbühler, Prof.
Daniel Lanz
Experten: Felix Scheuter, Dr. Dietmar Kramer
Eurobot ist ein internationaler Wettkampf zwischen völlig autonomen und mobilen Robotern. Technisch
orientierte Fachhochschulen, sowie Universitäten nehmen an diesem jährlichen Anlass mit einem der Aufgabe entsprechenden Roboter teil. Allerdings ist die Zeitspanne vom Bekanntwerden der Aufgabenstellung
bis zum Wettkampf sehr kurz. Die Entwicklung des Roboters ist somit mit wenig Zeit und grossem Arbeitsaufwand verbunden. Aus diesem Grund entstand die Idee, ein Konzept eines modularen Roboteraufbaus
zu entwickeln, welches nicht jedes Jahr von Grund auf neu erarbeitet werden muss.
Ausgangslage
An der Fachhochschule Burgdorf
hat sich die Teilnahme an Eurobot
etabliert. Allerdings wurde der Roboter immer von Grund auf neu
konzipiert. In den allgemeinen Regeln von Eurobot werden der Umfang und die Höhe des Roboters
als grundlegende Konstruktionsmasse klar definiert und festgelegt. Somit macht es Sinn, ein
Grundkonzept eines Gesamtaufbaus des Roboters zu entwickeln,
welches ein schnelles Anpassen
an die gestellte Aufgabe zulässt.
Mit M-Robot wurde genau dieses
Ziel angestrebt. Es sollte ein Roboter entwickelt werden, welcher
eine bestimmte Getränkedose in
einem entsprechenden Speicher
abholt und diese dem Besteller
bringt. Dazu sollte alles Eurobotkonform konzipiert werden.
Vorgehen
Das Ziel dieser Bachelorthesis war
es, den Gesamtaufbau des Roboters sowie den Innenausbau zu
entwickeln, wobei der Gesamtaufbau möglichst einfach und modular anpassbar sein sollte. Die Ausarbeitung eines solchen modularen
Gesamtaufbaus war stark von den
einzubauenden elektronischen
und mechanischen Elementen abhängig, die zur Aufgabenerfüllung
im Roboter installiert werden
mussten. Da viele elektronische
Komponenten zu Unterbaugruppen zusammenfassbar waren,
wurde auch im Innenausbau eine
gute Modularität erreicht.
Mit einem detaillierten CAD-Modell wurden erste dynamische Berechnungen über das Verhalten
des gesamten Roboters im Einsatz gemacht. Diese Berechnun-
gen können als Parameter für die
Motoransteuerungen verwendet
werden.
Ergebnis
Als Resultat dieser Arbeit steht ein
modularer,
Eurobot-konformer
Aufbau eines autonomen und mobilen Roboters im Vordergrund,
welcher sehr einfach und gut an
eine andere Aufgabenstellung anpassbar ist.
Der gesamte Innenausbau ist
dank der Bildung von Unterbaugruppen auch modular aufgebaut.
Dies fördert neben einer einfachen
Anpassbarkeit auch die Übersichtlichkeit der eingebauten Elemente.
Der Gesamt- und Innenausbau
kann in den nächsten Jahren als
Grundlage für Eurobot verwendet
werden.
Simon Bosshard
[email protected]
Modularer M-Robot
ti.bfh.ch
191
BI BE BU VA
Validierung von CFD-Simulationen
Trocknung von Recyclingasphalt / Betreuer: Prof. Dr. Kurt M. Graf
Experte: Dr. Tobias Kockel
Projektpartner: Ammann Schweiz AG, Langenthal
Die numerische Simulation physikalischer und chemischer Prozesse gewinnt in der Produktentwicklung
immer mehr an Bedeutung. Sie vermittelt detaillierte Erkenntnisse bezüglich der Vorgänge im betrachteten
System. Simulationen basieren stets auf physikalischen Modellen, welche ein reales System beschreiben.
Dabei entstehen zwangsläufig Abweichungen von der Realität. Sinnvolle Vereinfachungen der Geometrie
und realistische Annahmen für prozessrelevante Parameter gelten als Basis für eine gute Simulation. Die
Vermessung eines realen Systems liefert Daten für die Validierung von Simulationen.
Manuel Bracher
[email protected]
Ausgangslage und Motivation
der Arbeit
Die Firma Ammann mit Hauptsitz
Langenthal baut Asphaltanlagen für
den weltweiten Strassenbau. Dabei
ist die Computational Fluid Dynamics (CFD) Simulation ein wichtiger
Bestandteil im Entwicklungsprozess
von Komponenten und Baugruppen. Die stetige Weiterentwicklung
der numerischen Berechnungsverfahren rückt die Simulation immer näher an die Realität. Asphalt
als wichtigstes Material für den Strassenbau ist vollständig rezyklierbar.
Im Frühling 2012 wurde ein optimiertes System («RA100») für die Trocknung von Recyclingasphalt basierend auf Simulationsergebnissen
realisiert. Nach der Inbetriebnahme
wurden Messungen zur Validierung
und Optimierung der Simulationen
sowie zur Verbesserung des Verfahrens geplant. Das benötigte
Messsystem ist im Rahmen der vorgängigen Semesterarbeit «PA2»
konzipiert worden. Unter Einwirkung
von hohen Temperaturen und klebrigen, bituminösen Staubpartikel
erfasst es prozessrelevante Grö-
Recycling-Trommel
192
ti.bfh.ch
ssen wie Temperatur, Druck, Massenstrom, Drehzahl und Leistung.
Umsetzung
Das Messsystem wurde im Labor
aufgebaut, kalibriert, getestet und
anschliessend auf der Anlage installiert. Eine grafische Benutzeroberfläche ermöglicht die Bedienung
und Überwachung des autonomen
Messsystems vom Leitstand aus.
Die LabView-Applikation kann auch
fernbedient werden. Während einer
dreiwöchigen Messkampagne wurden Daten aufgezeichnet und im
Anschluss auf Plausibilität und Reproduzierbarkeit geprüft. Der Vergleich zwischen Messergebnissen
und Simulation, welche entsprechend der gemessenen Betriebsparameter angepasst wurde, lieferte
erste Ergebnisse für die Validierung.
Dabei interessierte vor allem die
Qualität der Heissgasvermischung.
Diese lässt sich durch die Temperaturverteilung unmittelbar vor Eintritt
in die Trocknungstrommel beurteilen. An jener Stelle waren insgesamt
25 Thermo ele mente über den Messquerschnitt verteilt.
Ergebnisse
Die Temperaturen aus der Simulation wurden mit den Messungen verglichen. Die Simulation weist wärmere und kältere Zonen auf, welche
auch in den Messergebnissen auftreten. Die finite Volumenberechnungsmethode glättet aufgrund der
Numerik die Temperaturgradienten.
Daher weist die Simulation tendenziell eine bessere Vermischungsqualität auf. Qualitativ stimmen die
Resultate aus diesem ersten Validierungsdurchlauf gut mit den Messungen überein und entsprechen den
Erwartungen. Sie liefern wertvolle
Hinweise für Änderungen und Verbesserungen in der Simulation. Der
ausgearbeitete Optimierungsvorschlag umfasst Anpassungen der
Geometrie und der Volumenvernetzung im Berech nungsmodell. Die
Umsetzung dieser Verbesserungen
ist bei der Weiterführung des Projekts vorgesehen. Aus den gewonnenen Erkenntnissen lassen sich
ebenfalls Verbesserungsmöglichkeiten für die Luftführung der Vermischungseinrichtung ableiten.
Simulationsergebnisse an den Messpunkten
BI BE BU VA
Eliminierung von Federbrüchen an Druckmaschinen
Druckmaschinen / Betreuer: Giuliano Soldati
Projektpartner: GIMACO Ingeniur AG für Maschinenbau, Bern
Die Firma Gimaco Ingenieur AG in Bern konstruiert mechanische Walzenlager für Druckmaschinen. Wegen
der hohen Belastung kommt es in ca. 1% der Fälle zu Brüchen der beiden Blattfedern des Walzenlagers.
In dieser Diplomarbeit ging es darum, mögliche Gründe für die Brüche der Blattfedern zu finden. In der
Folge sollte die Blattfeder so optimiert werden, dass Brüche verhindert werden können.
Ausgangslage
Damit in Druckmaschinen der
Farbfilm gleichmässig verteilt werden kann, werden Walzenlager
eingesetzt. Diese halten den Anstelldruck der Walzen durch automatisches Korrigieren der Lage
der Walzen praktisch konstant.
Die Walzenlager bestehen im Wesentlichen aus zwei Blattfedern,
welche die nötige Kraft zum Anstellen der Walzen erbringen und
aus einer Gegenfeder, die zusammen mit einer Verstellvorrichtung
die richtige Einstellung des Anpressdrucks ermöglicht. Bei den
verwendeten, bereits weiterentwickelten Blattfedern, ereignen sich
einige wenige Federbrüche. Da
der Austausch dieser Federn mit
Maschinenstillständen verbunden
ist, wäre eine nochmalige Verbesserung der Feder wünschenswert.
Vorgehen
Mit Erfahrungswerten der Firma
Gimaco Ingenieur AG wurde die
Belastung des Walzenlagers und
somit der Blattfeder berechnet.
Die auf die Blattfeder des Walzenlagers wirkende Belastung wurde
mittels FEM-Analyse an drei Varianten der Blattfeder untersucht.
Die Härte der Blattfeder wurde
mittels Metallographie der Schliffprobe und dem Härtetest nach
Rockwell-C und Vickers Verfahren
geprüft. Die Härteprobe wurde zuerst mit der ursprünglichen Blattfeder, die lasergeschnitten war,
durchgeführt. Als nächstes wurde
eine Blattfeder, die wassergeschnitten war, auf ihre Härte untersucht. Um zu kontrollieren, ob
das richtige Material (Stahl Ck 45
oder Ck 75) verwendet wurde,
wurde das ZTU-Diagramm eingesetzt. An den wasserstrahl- und
lasergeschnittenen Blattfedern
wurde zudem eine Zugprobe
durchgeführt.
Ein weiterer Untersuchungsschritt
waren Messungen der Spannungen mit Dehnungsmessstreifen
(DMS). Die Untersuchungen mit
den DMS wurden auch mit FEM
kontrolliert.
Ausserdem wurde berechnet, wie
eine 50% schwerere Gummiwalze
eingesetzt werden könnte.
Die Risse vergrössern sich durch
Schwingungen und bei einer anschliessenden Gewalteinwirkung
kommt es zum Bruch. Mittels Ermüdungsnachweis konnte bestätigt werden, dass die blosse Ermüdung des Materials nicht den
Grund für die Brüche darstellt.
Die Untersuchungen zeigen, dass
Wasserstrahlschneiden in Kombination mit einer geometrischen
Verbesserung der Blattfeder, einer
Verwendung von Ck75-Stahl und
einer Anlasstemperatur von 400 °C
am vielversprechendsten ist, um
Brüche an der Blattfeder zu minimieren.
Enver Enrique Buendia
Orozco
Ergebnisse
Als Hauptursache für die Brüche
wurden Mikrorisse an lasergeschnittenen Blattfedern bestimmt.
Blattfeder des mechanischen Walzenlagers (FEM)
ti.bfh.ch
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BI BE BU VA
Optimierung Antrieb Stichsäge
Produkteentwicklung / Betreuer: Christian Koblet
Projektpartner: Bosch, Scintilla AG, 4501 Solothurn
Die Scintilla AG gehört zum Geschäftsbereich Elektrowerkzeuge der Bosch-Gruppe. Innovative Technik und
Qualität haben das Unternehmen zu einem führenden Hersteller von Elektrowerkzeugen und Zubehör für
Handwerk, Industrie, Haus und Garten gemacht. Für die Neuentwicklung einer kompakten, hochwertigen
Pendelhubstichsäge bei der Scintilla AG steht das Getriebe, d.h. die Umsetzung der Dreh- in eine Hubbewegung im Fokus der Optimierungsstudie. Neben der Baugrösse, dem Gewicht und der Schnittqualität
sind weitere Aspekte wie Lärm-, Wärme- und Vibrationsemissionen zu bewerten.
Joel Costan
[email protected]
Ausgangslage
Im Rahmen der Projektarbeit 2
sind Grundlagen zusammengetragen und erste Lösungskonzepte
erstellt worden, wie eine möglichst
kompakte Bauweise, geringes dynamisches Gewicht und einfache
Montage erreicht werden konnten.
Aus den Grundlagen entstand ein
Konzept für die Führung und Lagerung einer baugrössen- und optimierten Hubstangenbaugruppe.
nen Zielen ist mit dem Projektpartner ein Konstruktionsvorschlag
auszuwählen, zu entwerfen, zu
dimensionieren und zu detaillieren. Die Herstellung eines Prototyps zur Untersuchung der Funktion, der Festigkeit und dem
Verhalten auf Verschleiss ist zu
planen und wenn möglich auszuführen. Ein Vorschlag für den Test
der Baugruppe auf dem Versuchsstand ist auszuarbeiten.
Ziel
Die Optimierung soll hinsichtlich
dem Verschleiss (tribologische
Parameter), der mechanischen
Festigkeit und der effizienten Serienfertigung stattfinden. Die Reibstellen sind zu identifizieren, die
Gleitwerkstoffpaarungen sind systematisch auszuwählen und die
Oberflächen beschaffenheit hinsichtlich Verschleiss- und Erwärmungsverhalten (Verlustrechnung)
zu untersuchen. Aus den gegebe-
Vorgehen
Da es sich in tribologischen Themen meistens um instationäre
Systeme handelt, wie es auch in
dieser Optimierungsstudie der Fall
ist, konnte keine Vergleiche über
die Materialpaarungen und den
Verschleiss mit dem alten System
bzw. einer bestehenden Pendelhubstichsäge erstellt werden. Das
neue Konzept wurde daher auf
Basis der Pendelhubstichsäge
GST140 konstruiert, welche modi-
Bosch Stichsäge GST 140 CE Professional
194
ti.bfh.ch
fiziert wurde und dadurch möglichst realitätsnahe Aussagen über
das tribologische System von verschiedenen Materialpaarungen in
einer Pendelhubstichsäge zu erstellen. Parallel zur Erstellung der
Teile für den Versuchsaufbau wurde das Konzept aus der Projektarbeit 2 auf dem CAD verfeinert. Die
Komponenten wurden ebenfalls
auf ihre Festigkeit und Stabilität
geprüft. Mit Hilfe des FEM konnten
die einzelnen Komponenten hinsichtlich Gewicht und Festigkeit
optimiert werden. Bezüglich der
effizienten Serienfertigung fanden
anregende und konstruktive Gespräche mit langjährigen internen
Fachpersonen der Bosch, Scintilla
AG statt, welche in die Optimierung der Lösung mit einfloss.
Lösung
Als Teilergebnis ist ein Versuchsaufbau (Modifikation der GST140)
konstruiert worden, welcher in der
Lage ist, verschiedene Materialpaarungen realitätsgetreu abzutesten. Der erstellte Versuchsplan
ermöglicht eine effiziente und objektive Beurteilung. Der Versuchsaufbau kann aus Kapazitätsgründen hinsichtlich der Fertigung erst
nach dem Zeitrahmen der Thesis
in Betrieb genommen werden.
Als konkreter Vorschlag ist eine
gewichts- baugrössen und hinsichtlich Verschleiss und Reibung
optimierte Lösung entstanden.
BI BE BU VA
Auslegungstool für Kranhubwerke
Produktentwicklung / Betreuer: Prof. Beat Schmied
Experte: Armin Heger
Projektpartner: Bachsbort, GmbH
Die Überprüfung technischer Anlagen ist ein zentraler Teil einer jeder Revision. Die Firma Bachsbort GmbH
führt derartige Überprüfungen für Kranrevisionen durch. Dabei werden veraltete Komponenten im Hubwerk
durch neue ersetzt. Da die Technik seit dem Bau dieser Anlagen gewaltige Fortschritte gemacht hat, haben
sich die Systemgrenzen einzelner Elemente verändert. Um die wiederkehrenden Berechnungen zu beschleunigen wird ein Simulationstool entwickelt, das auf den aktuellen Regelwerken basiert.
Ausgangslage
Technische Anlagen werden ständig weiterentwickelt. Einsatzgebiete werden erweitert und die
technischen Anforderungen nehmen zu. Um den Stand der Technik zu erhalten, werden die Anlagen revidiert und aufgerüstet. Die
bestehenden Krananlagen sind
meist ungenügend dokumentiert.
Trotzdem muss aus den zu Beginn
spärlichen Informationen letztlich
eine fundierte Aussage über das
Verhalten des revidierten Hubwerks gemacht werden. Aus Haftungsgründen sind die Sicherheitsbestimmungen stark gestie gen, daher müssen alle kritischen
Komponenten analysiert und gemäss den gültigen Regelwerken
nachgewiesen werden.
Ziel dieser Arbeit
Es ist ein modulares Rechenmodell zu definieren, das einfach auf
reale Krananlagen adaptierbar ist.
Die sicherheitsrelevanten Komponenten sind, gemäss den geltenden Normen und Richtlinien, bezüglich Festigkeit zu überprüfen.
Vorgehen
In der vorangehenden Projektarbeit wurde die Plattform evaluiert,
mit der das Tool zu realisieren ist.
Die Wahl fiel auf Microsoft Excel
kombiniert mit VBA (Visual Basic
for Applications).
Anhand der Anforderungsliste
wird die detaillierte Funktionsstruktur erarbeitet. Diese dient
dazu, sämtliche Parameter sichtbar zu machen und den Ablauf der
Berechnungen festzulegen. Gestützt auf diese Vorarbeit wird die
Programmierstruktur erarbeitet.
Bevor mit der eigentlichen Programmierung begonnen werden
kann, sind sämtliche Auslegungsund Nachweisberechnungen zusammenzustellen und zu dokumentieren. Dazu wird MathCAD
verwendet. Für die zugrunde gelegte Referenzanlage können die
VBA-Ergebnisse laufend querverglichen werden, was das Debugging wesentlich erleichtert.
Zur Absicherung wird die Referenzanlage, soweit die entsprechenden Module vorhanden sind,
auch mit dem Standardprogramm
KissSoft nachrechnet und die Ergebnisse abgeglichen
Andreas Egger
Ergebnisse
Das Tool kann sowohl zur Berechnung kompletter Hubwerke von
Zweiträger-Brückenkrananlagen,
als auch für einzelne Maschinenelemente, wie Welle oder Zahnradpaarungen eingesetzt werden.
Überprüft werden alle kritischen
Elemente
(Übersetzungsstufe,
Welle und Lagerung). Zusätzlich
liefert es für die Wahl von Motor,
Notbremse, Kupplung und Getriebe die erforderlichen Hauptparameter.
Der modulare Programmaufbau
erlaubt jederzeit Erweiterungen
bei den zu berechnenden Komponenten und bei den Nachweisen.
revidiertes Kranhubwerk
ti.bfh.ch
195
BI BE BU VA
Vorrichtung zur Bestimmung der Biegefestigkeit
Maschinentechnik / Betreuerin: Dr. Annette Kipka
Die Festigkeitseigenschaften von faserverstärkte Keramik können mit Biegeprüfung bestimmt werden.
Abhängig von der Probengeometrie müssen Prüfvorrichtungen mit unterschiedlichen Auflagerabständen
verwendet werden. Im Rahmen der vorliegenden Bachelor-Thesis soll die Universalprüfmaschine «Zwick
Z100» der Berner Fachhochschule durch eine Vorrichtung zur 4-Punkt-Biegeprüfung ergänzt werden. In der
Projektarbeit 2 wurden bereits verschiedene Varianten entworfen und miteinander verglichen. Der Entwurf
dieser Arbeit soll ausgearbeitet, produziert und dessen Funktionsfähigkeit aufgezeigt werden.
Donat Reto Fetz
196
Der in der Projektarbeit 2 entstandene Entwurf wurde mit Hilfe von
UGS NX 7 in ein CAD-Model umgesetzt. Besonderes Augenmerk
galt hier den Fertigungstoleranzen
und Passungen, welche durch die
strengen Vorgaben der Norm ISO
EN 853-3 gefordert wurden. Das
Nichteinhalten der Vorgaben der
Norm, insbesondere bezüglich
Beweglichkeit und Parallelität der
Auflager, hätte ungenaue oder
verfälschte Messergebnisse zur
Folge. Da bei einer Biegeprüfung
zum Teil grosse Kräfte auf die Konstruktion wirken, wurde diese mit
der Finite-Element-Methode auf
eventuell entstehende Verformungen und Spannungen hin untersucht und verbessert. Die gewünschte hohe Genauigkeit sowie
die schwierige Geometrie der Teile, machten eine Herstellung mittels herkömmlichen Methoden
unmöglich. Die Teile wurden daher
bei der Firma Ypsomed in Burgdorf mit dem Drahterodierverfahren hergestellt. Dieses Verfahren
garantiert höchste Genauigkeit
und erlaubt hohe Ansprüche an
die Oberflächenrauigkeiten.
Die Funktionsgenauigkeit der Vorrichtung wurde durch Messungen
an mehreren Proben aus faserverstärkter Keramik überprüft. Das
Probenmaterial wurde von der Firma Pritzkow Spezialkeramik in
Stuttgart zur Verfügung gestellt.
Es handelt sich dabei um oxidkeramische Faserverbundwerkstof-
ti.bfh.ch
CAD-Model der Vorrichtung
fe, in denen mineralische Endlosfasern in eine Keramikmatrix
eingebunden sind. Pro Materialtyp
wurden fünf Proben gemessen
und die Ergebnisse mit statistischen Methoden ausgewertet. Es
zeigte sich, dass die Vorrichtung
keinen Einfluss auf das Messergebnis haben kann, also den Vorgaben entsprechen funktioniert.
Ungenauigkeiten in der Konstruktion hätten sich in Form von Abweichungen oder klaren Trends
zeigen müssen. Die ermittelten
Biegefestigkeiten wurden mit Angaben des Herstellers verglichen.
Hier wurden zum Teil Abweichungen von bis zu 50% festgestellt.
Diese grossen Abweichungen
können nicht allein mit den Unterschiedlichen Messverfahren (Hersteller: 3-Punkt-Biegeverfahren)
erklärt werden.
Während der Messungen zeigte
sich, dass der Wegeaufnehmer
der
Messvorrichtung
keine
brauchbaren Werte für die Bestimmung der Durchbiegung liefert.
Dies hat auf die Bestimmung der
Biegefestigkeit keinen Einfluss, die
Ermittlung des E-Moduls war dagegen nicht möglich. Konstruktive
Änderungen diesbezüglich konnten leider nicht mehr umgesetzt
werden. Jedoch wurden entsprechende Vorschläge und Anregungen gemacht und in die Arbeit mit
einbezogen.
Aufgebaute Vorrichtung
BI BE BU VA
Neuer Versuchsstand für das Strömungslabor
Verfahrenstechnik / Betreuer: Prof. Dr. Kurt M. Graf, Prof. Ulrich Rettenmund
Pumpspeicherkraftwerke sind ein wichtiger Pfeiler der Schweizer Energiepolitik. Um solche Anlagen mit
hoher Effizienz auszulegen, sind umfangreiche Kenntnisse in der Strömungsmechanik notwendig. In einem
neuen Versuchsstand sollen die Grundlagen der Strömungsmechanik illustriert und die dazugehörigen
Probleme demonstriert werden. Dies ist vor allem die Kavitation (Bilden und implodieren von Dampfblasen),
welche Bauteile allmählich wegerodiert.
Ziel
Im Rahmen der Bachelor-Thesis
soll ein Versuchsstand «Behälter
mit Fallrohr» ausgelegt und im
Strömungslabor aufgebaut werden. Die Anlage wird als Praktikumseinrichtung für Studenten
des ersten Studienjahres benutzt.
Dabei soll die ideale Bernoulligleichung illustriert und angewendet
werden können. Zudem soll eine
Kavitationsblase visualisiert werden.
Lösungsfindung
Erst wurden zur Lösungsfindung
verschiedene Konzepte aufgezeigt. Problematisch ist die maximale Höhe von 8 Meter. Verschiedene Methoden mit Vakuum pumpe, Flüssigkeiten mit hohem
Dampfdruck und Querschnittsverengung zur Kavitationserzeugung
wurden untersucht. Das Prinzip
der Querschnittsverengung wurde
weiter verfolgt. Die Rohre bestehen aus transparentem PVC.
Ergebnis
Die Verengung (Ort der Kavitation)
erfolgt im mittleren Rohr durch
eine Kugel nach dem Einlauf. In
der rechten Fallleitung verdampft
und kondensiert das Wasser im
dünnen Rohrstück resp. im Diffusor. Das Rohr ist zudem mit
Schlauchquetschventil und Durchflussmesser ausgestattet.
Im linken Fallrohr sind vier Druckmessstellen eingebaut. Um den
Reibungseinfluss vernachlässigbar gering zu halten, befindet sich
beim Auslass eine austauschbare
Düse.
Eine dazugehörige Laborübung
bildet den theoretischen Teil des
Versuchsstands.
Mittels Umwälzpumpe und Überlauf wird ein konstantes Wasserniveau garantiert.
In weiteren Schritten wird die Anlage bis zum Herbst 2012 gefertigt
und montiert.
Severin Flisch
[email protected]
Die Abbildung zeigt den oberen Tank
mit den drei Fallrohren
ti.bfh.ch
197
R 450
R 900
EnDes – Innovation und Erfahrung
aus über Óä00 Projekten
BI BE BU VA
GreenMix Laserschweissen
Maschinentechnik / Betreuer: Prof. Dr. Beat Neuenschwander
Experte: Peter Paul Knobel
Projektpartner: Rofin-Lasag AG, Thun
Das GreenMix Laserschweissen ist eine Technologie, die von Rofin-Lasag AG, Thun entwickelt wurde mit
dem Ziel Kupfer reproduzierbar schweissen zu können. Dabei wird ein Teil der Wellenlänge 1064 nm (IR) zu
532 nm (Grün) konvertiert. Bei diesem Verfahren treffen IR und grüne Laserstrahlen zeitund Ortsgleich auf
das Werkstück. Dadurch wird die Reproduzierbarkeit gegenüber reiner IR-Strahlung, z. B. Nd:YAG, beim
Schweissen von Kupfer verbessert, da die Schmelzintensität deutlich verringert wird. Ziel der Arbeit ist die
Erforschung der Konversionseffizienz bei hohen mittleren Leistungen (>100 W).
Während das Schweissen von
Stahl und Chromstahl keine grösseren Probleme für einen Industriell genutzten Laser darstellt, ist
dies bei stark reflektierenden
Werkstoffen nicht problemlos
möglich. Bei Kupfer werden bei
Raumtemperatur und in festem
Zustand nur ca. 4% der Energie
absorbiert, während der Rest reflektiert wird.
Durch das stark ändernde Absorptionsverhalten entstehen folgende Nachteile:
– Fehlende Schweissstellen
– Unvorhersehbare
Resultate,
grosse Variation
– Schlechte Reproduzierbarkeit
– »Hot Bonds» – Schmelzbadüberhitzungen
Um Kupfer dennoch schweissen zu
können gibt es die Möglichkeit, die
Oberfläche des Werkstoffes zu behandeln (z. B. beschichten) oder die
Wellenlänge des Strahls zu verän-
dern. Die Oberflächenbehandlung
ist jedoch aufwändig und teuer.
Nd:YAG-Laser (Festkörperlaser)
arbeiten mit einer Wellenlänge von
1064 nm. Durch Frequenzkonversion kann ein Gemisch aus grünem
Licht mit einer Wellenlänge von
532 nm und infrarotem Licht generiert werden. Dieses Gemisch wird
vom Kupfer gut absorbiert und hat
gegenüber reinem grünen Licht
eine bessere Prozesseffi zienz.
Zur Frequenzverdopplung (bzw.
der Halbierung der Wellenlänge)
wird der IR-Laserstrahl auf einen
nichtlinearen Kristall fokussiert.
Hierbei wird durch einen nichtlinearen Prozess ein Teil der infraroten
Strahlung zu Grün konvertiert (510%). Es gibt verschiedene Kristalle, mit denen die Frequenzkonversion durchgeführt werden kann,
darunter KTP, KDP, LBO, BBO und
weitere. KTP sind Kristalle die für
die Frequenzkonversion geeignete
Eigenschaften (z. B. hoher Nichtli-
nearer Effekt, grosser Akzeptanzwinkel, geringer Walk-off) aber
tiefere Zerstörschwellen gegenüber andern Kristallen aufweisen.
Für eine zuverlässige Auslegung
mussten die Strahlqualität (M2)
und die Polarisation ausgemessen, der Brennpunkt auf dem Kristall ermittelt und Versuche zur
Zerstörschwelle des Kristalls
durchgeführt werden. Die Zerstörschwelle des Kristalls liegt bei
10 MW/cm2.
Bei zunehmender mittlerer Leistung verschlechtert sich die
Strahlqualität des Lasers. Dadurch lässt sich der Strahl weniger
gut fokussieren. Der Anteil an grünem Licht nimmt somit ab.
Richard Eugen Fuchs
Links: Spots mit IR-Licht, Rechts:
Spots mit GreenMix
GreenMix Laser (Rofin-Lasag SLS GX 1500) mit Konversionsbox
Leistungsdichte in Abhängigkeit der
Brennweite
ti.bfh.ch
199
BI BE BU VA
Ultrafine Laser Microprocessing
Lasertechnologie / Betreuer: Prof. Beat Neuenschwander
Wird ein Laserstrahl mit einem Axikon (einer konischen Linse) fokussiert, entsteht ein Besselstrahl. Dieser
Strahl hat sein Leistungsmaximum im Zentrum. Der Durchmesser dieses Zentrums liegt im Mikrometerbereich. Um dieses Zentrum breiten sich kreisförmig weitere Leistungsspitzen aus, die gegenüber der
Hauptleistungsspitze schwächer sind. Im Gegensatz zu normalen Lichtstrahlen divergiert der Besselstrahl
nicht, das heisst, dieser Strahl ist konstant gleichförmig.
Ausgangslage
In der vorgehenden Projektarbeit
wurde der Laboraufbau mit den
gesteuerten Achsen realisiert und
erste Grundversuche mit dem Axikon gemacht.
Benedict Gfeller
Ziel
Das Ziel dieser Arbeit ist es, die
Möglichkeiten und Grenzen zu erfassen, die sich beim Bearbeiten
von Kupfer und Stahl mit einem
axikonfokussierten Laserstrahl ergeben. Ausserdem müssen die
Parameter zur optimalen Bearbeitung gefunden werden.
Vorgehen
Mittels eines grünen Laserstrahls
mit einer Wellenlänge von 532 nm
konnten verschiedene Versuche
durchgeführt werden, die unter
dem Rasterelektronenmikroskop
(REM) und unter dem Lichtmikroskop ausgewertet wurden. Die
Tiefenschärfe Versuch
200
ti.bfh.ch
Versuche beinhalten Linien, Löcher und flächige Abtragungen.
Die jeweiligen Ergebnisse wurden
dann fortlaufend für die nächsten
Versuche umgesetzt.
Resultate
Die Tiefenschärfe des Axikons ist
enorm. Das Axikon konnte über
eine Distanz von 4.5 mm verschoben werden, ohne dass sich der
Fokus verändert. Ein vertikales
Nachführen der Optik ist deshalb
nicht nötig.
Das Problem sind die vom Axikon
erstellten Ringe um die Hauptleistungsspitze, welche das Material
ab einer gewissen Leistung bearbeitet und so den Bearbeitungsbereich vergrössert.
Es konnten Löcher und Linien im
Bereich 1.5 μm erstellt werden.
Die erreichbare Tiefe liegt bei diesen Grössenordnungen für Kupfer
bei 25 μm und für Stahl bei 10 μm.
Mikrobohrung
Es konnten quadratische Abtragungen mit Seitenlängen von
20 μm und Tiefen von 5 μm erzeugt und die dazu gehörenden
optimalen Parameter gefunden
werden.
Flächiger Abtrag
BI BE BU VA
Sensorfusion für mobile Robot-Navigation
Mechatronik / Betreuer: Prof. Walter Güller, Prof. Roland Hungerbühler, Prof. Daniel Lanz
Robot ist ein Projekt des Fachbereichs Maschinenbau der Berner Fachhochschule TI. Parallel in sechs
Thesisarbeiten wird ein mobiler, autonomer Roboter konstruiert, der als Getränkeservierer fungiert und der
als Werbeobjekt an Ausstellungen und Messen dienen wird. Der Robot ist modular aufgebaut, sodass er in
weiteren Projektarbeiten mit neuen Funktionen ergänzt werden kann.
Ziel
Um zu navigieren, wird der Roboter mit drei voneinander
un abhängigen Messsystemen –
Ultraschallpositioniersystem, Laserpositioniersystem und Odometrie – ausgerüstet. Die Navi gationsdaten der drei Messsysteme
werden zu einer Positionsinformation vereint. Auf einem Mikrokontroller erfolgt die Positionsbestimmung für den Robot. Der
Mikrokontroller interpretiert und
fusioniert die Daten der Messsysteme. Zusätzlich kommuniziert er
über CAN mit den restlichen Modulen des Roboters.
Realisierung
Für die Informationsfusion wurde
der, nach dem Erfinder benannten, Kalmanfilter gewählt. Der Kalmanfilter ist ein Berechnungsalgorithmus, der anhand eines
Systemmodells und eines Messmodells zur Schätzung der Sys-
temzustände verwendet wird. Der
Algorithmus eignet sich für Systeme zeitdiskreter Natur. Die Parameter der Sensoren, die in das
Filter einfliessen, wurden durch
verschiedene Versuche empirisch
ermittelt und direkt in die Software
implementiert.
Um die Software modular zu halten, wurde für das Programmieren
des Mikrokontrollers – einem
LM3S9B92 (ARM Cortex M3-Architektur) – ein Embedded-Echtzeitbetriebssystem verwendet.
Das Einlesen der Sensordaten, die
Berechnung der Position sowie
die Kommunikation über CAN
wurden in selbstständigen Tasks
programmiert. Die Software lässt
sich somit beliebig ergänzen.
zen des Filters konnten die Unsicherheiten der einzelnen Messsysteme um ein Vielfaches minimiert werden.
Für eine noch zuverlässigere
Navigation wäre das Einbinden
weiterer Positionsbestimmungssysteme, wie zum Beispiel Beschleunigungssensoren, Gyroskop oder sogar Bildverarbeitung
mittels Kamera möglich.
Adriano Giovannini
Ergebnis und Ausblick
Im Rahmen erster Versuche wurde
die Funktionalität des implementierten Kalmanfilters getestet und
nachgewiesen. Durch das Einset-
Sensordatenverarbeitung
ti.bfh.ch
201
BI BE BU VA
Luftwiderstand einer Garaventa Standseilbahnkabine
Fluidmechanik / Betreuer: Lukas Moser
Experte: Dr. Dietmar Kramer
Projektpartner: Garaventa AG, Gwatt
Beim Neu- oder Umbau einer Standseilbahn muss der Hersteller nachweisen, dass die Fahrzeuge bei einem
vorgegebenen Windstaudruck nicht kippen. Dieser Nachweis muss mit dem in der Norm definierten Beiwert
für Wind, kurz Cw-Wert, geführt werden. Dieser Wert wurde in der Schweiz aufgrund der Normenharmonisierung zur CEN-Norm von 1.3 auf 1.6 erhöht. Das heisst, die Windkraft ist als deutlich grösser anzunehmen.
Die Norm lässt aber zu den effektiven Beiwert einer Kabine einzusetzen, falls dieser mit einer Berechnung
nachgewiesen werden kann. Diese Berechnung ist das Ziel dieser Thesis.
Raphael Grossenbacher
Ausgangslage
wurden die Grundlagen für die Simulationen an den Standseilbahnkabinen erarbeitet. Dabei wurde
untersucht, welchen Einfluss einzelne Simulationsparameter auf
das Ergebnis ausüben. Die Ergebnisse wurden mit Theoriewerten
verglichen und entsprechend wurden die Parameter für sämtliche
Simulationen festgelegt. Um eine
Abschätzung über die Simulationszeit zu erhalten, wurde ein
erstes, stark vereinfachtes Standseilbahnkabinenmodell simuliert.
Weiter wurde eine Auswahl getroffen, welche Kabinenmodelle untersucht werden sollen.
Ziele
Ziel dieser Thesis ist, den Cw –
Wert von Standseilbahnkabinen
mittels CFD (computer fluid dynamics) zu ermitteln. Dabei werden
die verschiedenen Parameter und
Einflüsse, die auf eine Standseilbahn einwirken, untersucht. Weiter
ist das Ziel, einen Windkanalversuch vollständig auszulegen. Mit
diesem Versuch sollen die erhaltenen Resultate verifiziert werden.
Vorgehen
Als erstes wird der Simulationsaufbau mit dem Standardkabinenmodell entwickelt. Das beinhaltet
die Auslegung der Windkanalgrösse und der Vernetzung. Auf
Grundlage des Standardkabinenmodells werden dann verschiedene Anströmgeschwindigkeiten,
Kabinengrössen, Geometrieparameter, Umgebungseinflüsse,
Massstäbe und Kabinentypen untersucht. Die Ergebnisse werden
mit der Norm und der Theorie verglichen und eingeordnet.
Ergebnisse
Die Simulationen zeigen, dass eine
mittlere Standseilbahnkabine mit
einer Länge von 14 m ungefähr einen Widerstandsbeiwert von 1.53
aufweist. Bei längeren Kabinen
wird maximal ein Wert von unge-
Standseilbahn auf Steinviadukt:
Strömungslinien, Druck an den Oberlächen
202
ti.bfh.ch
Längsschnitt CFD-Windkanal:
Geschwindigkeits-Skalar
fähr 2.0 erreicht. Der Wert ist dabei
kaum abhängig von der angeströmten Windgeschwindigkeit.
Geometrische Details an der Kabine haben nur einen geringen Einfluss auf den Widerstandsbeiwert.
Der Wert wird hauptsächlich durch
die Aussenabmessungen vorgegeben. Befindet sich die Kabine in
Fahrt, so steigt der seitliche Widerstand an und die Kabine kippt eher.
Die Untersuchung der Norm ergibt,
dass für die verschiedenen Bahntypen unbedingt auch verschiedene
Beiwerte vorgegeben werden müssen. Der Beiwert für Standseilbahnen
muss zusätzlich von der Länge der
Kabine abhängig gemacht werden.
Der Windkanalversuch liegt zur
Ausführung bereit in der Schublade. Die Auslegung erfolgt für den
AWTE Windkanal der RUAG in
Emmen. Dieser hat eine Höhe von
1.6 m und eine Breite von 2.5 m.
Das ausgewählte Kabinenmodell
hat einen Massstab von 1 : 10. Die
Kosten für den Versuch belaufen
sich auf mindestens 20’000 CHF.
BI BE BU VA
Simulation eines Druckkopfes für leitfähige Medien
Drucktechnologie / Betreuer: Manfred Schär, Philip Marmet
Am Institut für Drucktechnologie wird ein Druckkopf für elektrisch leitfähige Tinten entwickelt. Dieser basiert
auf dem Lorentzkraft-Prinzip. Dabei wird die Wechselwirkung eines elektrischen Stromes mit einem Magnetfeld ausgenutzt. Die Einsatzgebiete eines solchen Druckkopfs wären vielfältig. Da dieses Prinzip sehr
hohe Betriebstemperaturen zulässt, wäre zum Beispiel das Drucken geschmolzener Metalle möglich. In
dieser Arbeit ging es darum, die physikalischen Zusammenhänge mittels Simulationen zu untersuchen und
erste Tests mit einem Funktionsmuster durchzuführen.
Ausgangslage
Unter dem Stichwort «Functional
Printing» wird ein zukunftsgerichtetes Anwendungsgebiet der Drucktechnologie
zusammengefasst.
Heutzutage können damit ganze
elektrische Schaltungen oder 3-dimensionale Objekte hergestellt werden. Zum Drucken von solchen
funktionalen Strukturen sind oftmals elektrisch leitende Tinten notwendig. Herkömmliche Piezodruckköpfe sind dafür nur bedingt
einsetzbar. Deshalb entwickelt das
Institut für Drucktechnologie einen
speziell dafür geeigneten Druckkopf.
Funktionsprinzip
Bei diesem Druckkopf wird die elektrische Leitfähigkeit der Tinte ausgenutzt, indem ein Strom durch sie
geleitet wird. Durch Wechselwirkungen mit einem senkrecht dazu
angeordneten Magnetfeld entsteht
die so genannte Lorentzkraft. Sie ist
die Grundlage aller Elektromotoren
und Generatoren. Im Druckkopf be-
Simulation der Tropfenablösung
wirkt sie, dass die Tinte ausgestossen wird.
Vorgehen
Das Ziel dieser Arbeit bestand einerseits im Nachweis der Machbarkeit eines Druckkopfs nach dem
Lorentzkraft-Prinzip und andererseits im Untersuchen der physikalischen Zusammenhänge mittels Simulationen und Vergleichs rechnungen. Als erster Schritt wurde
dazu ein Funktionsmuster konstruiert, mit welchem im Verlauf der Arbeit Tests und Messungen durchgeführt werden konnten. Mithilfe
der Simulationssoftware Comsol
Multiphysics wurden Simulationsmodelle aufgebaut, welche die Effekte aus der Magnetik, Elektronik
und Fluidik abbilden. Parallel dazu
wurden Vergleichsrechnungen zur
Verifikation durchgeführt.
Resultate
Mithilfe gekoppelter Simulationsmodelle wurden die physikalischen
Zusammenhänge simuliert und
untersucht. Die Modelle konnte mittels Vergleichsrechnungen verifiziert werden. Durch Messungen am
Funktionsmuster konnten die Parameter magnetische Flussdichte,
Strom, Druck und Volumenstrom
bestimmt und der Nachweis der
Funktionsfähigkeit erbracht werden. Als kostengünstiges Testmedium kam dabei 50%ige Phosphorsäure zum Einsatz. Diese besitzt
eine gute elektrische Leitfähigkeit.
Bei 5-ms-Spannungspulsen von 35
V lag der maximal erzeugte Druck
an der Düse bei 0.14 bar. Die dosierten Tropfen wiesen ein mittleres
Volumen von 0.63 μl auf. Die Abmessungen des Düsenkanals betrugen dabei 0.6 mm x 0.6 mm x 10
mm. Bei den Messungen wurden an
den Elektroden und im Medium
elektrochemische Prozesse wie
Polari sation und Gasbildung durch
Elektro lyse beobachtet, die in den
Simulationen noch nicht berücksichtigt wurden. Trotzdem war es
möglich mit den Messungen die
Simulationsmodelle zu validieren.
Micha Güdel
[email protected]
Funktionsmuster des Druckkopfes
ti.bfh.ch
203
BI BE BU VA
Zerspankraftmessung beim Fräsen
Produktionstechnik / Betreuer: Prof. Fritz K. Güdel
Projektpartner: Fraisa SA, 4512 Bellach
Um den heutigen Ansprüchen in der spanenden Fertigung gerecht zu werden, braucht es leistungsfähige
Produkte. Bei der Entwicklung dieser Werkzeuge sind Zerspanungsversuche sehr wichtig. Diese sind
aber sehr zeitund kostenintensiv. Die Firma Fraisa SA hat sich eine Mehrkomponenten-Messplattform von
der Firma Kistler AG angeschafft. Damit sollen die Zerspanungsversuche effizienter und aussagekräftiger
werden.
Michael Hirschi
[email protected]
Ausgangslage
Bei den Zerspanungsversuchen
wird die Leistungsfähigkeit der
Werkzeuge untersucht. Diese
Standzeitversuche dauern mehrere Wochen und verursachen sehr
hohe Materialkosten. Durch den
Einsatz der MehrkomponentenMessplattform will man diese Versuche optimieren. Im Rahmen
dieser Diplomarbeit ging es um die
Inbetriebnahme des Systems und
der Festlegung von Grundparametern für die Zerspankraftmessung.
In einem weiteren Schritt wurde
die Korrelation zwischen Schnittkraft und Verschleissmarkenbreite
untersucht.
Vorgehen
Die
Mehrkomponenten-Messplattform wurde auf der Mikron
HPM 600 HD bei der Firma Fraisa
SA installiert. Dabei musste vorgängig eine Aufspannvorrichtung
konstruiert werden. Diese sollte
eine möglichst einfache und
schnelle Montage der Kraftmessplattform gewährleisten. Nach der
erfolgreichen Installation wurden
die ersten Erfahrungen der Zerspankraftmessung
gesammelt
und daraus die wichtigsten Grundparameter festgelegt. Zu diesem
Zweck stellte man vorgängig
spezielle Fräswerkzeuge her. Beim
Versuch «Korrelation Schnittkraft
und
Verschleissmarkenbreite»
wurde in regelmässigen Abständen optische Analysen vorgenommen und dazu die Schnittkraft
erfasst.
Ergebnis
Die Aufspannvorrichtung gewährleistet eine schnelle Montage der
Kraftmessplattform.
Die ersten Analysen der Zerspankraftmessungen ergaben, dass
man sehr stark limitiert ist bei der
Wahl des Drehzahlbereiches. Wird
dieser Bereich überschritten
kommt es zu Eigenschwingungen
des Systems, was eine realistische Messung verunmöglicht. Die
von mir empfohlenen Grundparameter ermöglichen jedoch ein sicheres Erfassen der Zerspankraft.
Die Standzeitversuche ergaben,
dass sich die Schnittkraft trotz ansteigenden Verschleisses am
Werkzeug lange konstant verhält.
Ist der Verschleiss sehr weit fortgeschritten, kommt es zu einem
sprunghaften Anstieg der Zerspankräfte.
Weitere Versuche bei der Firma
Fraisa SA werden aufzeigen, wie
weit Kosteneinsparungen bei den
Standzeitversuchen möglich sind,
dank der Zerspankraftmessung.
Zerspankraftmessung
204
ti.bfh.ch
BI BE BU VA
Virtuos @ Gleason
Virtual Prototyping / Betreuer: Prof. Roland Hungerbühler
Experte: Dr. Peter Knobel
Projektpartner: Gleason-Pfauter, Studen
Virtual Prototyping bezeichnet das Verfahren, Produkte bereits vor ihrer physischen Präsenz auf bestimmte
Eigenschaften zu prüfen. Der Bereich an Simulationsmöglichkeiten ist breit gefächert von der Strukturanalyse über die Bearbeitungssimulation bis hin zu Logistikprozessabbildungen.
Der Maschinenhersteller Gleason sucht nach dem richtigen Werkzeug, um den Entwicklungsprozess von
Verzahnungsmaschinen um die Komponente Virtual Prototyping zu erweitern.
Motivation
Maschinenverhaltensmodelle
kommen in verschiedenen Phasen
der Maschinenherstellung zum
Einsatz. Sie erlauben die Überprüfung der Kinematik auf Kollisionsfreiheit in der Konstruktionsphase.
Sie bietet für die Softwareentwicklungsabteilung eine Umgebung
zur Implementierung von automatischen Abläufen während der Beschaffungsphase. Die Inbetriebnahmezeit wird durch die zuvor
getestete Kinematik und Software verkürzt. Daneben bietet
eine Maschinensimulation auch
Schulungsmöglichkeiten für Mitarbeiter und Kunden.
ISG-Stuttgart stellt mit der ingenieursgerechten PC-Software namens Virtuos ein solches Simulationswerkzeug zur Verfügung.
Unterstützt wird die Simulation
von Maschinen und Anlagen, angebunden an reale Steuerungstechnik. In jeder Entwicklungsphase können Steuerungslösungen
entwickelt, getestet und in Betrieb
genommen werden.
Ausgangslage
Gleason verfügt im Werk Studen
über eine CNC Teststeuerung,
geeignete CAD-Daten zum Import
in Virtuos und einen Rechner mit
installierter Virtuos-Simulationsumgebung.
P210LiC Bearbeitungsraum
3D-Visualisierung: P210LiC & Automation
P210LiC Bearbeitungsraum in Virtuos
Ergebnis
Die komplette Simulationsumgebung wurde erfolgreich in Betrieb genommen. Danach begann
die Implementierung von Grundfunktionen. Dabei wurden Ungenauigkeiten im Verhalten der Fluidmechanik festgestellt. Durch
die Entwicklung einer eigenen
Fluid-Bausteinbibliothek für Virtuos konnte das Systemverhalten
schliesslich adäquat abgebildet
werden.
Die Evaluierung des Gesamtsystems fand am Maschinentyp
P210LiC (Abwälzfräsmaschine mit
integrierter Entgratfunktion) statt.
Alle manuellen Funktionen können auf der virtuellen P210LiC
ausgeführt werden. Die Tests
mit Bearbeitungszyklen waren
vielversprechend, konnten aber
nicht vollumfänglich abgeschlossen werden.
Die Materialfluss-Simulation wurde erfolgreich umgesetzt. Mit ihr
ist es möglich, integrierte Automatisierungssysteme durch ausgiebigere Testphasen mit höherer
Softwarequalität auszurüsten.
Die Möglichkeit, während der
Bearbeitung jeden beliebigen
Blickwinkel im virtuellen Raum einzunehmen, schafft die Voraussetzungen für eine visuelle Kollisionsanalyse. Die automatische
Kollisionsabfrage kann nur mit
zusätzlichem Aufwand und weiteren Geometrievereinfachungen
realisiert werden.
Philip George Hofer
[email protected]
Fazit
Virtual Prototyping lässt sich
durch Virtuos mit vernünftigem
Aufwand in den Entwicklungsprozess integrieren und stellt somit ein zweckmässiges Werkzeug
für die mechanische Konstruktion
sowie die Softwareentwicklung
dar. Besonders die Möglichkeit
zur Simulation von Materialflüssen
erleichtert das Entwickeln von
Automatisierungsabläufen.
ti.bfh.ch
205
BI BE BU VA
Spannutgeometrie eines Hochleistungsfräsers
Forschung und Entwicklung / Betreuer: Prof. Christian Koblet
Projektpartner: Fraisa SA, Bellach
Das Zerspanen von Materialien mit höheren Festigkeiten gewinnt in der heutigen Zeit immer mehr an Bedeutung. Damit das spanabhebende Fräsverfahren auch unter diesen Bedingungen wirtschaftlich bleibt,
benötigt es eine ständige Entwicklung der Fräswerkzeuge.
In dieser Arbeit galt es, das Spanverhalten in der Spannut zu untersuchen. Mit den gewonnenen Erkenntnissen konnte die Spannut für einen optimalen Spanfluss sowie Spanauswurf ausgelegt werden. Durch die
Neuauslegung der Spannut sollte eine Leistungssteigerung von 20–30 % erreicht werden.
Simon Hugi
Ausgangslage
Heute können durch die enorme
Entwicklung in den letzten Jahren
Materialien bearbeitet werden, bei
denen früher der Fräsprozess kein
Thema war. Das heutige Fräswerkzeug ist mit all den optimierten Mikrogeometrien hoch komplex, bis auf die Spannut, welche
immer noch nach früheren Annahmen ausgelegt ist. Die Firma Fraisa SA führte im Dezember 2011
zum ersten Mal Werkzeuganalysen mittels einer Hochgeschwindigkeitskamera durch. Dabei
konnte ein enormes Leistungspotential in der Optimierung der
Spannut eruiert werden.
Vorgehen
Um eine vertiefte Basis in der Spanentstehung sowie im Spanfluss
zu erhalten, startete die Arbeit mit
einer erneuten und auf den Spanfluss ausgelegten Aufnahme des
Fräsprozesses. Mit 30’000 Bildern
pro Sekunde konnte eine Tiefe der
Analyseform erreicht werden die
bis jetzt noch nicht vorhanden
war. Die Auswertung der Videos
zeigte einen Ansatz der Spanführung, welche die Spannut nur um
einen geringen Prozentsatz ausnützte. Um den genauen Spanfluss zu eruieren, kam eine alte
Methode der Auswertetechnik
zum Einsatz. Mit einem normalen
Marker wurde der ganze Fräser
eingefärbt. Das Ziel war anhand
den Schleifspuren die beim Fräsen
entstehen, den genauen Spanfluss zu ermitteln. Die Auswertung
zeigte eine variable Ausnutzung
der Spannut. In der Nähe der
Stirnfläche benötigt der Span weniger Platz als im Bereich der oberen Schneide. Ab einer Höhe von
etwa 5mm beginnt sich der Span
zu öffnen und kringelt nicht mehr
so stark wie am Anfang. Durch die
Hochgeschwindigkeitsaufnahme
206
ti.bfh.ch
Spananalyse ergaben sich die genauen Masse der benötigten
Spannut. Anhand dieser Erkenntnisse konnte die Spannut neu und
optimiert an den Spanfluss ausgelegt werden.
Ergebnis
Leider konnte in der Zeit der Thesisarbeit der entworfene Prototyp
nicht produziert werden. Dadurch
wurde ein Leistungstest hinfällig.
Anhand eines Spannungsvergleiches wurde auf eine Leistungssteigerung geschlossen. Der Vergleich ergab eine Zunahme von
über 20 %. Der rechnerische Vergleich der Festigkeit ergab nicht
das erhoffte Ziel, jedoch sind dabei die thermischen sowie mechanischen Eigenschaften nicht berücksichtigt worden. Die Er kenntnisse dieser Arbeit sind trotzdem
innovativ und können die Entwicklung der Fräser beeinflussen.
BI BE BU VA
Reinigungsmechanismus für Sensorschutzscheibe
Maschinentechnik / Betreuer: Prof. Walter Güller
Projektpartner: GF AgieCharmilles, Nidau
Die Firma GF AgieCharmilles bietet weltweit führende Werkzeugmaschinen an. Die hoch präzisen Maschinen sind mit einem Messgerät ausgestattet, somit besteht die Möglichkeit einer genauen Messung der
Werkzeuge. Im Unterschied zur üblichen Ausmessungsmethode, mit Hilfe des Laserverfahrens, wird hier
eine optische Kamera verwendet. Die Bilder werden durch eine relativ kleine Schutzscheibe aufgenommen,
die jedoch nach einer gewissen Zeit verschmutzt. Deshalb muss die Schutzscheibe von Zeit zu Zeit ausgebaut und von Hand gereinigt werden.
Ziel
Das Ziel dieser Bachelor-Thesis ist
die Realisierung einer Versuchseinrichtung mit automatischem
Reinigungssystem der Schutzscheibe, damit diese nicht mehr
von Hand geputzt werden muss.
Mit dem Aufbau, soll der Reinigungseffekt praktisch nachgewiesen werden. Zu entwickeln ist ein
Schwingsystem mit möglichst hoher Güte, dessen Anregung mit
einem kleinen Aktor erfolgt. Dadurch soll die Selbstreinigung erfolgen.
Umsetzung
In der Konzeptphase wurden verschiedene Lösungsansätze für die
Lagerung der Scheibe erarbeitet.
Mit der FEM-Simulation wurden
mehrere
Aufhängungen
der
Schutzscheibe simuliert und bezüglich Schwingverhalten analy-
Versuchsvorrichtung
siert. Dabei wurde beachtet, dass
die Frequenz möglichst hoch ist,
welche für den Reinigungseffekt
mitentscheidend ist. Bei dieser
hoch dynamischen Applikation
wurden die Bauteile auf Ermüdung
überprüft. Weiter wurde ein Vorspanngehäuse für den Aktor entwickelt, da dieser keine Zugkräfte
aufnehmen kann. Mit der FEMSimulation wurde die Steifigkeit
dieser Baugruppe berechnet, die
für das Aktorverhalten von Wichtigkeit ist. Nebst dem Schwingverhalten wurde auf die Flexibilität der
Versuchsvorrichtung geachtet,
damit während der Versuchsphase möglichst viele Parameter verstellt werden können.
Resultat
Nach der Fertigung der Teile konnte die Versuchsvorrichtung erfolgreich in Betrieb genommen wer-
den. Mit einem Laservibrometer
und einem Spektralanalysator
konnte das dynamische Verhalten
der Versuchsvorrichtung nachgewiesen und mit der Simulation
abgeglichen werden. Es wurden
verschiedene Ansätze bei der
Einspannung der Sensorschutzscheibe ausprobiert. Für eine
aus sagekräftige Beurteilung des
Reini gungseffekts sollen weitere
Versuche erfolgen. Mit dieser
Bachelor-Thesis ist das Prinzip für
die Anregung der Sensorschutzscheibe mittels vorgespanntem
Aktor erfolgreich nachgewiesen
worden. Die, während dieser Arbeit, beschafften Informationen
werden eine spätere Herstellung
des ersten Prototyps erleichtern.
Für dessen Fertigstellung wurden
Entwicklungsaufwand, Zeitplanung und die Kosten abgeschätzt.
Nikola Janjic
Frequenzgang
ti.bfh.ch
207
BI BE BU VA
Neuer luftdurchlässiger Verbundwerkstoff
Maschinentechnik / Betreuerin: Dr. Annette Kipka
Projektpartner: Portec Ltd., Aadorf
Metapor ® ist ein luftdurchlässiger Verbundwerkstoff und besteht je nach Typ aus einem metallischen oder
mineralischen Füllmaterial und einem Epoxidharz als Binder. Die porösen Metapor ® -Werkstoffe werden im
Kunststoffformenbau, in der Vakuumspanntechnik oder in der Luftfilmgleittechnik eingesetzt. Ein neu entwickelter Metapor ® -Typ ist durch seine schwarze Farbe stark lichtabsorbierend und unterscheidet sich
dadurch von den bekannten Metapor ® -Typen. In dieser Arbeit werden die Werkstoffeigenschaften und
Anwendungsmöglichkeiten dieses neuen Werkstoffes untersucht.
Stefan Kleiner
Ausgangslage
In der Vakuumspanntechnik werden
die Werkstücke mittels Unterdrucks
auf den porösen Metapor ® -Auflagen
gleichmässig und verzugsfrei gespannt. Die Bearbeitung der Fertigungsteile erfolgt u.a. mit Laser.
Aus der Forderung, die Reflexion
der Laserstrahlen durch einen stark
absorbierenden Untergrund zu reduzieren, ist der neue, schwarze
Metapor ® -Werkstoff entstanden.
Ziel
Ziel dieser Arbeit ist die Untersuchung der Bearbeitbarkeit und Einsatzmöglichkeiten des schwarzen
Metapor ® -Werkstoffes. Dafür müssen die Werkstoffkennwerte und
Werkstoffeigenschaften ermittelt
werden. Unterschiedliche Bearbeitungsversuche, mikroskopische
Untersuchungen der Bruchfläche
sowie eine Wirtschaftlichkeitsbetrachtung ermöglichen es, den
Werkstoff zu charakterisieren und
seine Anwendungsmöglichkeiten zu
beurteilen.
Durchführung
Mit Hilfe entsprechender Werkstoffprüfungen wurden Kennwerte wie
Biegefestigkeit, Elastizitätsmodul,
Schlagzähigkeit, Härte und elektrische Leitfähigkeit ermittelt. Ein
wichtiges Kriterium für den Einsatz
eines Werkstoffes ist seine Bearbeitbarkeit. In Fräs- und Sägeversuchen konnte die mechanische Bearbeitbarkeit getestet werden. Der
neue Werkstoff wurde ausserdem
wasserstrahlgeschnitten. In Zusammenarbeit mit dem Institut für angewandte Laser- und Oberflächentechnologien der BFH TI wurde
zudem die Oberflächenbearbeitung
mit unterschiedlichen Kurzpuls-Lasern geprüft. Ein wichtiger Bestandteil der Untersuchungen waren die
Auswertungen am Rasterelektro-
Bild 1: 700-fache Vergrösserung der Bruchfläche von «Metapor ® schwarz»
208
ti.bfh.ch
nenmikroskop (REM). Aus dem Aussehen der Bruchfläche kann auf die
Bruchart sowie auf die Verbindung
von Binder und Füllstoff geschlossen werden. Bild 1 zeigt eine REMAufnahme der Bruchfläche.
Ergebnis
Die herausragende Eigenschaft
des verwendeten mineralischen
Füllmaterials ist – neben seiner
Farbe – seine Härte. Sie kann im
«Metapor® schwarz» nicht vorteilhaft genutzt werden und macht
die mechanische Bearbeitung des
Werkstoffes nahezu unmöglich.
Diamantbeschichtete Werkzeuge
waren innert Kürze verschlissen.
Eine mechanische Feinbearbeitung der Oberfläche ist aufgrund
der hohen Härte des Füllmaterials
nicht möglich. Lediglich das Wasserstrahlschneiden hat zu akzeptablen Ergebnissen geführt. Die
hohe Porosität und die eher
schlechte Verbindung zwischen
Füllmaterial und Binder sind die
Ursache für die geringen Festigkeitswerte. Die unzureichenden
mechanischen Eigenschaften und
die
höheren
Materialkosten
schränken die Einsatzmöglichkeiten von «Metapor® schwarz» stark
ein. Eine Verwendung in der Vakuumspanntechnik ist zwar grundsätzlich denkbar, jedoch vermindern die raue Oberfläche und die
eingeschränkten Bearbeitungsmöglichkeiten das Anwendungspotential beträchtlich.
BI BE BU VA
Module für das Handling von Backblechen
Produktentwicklung / Betreuer: Prof. Walter Güller, Prof. Roland Hungerbühler
Projektpartner: RONDO Burgdorf AG, Burgdorf
Die RONDO Burgdorf AG entwickelt und produziert Maschinen im Bereich Ausrollen, Formen und Füllen
von Teigprodukten. Diese werden am Ende des Prozesses auf ein Backblech abgesetzt. Bis anhin ist je eine
Arbeitskraft damit beschäftigt, die Backbleche von Hand zuzuführen und wieder zu entnehmen. Diese Arbeit
soll nun durch Handlingmodule vereinfacht werden. Das Ziel der Bachelor Thesis ist der Entwurf eines
Lademoduls. Das Entlademodul ist dabei in die Überlegungen mit einzubeziehen.
Ausgangslage
Das Speichern von bis zu 15
Backblechen soll möglich sein.
Das Lademodul stellt, die durch
eine Arbeitskraft in einen Speicher
eingelegten, leeren Backbleche
automatisch der Hauptmaschine
zu. Während das Entlademodul
die Backbleche von der Hauptmaschine entnimmt und einem Speicher zuführt.
Die Module sollten das Benützen
von möglichst vielen Backblechgrössen und Arten ermöglichen.
Die Verwendung der Module ist für
drei verschiedene Maschinentypen zu ermöglichen. Dabei muss
das Lademodul alle sechs bis
zehn Sekunden ein Blech zuführen
und dies innerhalb einer Sekunde
übergeben können. Die vorgängig
festgelegten Bedingungen sind zu
beachten und zu ergänzen.
Die Erstellung eines Grundkonzeptes für ein Lademodul erfolgte
in einer vorangehenden Arbeit. Bei
diesem Konzept besteht der Speicher aus zwei vertikalen Förderbändern, welche die Backbleche
nach unten fahren. Über weitere
Komponenten wird das Blech auf
die Maschine gebracht. Dabei gab
es noch diverse Problemstellen.
Vorgehen
In einem ersten Schritt wurden
Varianten für die Umsetzung des
Grundkonzeptes erstellt. Diese
dienten als Basis für die Festlegung des konstruktiven Grundrahmens. Für das Entlademodul war
ein Konzept zu suchen, welches
möglichst ähnlich dem Lademodul
ist. Anschliessend wurde der Prozessablauf untersucht und optimiert. Hier war besonders auf die
Abstimmung mit der Steuerung
der Hauptmaschine zu achten. In
weiteren Schritten ging es um die
Auslegung der Antriebe und der
wichtigen Komponenten. Weiter
wurden die konstruktiven Aspekte
genauer ausgearbeitet.
Ergebnis
Die Förderbänder, welche als
Speicher dienen, fördern die
Backbleche nach unten. Dort
stösst ein Antrieb das unterste
Blech in eine Halterung. Nun löst
ein Mechanismus die Halterung
zum richtigen Zeitpunkt aus und
bringt das Backblech auf die
Hauptmaschine.
Diese Lösung erfüllt die gegebenen Bedingungen und hat die Problemstellen des Grundkonzeptes
nicht mehr. Der Speicher kann
ohne grössere Veränderungen für
das Konzept des Entlademoduls
verwendet werden. An einem Kinematikdiagramm sind nun der
Prozessablauf und die verschiedenen Abhängigkeiten ersichtlich.
Der Ablauf wurde auf mögliche
Störungen überprüft und entsprechende Massnahmen vorgesehen. Es zeigte sich, dass es mit
der gewählten Lösung möglich ist,
die gewünschten zeitlichen Bedingungen zu erreichen. Weiter sind
die Antriebe ausgelegt und es besteht eine konstruktive Basis, auf
welcher der Entwurf fertig gestellt
werden kann.
ti.bfh.ch
Kevin Köhl
209
BI BE BU VA
Schwerölersatz bei Jura Cement
Energietechnik / Betreuer: Prof. Beat Engeli
Experte: Dr. Rudolf Bauer
Projektpartner: Jura Cement AG, Wildegg AG / Cornaux NE
Die Zementherstellung ist ein äusserst energieintensiver Prozess. Als Energieträger kommen die verschiedensten Brennstoffe zum Einsatz. Nebst Kohle und alternativen Stoffen wie Altreifen, Kunststoffgranulat,
Altöl u. a. wird teilweise immer noch Schweröl eingesetzt. Aus ökonomischen wie ökologischen Gründen
möchte die Firma Jura Cement AG an ihren beiden Produktionsstandorten Wildegg AG und Cornaux NE
das Schweröl vollständig ersetzen. Als Ergebnis dieser Thesisarbeit liegen nun Konzepte zur Umsetzung
dieses Projektes vor.
Martin Kropf
210
Schweröl hat bei Raumtemperatur
eine Konsistenz vergleichbar mit
flüssigem Honig; bei kälteren Temperaturen fliesst es kaum mehr.
Um Schweröl überhaupt verpumpen zu können, muss es deshalb
auf ca. 60 °C aufgewärmt werden.
Heisswasser und Dampf sorgen
für die Temperierung. Um eine effiziente Verbrennung sicherzustellen, wird es sogar auf eine Temperatur von 130 °C gebracht. Das
Wasser bzw. der Dampf werden in
Dampfkesseln befeuert, welche
mit Gas und Leichtöl beheizt werden. Insgesamt entspricht der
energetische Aufwand zur Erwärmung des Schweröls ca. 20% der
darin enthaltenen Energie!
In beiden Werken der Jura Cement
AG dient das Schweröl im Zementofen grundsätzlich zwei Zwecken:
einerseits als Brennstoff zur Prozessstabilisierung und andererseits ist es eine wichtige Komponente beim Anfahren des Ofens
nach einer Revision oder längeren
Produktionsunterbrüchen. Ersteres kann der Fall sein, wenn beispielsweise aus technischen Gründen keine Kohle zur Verfügung
steht. In Cornaux verfügen zusätzlich ein Gesteinsbrecher und die
Rohmehlmühle (nur beim Anfahren
des Ofens) über einen Schwerölbrenner. Deren heisse Abgase dienen der Trocknung des Aufgabeguts. Der Jahresbedarf an
Schweröl liegt für beide Werke bei
mehreren hundert Tonnen.
ti.bfh.ch
Nach Aufnahme des Ist-Zustandes
mit den Daten zu Verbrauch, Anlagen und Kosten stand die Erarbeitung verschiedener Konzepte
für den Schwerölersatz an. Für
jeden Verbraucher wurden mehrere Varianten mit den Brennstoffen
Leichtöl, Altöl und Erdgas ausgearbeitet. Für den Brecher war zudem die Nutzung von Prozessabwärme zu untersuchen.
Zu den einzelnen Alternativen ist
grundsätzlich folgendes zu sagen:
– Altöl ist mit Abstand am günstigsten. Da der Markt eher abnehmend ist, muss aber für grössere Einkaufsmengen mit
einem höheren Preis gerechnet
werden. Aufgrund der schwankenden Qualität und der möglichen Verschmutzungen ist von
den Emissionen her gesehen
nur eine Verbrennung im Zementofen möglich. Ein Vorteil ist,
dass bestehende Schwerölanlagen ohne grosse Investitionen
umgenutzt werden können.
– Leichtöl hat einen sehr hohen
und vor allem konstanten Brennwert und eine hohe Verfügbarkeit, ist aber teuer. Es kommt
daher eher als Reservebrennstoff in Frage. Ein weiterer Vorteil sind die in beiden Werken
bereits vorhandenen Leichtöltanks.
– Erdgas setzt keine Lagerkapazität voraus und ist relativ günstig. Allerdings bestehen werksintern noch keine Leitungen. Ohne
teure Liefergarantie ist zudem
besonders in kalten Monaten
mit Versorgungsunterbrüchen
zu rechnen.
– Abluft muss auf einem hohen
Temperaturniveau, in grossen
Mengen und auf kurze Distanz
verfügbar sein, um im Prozess
wirtschaftlich eingesetzt werden
zu können. In Cornaux sind diese Voraussetzungen nur bedingt
erfüllt.
Basierend auf den technischen
und wirtschaftlichen Bewertungen
wurden zusammen mit dem Auftraggeber Empfehlungen für das
weitere Vorgehen abgegeben.
BI BE BU VA
Simulation Heli Lastentransporte
Dynamik / Betreuer: Prof. Ulrich Rettenmund
Projektpartner: Airwork & Heliseilerei GmbH, Küssnacht am Rigi
Immer wenn an einem Hubschrauber eine Last angehängt werden muss, ist man auf ein Lastseil angewiesen. Die Anforderungen an solche Seile sind hoch, sollten sie doch leicht und trotzdem hochfest sein. Denn
ein Seilversagen darf unter keinen Umständen eintreten. Um die Kräfte und das Verhalten von neuen Kunstfaserseilen besser verstehen zu können, sind verschiedene Simulationsprogramme erstellt worden.
Ausgangslage
Für die Lastentransporte kommen
verschiedene Seile aus unterschiedlichen Materialien zum Einsatz. So werden insbesondere
verschiedene Kunstfaserseile in
unterschiedlichen Flechtarten eingesetzt. Jede Kombination hat
natürlich unterschiedliche Vorund Nachteile, vor allem in der
Haltbarkeit aber auch im Federverhalten. Um die bei den Lastflügen auftretenden Kraftspitzen
dämpfen zu können, werden sogenannte Dämpferseile dazwischengehängt.
Die Firma Airwork & Heliseilerei
GmbH und andere Firmen haben
in diesem und im letzten Jahr viele Messflüge mit Helikoptern gemacht. Die Kräfte, die bei diesen
Last- und Transportflügen in den
Seilen auftreten wurden aufge-
zeichnet. Ein Teil meine Arbeit war
es nun diese Messungen auzuwerten. Ziel dieser Bachelorarbeit
war daher Simulationsmodelle für
das Seilverhalten zu erstellen und
diese anhand der Messdaten zu
verifizieren.
Vorgehen
Für die Simulation ist dazu ein Mathcadmodell erstellt worden. Mit
diesem ist es möglich, beliebig
das Seilmodell zu ersetzen. So
kann jede beliebige Kombination
simuliert werden. Um zusätzlich
weitere Seildaten ermitteln zu können, wurde ein einfacher Versuchsstand aufgebaut. Mit diesem
können die Parameter eines Seiles
genauer bestimmt werden. Für
weitere Aussagen über das genaue Verhalten des Helikopters
durfte ich in Berlin bei erneuten
Messflügen die Beschleunigung
des Hubschraubers während den
Messflügen aufzeichnen.
Resultate
Es hat sich gezeigt, dass sich das
System Helikopter-Last als FederDämpfer-Modell abbilden lässt.
Das Seil wirkt dabei als FederDämpfer-Element, dass allerdings
je nach Seiltyp ein nichtlineares
Verhalten aufweist. Die Last und
auch der Helikopter sind dabei die
schwingenden Massen des Systems. Auf beide Körper wirkt, wie
auf der Abbildung zu sehen die
Erdanziehungskraft und die Seilkraft, auf den Hubschrauber zusätzlich die Auftriebskraft des Rotors.
Eine grundsätzliche Schwierig keit bei der Simulation war, dass
die exakten Anfangsbedingungen
nicht bekannt waren. Insbesondere fehlte die Information über die
Bewegung des Helikopters in der
Luft. Dennoch konnten für verschiedene Seilarten Feder und
Dämpfungsparameter gefunden
werden, mit denen sich das Seilverhalten nachbilden lässt. Mit
den nun detailliert gewonnenen
Seilmodellen ist es möglich, das
Verhalten der Seile zu bestimmen.
Daraus lassen sich die Seilkräfte
für beliebige Kombinationen vorhersagen.
ti.bfh.ch
Micha Matthias Künzi
[email protected]
211
BI BE BU VA
Modularer M-Robot Lasernavigationssystem
Mechatronik / Betreuer: Prof. Roland Hungerbühler, Prof. Walter Güller, Prof. Daniel Lanz
M-Robot ist ein Projekt des Fachbereichs Maschinenbau der Berner Fachhochschule TI. Parallel in sechs
Thesisarbeiten wird ein mobiler, autonomer Roboter konstruiert, der als Getränkeservierer fungiert und als
Werbeobjekt an Ausstellungen und Messen dienen wird. Der M-Robot ist modular aufgebaut, sodass er in
weiteren Projektarbeiten mit neuen Funktionen ergänzt werden kann.
Simon Lanz
[email protected]
Ausgangslage
Im Rahmen von Eurobot (einem
Roboterwettbewerb) navigierten
die Roboter von der Berner Fachhoschule bis anhin mehrere Jahre
mit einem Ultraschallpositionierungssystem. Bei den letzten
Wettbewerben hat sich herausgestellt, dass dieses Positionierungssystem zum Teil anfällig auf
Störgeräusche ist. Zudem ist die
Genauigkeit von diversen Parametern abhängig. Um diese Mängel
zu kompensieren, wird ein Lasernavigationssystem entwickelt. Am
mechanischer Aufbau
Prinzip des Lasernavigationssystems
212
ti.bfh.ch
M-Robot wird es eingesetzt und
getestet.
Das Ziel
Der Roboter kann an einer beliebigen Stelle auf einem Feld seine
Position und Ausrichtung hinreichend genau vermessen. Das
neue Lasersystem funktioniert zusammen mit dem bereits entwickelten Ultraschallpositionierungssystem und kompensiert dessen
Mängel.
Ein Mikrocontroller verarbeitet die
Daten und schickt diese via CANBus an den Hauptrechner des Roboters.
Das Prinzip
Der Laser dreht mit 3–4 Umdrehungen pro Sekunde und scannt
die Umgebung ab. Bei jeder Umdrehung erfasst er die drei am
Rande angeordneten Reflektoren.
Das Lasersystem misst die drei
Winkel zwischen den Reflektoren
und berechnet daraus die Position
und Ausrichtung des Roboters.
Die Reflektoren sind so codiert,
damit sie voneinander unterschieden werden können. Das kann
zum Beispiel dann von Vorteil sein,
wenn ein Reflektor durch irgendeine Störung nicht detektiert werden kann. Eine Filterung via Software wäre zwar auch möglich,
aber viel aufwendiger als die Codierung der Reflektoren.
Mit einer Simulation ist das ganze
System auf die maximal erreichbare Genauigkeit überprüft worden. Dabei hat sich gezeigt, dass
im Vergleich zum Ultraschallpositionierungssystem die Position an
den meisten Stellen mit erhöhter
Genauigkeit vermessen werden
kann.
Das Ergebnis
Bei idealen Bedingungen ermittelt
das Lasernavigationssystem seine
Position und Ausrichtung auf einem Feld von 2x3m mit einer Genauigkeit von 5–15mm. Die Kombination mit dem Ultraschall positionierungssystem funktioniert.
Das Modul kann universell auf einem Roboter platziert und betrieben werden. Die Kommunikation
erfolgt dabei via CAN-Bus.
BI BE BU VA
Leittechnikkonzept Laufwasserkraftwerk Bözingen
Leittechnik Hydraulische Kraftwerke / Betreuer: Prof. Beat Engeli
Projektpartner: Kaderli Roland, BKW FMB Energie AG, Bern
Komplettlösungen für die Umsetzung der Leittechnik für Wasserkraftwerke werden bereits für grössere
Analgen (>10 MW) angeboten. Diese sind für kleinere Anlagen, welche in einem Leistungsbereich von 1–3
MW arbeiten, zu teuer. Deshalb soll in dieser Arbeit anhand des Laufwasserkraftwerks Bözingen ein Leittechnikkonzept erstellt werden, welches den Anforderungen der BKW bezüglich Sicherheit, Redundanz und
Qualität sicher genügt. Zu dem ist abzuklären, wie sich das vorgeschlagene Konzept auch hinsichtlich der
Kosten gegenüber den Lösungen der Konkurrenz verhält.
Das Kraftwerk Bözingen ist eines
der ältesten Wasserkraftwerke der
Schweiz und wurde 1876 erbaut.
Es verfügt über zwei horizontale
Francis-Turbinen mit je einer max.
Leistung von 1.65 MW. Die Durchführung eines Retrofits verlangt
eine intensive Auseinandersetzung
mit der betreffenden Anlage. Als
erstes werden alle Teilsysteme
(Turbinensystem, Generatorsystem
und Schutzsystem) von Bözingen
beschrieben. Die bestehende Anlage kann anschliessend mit anderen Anlagen verglichen werden.
Dabei werden die Gerätschaften
auseinander genommen, in einer
Tabelle aufgelistet und so ausgewertet, dass zwei Umsetzungsvarianten erstellt werden können.
Diese werden anschliessend einer
Fehlereffektanalyse, sowie einer
Kostenanalyse unterzogen.
Die wichtigsten Erkenntnisse:
Der ausgewählte definitive Umsetzungsvorschlag sieht vor, die
von der BKW üblich eingesetzte
Vibrationsüberwachung VM600
(CHF 28 600) durch Sensoren der
Firma ifm (CHF 1610) zu ersetzen.
Die Wahrscheinlichkeit, dass
Schäden an der Maschine und
insbesondere in den Lagern auftreten, ist zwar gering, aber dennoch vorhanden. Die bei einem
Schadensfall zu erwartenden Kosten würden aber nicht so hoch
ausfallen, wie durch die Geräteeinsparung erzielt wird. Das in der
Regel eingesetzte Automatisierungsgerät von Siemens, welches
lediglich zu Steuerungszwecken
eingesetzt werden kann, wird
durch einen Industrie PC ersetzt,
welcher die Steuerung und die Visualisierung bewerkstelligt. Die
Anlage wird so kompakter und
günstiger. Der Spannungsregler
soll zukünftig von der Firma Interplan offeriert werden. Für kleinere
Anlagen muss er lediglich in der
Lage sein, mit einer Blindleistungsregelung zu fahren. Zusätzliche Regelungsarten, welche der
Thyne 1 von Andritz (CHF 29 700)
ausführen kann, sind nicht notwendig. Deshalb wird mit grösster
Wahrscheinlichkeit der Spannungsregler von Interplan kostengünstiger ausfallen. Die Offerte ist
leider noch nicht eingetroffen, so
dass hierzu keine genauen Angaben über den Preis gemacht wer-
den können. Ansonsten sind die in
diesem Vorschlag eingesetzten
Geräte von der BKW bereits im
Einsatz.
Da die BKW die Leittechnik selber
anbieten will, möchte sie auch den
Turbinenregler selber programmieren. Gegenüber dem üblich
eingesetzten TC 1703 von Andritz,
wird diese Lösung allerdings bis
zu ca. CHF 7000 teurer ausfallen.
Der Grund liegt am hohen Stundenansatz der BKW FMB Energie
AG. Diese Tatsache macht es der
BKW FMB Energie AG schwierig,
sich gegenüber der Konkurrenz
durchzusetzen. In der heutigen
Zeit ist es deshalb schwierig, dass
sich die BKW trotz optimalem
Dienstleistungsangebot, hoher
Kompetenz, grossem Know-how
und enormer Kundenfreundlichkeit gegenüber der Tiefpreispolitik
der Konkurrenz durchsetzt.
Priska Lienhard
Francis-Turbine in Bözingen
ti.bfh.ch
213
BI BE BU VA
Mobil zur Personensicherung
Produktentwicklung / Betreuer: Dr. Kurt M. Graf
Zum heutigen Zeitpunkt gibt es für gehunsichere oder gehunfähige Personen nur beschränkt Hilfsmittel,
um ihren Alltag zu erleichtern. In den meisten Fällen bestehen nur Produkte, welche einzig einem Zweck
dienen. Rollstühle können Patienten befördern, nicht umlagern. Andere Produkte wie ein Rollator sind einfache Hilfsmittel, die jedoch den Benutzern keine Handfreiheit gewähren. Aus diesem Grund soll ein alternatives Produkt entwickelt werden, welches den Benutzern eine Hilfe in mehreren Bereichen des Alltages
darstellt.
Patric Mosimann
Ausgangslage
Hilfsmittel für Personen, die
schlecht oder nicht mehr gehen
können, gibt es zu genüge. Vielen
Leuten ist damit aber nicht wirklich
geholfen. Ein Krankenhaus ist sehr
gut ausgerüstet mit Beförderungsmobilen, Umlagerungseinrichtungen und Gehhilfen. Diese Hilfsmittel sind teuer, brauchen viel Platz
und vor allem Hilfspersonal zur
Bedienung. Aus diesem Grund
sind diese Einrichtungen für kleine
Personengruppen oder gar einzelne Personen nicht geeignet. Die
fehlende Vielfältigkeit der einzelnen Produkte ist ebenfalls immer
ein Thema. Mobile Personenlifter
können Patienten lediglich in ein
Bett oder eine Badewanne umlagern. Für einen wirklichen Transport sind sie jedoch nicht geeignet. Das zu entwerfende Mobil zur
Personensicherung soll eine Neu-
Multifunktionsrollstuhl
214
ti.bfh.ch
erung haben, die den vorhandenen
Produkten echte Vorteile bietet.
Vorgehen
Im Rahmen der Projektarbeit wurden anhand der Untersuchungen
der bestehenden Lösungsvarianten eine umfangreiche Marktanalyse durchgeführt. Es soll ein Mobil entstehen, das spezifisch für
die Anforderungen von gehunsicheren oder gehunfähigen Personen ausgelegt ist. Optimal ist eine
Lösung, welche eine Erweiterung
eines bestehenden Produktes ist.
Ein Rollstuhl z. B. ist eine bereits
sehr ausgereifte Lösung für den
Transport. Schliesslich sind zwei
Grundideen entstanden, die weiter
verfolgt wurden. Eine Variante ist
ein bestehender Aufrichtrollstuhl,
der mit einer Haltevorrichtung
ausgerüstet ist. Dieses Konzept ist
für gehunsichere Personen, die
vor dem Mobil gehen können und
dabei von möglichen Stürzen gesichert sind. Es ist sozusagen ein
mobiles Reha-Gerät. Die Andere
Lösungsvariante ist ein bestehender Multifunktionsrollstuhl, aufgerüstet mit einer Umlagerungsvorrichtung. Nach weiteren Un ter suchungen wurde letztere ausgewählt und ausgearbeitet.
Ergebnis
Als Resultat dieser Arbeit lässt
sich eine Lösungsvariante mit spezifischen Fertigungsunterlagen
festhalten. Die wichtigsten Berechnungen von Standfestigkeit
des Mobils bis hin zu der Kinematik von Elektrozylinder wurden
durchgeführt. Das neu entstandene Mobil hat den Vorteil, dass neben dem Transport von Personen
die Umlagerung bewältigt werden
kann. Dabei ist es immer noch
kompakt, so dass z. B. ein Lift befahrbar ist.
Umlagerungsvorrichtung
BI BE BU VA
Machbarkeitsabklärung BIN-PICK mit 2D-Vision
Automation / Betreuer: Dipl.-Ing./MBA Christoph Strahm
Projektpartner: FELCO – swiss made
In der heutigen Industrie muss kostengünstig, flexibel, schnell und effizient produziert werden. Durch die
Wiederholgenauigkeit bieten Roboter eine konstante Qualität bei Herstellung und Weiterverarbeitung von
Produkten. Die zahlreichen Einsatzmöglichkeiten können mit Kameras (Vision System) ergänzt werden.
Diese übernehmen das «Sehen» des Roboters. Auf Anfrage der Firma FELCO wird in dieser Thesis abgeklärt,
ob Gartenscheren als Schüttgut mit 2D-Vision aus einer Kiste gegriffen und vereinzelt werden können.
Ausgangslage
Die Scheren kommen chaotisch
angeordnet (Schüttgut) in der Kiste an und sollen anschliessend mit
dem «Griff aus der Kiste» – englisch bin-pick – in eine geordnete
Ablage vereinzelt werden. Die 2DKamera kann dabei keine Lagewinkel der Objekte ausmachen.
Die Beleuchtung ist bei der Erkennung der Objekte ein wichtiger
Punkt. Zur Umsetzung steht ein
M-10iA Roboter mit der R-30iA
Steuerung von FANUC bereit. Dieser muss in Betrieb genommen
und mit den für den Versuchsaufbau nötigen Effektoren ausgerüstet werden.
Ziele
Das Ziel dieser Bachelorthesis ist
einen Versuchsaufbau zu konstruieren und umzusetzen. Für die Tests
müssen die relevanten Kriterien
bestimmt werden. Anhand dieser
Tests sollen die Möglichkeiten und
die Grenzen der Machbarkeit aufgezeigt und dokumentiert werden.
Arbeit
Der Roboter wurde in Betrieb genommen und mit Ventilen bestückt. Ein Versuchstisch und eine
Ablage für die Scheren wurden
konstruiert und aufgebaut. Wenn
die Scheren vorvereinzelt und flach
liegen, erkennt sie die Vision und
führt sie in die Ablage. Wenn die
Vision nichts erkennt, wischt der
Roboter über den Tisch, so dass
die Scheren teilweise vereinzelt,
erkannt und gegriffen werden können. Die Tests haben gut gezeigt,
dass wenn die Scheren aus der
Referenz-Höhe verschoben werden, der Roboter aufgrund der
fehlenden Höhenkompensation in
die unterliegenden Scheren hinein
fährt. Dies bereits bei Abweichungen im mm Bereich. Zur Erken-
Versuchsaufbau für Machbarkeitsabklärung
nung hat sich die asymmetrische
Form dieser Scheren als optimal
herausgestellt. Die Beleuchtung
erfolgte mit einem direkten Auflicht
einer Lampe, wobei die Belichtung
bei den Versuchen in der Kiste mit
einem Schirm als Diffusor bessere
Ergebnisse erbracht hat.
Reto Simon Müller
Fazit
Die Grenzen des Systems sind
mit vorliegendem Versuchsaufbau
schnell erreicht. Eine wirtschaftliche Umsetzung des Bin-Pick-Prozesses war in dieser Arbeit nicht
auszumachen. Damit die Umsetzung mit 2D möglich ist, müsste
zusätzlich ein Lasersystem integriert werden, welches die Lage der
Scheren erkennt. Ein Näherungssensor wäre eine weitere Möglichkeit die ausgetestet werden könnte. Die Zeit reichte jedoch im
Rahmen dieser Bachelorarbeit
nicht mehr aus.
[email protected]
Kiste mit Schüttgut (Scheren)
ti.bfh.ch
215
BI BE BU VA
Modularer M-Robot Handling und Sicherheitstüre
Maschinenbau / Betreuer: Prof. Walter Güller, Prof. Daniel Lanz, Prof. Roland Hungerbühler
Experten: Dr. Dietmar Kramer, Felix Scheuter
M-Robot ist ein Projekt des Fachbereichs Maschinenbau der Berner Fachhochschule TI. Parallel in sechs
Thesisarbeiten wird ein mobiler, autonomer Roboter konstruiert, der als Getränkeservierer fungiert und der
als Werbeobjekt an Ausstellungen und Messen dienen wird. Der M-Robot ist modular aufgebaut, sodass
er in weiteren Projektarbeiten mit neuen Funktionen ergänzt werden kann.
Martin Mumenthaler
Aufgabenstellung
Für den M-Robot ist ein geeignetes Dosenhandling zu entwickeln.
Der Roboter soll an einem Dosenspender eine Dose nehmen und
auf ein Podest zu stellen. Das
Handling soll dabei von einer automatischen Sicherheitstüre verschlossen und alles im Stauraum
des Roboters montiert werden.
Weiter ist eine geeignete Schnittstelle zum Dosenspender zu entwerfen. Sämtliche Komponenten
sind dabei als eine Baugruppe mit
dem Roboter zu verbinden
Realisierung
Die grösste Herausforderung war
der Platz im Roboter. Die Konstruktion am CAD musste immer
wieder angepasst werden. Am
Anfang stellte sich heraus, dass
keine käuflichen Linearachsen
verwendet werden konnten. Sie
mussten daher von Grund auf ent-
Handling mit Sicherheitstüre
216
ti.bfh.ch
worfen und entwickelt werden. Die
Schnittstelle zum Dosenspender
wurde zur nächsten Herausforderung, da hier ein Übergang zu einer noch nicht existierenden Maschine geschaffen werden musste.
Später wurde bekannt, dass noch
weniger Raum für das Handling
zur Verfügung stand, da die Steuerung zwingend mehr brauchte
und die Aussenabmessungen
nicht verändert werden durften.
Zu guter Letzt war da noch die
Türe. Diese muss sich um 180°
drehen beim Öffnen, muss aber
am Anfang gerade aus der Kontur
herausfahren. Hier wurden einige
Versuche mit Kartonmodellen gemacht, bis eine funktionierende
und einfache Lösung gefunden
wurde.
Alles in allem lässt sich meine
Thesisarbeit wie ein Kreislauf
beschreiben: Analysieren des Problems, Entwerfen und Durchden-
ken von Lösungsvarianten und
schliesslich Realisieren als Konstruktion. Dieser Kreis hat sich gedreht, bis jedes noch so kleine
Problem sauber gelöst werden
konnte.
Im Rahmen dieser Thesisarbeit
konnten sämtliche Fertigungsunterlagen wie Zeichnungen und
Stücklisten erstellt und alle zusätzlichen Bauteile beschafft werden.
Nun müssen alle Fertigungsteile
hergestellt und anschliessend
montiert werden. Danach folgt
noch die Inbetriebnahme und die
Implementierung in den M-Robot.
BI BE BU VA
Produktionsanlage für Futterproteine
Verfahrenstechnik / Prof. Dr. Kurt M. Graf
Projektpartner: Dr. agr. Andreas Stamer
Aufgrund des immer grösser werdenden Bedarfs an Futterproteinen für die Fisch- und Nutztierzucht und
infolge des auch darin begründeten stetigen Anstiegs des Fischmehlpreises, ist die Suche nach Alternativen
ein Bestreben vieler Forschungsinstitute und Tierfutterhersteller geworden. Eine der vielversprechendsten
Lösungen ist die Verwendung von Larven der «Black Soldier Fly, BSF» (Hermetia illucens). Das Mehl, welches
aus den sogenannten Präpuppen hergestellt werden kann, weisst Fett- und Aminosäuremuster auf, die
ideal für die Tierernährung sind.
Ausgangslage
Eine Herstellung von Fliegenlarvenmehl im grösseren Massstab
gibt es bisher noch nicht. In Zusammenarbeit mit dem Institut für
biologischen Landbau (FiBL) wurden an der BFH bereits mehrere
Projekt- und Bachelorarbeiten
durchgeführt, die sich mit dem
Bau verschiedener Anlagenbestandteile beschäftigten.
Vorgängige Arbeiten befassten
sich mit der Prozessbeschreibung, Suche nach geeigneten
Aufzuchtsystemen, sowie der theoretischen Entwicklung einer Befütterungsvorrichtung. Eine Kostenabschätzung zeigte, dass die
zuletzt entworfene Anlage nicht
rentabel betrieben werden kann.
Besonders im Bereich der Befütterungsautomation konnte Verbesserungspotential aufgedeckt
werden.
Arbeit
Neue Erkenntnisse aus der Versuchsanlage in Frick dienten der
theoretischen Auslegung einer
neuen Pilotanlage, welche einen
Durchsatz von bis zu 1000 kg
Futtersubstrat pro Tag erlauben
würde.
Um Rentabilität zu erreichen wurde ein neues Konzept für die Produktion erarbeitet. Bereiche der
Aufzuchttechnik der verschiedenen Larvenstadien wurden überarbeitet und optimiert.
Eine genaue Beschreibung des
Produktionsprozesses wurde vorgenommen und die Befütterungsmaschine anhand eines neu erstellten Pflichtenhefts theoretisch
entwickelt. Weitere Bestandteile
der Anlage wurden ebenfalls entworfen und zusammen mit einer
neuen Kostenrechnung die Wirtschaftlichkeit der erarbeiteten Gesamtlösung validiert. Für eine
Grossanlage wurde das neu entwickelte Produktionskonzept auf
mögliche Skalierungseffekte hin
untersucht.
Resultat
Die neu entwickelte Beschickungsmaschine funktioniert vollautomatisch, was zu grossen Zeitund Lohneinsparungen führt.
Für den Hauptfunktionsteil der Beschickungsmaschine konnten zeitig Konstruktionspläne erstellt und
verschiedene Bauteile besorgt
werden. Der Bau des Funktionsmusters wurde jedoch aufgrund
von Engpässen bei der Fertigung
nicht mehr durchgeführt.
Für eine mögliche Grossanlage
wurden Adaptionslösungen erarbeitet.
Die Larvenaufzucht sollte nun aufgrund des neuen Anlagenkonzepts rentabel betrieben werden
können.
ti.bfh.ch
Felix Münster
217
BI BE BU VA
Dieselmotorenprüfstand (BMW M57Tü2)
Energietechnik / Betreuer: Prof. Beat Engeli
Die technische Weiterentwicklung von Dieselmotoren hat in den letzten Jahren enorme Fortschritte gemacht.
Hauptsächlich hinsichtlich Kraftentfaltung, Laufruhe, Kraftstoffverbrauch und Abgasemissionen sind die
Hersteller gefordert, neue, noch bessere Motoren zu entwickeln. Im Rahmen der Bachelor-Thesis wird der
neu aufgebaute BMW-Dieselmotorenprüfstand für ausgedehnte Fahrprogramme bereitgestellt.
Pascal Peter
[email protected]
Ausgangslage
Die Berner Fachhochschule betreibt einen modernen Dieselmotor
auf einem Prüfstand. Beim vorhandenen Motor handelt es sich um
einen Sechszylinder-Dieselmotor
von BMW, welcher die strengsten
Abgasnormen (EURO 6, gültig ab
01.09.2014) erfüllt. Somit gehört
dieser Motor zu den saubersten
Aggregaten unserer Zeit.
Erreicht werden diese tiefen Emissionswerte durch innermotorische
Massnahmen und ein SCR-Abgasnachbehandlungssystem (Selective
Catalytic Reduction). Das SCRSystem wandelt die giftigen Stickoxide (NOx) mit Hilfe von Ammoniak
(NH3) in unschädlichen Stickstoff
(N2) und Wasser (H2O) um.
wurde der mechanische Betrieb
des Motors gesichert und das
SCR-System in Betrieb genommen. Dabei zeigte sich, dass die
nach EURO 6 geltenden NOxEmissionen überschritten werden.
Insbesondere die stark erhöhten
NOx-Emissionen und der hohe
Kraftstoffverbrauch waren auf fällig.
Ziel
Ziel dieser Thesisarbeit ist es, den
vorhandenen Prüfstand für ausgedehnte Fahrprogramme bereitzustellen. Hierfür sind geeignete
Fahrzyklen zu programmieren, ein
Motorkühlsystem auszulegen und
ein Abgasmessgerät zu beschaffen. Zusätzlich ist der Nachweis zu
218
ti.bfh.ch
erbringen, dass der Motor die
EURO 6 Abgasnormen erfüllt.
Ergebnis
Nach intensiver Fehlersuche wurde der Grund für die hohen NOxEmissionen und den hohen Kraftstoffverbrauch gefunden. Der
Luftmassenmesser wurde werkseitig falsch angeschlossen. Darum generierte die Motorsteuerung
einen Ersatzwert und der Motor
lief im Notbetrieb.
Da der vom Vorgängermotor verbaute Plattenwärmetauscher (zum
Abführen der Motorkühlwasserwärme) überdimensioniert war,
wurde eine Energiebilanz des Motors vorgenommen. Anschliessend konnte ein neuer Wärmetauscher ausgelegt und eingebaut
werden. Ein Thermostatventil regelt die Wärmetauscherkühlleistung und somit indirekt auch die
Motortemperatur. Zur Erfassung
des Kühlwasservolumenstroms
wurde ein magnetisch-induktiver
Durchflusssensor verbaut. Die
Kühlwassertemperaturen werden
mit zwei PT100-Sensoren gemessen. Damit lässt sich die abgeführte Wärmeleistung bestimmen.
Die Typenzulassung erfolgt bei heutigen Fahrzeugen mit dem neuen
europäischen Fahrzyklus (NEFZ).
Darum wurde der NEFZ programmiert, ausgetestet und anschliessend verbessert. Erste Fahrversuche zeigten, dass der Kraftstoffverbrauch und die CO2-Emissionen
den Herstelleran gaben entsprechen. Zusätzlich können die Auswirkungen der Fahrweise auf den
Kraftstoffverbrauch mit den beiden
Fahrzyklen Eco und Sport aufgezeigt werden. Die Abgasemissionen
(HC, CO, NOx, Partikel) werden mit
dem neu beschafften Abgasmessgerät von Bosch gemessen.
Ferner wurde Arbeit in das Messdatenerfassungssystem investiert.
Es wurde ein Excelprogramm in
VBA entwickelt. Dieses Programm
dient zur Darstellung der einzelnen
Messwerte und führt Berechnungen durch.
BMW-Dieselmotorenprüfstand
BI BE BU VA
Modulare Antriebseinheit für M-Robot
Mechatronik / Betreuer: Prof. Roland Hungerbühler, Prof. Daniel Lanz, Prof. Walter Güller
Warum ist die Modularität in der Industrie wichtig? Was bedeutet modular? Die Antwort ist einfach! Das Rad
soll nicht immer neu erfunden werden. Durch das Baukastensystem ist man auf dem Markt konkurrenzfähig.
M-Robot ist ein Projekt des Fachbereiches Maschinentechnik an der Berner Fachhochschule TI. Es soll ein
autonomer, mobiler Roboter in sechs zeitgleichen Thesisarbeiten zum Getränkeservieren für die Tech-Days
2012 entstehen. Selbstverständlich ist der Aufbau des Antriebes modular zu erstellen, um in weiteren Projekten das System verfeinern zu können.
Ziel
Zu entwickeln ist ein Roboterantrieb mit gegebener Radanordnung, womit das Fahren einer Kurve möglich ist. Hierbei ist es
zwingend, dass beide Räder mit
unterschiedlicher Geschwindigkeit
drehen. Die Antriebseinheit besteht aus Schrittmotoren mit den
entsprechenden Steuerungen von
der Firma Nanotec. Die übergeordnete Kommunikation mit dem
Mikrocontroller soll via CAN-Bus
erfolgen. Die Software ist mit
der Entwicklungsumgebung CooCox für den Stellaris-Kit EKSLM3S9B92 von Texas Instruments
zu implementieren. Zur Programmierung des Regelungskreises ist
mit dem Real-time Betriebssystem
CoOS von CooCox zu arbeiten.
Umsetzung
Mobile Roboter müssen häufig genaue Bahnen fahren. Um dies zu
ermöglichen, braucht es ein raffiniertes Grundkonzept der Regelung. Der Controller muss fähig
sein, Soll-Geschwindigkeiten für
die Antriebsräder zu empfangen,
um mit Hilfe der Motorensteuerungen den Regelungskreis zu schliessen. Eine übergeordnete Steuerung (z. B. Industrie PC) muss via
CAN-Bus ein Geschwindigkeitsprofil auf beide Räder schicken.
Damit der Roboter seine geplante
Bahn abfährt, vergleicht der Con-
troller seine Soll- und Istgeschwindigkeit. Bei Abweichungen werden die Räder einzeln beschleunigt
oder verzögert. Die Stellgrösse
wird an die Motorensteuerung als
Frequenzsignal übergeben. Somit
lässt sich je nach Gelände, Oberflächenunebenheiten, Schlupf der
Räder oder Lasten auf dem Roboter die Geschwindigkeit beider
Räder regeln.
Antonio Prince
Resultat
Die Antriebsplattform ist aufgebaut und ausgetestet. Der Roboter
kann sich uneingeschränkt bewegen. Sogar eine elegante Kurvenfahrt ist mit diesem Antrieb möglich.
Kurvenfahrt des M-Roboters
ti.bfh.ch
219
BI BE BU VA
Demonstrationsmodell Y-Tisch
Mechatronik / Betreuer: Prof. Ulrich Rettenmund
Die Dynamischen Anforderungen an moderne Fertigungsmaschinen nehmen stetig zu, um immer kürzere
Fertigungszeiten bei zunehmender Bauteilkomplexität zu erreichen. Hersteller von Fertigungsmaschinen
sind deshalb gezwungen, nach neuen Lösungen zu suchen. Die Firma Liechti in Langnau hat deshalb ein
neues Funktionsprinzip eines Positioniersystems patentieren lassen. Bis heute existiert kein Prototyp eines
Maschinentisches mit diesem Konzept. In dieser Bachelorthesis soll deshalb ein Demonstrationsmodell zu
Testzwecken konstruiert werden.
Martin Reuteler
[email protected]
Funktionsprinzip
Der Y-Tisch funktioniert nach dem
Prinzip einer sogenannten Parallelkinematik. Das bedeutet, dass
alle Antriebe direkt «parallel» auf
den Maschinentisch zugreifen.
Der Vorteil eines solchen Systems
ist die geringe bewegte Masse,
weil nur die Plattform verschoben
wird und alle Motoren fest installiert sind. Nachteilig wirkt sich jedoch der grosse Platzbedarf, im
Verhältnis zum geringen Bewegungsbereich, aus.
In dieser Arbeit sind an der Plattform drei sternförmig angeordnete
Linearführungen montiert, weshalb die Positioniervorrichtung YTisch genannt wird. Durch die
Positionierung der Führungswagen auf einer Kreisbahn kann sich
Plattform in X-Y-Richtung bewegen und um die Z-Achse rotieren.
CAD-Modell des Y-Tischs
220
ti.bfh.ch
Zielsetzung und Ausgangslage
Im ersten Entwurf des Y-Tisches
sorgen drei Torquemotoren für die
Positionierung der Führungswagen auf der Kreisbahn. Diese Variante ist aber aufgrund der Torquemotoren sehr teuer und wurde
nicht gebaut. Anstatt das Projekt
Y-Tisch aufzugeben, soll ein neues, günstiges Konzept ausgearbeitet werden. Hierbei bringen drei
Servomotoren der Firma Beckhoff,
anstelle der Torquemotoren, die
Antriebsleistung auf. Ein Zahnriemengetriebe überträgt das Drehmoment auf drei ineinander gelagerte Hohlwellen. Drei Dreharme
verbinden die Führungswagen der
Linearführungen mit den Hohlwellen. Dieses System ist für die Positionierung der Führungswagen
auf einer Rundführung verantwortlich. Diese Rundführung definiert
die Form und Genauigkeit der
Kreisbahn und nimmt die Gewichtskräfte auf. Trotz der günstigeren Herstellungskosten soll das
System eine Beschleunigung von
2g erreichen können.
Ergebnis
Durch systematische Berechnungen der zu erwartenden Kräfte
liessen sich die Antriebskomponenten auslegen. So reduziert sich
die Motorengrösse auf ein Minimum. Die Analyse der Kräfte erlaubt es, zusätzlich die Getriebe,
Riemen und Wellen auszulegen.
Als Ergebnis entstand eine komplette Konstruktion des Y-Tisches.
Die Konstruktion zeigte die
Schwachpunkte des Funktionsprizips auf. Es ist sehr schwierig,
drei Punkte zuverlässig und robust
auf einer Kreisbahn zu bewegen.
Darum ist es wichtig, den Kraftfluss und die Belastungen sorgfältig zu analysieren. Die begrenzenden Elemente sind hierbei die
Dreharme und Drehlager. Für den
Einsatz des Y-Tisches in einer Fertigungsmaschine müssten dort
neue Lösungen entwickelt werden. Eine erste Kostenschätzung
ergab, dass der Tisch in der Herstellung ca. CHF 24’000.– kosten
würde. Erst nach der Thesis wird
der Y-Tisch hergestellt werden.
Maschinentechnik
BI BE BU VA
Strahlcharakterisierung an einer Glasfaser
Lasertechnonogie / Betreuer: Prof. Dr. Valerio Romano, Dr. Andreas Burn
Moderne Glasfasern werden mehr und mehr eingesetzt, um den Strahlentransport vom Laserstrahl erzeugenden Resonator zum Werkstück zu gewährleisten. Dabei sind drei Charakteristiken der Glasfasern sehr
für die Qualität der Übertragung entscheidend. Die Positions- und Richtungsstabilität haben einen Einfluss
auf mögliche Maßhaltigkeit von Laser bearbeiteten Werkstücken. Die Beugungsmasszahl ist mass gebend
für die Fokusierbarkeit eines Strahls.
Ausgangslage
Grundlage der Arbeit war ein
Testaufbau für Glasfasern, welcher mit zwei CDD Kameras ein
Nah- und Fernfeld abbildete. Die
eingesetzten, optischen Bestandteile waren nicht für die Anwendung optimiert und es bestand
kein benutzerfreundliches Userinterface. Die Programmierung für
die Auswertung der Daten musste
überarbeitet werden.
mittelt werden können. Die Software wurde angepasst, damit die
Messung über ein Interface durchgeführt werden kann.
Zum Einsatz kommt, in der Implementierung, die Berechnungsvorgabe der ISO-Norm 11670 für die
Positions- undRichtungsstabilität.
Die Beugungsmasszahl basiert
auf der ISO-Norm 11146 und wurde auch gemäss den darin enthaltenen Formeln umgesetzt.
Ziele
Ziel war der Aufbau eines Messgeräts, welches drei der Hauptcharakteristiken einer Glasfaser
bestimmen kann und dabei ohne
bewegliche Teile auskommt. Dabei
wurde der bestehende Aufbau so
weit optimiert, dass die Positionsstabilität, die Richtungsstabilität
sowie die Beugungsmasszahl er-
Ergebnisse
Die Richtungs- und Positionsstabilitäten lassen sich einwandfrei
bestimmen. Die Beugungsmasszahl hingegen ist sehr heikel. Bereits geringes Streulicht hat, meist
bei Spezialfasern, eine starke verzerrung der Resultate zur Folge.
Die Auswertung der Strahldurchmesser funktioniert dadurch nicht
Komplettes Messgerät
einwandfrei. Das Problem liegt zu
einem grossen Teil an den Fasern,
welche auch Licht im Cladding
transportieren.
Das Ergebnis ist ein handliches
Gerät mit einer guten benutzerfreundlichen Bedieneroberfläche,
welches zwei von drei Aufgaben
gut bewältigt. Eine zusätzliche
Überarbeitung des Programmteils
zur Berechnung der Beugungsmasszahl ist für die zuverlässige
Messung von Spezialfasern notwendig.
Jonas Rohrer
Interner Aufbau
ti.bfh.ch
221
BI BE BU VA
Reinigungssystem für Ink Jet-Druckköpfe
Mechatronik / Betreuer: Karl-Heinz Selbmann
Projektpartner: Polytype SA, Fribourg
Während langen Druckperioden lagert sich Tinte am Druckkopf ab, dies beeinträchtigt die Druckqualität.
Um eine hohe Druckqualität zu gewährleisten, müssen die Druckköpfe ab und zu gereinigt werden. Eine
Reinigung der Druckköpfe ist auch nach längerer Druckpause, bei Farbwechsel und vor der Einlagerung
der Druckköpfe notwendig. Damit der Drucker grössere Aufträge selbständig und ohne Personal erledigen
kann, ist ein automatisches und kontaktloses Reinigungssystem zu entwickeln
Bastian Roth
[email protected]
Ausgangslage:
In einer vorherigen Projektarbeit
wurde bereits ein kontaktloses
Reinigungssystem entwickelt. Die
Lebensdauer des Druckkopfes
wird durch eine kontaktlose Reinigung erhöht, da keine Krafteinwirkung am Druckkopf entsteht.
Nach der Reinigung sollte der
Druckkopf wieder einwandfrei
Drucken.
Ziel:
Das in der Projektarbeit ausgewählte Konzept ist in der Thesisarbeit auszuarbeiten. Mit Versuchen soll die Reinigungsfunktion
nachgewiesen, bewertet und optimiert werden. Das Reinigungssystem ist an einem Grossformatdrucker der Firma Polytype
aufzubauen und in Betrieb zu nehmen, somit kann das System auch
auf die Eignung im industriellen
Umfeld getestet werden.
Tropfenbildung vor der Reinigung
222
ti.bfh.ch
Umsetzung:
Am Anfang der Arbeit wurden alle
benötigten Teile konstruiert. Während der Fertigungsdauer der Teile, konnte der Drucker eingerichtet
werden. Nach der Inbetriebnahme
des Druckers und des Reinigungssystems, folgten die ersten Versuche. Zuerst beschränkten sich die
Versuche auf das Sprühen des
Reinigungsmittels. Mit einer Highspeedkamera wurde das Sprühverhalten von verschiedenen Düsen, Schlitz- und Lochdüsen, bei
unterschiedlichem Sprühdruck
und Sprühdauer, aufgezeichnet
und ausgewertet. Mit diesen Versuchen wurden die Sprühbedingungen ausgewählt: Düse, Sprühdauer und Sprühdruck.
Die Reinigung wird mit einem Testdruck ausgewertet, vor und nach
der Reinigung wird dasselbe Muster Gedruckt. Dadurch ist der Erfolg der Reinigung optisch gut
erkennbar. Das Reinigungsergebnis konnte durch ändern verschiedener Parameter kontinuierlich
verbessert werden. Bei leichteren
Verschmutzungen funktioniert das
Reinigungssystem recht gut. Ist
der Druckkopf stärker verschmutzt, z. B. wenn über Nacht
nicht gedruckt wird, reicht die Reinigung nicht mehr aus. Aus diesem Grund sollte das Reinigungsergebnis kontrolliert werden. Für
den Einsatz ohne personelle Überwachung müsste das Reinigungssystem optimiert werden. Mit einer
Integrierten Kamera könnte das
Reinigungsergebnis kontrolliert
und bei unbefriedigendem Ergebnis weitere Reinigungsschritte eingeleitet werden. Damit wäre eine
komplett automatische Reinigung
möglich.
Tropfenbildung nach der Reinigung
Maschinentechnik
BI BE BU VA
Konzepterstellung eines Sägeblatt-Spannsystems
Maschinenbau / Betreuer: Christian Koblet
Experte: Armin Heger
Projektpartner: Scintilla AG, 4501 Solothurn
Die Robert Bosch GmbH gehört zu den führenden Anbietern von Elektrowerkzeugen in den Bereichen
Industrie, Haus und Garten. Eines der angebotenen Geräte ist die Säbelsäge, welche vor allem von Fachprofis für grobe Arbeiten eingesetzt wird. Ein wesentlicher Bestandteil dieser Maschine ist das Spannsystem,
wobei das Versagen dieses, die häufigste Ursache für den Ausfall der Säbelsäge darstellt. In Zusammenarbeit mit der Scintilla AG, einer Tochtergesellschaft der Bosch-Gruppe, sollte ein neuartiges Konzept zum
Einspannen des ½"-Universalschaftes, passend für die GSA 1300 PCE, entwickelt werden.
Ausgangslage
In der Projektarbeit 2 wurden
bestehende Spannsysteme von
Bosch sowie anderer erfolgreicher
Mitbewerber wie auch die Anwendungen und Einsatzgebiete der
Säbelsägen analysiert. Weiter wurden alle Einflüsse auf die Maschine, insbesondere die einwirkenden
Kräfte ermittelt. Anhand der aufgenommenen Daten wurden dann
mehrere Konzepte von möglichen
neuen Spannsystemen angefertigt. Nach einer Grobauslegung
der drei besten Entwürfe und unter
Berücksichtigung von technischen
sowie wirtschaftlichen Kriterien,
wurde dasjenige mit dem besten
Potenzial ermittelt. Dieses diente
als Grundlage und sollte in der Bachelorthesis ausgelegt und ausdetailliert werden.
Vorgehen
Der Rohentwurf aus der Projektarbeit 2 wurde zunächst ins CAD
übertragen und bezüglich Montage
und Funktion optimiert. Man definierte Belastungsgrenzfälle, wonach die Konstruktion mittels
FEM-Analyse auf ihre Festigkeit
untersucht und angepasst wurde.
Das Spannsystem wurde dann
noch an die gewählten Fertigungsverfahren adaptiert und für diese
optimiert. Mittels Kosten-, Massenund Toleranzrechnungen brachte
man das entwickelte Spannsystem
dann noch in Relation mit den bestehenden Systemen.
Ergebnis
In dieser Bachelorthesis wurde ein
Spannsystem entwickelt, welches
den hohen Anforderungen von
Bosch entspricht und die gesetzten Ziele der Thesis erfüllt. Es ist
eine Lösung entstanden, welche
das Sägeblatt über seitlich geführte Backen, flächenpressend, einspannt und über einen separaten
Stift sichert. Die Besonderheit bei
diesem System liegt aber in der
Ansteuerung dieser Elemente.
Diese werden nämlich über eine
Drehhülse mit unterschiedlichen
Kurvensteigungen bedient. Dadurch, dass der Sicherungsstift
autonom verfährt, erhält man einen kürzeren Bedienweg als bei
den bisherigen Spannsystemen,
was sich direkt in der Baugrösse
niederschlägt. Weiter konnte
durch geometrische Anpassungen
der Spannbacken, dem allgemein
bekannten Problem des Sägeblattschaftbruches entgegengewirkt werden.
(Das entwickelte Spannsystem
befindet sich in der Abklärung zur
Patentanmeldung und darf deshalb, aus Geheimhaltungsgründen, hier nicht abgebildet werden.)
Gino Andrea Rovitti
[email protected]
Bosch GSA 1300 PCE Professional
ti.bfh.ch
223
BI BE BU VA
Zuführsystem zu Raquette-Spaltmaschine
Zuführungsbau / Betreuer: Prof. Heinrich Schwarzenbach
Projektpartner: ETA SA, 2540 Grenchen
In der Uhrwerkfabrik ETA SA in Grenchen werden Werkkomponenten gestanzt, wärme- und oberflächenbehandelt. Einige Teile werden zudem einer Spaltoperation unterzogen. Die Teilezuführung für den Aufspaltvorgang erfolgt mit einer betriebseigenen Vorrichtung. Am Rand eines Vibrationswendelförderers werden
die Teile zur Übergabe an die Stanzmaschine mit Unterdruck positioniert. Dieses System läuft heute nicht
zufriedenstellend und führt zu zahlreichen Produktionsunterbrüchen. Im Rahmen dieser Bachelor Thesis
wurde ein Vibrationswendelföderer konzipiert, welcher ein stabiler Prozess ermöglicht.
Christian Schaller
Ausgangslage
In der vorangehenden Projektarbeit 2 wurden die marktüblichen
Systeme analysiert und bewertet.
Zusätzliche wurden Eigenkonzepte konzipiert und diese auf ihre
Realisierung geprüft. Das favorisierte Konzept soll nun in Form
einer Prototyplösung, welche die
Prozessstabilität des Zuführens
der Teile zur Spaltmaschine gewährleistet, realisiert werden.
Vorgehen/Funktion
Es zeigt sich, dass sich die Auswahl für das optimale Lösungsprinzip nur mit empirischen Werten ermitteln lässt. Das Bewerten
der ausgewählten Lösungsvarianten erfolgte somit parallel zu deren
Umsetzung nach dem trial and
error Prinzip. Somit konnten die
jeweiligen Teillösungsprinzipien
224
ti.bfh.ch
nach den jeweiligen Versuchen
realistisch bewertet werden. Es
wurden mechanische Sortierelemente und pneumatische Vorrichtungen konzipiert, welche die korrekte Lageposition der Teile beim
Verlassen des Vibrationswendelförderes sicherstellen. Das Detektieren der Teile erfolgt in der Pick
Zone der linearen Endschiene des
Förderers. Das Erfassen wird mittels eines Vakuumsensors getätigt. Von der Pick Zone werden die
Teile über einen UNIMEC Lader
mittels Vakuum abgenommen und
zur Spaltvorrichtung befördert.
Das Testen des Vibrationswendelförderers erfolgte auf der betriebsinternen Testanlage. Auf dieser konnten sämtliche Zyklen der
verschiedenen
Arbeitsschritte
getestet werden. Diese Ergebnisse konnten somit unter denselben
Bedingungen ermittelt werden,
wie diese auch in der Produktion
vorherrschen. Die dazu benötigte
Beckhoff Steuerung wurde geschrieben und getestet. Der Verlauf des Arbeitsverhaltens ist nach
den internen Vorgaben in einem
Protokoll für das Arbeitsverhalten
beurteilt und dokumentiert.
Resultat
konnte ein Vibrationswendelförderer konzipiert, realisiert und getestet werden, welcher das geforderte Bearbeitungsvolumen von
25Stk./min erfüllt. Somit kann das
nach Anforderungsliste geforderte
Bearbeitungsvolumen im geforderten Zeitrahmen abgearbeitet
werden. Die Dokumentation enthält alle fertigungsrelevanten Informationen.
Maschinentechnik
BI BE BU VA
Leckage- und Verbindungsprüfung
Energietechnik / Betreuer: Prof. Beat Engeli, Dr. Martin Treiber
Projektpartner: Alstom (Schweiz), Birr
Zur Weiterentwicklung Ihrer Grossgasturbinen betreibt die Firma Alstom ein Testzentrum. Sensoren messen
während dem Betrieb die Parameter in der Turbine. Zu den wichtigsten erfassten Daten gehört der Druck.
Die Drucksensoren befinden sich nicht direkt in der Turbine. Vom Ort der Messung führt immer eine Leitung
zu den Sensoren. Diese Leitung kann aus mehreren Teilstücken bestehen und zusammengesetzt 30 Meter
lang sein. Das entwickelte Gerät stellt sicher, dass die Leitung dicht ist und auf den richtigen Sensor führt.
Ausgangslage
In mehreren vorhergehenden Projektarbeiten ist ein Gerät entstanden, das die Druckleitungen mit
Stickstoff füllt und den Druck in
der Leitung aufzeichnet. Das Gerät schliesst an die Leitung an der
Stelle an, wo diese aus dem Turbinengehäuse austritt. Am anderen Ende der Leitung zeichnen die
fest installierten Sensoren den
Druck auf. Bei der Übernahme der
Arbeit, war das Gerät bereits in
der Lage einen Verschaltungstest
durchzuführen. Das heisst festzustellen, ob für die angeschlossene
Leitung der richtige, fest installierte Drucksensor einen Druckanstieg registriert. Zudem konnte
das Programm bereits den Druckabfall aufzeichnen und dokumentieren. Jedoch war das Gerät noch
nicht voll einsatzfähig, weil die interne Leckage noch zu gross war
und das steuernde Programm
noch keine genaue Auswertung
durchführt.
Ziel
Das Ziel dieser Thesisarbeit ist es,
das bereits existierende Gerät zu
verbessern. Ein Fokus liegt dabei
in der Minimierung der Leckage,
die das Prüfgerät hat. Mehrere
noch nicht umgesetzte Funktionen
sollen die Steuerung ergänzen.
Zum Beispiel soll das Programm
nach möglichst kurzer Zeit und mit
hoher Zuverlässigkeit bestimmen,
ob die Leitung dicht genug ist.
Weiter soll das Gerät Gewicht verlieren und an Kompaktheit gewinnen.
Umsetzung
Im ersten Teil der Arbeit ist mit
Messungen bestimmt worden, wie
sich der Druck in der Leitung nach
dem Füllvorgang verhält. Die Messungen erfolgten mit verschiede-
nen Leitungslängen, Leitungsmaterialien und auf mehreren
Druckniveaus. Es ist nachweisbar,
dass der Druck sich in den ersten
Sekunden aufgrund von Temperangleichungen noch verändert.
Die Kenntnisse über diese Effekte
helfen, die Messung nach möglichst kurzer Zeit abzuschliessen.
In einem weiteren Schritt erfolgten
Änderungen an der Architektur
des Gerätes. Die Anzahl der eingebauten Ventile ist kleiner als zuvor und ein Teil der alten, durch
Magnetspulen betätigten Ventile,
ist mit pneumatisch angetriebenen
Ventilen einer höheren Dichtigkeitsklasse ersetzt. Die Leckage
nahm aufgrund der Umbauarbeiten ab und liegt jetzt auf einem
akzeptablen Niveau. Die pneumatischen Ventile erwärmen, im Gegensatz zu den vorher eingesetzten Magnetventilen, die Luft nicht
und führen zu keiner Verfälschung
der Messung. Das Gewicht des
Gerätes reduzierte sich leicht. Am
Ende der Arbeit sind Ideen entstanden, die das Gewicht weiter
reduzieren könnten.
ti.bfh.ch
Simon Schär
[email protected]
225
BI BE BU VA
Anbauraum Stelzentraktor Ohard
Produktentwicklung / Betreuer: Prof. Christian Koblet
Projektpartner: Hinterland International AG, 6152 Hüswil
Die Hinterland International AG entwickelt, produziert und vertreibt Geräteträger für Sonderkulturen. Gegenwärtig wird mit dem Ohard ein Spezialtraktor für den Weinbau entwickelt. Der Ohard ermöglicht dem
Benutzer zwischen den Reben zu fahren. Durch hydraulische Stützen kann er sich unterschiedlichen Hangneigungen anpassen. Um verschiedene Bodenbearbeitungen durchzuführen, wurde im Rahmen dieser
Bachelor-Thesis ein System entwickelt, welches am Traktor angebaut werden kann.
Michael Schori
[email protected]
Ausgangslage
In einer vorangegangenen Projektarbeit wurden die Rahmenbedingungen für die Bachelor-Thesis
festgelegt. Um die Arbeitsgeräte am
Traktor anzubauen, sollte ein Geräteträger entwickelt werden, welcher
mit dem Ohard gekoppelt werden
kann. Durch die enge Zusammenarbeit mit der Hinterland International AG wurde eine praxisgerechte
Konstruktion gewährleistet.
Vorgehen/Funktion
Da die Anbaugeräte vorwiegend der
Bodenbearbeitung dienen und die
Rebenabstände im Weinbau meist
stark variieren, musste eine Vorrichtung konstruiert werden, welche
eine Breitenverstellung ermöglicht.
Um die Bearbeitungstiefe einzustellen und eine Strassenfahrt zu ermöglichen, wurde zusätzlich ein
Hubsystem entwickelt. Die Breitenverstellung erfolgt über zwei Verschiebeeinheiten. In diesen sind
Der Ohard
226
ti.bfh.ch
seine Hauptachse schwenkbar gelagert. Die Bodenanpassung erfolgt
über Tasträder. Da die einzelnen
Arbeitsgeräte
unterschiedliche
Kräfte verursachen, wurden diverse
Tabellen mit den auftretenden Bodenbearbeitungskräften erstellt.
Der Benutzer muss somit selber
entscheiden, welche Gerätekombinationen zulässig sind, damit die
Bauteile nicht überlastet werden.
Komplettes System
jeweils zwei Zahnstangen gegenüberliegend angeordnet. Durch einen Hydraulikmotor, welcher die
Zahnräder antreibt, werden die
Zahnstangen gegeneinander verschoben. Die beiden Verschiebeeinheiten sind über eine Kette miteinander verbunden. So ist nur ein
Hydraulikmotor notwendig und ein
Verkanten der Profile wird vermieden. Das Hubsystem wird an den
Trägern des Traktors befestigt. Die
Höhenverstellung erfolgt über eine
Parallelführung mit zwei Zylindern.
Dadurch, dass die beiden Hubsystemseiten miteinander verbunden
sind, wird ein paralleler Hub gewährleistet. Damit der Geräteträger
demontierbar ist, wurde ein geeignetes Koppelsystem entwickelt. Am
Hubsystem befinden sich dazu
Schlitzplatten und Lochplatten.
Über drei Bolzen, welche sich am
Geräteträger befinden, wird die Verbindung hergestellt. Damit sich der
Geräteträger den unterschiedlichen
Geländen anpassen kann, ist er um
Resultat
In der Bachelor-Thesis wurde die
Grundlage für den Bau eines Prototyps gelegt. Anhand der erstellten
CAD-Daten können die Fertigungszeichnungen für die Bauteile erstellt
werden. Die Dokumentation beinhaltet alle fertigungsrelevanten Informationen.
BI BE BU VA
Antrieb zu progressiver Fahrzeuglenkung
Mechatronik / Betreuer: Prof. Roland Hungerbühler
Projektpartner: Inevotec GmbH, Aegerten
Die Sicherheit im Strassenverkehr gewinnt zunehmend an Bedeutung. Wir sind dafür verantwortlich und
müssen dazu beitragen, Unfälle zu verhindern. Eine progressive Fahrzeuglenkung kann die Sicherheit im
Strassenverkehr erhöht. Die heutigen Autolenkungen sind so gebaut, dass sie einen Kompromiss zwischen
Komfort und Lenkkraft darstellen. Das Konzept für eine progressive Autolenkung, die jeglichen Komfort für
alle Fahrerinnen und Fahrer bietet, dabei keine Kompromisse bei der Lenkkraft eingeht und zudem noch
die Sicherheit im Strassenverkehr erhöht, ist das Thema dieser Thesis.
Ziel
Eine neue Grundidee einer Fahrzeuglenkung mit frei programmierbarer Übersetzung ist im Rahmen
einer Thesis umzusetzen. Dazu ist
ein Funktionsmuster als Labormodell zu konzipieren und aufzubauen. Das Labormodell setzt
hinterlegte Übersetzungen mit
Progression umsetzen um. Damit
kann der Fahrbetrieb in einem
Fahrzeug simuliert werden.
Grenzen
Das Labormodell zeigt die Grenzen der Progressivität auf und gibt
einen Vergleich zu den heutigen
Lenksystemen. Das Funktionsmuster wird das Fahrgefühl in einem Fahrzeug nicht wiedergeben
können.
Resultat
Das Labormodell erfüllt die geforderten Ansprüche. Messungen
mittels Messlenkrad und Wegsensor haben gezeigt, dass die Funktionalität und Machbarkeit der
neuen Lenkung umsetzbar ist. Die
Konstruktion gibt eine feinfühlige
haptische Rückmeldung an den
Lenker.
Daniel Schranz
[email protected]
Progressive Lenkübersetzung
ti.bfh.ch
227
BI BE BU VA
TriSha Neigetechnik und Steuerung
Maschinentechnik / Betreuer: Prof. Dr. Kenneth J. Hunt
Aufgrund des enormen Anstiegs des weltweiten CO2-Ausstosses und einer drohenden Verknappung von
fossilen Brennstoffen, erhalten Transportmittel wie elektrisch unterstützte Fahrräder immer grössere Bedeutung. Diese bieten eine hervorragende Alternative im Nahverkehr und besitzen vielfältige Einsatzmöglichkeiten. Diese Möglichkeiten sollten auch älteren Leuten oder Personen mit Gleichgewichtsproblemen
zur Verfügung stehen.
Christian Siegenthaler
Ausgangslage
Zum Transportieren von kleinen
Lasten oder Einkäufen sind viele
Leute schon auf kurzen Strecken
auf ein Auto angewiesen. Sie können dies Aufgrund von körperlichen Einschränkungen nicht mit
einem Fahrrad oder zu Fuss erledigen. Auf Grund dieser Erkenntnisse entstand die Idee ein elektrisch Betriebenes Dreirad mit einer
speziellen Neigetechnik zu entwickeln. In mehreren vorangehenden Projektarbeiten wurde am
IRPT (Institut for Rehabilitation an
Performance Technology) der
BFH-TI ein Prototyp für ein solches
Dreirad erstellt. Dieser konnte bereits ausgiebig getestet werden,
wobei einige Mängel in der Benutzung erkannt wurden, welche nun
behoben werden müssen.
Ziel
Die Hauptaufgaben dieser Diplomarbeit waren, die Neigetechnik
CAD- Entwurf TriSha
228
ti.bfh.ch
des Versuchsaufbaus zu überarbeiten und diesen zudem mit einem leistungsstärkeren Antrieb
auszurüsten. Der Generator, welcher für die Energierückgewinnung zuständig war, soll durch
einen regulierbaren Motor ersetzt
werden. Zudem musste auch die
bestehende Geschwindigkeitsregulierung, welche über die Trittfrequenz gesteuert wird, an den neuen Antriebsaufbau angepasst
werden.
Vorgehen
Nach erhalten der Zielvorgabe
wurde als erstes ausgiebig recherchiert, wie die Probleme der bestehenden Neigetechnik behoben
werden könnten. Nach diesen Recherchen wurden verschiedene
Konzepte erstellt und miteinander
verglichen. Das Konzept mit dem
grössten Potenzial, in welchem die
Federung mit Gasdruckfedern realisiert und zusätzlich eine flexible
Radaufhängung vorgesehen wird,
wurde anschliessend konstruktiv
ausgearbeitet und am Prototyp
umgesetzt. Gleichzeitig wurden
neue Komponenten für den Antrieb ausgelegt. Nach dem Umbauen und Testen der Neigetechnik
und
einigen
kleineren
Nachbearbeitungen, wurde die
Antriebseinheit umgebaut. Nach
Abschluss der Montagearbeiten
wurden als letztes noch die Elektronik und die Programmierung
des Mikrocontrollers angepasst.
Für die Neuimplementierung der
Regelung fehlte jedoch die Zeit.
Ergebnisse
Wie gewünscht konnte die Neigetechnik optimiert werden. Durch
den Einbau von Gasdruckfedern
und einer flexiblen Radaufhängung wird ein angenehmes Fahrgefühl erreicht. Auch der Umbau
der Antriebseinheit war ein Erfolg,
da mit dem Dreirad nun auch grössere Steigungen problemlos
überwunden werden können. Die
Regelung des Drehmomentes an
den Pedalen konnte realisiert werden, ist jedoch noch verbesserungswürdig. Auch im Bereich der
Geschwindigkeitsregelung ist sicher noch viel Potential vorhanden. Das Dreirad lässt sich aber
relativ gut mit den bestehenden
Einstellungen fahren.
BI BE BU VA
Entwicklung einer elektrischen Querpresseinheit
Mechatronik / Betreuer: Markus Zimmermann
Experte: Peter Knobel
Projektpartner: Osterwalder AG, Lyss
Sind präzise und hochkomplexe Bauteile in hohen Stückzahlen gefordert, so können diese mittels Pulverpressen wirtschaftlich hergestellt werden. Der aktuelle Trend in der Pulvermetallurgie distanziert sich von
hydraulischen Antrieben und geht hin zu Elektroantrieben. Die stark tiefere Leistungsdichte von Elektroantrieben stellt die Hersteller von Pulverpressen vor grosse Herausforderungen. Bei gleichbleibendem
Bauraum müssen Pressen entwickelt werden, welche die gewohnt hohe Produktionsleistung und Qualität
sicherstellen.
Problemstellung
Die Osterwalder AG in Lyss entwickelt und fabriziert Pulverpressen. Für das Herstellen von Sinterteilen mit Hinterschneidungen
oder Querlöchern benötigt die
Maschine zusätzliche Module, die
90° zur Hauptpressrichtung angeordnet sind. Diese sogenannten
Querpressmodule werden heute
hydraulisch betrieben. Aufgrund
von neuen, rein elektrischen Pulverpressen entstand das Bedürfnis, die Querpresseinheit ebenfalls
elektrisch zu betreiben. Die Notwendigkeit eines Aggregats entfällt dadurch. Zudem ist die Regelung der Elektromotoren um ein
Vielfaches besser als die eines
hydraulischen Antriebs.
Zielsetzung
Ziel war es, eine elektrisch betriebene Querpresseinheit zu entwickeln, welche die bisherige hydraulische Lösung ersetzt. Im
Rahmen der Bachelorthesis wurden verschiedene Konzepte verglichen und weiterentwickelt. Die
vielversprechendste Variante wurde danach ausgewählt und detailliert.
Ergebnis
Die ausgearbeitete Variante der
Querpresseinheit übersetzt die
Kraft mittels Hebelgelenk auf eine
Spindel. Angetrieben wird die
Spindel über einen Schrittmotor.
Dank dem exponentiellen Übersetzungsverhältnis ist die Einheit
fähig, auf kleinstem Raum hohe
Kräfte zu erzeugen und dennoch
die hohen Verfahrgeschwindigkeiten bereitzustellen.
Der erarbeitete Entwurf erfüllt bis
auf wenige Einschränkungen alle
Anforderungen. Der modulare Aufbau der Querpresseinheit erlaubt
es, die Anzahl an Achsen frei zu
definieren. Die Einheit kann eine
Längsverschiebung bei gleichzeitiger Querverschiebung ausführen. Dies war mit dem bisherigen
Modul nicht möglich. Die Lagerstellen und Führungen sind so gewählt, dass sie die Regelung minimal beeinträchtigen. Erreicht
wurde dies, indem ein kleinstmöglicher Unterschied zwischen Haftund Gleitreibung sowie eine möglichst spielfreie Übersetzung
angestrebt wurde. Mit dem eingesetzten Schrittmotor können Positionen im Mikrometerbereich angefahren werden. Aufgelöst wird
der Presshub über ein Längenmesssystem direkt am Stempelhalter. Die Produktionskosten
konnten gegenüber dem hydraulischen Modul um 1000 CHF gesenkt werden. Grund dafür ist der
hohe Anteil an Ankaufsteilen.
Trotz einer durchschnittlich fünfmal tieferen Leistungsdichte der
Elektrik gegenüber der Hydraulik,
konnte eine kompakte und funktionsfähige Querpresseinheit entwickelt werden, die in die Pulverpresse eingebaut werden kann.
Michael Sollberger
[email protected]
Querpressmodul
ti.bfh.ch
229
BI BE BU VA
Optimierung eines Hydrozyklones
Maschinentechnik / Betreuer: Lukas Moser
Für das Projekt greenCarb werden seit einigen Jahren an der Berner Fachhochschule Anlagen entwickelt,
welche Biomasse mittels hydrothermaler Karbonisation (HTC) oder Pyrolyse in Kohle umwandeln. Als Produkt aus dem HTC-Reaktor entsteht ein Kohleschlamm. Nach einer Filterung, die das Grobgut abtrennt,
erhält man eine Suspension aus Wasser und feinsten Kohlepartikeln. Um diese Partikel abzuscheiden
wurde eine Versuchsanlage mit einem Hydrozyklon gebaut. Die Abscheideleistung dieser soll mittels Simulationen verbessert werden.
Nils Trachsel
Der Hydrozyklon gehört zu den
Fliehkraftabscheidern und wird
industriell eingesetzt um Feststoffpartikel aus Suspensionen abzuscheiden. Durch den tangentialen
Einlauf wird das Aufgabegut in
einem abwärtsgerichteten Wirbel
in den konischen Teil geleitet. In
der Verengung des Querschnitts
wird Fluid nach innen verdrängt
wo sich ein zweiter, aufwärtsgerichteter Wirbel bildet, der durch
den Oberlauf austritt. Durch die in
den Wirbeln auftretenden Fliehkräfte bewegen sich Partikel zur
Zyklonwand und werden durch
den Unterlauf ausgetragen. Die
Geometrie und Betriebsparameter
wie Druckabfall oder Volumenstrom beeinflussen dabei Kennwerte wie die Grösse der kleinsten
abgeschiedenen Partikel und die
Massenverteilung.
Die aus dem HTC-Verfahren entstehende Suspension wurde bisher entweder direkt der Kanalisation zugeführt oder noch gelagert.
Mit Hilfe eines Hydrozyklons soll
der Anteil an Feststoff im Wasser
erhöht werden, um eine Trocknung rentabel zu machen.
Die Geometrie des Versuchszyklones wurde mit empirisch ermittelten Formeln aus der Literatur
ausgelegt. Eine erste Versuchsreihe zeigte, dass die Feststoffkonzentration am Unterlauf nur
unwesentlich über der Aufgabe-
230
ti.bfh.ch
suspension liegt. Um aufwändige
Umbauten und Versuchsreihen zu
vermeiden, soll der Trennvorgang
durch numerische Strömungssimulation (CFD) simuliert und optimiert werden.
Die Strömungszustände in einem
Zyklon sind sehr komplex und instationär, um dies korrekt abzubilden wird mit Turbulenzmodellen
höherer Ordnung (LES) in Zeitschritten simuliert. Der Rechenaufwand und die Berechnungszeit
werden dadurch sehr gross. Die
Strömungen reagieren sehr sensibel auf Veränderungen der Randbedingungen, genaue Ergebnisse
sind nur mit genauen Vorgaben
erreichbar.
Um die Ergebnisse mit Messungen überprüfen zu können, wurden mit einer Probesuspension
Versuchsreihen durchgeführt an
denen die Betriebsparameter und
Partikelverteilungen ermittelt wurden. Die Drücke und Volumenströme der kontinuierlichen Phase
konnten validiert werden. Der Abscheidevorgang der Partikel und
die Grössenverteilungen werden
vom angewendeten Diskretphasenmodell aber nicht korrekt dargestellt.
Durch die Erfahrungen aus den
Simulationen und dem Vergleich
mit Mess- und Literaturdaten wurde die gesamte Anlage überarbeitet. Änderungen an den Armaturen führten bereits mit der
bestehenden Anlage zu erheblichen Verbesserungen. Mit den
gemachten Konstruktionverschlägen zur optimierung der Geometrie wird ein zweites Funktionsmuster hergestellt. Dieses soll
zusammen mit einer neuen Pumpe
die einen grösseren Einsatzbereich ermöglicht als Grundlage für
weitere Optimierungen dienen.
Porträt f
BI BE BU VA
Entgratung von gesinterten Keramikspritzgussteilen
Produktentwicklung / Betreuer: Dipl. Ing. Giuliano Soldati
Projektpartner: SPT, Lyss
Die SPT Roth-Gruppe fertigt in Lyss, in den USA und in Asien mit dem Verfahren des Mikrospritzgiessens
Präzisionswerkzeuge sowie andere komplexe Teile in technischer Keramik.
Die Feinkeramik liefert heutzutage erstklassige Lösungen für schwierige technische Herausforderungen, die
mit herkömmlichen Werkstoffen nicht erreicht werden können. Dank der guten Reproduzierbarkeit der
Fertigungsprozesse können Teile aus diesem vielseitigen Werkstoffe auf wirtschaftliche Weise in komplexer
Formen und in grossen Mengen hergestellt werden.
Ausgangslage
Die Produktion von Präzisionswerkzeugen in Keramik stellt hohe
Anforderungen an die Qualität. Teile mit optischen Auffälligkeiten, wie
Kratzer, Graten, Einschlüssen oder
Abplatzungen werden vom Kunden nicht akzeptiert. Dies macht
zum Teil auch bei einem Verfahren
wie dem Spritzgiessen gewisse
Nacharbeitsprozesse notwendig.
Ein regelmässig auftretender Fehler bei gespritzten Teilen sind Grate an der Trennebene. Sie werden
durch zunehmenden Werkzeugverschleiss in der Serienfertigung
begünstigt. Nach dem Sintern
bleiben dadurch feine und von
Hand meist leicht zu entfernende
Schwimmhäute zurück. Da das
manuelle Entfernen dieses Fehlers
höchst unwirtschaftlich ist und die
heute eingesetzten maschinellen
Methoden bei Teilen mit sehr kleinen Geometrien nicht genügend
effizient sind und filigrane Teile sogar beschädigt können, wird nach
geeigneten Alternativen gesucht.
Ziel
Ziel dieser Thesisarbeit war es,
einen Prozess zu entwickeln, mit
welchem Grate und Schwimmhäute an gesinterten Keramikteilen
beliebiger Geometrie wirtschaftlich entfernt werden können. Der
neue Entgratungsprozess deckt
eine grosse Vielfalt der Keramikteile ab und ist so ausgelegt,
dass eine Automation der Anlage
in einem nächsten Schritt realisiert
werden kann. Die wirtschaftlichste
und technisch beste Lösung wird
anschliessend dem Kunden präsentiert
Ansicht Zahnbracket ohne Grat und
Schwimmhaut
Vorderansicht Zahnbracket
Umsetzung
Für die auf den Kunden ausgerichtete Lösung, wurden aufgrund von
Analysen zwei Bearbeitungsprozesse definiert. Mit den verschiedenen Prozessen wurden praktische Tests durchgeführt. Die
Resultate wurden analysiert und
ausgewertet.
Ergebnis
Mehrere Testdurchgänge zeigen,
dass die beiden gewählten Entgratungsprozesse die Erwartungen des Kunden vollumfänglich
erfüllen.
Der eine Prozess überzeugt mit
einer optimalen Entgratung der
Spritzgussteile ohne Oberflächenverletzung und Kontamination mit
Metall oder Ähnlichem. Der Prozess ist einfach zu bedienen und
kostengünstig. Die Grate werden
mechanisch entfernt.
Der andere Prozess besticht mit
seiner Einfachheit. Die Grate und
Schwimmhäute werden durch
thermische und chemische Einflüsse entfernt.
Um die Wirtschaftlichkeit der Prozesse beurteilen zu können wurde
eine Investitionsrechnung durchgeführt.
Am Ende wurde der Firma SPT
eine Lösung präsentiert, die die
gestellten Anforderungen technisch wie auch wirtschaftlich am
besten erfüllt.
Winh Truong
[email protected]
Zahnbracket mit Grat und Schwimmhaut
ti.bfh.ch
231
BI BE BU VA
Entwicklung einer Trainingsplattform
Produktentwicklung / Betreuer: Prof. Dr. Kenneth J. Hunt
Projektpartner: Institut für Rehabilitation und Leistungstechnologie, BFH TI Burgdorf
Um sich gezielt zu bewegen, braucht der Mensch viele verschiedene Fähigkeiten. Selbst einfache Bewegungen können nur durch ein Zusammenspiel von kognitiven, konditionellen und koordinativen Fähigkeiten
geschehen. Diese Fähigkeiten sind trainierbar und hängen stark von den körperlichen Voraussetzungen ab.
Im Verlauf einer Rehabilitation müssen die verlorenen Fähigkeiten wieder trainiert werden. Vibrationstraining
und Gleichgewichtsübungen haben in der Rehabilitation von Verletzungen der unteren Extremitäten einen
hohen Stellenwert erlangt.
Rolf von Ballmoos
[email protected]
232
Ausgangslage
Die Bewegungsabläufe im Körper
sind oft viel komplexer, als sich das
viele von uns vorstellen können. Der
Mensch braucht viele Fähigkeiten,
um eine gezielte Bewegung auszuführen. Diese Bewegungen geschehen bei gesunden Menschen meist
unbewusst. Bei Verletzungen können plötzlich einfachste Tätigkeiten
nicht mehr ausgeführt werden. Sind
dabei Bänder und Gelenke betroffen, welche für die Stabilisation des
Körpers zuständig sind, kann das
verheerende Folgen haben. Diese
Verletzungen werden meist durch
Operationen und anschliessende
Physiotherapie kuriert. Die Physiotherapie kann sich je nach Verletzung über mehrere Monate hinziehen. Um diese Zeit zu verkürzen
und die kognitiven, konditionellen
und koordinativen Fähigkeiten
schneller wieder zu erlangen, wird
vermehrt auf Vibrations- und
Gleichgewichtstraining gesetzt.
ti.bfh.ch
Umsetzung
Das ausgewählte Konzept basiert
auf dem Kippen der Standplatte
über zwei, um 90 Grad versetzte
Achsen. Die Standplatte wird
durch zwei Motoren via Kurbelzapfen und Stössel in Schwingung
versetzt. Die beiden Motoren, sowie die Lagerungen und Stösselhalterungen befinden sich auf einer Art Gondel, welche im inneren
Rahmen aufgehängt ist. Diese
Aufhängung ermöglicht das Kippen über die erste Achse. Der Innenrahmen wird in einem weiteren
Rahmen gelagert. So erfolgt das
Kippen über die zweite Achse. An
der Standplatte befinden sich die
beiden Stössel, welche beim Zusammenbau direkt auf den Kurbelzapfen zu liegen kommen. Um
die Sicherheit der Anwender zu
gewährleisten, musste die Trainingsplattform mit Schutzblechen
und Abdeckungen versehen werden.
Ergebnis
Als Resultat entstand ein Trainingsgerät, welches eine Vibrationsplattform mit einer Gleichgewichtsübung kombiniert. Die
Trainingsfrequenzen können direkt
über die Drehzahl der Motoren gesteuert werden. Die Motoren können synchron, wie auch gegengleich drehend betrieben werden.
Das Trainingsgerät bietet die Möglichkeit stochastische Schwingungen zu erzeugen, was nur bei wenigen Produkten auf dem Markt zu
finden ist. Die verschiedenen Arten von Vibrationen haben unterschiedliche Einflüsse auf die Effizienz des Trainings. Die Amplitude
der Schwingung beträgt 10 Millimeter und die maximale Frequenz
75 Hz. Der Schwierigkeitsgrad der
Gleichgewichtsübung kann über
einen Verstellmechanismus dem
Können des Benutzers angepasst
werden.
BI BE BU VA
Ausknöpfen von Nietverbindungen
Maschinentechnik / Betreuer: Beat Schmied
Projektpartner: CADFEM Suisse AG und Industriepartner
Ausknöpfen von mechanischen Verbindungsmitteln (Nieten, Schrauben etc.) beschreibt die Versagensart,
bei der sich aufgrund reiner Zugbeanspruchung das zu verbindende Material soweit elastisch und plastisch
verformt, bis es über den Kopf des Verbindungsmittels rutscht.
Der Industriepartner möchte den von Eurocode 3 vorgeschriebenen, experimentellen Nachweis der Ausknöpffestigkeit bei tragenden Strukturen mittels durch Versuche verifizierten FEM-Simulationen effizienter
gestalten.
Ausgangslage
Ausgangslage:
Das Regelwerk für Stahlkonstruktionen im Bauwesen, der Eurocode 3, bildet die Grundlage zur
Auslegung von tragenden Strukturen. Zur Ermittlung der Grenzzugkraft für Ausknöpfen schreibt
der Eurocode 3 vor, dass dies
durch einen experimentellen
Nachweis zu erfolgen hat.Da ein
experimenteller Nachweis aufwändig und kostenintensiv ist, gab der
Industriepartner bis anhin den
Festigkeitsnachweis bei einem externen Ingenieurbüro in Auftrag.
Dieses hat die Ausknöpffestigkeit
mittels FEM-Simulationen im
Hook’schen (elastischen) Bereich
der Komponenten ermittelt. Der
Industriepartner möchte nun den
Nachweis intern führen.
Ziel dieser Thesis war, Grundlagen
für FEM-Simulationen im elastischen und plastischen Bereich der
Komponenten für die Nachweisführung zu erarbeiten und durch
Versuche zu verifizieren.
Vorgehensweise:
Zusammen mit dem Industriepartner erfolgte die Definition der Versuchsreihen (4 Niettypen mit 3
Stahlblechdicken). Die Zugprobengeometrie und Einspannvorrichtung entsprachen dem Versuchsaufbau nach Klee/Seeger.
Für die Simulation ist die Geometrie des gesetzten Niets durch Vermessen von erzeugten Schliffbildern nachmodelliert worden. Für
plastische Berechnungen benötigt
das FEM-Programm ANSYSWorkbench zusätzlich die Fliesskurven des entsprechenden
Werkstoffs. Die Fliesskurven der
verwendeten Stahlbleche waren
durch Normzugversuche zu ermitteln.
Zur Verifizierung der Simulation
sind auf der Zugmaschine die
Kraft-Weg-Verläufe aufgenommen
worden. Durch Vergleichen der
Ergebnisse der Versuche mit denen der Berechnungen waren die
sensitiven Parameter in der Simulation zu evaluieren.
Ergebnisse:
Die aus dem Normzugversuch bei
verschiedenen Blechdicken, jedoch gleichem Werkstoff, ermittelten Fliesskurven ergaben unterschiedliche Verläufe. Aus diesem
Grund ist für die Simulation das
Materialmodell in Abhängigkeit
der Blechdicke zu wählen.Dank
unterschiedlichen Versagensarten
(Schaftbruch und Ausknöpfen am
Schliesskopf) bei verschiedenen
Blechdicken im Zugversuch sind
wichtige Versuchsdaten zur Verifizierung der Simulationen gewonnen worden.
Mit der Simulation konnte das
nichtlineare Materialverhalten gut
nachgestellt und durch eine Sensitivitätsanalyse optimal an den
Versuch angenähert werden. Das
Versagenskriterium in der Simulation wurde wie folgt definiert:
Überschreitet die berechnete
plastische Vergleichsdehnung am
Stahlblech, die aus der Fliesskurve ermittelten plastischen Gleichmassdehnung, ist die Grenzzugkraft für das Ausknöpfen erreicht.
Lukas Weder
[email protected]
FEM-Simulation plastische Vergleichsdehnung
ti.bfh.ch
233
BI BE BU VA
Modularer M-Robot – Ansteuerung des Roboters
Modularer M-Robot – Ansteuerung des Roboters / Betreuer: Prof. Roland Hungerbühler
Experte: Prof. Dietmar Kramer
Mit dem M-Robot will der Fachbereich Maschinenbau der Berner Fachhochschule einen modular aufgebauten Roboter präsentieren. Durch den modularen Aufbau kann der Einsatz des Roboters beliebig
angepasst oder erweitert werden. Der mobile Roboter wird als Werbeobjekt an Informationsveranstaltungen
und Ausstellungen aufgestellt. Der M-Robot hat die Aufgabe Getränke zu servieren.
Christian Wegmüller
[email protected]
Ziel
Der Roboter besteht aus verschiedenen Teilsystemen, welche über
CAN Kommunizieren. Des einen
die Navigation welche die aktuelle
Position liefert, der Antrieb welcher mit Geschwindigkeitsvorgaben angesteuert wird, das
Handling welches auf Befehl verschiedene Greifaktionen durchführt. All diese Teilsysteme müssen durch einen Hauptrechner
angesteuert werden. Der Hauptrechner ist somit das Gehirn des
Roboters
Systemaufbau
Die Teilaufgaben werden auf vier
Mikrocontroller und einen Hauptrechner verteilt. Beim Hauptrechner handelt es sich um einen leistungsstarken Industrie PC (IPC).
Der IPC hat genügend Rechenleistung für zukünftige Eurobotaufgaben, wie beispielsweise die
Bildverarbeitung. Die Kommunikation zwischen den Teilkomponenten erfolgt via CAN-Bus. Die Getränkebestellungen
und
die
Ansteuerung des IPCs erfolgen
über WLAN. Basierend auf der
Vorgabe wurde die Steuerung vom
IPC im Visual Studio mit C# programmiert.
Realisierung
Die Steuerung wartet nach der Initialisierung auf einen Servierauftrag. Sobald dieser eingetroffen
ist, berechnet der IPC die Fahrroute zum gewünschten Getränk. Der
IPC stellt Anfragen nach der aktuellen Position, welche vom NavigationNode beantwortet werden.
Das NavigationNode holt die Informationen aus der Odometrie, dem
Ultraschall und dem LaserNavigationSystem (LNS) und wertet die
Informationen vor der Weitergabe
aus. Der IPC berechnet die zu fah-
Teilsystem Hauptrechner
234
ti.bfh.ch
rende Strecke und sendet Geschwindigkeitsvorgaben an das
DriveSystem. Durch den Vergleich
der aktuellen Position mit der
SOLL-Position erfolgt die Fahrkontrolle. Bei einer Abweichung vom
Fahrkurs wird eine Fahrregelung
aktiv, welche die Geschwindigkeitsvorgaben der Antriebsräder
anpasst. Um das NavigationNode
zu justieren, fährt der Roboter an
einen Positionierkegel. Die genauen Koordinaten und die Ausrichtung werden vom IPC an das NavigationNode gesendet. Sobald
der Roboter seine Position erreicht
hat, kommt das Handling zum
Zuge. Der IPC gibt den Fahrbefehl
zur Servierstelle um das Getränk
zu servieren. Der Roboter kann
jederzeit auch manuell bedient
werden.
BI BE BU VA
Regelung eines RC-Helikopters
Maschinentechnik / Betreuer: Prof. Dr. Kenneth James Hunt
In der heutigen Zeit wird der Einsatz von Drehflüglern dank fortschreitender Technik immer vielfältiger. Verschiedene Typen von RC-Helikoptern, wie Singlerotor-, Koaxial-Helikopter oder die Quadrokopter, stehen
im Einsatz. Alle diese Helikopter besitzen meistens vier Freiheitsgrade, die mit einer Funkfernsteuerung
gesteuert werden. Der Pilot übernimmt die Positionserfassung, Steuerung sowie die Regelung dieser Achsen. Mit der heutigen Technologie besteht die Möglichkeit, dass der Helikopter von einem Computer gesteuert und geregelt wird. Dies wird die Vision der Thesisarbeit sein.
Ausgangslage
Im Rahmen der vorangegangenen
Projektarbeit wurden zwei Koaxialhelikopter ausgewählt, damit
anschliessend ein Vergleich der
erstellten Regelungen möglich ist.
Diese zwei Helikopter unterscheiden sich vor allem in der Grösse.
Der Sensor für die Pitchache wurde bereits in Betrieb genommen,
es ist ein barometrischer Drucksensor. Eine abschliessende Regelung wurde für die Pitchachse
des ersten Helikopters implementiert, welche ungenügend funktionierte. Die gesamte Regelung sowie Datenverarbeitung erfolgt in
Labview. Das Ziel der Thesisarbeit
ist diese Pitchachsenregelung zu
verbessern sowie diese Regelung
auf den zweiten Helikopter zu implementieren. Zusätzlich soll die
Gierachse der beiden Helikopter
geregelt werden.
Vorgehensweise
Zu Beginn der Arbeit ging es darum die Regelung der Pitchachse
des ersten Helikopters zu verbessern. Dazu wurden verschiedenste Regelkreise ausgelegt und anschliessend getestet. Nachdem
wurde diese Regelung für den
zweiten Helikopter angepasst und
anschliessend wieder mit denselben Verfahren getestet. Im Anschluss daran wurden die beiden
Regelungen miteinander verglichen.
In einem zweiten Schritt wurde
das Messsystem für die Gierachse
ausgewählt. Zum Einsatz kommen
ein Kompass sowie ein Gyroskopsensor. Die zwei Sensoren detektieren die Bewegung um die Gierachse. Die Kommunikation vom
Laptop mit den Sensoren wurde
mittels einem I2C-Bus realisiert.
Anschliessend wurde die Rege-
lung der Gierachse wie bei der
Pitchachse implementiert, getestet und verglichen.
Ergebnisse
Die Regelung der Pitchachse
konnte stark verbessert werden.
Im Allgemeinen ist der kleinere
Helikopter besser zu regeln, da die
Luftströmung dieser Rotorblätter
sehr schwach ist und keinen Einfluss auf die Sensordaten hat. Der
Einfluss der Luftströmung beim
grossen Helikopter, welcher von
den Rotorblättern hervorgerufen
wird, konnte programmseitig fast
eliminiert werden.
Bei der Gierachsenregelung gibt
es sehr erfreuliche Ergebnisse.
Die beiden Helikopter haben kein
Problem dem Sollsignal zu folgen.
Der grössere Helikopter lässt sich
grundsätzlich besser regeln.
Simon Wüthrich
[email protected]
Führungsverhalten der Gierachsenregelung vom Teryx
ti.bfh.ch
235
BI BE BU VA
Optimierungspotentiale in der Instrumentenprüfung
Produktionstechnik / Betreuer: Dipl.-Ing./MBA Christoph Strahm
Projektpartner: Stryker Trauma AG, Selzach
Die Medizinaltechnik zählt zu den am schnellsten wachsenden Wirtschaftszweigen der Schweiz. Dabei steigt
der Anspruch an die Qualität der Produkte mit. Bei Stryker steht Qualität immer an erster Stelle, deshalb
verbessert sie ihre Qualitätssysteme permanent, um die Erwartungen der Kunden zu erfüllen. Es wird dabei
angestrebt die Durchlaufzeiten bei der Qualitätsprüfung ständig zu optimieren.
Musa Zuberi
Ausgangslage
Die Firma Stryker Trauma AG stellt
Implantate und chirurgische Instrumente für die Knochenbruchbehandlung her. Die Firma tritt als
Hersteller am Markt auf und ist für
die Qualität der von ihr verkauften
Produkte verantwortlich. Dies gilt
auch für extern beschaffte Produkte wie die Instrumente. Um die
Qualität der Produkte sicherzustellen, werden intern mit definierten Prüfschärfen und Prüfmethoden umfangreiche Prüfungen
vorgenommen.
Ziel der Arbeit
Das Ziel der Bachelor Thesis ist es
die bereits identifizierten Optimierungspotentiale in der Instrumentenprüfung mit gleichbleibendem
Risiko, und unter Berücksichtigung der Kosten, Nutzen und Umsetzbarkeit final zu diskutieren.
Diese mit dem grössten Nutzen ist
in der seriellen Qualitätsprüfung zu
implementieren.
236
ti.bfh.ch
Vorgehen
Anhand der ABC-Analyse ist die
Produktevielfallt eingeengt worden. Es wurden diejenigen Produkte untersucht, die viel verkauft
und geprüft werden, um den
grössten Nutzen zu erzielen. Dabei wurde der aktuelle Prüfvorgang anhand der Prüfprotokolle
untersucht und wenn vorhanden,
mit der Norm verglichen. Festgestellte Abweichungen mit der
Norm analysiert und so der Prüfvorgang unter Einhaltung der
Richtlinien optimiert. Dasjenige
mit dem grössten Nutzen, wurde
vertieft analysiert. Es wurde vertieft auf die Prüfmethodik, Prüfschärfen und die Kritizitätsverteilung der betrachteten Prüf merkmale mittels der Prüfprotokolle
und Fertigungszeichnungen eingegangen. Für die Reduktion,
wurde vor allem auf die AQL Norm
zurückgegriffen. Diese beschreibt
wie gross der Stichprobenumfang
eines Loses sein darf, damit das
Los trotzdem annehmbar ist.
Fazit
Die entdeckten Einsparpotentiale
resultierten im Bereich der Prüfschärfe intern bei der Stryker
Trauma AG, aber auch bei den
Lieferanten. Gewisse Merkmale,
wie die Torsionsprüfung bei chirurgischen Griffen, wurden mit einer viel höheren Prüfschärfe geprüft als von der Richtlinie
vorgegeben. Mit Einbezug der
Richtlinien und der gemachten
Berechnungen für die kritischen
Merkmale, sind die möglichen Einsparpotentiale begründet worden.
BI BE BU VA
Computergestütztes Ausrichten optischer Fasern
Physik / Betreuer: Dr. Valerio Romano, Dr. Andreas Burn
Experte: Peter Knobel
Die Montage von Mikrolinsen in optischen Geräten oder das Justieren von Bauteilen in fasergekoppelten
Diodenlasern erfordert ein hohes Mass an Präzision. Zudem werden zur Untersuchung von Laserlicht und
optischen Fasern in Labors Versuche jeglicher Art durchgeführt. Bei all diesen Vorgängen müssen Optimierungsprobleme gelöst werden. In der Industrie ist es wünschenswert, solche Vorgänge so schnell wie
möglich mit jeweils gleicher Genauigkeit durchzuführen.
Ausgangslage
Das manuelle Einkoppeln eines Laserstrahls in eine optische Faser ist
zeitaufwendig. Will man eine hohe
Einkoppeleffizienz erreichen, so ist
es unumgänglich die optischen
Komponenten, optimal auf die Glasfaser anzupassen. Dazu sind meistens mehrere Anläufe nötig. Durch
die Automatisierung der Einkopplung kann viel Zeit eingespart werden.
Vorgehen
Ein mittels Schrittmotoren gesteuertes Positioniergerät, übernimmt das
Ausrichten der optischen Faser. Die
am Ausgang der Faser gemessene
Leistung des Lichts gilt als zu optimierende Grösse, sie soll einen maximal möglichen Wert erreichen. In
der Entwicklungsumgebung LabVIEW wurden vier verschiedene Optimierungsverfahren programmiert
und anhand diverser Versuche de-
Laboraufbau mit Positioniergerät
ren Leistungsfähigkeit untersucht.
Die biologische Evolution diente als
Vorbild für den ersten Algorithmus,
der sogenannten Evolutionsstrategie. Durch Mechanismen wie Duplikation, Mutation, Selektion und
Rekombination wird aus zufällig erzeugten Positionen über Generationen hinweg ein Optimum erzeugt.
Weiter wurden zwei Gradientenverfahren mit jeweils unterschiedlicher Schrittweitensteuerung implementiert. Die Gradientenverfahren
führen entlang des positiven Gradienten in Richtung Optimum, die
Schrittweitensteuerung sorgt dabei
für die Konvergenz im Optimum. Der
letzte realisierte Algorithmus ist die
sogenannte Simplexmethode nach
Nelder, Mead. Sie ist eine direkte
Suchmethode und kann mehrdimensionale Optimierungsprobleme
lösen.
Ergebnis
Die Evolutionsstrategie löst das Problem ohne Mühe, ist aber durch ihr
Funktionsprinzip in der Geschwindigkeit begrenzt und für weitaus
komplexere Optimierungsprobleme
gedacht. Die Gradientenverfahren
mit jeweils unterschiedlicher Schrittweitensteuerung unterscheiden sich
grundlegend. Ein Verfahren konvergiert schnell, erreicht aber eine geringe Qualität. Das andere Verfahren
erreicht dagegen eine hohe Qualität,
konvergiert aber langsam. Die Simplexmethode nach Nelder, Mead,
besitzt beide positive Eigenschaften
der Gradientenverfahren und ist
deshalb der optimale Algorithmus
für das computergestützte Ausrichten optischer Fasern. Das Ausrichten dauert bei kleinen Faserkerndurchmessern (4 bis 9μm) 1 bis 2
Minuten. Bei grösseren Kerndurchmessern (25μm) kann das Problem
in unter einer Minute gelöst werden.
Beat Zulauf
[email protected]
Verlauf einer Evolutionsstrategie
ti.bfh.ch
237
BSc in Micro- and Medicaltechnology
BI BE BU VA
WiFi Lokalisierung eines mobilen Roboters
Robotik / Betreuer: Prof. Dr. Björn Jensen
Experte: Dr. Moritz Oetiker
Die Lokalisierung von mobilen Robotern hat in der heutigen Welt eine immer grösser werdende Bedeutung
für die Navigation des Roboters. Daher widmet sich diese Arbeit der Lokalisierung eines Roboters mittels
Wireless-Netzwerken, wie sie überall zu finden sind. Der dazu verwendete Roboter hat ein differential Drive
Antrieb und läuft mit einem Linux Betriebssystem. Als Programmiersprachewurde C++ verwendet.
Ziel
Diese Arbeit wurde in fünf Teile
gegliedert: Auslesen der Bilddaten, Analyse der Wireless-Netzwerke, Entwicklung einer Steuerung des Roboter für die
Datenaufnahme, Aufbau einer
Karte und die Lokalisierung des
Roboters. Die ersten vier Ziele dienen als Grundlage für das fünfte
Ziel, der Lokalisierung des Roboters innerhalb des BFH Hauptgebäudes.
Umsetzung
Die ganze Arbeit wurde unter
Linux mittels C++ entwickelt. Für
die Analyse der Wireless Netzwerke wurden verschiedenste Tests
durchgeführt, von Scans in jeder
Sekunde, bis hin zu einem
24 Stunden Test welcher alle
10 Minuten einen Scan durchgeführt hat. Danach wurde mittels
Sockets ein Programm geschrie-
ben mit welchem man den Roboter mittels Keyboard-Tasten steuern kann. Diese Steuerung wurde
danach so erweitert, dass man
damit auch Scans machen kann,
um die gewünschten Daten für
den Aufbau der Karte zu erhalten.
Die Karteninformationen wurden
dann in einem Textfile gespeichert. Zur optischen Verdeutlichung wurden per CAD Skizzen
angefertigt in welchen angegeben
ist wo genau sich welche Punkte
im Gebäude befinden. Für die Lokalisierung wurden vier verschiedene Sensor Modelle entwickelt
und überprüft. Die Basis dieser
Modelle sind die Daten der Datenaufnahme welche als Referenz
gelten. Diese Daten werden mit
den aktuellen Daten vergleicht und
daraus die Wahrscheinlichkeiten
berechnet, mit welcher der Roboter sich an der jeweiligen Position
befindet. Zum Schluss wurden
Der mobile Roboter mit dem gearbeitet wurde
diese Sensor Modelle miteinander
kombiniert um klarere und eindeutigere Ergebnisse zu erzielen zu
können.
Ergebnisse
Die Ergebnisse dieser Arbeit sind
eine funktionierende Lokalisierung
des mobilen Roboters innerhalb
von 3.5m. Ein funktionierendes
Programm für die Steuerung und
Aufnahme von Daten mit dem Roboter.Es wurden Daten über 4 Etagen aufgenommen wo die Lokalisierung angewendet werden kann.
Es wurde klar dass man die Präzision der Lokalisierung bei weiterer
Verfolgung dieses Projekt noch
erhöhen könnte.
Daniel Achermann
[email protected]
Ergebniss der Lokalisierung an der Position 28
ti.bfh.ch
239
BI BE BU VA
Periodontal tissue assessment with OCT
Optik / Betreuer: Prof. Christoph Meier, Christoph Höschele
Experte: Stefan Gloor
Über 90 Prozent der über 30-jährigen leiden unter parodontaler Erkrankung. Solche Erkrankungen können
den Zahnapparat stark beschädigen und sogar zum Zahnverlust führen. Neue Behandlungen versprechen
das schützende Saumepithel weitgehend zu reparieren, um Bakterien von der Zahnwurzel fern zu halten.
Bisher gibt es noch kein Messgerät, welches geeignet wäre, klinische Messungen durchzuführen, um die
Fortschritte der angestrebten Behandlungsziele bewerten zu können.
Kai Bachofner
[email protected]
Technik
Die optische Kohärenztomographie basiert auf dem Prinzip der
Weisslichtinterferometrie. Der einfache Aufbau eines Interferometers, in diesem Fall meistens ein
Michelson-Interferometer, ermöglicht es, die Laufzeiten eines Signals miteinander zu vergleichen
und somit sehr genaue Distanzen
zu messen. Bestrahlt werden die
Proben mit einer breitbandigen
Laserquelle. Diese Lichtquelle besitzt eine sehr geringe Kohärenzlänge.
Das Michelson-Interferometer besteht aus zwei verschiedenen Armen. Liegt der optische Weglängenunterschied der beiden Arme
innerhalb der Kohärenzlänge, treten Interferenzen aller Wellenlängen auf, welche mittels Spektrometer gleichzeitig gemessen
werden können. Die inverse Fouriertransformation des gemessenen Signals beinhaltet jegliche
Informationen über die Tiefenstruktur der Probe.
Vorgehen
An bereits vorhandenen OCT Systemen wurden verschiedene Messungen an Proben und «in vivo» an
Probanden durchgeführt. Verschiedene Parameter sind berechnet worden, um möglichst tief in
das Gewebe der Gingiva (Zahnfleisch) «sehen» zu können. In der
Praxis gelang es bisher noch
nicht, die Zahnoberfläche unter
240
ti.bfh.ch
einem 2 Millimeter dicken Zahnfleisch zu erkennen. Einige Veränderungen, welche ohne grösseren
Aufwand direkt an einem der OCT
Systemen durchgeführt werden
konnten, erzielten bereits positive
Ergebnisse. Es wurden theoretische Werte errechnet, um einen
neuen, für die Anwendung optimalen Aufbau zu realisieren.
Konzept des Messkopfes
Gingiva und Zahn aufgenommen mit OCT
Resultate
Anhand der erlernten Theorie und
den gewonnenen Kenntnissen
über die Penetrationstiefe in Abhängigkeit verschiedener Parameter konnten genügend Informationen gesammelt werden, um ein
Konzept für einen Endoskop ähnlichen Messkopf auszuarbeiten.
BI BE BU VA
Scanner Dynamics
Optik / Betreuer: Prof. Christoph Meier
Experte: Marc Weibel
Im OptoLab der BFH Biel werden für Projekte in der optischen Bildgebung miniaturisierte Scanner eingesetzt,
welche als Mikro-Elektro-Mechanische-Systeme (MEMS) aufgebaut sind. Seit einiger Zeit sind auch elektrooptische Scanner auf dem Markt. Diese Scanner sind ohne bewegliche Teile aufgebaut. Die Aufgabe dieser
Bachelorarbeit besteht darin, das Verhalten beider Arten von Scanner berührungsfrei zu charakterisieren.
Einführung
Um ein Objekt mittels Optical Coherence Tomographie (OCT) berührungsfrei abzutasten wird ein Lichtstrahl mittels Scannerspiegel über die
Probe geführt und das reflektierte
Licht analysiert. In gleichmässigen
zeitlichen Abständen wird jeweils ein
A-Scan erfasst. Die Bewegung eines
MEMS-Spiegels ist jedoch aufgrund
der mechanischen Trägheit nicht
gleichmässig. Dieser Unterschied zwischen Zeitvektor und Positionsvektor
kann zu Bildstörungen führen und dadurch die Interpretation der aufgenommenen Bilder erschweren. Mit einem
Laboraufbau soll die Position des
Spiegels in Abhängigkeit der Zeit erfasst werden, um eine Aussage über
das Verhalten dieser Spiegel machen
zu können.
Methoden
Für die Positionsmessung der MEMSSpiegel wird der vom Spiegel abgelenkte Laserstrahl auf einen Bildschirm
projiziert und auf den Bildsensor einer
Highspeed-Kamera abgebildet.
Die jeweiligen Frames mit einer Grösse von 544×22 Pixel werden mit einer
Datenerfassungskarte bis zu einer Geschwindigkeit von 200 MB/s an den
Computer übermittelt. Das Eingangssignal des Scanners wurde auf einem
ersten Computer generiert und auf
einem zweiten Computer mit Hilfe eigener Algorithmen in reale Koordinaten ausgewertet. Für die Messung des
Amplitudengangs wurde eine horizontale Linie projiziert und die Breite dieser Linie in Abhängigkeit der Scanfrequenz gemessen.
Als Vorbereitung für die Inbetriebnahme des elektro-optischen Scanners
(EO-Scanner) wurde ein PID-Regler in
LabView programmiert und die Messgeräte mit einem General Purpose
Interface Bus (GPIB) an den Computer
angeschlossen. Mit einer 1000 nm Laserquelle wurde das Licht durch eine
optische Faser und einem Kollimator
in den EO-Scanner geleitet.
gramms charakterisiert werden. Der
Mittelpunkt des Laserspots konnte mit
einer Samplingrate von 5 kHz erfasst
werden, was einer zeitlichen Auflösung
von 200 ns entspricht. Bei einer Sägezahnfunktion als Eingangssignal wurde zum Beispiel ein Einschwingvorgang bei jeder Richtungsänderung
festgestellt. Die Dämpfung und die
Eigenfrequenz dieser Schwingung
konnte erfolgreich gemessen werden.
Am Amplitudengang des Spiegels
konnte die Charakteristik eines gedämpften Feder-Masse-Systems beobachtet werden.
Die Betriebstemperatur von 42 °C des
EO-Scanners konnte mit dem PIDRegler erfolgreich konstant gehalten
werden. Mit einer Spannung von 200
VDC wurde eine maximale Auslenkung
des Lichtstrahls von 0.1 mrad erreicht.
Mit einer 1000 nm Laserquelle blieb
das gemessene Beamprofil über einem Spannungsbereich von 170 bis
190 V konstant.
Oliver Baumann
[email protected]
Resultate
Das Verhalten der MEMS-Spiegel
kann mit Hilfe des Weg-Zeit-Dia-
Einschwingverhalten des Spiegels bei einer Sägezahnfunktion als Eingangsignal mit Amplitude 1 V und Scanfrequenz 1 Hz.
ti.bfh.ch
241
BI BE BU VA
Robot 4 axes pour machine d’injection plastique
Robotique, Plasturgie, Ceramic Injection Moulding (CIM) / Directeurs de thèse: Prof. Yves Mussard,
Prof. Dr. Jean-Marc Boéchat
Expert: Sebastien Perroud / Partenaires du projet: Pôle Ingénierie Plastique, Fribourg
Le Pôle Ingénierie Plastique (PIP) basé à l’Ecole d’Ingénieurs et d’Architectes de Fribourg, possède plusieurs
machines d’injection plastique. Le PIP fabrique des pièces réalisées dans des matériaux spéciaux tel que
le Zircone (Ceramic Injection Moulding), nécessitant une décharge automatisée du moule. Lors de l’éjection
des pièces, après moulage, il n’est pas possible de les laisser tomber, comme cela se fait souvent en injection plastique. Le projet consiste à construire un robot, qui va prendre les pièces à la sortie du moule avant
de les manutentionner de manière appropriée.
Matthieu Borgognon
[email protected]
242
Le projet s’est d’abord articulé autour
de la saisie du besoin client, la formulation des fonctions à garantir, les
cahiers des charges fonctionnels et
techniques. Ce qui a permis de définir l’architecture robotique répondant
le mieux aux besoins du client. Ensuite, une phase de préconceptualisation à dégrossi la conception du
robot, en arrêtant notamment sa
structure, le système de préhension,
la station de travail et autres accessoires. Ces éléments ont été réalisés
dans le cadre d’un travail préparatoire (Travail de Semestre),
C’est sur cette base que se décline
ce Travail de Bachelor. Le projet étudie la motorisation mise à disposition
par le client pour déterminer si cette
dernière est utilisable. En outre, la
partie commande, également mise à
disposition mais dotée d’une technologie vieillissante, est traitée également. Le but étant de savoir si elle
répond au niveaux d’exigences imposés (technologique, financiers,
etc.). Parallèlement à cela, le travail
englobe l’implantation du robot sur
une machine d’injection de type Arburg 320s. Pour ce faire, nous utilisons un modèle 3D réalisé sous UGS
NX 7.0. Celui-ci comprend une modélisation sommaire de l’environnement ainsi que de la machine d’injection, à quoi vient s’ajouter le robot à
proprement dit. Dans ce cas, nous
faisons appel à des éléments standardisés adaptables à la construc-
Modélisation du robot 4 axes
Intégration du robot sur la machine d’injection
ti.bfh.ch
tion. Du fait des dimensions d’axes
importantes, cette tâche est rendue
moins aisée, d’où l’intérêt de ce projet. En plus des axes de base, ce
robot propose un système plug &
play pour l’ajout rapide de préhenseurs personnalisés interchangeables selon l’application. Enfin, ce
travail répond aux questions d’ordres
budgétaires dans le but de la continuité et de la réalisation du projet.
Machine d’injection Arburg 320s modélisée
BI BE BU VA
Polarization imaging camera for dental erosion
Optik / Betreuerin: Anke Bossen
Experte: Tim von Niederhäusern
Etwa ein Drittel der Bevölkerung ist bereits von Zahnerosion betroffen. Unter Zahnerosion versteht man
einen Verlust von Zahnsubstanz, der durch den direkten Kontakt der Zähne mit Säuren z. B. aus Getränken,
Nahrungsmitteln oder dem Magen verursacht wird. Wird dem Fortschreiten einer beginnenden Zahnerosion nicht vorgebeugt, können sichtbarer Zahnschmelzverlust sowie Farbveränderung und Überempfindlichkeit der Zähne die Folge sein. Mit Hilfe einer Kamera, welche den Polarisationsgrad ermittelt, kann Zahnerosion frühzeitig erkannt werden, um irreversible Schäden durch Behandlung zu verhindern.
Einführung
Biologisches Gewebe wie Haut
oder Zähne sind lichtstreuende
Medien. In einer Studie der Zahnklinik Bern wurde festgehalten,
dass die reflektierte Intensität einer beleuchteten Zahnprobe in
Funktion des Erosionsgrades ändert. Mit dieser Intensitätsmessung können die Erosionsgrade
jedoch nicht genau bestimmt werden. Dies soll mit Hilfe der Polarisationseigenschaften der erodierten Zähne verbessert werden.
Aufbau der DOP- Kamera
Das Licht einer weissen LED wird
mit einem Polarisationsfilter unter
einem Winkel von 45 °C so auf die
Zahnprobe gerichtet, dass dort
linear polarisiertes Licht auftrifft.
Von dort reflektiert das Licht wieder und kann mit der Kamera erfasst werden. Die Kamera besteht
aus einem polarisierenden Beam-
Schematischer Aufbau der DOP-Kamera
splitter, zwei CMOS- Sensoren
und drei Achromaten für die Fokussierung. Der Beamsplitter teilt
das polarisierte Licht in zwei orthogonal, linear polarisierte Komponenten (S und P). S-polarisiertes Licht wird in einem 90 °C
Winkel in Bezug auf den einfallenden Strahl reflektiert, während Ppolarisiertes Licht transmittiert
wird. Dadurch entsteht auf beiden
Sensoren ein unterschiedliches
Bild. In LabVIEW wurde ein virtuelles Instrument erstellt, welches
aus den Intensitätsebenen der
beiden Einzelbilder ein Bild des
Polarisationsgrades (DOP=(P-S)/
(P+S)) und ein Intensitätsbild
(I=P+S) berechnet. In diesen Bildern kann in einem interessanten
Bereich der Zahnprobe der Polarisationsgrad gemessen werden.
Der Erosionsgrad des Zahnes wird
mit Hilfe von ermittelten Referenzwerten ausgegeben.
Resultate
Mit der realisierten Kamera und
der Software ist es möglich, ein
DOP-Bild von Zahnproben zu erstellen sowie den Polarisationsgrad zu messen. Erodierte Zähne
können problemlos von Referenzzähnen unterschieden werden.
Die Einteilung in die verschiedenen Erosionsgrade stellte sich, wie
im Vorfeld erwartet, als schwierig
heraus, da sich die Polarisationseigenschaften der Zähne mit zunehmendem Erosionsgrad nicht
mehr wesentlich verändern.
Daniel Christen
[email protected]
DOP-Bild einer Zahnprobe, welche in
einen Referenzbereich (heller Bereich
links) und einen 4min erodierten Bereich (rechts) geteilt ist
ti.bfh.ch
243
BI BE BU VA
Mikro- und Medizintechnik
Adaptives Licht für Segway PT
Mikro- und Medizintechnik und Automobiltechnik / Betreuer: Prof. Kurt Hug, Prof. Daniel Debrunner
Experten: Philippe Burri, Bosio Carlo, Fabian Page
Projektpartner: motion tools GmbH, Interlaken
Der Segway PT ist ein elektrisch angetriebenes, zweirädriges Einpersonenfahrzeug. Gesteuert wird das
Fahrzeug lediglich durch Gewichtsverlagerung. Somit ist der Segway rein intuitiv zu bedienen. Physikalisch
gesehen funktioniert der Segway nach dem Prinzip des inversen Pendels. Dank einem raffinierten Regler
ist das Fahrzeug selbstbalancierend. Die aus den Ausbalancierungen resultierenden Nickbewegungen des
Fahrzeuges verunmöglichen es, ein Abblendlicht fix auf dem Fahrzeug zu montieren. Daher entstand das
Bedürfnis nach einem adaptiven, austarierten Lichtsystem.
André Filipe Figueiredo
da Silva
[email protected]
Simon Schnider
[email protected]
Ausgangslage
Auf Grund der Vielzahl von Einsatzgebieten, kann es durchaus
vorkommen, dass der Segway bei
prekären Lichtverhältnissen oder
sogar bei Nacht eingesetzt wird.
Daher ist eine Beleuchtung für das
Fahrzeug gesetzlich vorgeschrieben. Es existiert bereits ein Lichtsystem, bestehend aus Vorderlicht
und Rücklicht, das jedoch nur zur
Wahrnehmung des Fahrzeuges
dient und nicht austariert ist.
Die BFH-TI erhielt den Auftrag zur
Realisierung eines adaptiven
Lichtsystems für den Segway PT
von der Firma motion tools GmbH.
Ziel der Arbeit
Es soll ein Funktionsmuster eines
adaptiven, intelligenten und gesetzeskonformen Lichtsystems entwickelt werden. Das neue System
muss den horizontalen und vertikalen Leuchtwinkel des Abblend-
Segway PT mit adaptivem Lichtsystem
244
ti.bfh.ch
lichts laufend dynamisch anpassen. Dadurch soll sichergestellt
werden, dass keine anderen Verkehrteilnehmer unnötig geblendet
werden.
Realisierung
Das adaptive, intelligente Lichtsystem besteht aus einem Abblendlicht, einem Standlicht, einem Kurvenlicht und einem
Rücklicht. Die gesamte Beleuchtung wurde mit moderner LEDTechnik realisiert.
Um den horizontalen Leuchtwinkel
des Abblendlichts gegenüber der
Fahrbahn austarieren zu können,
wird mit einem Ultraschallsensor
laufend die Distanz zum Untergrund gemessen. Mit dieser Information regelt die entwickelte
Steuerungselektronik das bewegliche Abblendlicht über einen Servomotor.
Austariertes Abblendlicht
Weiter wird mit einem Winkelaufnehmer die Position der Lenkstange (LeanSteer) überwacht. Bei
einem Winkel der Lenkstange von
mehr als 6° wird der jeweilige seitliche Nahbereich des Fahrzeuges
zusätzlich mit einem Kurvenlicht
ausgeleuchtet.
Das Lichtsystem arbeitet vollkommen autonom. Das heisst, es bestehen keinerlei elektrische Verbindungen
zwischen
dem
Fahrzeug und dem Lichtsystem.
Die Energieversorgung des adaptiven, intelligenten Lichtsystems ist
mit einem 4Ah Lithium-PolymerAkku realisiert. Mit voll geladenem
Akku hat das Lichtsystem eine
Betriebszeit von etwa 5 Stunden.
Ausblick
Mit der Erarbeitung des Funktionsmusters wurde eine solide Basis für das Projekt «Adaptives
Licht für den Segway PT» geschaffen. Der nächste Schritt in der Produktentwicklung ist nun die Konzeption eines Prototyps. Dabei
muss bei der Beleuchtung die
Hell-Dunkel-Grenze optimiert und
das Gesamtsystem in ein kompaktes Gehäuse integriert werden.
Weiter besteht auch beim Regelkreis noch gewisses Verbesserungspotential.
BI BE BU VA
Verschleissdetektion einer Lötspitze
Sensortechnik / Betreuer: Prof. Dr. Bertrand Dutoit
Experte: Dr. Peter A. Neukomm
Bleifreies Kolbenlöten ist heute ein weit verbreitetes Produktionsverfahren für die Fertigung von elektronischen Baugruppen. Um die Ausschussrate nach dem Lötprozess zu senken ist es wichtig, dass die
Reproduzierbarkeit der Lötstellen sowie dessen Qualität verbessert wird. Aus diesem Grund gilt es eine
Fehlerquelle zu eliminieren: der Verschleiss der Lötspitze.
In diesem Projekt wurde nach Lösungen gesucht, wie der Verschleiss der Spitzen automatisch erkennt und
so die Ausschussrate von gelöteten Baugruppen gesenkt werden kann.
Ausgangslage
Komplexe Baugruppen z. B. mit
Steckerkontakten, Kabelstränge,
LED’s sowie verschiedenen Leistungselektronikkomponenten werden heute, aufgrund der RoHSRichtlinie, mit bleifreiem Lötzinn
verarbeitet. Solche Baugruppen
können oft nicht durch Wellenoder Reflowlöten verarbeitet werden. Nach dem Handlöten bieten
robotisierte Kolbenlötanlagen die
einfachste und günstigste Möglichkeit, solche Platinen (PCB) in grossen Stückzahlen zu fertigen.
Diese sog. Selektivlötanlagen ermöglichen es, die Reproduzierbar-
keit der Lötstellen mehrheitlich
konstant zu halten. Der Nachteil ist
jedoch, dass die Lötspitzen bei einer hohen Anzahl Lötpunkte sehr
schnell Verschleissen. Durch Verwendung der Bleifreilote tritt dieser
Effekt verstärkt auf, wobei so die
Produktion negativ beeinflusst wird
und die Ausschussrate zunimmt.
Ziel dieses Projektes ist es, einen
Sensor bzw. eine Methode zu entwickeln, welche im Produktionsprozess oder in der Lötspitze integriert werden kann und den
Verschleisszustand der Lötspitze
während dem Lötprozess überwacht.
Methode
Zu Beginn der Diplomarbeit wurden Ideen generiert welche folgende Frage beantworten: Wie
kann der Verschleiss der Lötspitze
im Prozess ermittelt werden?
Mit festgelegten Bewertungskriterien folgte anschliessend die
Evaluation der Ideen, wobei daraus vier Ansätze resultierten, die
eine gute Chance für die Umsetzung aufwiesen. Diese vier Konzepte wurden im Detail analysiert.
Daraus konnten mit der zur Verfügung stehenden Zeit, lediglich
zwei Konzepte in Funktionsmuster
umgesetzt werden wobei nur eines, ein positive Messresultat ergab.
Davide Di Francesco
[email protected]
Fazit
Bei der Umsetzung der vier besten
Lösungsvarianten entstanden herstellungsbedingte Schwierigkeiten
welche in der zur Verfügung stehenden Zeit, nicht gelöst werden
konnten. Es wurden lediglich zwei
von vier Konzepten getestet, wobei daraus nur ein Konzept ein
positives Messresultat lieferte. In
einem weiteren Schritt muss die
funktionierende Lösung auf einer
Roboteranlage geprüft und passende Herstellungsverfahren für
die nicht getesteten Varianten gefunden werden, um auch diese
anschliessend auf dessen Funktion zu prüfen.
Lötkopf mit Kolben – mta automation ag
ti.bfh.ch
245
BI BE BU VA
Absolute 24h-Messung des intraokularen Drucks
Medizintechnik / Betreuer: Dr. Justiz Jörn, Dr. Sonja Spichtig, Aymeric Niederhauser
Experten: Dr. Hartmut Kanngiesser, Dr. Markus Dachs
Projektpartner: Ziemer Ophthalmic Systems AG, Port
Das Glaukom, im Volksmund auch unter dem Namen «Grüner Star» bekannt, gilt als die zweithäufigste
Ursache für eine Erblindung weltweit. Geschätzte 67 Millionen Patienten sind daran erkrankt. Die Folgen
dieser Krankheit sind irreparable Schäden am Sehnerv, die sich in einer Einschränkung des Gesichtsfeldes
manifestieren und unbehandelt zur Erblindung führen. Der erhöhte Augeninnendruck gilt als Hauptindiz für
eine mögliche Erkrankung an Glaukom und ist zudem der einzige behandelbare Faktor. Deshalb ist die
genaue Messung dieses Drucks für den Arzt von grosser Bedeutung.
Matthias Furrer
Ausgangslage:
Die Firma Ziemer Ophthalmic Systems AG (ZIOS, Port, Schweiz) hat
erfolgreich ein Augentonometer
(PASCAL) entwickelt, dessen
Druckmessung unabhängig von
den Hornhauteigenschaften erfolgt. Auf der Basis dieses Tonometers entwickelt ZIOS eine
Kontaktlinse, welche den Augeninnendruck über 24 h messen soll.
Diese Bachelorarbeit wird ein Teil
zu dieser Entwicklung beitragen.
Hauptaufgabe der Bachelorarbeit
besteht in der Planung, Ausführung und Analyse von verschiedenen Umsetzungsschritten und
Tests, die zur Entwicklung erster
Linsenprototypen wesentlich beitragen.
Umsetzung:
Die Elektronik vom PASCAL wurde
übernommen und so abgeändert,
dass sie Platz in einer formstabilen
Kontaktlinse findet. In einer ersten
Phase hat diese Kontaktlinse noch
keine telemetrische Anbindung,
sondern liefert die Daten über kleine Drähte. Aufgrund der heiklen
Umgebung rund um das menschliche Auge, mussten die Drähte
umgossen werden. Die Prozesse
rund um die Kontaktierungen und
Sicherungen dieser Drähte wurden entwickelt oder optimiert.
Testmessungen des Drucksensors, wie er dann in der Linse zum
Einsatz kommen wird, konnten
erfolgreich über 24 h durchgeführt
werden (keine relevanten Drifts
und kein übermässiges Rauschen).
Ausblick:
Ein fertiger Prototyp dieser Linse
wird erstmals klinische Studien mit
kontinuierlichen Druckmessungen
ermöglichen. Diese LangzeitDruckprofile haben für die ophthalmologische Forschung eine
hohe Bedeutung und dementsprechend gross ist das Interesse
in der medizinischen Forschung
als auch bei den praktizierenden
Ärzten.
Die Elektronik des PASCAL wurde in die
formstabile Kontaktlinse vergossen.
Die ersten Prototypen dieser Kontaktlinse messen den intraokularen Druck über 24 Stunden und sind noch drahtgebunden.
246
ti.bfh.ch
BI BE BU VA
Caractérisation dynamique d’un accéléromètre MEMS
Technique des capteurs / Directeur de thèse: Dr. Bertrand Dutoit
Expert: Giovanni Bergonzi
Partenaires du projet: CSEM, Neuchâtel
Dans ce projet, le but est la caractérisation dynamique d’un accéléromètre MEMS. Pour parvenir à des
résultats concluant, la masse oscillante est excitée par application de forces électrostatiques. Pour atteindre
les buts fixés, il a fallu exécuter plusieurs tests de qualification d’éléments avec notamment l’aide du programme LabVIEW.
Avec la miniaturisation des composants, autant dans le domaine de la
mécanique que dans celui de l’électronique, la fabrication de MEMS
(Microelectromechanical systems)
devient inévitable et omniprésent
dans l’industrie. Les grandes ressources dont dispose la Suisse (la
connaissance, les infrastructures,
les investissements, etc.), sont
telles que l’industrie microtechnique
est une des forces qui fait la renommée de notre nation.
L’objectif de ce travail est de mesurer les caractérisations dynamiques
d’un accéléromètre capacitif MEMS
de haute précision conçu et développé au sein du CSEM, à Neuchâtel.
Pour valider la fonctionnalité de
l’appareil, elle consiste en une mesure de la réponse fréquentielle,
obtenu en utilisant notamment un
analyseur de spectre pour en extraire un diagramme de bode. Lors
d’une expérience préliminaire à ce
projet, la caractérisation dynamique
n’a pu être mesurée. Selon les
constatations établies, le système
étant vraisemblablement sur-amorti dû à une encapsulation hermé-
tique proche de la pression atmosphérique. C’est pour cette raison
qu’intervient la mesure fréquentielle
dans une atmosphère sous-vide
proche du millibar. Dans cette expérience, trois gaz sont utilisés pour
déterminer les caractéristiques du
MEMS, l’air, l’argon (Ar) et l’hélium
(He).
La construction d’une chambre à
vide engendre certaines contraintes
de montage et demande un certain
nombre de connaissances à acquérir. Avec l’utilisation de celle-ci, on
aimerait mesurer l’influence de la
pression et de la nature des gaz sur
la réponse fréquentielle du MEMS.
Ces deux facteurs sont utilisés par
la suite pour caractériser son comportement dynamique.
On utilise LabVIEW pour programmer un soft capable d’acquérir les
données mesurées depuis plusieurs appareils (analyseur de
spectre, voltmètre, ampèremètre,
RCL mètre, etc.). Ce logiciel permet
ainsi de piloter, d’extraire et même
de convertir, soit en fichier texte ou
en quelconque image, les données
récupérées pour en simplifier l’utili-
sation et la mise en forme pour en
interpréter les résultats.
Un ASIC développé par le CSEM
servant à linéariser le signal de sortie du MEMS compose l’électronique du MEMS. Une configuration
de base y est envoyée à l’enclenchement par le microcontrôleur. Il
est ensuite possible de modifier les
paramètres avec un programme
LabVIEW. Pour envoyer une nouvelle configuration à l’intérieur de
l’ASIC, les informations transitent
par un bus de donnée SPI (Serial
Peripherial Interface).
Les résultats observés durant l’expérience sont concluants, avec un
comportement en amplitude très
proche de ce qui était théoriquement attendu. La pression à l’intérieur de la chambre exerce un effet
marquant et déterminant sur l’amortissement de l’élément mobile, ce
qui permet de déterminer sous
quelles conditions doivent dorénavant être encapsulés les MEMS.
Système pour le vide
Réponse fréquentielle dans l’air
Réponse fréquentielle à 5 mbar
ti.bfh.ch
Julien Gumy
247
BI BE BU VA
Wärmebehandlung einer innovativen Legierung
Werkstofftechnik / Betreuer: Prof. Jean-Martin Rufer, Jürg Dänzer
Im Rahmen dieser Arbeit wurden die mechanischen Eigenschaften einer austenitischen Legierung untersucht. Die in Betracht gezogenen Wärmebehandlungen sind ein Lösungsglühen und ein Ausscheidungshärten mithilfe von denen unter anderem die mechanischen Eigenschaften eingestellt werden können.
Parallel dazu wurde eine Literaturrecherche durchgeführt, um die gemessenen mechanischen Eigenschaften und damit verbundenen Wärmebehandlungsparameter mit der Literatur vergleichen zu können.
Stefan Haudenschild
248
Es wurde durch ein Ausscheidungshärten der stark kaltverformten Probe eine erhöhte Festigkeit erzielt. Eine Problematik
bestand darin, diese mechanischen Kennwerte korrekt ermitteln
zu können.
Die üblichen Charakterisierungsmethoden, wie Mikrohärtemessung und instrumentierte Eindringhärteprüfung wurden benutzt, um
über die gemessene Härte ein Indiz auf das Festigkeitsverhalten in
Bezug zur Ausscheidungstemperatur zu erlangen. Weiter wurde
versucht, mittels Änderung des
elektrischen Leitwertes das Ausscheidungsverhalten dieser Legierung zu charakterisieren.
Ebenfalls wurde eine Vorrichtung
realisiert, um die mechanischen
Eigenschaften der stark kaltverformten Proben über einen Zugversuch zu ermitteln. Dabei hat
sich gezeigt, dass sich diese Legierung infolge grosser Kerbwirkung in der realisierten Vorrichtung kaum messen lässt. Die
Proben brechen immer in der Einspannung und somit ausserhalb
des gültigen Messbereichs.
Zum Charakterisieren des Lösungsglühens wurde unter diversen Atmosphären und mit verschiedenen Abschreckmedien im
Bandofen geglüht. Dabei konnte
gezeigt werden, dass sich an der
Oberfläche bei unterschiedlichen
Atmosphäre und längeren Haltezeiten die austenitstabilisierenden
ti.bfh.ch
Elemente abreichern, und die Legierung so zunehmend ferritische
Anteile erhält, was mittels GDOESTiefenprofilanalyse oder einem
Permanentmagneten nachgewiesen werden konnte.
Die Veränderung im Kohlenstoffgehaltes während der Wärmebehandlung konnte mittels C-Analysator aufgezeigt werden.
Realisierte Konstruktion
Im Rahmen dieser Arbeit wurden
ca. 270 Proben wärmebehandelt,
eingebettet, geschliffen, poliert
und gemessen. Damit konnte in
den letzten 18 Wochen ein erster
kleiner Schritt und somit eine
Grundlage zur erfolgreichen Charakterisierung der mechanischen
Eigenschaften dieser innovativen
Legierung durchgeführt werden.
BI BE BU VA
Torque-O-Meter
Mechatronik / Betreuer: Prof. Daniel Debrunner
Experte: Ch. Renfer
Projektpartner: Cendres + Métaux SA, M.Walther, Biel
Medizinaltechnische Produkte unterliegen strengen Auflagen und Anforderungen bezüglich ihrer Qualität.
Der Grund dafür ist, dass Qualitätsschwankungen verheerende Folgen nach sich ziehen können. Dies gilt
insbesondere auch für Schrauben, Zahnimplantate und Abutments, welche modular aufgebaute Dentalimplantatsysteme zusammenhalten. Um eine konstante Produktqualität garantieren zu können, wurde ein
Gerät realisiert, mit welchem die Qualität anhand von Drehmomentmessungen an den nur wenigen Millimeter
dicken Schrauben überprüft werden kann.
Ausgangslage
Die Bieler Firma Cendres + Métaux
ist als Lieferant im Bereich der dentalen Implantattechnologie tätig. In
diesem Segment der Zahntechnik,
beschäftigt sie sich unter anderem
mit der Entwicklung und Fertigung
von kompletten DentaIimplantatsystemen. Darunter fallen auch modular aufgebaute Systeme, die sich
aus Implantaten, Schrauben, bis hin
zu unterschiedlichen Abutments
zusammen setzen. Um eine konstante Produktqualität garantieren
zu können, wurde im Auftrag von
Cendres + Métaux ein Gerät entwickelt, welches es erlaubt, automatische Drehmomentmessungen
an den meist nur wenige Millimeter
dicken Produkten vorzunehmen.
Im Rahmen einer vorangegangenen Diplomarbeit wurde 2011 ein
solches Gerät konzipiert. Ziel der
vorliegenden Bachelorarbeit war
es nun das Gerät zu realisieren.
Vorgehensweise
Zu Beginn wurde eine detaillierte
Analyse der bestehenden Konstruktion durchgeführt. Eine kritische Untersuchung klärte Fragen
der Machbarkeit und definierte
alternative Lösungsvarianten. Dadurch konnte das System vereinfacht werden und es entstand eine
funktionelle Konstruktion, welche
den Grundstein für die anknüpfende Realisierung legte.
Bei der Realisierung galt es den
verschiedenen Anforderungen an
die Mechanik, Elektrik, Software,
Bedienung und den Aufbau eines
ganzheitlichen Systems gerecht
zu werden. Dazu wurden im Speziellen verschiedene Messungen
am Herzstück des Systems- dem
Drehmomentsensor – durchgeführt. So wurde geprüft ob das
eingesetzte I/O-Modul genügend
Messpunkte pro Zeit liefern kann,
um eine Computerbasierte Mes-
Drehmomentprüfstand für medizinaltechnische Produkte
serfassung zu ermöglichen. Desweiteren wurde der Sensor durch
konstruktive Massnahmen vor
unzulässigen Belastungen geschützt. Es wurde eine Stromversorgung definiert und erste
Softwareentwicklungen realisiert.
Es ist ein Prototyp entstanden,
welcher alle wichtigen Komponenten für ein funktionierendes System enthält. Um diesen Prototyp
in ein einsatzbereites Gerät zu
überführen, bedarf es weiterer
Softwareentwicklung und abschliessender Tests. Durch den
Bau der Anlage konnte jedoch ein
entscheidender Schritt in Richtung einer vollständigen und automatischen Drehmomentprüfeinrichtung gemacht werden.
Daniel Heiniger
[email protected]
Elektrische Komponenten
ti.bfh.ch
249
Objekterkennung
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BI BE BU VA
Panorama Messsystems
Robotik / Betreuer: Prof. Dr. Björn Jensen
Experte: Dr. Gilles Caprari
Für die Kinect soll ein kostengünstiger Drehtisch konstruiert werden der die Kinect’s um 360 Grad dreht
und die Umgebung aufnimmt und daraus ein 3D Panoramabild aus X/Y/Z Koordinaten erstellt. Damit die
Kinect möglichst genaue Modelle erstellen kann, muss der Sensor kalibriert werden und es müssen verschiedene Testmessungen gemacht werden .
Ausgangslage
Die Kinect ist ein Sensor, der dreidimensionale Informationen über
die Umgebung liefern kann. Tiefeninformation wird durch die
Messung, der durch die Oberfläche erzeugten Verformung eines
projezierten Punktmusters erfasst.
Der Sensor kann ein Tiefenbild erzeugen und die Umgebung dann
als Punktwolke in X/Y/Z Koordinaten reproduzieren. Da der Öffnungswinkel der Kinect begrenzt
ist, muss die Umgebung aus mehreren Einzelaufnahmen zusammengesetzt werden. Wird die Kinect nur
von Hand bewegt, ergeben sich
durch die ungenau Bewegung
Messfehler im Modell. Daher wird
ein Aufsatz für ein Stativ entwickelt.
Lösungsansatz
Für die Kinect wurde ein Prototyp
der Drehvorrichtung konstruiert.
Dabei werden drei Kinect, die zueinander in 120 Grad angeordnet
sind, rotiert. jede Kinect ist in der
Vertikalen verstellt. Wenn man alle
Einzelaufnahmen der Kinect zusammenschliesst, ergibt sich in
vertikaler Richtung ein Gesamtbild
von 170 Grad.
Mit C# wurde eine Applikation geschrieben, die den Drehtisch um
360 Grad dreht und bei jedem
Drehschritt eine Messung auslöst.
Die Werte werden als .xyz Datei
abgespeichert und zu einem homogenen Gesamtbild zusammengefügt.
Erste Testmessungen haben ergeben, dass die Kinect leichte Abweichungen in der x und y Richtung aufweist. In der Tiefe nimmt
der Fehler exponentiell zu. Während am Anfang der Tiefenfehler
noch gering ist, wird er gegen
Ende immer grösser. Das 3D Modell ist trotz der Fehler gut erkennbar. Mit einem Mittelwert mehrerer
Messungen werden sehr gute Resultate erzielt und Testmessungen
haben gezeigt, dass die realen
Modelle mit den 3D-Modellen
übereinstimmen.
Christof Hommann
Ausblick
Damit drei Kinect funktionieren
braucht es einen speziellen PC,
der drei eigenständige USB Hostkontroller beinhaltet Normale PC
haben einen oder zwei Hostkontroller. Jede Kinect benötigt eine
eigene Kalibrierungsmatrix, die
sowohl die Tiefenwerte wie auch
die x und y Werte korrigiert.
ti.bfh.ch
251
BI BE BU VA
Stratégies multiplanaires pour l’EIT
Technique médicale / Directeurs de thèse: Dr. Pascal O. Gaggero, Prof. Dr. Volker M. Koch
Expert: Dr. Josep Solà
La tomographie par impédance électrique (EIT) est une technique d’imagerie biomédicale qui utilise l’injection d’un faible courant électrique alternatif dans un corps et les mesures de la tension qui en résultent pour
reconstruire une image de la distribution spatiale de la conductivité électrique. Le but de ce travail de Bachelor est de tester des stratégies de mesure EIT multiplanaires, dans le but d’optimiser l’utilisation d’un nombre
donné d’électrodes pour des applications thoraciques.
Jane Krähenbühl
Technologie EIT
Les systèmes EIT utilisés actuellement pour les applications thoraciques utilisent un plan de
32 électrodes. Une paire d’électrodes injecte un faible courant
alternatif (2 mA) à l’intérieur du
corps, et les 30 électrodes restantes mesurent le champ de potentiel ainsi généré. L’injection et
les mesures sont répétées pour
chaque combi naison possible de
paires d’électrodes; dans le cas
d’un système à 32 électrodes, on
obtient 1024 mesures. L’image EIT
peut être reconstruite à l’aide d’algorithmes mathématiques qui résolvent le problème inverse du
calcul de la distribution spatiale de
la conductivité à l’intérieur du
corps en se basant sur les mesures de tensions à la surface de
ce dernier. Dans le cas clinique de
la ventilation protectrice, cette
image permet de mesurer la distribution de l’air (isolant électrique)
présent dans les poumons. Cette
information peut être utilisée par
les médecins afin d’optimiser la
thérapie de ventilation artificielle
avec pour but d’éviter le collapse
dynamique et la surdistension des
alvéoles. L’utilisation de l’EIT permettrait ainsi de diminuer les décès liés à la ventilation artificielle
et de sauver plus de 30000 vies
chaque année.
Approche et méthode
Ce travail étudie différentes stratégies de placement des électrodes et de mesures afin de comparer le comportement du signal
pour chacun des cas. Une stratégie de mesure optimale maximise
la densité de courant dans la zone
d’intérêt. Dans le but de pouvoir
comparer les différents cas entre
eux et sachant que la qualité
de la mesure dépend fortement
du’nombre de mesures indépendantes et donc du nombre d’électrodes à disposition, il est nécessaire de fixer ce paramètre à 32
Figure 1: (à gauche) mesures de distinguabilité, (à droite) position de l’objet de test
dans le bassin
252
ti.bfh.ch
dans le cadre de cette étude.
Essentiellement, deux cas ont été
étudiés: 1) monoplanaire, où
toutes les électrodes sont sur un
même plan horizontal et 2) biplanaire, où les électrodes sont réparties sur deux plans horizontaux. Pour ce dernier cas, on
considère trois sous cas : a) deux
plans de 16 électrodes espacés
de 71 mm, b) deux plans de
16 électrodes espacés de 32 mm
et c) deux plans de 16 électrodes
espacés de 71 mm avec injection
interplan. Dans les cas a) et b)
l’injection du courant se fait toujours entre une paire d’électrodes
situées sur un même plan, alors
que pour le cas c) l’injection du
courant se fait entre une paire
d’électrodes situées sur des plans
horizontaux différents («zigzag»).
L’évaluation des résultats se base
sur la métrique de distinguabilité.
La distinguabilité est mesurée en
déplaçant un objet dans un bassin
d’eau salée, qui est un modèle
simplifié du thorax humain.
Résultats principaux
Sur la Figure 1, on peut voir que
les valeurs de distinguabilité les
plus élevées sont atteintes pour la
stratégie monoplanaire et les
moins bonnes pour la stratégie
«zigzag». Le cas a) quant à lui,
fournit les meilleurs résultats
concernant la distinguabilité des
objets hors plan.
BI BE BU VA
OCT characterization with phantoms
Optik / Betreuer: Prof. Christoph Meier, Michael Peyer
Experte: Stefan Gloor
In den letzten Jahren hat sich die Optische Kohärenztomographie (OCT) immer mehr in der Industrie und
in der Forschung etabliert. Das relativ neue Bildgebungsverfahren basiert auf dem Prinzip der Weisslichtinterferometrie. Aufgrund der lebhaften Forschungsaktivitäten im Gebiet der OCT wird es immer wichtiger
eine einheitliche und vergleichbare Charakterisierung zu realisieren. Ziel dieser Bachelorarbeit war es,
Phantome herzustellen, welche eine solche Charakterisierung ermöglichen.
Die Strukturen im PMMA, welche
mittels anderen Messmitteln definiert wurden, können mit dem
OCT ausgemessen werden. Starkes Rauschen erschwert jedoch
eine genaue Auswertung. Das
Auffüllen der Hohlstruktur mit
Wasser führt zu einer Verringerung
des Rauschens, weil ein teilweises
Indexmatching stattfindet.
Ausblickend ist zu sagen, dass ein
erster Schritt in Richtung der Charakterisierung gemacht werden
konnte. Keilproben ermöglichen
eine Charakterisierung der Eindringtiefe.
Die Strukturierungen von PMMA/
Silikon stellen eine gute Grundlage
zur Kalibrierung von OCT Systemen dar. Dieser Weg sollten
weiterverfolgt und weitere Strukturierungsmethoden in Betracht gezogen werden.
Ausgangslage
Die Arbeit basiert auf einer Publikation der University of Western
Australia, in welcher ein dreidimensionales Phantom zur OCT Charakterisierung präsentiert wurde.
Das Phantom besteht aus einer
Silikonmatrix, in welche TiO2 Partikel eingebettet werden, welche
als Streukörper dienen, da das Silikon transparent ist. Dieses Phantom weist zusätzlich ein ähnliches
Streuverhalten wie menschliches
Gewebe auf. Deswegen versuchte
man ebenfalls solche Proben als
Grundlage zu verwenden.
wändigkeit oder aufgrund che mischer Reaktionen verworfen.
Strukturen welche mit Kurzpulslaser in das Silikon markiert wurden,
konnten mit dem OCT nicht sichtbar gemacht werden.
Daneben wurden ebenfalls Proben
aus Polymethylmethacrylat (PMMA,
Plexiglas) hergestellt. Markierte
Strukturen per Kurzpulslaser konnten wie schon bei den Silikonproben mit dem OCT nicht sichtbar
gemacht werden. Infolgedessen
wurden Proben aus PMMA mittels
spanabhebender Bearbeitung hergestellt.
Vorgehen
Zur Strukturierung des Silikons
wurden verschiedenen Möglichkeiten in Betracht gezogen. Die
Herstellung von Keilproben mithilfe einer mechanischen Form
erbrachte reproduzierbare Ergebnisse. Andere Strukturierungsverfahren wurden wegen ihrer Auf-
Ergebnisse
Mit den hergestellten Keilproben
ist es möglich, eine reproduzierbare Eindringtiefe zu bestimmen.
Eine Verbindung zu menschlichem
Gewebe konnte mangels Informationen zu dessen Streuverhalten
nicht hergestellt werden
Streuende Keilstruktur (oben) zur
Charakterisierung der Eindringtiefe
und geometrische Struktur (unten) zur
Kalibrierung
Keilproben: Reines Silikon (links), Silikon mit eingebetteten TiO2 Partikel
ti.bfh.ch
Thomas Lüthi
[email protected]
253
BI BE BU VA
Headtracking für moderne elektronische Sehhilfe
Medizintechnik / Betreuer: Prof. Dr. Jörn Justiz
Experte: André Reber
Projektpartner: Reber Informatik + Engineering GmbH, Münsingen
Die Reber Informatik + Engineering GmbH entwickelt in Zusammenarbeit mit dem Medizintechniklabor der
BFH eine Sehhilfe für Patienten, welche an Altersbedingter Makuladegeneration leiden. Bei diesen Patienten
ist das zentrale Sehen gestört oder ganz verloren. Das heisst, dass sie zwar die Umgebung wahrnehmen,
jedoch keine Details wie z. B. einen Fahrplan oder generell Schriftzeichen lesen können.
Im Rahmen dieser Bachelorarbeit wurde für die Bedieneinheit der Sehhilfe ein Headtracking entwickelt,
damit das Gerät nun fast wie sein rein optisches «Pendant», der Feldstecher, bedient werden kann.
Christian Mauerhofer
Altersbedingte Makuladegeneration (AMD)
Wie die Bezeichnung schon sagt,
handelt e

Absolventenbuch 2012 - Berner Fachhochschule Technik und

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