BACHELORARBEITEN 2019 - Bachelor of Science FHO in Elektrotechnik STUDIUM - HSR Hochschule für Technik ...
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STUDIUM BACHELORARBEITEN 2019 Bachelor of Science FHO in Elektrotechnik
Vorwort der Rektorin
Sehr geehrte Damen und Herren
Ich freue mich, Ihnen die Bachelorarbeiten des Herbstsemesters 2018/2019 und des Früh-
jahrssemesters 2019 vorzustellen. Sie wurden von hochmotivierten Bachelorabsolventinnen
und Bachelorabsolventen erarbeitet, die mit Stolz auf eine intensive und arbeitsreiche Zeit
zurückblicken dürfen.
Vor rund drei Jahren entschlossen sich knapp 400 junge Leute, ihr Studium an der HSR in
einem der acht Bachelorstudiengänge in den Bereichen Technik, Informationstechnologie
oder Bau- und Planungswesen aufzunehmen. Heute halten Sie das Resultat ihrer Abschluss-
arbeiten in Ihren Händen. Es ist ein Einblick in die Vielfalt der Wissensgebiete, die unsere
Studierenden als Themen ihrer Diplomarbeiten gewählt und zu einem wertvollen Ergebnis
gebracht haben.
Die HSR richtet sich kontinuierlich am Puls der Wissenschaft und der Praxis aus. Unsere
enge Zusammenarbeit in der angewandten Forschung und Entwicklung mit der Wirtschaft
und öffentlichen Institutionen liefert ein Spiegelbild der zukünftigen Bedürfnisse und der
Herausforderungen in der Industrie und im Bau- und Planungswesen. Studierende aller
Studienrichtungen erhalten im Rahmen des Unterrichts die Möglichkeit, in praxisorientier-
ten Projekten mitzuwirken. Das schärft ihren Sinn für aktuelle Themen, für die Erarbeitung
Foto: Timo Rüegg praxisnaher und zielorientierter Lösungsansätze und ermöglicht es ihnen, wichtige Kontakte
für ihr berufliches Netzwerk bereits während des Studiums aufzubauen.
Auch die Abschlussarbeiten befassen sich mit Lösungen für die Praxis. Die Studierenden
wenden die gelernten Methoden und Kompetenzen an und beweisen ihre Fähigkeit, kom-
plexe Aufgabenstellungen umfassend zu bearbeiten. Die Unternehmen und die öffentlichen
Institutionen können also auf Fachkräfte zählen, die mit den aktuellen Herausforderungen
vertraut sind und ihr Wissen für eine innovative Schweizer Wirtschaft einbringen können.
Ich wünsche den Bachelorabsolventinnen und Bachelorabsolventen einen gelungenen Start
ins Berufsleben und viel Erfolg, Freude sowie die Möglichkeit zur Selbstverwirklichung auf
ihrem weiteren beruflichen Weg
Prof. Dr. Margit Mönnecke
Rektorin
HSR Hochschule für Technik Rapperswil Bachelorarbeiten 2019 Bachelor of Science FHO in Elektrotechnik 3
4 HSR Hochschule für Technik Rapperswil Bachelorarbeiten 2019 Bachelor of Science FHO in Elektrotechnik
Vorwort des Studiengangleiters
Sehr geehrte Damen und Herren
Kürzlich erschien in der Neuen Zürcher Zeitung ein Gastkommentar mit dem Titel «Die
echte Emanzipation der Frauen erfolgt über die Mint-Fächer». Der Kommentator meint,
dass generell in Westeuropa eine im Vergleich zu Ostasien starke Skepsis gegenüber
Technik und Naturwissenschaft herrsche. Unverdrossen sei die Präferenz der Frauen für
Geistes- und Sozialwissenschaften und diese Präferenz erweise sich als gesellschaftliches
und lohntechnisches Handicap. Er begründet dies damit, dass die Frauen nach einem
Abschluss in den Geistes- und Sozialwissenschaften kaum eine Stelle in ihrem Fachgebiet
finden würden, sondern nur in einem Gebiet, in dem sie nicht die notwendigen Kompe-
tenzen besitzen. Dieses Fehlen von Fachkompetenz in Recht, Ökonomie, Management,
IT oder Engineering verschlechtere die weiblichen Aufstiegschancen und schlage sich auf
den Lohn nieder.
In dieser Broschüre finden Sie die Abstracts der diesjährigen Bachelorarbeiten des
Studiengangs Elektrotechnik. Mit dem Abschluss als Bachelor of Science in Elektro
technik weisen die Diplomanden ihre Fachkompetenz als Elektroingenieure nach.
Die Absolventen werden keinerlei Mühe haben, eine Stelle in ihrem Fachgebiet zu finden,
zu gross ist weiterhin der Ingenieurmangel.
Leider befindet sich keine einzige Frau unter den Absolventen. Ich hoffe sehr, dass Technik
und Naturwissenschaften auch in der westlichen Welt wieder ihren verdienten Stellenwert
erlangen. Wenn die Mint-Fächer in der Volksschule interessant vermittelt werden und in
der Gesellschaft angesehen sind, wählen Knaben und auch Mädchen wieder vermehrt
technische Berufslehren und Ingenieurstudien. Wir benötigen diese Fachleute dringend.
Ich gratuliere den Diplomierten herzlich zu ihrem erfolgreichen Abschluss und wünsche
ihnen im Namen aller Dozentinnen und Dozenten für ihre berufliche und private Zukunft
alles Gute. Ich hoffe, dass sie ihrer Hochschule weiterhin freundschaftlich verbunden blei-
ben.
Rapperswil, im September 2019
Prof. Reto Bonderer
Studiengangleiter Elektrotechnik
HSR Hochschule für Technik Rapperswil Bachelorarbeiten 2019 Bachelor of Science FHO in Elektrotechnik 5
Preisstifter
Sensirion AG, Stäfa, ZH
Sonova AG, Stäfa, ZH
Swiss Engineering STV, Zürich
6 HSR Hochschule für Technik Rapperswil Bachelorarbeiten 2019 Bachelor of Science FHO in Elektrotechnik
Examinatoren
Prof. Erwin Brändle 23–25
Dr. Turhan Demiray 26, 27
Prof. Guido Keel 36–41
Fabian Knutti 44
Prof. Dr. Markus Kottmann 19, 20, 33–35
Dr. Hans-Dieter Lang 42
Prof. Dr. Heinz Mathis 21, 42–45
Dan Mugioiu43
Nicola Ramagnano 21, 45
Prof. Dr. Guido Schuster 17, 18, 22
Prof. Dr. Jasmin Smajic 14, 15, 16, 28–30
Roman Willi 31
Prof. Dr. Paul Zbinden 31, 32
HSR Hochschule für Technik Rapperswil Bachelorarbeiten 2019 Bachelor of Science FHO in Elektrotechnik 7
Experten
Dr. Martin Geidl 26, 27
Stefan Hänggi 43–45
Dr. Petr Korba 14, 15, 16, 28–30
Dr. Markus A. Müller 19, 20, 33–35
Robert Reutemann 31, 32, 38, 41
Mischa Sabathy 21, 42
Theo Scheidegger 23, 24, 25
Arthur Schwilch 36, 37, 39, 40
Gabriel Sidler 17, 18, 22
8 HSR Hochschule für Technik Rapperswil Bachelorarbeiten 2019 Bachelor of Science FHO in Elektrotechnik
Themen
Angewandter Elektromagnetismus: Felder und Wellen
Auslegung eines synchronen Reluktanz-Linearmotors 14
Entwicklung eines kleinen asynchronen Linearmotors 15
Statorentwicklung einer PM-Synchronmaschine mit Hairpin Wicklungsverfahren 16
Artificial Intelligence
Automatic Shot Transition Detection 17
Embedded Real Time Computer Vision 18
Control Theory
Optimized MIMO-Control for Magnetic Bearing Systems 19
Trajectory control and waypoint guidance for a blimp 20
Digital Image Processing
Automated Non-Destructive Structural Testing for Airspace Applications 21
Gestensteuerung für Haushaltgeräte 22
Embedded Systems
Eurobot 2019 «Atom Factory» 23, 24
Indoor Localization 25
Energiesysteme
Dynamische Verteilnetzkomponenten 26
Vergleich von Grid-Forming und Grid-Feeding Umrichtern
in trägheitsarmen Energiesystemen 27
Leistungselektronik
Auslegung und Aufbau der Leistungselektronik für einen asynchronen
Linearmotor (ALIM) 28
Autokalibration des Encoder-Fehlers 29
Voltage Source Inverter für eine Solid State Transformer Anwendung 30
Mikroelektronik
FPGA-basierter Analog-Digital-Wandler 31
Stream-basierte Bild-Skalierung im FPGA 32
HSR Hochschule für Technik Rapperswil Bachelorarbeiten 2019 Bachelor of Science FHO in Elektrotechnik 9
Themen (Fortsetzung)
Regelungstechnik
Aufrechtes Pendel mit zwei Freiheitsgraden 33
Dynamisches Manövrieren eines Quadrokopters 34
Reibkraftmodell für die Systemsimulation von Ventilen 35
Sensorik
Exhaled Air Analysis 36
Auswerteelektronik für induktiven Drehmoment-Sensor 37
Durchflussmessung mit Coriolis-Prinzip 38
Handtracking mit Ultraschall 39, 40
Optische Spektroskopie mittels Wellenlängenmodulation 41
Wireless Communications
3D-Printed Antenna for Automotive Radar Applications 42
Automatic EV Charging-Point Authentication Using V2X Communication 43
Drahtloser Gurtschlossschalter 44
Energieautarke Sensorik für Haushaltgeräte 45
10 HSR Hochschule für Technik Rapperswil Bachelorarbeiten 2019 Bachelor of Science FHO in ElektrotechnikBachelors, Diplomandinnen und Diplomanden
Roman Peter Abt37
Albrecht Wendelin33
Angehrn Dominik42
Barbisch Lukas39
Bilous Igor14
Blickenstorfer Markus15
Boog Manuel39
Braun Alex32
Bresina Nicholas32
Burkhalter Fabian45
Caspar Tino Andreia 19
Cerny Michael33
Da Silva Alexandre Filipe Carvalhal 21
Denzler Daniel37
Efrem Daniel41
Egger Marco18
Engeler Pascal45
Geisser David38
Giger Marcel20
Gmünder Lukas28
Grab Tobias35
Gründler Jonas30
Gschwend Jonas Loris 43
Hauser Joel18
Horat Pascal19
Iten Marcel24
Jauch Pascal Melchior 25
Kaya Gökhan31
Keller Florian24
Kenel Stefan26
Knezevic Petar23
Küttel Kristian36
HSR Hochschule für Technik Rapperswil Bachelorarbeiten 2019 Bachelor of Science FHO in Elektrotechnik 11Bachelors, Diplomandinnen und Diplomanden (Fortsetzung)
Ledermann Lukas22
Leutenegger Raphael23
Marti Silvio20
McDonald Jérôme 36
Merz Alex34
Müller Patrik44
Neurohr Florian29
Nyffenegger Michel André 35
Pantic Boris21
Riedi Gion Luis 27
Savic Dragan34
Schneider Matthias16
Schnider Dino22
Sprecher David40
Stamm Jonas Colin 30
Stgier Selina40
Suter Fabian26
Tobler Nicolas17
Unterer Raphael17
Wettstein Marcel38
Widmer Pascal44
Wiher Gian-Reto 43
Zanetti Gianluca28
Zimmermann Michael25
Zvyagin Alexandr41
12 HSR Hochschule für Technik Rapperswil Bachelorarbeiten 2019 Bachelor of Science FHO in ElektrotechnikHSR Hochschule für Technik Rapperswil Bachelorarbeiten 2019 Bachelor of Science FHO in Elektrotechnik 13
Diplomand Igor Bilous
Examinator Prof. Dr. Jasmin Smajic
Experte Dr. Petr Korba, ZHAW Zürcher Hochschule für Angewandte Wissenschaften,
Winterthur, ZH
Themengebiet Angewandter Elektromagnetismus: Felder und Wellen
Igor
Bilous
Auslegung eines synchronen Reluktanz-Linearmotors
Aufgabenstellung: Das Ziel der Arbeit war es, einen synchronen Linearmotor mit
Reluktanz-Stator und einer mechanischen Leistung von 200 Watt zu entwerfen. Die
Konstruktion erfolgte in zwei Schritten. Im ersten Schritt sollten die Geometrie des
Motors und die nötigen Parameter der Wicklungen berechnet werden. Der zweite Teil
bestand darin, den Linearmotor mittels transienter 2D-Simulation mit Bewegung in
MagNet (Infolytica) zu simulieren. Mithilfe der Simulation sollte dann der Motor opti-
miert werden. Zum Schluss sollte eine magneto-quasistatische 3D-Simulation der Wi-
ckelköpfe durchgeführt werden.
Vorgehen: Zu Beginn der Arbeit wurde ein Matlab-Programm erstellt, in dem alle
Parameter des Motors definiert wurden. Mithilfe des Programms konnten verschiedene
Simulationsmodell Geometrien des Motors automatisch generiert werden. Die erste Auslegung des Mo-
Eigene Darstellung tors bestand aus 12 Stator- und 8 Rotorzähnen, wobei dann bei der Spulengeomet-
rie eine Zweischichtwicklung gewählt wurde. Die ersten Simulationen zeigten, dass der
Motor die nötige Leistung nicht erbringen konnte. Die erste Optimierungsmassnahme
bestand darin, die Geometrie des Motors zu verändern. Die Anzahl der Zähne wurde re-
duziert. Im nächsten Schritt wurde die Polschuhgeometrie untersucht. Die zeitaufwen-
dige Einstellung der Schaltzeiten für den Beschleunigungsprozess wurde mit einer ande-
ren M
ethode gelöst.
Das grösste Hindernis bestand darin, eine konstante Geschwindigkeit zu halten. Für ei-
nen sauberen Betrieb muss die Geschwindigkeit des Feldes im Stator gleich sein wie die
im Rotor, ansonsten oszilliert die Geschwindigkeit oder der Motor wird abgebremst. Ein
bewegendes Magnetfeld zu erzeugen, gestaltete sich als sehr aufwendig. Die passende
Frequenz für die Synchrongeschwindigkeit wurde berechnet und anschliessend experi-
Schema einer Phase
mentell angepasst. Zum Schluss wurden die Induktivitäten und die Effizienz des Motors
Eigene Darstellung
berechnet.
Ergebnis: Der 2-polige Linearmotor wird in vier Phasen betrieben und besitzt 8 Stator-
und 6 Rotorzähne. Aktuell kann die Geschwindigkeit nur mithilfe von Stromquellen kon-
stant gehalten werden. Die Oszillation der Geschwindigkeit konnte nicht vollständig ent-
fernt werden, jedoch wurde diese stark gedämpft. Die zeitaufwendige Einstellung der
Schaltzeiten für die Beschleunigung wurde durch den Einsatz von Positionsschaltern ge-
löst. Diese sind abhängig von der Position des Rotors und schalten nur in der richtigen
Stellung die Quellen ein bzw. aus. Nach der transienten 2D-Simulation mit Bewegung
weist der Motor im belasteten Zustand eine Kraft von 109,7 N bei einer Geschwindigkeit
von 1,97 m/s auf. Die mechanische Leistung beträgt 216 W. Mit einer elektrischen Leis-
tung von 695 W kann eine Effizienz von 31 % erzielt werden.
Grafik B – Feld und Fluss
Eigene Darstellung
14 HSR Hochschule für Technik Rapperswil Bachelorarbeiten 2019 Bachelor of Science FHO in ElektrotechnikDiplomand Markus Blickenstorfer
Examinator Prof. Dr. Jasmin Smajic
Experte Dr. Petr Korba, ZHAW Zürcher Hochschule für Angewandte Wissenschaften,
Winterthur, ZH
Themengebiet Angewandter Elektromagnetismus: Felder und Wellen
Markus
Blickenstorfer
Entwicklung eines kleinen asynchronen Linearmotors
Einleitung: Für viele Anwendungen in der Industrie werden lineare Bewegungen benö-
tigt. Mit konventionellen rotierenden Motoren ist das nur mit einem Getriebe möglich,
was zusätzlichen Aufwand und Kosten nach sich zieht.
Aus der Arbeit sollte ein kleiner Asynchron-Linearmotor (ALIM) mit einer Leistung von
100 W entstehen. Dieser soll eine maximale Geschwindigkeit von 3 m/s erreichen.
Vorgehen: Der ALIM wird mittels FEM-Simulationen ausgelegt. Eine Parameteroptimie-
rung findet in 2D-Simulationen statt, aus denen anschliessend ein komplexes 3D-Modell
erstellt wird. Dieses 3D-Modell wird zur Bestimmung der Streuinduktivität der Wick-
lungsenden verwendet. Diese werden anschliessend wieder in die 2D-Simulation ein-
fliessen, um genauere Ergebnisse zu erhalten. Das optimierte Design wird anschliessend
CAD Modell des asynchronen Linearmotors für die 3D-Simulation als Prototyp hergestellt.
Eigene Darstellung
Ergebnis: Das Wickeln eines ALIM bringt andere Probleme als die eines rotierenden
Asynchronmotors. Es gibt deutlich mehr Überkreuzungen, deshalb brauchen die Wick-
lungsendköpfe mehr Platz. Die Wicklungen sind jedoch einfacher zu platzieren. We-
gen dieser Probleme musste der Kupferquerschnitt angepasst werden. Das sollte aber
zu keinen grossen Änderungen in der Leistung führen. Das gelieferte Blechpaket hatte
über die gesamte Breite einen Kurzschluss. Entgegen der Erwartung führte dies nicht zu
einem grösseren Stromfluss. Die ersten Versuche im Prüfstand sahen sehr vielverspre-
chend aus. Zum genauen Vergleich mit der Simulation sind weitere Tests nötig, die mit
dem momentanen Testaufbau jedoch nicht möglich sind.
B-Feld des asynchronen Linearmotors nach der FEM-Simulation
Eigene Darstellung
Der fertig gewickelte asynchrone Linearmotor
Eigene Darstellung
HSR Hochschule für Technik Rapperswil Bachelorarbeiten 2019 Bachelor of Science FHO in Elektrotechnik 15Diplomand Matthias Schneider
Examinator Prof. Dr. Jasmin Smajic
Experte Dr. Petr Korba, ZHAW Zürcher Hochschule für Angewandte
Wissenschaften, Winterthur, ZH
Themengebiet Angewandter Elektromagnetismus: Felder und Wellen
Matthias
Schneider
Statorentwicklung einer PM-Synchronmaschine mit Hairpin Wicklungsverfahren
Ausgangslage: In Zusammenarbeit mit dem Industriepartner soll eine neue Wicklungs-
methode für eine bestehende Spindel getestet werden. Der Antrieb der Maschine ist
ein permanent erregter Synchron-Motor. Die modulare Bauweise der Maschine erlaubt,
dass ein neues Wicklungskonzept in der bestehenden Maschine getestet werden kann.
Die neue Wicklung soll mit dem Hair-Pin-Verfahren erstellt werden. Ausschlaggebend
für die Wahl dieses Verfahrens ist das hohe Potenzial zur industriellen Fertigung, die ein
indirektes Ziel der Arbeit ist. Im Rahmen dieser Arbeit soll die neue Wicklung mit elek-
tromagnetischen Simulationen geprüft werden, und auf Basis dieser Ergebnisse soll ein
Prototyp gefertigt werden.
Eckdaten der Maschine:
Abb. 1: 2D Modell des Stators mit Windungen und Rotor Die konstante abgegebene mechanische Leistung der Maschine liegt bei 2 kW bei einem
Drehzahlbereich von 45 000 bis 50 000 rpm. Der Umrichter liefert einen Strom von maxi
mal 15 A bei einer Spannung von 100 V.
Vorgehen: Für die Modellierung der Maschine wurde ein Python-Skript geschrieben, das
ein 2D-Modell der Maschine generiert. Das Design, das sich aus den Anforderungen an
die Maschine und den geometrischen Einschränkungen ergab, wurde mit S imulationen
getestet und weiter optimiert. Um die Modelle zu erstellen und zum Lösen der elektro-
magnetischen Simulationen wurde die Software Ansys Maxwell verwendet.
Mit dem 2D-Modell wird nebst der abgegebenen mechanischen Leistung der Maschine
die magnetische Feldverteilung im Stator ermittelt. Aus den Simulationen wird ebenfalls
die Spannung ermittelt, die benötigt wird, damit sich ein Strom von 15 A einstellt. Zum
Ermitteln der Hauptinduktivität wurde eine Simulation durchgeführt, bei der der Motor
Abb. 2: Oberflächen-3D-Mesh des Modells, das zum Bestimmen der
im Reluktanzbetrieb ist, d. h., die Erregung durch den Permanentmagneten wird wegge-
Streuinduktivität verwendet wurde lassen. Auf Basis des 2D-Modells wurde ein 3D-Modell des Stator-Paketes generiert, der
Wickelkopf zum Bestimmen der Streuinduktivität wurde nachträglich designt und dahin-
gehend optimiert, dass sich ein minimaler Wert für den Kupferwiderstand und die Streu-
induktivität ergibt. Die Abb. 2 zeigt das vollständig vernetzte Modell mit Wickelkopf und
Welle, aus dem die Streuinduktivität ermittelt wurde.
Ergebnis: Auf Basis der Simulationen wurde die Maschine optimiert und ein Prototyp
des Stators gefertigt. Die Abb. 3 zeigt das aus der Simulation ermittelte abgegebene
mechanische Drehmoment abhängig vom Polradwinkel. Die Maschine wird bei einem
Polradwinkel von 60° betrieben, was durch den Umrichter geregelt wird. Das erzeugte
Drehmoment bei entsprechendem Winkel liegt bei 309 mNm, die abgegebene Leistung
beträgt somit 1,62 kW. Die ermittelte Spannung liegt bei 51,7 V bei einem Strom von
15 A, die aufgenommene elektrische Leistung beträgt so 1,86 kW. Dementsprechend
Abb. 3: Aus der Simulation ermittelte Drehmomentkurve der Maschine
liegt der Wirkungsgrad der Maschine bei 87 %.
bei 50 000 rpm
Aufgrund der geometrischen Einschränkungen entspricht die Leistung der Maschine
nicht den geforderten 2 kW. Das Hauptziel der Arbeit war die Entwicklung eines neuen
Wicklungsverfahrens für die bestehende Maschine, was erfolgreich realisiert werden
konnte.
16 HSR Hochschule für Technik Rapperswil Bachelorarbeiten 2019 Bachelor of Science FHO in ElektrotechnikGraduate Candidates Nicolas Tobler, Raphael Unterer
Examiner Prof. Dr. Guido Schuster
Co-Examiner Gabriel Sidler, Eivycom GmbH, Zürich
Subject Area Artificial Intelligence
Nicolas Raphael
Tobler Unterer
Automatic Shot Transition Detection
Introduction: VisuMAX is a medical laser device for refractive surgery built by Zeiss. Each
surgery outputs a video clip that depicts the whole surgical procedure. Every video con-
sists of a consecutive sequence of six different surgical steps. The goal of this work is to
automatically segment the eye surgery videos into these classes using a deep learning
approach. The segmentation is required to enable further video-based analysis of the
surgery. This task is closely related to the shot boundary detection problem, which finds
boundaries between two video shots.
Approach: Two different approaches have been implemented in order to solve this prob-
lem.
At first, a 3D convolutional neural network has been trained on artificially generated
Simplified graph of the whole algorithm video sequences taken from a TV data set. This neural network is able to detect shot
Source: Own illustration
boundaries accurately on TV clips. However, it has a poor performance on the surgical
videos.
Consequently, a second deep convolutional neural network has been designed to per-
form a content classification on every frame. Six possible classes have been defined,
where each represents a part of the surgery. First, each frame is pre-processed and
fed through this frame classification network. Then, the most probable class sequence
is evaluated by post-processing the class probabilities. The neural network has been
trained end-to-end using a provided batch of 30 eye surgery videos. In order to provide
ground truth, each video frame has been labeled by a human operator using a dedicated
labeling tool.
A Python API using Google Tensorflow has been built. It includes components for
Outcome of post-processing shown on an example training and inference of the neural network, as well as tools for statistics and data set
Source: Own illustration
handling.
Conclusion: The deep convolutional neural network in combination with a Viterbi or
long short-term memory (LSTM) neural network based post-processing algorithm is able
to segment the videos properly. Over 90% of the predicted boundaries have less than
two seconds deviation from the labeled data. Less than 10% poorly detected transitions
remain. These outliers can be partly attributed to a low amount of training data.
Histograms of deviations from ground truth in seconds
Source: Own illustration
HSR Hochschule für Technik Rapperswil Bachelorarbeiten 2019 Bachelor of Science FHO in Elektrotechnik 17Diplomanden Marco Egger, Joel Hauser
Examinator Prof. Dr. Guido Schuster
Experte Gabriel Sidler, Eivycom GmbH, Zürich
Themengebiet Artificial Intelligence
Marco Joel
Egger Hauser
Embedded Real Time Computer Vision
Einleitung: Bei Computer Vision geht es darum, dass eine Maschine Bilder verstehen
kann. Kombiniert man eine Kamera mit Deep-Learning-Algorithmen, verleiht man einem
Rechner eine neue Form der Wahrnehmung. Anwendungen finden sich zum Beispiel in
der Automatisierungs-, Verkehrs- oder Sicherheitstechnik.
Computer Vision ist sehr rechenintensiv, was für gewisse Anwendungen eine Hürde dar-
stellt. Jedoch öffnen sich dank den enormen Fortschritten in der Technik neue Möglich-
keiten. Leistungsfähige Rechner werden immer kleiner, und somit sinken Platz-, Ener-
gie- und Kostenbedarf. Der Grafikkarten-Hersteller Nvidia veröffentlichte seit 2017 die
Embedded Modelle Jetson TX2, Xavier und Nano speziell für KI-Anwendungen. Im Rah-
men dieser Arbeit wollen wir diese eingebetteten Systeme für Computer Vision näher
Nvidia Jetson TX2 (links), Xavier (rechts oben), Nano (rechts unten) betrachten. Ausserdem schneidet diese Arbeit das Thema Tiefenbilder für Computer Vi-
Eigene Darstellung sion an. Bei Tiefendaten handelt es sich um Bilder, bei denen der Wert eines Pixels der
Distanz zwischen Kamera und fotografiertem Gegenstand entspricht. Mit diesen Daten
erhält man weitere Informationen über die Umgebung und ermöglicht es, Objekte zu
unterscheiden, die man mit Farbbildern alleine nicht klassifizieren könnte. Zum Beispiel
ist es in einem Farbbild schwierig, eine weisse runde Scheibe von einer weissen Kugel zu
unterscheiden.
Ziel der Arbeit: Das Ziel dieses Projekts ist es, einen Ablauf zu schaffen, wie man von
einem neuronalen Netzwerk, das auf einem Personal Computer trainiert wurde, auf
einen Jetson TX2 portieren kann. Es werden zwei Abläufe beschrieben: Beim ersten
wird das neuronale Netzwerk mit Matlab und beim zweiten mit TensorFlow trainiert.
Der Ablauf soll gut nachvollziehbar dokumentiert werden, damit er für spätere Anwen-
dungen einfach übernommen und abgeändert werden kann. Zusätzlich soll der Jetson
Ablauf Portierung von Host (grün) auf Jetson (blau) mit Matlab
TX2 mit seinen Nachfolgermodellen Xavier und Nano verglichen werden, um das pas-
Eigene Darstellung
sende G erät für die jeweilige Anwendung zu finden. Für Computer Vision sollen Bilder
und Videostreams aufgenommen werden können. Dafür wird in dieser Arbeit mit der
Realsense-D415-Kamera von Intel gearbeitet. Diese Kamera ist fähig, Farb- und Tiefen-
bilder mit bis zu 60 Frames pro Sekunde zu streamen. Ein neuronales Netzwerk soll so
erweitert werden, dass es nicht nur Farb-, sondern auch Tiefenbilder verarbeiten kann.
Eine Klassifizierung auf dem Nvidia Jetson soll in Echtzeit, dies bedeutet mit mindestens
10 Frames pro Sekunde, möglich sein.
Ergebnis: Es ist gelungen, einen Ablauf zu schaffen, in dem man den Deep-Learning-
Algorithmus auf den Jetson TX2 portieren kann. Dieser Ablauf ist Schritt für Schritt in
den jeweiligen Projektordner beschrieben. Es kann je nach Anwendung Matlab oder
P ythons TensorFlow-Framework verwendet werden. Auch wurde der Trade-off von Leis-
Computer Vision mit Farb- und Tiefendaten auf Nvidia Jetson TX2 tungsfähigkeit und Preisklasse der verschiedenen Jetson-Maschinen verglichen; somit
Eigene Darstellung kann das bestmögliche Modell für die gewünschte Anwendung gebraucht werden. Wir
haben es geschafft, die Intel-Realsense-D415-Kamera auf dem Nvidia Jetson in Betrieb
zu nehmen und sie via Python und C++ anzusteuern. Eine mögliche Ansteuerung ist do-
kumentiert. Ausserdem haben wir ein neuronales Netz für Farb- und Tiefendaten erstellt,
das eine Kugel von einer runden Scheibe unterscheiden kann.
18 HSR Hochschule für Technik Rapperswil Bachelorarbeiten 2019 Bachelor of Science FHO in ElektrotechnikGraduate Candidates Tino Andreia Caspar, Pascal Horat
Examiner Prof. Dr. Markus Kottmann
Co-Examiner Dr. Markus A. Müller, Frei Patentanwaltsbüro AG, Zürich
Subject Area Control Theory
Project Partner Mecos AG, Zürich, ZH
Tino Andreia Pascal
Caspar Horat
Optimized MIMO-Control for Magnetic Bearing Systems
Introduction: Fast spinning machinery such as turbo pumps, compressors, turbo blow-
ers or centrifuges are used in many applications across different industries. The main
advantages of the high rotational speeds (which can amount to tens of thousands of
revolutions per minute) include an overall greater efficiency and a similar power output
at a reduced system size. The major drawback though, is the increased performance re-
quirement of the shaft bearings. Above certain rates of rotation, conventional methods
like sleeve or roller bearings are no longer applicable due to friction and abrasion.
This is where so-called active magnetic bearings (AMBs) come into play. In AMBs, the
turning arbor is levitated and positioned by means of electromagnets. Since there is no
direct contact between moving parts of the machinery, magnetic bearings represent a
Generalized Notch Filter inserted into Control Loop sophisticated, wear-free alternative to conventional systems.
Source: IEEE Trans. on CST, ID: 1063-6536(96)06624-9
By letting the shaft hover freely, it can be rotated around its inertial axis instead of its
geometric one. In this way, almost no mass unbalances occur, leading to a minimization
of possible vibrations. One way to achieve this is by inserting a notch filter into the con-
trol loop that removes unbalance disturbances from the measured position signals.
Objective: For the above mentioned filter to work, the different frequency responses of
the magnetic bearing have to be measured and stored before deployment. This data is
used to parametrize the rotational speed dependent notch filter. The amount of metered
data can be quite extensive. If the quantity of the data is reduced, demands for the hard-
ware capabilities decrease and potential cost savings arise.
In the current solution, the frequency responses are approximated by third order poly
nomials, and only their coefficients are kept. The frequency responses are then recalcu-
Robustness Radius of decoupled Adaption Matrix lated from the coefficients in real time during operation.
Own Depiction
The objective of this thesis is to investigate further data reduction, one strategy being
a decoupling of the system channels. For evaluating the usefulness of the developed
algorithms, the primary cost function is the resulting robustness of the whole system and
not the actual Goodness of fit.
Result: Several different approaches to approximate the frequency responses are pur-
sued. They include iterative as well as non-iterative solutions. Various strategies are em-
ployed and combined to find the most effective one in terms of results and calculation
time.
It is shown that a substantial reduction in the amount of data is indeed possible, while
maintaining robustness, stability and convergence time. The best outcomes are achieved
by solving an optimization problem based on the eigendecomposition of the system.
Third order Polynomial Approximation of Phase Response
Own Depiction
HSR Hochschule für Technik Rapperswil Bachelorarbeiten 2019 Bachelor of Science FHO in Elektrotechnik 19Graduate Candidates Marcel Giger, Silvio Marti
Examiner Prof. Dr. Markus Kottmann
Co-Examiner Dr. Markus A. Müller, Frei Patentanwaltsbüro AG, Zürich
Subject Area Control Theory
Marcel Silvio
Giger Marti
Trajectory control and waypoint guidance for a blimp
Introduction: The development in recent years has shown several different use-cases for
zeppelins and other lighter-than-air airships. HSR has developed its own airship, which
has to operate energy self-sufficiently and autonomously.
The airship’s board controller is a wePilot4000 of weControl SA, which contains a GPS
module, a magnetometer, a 9 axis accelerometer and a barometer and is able to drive all
actuators. The wePilot is programmed in Oberon, a programming language developed
at the ETH.
Objective: The position and flight attitude of the airship is to be calculated from the raw
sensor data. The main goal of this thesis is to develop the control algorithm for an auto-
pilot, which is able to navigate through a set of waypoints in a given sequence. In order
Planned trajectory calculation visualisation to achieve this, test flights have to be performed and the data obtained has to be utilized
Own illustration
to create a model of the plant.
Result: The controllers were developed with a model-based approach and its parameters
were found with the LQR method and verified with test flights.
The HSaiR airship is now able to estimate its own flight attitude and position accurately
out of raw sensor data. These parameters allow the airship to successfully navigate along
a given set of waypoints without external assistance. These capabilities have been prov-
en in extensive tests in the area around the HSR and over Lake Zurich.
Planned (red) compared to flown (blue) course
Own illustration
The airship over Lake Zurich
Own picture
20 HSR Hochschule für Technik Rapperswil Bachelorarbeiten 2019 Bachelor of Science FHO in ElektrotechnikGraduate Candidates Alexandre Filipe Carvalhal Da Silva, Boris Pantic
Examiners Prof. Dr. Heinz Mathis, Nicola Ramagnano
Co-Examiner Mischa Sabathy, Ampegon AG, Turgi, AG
Subject Area Digital Image Processing
Project Partner IMITec GmbH, Meilen, ZH
Alexandre Filipe Boris
Carvalhal Da Silva Pantic
Automated Non-Destructive Structural Testing for Airspace Applications
Introduction: A common problem of airplanes is the accumulation of water inside the
honeycomb structure of the rudder. While the airplane is on the ground, it is affected
by climate conditions, especially by humidity. During the flight, the humidity condenses
inside the structure and additional water finds its way to the inside. That is problematic
because the temperature drops below the freezing point. As the water freezes, its vol-
ume increases. The honeycomb structure cannot withstand the pressure and breaks. To
find such damages, non-destructive testing is used. The testing is usually done manually
by two technicians on a crane. This method has a high-risk factor for damaging the air-
plane structure and is time demanding.
Objective: The detection of potential damages is done by analyzing thermography im-
Concept of the functionality of the robot ages of the airplane structure. The idea is to improve such testing, by using a robot.
Moreover, the robot should be able to climb automatically on the airplane, define its own
position, take thermography images and store them.
The goal of this thesis is to create two algorithms: a positioning algorithm and a pro-
cessing algorithm, which merges all thermography images and provides the means for
damage and feature detection. In addition to the algorithms, a graphical user interface
should be created for analyzing the features and give the user the possibility of changing
its attributes and creating a log file with all the information.
Procedure / Result: The hardware used to capture the thermography images was pro-
vided by IMITec, hence the focus of this project is mainly on the algorithm. For the posi-
tioning, a prototype is created and various camera types and camera positions under dif-
ferent light conditions are compared, to provide an optimal resolution for the calculation.
Calculation of the robot’s position through optical cameras A graphical user interface is designed to display the detected features, damages, and the
merged images. Additional features are implemented, allowing the user to analyze all
the images, to add, change or remove features, and to create a log file.
Evaluation of the thermal images and structural features (blue: water,
red: feature)
HSR Hochschule für Technik Rapperswil Bachelorarbeiten 2019 Bachelor of Science FHO in Elektrotechnik 21Diplomanden Lukas Ledermann, Dino Schnider
Examinator Prof. Dr. Guido Schuster
Experte Gabriel Sidler, Eivycom GmbH, Zürich
Themengebiet Digital Signal Processing
Lukas Dino
Ledermann Schnider
Gestensteuerung für Haushaltgeräte
Aufgabenstellung: Der Industriepartner möchte die Bedienung eines Dunstabzuges über
Gestensteuerung evaluieren. Dieser soll als Funktionsmuster so umgebaut werden, dass
mit verschiedenen Gesten die Funktionalität gesteuert werden kann. Um dies zu errei-
chen, bedarf es geeigneter Sensoren und dazugehörender Gesten. Diese Handbewe-
gungen werden darauf in einer Gestendatenbank mit dazugehörenden Videoströmen
abgespeichert.
Das Funktionsmuster soll in Echtzeit (weniger als eine Sekunde nach dem Beenden der
Geste) angesteuert werden. Es wird eine Erkennungsrate von 90 % angestrebt.
Vorgehen / Technologien: In einem ersten Schritt wurden verschiedene Sensortypen
analysiert. Es wurde festgelegt, dass sowohl eine kapazitive als auch eine optische Me-
Verwendeter Dunstabzug thode zu verfolgen ist.
Handelsübliches Modell
Optisch:
Zu Beginn der Arbeit wurden verschiedene Kameras analysiert. Die besten Ergebnisse
versprach eine Farbkamera mit Fischauge von 120° Sichtfeld. Diese ist mittig auf der
Vorderseite des Dampfabzuges befestigt und nach unten gerichtet. Es wurden zwei
Varianten implementiert. In der ersten Variante wird alle 66 ms ein Differenzbild zwi-
schen dem aktuellen und dem Hintergrundbild berechnet. Dieses Differenzbild wird
mit dem vergangenen Differenzbild kreuzkorreliert, um die Veränderung auszuwer-
ten. In der zweiten Variante wurde die Bewegungserkennung erweitert, sodass kom-
plexere B
ewegungen (zweidimensional) ausgeführt werden können. Die Hand wird als
Ausschnitt gespeichert, im nächsten Bild zweidimensional kreuzkorreliert und der neue
Ausschnitt wieder gespeichert.
Empfangene Signale des kapazitiven Sensors pro Geste (normalisiert) Kapazitiv:
Eigene Darstellung
Als Erstes wurde ein PCB gefräst. Es besteht aus zwei kapazitiven Feldern, die auf der
Unterseite abgeschirmt sind. Als Kapazitiv-zu-Digital-Wandler wird der FDC 1004 von
Texas Instruments verwendet. Um Trainingsdaten zu erhalten, wurde ein Satz von vier
Gesten mit je 100 Wiederholungen aufgezeichnet. Aus diesen Datenströmen wurde eine
Zeichenabfolge generiert, um ein Hidden-Markov-Modell (HMM) zu trainieren. Dieses
berechnet aus der Zeichenabfolge die Wahrscheinlichkeit einer Geste.
Für beide Methoden wurde ein Matlab-Programm entwickelt, um die Daten auszuwer-
ten und grafisch darzustellen. Da die Abzugshaube nicht direkt angesteuert werden
kann, wird dies über eine Fernbedienung gelöst. Diese wird von einer Arduino geschal-
tet. Das hat jedoch den Nachteil, dass eine zusätzliche Verzögerung von 600 ms im
System auftritt.
Signalpfad zur Ansteuerung des Dampfabzuges Ergebnis: Beide Ansätze funktionieren, wenn die Gesten nach Definition ausgeführt
Matlab, Arduino werden. Es können jeweils vier verschiedene Gesten erkannt werden. Dies ist noch
ausbaufähig. Kapazitiv könnten die Gesten nach Geschwindigkeit unterschieden wer-
den, o
ptisch gäbe es weitere Möglichkeiten mit einem neuronalen Netzwerk.
22 HSR Hochschule für Technik Rapperswil Bachelorarbeiten 2019 Bachelor of Science FHO in ElektrotechnikDiplomanden Petar Knezevic, Raphael Leutenegger
Examinator Prof. Erwin Brändle
Experte Theo Scheidegger, Swens GmbH, Schänis, SG
Themengebiet Embedded Systems
Petar Raphael
Knezevic Leutenegger
Eurobot 2019 «Atom Factory»
Subteam B
Einleitung: Eurobot ist ein Robotikwettbewerb, der auf nationaler und internationa-
ler Ebene ausgetragen wird. Dabei messen sich die teilnehmenden Studententeams
und Roboterclubs mit ihren autonom agierenden Robotern im Lösen von anspruchsvol-
len Aufgaben. Wie in den vergangenen Jahren war die HSR auch im Frühjahr 2019 mit
einem Team am Eurobot-Wettbewerb vertreten. An den SwissEurobotopen vom 9. bis
10. Mai 2019 strebte das HSR-Team einen Podestplatz an, um sich so für die anschlies-
senden internationalen Eurobotopen in Frankreich zu qualifizieren.
Das Thema des Eurobot-Wettbewerbs 2019 lautete «Atom Factory». Gegenstand der
verschiedenen Aufgaben waren Atome in Form von Eishockeypucks. Durch das erfolg
reiche Lösen verschiedener Teilaufgaben konnten die Roboter Punkte erringen. Die ver-
Grosser Roboter (links) und kleiner Roboter (rechts) bindlichen Eurobot-Spielregeln wurden wiederum in einem umfassenden Regelwerk
Eigene Darstellung festgelegt und waren unter www.eurobot.org publiziert.
Das HSR-Team 2019 «Highly Scientific Robot» konstituierte sich aus vier Studierenden
der Fachrichtung Elektrotechnik sowie drei Studierenden der Fachrichtung Maschinen-
technik | Innovation. Im Rahmen ihrer Bachelorarbeit sowie der vorausgehenden Studien-
arbeit wurden in den jeweiligen Sub-Teams unterschiedliche Themengebiete bearbeitet.
Vorgehen: In intensiver interdisziplinärer Zusammenarbeit haben die jeweiligen Sub-
Teams der beiden Fachrichtungen gemeinsam einen kleinen und einen grossen Roboter
entworfen, konstruiert und für den Eurobot-Wettbewerb optimiert.
Die vorliegende Bachelorarbeit baute auf den in der vorangegangenen Studienarbeit
erarbeiteten Konzepten und Komponenten auf. Dabei wurden die einzelnen Subsysteme
schrittweise erweitert und ergänzt sowie schliesslich zu einem funktionierenden Ge-
Strategie Grosser Roboter samtsystem vereint.
Spielfeld aus Eurobot Rules 2019 (www.eurobot.org)
Die verschiedenen Komponenten wurden erfolgreich in Betrieb genommen, mittels Unit-
Tests verifiziert und zuverlässig in das System eingebunden. Die internen Abläufe in den
Robotern wurden weitgehend als Finite State Machines (FSM) in der Firmware umge-
setzt. Die Strategieeinheit wurde aufgrund ihrer Komplexität vollständig neu konzipiert,
implementiert und ebenfalls erfolgreich getestet. Damit können neue Strategien schnell
definiert und einfach über das Touch-Display ausgewählt werden.
Ergebnis: Die beiden Roboter wurden termingerecht auf die SwissEurobotopen fertig
gestellt. Die verschiedenen Module in Hard- und Software sowie die Strategieeinheit
funktionierten zuverlässig.
Das ambitionierte Ziel, sich für die internationalen Eurobotopen zu qualifizieren, wurde lei-
der nicht erreicht. Im Viertelfinal schied das HSR-Team gegen den Roboter Club Rappers-
HSR-Team 2019: «Highly Scientific Robot»
wil aus – den späteren Schweizer Meister. Bei der Kollision mit einem Gegner erlitt der
Eigene Darstellung
grosse Roboter zudem einen mechanischen Defekt. In der Folge konnte das Team ledig-
lich den kleinen Roboter einsetzen. Das HSR-Team 2019 «Highly Scientific Robot» be
endete den SwissEurobotopen-Wettbewerb schliesslich auf dem sechsten Rang.
HSR Hochschule für Technik Rapperswil Bachelorarbeiten 2019 Bachelor of Science FHO in Elektrotechnik 23Diplomanden Marcel Iten, Florian Keller
Examinator Prof. Erwin Brändle
Experte Theo Scheidegger, Swens GmbH, Schänis, SG
Themengebiet Embedded Systems
Marcel Florian
Iten Keller
Eurobot 2019 «Atom Factory»
Subteam A
Ausgangslage: Eurobot ist ein internationaler Roboterwettbewerb, an dem sich jedes
Jahr Studententeams und Roboterclubs mit ihren autonom agierenden Robotern messen
können. Dabei haben die selbst gebauten Roboter klar definierte Aufgaben zu lösen, um
damit möglichst viele Punkte zu erzielen.
Auch im Frühjahr 2019 nahm die HSR mit einem siebenköpfigen Team an den Euro-
bot-Wettkämpfen teil. Die vier Elektrotechnik-Studenten konstituierten sich in zwei Sub-
Teams und lösten primär die elektrotechnischen Herausforderungen, während sich drei
Maschinentechnik-Studenten mit der Konstruktion der Roboter beschäftigten.
Die Eurobot-Projektarbeit an der HSR erstreckt sich jeweils über zwei Semester. Im
vorangegangenen Herbstsemester wurden im Rahmen von Studienarbeiten einzelne
Eurobot-Team 2019 Teilsysteme für die Roboter vorbereitet und die wesentlichen Konzepte ausgearbeitet.
Eigene Darstellung
Die vorliegende Bachelorarbeit stellt damit den zweiten Teil des Eurobot-Projektes dar
und umfasst die Fertigstellung der Roboter sowie die Teilnahme am Wettbewerb.
Das erklärte Ziel des ganzen HSR-Teams war es, mit den selbst entwickelten Robotern
an der Schweizer Meisterschaft im Frühling 2019 erfolgreich teilzunehmen und einen
Podestplatz zu erreichen.
Aufgabenstellung: In einem ersten Schritt wurden die vorbereiteten Teilsysteme im Rah-
men dieser Bachelorarbeit vervollständigt. Dies umfasste unter anderem die Program-
mierung eines Displays, die Integration und Inbetriebnahme diverser Aktoren und Sen-
soren sowie die Einbindung der Gegnererkennung in das Gesamtsystem. Zusätzlich war
ein neues PCB zu entwickeln, das als Adapterboard die verschiedenen Schnittstellen des
Maincontrollers bereitstellt.
Elektrische Komponenten kleiner Roboter
Im nächsten Schritt wurden die vorbereiteten Module in die Roboter verbaut und in
Eigene Darstellung
Betrieb genommen. Dabei konnten diverse Aktoren und Sensoren in Baugruppen zu-
sammengefasst und in der Roboter-Firmware abstrahiert werden. Die komplexen Ab-
läufe wurden in individuell angepassten Finite State Machines (FSM) umgesetzt.
Abschliessend folgten ausgiebige Tests und das Vorbereiten der Roboter für den Euro-
bot-Wettbewerb.
Ergebnis: Das HSR-Eurobot-Team 2019 «Highly Scientific Robot» konnte mit gut funk-
tionierenden Robotern an der Schweizer Meisterschaft teilnehmen. Die beiden Roboter
vermochten sich in den Gruppenspielen erfolgreich gegen diverse Gegner zu behaupten
und konnten schliesslich in der Finalrunde teilnehmen. Mit dem sechsten Schlussrang an
den SwissEurobot 2019 wurde das Ziel eines Podestplatzes leider verfehlt, da ein Robo-
ter bei einer Kollision beschädigt wurde. Dennoch ist das HSR-Team mit dem erreichten
Fertige Roboter
Ergebnis zufrieden, es konnten zwei technisch ausgereifte und konkurrenzfähige Robo-
Eigene Darstellung
ter entwickelt werden.
Die in der Bachelorarbeit bearbeiteten Teilsysteme wie das Adapterboard zum Main
controller, das Display oder auch die Implementierung der unterschiedlichen FSM haben
sich bewährt und arbeiten zuverlässig.
24 HSR Hochschule für Technik Rapperswil Bachelorarbeiten 2019 Bachelor of Science FHO in ElektrotechnikDiplomanden Pascal Melchior Jauch, Michael Zimmermann
Examinator Prof. Erwin Brändle
Experte Theo Scheidegger, Swens GmbH, Schänis, SG
Themengebiet Embedded Systems
Pascal Melchior Michael
Jauch Zimmermann
Indoor Localization
System zur Positionsbestimmung bei Eurobot
Einleitung: Eurobot ist ein internationaler Wettbewerb für autonom agierende Roboter.
Dabei bewegen sich die Roboter der beteiligten Teams auf einem eng bemessenen Spiel-
tisch, und die gestellten Aufgaben sollten kollisionsfrei bewältigt werden. Die HSR stellt
regelmässig Teams, die mit ihren Robotern an Eurobot teilnehmen.
Um die eigenen Roboter-Bewegungen und -Spielzüge optimal planen zu können, ist es
vorteilhaft, zu wissen, wo sich die gegnerischen Roboter auf dem Spielfeld befinden. Zu
diesem Zweck erlauben es die Eurobot-Regeln, eine eigene Hardware auf jedem gegne-
rischen Roboter sowie an drei Positionen am Spielfeldrand anzubringen. Damit kann eine
Bestimmung der Gegnerpositionen umgesetzt werden.
Ausgangslage: Frühere studentische Projektarbeiten bewerkstelligten die Positions
Systemaufbau des «Indoor Localization System» bestimmung mit Linienlasern, die um die eigene Hochachse rotieren und auf den geg-
Eigene Darstellung
nerischen Robotern angebracht werden (Laser-Beacons). Die Fixed-Beacons am Spiel-
feldrand beinhalten Sensoren, um den rotierenden Laserstrahl der Laser-Beacons zu
detektieren. Mit einem Mikrocontroller werden aus den Zeitdifferenzen zwischen den
einzelnen Laserimpulsen die Winkel bestimmt, die der Roboter mit den Fixed-Beacons
aufspannt. Mit der Formel von Tienstra kann aus diesen Winkeln die Position des Robo-
ters berechnet werden.
Die bis anhin bestehenden Lösungen funktionieren gut mit einem Roboter. Sollen je-
doch mehrere Roboter gleichzeitig geortet werden, wird die berechnete Position fehler-
haft. Der Grund liegt darin, dass sich die einzelnen Laserimpulse nicht mehr eindeutig
dem jeweiligen Laser-Beacon zuordnen lassen. Ziel dieser Arbeit ist es, das System so zu
erweitern, dass eine zuverlässige Positionsbestimmung von mehreren Robotern ermög-
Prinzip der Infrarotidentifikation parallel zum Laserimpuls
licht wird.
Eigene Darstellung
Ergebnis: Das Hauptproblem, das in der Identifikation der einzelnen Laserimpulse liegt,
wurde durch gleichzeitiges Übertragen eines modulierten Infrarotsignals gelöst. Dabei
wird jedem Laser-Beacon ein eigenes Identifikationsmuster zugeordnet. Dazu musste
das bestehende Fixed-Beacon-System um die nötigen Sensoren und die Auswerte
elektronik erweitert werden. Die Laser-Beacons wurden so realisiert, dass sie in der Lage
sind, Infrarotdaten zu generieren und parallel zum Laserimpuls auszusenden.
Die bestehende Software für die Fixed-Beacons wurde dahingehend ergänzt, dass die
Infrarotdaten im Hintergrund verarbeitet und das empfangene Identifikationsmuster ent-
schlüsselt werden kann. Die eigentliche Positionsbestimmung wird periodisch für alle zu
ortenden Laser-Beacons mithilfe der gemessenen Zeitdifferenzen durchgeführt. Die be-
rechneten Positionsdaten werden anschliessend über WLAN den eigenen Robotern zu-
gänglich gemacht sowie auf einem Webserver dargestellt. Dadurch können die Positi-
Systemkomponenten: Laser-Beacon (links) und Fixed-Beacon (rechts)
Eigene Darstellung onsdaten auf einem browserfähigen Gerät angezeigt werden.
HSR Hochschule für Technik Rapperswil Bachelorarbeiten 2019 Bachelor of Science FHO in Elektrotechnik 25Diplomanden Stefan Kenel, Fabian Suter
Examinator Dr. Turhan Demiray
Experte Dr. Martin Geidl, FHNW Fachhochschule Nordwestschweiz, Windisch, AG
Themengebiet Energiesysteme
Stefan Fabian
Kenel Suter
Dynamische Verteilnetzkomponenten
Modellierung, Simulation und Regelung
Ausgangslage: Die sich ändernde Struktur der Energiesysteme zeigt, dass sich mit dem
Trend zu erneuerbaren Energieformen die Anforderungen an die Netzstabilität substan-
ziell verändert haben. Dieser Umschwung bringt neue Herausforderungen mit sich. Die
zeitliche und räumliche Leistungsbilanz sowie die dynamische Netzsicherheit müssen zur
Aufrechterhaltung unserer Energieversorgung nach wie vor gewährleistet sein.
Durch den Ausbau erneuerbarer Energiequellen und die damit schwindenden Massen-
trägheiten hat sich die Regelung umrichterbasierter Einheiten als zusätzliche Herausfor-
derung entpuppt.
Die Fallstudien sollen dabei den Einfluss verschiedener Umrichtertechnologien auf unter-
schiedliche Formen des Netzbetriebs untersuchen.
Konverteraufbau einer erneuerbaren Energiequelle
Grid Forming Converter Control For Low Inertia Power Grids
Vorgehen: Das Aufbauen des CIGRE-Benchmark-Netzes für Mittelspannung gehörte
nebst dem Erstellen neuer Regelstrukturen und Komponenten zu den Hauptaufgaben.
So kamen virtuelle Synchronmaschinen (VSM) als Reglerstruktur (bei Windkraftwerken
und Batteriespeichern) und Stromregler (bei Photovoltaikanlagen und Brennstoffzellen)
zum Einsatz.
Sobald der gesamte Netzaufbau bereitgestellt war, konnten mit dem Verteilnetzmodell
und dem korrespondierenden Verbundsystemmodell verschiedene Szenarien, beispiels-
weise ein Inselbetrieb und dessen Resynchronisation, an das Verbundsystem simuliert
werden.
Ergebnis: Die Fallstudien zeigten die Tendenz auf, dass im erstellten CIGRE-Benchmark-
Netz dank der VSM-Regelung (Grid-Supporting-Umrichter) eine Resynchronisation beim
Trennen wie auch beim Zuschalten des Microgrids stattfindet. Das Microgrid arbeitet
Simulation des Frequenzverhaltens ausserhalb des Microgrid (blau) und
dabei autonom und stabil weiter. Werden wie heutzutage nur Grid-Feeding-Umrichter
innerhalb des Microgrid (rot)
Eigene Darstellung eingesetzt, kann keine stabile Lage in einem künftigen System gewährleistet werden.
Dies bedeutet, dass die zukünftigen Energiesysteme auf die neue Regelstruktur ange-
wiesen sind.
Netzaufbau mit erneuerbaren Energiequellen
Benchmark Systems for Network Integration of Renewable and Distributed Energy Resources
26 HSR Hochschule für Technik Rapperswil Bachelorarbeiten 2019 Bachelor of Science FHO in ElektrotechnikDiplomand Gion Luis Riedi
Examinator Dr. Turhan Demiray
Experte Dr. Martin Geidl, Fachhochschule Nordwestschweiz FHNW, Windisch, AG
Themengebiet Energiesysteme
Gion Luis
Riedi
Vergleich von Grid-Forming und Grid-Feeding Umrichtern in trägheitsarmen
Energiesystemen
Einleitung: Die weltweite Energieproduktion befindet sich im Wandel. Die konventio-
nellen Synchrongeneratoren werden immer häufiger von auf Umrichtern basierenden,
erneuerbaren Energien verdrängt. Dieser Wandel hat zur Folge, dass sich der Anteil der
rotierenden Trägheit der Synchrongeneratoren stetig verringert. Denn bei der Leistungs-
elektronik in den Umrichtern fehlt diese Trägheit gänzlich, was einen negativen Einfluss
auf das elektrische Netz hat. Ohne diese Trägheit reagiert die Netzfrequenz sensibler
auf Störungen, was zu Instabilität führen kann. Um diese Instabilität zu vermeiden, wird
den Umrichtern eine virtuelle Trägheit beigefügt, die diejenige der Synchronmaschinen
emulieren soll.
Vorgehen: Um diese virtuelle Trägheit beizufügen, werden Regler implementiert, die das
Abb. 1: Frequenzveränderung bei einer Störung: Schwingungsverhalten der Synchrongeneratoren nachahmen. In dieser Arbeit werden
(A) Synchrongenerator, (B) Umrichter ohne, (C) mit virtueller Trägheit drei Regler implementiert, nämlich Active Power Droop Control, Virtual Inertia Emulation
und Matching Control. Mit diesen Reglern ausgerüstet, werden die Umrichter in ein Test-
netz (Abb. 3) integriert und miteinander verglichen. Im Testnetz werden die Synchron-
generatoren G2 und G4 jeweils mit einem dieser Umrichter ersetzt. Um einen fairen Ver-
gleich zu gewährleisten, sind alle physikalischen Testbedingungen identisch, wobei auch
Zeitkonstanten und Trägheitskonstanten der Regler in Beziehung zueinander stehen.
Ergebnis: Werden die Umrichter mit einem dieser Regler und dadurch mit virtueller Träg-
heit ausgerüstet, nimmt die Stabilität im elektrischen Netz messbar zu. Mit zunehmen-
der Trägheit verringert sich die Änderungsrate der Frequenz (ROCOF), wobei sich auch
der Höchst- und Tiefststand der Frequenz (Nadir) verringert. Erstaunlich ist ebenfalls,
wie schnell diese Regler arbeiten und sich nach einer Störung bei einem neuen Wert der
Frequenz stabilisieren. In Anbetracht der sinkenden rotierenden Trägheit im elektrischen
Abb. 2: Frequenzverhalten bei einer Leistungserhöhung im Netz der
Netz wird der Einsatz dieser Regler in der zukünftigen Energieproduktion einen immer
verschiedenen Umrichter
grösseren Stellenwert haben.
Abb. 3: Testnetz
HSR Hochschule für Technik Rapperswil Bachelorarbeiten 2019 Bachelor of Science FHO in Elektrotechnik 27Diplomanden Lukas Gmünder, Gianluca Zanetti
Examinator Prof. Dr. Jasmin Smajic
Experte Dr. Petr Korba, ZHAW Zürcher Hochschule für Angewandte Wissenschaften,
Winterthur, ZH
Themengebiet Leistungselektronik
Lukas Gianluca
Gmünder Zanetti
Auslegung und Aufbau der Leistungselektronik für einen asynchronen Linearmotor (ALIM)
Aufgabenstellung: Das Ziel dieser Bachelorarbeit ist, die Positionsregelung für einen
asynchronen Linearmotor zu entwerfen. Zudem soll die dazu notwendige Leistungs
elektronik ausgelegt und in Form eines PCB hergestellt werden.
Vorgehen: Zu Beginn wurde eine Steuerung implementiert, um das Verhalten des Motors
besser zu verstehen. Verschiedene Methoden der Regelung wurden evaluiert. Dabei hat
die feldorientierte Regelung (FOC) am meisten überzeugt und wurde deshalb in dieser
Arbeit verwendet. Für die Ausarbeitung der FOC wurde ein Asynchronmotor eingesetzt,
da zu diesem Zeitpunkt kein Linearmotor vorhanden war. Mithilfe von PLECS und Simu-
link wurde ein Modell der Regelung entworfen und durch Messungen am Asynchron-
motor verifiziert. Bei der Ausarbeitung des PCB wurden als Erstes die Systemgrenzen
Leistungselektronik PCB mit Launchpad festgelegt, um die benötigten Bauteile bestimmen zu können. Das PCB wurde so aus-
Eigene Darstellung gelegt, dass es mit der Realtime-Box von PLECS oder einem Microcontroller Launchpad
von T exas Instruments angesteuert werden kann. Schliesslich konnte der Prototyp erfolg-
reich getestet werden.
Ergebnis: Die Regelung reagierte sehr sensibel auf die Motorparameter. Dies konnte
jedoch durch sorgfältiges Ausmessen des Motors ausgeglichen werden. Die ausgeleg-
ten Regler funktionierten wie gewünscht, und die Drehzahlrampe konnte erwartungsge-
mäss abgefahren werden. Beim PCB wurden alle Bereiche erfolgreich auf ihre Funktion
geprüft. Anhand von Versuchen mit Lastwiderständen konnte das PCB optimiert wer-
den. Durch die Versuche mit dem Linearmotor wurde aufgezeigt, dass das PCB korrekt
funktioniert.
Messversuch Drehzahlrampe am Asynchronmotor
Eigene Darstellung
Blockschaltbild Field Oriented Control
Eigene Darstellung
28 HSR Hochschule für Technik Rapperswil Bachelorarbeiten 2019 Bachelor of Science FHO in ElektrotechnikSie können auch lesen
