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Book 2014
Abschlussarbeiten
Travaux de fin d’études
Graduation Theses
‣ Technik und Informatik
‣ Technique et informatique
‣ Engineering and Information Technology
ti.bfh.ch / book
Der Weg zu Deiner
Traumfirma
Was ist dir für deine Traumfirma wichtig?
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Unsere Standorte
Baden Basel Bern Luzern Winterthur Zürich
hero
Editorial
Editorial
Editorial
Prof. Dr. Lukas Rohr
Departementsleiter
Directeur du département
Head of Departement
Eine aussichtsreiche Zukunft
Un avenir prometteur
A Promising Future
In diesem Jahr werden mit den 238 angehenden Ingenieurinnen und Ingenieuren,
Informatikerinnen und Informatikern die
schweizweit ersten Bachelors of Science in
Medizininformatik BFH diplomiert. Diesen
erstmals und exklusiv an der BFH ausgebildeten Nachwuchskräften gebührt eine
besonders aussichtsreiche Zukunft. Mit
ihrem Abschluss haben sie einen Professionalitätsgrad erreicht, der sie befähigt,
im hochkomplexen und interdisziplinären
Gesundheitswesen verantwortungsvolle
Aufgaben zu übernehmen. Profitieren
werden sie dabei von der praxisorientierten Ausbildung, die durch die enge
Verknüpfung von Forschung und Lehre an
der Berner Fachhochschule herrscht.
Cette année les premiers Bachelors of
Science en Informatique médicale de
Suisse seront diplômé-e-s à la BFH avec les
238 nouveaux ingénieures et ingénieurs,
informaticiennes et informaticiens. Un
avenir particulièrement prometteur attend
ces jeunes professionnels formés pour la
première fois et exclusivement à la BFH. Le
degré de professionnalisme acquis avec ce
diplôme leur permet d’assumer des tâches
à responsabilité dans le secteur hautement
complexe et interdisciplinaire de la santé.
La formation axée sur la pratique qui règne
à la Haute école spécialisée bernoise en
raison du lien étroit entre recherche et
enseignement leur sera très utile.
This year the 238 prospective engineers
and computer scientists will graduate holding the first Swiss Bachelor of
Science degrees in Medical Informatics
BFH. The junior scientists to be exclusively educated at the BFH are credited a
particularly promising future. With their
graduation they have reached a degree
of professionalism that will enable them
to assume responsible tasks in the highly
complex- and interdisciplinary health care.
Thus, they will benefit from the practicaloriented education prevailing by the close
link between research and education at the
Bern University of Applied Sciences.
Es freut mich ganz besonders, dass wir
mit dem grünen Licht des Grossen Rats für
den Projektierungskredit unserem Campus
Biel/Bienne einen Meilenstein näher
gekommen sind. Er wird die technischen
Disziplinen der Berner Fachhochschule im
Wettbewerb weiter stärken. Aussichtsreich
sind die Synergien, welche mit dem bereits
im Sommer in Betrieb genommenen INNOCAMPUS und dem in Aussicht stehenden
Netzwerkstandort des nationalen Innovationsparks gebildet werden können. Der Austausch zwischen Hochschule und Industrie
wird weiter angekurbelt, daraus werden
viele interessante Fragestellungen für Projekt- und Abschlussarbeiten resultieren.
Ich wünsche Ihnen spannende Einblicke in
das «Book 2014», gratuliere den erfolgreichen Studierenden und bedanke mich bei
Dozierenden, Experten, Projektpartnern
und Inserenten für ihren Einsatz und ihre
Unterstützung.
Je suis particulièrement heureux que le
Grand Conseil ait donné son feu vert au
crédit d’étude, qui nous rapproche un
peu plus de notre Campus Biel/Bienne.
Celui-ci va renforcer davantage encore la
compétitivité des disciplines techniques
de la Haute école spécialisée bernoise. Les
synergies qui peuvent découler de l’INNOCAMPUS, en activité depuis l’été, et du site
de réseau du parc national d’innovation
prévu sont prometteuses. L’échange entre
haute école et industrie en sera stimulé et
de nombreuses questions intéressantes en
découleront pour des travaux de projet et
de diplôme.
Je vous souhaite de passionnants aperçus
dans le «Book 2014», félicite les étudiante-s pour leur réussite et remercie les
enseignant-e-s, expert-e-s, partenaires de
projet et annonceurs de leur engagement
et soutien.
I am particularly pleased to have come
nearer a milestone to the project loan of
our campus Biel/Bienne with the green
light of the Grand Council. Within the competitive environment it will strengthen the
technical disciplines of the Bern University
of Applied Sciences. Promising are the
synergies that can be established with the
in this summer launched INNOCAMPUS
and prospective network location of the
national Innovation Park. The exchange
between university and industry will be
further encouraged, out of which result
many interesting issues for project- and
final theses.
I wish you an exciting insight into the
«Book 2014», and I congratulate the
successful students as well as thank the
lecturers, experts, project partners and
advertisers for their commitment and support.
Prof. Dr. Lukas Rohr
ti.bfh.ch/book2014
R 450
R 900
EnDes – Innovation und Erfahrung
aus über Óä00 Projekten
Inhalt
Table des matières
Contents
Titel
Titre
Titel
4
Inserenten
4
Annonceurs
4
Advertisers
5
Ihre Ansprechpartner
5
Vos interlocuteurs
5
Your Contact Persons
7
Lehre und Forschung am Puls
der Praxis
7
Enseignement et recherche liés
à la pratique
7
Teaching and Research in Line
with Practice
12
Industriepartner
12
Partenaires industriels
12
External Project Partner
3
14 Liste der Absolventinnen
und Absolventen
14 Liste des diplômées
et des diplômés
14 List of Graduates
18 Alumni: Brücke zwischen Hochschule
und Praxis
18 Alumni: une passerelle entre haute
école et pratique
18 Alumni: the bridge between university
and professional life
Master of Science
Master of Science
Master of Science
21
Master of Science in Engineering
21
21
51
Master of Science in
Biomedical Engineering
51
51
Bachelor of Science
Bachelor of Science
Bachelor of Science
67 Automobiltechnik
67 Technique automobile
67 Automotive Engineering
89 Elektro- und Kommunikationstechnik
89 Électricité et systèmes de
communication
89 Electrical- and Communication
Engineering
127 Informatik
127 Informatique
127 Computer Science
161 Medizininformatik
161 Informatique médicale
161 Medical Informatics
169 Maschinentechnik
169 Mécanique
169 Mechanical Engineering
219 Mikro- und Medizintechnik
219 Microtechnique et technique médicale
219 Micro- and Medicaltechnology
Impressum
Impressum
Imprint
Berner Fachhochschule,
Technik und Informatik
Haute école spécialisée bernoise,
Technique et informatique
Bern University of Applied Sciences,
Engineering and Information Technology
book.bfh.ch
book.bfh.ch
book.bfh.ch
Inserate
Annonces
Advertisements
communication.ti@bfh.ch
Druck
Impression
Printing
staempfli.com
staempfli.com
staempfli.com
Auflage
Tirage
Edition
3000 Ex.
3000 exemplaires
3000 copies
ti.bfh.ch/book2014
Inserenten
Annonceurs
Advertisers
4
Ein herzliches Dankeschön geht an unsere Inserenten:
Nous remercions chaleureusement nos annonceurs:
Sincere thanks go to our advertisers:
Cover 2
Consult & Pepper, Baden ı Basel ı Bern ı Luzern ı Winterthur ı Zürich
www.consultandpepper.ch
Cover 3
BFH-TI, Weiterbildung, www.ti.bfh.ch/weiterbildung
Cover 4
Bystronic Laser AG, Niederoenz, www.bystronic.ch
Seite 2
EnDes Engineering Partner AG, Kestenholz, www.endes.ch
Seite 6
Universität Bern, Master of Science in
Biomedical Engineering, www.bme.master-unibe.ch
Seite 49
SBB, www.sbb.ch/jobs
Seite 121
Selectron Systems AG, Lyss, www.selectron.ch
ti.bfh.ch/book2014
Ihre Ansprechpartner
Vos interlocuteurs
Your contact persons
Berner Fachhochschule
Technik und Informatik
Haute école spécialisée bernoise
Technique et informatique
Bern University of Applied Sciences
Engineeering and Information Technology
Departementsleiter
lukas.rohr@bfh.ch
Directeur du département
lukas.rohr@bfh.ch
Head of Department
lukas.rohr@bfh.ch
roger.filliger@bfh.ch
Master of Science in Biomedical
Engineering
volker.koch@bfh.ch
Engineering
volker.koch@bfh.ch
Engineering
volker.koch@bfh.ch
Weiterbildung
arno.schmidhauser@bfh.ch
Formation continue
Continuing Education
BSc in Automobiltechnik
bernhard.gerster@bfh.ch
BSc en Technique automobile
BSc in Automotive Engineering
BSc in Elektro- und Kommunikationstechnik
max.felser@bfh.ch
BSc en Électricité et systèmes de
communication
max.felser@bfh.ch
BSc in Electrical and Communication
Engineering
max.felser@bfh.ch
BSc in Informatik
eric.dubuis@bfh.ch
BSc en Informatique
eric.dubuis@bfh.ch
BSc in Computer Science
eric.dubuis@bfh.ch
BSc in Medizininformatik
juergen.holm@bfh.ch
BSc en Informatique médicale
juergen.holm@bfh.ch
BSc in Medical informatics
juergen.holm@bfh.ch
BSc in Maschinentechnik
roland.hungerbuehler@bfh.ch
BSc en Mécanique
BSc in Mechanical Engineering
BSc in Mikro- und Medizintechnik
yves.mussard@bfh.ch
BSc en Microtechnique et technique
médicale
yves.mussard@bfh.ch
BSc in Micro- and Medicaltechnology
yves.mussard@bfh.ch
ti.bfh.ch/book2014
5
%NQ LNQD HMENQL@SHNM BNMS@BS TR
VVVALDL@RSDQTMHADBG
ALDHRSATMHADBG
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Lehre und Forschung am Puls der Praxis
Enseignement et recherche liés à la pratique
Education and Research on the Pulse of Practice
An der Berner Fachhochschule Technik
und Informatik 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:
• Die hohe Qualität, um der Wirtschaft
qualifizierte und innovative Fachkräfte
und Dienstleistungen anbieten zu
können.
• Die internationale Ausrichtung, um Studierenden und Dozierenden beste Chancen in der globalisierten Bildungs- und
Wirtschaftswelt zu eröffnen.
• Ein interdisziplinäres Denken und Handeln, um den Erwartungen an die zunehmend heterogenen Teams in Industrie
und Wissenschaft gerecht zu werden.
Verbindet Wissenschaft und industrielle Praxis: Die
Berner Fachhochschule, Technik und Informatik.
À la Haute école spécialisée bernoise
Technique et informatique BFH-TI, nous
fournissons des prestations concordantes
en formation et formation continue, en
recherche appliquée et en développement
ainsi qu’en transfert de savoir technologique.
Notre activité se concentre sur trois exigences principales:
• Une qualité de haut niveau pour
proposer à l’économie des ingénieur-e-s
qualifié-e-s et des prestations de services
compétitives.
• Une orientation internationale pour
qu’étudiant-e-s et enseignant-e-s disposent des meilleurs atouts dans le monde
éducatif et économique globalisé.
• Une réflexion et une action interdisciplinaire pour satisfaire les attentes
élevées placées de plus en plus dans les
teams hétérogènes en industrie et
science.
Relie science et pratique industrielle: la Haute
école spécialisée bernoise, Technique et informatique.
At the Bern University of Applied Sciences
Engineering and Information Technology
BFH-TI we provide coordinated services in
education and continuing education, applied research and development, as well as
the transfer of technological knowledge.
We focus on three claims of our work:
• High quality, to offer the industry
qualified and innovative specialists and
services.
• International orientation, to offer students and lecturers the best opportunities in the globalised world of economy
and education.
• Interdisciplinary thinking and action, to
ensure our graduates meet the demands
placed on increasingly heterogeneous
teams in industry and science.
Combines science and industrial practice: The
Bern University of Applied Sciences, Engineering
and Information Technology.
ti.bfh.ch/book2014
7
8
Das Bachelorstudium, der Start in
eine interessante und erfolgreiche
berufliche Zukunft.
Les études de bachelor, le début d’un
avenir professionnel intéressant et
prometteur.
Das Bachelorstudium als starke Basis
Mit Automobiltechnik, Elektro- und 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.
Im Bachelorstudium arbeiten die Studierenden an spannenden Projekten mit. Sie wählen die Vertiefung und einen Teil der Module
individuell. In Biel setzt die BFH-TI seit
Jahren mit Erfolg auf die Karte der Zweisprachigkeit. Bacholor-Plus bietet Studierenden
die Wahl, ihr Studium einsprachig oder aber
zweisprachig in Deutsch und Französisch
zu absolvieren. Die zertifizierte Erweiterung
der Sprachkompetenz kommt gerade in
technischen Berufen einem Chancenplus auf
dem Arbeitsmarkt gleich. Zudem eröffnen
sich spannende Möglichkeiten zur Zusammenarbeit über die Sprachgrenze hinweg.
Mehr Informationen unter
ti.bfh.ch/bachelor
Les études de bachelor, une base
solide
The Bachelor Studies as a Solid
Foundation
Six filières d’études 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 BFH-TI.
With Automotive Engineering, Electricaland Communication Engineering, Computer Science, Mechanical Engineering,
Medical Informatics, as well as Micro- and
Medical Technology six Bachelor study
courses are offered. The study courses
Automotive Engineering and Medical Informatics are exclusively offered at the BFH-TI
in Switzerland.
Pendant les études de bachelor, les
étudiant-e-s collaborent à de passionnants projets. Ils choisissent individuellement une orientation et une partie des
modules. À Bienne, la BFH-TI mise depuis
des années avec succès sur la carte du
bilinguisme. Bachelor-Plus donne aux
étudiant-e-s le choix de mener leurs études
dans une langue ou dans deux langues, le
français et l’allemand. Dans les professions
techniques justement, l’approfondissement
certifié de la compétence linguistique
équivaut à une plus-value substantielle sur
le marché du travail. De plus des possibilités de collaborations passionnantes
sont envisageables au-delà de la frontière
linguistique.
Plus d’informations sur
ti.bfh.ch/bachelor
ti.bfh.ch/book2014
The Bachelor studies, the start of
an interesting and successful professional future.
During their Bachelor studies, students
collaborate on exciting projects. They
choose their specialisation and some of
the modules individually. In Bienne, the
BFH-TI successfully focuses on bilingualism. Bachelor-Plus offers students to
complete their study courses in one or in
two languages – in German and French.
The certified expansion of the language
competence, especially in the technical
professions, equals an extra chance in
the job market. Further, exciting possibilities for collaboration across the language
border are established.
For more information please go to
ti.bfh.ch/bachelor
Das Masterstudium als
Sprungbrett für Ambitionierte
Les études de master, un tremplin pour
les ambitieux-euses
The Master Studies – Steppingstone
for the Ambitious
An der BFH-TI führen wir zwei unterschiedliche Studiengänge zum Master of Science
durch:
À la BFH-TI nous organisons deux filières
d’études de Master of Science:
At BFH-TI we offer two different courses
leading to the Master of Science.
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 technique, disposent d’une
excellente infrastructure et garantissent
avec leurs projets le lien avec la pratique
industrielle. Les quatre Units de la BFH-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. The so-called Master
Research Units cover specific areas of competence, have an outstanding infrastructure, and secure the link to the industrial
practice . The four units at BFH-TI are:
«Energy-Transport-Mobility» «Mobile Information Society», «Production Technology»,
and «Human Interface Technology».
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 «Technologie am
Menschen».
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.
Mehr Informationen unter 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.
Fachhochschulabsolventen einschlägiger
naturwissenschaftlich/technischer Fachrichtungen werden ohne Vorbedingungen zum
universitären Studium zugelassen. Der erfolgreiche Abschluss erlaubt den Anschluss
einer Promotion.
Les études peuvent être sponsorisées par
l’industrie, ce qui est associé à un poste
d’assistant-e à la BFH-TI.
Plus d’informations sur ti.bfh.ch/master
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
BFH-TI, s’occupent des questions interdisciplinaires reliant la médecine et la technique. Elles tiennent compte du besoin de
l’industrie suisse de technique médicale en
relève performante. Les diplômé-e-s d’une
haute école spécialisée avec orientations
liées aux techniques et sciences naturelles
sont admis-e-s aux études sans condition
préalable. L’obtention du diplôme donne
accès au doctorat.
Plus d’informations sur ti.bfh.ch/master ou
bioeng.master.unibe.ch
Students have the option of obtaining industrial sponsorship, which involves being
employed as an assistant at BFH-TI.
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 BFH-TI, deals with
interdisciplinary issues at the interface of
medicine and technology. The programme
responds 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 without preconditions.
Successful graduation from the degree
programme qualifies students to work on a
doctoral dissertation.
ti.bfh.ch/master or to bioeng.master.unibe.ch
Mehr Informationen unter ti.bfh.ch/master
oder bioeng.master.unibe.ch
Steht beim Masterstudium im Vordergrund: die interdisziplinäre Lösung
anspruchsvoller Probleme.
Au centre des études de master: la
solution interdisciplinaire aux problèmes exigeants.
Is in the foregrund of the Master
studies: The interdisciplinary solution
to complex problems.
ti.bfh.ch/book2014
9
10
Forschung – an der Anwendung
orientiert
Recherche – orientée sur l’application
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 Bundes- und/oder EUBeteiligung. 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.
forschung.ti.bfh.ch
ti.bfh.ch/book2014
Research – Application Oriental
La recherche, un moteur de l’innovation
Research Drives Innovation
À la BFH-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.
At BFH-TI, knowledge is transferred into
new applications and products. The requisite competences and resources are concentrated in ten institutes: Our professors,
assistants, and students are involved in
numerous multi-disciplinary- and application orientated research projects.
Étudiant-e-s et économie 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 chercheureuse-s acquis dans des réseaux nationaux
et internationaux ainsi que nos infrastructures.
recherche.ti.bfh.ch
This benefits students and industry alike.
While working on semester papers and
final theses, students participate in the
projects and thus relate theory to everyday
practice. Enterprises receive access to
qualified young professionals, cutting edge
technologies, and projects with Federal
and/or EU funding. We further provide a
range of services, as well as access to our
infrastructures and profund knowledge acquired by our researchers through national
and international networks.
research.ti.bfh.ch
Die Weiterbildung als Sprung auf der
Karriereleiter
La formation continue, un bond sur
l’échelle professionnelle
Continuing Education as a Step up the
Career Ladder
Der kontinuierliche Erfolg unserer Weiterbildung basiert auf einer klaren Positionierung. Alle Angebote sind berufsbegleitend
und auf die unternehmerische Praxis
ausgerichtet. Die Dozierenden arbeiten in
Industrie, Dienstleistung und Forschung.
In den unterrichtsbegleitenden «Living
Cases» wird intensiv mit Fallbeispielen aus
der beruflichen Praxis von Studierenden
und Dozierenden gearbeitet. So lässt sich
das Gelernte 1:1 umsetzen, was Studierenden und Arbeitgebern zu Gute kommt.
Un positionnement clair est à l’origine
du succès permanent de notre Formation
continue. Toutes les offres sont en cours
d’emploi et orientées sur la pratique
entrepreneuriale. Les enseignant-e-s travaillent dans l’industrie, les prestations et
la recherche. Les «Living Cases», compléments à l’enseignement, permettent aux
étudiant-e-s et enseignant-e-s de se pencher intensément sur des exemples de cas
de la pratique professionnelle. Ce qui a été
appris est appliqué 5 sur 5 et profite aussi
bien aux étudiant-e-s qu’aux employeurs.
The continuous success of our continuing
education is based on a clear positioning. All courses focus on part-time and on
corporate practice. The lecturers work in
the industry, service and research. In the
accompanying lessons «living cases» we
work intensively with case studies from
the professional practice of students and
lecturers. This allows to implement what
has been learnt 1:1 to the benefit of the
students and employers.
Die Weiterbildung der Berner Fachhochschule vermittelt Ingenieurinnen und Ingenieuren sowie angehenden Managerinnen
und Managern gezielte Kompetenzen in
Bereichen, die interdisziplinär miteinander
verknüpft und aufeinander abgestimmt
sind. In den EMBA Studiengängen liegt der
Schwerpunkt auf Betriebswirtschaft, Unternehmensführung, Innovationsmanagement und Business Development in einem
Internationalen Umfeld. Im MAS Information Technology können die Fähigkeiten und
Kompetenzen in mehreren Schwerpunkten
vertieft und ergänzt werden. Beispielsweise in IT-Security, Business Intelligence,
Enterprise Applications und Software-Architecture. Der Bereich Medizininformatik
und Medizintechnik vermittelt Studierenden die Fähigkeiten, die vielschichtigen
Herausforderungen im Gesundheitswesen
erfolgreich zu meistern.
La Formation continue de la Haute école
spécialisée bernoise transmet aux ingénieures et ingénieurs ainsi qu’aux futurs
managers des compétences ciblées dans
les domaines interdisciplinaires liés et
coordonnés entre eux. L‘accent des filières
d’études EMBA est mis sur la gestion, la
direction d’entreprise, le management
d’innovation et le Business Development
dans un environnement international.
Le MAS Information Technology permet
d’approfondir et compléter les capacités
et compétences dans plusieurs points
forts, par exemple en IT-Security, Business
Intelligence, Enterprise Applications et
Software-Architecture. Le domaine Informatique médicale et technique médicale
apprend aux étudiant-e-s à maîtriser avec
succès les multiples défis de la santé
publique.
ti.bfh.ch/weiterbildung
Weiterbildungsprogramme mit Wirkung – vertiefend und erweiternd.
Programme de formation continue
efficace – approfondissement et
extension.
The continuing education of the Bern University of Applied Sciences imparts specific
skills in areas that are interdisciplinary
linked and coordinated to engineers and
aspiring managers. In the EMBA courses
the focus is based on business economics,
business management, innovation management and business development in an international environment. In the MAS Information Technology skills and competences
can be developed and supplemented in
several focus areas. For example, in IT
Security, Business Intelligence, Enterprise
Applications and Software Architecture.
The division of Medical Informatics and
Medical Technology provides students with
the skills to successfully meet the complex
challenges in the health care.
Continuing education with effect –
specialisation and expanding.
ti.bfh.ch/book2014
11
Industriepartner
Partenaires industriels
Industrial Partners
12
Eine enge Zusammenarbeit mit Industriepartnern ist uns äusserst wichtig. An der
BFH-TI sind 2014 über 91 Bachelorarbeiten
in Kooperation mit Firmen aus der ganzen Schweiz und auch aus dem Ausland
entstanden. Wir bedanken uns bei diesen
Firmen für die fruchtbare Zusammenarbeit!
À nos yeux une collaboration étroite avec
des partenaires industriels est extrêmement importante. En 2014 plus de
91 travaux de bachelor résultent à la
BFH-TI d’une coopération avec des entreprises de la Suisse dans son ensemble et
de l’étranger. Nous remercions ces entreprises pour cette fructueuse collaboration!
20 Minuten AG, Zürich ................................................................. 144
ABB Schweiz AG, Baden-Dättwil .................................................. 204
Agroscope Tänikon, Ettenhausen ................................................... 83
ALSTOM Inspection Robotics Ltd, Zürich ....................................237
Arrayon Biotechnology SA, Neuenburg ........................................116
Berner Fachhochschule, Gesundheit, Bern...................................126
Berner Fachhochschule, Hochschule für Agrar-, Forstund Lebensmittelwissenschaften, Zollikofen ........................ 80, 142
Berner Fachhochschule, Institut für Rehabilitation
und Leistungstechnologie, Burgdorf............................................ 160
Bexplora, Bottighofen....................................................................192
BLS AG, Bern .......................................................................... 115, 215
Bosch Packaging Systems AG, Beringen (CH) ................................23
Brooks Automation AG, Oberdiessbach....................................... 184
Bundesamt für Gesundheit BAG, Bern ..........................................165
Burckhardt Components AG, Winterthur ...................................... 211
Bystronic Laser AG, Niederönz .................................................... 188
CEKAtec AG, Wattwil/SG ................................................................ 30
Cendres+Métaux, Biel/Bienne...................................................... 236
Comlab AG, Ittigen ................................................................. 43, 124
Compass Security Schweiz AG, Jona.............................................153
DTC Dynamic Test Center AG, Vauffelin .............................69, 81, 88
EHC Biel, Biel/Bienne ....................................................................133
Eidgenössisches Departement für Verteidigung,
Bevölkerungsschutz und Sport VBS ..............................................159
EMPA, PSI, FHNW, AMI ....................................................................75
Energie Service Biel/Bienne......................................................... 109
Ennos GmbH, Biel/Bienne ........................................................ 36, 97
Erne Consulting, Gümligen ........................................................... 164
ETA SA, Grenchen ......................................................................... 220
Fischer AG Präzisionsspindeln, Herzogenbuchsee ..................... 190
FPT Motorenforschung AG, Arbon...................................................73
GCTronic, Lugano.......................................................................... 226
HP Banking Service Center, Bern Liebefeld ..................................128
HyTech AG, Balluff Group, Brügg.................................................... 34
Inselspital Bern, Audiologische Station ........................................ 95
Inselspital Bern, Universitätsklinik für Nuklearmedizin ..............145
Interdiscount AG, Jegenstorf ........................................................ 130
Intermobility SA, Biel/Bienne ...................................................... 122
Jenni Energietechnik AG, Oberburg ............................................. 207
Johnson Electric Switzerland AG, Murten ...................................... 68
KASAG Langnau AG, Langnau i.E. ................................. 171, 172, 210
Leafit, Brügg .................................................................................. 140
Liebherr Machines Bulle SA, Bulle ............................................72, 87
M. Kyburz AG, Freienstein ...............................................................78
Mathys AG, Bettlach ............................................................. 234, 239
Mecha AG, Belp ............................................................................. 206
Melebi SA, La Neuveville ................................................................ 24
Micro Crystal AG, Grenchen ............................................... 238, 240
ti.bfh.ch/book2014
Close cooperation with industrial partners
is very important to us. In 2014, more than
91 Bachelor theses have been produced at
the BFH-TI in cooperation with companies
from all over and also outside Switzerland.
We thank these companies for the fruitful
collaboration.
Microcontact AG, Lostorf ...............................................................178
MSW Aviation AG , Wohlen ............................................................ 99
Netcetera AG, Zürich .....................................................................167
Nexplore AG, Thun .........................................................................157
Nottaris AG, Oberburg ...........................................170, 173, 176, 197
Notterkran AG, Boswil .................................................................... 84
Oscar Meier AG/SA, Meinisberg ...................................................200
PackSys Global, Burgdorf ..............................................................214
Physio Balance, Biel/Bienne .........................................................163
PLATH AG, Bern .............................................................................101
Reber Informatik + Engineering GmbH, Münsingen ....................231
RMS-Foundation, Bettlach ............................................................. 48
Rychiger AG, Steffisburg ............................................................... 201
Sadies, Renens................................................................................ 45
SBB Messtechnik, Ausserholligen, Bern .......................................213
Schleuniger AG, Thun ....................................................................242
Schweizer Electronic AG, Reiden ..................................................119
Schweizer Startup Unternehmen ..................................................185
Scintilla AG, Solothurn .................................................................. 217
SCOTT SPORTS SA, Givisiez ........................................................... 85
Spitalzentrum Biel, Biel ................................................................162
Suisse Post Solution AG, Bern ..................................................... 166
T-Systems Schweiz AG, Zollikofen ............................................... 149
Universität Bern............................................................................ 108
Universität Bern, ARTORG Centre for Biomedical
Engineering Research................................................................... 243
Valion AG, Bern ..............................................................................129
Vattenfall Innovation GmbH, Hamburg ......................................... 42
Witschi Electronic AG, Büren an der Aare .................................... 113
Wyssen Seilbahnen AG, Reichenbach i.K. .................................... 112
Ziemer Opthalmic Systems AG, Port ............................................ 196
Zumbach Electronics AG, Orpund ................................................ 229
13
ti.bfh.ch/book2014
Liste der Absolventinnen und Absolventen
Liste des diplômées et des diplômés
List of Graduates
14
Im Folgenden präsentieren wir Ihnen
die Zusammenfassungen ausgewählter
Abschlussarbeiten aus den beiden konsekutiven Masterprogrammen, sowie alle
Bachelorarbeiten des Jahres 2014.
Nous vous présentons ci-après une sélection de résumés de travaux de fin d’études
des deux programmes de master consécutifs ainsi que tous les travaux de bachelor
de l’année 2014.
Die Absolventinnen und Absolventen sind
je Studiengang in alphabetischer Reihenfolge aufgeführt. Bei Teams bestimmt die
alphabetische Position des ersten Teammitglieds die Einordnung.
Les diplômées et diplômés sont présentés 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.
Die Texte wurden durch die Absolventinnen und Absolventen verfasst, teils mit der
Unterstützung von Betreuungspersonen.
Die Texte wurden vor Publikation nicht
systematisch redigiert und korrigiert.
ti.bfh.ch/book2014
Les textes ont été écrits par les diplômées
et diplômés, avec parfois le soutien des
mentors. Les textes n’ont pas systématiquement été rédigés, ni corrigés avant la
publication.
In the following we present the summaries
of some selected theses from both consecutive Master Programmes as well as all
Bachelor theses of the year 2014.
The graduates are listed according to their
study courses and in alphabetical order. In
teams the alphabetic position of the first
member of the team appoints the indexing.
The texts were written by the graduates,
partly with the support of their supervising
tutors. The texts were not systematically
edited nor corrected before publication.
Claudia Aebischer..................................... 22
Sierk-Peter Bluhm..................................... 23
Gabriel Da Silva Cardoso ......................... 24
Andrei Dzyakanchuk ................................. 25
Dominic Ernst .......................................... 26
Michael Gasser ......................................... 27
Benjamin Grichting .................................. 28
Andreas Gut .............................................. 29
Marc Hachen .............................................30
David Joss.................................................. 31
Stefan Kleiner ........................................... 32
Urs Luder................................................... 33
Simon Mahler ............................................ 34
Boris Matti ................................................ 35
Lukas Menzi .............................................. 36
Riccardo Moccetti ..................................... 37
Andreas Moser .......................................... 38
Roman Niklaus .......................................... 39
15
Jürg Ritter ..................................................40
Aryan Soroush Sanaz................................ 41
Oliver Schenker ........................................ 42
Simon Lukas Schlechten ......................... 43
Caspar Trittibach ......................................44
Diana Adriana Vasiliu ............................... 45
Philémon von Bergen ...............................46
Claudia Weber .......................................... 47
Danial Zooroofchian Moghaddam ...........48
Master of Science in Biomedical Engineering
Pedro Antonio Gonzales Perez ................. 52
Constanze Hofmann ................................. 53
Anna Khimchenko ..................................... 54
Birgit Lehretter ......................................... 55
Hanieh Mohammadi ................................. 56
Michael Muster ......................................... 57
Michael Peyer ........................................... 58
Michael Rieger .......................................... 59
Ishan Shah ................................................60
Javad Shamsollahi .................................... 61
Kaspar Steiner .......................................... 62
Dominik Täschler ...................................... 63
Andreas von Allmen..................................64
Sébastien Walpen ..................................... 65
Manuel Weibel ..........................................66
Vincent Bergaud .......................................68
Gilles Borcard ...........................................69
Ian Canonica .............................................70
Flavio Carrera ............................................71
Alain Fabrice Däppen ............................... 72
Cyril Ditzler ............................................... 73
Chrstioph Fasel ......................................... 74
Benjamin Fröhlich .................................... 75
Yann Furrer ...............................................69
Tobias Geiser ............................................ 76
Stefan Germann ........................................ 75
Alexander Gfeller ...................................... 77
Olivier Griessen ........................................ 78
Martin Güdel ............................................. 79
Andreas Habegger ....................................80
Emanuel Hausammann ............................. 81
Patrik Heitz ............................................... 77
Alain Hofmann .......................................... 72
Maximilien Lambert .................................68
Lucien Manueddu ..................................... 82
Christian Maurer ....................................... 83
Christian Meyer ........................................84
Julien Monod ............................................. 85
David Müller..............................................86
Hannes Müller ........................................... 73
Bernard Pauchard ..................................... 87
Damien Ricci ............................................. 85
Markus Schär ............................................ 79
Marcus Schluep ........................................88
Rolf Schneider ..........................................88
Severin Sperdin ........................................84
Simon Steiner ........................................... 81
Cyril Voiblet ...............................................71
Daniel Wenger .......................................... 78
ti.bfh.ch/book2014
16
BSc en Électricité et systèmes de communication
BSc in Electrical- and Communication Engineering
Christof Baeriswyl ....................................90
Nicolas Balmer .......................................... 91
Marcel Bärtschi ......................................... 92
Marc Beutler ............................................. 93
Adrian Blaser ............................................94
Pascal Boss ............................................... 95
Dominik Brügger .......................................96
Kilian Brunner ........................................... 97
Michel Burkhard .......................................98
Steven Dünki .............................................99
Philipp Eder ............................................100
Jan Egger ................................................. 101
Roman Eich ............................................. 102
David Eschler .......................................... 103
Matthias Friedli ...................................... 102
Simon Friedli ..........................................104
Kevin Gerber ............................................. 92
Simon André Grossenbacher.................. 105
Jascha Haldemann ..................................106
Gunnar Heimsch ..................................... 107
Jan Huggler..............................................108
Matthias Hügi .........................................109
Nicola Käser ............................................ 107
Simon Kohler ............................................ 93
Manuel Lanz ............................................ 110
Philippe Löffel .........................................100
Tobias Meerstetter ...................................111
Benjamin Meier .......................................112
Mathias Mettauer.....................................113
Simon Plattner ........................................ 107
Ralph Reust ............................................. 114
Daniel Rickli .............................................115
Dominik Robellaz.................................... 116
Marcel Schläppi .......................................117
Reno Schluep .......................................... 118
David Schumacher .................................... 95
Christoph Seiler .......................................115
David Sommerhalder .............................. 119
Stefan Stähli ........................................... 120
Marius Stalder .........................................122
Markus Stämpfli .......................................123
Cyril Stoller ............................................. 124
Etienne Tomamichel ................................125
Markus Tüscher ....................................... 103
Patrick Wälti .............................................99
Matthias Witschi ..................................... 126
Reto Zurschmiede ................................... 105
BSc in Informatik
BSc en Informatique
Marcel Aeberhard ................................... 128
Daniel Aemmer ....................................... 129
Adina Anliker .......................................... 130
Susanna Balmer ...................................... 130
Matthias Blaser ........................................131
Christoph Bruderer ..................................132
Dick Paul Chávez Arias ........................... 133
Ramona Cioccarelli................................. 134
Thi Thuy-Duc Dao ................................... 135
Patrick Dobler ......................................... 136
Thomas Marcel Ender ..............................137
Sahan Faruk ............................................ 138
Schabnam Fateh ..................................... 139
Marc Folly................................................140
Mathias Fuhrer........................................ 141
André Gerber .......................................... 138
Hossein Ghodrati .................................... 142
Nima Gholamweisi ................................. 143
Andreas Gurtner ..................................... 144
ti.bfh.ch/book2014
Marc Gutknecht....................................... 145
Simon Hiller ............................................ 141
Mato Ilic .................................................. 146
Thomas Jost............................................. 147
Christoph Kappeler ................................. 133
Sandro Kneubühl .................................... 138
David Kron .............................................. 146
Roman Kühne .......................................... 148
Tuan La .................................................... 136
Philipp Langenegger ............................... 149
Bojan Leimer ........................................... 150
Florian Leuenberger ................................131
Michael Maurer ....................................... 150
Luca Piatti ................................................151
Thomas Probst ........................................ 141
Cédric Renggli......................................... 148
Lukas Rothacher ..................................... 149
Michael Schär ..........................................152
Stefan Schmid......................................... 153
Adrian Schwendimann ........................... 153
Thomas Schneiter ................................... 154
Denis Simonet......................................... 155
Ramon Spahr .......................................... 156
Simon Tauscheck .................................... 157
Simon Thallinger .....................................132
Benjamin Urech ...................................... 134
Philipp Utiger.......................................... 158
Riv Vakili ................................................. 144
Patrick Vananti ........................................137
Stephan Vetsch ....................................... 129
Severin Vogt............................................ 159
Marc Wacker ........................................... 148
Jonas Wagner .......................................... 156
Raffael Walther .......................................160
Marcel Wyss ............................................ 133
Robin Wyss ............................................. 136
Hannes Zbinden ......................................160
BSc in Medical Informatics
Carmen Ackermann ............................... 162
Julia Bachofner ...................................... 163
Dominik Grünert ..................................... 164
Helen Loosli ............................................ 165
Devon Andruson Mahadevan ................ 166
Damian Oberreich................................... 167
Bendicht Rudin ...................................... 166
Pascal Schrei .......................................... 164
17
Dana Stucki ............................................. 167
Jennifer Thalmann .................................. 163
BSc en Mécanique
Damir Andrijanic .................................... 170
Josip Andrijanic .......................................171
Antonio Bertolino ....................................172
Markus Bürgi ............................................173
Lukas Christen .........................................174
Simon Dermont ........................................175
Joël Dubuis .............................................. 176
Lukas Dürr ................................................177
Marc Felber ............................................. 178
Thomas Fontanellaz................................ 179
Stefan Graf ..............................................180
Roland Greiler ........................................ 181
Marco Grolimund ................................... 182
Jodok Güller ........................................... 183
Laurent Häfliger ..................................... 184
Kevin Hauser .......................................... 185
Timo Helfer ............................................ 186
Dominic Herrmann ................................ 187
Daniel Hirschi ......................................... 188
Simon Hunziker ..................................... 189
Simon Iseli ..............................................190
Andreas Kast .......................................... 191
Jonas Keller ............................................ 192
Samuel Kocher ........................................ 193
Benjamin Köhli ....................................... 194
Patrick Küng............................................ 195
Michael Leumann ................................... 196
Roland Michel ......................................... 197
Yannik Müller .......................................... 198
Mirco Nyffenegger .................................. 199
Roger Ogg............................................... 200
André Reusser......................................... 201
Patrick Rohrbach ...................................202
Yannick Pascal Rösch .............................203
Hannes Roth ...........................................204
Patrick Roth ...........................................205
Thomas Rytz ...........................................206
Remo Sansoni .........................................207
Denis Schenk ..........................................208
Dominic Sebastian Schmid ....................209
David Schmidlin ..................................... 210
Adrian Schneider .....................................211
Pasquale Tringaniello ..............................213
Thomas Von Bergen .................................212
Stefan Von Burg ...................................... 198
Patrick Von Känel ....................................213
Manuel Wagner ....................................... 214
René Willener ..........................................215
Benjamin Willi ........................................ 216
Andreas Zurbrügg ....................................217
BSc en Microtechnique et technique médicale
BSc in Micro- and Medical Technology
Martina Andenmatten ............................220
Frédéric Angéloz ......................................221
Gregor Frech ........................................... 222
Stephan Gräub ........................................ 223
Silvan Häfeli............................................ 224
Hanspeter Hess ....................................... 225
André Hofer............................................. 226
Philippe Inniger ...................................... 227
Christophe Leupi .................................... 228
Marius Lüdi ............................................. 229
Cuno Moser .............................................230
Manuel Mosimann ...................................231
Philipp Pulver ......................................... 232
Valentin Raschke .................................... 233
Pascal Rauch ........................................... 234
Philip Schläfli .......................................... 235
Stefan Schmid......................................... 236
Andreas Steiner ...................................... 237
Marco Sutter ........................................... 238
Lukas Trippel .......................................... 239
Benjamin Weber .....................................240
Samuel Weidmann.................................. 241
Michael Zbinden ..................................... 242
Andreas Walter Zumbrunnen ................. 243
ti.bfh.ch/book2014
Alumni: Brücke zwischen Hochschule und Praxis
Alumni: une passerelle entre haute école et pratique
Alumni: the Bridge between University and Professional Life
18
Alumni BFH – das lebendige Netzwerk
mit Mehrwert!
Alumni BFH – le réseau vif à valeur
ajoutée!
Alumni BFH – The Living Network with
Additional Benefit!
Der im Herbst 2012 gegründete Dachverband Alumni BFH blickt auf eine erfolgreiche Startzeit zurück. Per Juli 2013 passte
er seinen Auftritt in Anlehnung an den Neuauftritt der BFH an. Um die Alumni-Vereine
in ihrer Mitgliederwerbung zu unterstützen
und die Sichtbarkeit des Dachverbandes
zu erhöhen, gab Alumni BFH eine neue
Broschüre heraus.
L’association faîtière Alumni BFH fondée
en automne 2012 peut se vanter d’avoir
réussi ses débuts. En juillet 2013 elle a
adapté son image à la nouvelle identité
visuelle de la BFH. Alumni BFH a publié
une nouvelle brochure pour soutenir les
sociétés Alumni dans leur quête de nouveaux membres et augmenter la visibilité
de l’association faîtière.
The umbrella organization Alumni BFH
founded in the fall 2012 looks back on a
successful start time. As of July 2013, its
appear ance was adapted in accordance with
the relaunch of the BFH. In order to support
the alumni association in their membership
campaign and to increase the visibility of
the umbrella organization, Alumni BFH has
issued a new brochure.
Neue Mitglieder und erster NetzwerkAbend Alumni BFH
Nouveaux membres et première soirée
du réseau Alumni BFH
New Members and First Network-Evening Alumni BFH
An der Delegiertenversammlung vom 4. Juni
2014 wurden zwei Alumni-Vereine neu in
den Dachverband Alumni BFH aufgenommen. «Alumni EHSM» vereinigt die ehemaligen Sportstudierenden der eidgenössischen
Hochschule für Sport in Magglingen und
«Alumni BFH MedInf/MedTec» die Absolvierenden der Weiterbildungsstudiengänge
Medizininformatik und Medizintechnik. Der
Dachverband Alumni BFH vereint nun elf
Alumni-Vereine unter einem Dach. Er bietet
den Alumni und den Mitgliedervereinen
attraktive Leistungen sowie eine Plattform
zur Vernetzung. Der Dachverband Alumni
BFH lud deshalb am Mittwoch, 4. Juni
2014 alle Alumni, Dozierende und AlumniVereine der Berner Fachhochschule BFH
zum ersten Netzwerk-Abend Alumni BFH
ein. Die rund 120 Teilnehmenden erlebten
im Berner Kornhausforum einen spannenden Anlass mit Inputs zum Mehrwert von
internationaler Berufserfahrung.
Deux nouvelles sociétés Alumni ont été
admises dans l’association faîtière Alumni
BFH à l’assemblée des délégués du 4 juin
2014. «Alumni HEFSM» réunit les ancienne-s étudiant-e-s en sport de la Haute école
fédérale de sport de Macolin et l’«Alumni
BFH MedInf/MedTec» les diplômé-e-s des
filières d’études de la formation continue Informatique médicale et Technique
médicale. L’association faîtière Alumni
BFH regroupe actuellement onze sociétés
Alumni sous un même toit. Elle offre aux
alumni et aux sociétés affiliées des prestations attractives ainsi qu’une plateforme
de réseautage. Le mercredi 4 juin 2014,
Alumni BFH a invité tous les alumni, enseignant-e-s et sociétés Alumni de la Haute
école spécialisée bernoise à la première
soirée du réseau Alumni BFH. Les quelques
120 participant-e-s ont vécu un événement
passionnant au Kornhausforum de Berne
avec des contributions sur la plus-value
que représente l’expérience professionnelle internationale.
At the delegation meeting of 4 June 2014
two alumni associations were included
in the umbrella organization Alumni BFH.
«Alumni EHSM» unites the former sports‘
students of the Federal Institute of Sports
Magglingen and «Alumni BFH MedInf /
MedTec», the graduates of continuing
education courses of Medical Informatics and Medical Technology. The umbrella organization Alumni BFH now unites
eleven alumni associations under one
roof, offering the alumni and the members’
associations attractive benefits as well as
a platform for networking. Therefore, on
Wednesday, 4 June 2014, Alumni BFH invited all alumni, lecturers, and alumni associations of the Bern University of Applied
Sciences BFH to the first network evening
Alumni BFH. In the Bern Kornhausforum
about 120 participants experienced an
exciting event with inputs on added value
of international professional experience.
Avantages d’une affiliation
The following alumni associations unite TIgraduates and offer an extensive choice:
• Alumni BFH MedInf/MedTec
• BFH Alumni Technology
• Society of Promotion for Software-Technology
• Ingenia Berne
• VUF- Society Business Management of
the alumni of BFH
Vorteile einer Vereinsmitgliedschaft
Die folgenden Alumni-Vereine vereinen
die TI-Absolvierenden und bieten ihnen
umfangreiche Angebote:
• BFH Alumni Technik
• Gesellschaft zur Förderung der SoftwareTechnologie
• Ingena Bern
• VUF – Verein Unternehmensführung der
Alumni der BFH
Die Mitgliedschaft in einem dieser AlumniVereine zahlt sich aus. Als Mitglied…
• werden Sie Teil eines lebendigen Netzwerkes
• pflegen Sie Kontakte zu ehemaligen
Kommilitoninnen und Kommilitonen
sowie Dozierenden
• nehmen Sie an interessanten Veranstaltungen teil
• erhalten Sie Informationen zu Aktivitäten der BFH und den Alumni-Vereinen
ti.bfh.ch/book2014
Les sociétés Alumni suivantes réunissent
les diplômé-e-s TI et leur proposent
diverses offres:
• BFH Alumni technique
• Société pour la promotion de la
technologie ligicielle
• Ingena Bern
• VUF – Association des alumni de la BFH
diplômés en gestion d’entreprise
Il vaut la peine d‘adhérer à l’une de ces
sociétés Alumni. En tant que membre…
• vous faites partie d’un réseau vivant
• vous entretenez des contacts avec d’ancien-ne-s camarades et enseignant-e-s
• vous participez à des manifestations
intéressantes
• vous recevez des informations sur les
activités de la BFH et les sociétés Alumni
Advantages of an Association Membership
A membership in one of the following
alumni association pays off. As a member
you will…
• be part of a lively network
• maintain contact with former fellow
students and lecturers
• take part in interesting events
• receive information on activities of the
BFH and the alumni associations
Als Alumni der BFH profitieren Sie ausserdem vom Leistungsangebot des Dachverbandes Alumni BFH:
• FHservices – die umfassenden Leistungen und Vergünstigungen von FH
SCHWEIZ
• 10% Rabatt auf Gruppensprachkurse bei
inlingua Bern und Thun
• Vorzugskonditionen beim Bezug von
Laptops und Tablets (Apple und PC)
während des 2x jährlich stattfindenden
Neptun-Verkaufsfensters
• Kostenlose E-Mail-Forwarding-Adresse
und Zugang zu MyAlumni, der Networking-Plattform für Alumni der BFH
• Stellenangebote und nützliche Checklisten rund ums Thema Beruf und Karriere
Informieren Sie sich über eine Mitgliedschaft und die Vergünstigungen unter
alumni.bfh.ch.
Die Alumni-Organisationen der BFH verbinden
ihre Absolventen, ermöglichen das Knüpfen von
Kontakten und den systematischen Aufbau eines
Beziehungsnetzes.
En tant qu’alumni de la BFH vous profitez
en outre de l’offre de prestations de l’association faîtière Alumni BFH:
• FHservices – ensemble des prestations
et rabais de FH SUISSE
• 10% de rabais sur les cours de langue en
groupe chez inlingua Bern et Thun
• Conditions préférentielles à l’achat
d’ordinateurs portables et tablettes
(Apple et PC) pendant la fenêtre de
vente Neptun qui a lieu 2x par année
• Adresse E-mail-Forwarding gratuite et
accès à MyAlumni, la plateforme de
networking des alumni de la BFH
• Offres d’emploi et check-lists utiles sur
les thèmes profession et carrière
Informez-vous sur une affiliation et ses
avantages sur
alumni.bfh.ch
Les organisations Alumni de la BFH réunissent
leurs diplômé-e-s, leur permettent de nouer des
contacts et de se créer un réseau de relations.
As an alumni of the BFH, you benefit from
the services of the umbrella organization
Alumni BFH:
• FHservices – comprehensive benefits
and perks of FH SWITZERLAND
• 10% discount on group language
courses at Inlingua Berne and Thun
• asset conditions purchasing laptops and
tablets (Apple and PC), 2x during the
annual Neptune sale window
• Free e-mail forwarding address, and
access to MyAlumni, the networking
platform for the alumni of the BFH
• Job offers and useful checklists around
the topic of profession and career
Find more under
alumni.bfh.ch about a membership and
benefits
Alumni organizations connect the graduates,
enable socializing and the platform of an essential
network
ti.bfh.ch/book2014
19
Sensorless Control of PMSM
Subject: Energy and Environment
Thesis advisor: Prof. Dr. Andrea Vezzini
Expert: Christian Badertscher (drivetek ag)
Project partner: SKAItek GmbH, Brügg
22
Sensorless control has been identified as a unique selling proposition for
inverters controlling synchronous motors. In this thesis a sensorless algorithm for a surface mounted Permanent Magnet Synchronous Machine was
analysed and implemented on a digital signal processor. The algorithm estimates position and speed with measured phase currents and measured
or reference voltages. Additionally, different plausibility checks were analysed for evaluating the calculated angle.
Claudia Aebischer
Sensorless methods are based on the examination of
measured or reference voltages and measured currents of the motor to gain a signal which is proportional to rotor angle. The most important characteristics of an electric motor are the rotor’s induced
voltage and the magnetic saliency.
The sensorless algorithm used in this project estimates the machine’s induced voltage. With this information it is possible to calculate its position and
speed. Since the induced voltage rises linearly with
speed, the algorithm can only deliver reliable results
at a speed above 5 to 10% of the base speed. To over-
BI
BE
BU
VA
claudia.aebischer@gmx.ch
Currently Permanent Magnet Synchronous Machines
(PMSMs) are used in a large spectrum of applications.
The most common way to control the speed and
torque of these motors is a vector control structure.
This structure requires a precise knowledge of the motor’s electrical coordinates and speed. Usually a position sensor is placed on the rotor shaft of the machine
to collect the required information. Such shaft sensors
increase the drive system’s cost and the motor size.
Furthermore in rough environments, e.g. at high/low
temperatures, pressure variations or vibrations, a position sensor may fail. For these reasons more effort
has recently been put into sensorless research to replace the shaft sensor.
PMSM sensorless vector control with position and speed
estimator
ti.bfh.ch/book2014
come this restriction, a start-up algorithm was additionally implemented. It drives the motor to a certain
speed at which point the sensorless control can take
over. For a controlled shut-down, the same principle is
applied. Smooth switching between the start-up mode
and sensorless operation is complete. Further switching during operation between sensor and sensorless
control is also supported.
The sensorless algorithm was tested at medium and
high speed and delivered acceptable results. Motor
start-up was successful and a smooth switching to
sensorless control was achieved.
In addition to sensorless control, a plausibility analysis was done for validating the estimated angle. In a
drive system, the angle verification can be used to
inform the higher level controller if the angle drifts
away. The higher level controller may decide whether
measures like switching to another position source
must be taken. Different analytical possibilities were
simulated, implemented and tested to verify speed,
generator constant, estimated angle and the motor
and observer parameters.
Zertifizierung der Bosch Packaging Systems AG
Flachbeutel-Maschine nach der Richtlinie 1994/9/EG
Fachgebiet: Engineering
Betreuer: Prof. Markus Moser
Experte: Prof. Heinrich Schwarzenbach
Industriepartner: Bosch Packaging Systems AG, Beringen (CH)
Diese Masterarbeit ist in Zusammenarbeit mit der Bosch Packaging Systems
AG in Beringen entstanden. Das Unternehmen Bosch Packaging Systems AG
befasste sich mit einem Grossauftrag und dessen Anforderungen. Eine Anforderung war es, die Flachbeutel-Maschine nach ATEX 95 zu zertifizieren
und eine technische Dokumentation anzulegen, wie es gefordert wird für
einen Maschinentyp der Gruppe 2, Kategorie 3.
Als Einführung in den Bereich Explosionsschutz wurde
der Bosch Packaging Systems AG die Richtlinie 94/9/
EG vorgestellt, der Inhalt komprimiert und verständlich als Nachschlagewerk an die verschiedenen Arbeitsgruppen vorgelegt. Die Flachbeutel-Maschine
wurde in einer detaillierten Risikoanalyse auf mögliche Gefahren untersucht, dokumentiert und die
Zündquellen eliminiert.
Als erfolgreiches Endresultat dieser Arbeit liegt eine
nach der Richtline 1994/9/EG geprüfte Flachbeutel-Maschine vor, welche auf dem Markt angeboten
wird.
Sierk-Peter Bluhm
sierk.bluhm@googlemail.com
Die Vision, die Bosch Packaging Systems AG mit dieser
Masterarbeit und deren folgenden Umsetzung verfolgt, ist, dass am Ende dieser Arbeit eine Flachbeutel-Maschine nach der Richtlinie 94/9/EG untersucht
wurde, sie frei von Zündquellen ist, in einem explosionsfähigem Bereich installiert werden kann und der
Betrieb dieser Maschine die Sicherheit des Arbeiters
in vollem Umfang garantiert. Zur optimalen Analyse
und Umsetzung des Projektes wurde die Arbeit mit
Hilfe verschiedener Arbeitsgruppen innerhalb von
Bosch Packaging Systems AG durchgeführt. Hierbei
wurden die Mitarbeiter aus der Mechanik, Elektrotechnik, Dokumentmanagement, Montage als auch eine
zweite Meinung eines Experten für die Unterstützung
und Durchführung herangezogen.
BE
BU
VA
Diese Masterarbeit entstand aus den User Requirement Standards von Nestlè. Die Motivation hierfür
liegt vor allem darin, eine Bosch Packaging Maschine
anbieten zu können, die einerseits den Anforderungen
eines Kunden entspricht und andererseits eine zusätzliche Option und ein Verkaufsargument darstellt. Diese
Anfrage der User Requirement Standards von Nestlè
stellt Bosch Packaging Systems AG vor eine Herausforderung. Bereits bei Bosch etablierte Maschinenrichtlinien beschreiben, dass die Maschine so konstruiert
werden muss, dass Arbeiter und Dritte in jeder möglichen Weise vor Gefahren geschützt sind. Dieser Kodex
verfolgt Bosch Packaging Systems AG seit über 125
Jahren und möchte nun sein Wissen im Bereich Maschinen-Sicherheit erweitern. Die Masterarbeit leitet
neue Schritte hinsichtlich des Explosionsschutzes an
einer ausgewählten Flachbeutel-Maschine ein. Die
Aufgabe besteht darin mögliches Potential an Gefahren aufzudecken. Es ist zum einen die Maschinenrichtlinie, die die Sicherheit des Arbeiters garantiert und
zum anderen ist die Richtlinie 94/9/EG (ATEX 95) zu
etablieren. Hierbei wird die Maschine auf mögliche
Zündquellen analysiert und eine Risikobewertung
durchgeführt, die durch die ATEX 95 – Zertifizierung
den Hersteller verpflichtet, die neu gewonnen Erkenntnisse umzusetzen.
23
BI
Flachbeutel Maschine der Bosch Packaging Systems AG
ti.bfh.ch/book2014
Enuresis Monitoring (ENUMON) – Système de
gestion pour le traitement de l’énurésie
Domaine spécialisé: Information and Communication Technologies
Chargé: Prof. Claude Brielmann
Expert: Jean-Philippe Nicolet (BLS)
Partenaire du projet: Melebi SA, La Neuveville
24
La société Melebi SA s’est spécialisée dans le traitement de l’énurésie nocturne et est reconnue dans toute la Suisse en tant que fournisseur d’appareils thérapeutiques. La méthode utilisée par la société est basée sur l’apprentissage. En déclenchant une alarme dès les premières gouttes d’urine,
l’enfant apprend à développer dans son subconscient le réflexe de se retenir.
Introduction
Gabriel Da Silva Cardoso
Aujourd’hui, le but de la société est de proposer un
produit innovateur permettant d’avoir un suivi on-line
de l’évolution des traitements et de diminuer ses frais
de production afin d’offrir un appareil à prix compétitif à la vente plutôt que de le louer. Le projet ENUMON
(Enuresis Monitoring) est basé sur le même principe
de guérison que leur produit actuel: réveiller le patient au moment de la miction nocturne. Toutefois,
celui-ci est entouré d’une infrastructure informatique
moderne permettant à toutes les personnes impliquées dans le processus de guérison de consulter
l’évolution du traitement on-line depuis un site Internet sécurisé.
Le projet ENUMON est composé de cinq parties : un
capteur, un Smartphone, un serveur, une base de données ainsi qu’un site Internet sécurisé.
La miction nocturne de l’enfant est détectée par un
capteur, une combinaison de deux parties, définies
comme Capteur-A et Capteur-B. Le Capteur-B consiste
en une feuille plastique avec une impression à l’encre
conductrice formant deux pôles arrangés en forme de
peignes (méandres) entrelacés. Le Capteur-A se clipse
(par boutons pression) sur le Capteur-B et consiste en
un circuit électronique qui permet de mesurer la résistance électrique de ce dernier et de transmettre une
Le Smartphone remplace le récepteur actuel de la société. Il fait, d’une part, office de réveil mais est également utilisé pour enregistrer et envoyer les données
du traitement sur un serveur distant afin que le patient puisse consulter son évolution du traitement
depuis le site Internet. Pour cela, le Smartphone établit des connexions sécurisées avec un serveur JAVA
afin de transmettre diverses données liées au traitement du patient (quantité d’urine, heure et date des
alarmes, temps de réaction, température, etc.). L’application du Smartphone permet également de consulter l’évolution du traitement, de configurer l’alarme en
cas de miction ainsi que de régler le seuil de sensibilité du capteur.
Le serveur JAVA accepte les connexions Socket initiées par l’application des Smartphones afin de récupérer et enregistrer les données des traitements de
chaque patient dans une base de données MySQL.
Pour qu’une connexion soit établie, un protocole d’authentification doit être effectué avec la source de la
connexion afin de ne pas échanger des données avec
une source malveillante.
Finalement, les patients peuvent se connecter sur le
site Internet afin de consulter leur évolution du traitement. S’ils le souhaitent, les patients peuvent également créer une autorisation afin que leur médecin ait
accès à ces informations. Les membres de la société
Melebi SA, en tant qu’administrateurs, peuvent
consulter les données de chaque patient.
BE
Résultats
BI
BU
VA
Description
alarme vers un Smartphone lorsqu’un certain seuil de
résistance est franchi. En plus de l’alarme, la tension
de la batterie et la température
du circuit sont également transmises.
Toutes les parties du projet ont été réalisées avec succès. La société Melebi SA va maintenant entamer une
phase de tests approfondis afin de pouvoir, dans un
futur proche, proposer leur nouveau produit.
Schéma fonctionnel
ti.bfh.ch/book2014
Development of an Electrically-Assisted Motor
System for Hand Tricycle
Subject: Rehabilitation Engineering
Thesis advisor: Prof. Dr. Kenneth J. Hunt
Expert: Prof. Dr. Kenneth J. Hunt (Institute for Rehabilitation and Performance Technology, Bern University of Applied Sciences)
A hand tricycle is a human powered land vehicle especially for people
with spinal cord injuries and paralysis that can be propelled by hand
cranking pedals instead of using feet. Hand cycle provides various approaches in rehabilitation for lower limbs paraplegia and helps to prevent
complications that may arise due to immobilization. The aim of this project was to develop the motor-assisted hand tricycle with various control
patterns.
The lower limb paralysis puts the patient at risk for a
range of health problems. Disable people need physical rehabilitation in order to strengthen and restore
functionality in the muscle groups, skeleton and to
improve general health condition and coordination.
Hand cycling can provide significant workout and a
great sense of freedom for persons with disabilities.
Using hand tricycle platform we aimed to build a feedback control system with an electrical motor. This system would be also suitable for rehabilitation of patients with different level of spinal cord injuries and
arm’s strength. Moreover, this system would allow patients to have decent upper body and cardio training
without stressing newly injured body parts.
For the control loop and information feedback from a
subject we used a torque sensor mounted between
pedals. It allowed to obtain adjustable control system
related to the force provided by person while cycling.
Additionally, we implemented pulse/ heart rate sensor
for monitoring the heart rate and condition of the cyclist. The whole system controlled by uC ATmega 2556
based on Arduino ADK development board. Control
software was developed in Arduino IDE to control the
electrical motor in combination with sensors. For human interface control we use smartphone with Android OS using Bluetooth standard for communication
with a controller.
andrei.dzyakanchuk
@gmail.com
Results
A hand sport tricycle (Sopur-Shark) was modified into
motor-assisted tricycle. Brushless hub motor 350W
from Crystalyte was mounted to front wheel in order
to move the entire bike with maximum speed 24 km/h.
The value of the torque sensor, angular speed and motor power were calibrated. The throttle mode and
torque control regime were tested. The pulse/heart
beat sensor was added in control loop for electrical
motor. First sample of smartphone application was
developed with App Inventor 2.
Hand tricycle with an electrical motor
Control strategy
BI
BE
BU
VA
Methods
Andrei Dzyakanchuk
Introduction
25
ti.bfh.ch/book2014
Multi-Channel Spectrometer for Optical Coherence
Tomography and Low Coherence Interferometry
Subject: Optics and Photonics
Thesis advisor: Prof. Meier Christoph
Expert: Dr. Boris Považay
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Low coherence imaging techniques are well-established in biomedical
and industrial applications for depth resolved characterisation of transparent as well as scattering samples. Some of these applications necessitate
simultaneous acquisition of multiple channels. In scope of this thesis,
a multi-channel spectrometer was developed. Its capabilities are demonstrated in polarization sensitive optical coherence tomography as well as
in an industrial positioning application.
Motivation
Dominic Ernst
range for each channel. Both values are close to the
theoretical limit and enable biomedical imaging.
Applications
Multi-Channel Spectrometer
The multi-channel spectrometer was integrated with a
number of probes and specially developed detection
algorithms. It was successfully tested for imaging biomedical and technical specimen, by measuring polarization changing structures in the anterior segment
of a pig eye «in vitro» as well as by measuring spatially resolved stress distribution in a plastic moulded
part (cf. Fig. 2). Furthermore a positioning application
using simultaneous acquisition of multiple sites with
sub-μm placement precision is demonstrated.
The design features a holographic grating as dispersive element, a collimation and an objective lens to
image the light entering the device onto the two-dimensional photodetector-array. The multi-channel capability is implemented by means of a V-groove fibre
mount, which holds eight single-mode fibres precisely
aligned in the vertical plane. The spatially separated
spectra of all channels are acquired by the camera individually (cf. Fig. 1). This design offers comparatively
simple alignment and the opportunity to expand the
number of parallel channels to up to 32 without significantly increasing system complexity. The spectrometer exhibits a sensitivity of 90dB (300μW @ sample)
and signal roll-off of 15dB over the 4.8mm detection
Fig. 2: Measured cross-section of a plastic moulded part.
Top: Intensity image / Bottom: Retardation image
BI
BE
BU
VA
dominic.ernst@gmail.ch
For optical coherence tomography (OCT) and low coherence interferometry (LCI) multiple signal enhancing methods have been demonstrated. Some applications e.g. polarization sensitive OCT and speckle
noise reducing OCT necessitate multiple acquisition
channels. Former implementations suffer from increased system alignment complexity and high system
costs, since optical components are needed multiple
times. The goal of this thesis is to realize a competitive and cost-efficient multi-channel OCT/LCI solution
for multidimensional optical imaging and ranging.
Fig. 1: Three dimensional scheme of the spectrometer. Inset shows the actually implemented V-Groove mount.
ti.bfh.ch/book2014
Motion Estimation using Inertial Sensor Technology
with Applications to Sporting Exercises
Subject: Elektro- und Kommunikationstechnik
Thesis advisor: Prof. Dr. Josef Götte
Expert: Felix Kunz
The goal of this thesis has been to find appropriate motion algorithms that
allow the implementation into PARTwear, which is a microcontroller-based
inertial sensor system used to monitor the activity of human beings in
different areas of interest, such as Sports and Medicine. New methods to
perform drift-free displacement estimation of motion with inertial sensors
have been investigated and analysis of running performance has been
conducted using the PARTwear sensor.
Introduction
Methods
Biomechanical studies often use optical motion-capture systems to determine the position of an object.
This approach is not ideal for many types of sports,
since only a few strides may be collected per trial, and
outdoor measurement systems are too bulky. Inertial
sensors, by contrast, are easy to attach to the athlete,
but are usually not used to obtain displacement, because of the drift due to numerical integration, integration constants and the necessity to determine the
orientation of the measured accelerations. The present master thesis performs motion analysis and experiments with measurements from the available inertial
sensors, and finds out whether the kind of sensors
and their performances are well adapted to the problems concerning various sports activities.
On a trainers request the analysis of running performance has been conducted using the PARTwear
sensor. Foot-ground contact time, as one of the most
important variables that influences the maximum
running speed, has been measured with different laboratory equipment. The results have been compared
with acceleration data obtained from the PARTwear
sensor and used to design an algorithm which can be
implemented into the embedded processor.
mike_gasser@bluewin.ch
BE
BU
Although the current study is based on a small sample
of participants, the findings suggest that the algorithm
can be adopted to different persons. Even so, the
algorithm could be further improved with an adaption
factor, which can be found using the cross-validation
method. C++ code of the current algorithm state has
been generated with the Embedded Coder from Matlab/Simulink®. This allows to integrate and test the algorithm on the embedded processor of the PARTwear
sensor.
VA
+41 79 567 85 46
The output of this thesis are the following three main
results. First of all a comparison of two different
methods for displacement estimation of motion with
inertial sensors is presented. Secondly an approach
for correcting accelerometer drift is introduced. And
finally, the third result is a new algorithm for running
performance analysis, based on inertial sensor data,
measured with the PARTwear sensor. The results
show, that it is possible to perform reliable footground contact time measurement using an inertial
sensor.
Michael Gasser
Results
BI
Body Sensor Platform - PARTwear
27
ti.bfh.ch/book2014
Developments for a further efficiency increase of
the Sunlight Pump
Subject: Industrial Technologies
Expert: Prof. Dr. Josef Götte
28
The “Sunlight pump”, a product of ennos GmbH, is produced and manufactured in Bangalore, India. The benefits of this system is the independence
from non-renewable energy sources. This leads to a substantial decrease in
investment costs, especially for farmers in developing countries. The core
components of the Sunlight pump system are the brush-less DC motor and
the electronic control system. Both components are constantly developed
at Bern University of Applied Sciences.
Benjamin Grichting
Improvements
b.grichting87@gmail.com
A new control algorithm has been implemented in order to increase the solar water pump efficiency by allowing an entirely variable DC link voltage and at the
same time by simplifying the control structure. This
led to an optimized motor commutation method. A
new inductor design in a 2 way interleaved booster
topology and a new power supply structure are the
main improvements on the hardware. Matlab, Simulink and PLECS were used to develop the new algorithm and controller design. The effects of parameter
uncertainty and discretization can be analyzed in a
virtual environment. Various simulations show that
the system’s efficiency can be increased by 10% especially at low angular speeds and high load torque.
BI
BE
BU
VA
The main goal of this thesis was to increase the overall
solar driven water pump system efficiency by developing alternative ways to control the system and by
improving the system’s hardware design. The production of a 9 A Sunlight pump has already started in
Bangalore. However, because of the non-linearity and
the interaction of the different controllers running in
parallel, the stabilization in multiple operating points
is difficult.
Re-designed PCB with Housing
ti.bfh.ch/book2014
Experimental Setup
A fully automated, custom-made motor and pump testbench were developed and constructed, in order to
evaluate the effect of the implemented hardware and
software changes on the overall performance of the
system.
For the analysis, a motor and electronic control system efficiency map with 100 measuring points can
be created within 25 minutes for operating points up
to 5 Nm and 2000 rpm.
A controlled water circulation system between a pressure and a vacuum tank is the heart of the pump testbench. Like this, the whole running Sunlight pump
system can be measured for different pumping and
suction lifts. The motor and the pump test benches allow an easy characterization of the effects of the new
developed soft- and hardware.
Breakthrough
Several results presented in this thesis have already
had a direct influence on the soft- and hardware, as
well as on the manufacturing and production processes of the Sunlight pump in Bangalore. Various approaches of the control algorithms could be implemented on the actual hardware and the same pump
test bench system was built up at the production facility in Bangalore. Henceforth, each pump will be tested
on this similar pump test-bench before delivery.
Modelling Swinging Grids
Fachgebiet: Energy and Environment
Betreuer: Prof. Michael Höckel
Experte: Dr. Andreas Beer (Repower)
Die Veränderung der Stromversorgungsnetze kann zur Folge haben, dass
bislang wenig beachtete Phänomene, wie Schwingungen unterhalb der
Grundfrequenz, vermehrt systemrelevant werden. Im Rahmen der Master-Thesis wird die Herkunft dieser subharmonischen Schwingungen untersucht und gezeigt, wie in zukünftigen Netzstrukturen Probleme entstehen
können. Es wird gezeigt, wie die Schwingungen gemessen und mit einem
Netzanalysetool modelliert, simuliert und analysiert werden können.
Die Oszillationen werden durch eine Schaltung, einen
Unterbruch oder ähnliches angeregt. Ist das Netz stabil, wird die Schwingung gerade wieder abklingen. Ist
nun die Netzkonstellation ungünstig und die angeregte Schwingung trifft auf eine Resonanz (netzbedingt
oder systembedingt), so flacht diese nicht mehr ab.
Eine bleibende Oszillation oder sogar das Erreichen
von Systemgrenzen ist die Folge. Im Hinblick auf zukünftig mögliche Netzstrukturen zeigt die Master-Thesis, wie verschiedene geregelte Elemente zusammen
agieren, und welche Parameter entscheidend sind um
die Stabilität zu halten.
andreas.gut@bfh.ch
res_agut@outlook.com
BI
Einteilung der systemrelevanten Komponenten einer Photovoltaikanlage
Messbare Schwingungen lassen sich sehr gut über die
mechanischen Zusammenhänge eines Netzelementes
nachweisen. Zum Beispiel ist die Resonanzschwingung des Rotorstrangs eines Wasserkraftwerks erkennbar. Eine ausführliche Analyse für Wasserkraftwerke und Photovoltaikanlagen (siehe Abbildung) ist
gemacht worden. Auch wenn eine gemessene Oszillation einem Element zugeordnet werden kann, ist das
Verhalten (Frequenz, Dämpfung, etc.) durch alle Elemente, das heisst alle Erzeuger, Regler, Verbraucher
und Betriebsmittel des Übertragungssystems, in Kombination bestimmt.
Andreas Gut
VA
Mit der Software PowerFactory von DIgSILENT ist es
möglich subharmonische Schwingungen im Verteilnetz und Interaktionen zwischen den Betriebsmitteln
zu simulieren. Die Wahl der Simulationsart bildet eine
sehr entscheidende Basis. Aus den Untersuchungen
geht hervor, dass die RMS-Simulation (Mittelwertbildungen im Millisekunden-Bereich) für Schwingungen
zwischen verschiedenen Regelkreisen bis zu einer Frequenz unter 25 Hz gut geeignet ist. Dies ohne grossen
Rechenaufwand. Eine in der Software implementierte
Eigenwertberechnung kann die Analyse unterstützen.
Zur Untersuchung von Effekten in Zusammenhang mit
dem Übertragungssystem (Kapazität und Induktivität
des Netzes) ist aufgrund der Berechnungsalgorithmen
die EMT-Simulation (Effektivwert) zu wählen.
BU
Resultate
Das Energy Systems Lab (ESL) der BFH beschäftigt
sich im Bereich der Energietechnik intensiv mit der
Messung, Analyse und Modellierung der Spannungsqualität. Dazu gehört vor allem die Analyse zukünftiger Probleme. Das Stromversorgungsnetz ist eine
Plattform, auf der immer mehr Schwingkreise mit sehr
unterschiedlichen Eigenfrequenzen auftreten. Diese
entstehen durch Kombinationen von RLC-Gliedern und
aktiven Reglern. Neben den durch Normen begrenzten
Oberschwingungen, sind davon auch Schwingungen
unterhalb der Grundschwingungsfrequenz betroffen.
Die sogenannten subharmonischen Schwingungen
sind kein unbekanntes Phänomen. Es handelt sich dabei um natürliche Frequenzen, die in allen schwingfähigen Systemen vorkommen. Im elektrischen Versorgungsnetz beschreiben sie die Amplitudenänderung
der Spannung beeinflusst durch, beispielsweise Laständerungen, Spannungsregelung oder bedingt durch
das mechanische System eines Netzelements (Bsp.
Torsionsschwingungen von grossen Maschinen). In der
Vergangenheit haben sie ungewollte Ausschaltungen
oder teilweise enorme Schäden bei Kraftwerken verursacht. Dies hat zum Einsatz von zusätzlichen Schutzund Überwachungsgeräten von Netzen und Anlagen
geführt.
BE
Motivation
29
ti.bfh.ch/book2014
ColdPEM – Kaltstart von
PEM-Brennstoffzellensystemen
Fachgebiet: Energie und Umwelt, Brennstoffzellen
Experte: Dr. Andreas Beer (Repower AG)
Industriepartner: CEKAtec AG, Wattwil/SG
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Brennstoffzellen erzeugen elektrische Energie aus Wasserstoff ohne
Schadstoffemissionen. Einziges «Abfallprodukt» ist Wasser. Doch gerade
dieser Vorzug beeinträchtigt den Start und Betrieb bei Minustemperaturen
aufgrund einer möglichen Eisbildung. Praktische Messung zeigen, dass
Brennstoffzellen auch diese Herausforderung meistern. Mit geeigneten
Strategien können sie ohne nennenswerte Lebensdauerverluste bis mindestens –10°C gelagert, gestartet und betrieben werden.
Herausforderungen der Brennstoffzellentechnologie
Marc Hachen
Ziel der Arbeit
Ziel dieser Arbeit ist es, zu zeigen, dass die eingesetzte Brennstoffzelle bei Temperaturen unter dem
Gefrierpunkt von Wasser gestartet und betrieben
BE
BU
VA
m_hachen@hotmail.com
Zusammen mit einer Wasserstoffproduktion aus erneuerbaren Energiequellen erfüllt die Brennstoffzellentechnologie alle nötigen Anforderungen als sauberer und effizienter Stromerzeuger. Trotz diesen
Vorzügen hindern eine nicht flächendeckende Wasserstoffversorgung und hohe Anschaffungskosten die
Verbreitung dieser Technologie. Dazu kommen technische Hürden, für welche optimale Lösungen gefunden
werden müssen. Die wohl wichtigste Aufgabe ist der
Start und Betrieb von Brennstoffzellen bei Temperaturen unter dem Gefrierpunkt von Wasser. Friert das
entstehende Wasser innerhalb der Brennstoffzelle ein,
können die feinen Strukturen beschädigt werden.
Dies führt zu einem Leistungsverlust oder gar zu einem kompletten Ausfall. In vielen Fällen muss jedoch
eine Stromversorgung auch bei Minustemperaturen
arbeiten. So auch das Brennstoffzellensystem, das an
der Berner Fachhochschule zusammen mit Partnern
aus Industrie und Forschung entwickelt wurde.
BI
Kaltstart einer PEM-Brennstoffzelle bei –10°C
(10-Zeller der Firma CEKAtec AG)
ti.bfh.ch/book2014
werden kann und, zwar ohne drastische Leistungsverluste. Zusammen mit den Partnern werden Strategien
entwickelt, um bei Kaltstarts eine Eisbildung innerhalb der Zellen zu minimieren. Die Vertiefung in die
Thematik sowie Nachforschungen zum Stand der
Technik bilden einen wichtigen Grundpfeiler. Dabei ist
nicht nur die Tauglichkeit und Effizienz entscheidend,
sondern auch, dass die Kaltstartstrategien später einfach in die Brennstoffzellensysteme integriert werden
können.
Ein Erfolgsfaktor mehr
In ersten Katstartversuchen wurden unterschiedliche
Strategien an einem kleinen Brennstoffzellenstapel
der Firma CEKAtec AG getestet. Es zeigte sich, dass
die Brennstoffzelle bis zu –10°C gestartet und betrieben werden kann. Zusätzliche Komponenten, wie
externe Heizungen, sind dazu nicht nötig. Wichtig ist
nur, dass die Brennstoffzelle durch eine optimierte
Abwärmenutzung, rasch auf Betriebstemperatur gebracht wird. Die Testprozedur bildet ein wichtiges
Element, um den Start und Betrieb von Brennstoffzellen bei Minustemperaturen zu gewährleisten. Sie
beinhaltet nicht nur die Kaltstartstrategie, sondern
auch einen normalen Betrieb der Brennstoffzelle oder
die Einfrierphase. Durch einen zyklischen Durchlauf
dieser Testprozedur kann in ersten Dauertests eine
Einschätzung bezüglich der Leistungsverluste gemacht
werden. Zwar ist es nicht möglich, im Rahmen dieser
Arbeit Langzeittests durchzuführen, trotzdem zeigen
die Resultate erster Messungen bereits, dass Kaltstarts bis zu –10°C über mehrere hundert Zyklen keine
nennenswerten Leistungsverluste verursachen.
Die Arbeit demonstriert somit, dass die Brennstoffzellensysteme des Industriepartners grundsätzlich bei
Minustemperaturen gestartet und betrieben werden
können. Die gewonnenen Erkenntnisse und Resultate
bilden eine Basis für weiterführende Tests, Optimierungen und schlussendlich eine Integration in die Systeme, sodass eine Brennstoffzelle als Stromversorgung
auch an einem kalten Wintertag genutzt werden kann.
Modulares Datenlogger-System für
Photovoltaikanlagen
Fachgebiet: Photovoltaik Systemtechnik
Betreuer: Prof. Urs Muntwyler
Experte: Thomas Schott (Metas/Hydrologie)
Um das Langzeitbetriebsverhalten von Photovoltaikanlagen und deren
Einfluss auf die Stromnetze vollständig zu erforschen, braucht es genaue,
zeitlich fein aufgelöste Messdaten. Auf dem kommerziellen Markt gibt
es etliche Anlagenüberwachungssysteme, deren Einsatzeignung im wissenschaftlichen Umfeld während der Master Thesis evaluiert wurde.
Ein Gesamtkonzept eines modularen Datenlogger-Systems wurde schliesslich erarbeitet und ein Prototyp entwickelt, realisiert und getestet.
Das PV LAB der BFH erfasst seit 1991 vollständige
Betriebsdaten von PV-Anlagen und wertet diese wissenschaftlich aus. Einige Messanlagen erreichen das
Ende ihrer Lebensdauer und müssen ersetzt werden.
Die auf dem kommerziellen Markt zahlreich und in
unterschiedlichen Ausführungen erhältlichen Überwachungssysteme sollen auf ihre Eignung als Ersatz
geprüft werden. Sich auf die Marktanalyse stützend
soll ein Konzept eines präzisen, modularen Datenlogger-Systems ausgearbeitet und schliesslich ein Funktionsprototyp realisiert werden.
Methoden
Zunächst erfolgte eine Bedarfsabklärung hinsichtlich
der Anforderungen an ein Anlagenüberwachungssystem für den Forschungseinsatz. In der Folge wurden
exakt 100 kommerzielle Überwachungslösungen betrachtet und in Form einer Kurzbeschreibung portraitiert. Ferner wurden 13 Monitoring-Konzepte genauer
studiert und einander gegenübergestellt. Basierend
auf der schliesslich selektionierten Architektur wurde
für eine generische PV-Anlage ein Prototyp realisiert
und erste Tests in der Laborumgebung durchgeführt.
werden können. Über die Kommunikationsschnittstellen kann zudem protokollunterstützende Sensorik
verdrahtungseffizient angebunden werden. Die unterbrechungsfreie Stromversorgung garantiert netzautonomes Arbeiten der Messinstallation. Der Feldbuskontroller wird galvanisch getrennt von der
Sensorik versorgt. Das gesamte Datenlogger-System
ist gegen induzierte Überspannungen geschützt.
Die Messgrössen werden im Sekundentakt erfasst
und gepuffert. Mit vorgegebener Periodizität werden
die gepufferten Daten an eine SQL-Datenbank auf
der Serverinfrastruktur des PV LAB übergeben. Zur
Gewährleistung der Zeitreihen werden die gepufferten
Daten zudem lokal gespeichert. Auf den Kontroller
kann per FTP oder über den integrierten Webserver
zugegriffen werden.
Ausblick
Basierend auf dem realisierten Prototyp wird eine
spezifische PV-Anlage ausgerüstet, welche Feldtests
unterzogen wird. Bei zufriedenstellenden Testergebnissen soll das modulare Datenlogger-System künftig
bei PV-Anlagen unterschiedlicher Konfigurationen,
welche Teil der Langzeitmesskampagne des PV LAB
sind, installiert werden.
Realisiertes System
BE
BU
VA
Die gewählte Lösung basiert auf einem multitaskingfähigen SPS-Feldbuskontroller, an welchen Busklemmen für Sonderfunktionen oder mit analogen/
digitalen Standardeingängen modular angereiht
David Joss
Ausgangslage
31
Architektur des Datenlogger-Systems (DLS)
BI
Aufbau einer generischen Photovoltaikanlage mit Datenlogger-System (DLS)
ti.bfh.ch/book2014
Entwicklung und Optimierung eines Reluktanzmotors
Fachgebiet: Maschinentechnik
Betreuer: Markus Zimmermann
Experte: Dr. Miha Furlan
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Moderne Reluktanzmotoren sind effizient, kostengünstig herstellbar und
fehlertolerant. Sie kommen ohne Permanentmagnete und ohne Bürsten
aus. Reluktanzmotoren finden Einsatz bei Hybrid-Fahrzeugen wie auch bei
Industrieanwendungen und in Haushaltsgeräten. Diese Arbeit umfasst
Auslegung, Optimierung sowie Konstruktion und Herstellung eines Reluktanzmotor-Prototypen. Die Optimierung des Motors erfolgt mit einer elektromagnetischen FEM-Simulation.
Ausgangslage
Stefan Kleiner
Die Phaseninduktivität des Reluktanzmotors hängt
nicht allein vom Strom, sondern auch von der momentanen Rotorposition ab. Da die Induktivitätsänderung
das Drehmoment bestimmt, ist die Geometrie von Stator- und Rotorpol beim Reluktanzmotor von besonderer Bedeutung. Durch die magnetische Sättigung im
Material ergeben sich nichtlineare Zusammenhänge.
Präzis berechnet werden kann das Motoren-Drehmoment nur mit einer Simulation, die elektromagnetische Felder, magnetischer Fluss und damit die Induktivität iterativ berechnet. FEM-Simulationen sind
elementar für die Auslegung und Optimierung von Reluktanzmotoren.
In dieser Arbeit wird mittels FEM-Programm ein Reluktanzmotor in Bezug auf das statische Drehmoment optimiert. Dabei gilt es, sich widersprechende Kriterien
wie minimale Verluste, möglichst hohe Leistungsdichte
und minimales Drehmomentrippel zu berücksichtigen.
An einem Prototypen soll die optimierte Motorengeometrie verifiziert werden. Vorgaben sind das statische
Drehmoment von 0.5 Nm und die Abmessungen von
70 mm Durchmesser und 50 mm Motorenlänge.
Durchführung
Ergebnis
Die FEM-Berechnungen veranschaulichen den Einfluss einzelner Geometrieparameter auf das statische
Drehmoment. Am gefertigten Prototypen konnten
Drehmoment, Induktivität und Aufwärmverhalten
gemessen werden. Bedingt durch die Wicklung von
Hand und Fertigungstoleranzen fällt das gemessene
Drehmoment leicht tiefer aus als die simulierten
Werte. Die Messungen verdeutlichen vor allem den
starken Einfluss der Erwärmung. Der elektrische
Widerstand nimmt im Betrieb markant zu, was die
maximale Stromstärke und damit das erreichbare
Drehmoment massgeblich reduziert. Gegenüber einer
Motorenauslegung mit konventioneller Geometrie,
steigert die optimierte Geometrie das Drehmoment
um 13% und senkt die Verlustleistung bei sonst gleichen Aussenabmessungen und Randbedingungen.
Nach Einarbeitung in die Grundlagen wird das
FEM-Modell schrittweise aufgebaut. Mittels Python-
BI
BE
BU
VA
Ziel
Script lässt sich das elektromagnetische FEM-Programm «Flux» steuern. So erlauben automatisierte Simulationsdurchgänge eine grosse Anzahl Parameter
zu variieren und zu rekombinieren. Nacheinander werden so verschiedene Motorenparameter simuliert, bis
das maximale Drehmoment unter Berücksichtigung
der Vorgaben und Randbedingungen gefunden ist. Anschliessend erfolgt die Konstruktion des Prototypen
am CAD.
Bild 1: Simulation der magnetischen Flussdichte in Rotor und
Stator
ti.bfh.ch/book2014
Bild 2: Montage der Stator- und Rotorbleche des Prototypen
(hier noch ohne Wicklungen)
Längsdynamiksimulation von Zügen
Betreuer: Prof. Dr. Hansjürg Rohrer
Experte: Thomas Furrer
Die Zugskompositionen der Eisenbahn bestehen meist aus mehreren, kuppelbaren Einzelfahrzeugen (Lokomotiven, Personen-, Güterwagen). An den
Kupplungsstellen zwischen den Fahrzeugen treten Zug- und Druckkräfte,
sowie Bewegungen zwischen den Fahrzeugen in Längsrichtung des Zuges
auf. Die auftretenden Kräfte und die Längsbewegungen sind abhängig von
der Zusammenstellung des Zuges, den Eigenschaften der Kupplungsstellen, sowie der Fahrweise des Lokomotivführers.
An der BFH-TI in Biel werden seit einigen Jahren Fahrsimulatoren für Eisenbahnfahrzeuge entwickelt, welche
primär zur Ausbildung von Fahrpersonal zum Einsatz
kommen. Der Fahrsimulator LOCSIM soll nun um ein
Modell zur Analyse und Darstellung des Längsdynamikverhaltens von Zugskompositionen erweitert werden.
Umsetzung
Im Rahmen von vorbereitenden Projektarbeiten wurde
in einem ersten Schritt nach bereits bestehenden
Längsdynamiksimulationen recherchiert und diese
analysiert. Das Ergebnis zeigte, dass zwar solche Simulationen bereits existieren, diese jedoch nicht den
definierten Anforderungen entsprechen.
In einem nächsten Schritt wurde daher, auf Basis einer Untersuchung der für die Längsdynamik relevan-
ten Komponenten des Zugverbandes, ein physikalisches Modell erarbeitet. Das Modell definiert die
Fahrzeuge als starre Einzelkörper, welche an den
Kupplungsstellen über dehn- und stauchbare Verbindungen miteinander verbunden sind. Dabei werden
Schraubenkupplung und Puffer als erweitertes Feder-Dämpfer-Modell beschrieben. Mit diesem Modell
können die relevanten Eigenschaften der Kupplungsstelle (federnde Verbindung, Energieverzehr, Kupplungsspiel) realistisch dargestellt werden. Die Implementierung, sowie eine erste qualitative und quantitative Überprüfung des Modells erfolgten anhand
des Ingenieurwerkzeuges MATLAB.
Die erfolgreiche Überführung und Integration des
Längsdynamikmodells in LOCSIM, sowie die Visualisierung der Resultate stellte den letzen Entwicklungsschritt dar.
Durch diverse Testfahrten mit dem Fahrsimulator wurde die Leistungsfähigkeit der Längsdynamiksimulation
intensiv überprüft. Es wurden dabei unterschiedliche
Zugskompositionen (Triebfahrzeuge an unterschiedlichen Positionen im Zugverband), Streckenabschnitte
und Fahrszenarien (Anfahren, diverse Bremsmanöver,
etc.) verwendet.
Ergebnisse
urs-luder@bluemail.ch
Kupplungsstelle mit UIC-Schraubenkupplung und Puffer
(Quelle: B. Lämmli)
Kupplungskräfte während Beschleunigungs- und Bremsphase
(1 Lokomotive, 4 Wagen)
ti.bfh.ch/book2014
BI
BE
BU
Die Auswirkungen der Fahrweise auf Kräfte und
Längsbewegungen im Zugverband können dem
Lokomotivführer nun direkt und in Echtzeit graphisch
angezeigt werden.
Urs Luder
Die Kenntnis der längsdynamischen Vorgänge innerhalb eines Zugverbandes ist für verschiedene Gebiete
der Eisenbahntechnik von Bedeutung. Nebst dem Einfluss auf die Konstruktion von Rollmaterial, sowie für
Untersuchungen von z. B. Entgleisungen, oder Zugstrennungen, kann eine Längsdynamiksimulation in
Fahrsimulatoren auch zu Ausbildungszwecken für Lokomotivführer eingesetzt werden.
VA
Ausgangslage
33
Solarbetriebener, drahtloser Induktivsensor
Fachgebiet: Industrial Technologies
Betreuer: Guido Bucher
Experte: Albert Dorneich (Balluff GmbH, DE)
Industriepartner: HyTech AG, Balluff Group, Brügg, CH
34
Heutige, kabelgebundene Induktivsensoren finden in der Industrie breite
Anwendung. Die Verwendung von Funksensoren könnte Probleme wie
Kabelbrüche und hohe Verdrahtungsaufwände verhindern. Moderne elektronische Schaltungen lassen sich zudem so stromsparend bauen, dass
die Nutzung der Umweltenergie direkt für deren Betrieb ausreicht (Energy
Harvesting). Während der Masterthesis wird ein Prototyp eines mit Solarzellen betriebenen induktiven Funksensors entwickelt.
Ausgangslage
Simon Mahler
+41 79 646 84 72
edi.s.mahler@gmx.ch
Die heute auf dem Markt erhältlichen Funk-Induktivsensoren werden mit Batterien betrieben, welche eine
Lebensdauer in der Grössenordnung von 1–2 Jahren
haben. Der Kunde möchte sich besonders beim Einsatz
vieler und/oder schwer zugänglicher Sensoren nicht
um einen jährlichen Batteriewechsel kümmern müssen und ist besonders bei Applikationen mit häufigen
und schnellen Bewegungen (Kabelbruchgefahr) auf
kleine und leichte Sensoren angewiesen. Auf kleineren
Sensoren steht jedoch weniger Solarzellenfläche zur
Verfügung. Dadurch ist die Energieausbeute entsprechend geringer. Durch gezielte Energieeinsparungen
und ein ausgeklügeltes Energiemanagement lässt sich
ein solcher Funk-Induktivsensor miniaturisieren.
Ziel der Masterthesis ist der Aufbau eines solarbetriebenen, drahtlosen Abstandssensors, inklusive Empfängerschaltung und Programmierung, Inbetriebnahme
und Charakterisierung des Gesamtsystems. Aus der
Auswertung und Interpretation der Messungen wird
dargelegt, welche Performance ein Sensor mit heutiger
Technologie erbringen kann. Unter der Annahme, dass
durchschnittlich alle 10 Sekunden ein Funktelegramm
übertragen wird, soll der Sensor mit einer minimalen
BU
BE
BI
Aufbau
Das Energiemanagement inklusive MPPT (Maximum
Power Point Tracker) Schaltung für den optimalen Betrieb der Solarzellen basiert auf einem speziellen
Energy Harvesting Chip von Texas Instruments. Die
Sensorfunktion und die Aufbereitung der Daten inklusive der Ansteuerung des Funkchips wird von einem
Cortex M3 Mikrocontroller von Energy Micro übernommen. Speziell an diesem Controller ist das integrierte
«Low-Energy-Sensor-Modul», mit welchem unter anderem die Funktion eines aktiven, induktiven Sensors
mit einer Verbrauchsleistung von weniger als 4μW
aufgebaut werden kann. Für die Funkübertragung wird
ein im 2.4GHz ISM-Band arbeitender Funkchip von
RFM in Verbindung mit einer PCB-Antenne verwendet.
Für die Übertragung findet ein einfaches, proprietäres
Funkprotokoll mit Frequenzsprungverfahren Anwendung.
Resultate und Ausblick
VA
Ziel
Lichtmenge von 200 Lux (dies entspricht etwa der
Helligkeit in einem Flur) seinen Betrieb ununterbrochen aufrechterhalten und auch ohne Lichteinfall für
15h autark weiterarbeiten. Eine Punkt-zu-Punkt Freiluft-Funkdistanz von mindestens 50m soll erreicht
werden.
Links: Sensor-Prototyp im Gehäuse, rechts: Hauptprint des
Funksensors
ti.bfh.ch/book2014
Der auf dem Bild ersichtliche, fertig aufgebaute Prototyp zeigt mit einem Schaltabstand von 7mm ein sehr
stabiles Verhalten. In Bezug auf Energieverbrauch und
Funkübertragung bedarf der Sensor bis zum Ende der
Masterarbeit noch weiterer, softwarebasierter Verbesserungen. Ausstehend sind auch noch die Messungen
und die Charakterisierung des Gesamtsystems. Nach
der Masterthesis soll der Funksensor softwaremässig
so angepasst werden, dass er sich vollständig in die
Funkumgebung des Industriepartners Balluff einbinden lässt. Der zukünftig verwendete Funkstandard befindet sich momentan noch im Entwicklungsstadium.
Zusätzlich sind weitere Optimierungen insbesondere
an der Elektronik, der Funktionalität und am Gehäuse
geplant, um die Serientauglichkeit des Produkts zu erreichen.
Méthodes d’émulations de systèmes embarqués
inconnus
Domaine spécialisé: Sécurité Informatique
Chargé: Prof. Dr. Endre Bangerter
Expert: Prof. Dr. Pascal Junod
De nos jours, les systèmes embarqués font partie intégrante de la vie quotidienne. Nous ne savons par contre pas comment ils sont conçus, ni s’ils
contiennent des failles de sécurité que l’on pourrait exploiter ou qui le sont
déjà. Cette thèse décrit les méthodes permettant de développer un émulateur pour un système embarquée défini afin de faciliter l’analyse du firmware.
La technique proposée par cette thèse est d’émuler le
système afin d’offrir toutes les possibilités qu’offre un
ordinateur personnel en matière de recherche de vulnérabilités. En effet, l’émulation de systèmes embarqués permet une analyse dynamique du code et un
contrôle total sur le système, ce qui simplifie la recherche de vulnérabilités.
Nous décrivons dans cette thèse des méthodes d’analyses permettant d’émuler un système embarqué sans
connaissance préalable et appliquons ces méthodes
sur un système embarqué défini. Ces méthodes sont
un mélange d’analyse statique et dynamique du firmware tout en observant les accès mémoire effectués
entre le firmware et les périphériques, afin de comprendre le fonctionnement du système pour pouvoir
implémenter un émulateur capable de faire fonctionner le firmware de la même manière que le système
originel. Il n’est pas possible de connaitre le fonctionnement exact de tous les composants du système
embarqué, mais nous simulons leur fonctionnement
donnant au firmware les valeurs attendues. Nous
obtenons ainsi un émulateur capable de faire fonctionner le firmware mais n’offrant pas toute les fonctionnalités disponibles du système réel, en raison
de certains périphériques complexes dont le fonctionnement logique n’a pu être découvert à ce jour.
matti_boris@yahoo.fr
BI
BE
BU
VA
Emulation et outils d’analyses
Boris Matti
Contrairement aux ordinateurs personnels pour lesquels il existe une multitude d’outils permettant la
recherche de vulnérabilités, les systèmes embarqués
n’en n’ont que peu: la recherche se fait par analyse
statique du firmware ou par l’utilisation d’un port de
débogage hardware.
35
ti.bfh.ch/book2014
Production Setup and Quality Management for the
Sunlight Pump in India
Betreuer: Prof. Dr. Andrea Vezzini
Experte: Alois Müller (Seecon GmbH)
Industriepartner: Ennos GmbH, Biel/Bienne
36
In Entwicklungsländern ist vielerorts die Versorgung mit genügend Trinkwasser noch immer ein Problem. Auch das Elektrizitätsnetz ist unzuverlässig oder nicht vorhanden. Gängige Diesel-Wasserpumpen haben eine
schlechte CO2-Bilanz und sind teuer im Unterhalt. Abhilfe schafft hier die
Solarwasserpumpe der Firma Ennos GmbH. Der hocheffiziente Antrieb
treibt die Wasserpumpe ohne Zwischenspeicher an, ist kostengünstig in
der Anschaffung und wartungsarm.
Zur Solarwasserpumpe
Herzstück der Pumpe ist ein an der BFH Biel entwickelter bürstenloser DC-Motor. Bei der Steuerung des Motors
kommen moderne Leistungselektronik und Regelungstechnik sowie ein präziser Maximum Power Point Tracker zur Anwendung. Geplant ist die Pumpe in Serie zu
produzieren und in Entwicklungsländern einzusetzen.
Ausgangslage
Um die Produktionskosten niedrig zu halten wird die
Pumpe in der indischen Technologiemetropole Bangalore bei der Firma AMRO Technology hergestellt. Die
Firma Ennos hatte eine neue Entwicklung serienreif.
Mit der neuen Serie kamen neue Technologien und somit auch neue Herausforderungen auf die indische Firma zu und sie war auf Support aus der Schweiz angewiesen. Die Herausforderung war nun, mit möglichst
einfachen Mitteln ein komplexes System zu produzieren
und allen nötigen Qualitätsanforderungen gerecht zu
werden. Weiter sollen die Produktionszwischenschritte
systematisch getestet und dokumentiert werden.
Realisierung
Im Rahmen der Masterthesis wurde die Situation vor
Ort untersucht und zusammen mit dem indischen
Partner ein Produktionskonzept für die bestehenden
Gebäude erarbeitet. Da für die neue Serie in Zukunft
grosse Stückzahlen geplant sind, musste an der beste-
Zur Prüfung der Leiterplatten wurde eine eigene
Testsoftware geschrieben, mit der man alle Messungen
und Funktionen der Elektronik mit einfachen Mitteln prüfen kann. Beim Zusammenbau des Motors müssen Toleranzen überprüft werden, anschliessend die induzierten
Spannungen, sowie Hall-Sensor Signale gemessen werden. Der fertige Antrieb muss strengste Prüfungen bestehen, ehe er mit einer Pumpe bestückt wird. Und am
Schluss sollen die Pumpen auf einem Wasserprüfstand
den Dauertest absolvieren. Dieser Wasserprüfstand wurde in der BFH Biel entwickelt und in Indien wurde im
Rahmen der Masterthesis ein Replikat davon gebaut.
Weiter wurden die Leute vor Ort während eines zweiten Besuches ausgebildet und instruiert. Hier galt es
auch interkulturelle Probleme zu bewältigen und in
Indien übliche Systeme auf den Kopf zu stellen. AMRO
Technology hat für die Solarwasserpumpe zwei neue
Ingenieure angestellt die vom Support und Wissenstransfer aus der Schweiz viel profitiert haben.
BI
BE
BU
VA
Lukas Menzi
henden Produktionsstrasse vieles neu entwickelt werden. So soll die Produktion flussoptimiert und nicht
mehr anlageoptimiert sein. Weiter wurden neuen Testgeräte evaluiert und entwickelt.
Eine fertig zusammengestellte Sunligh Pump Unit
ti.bfh.ch/book2014
Planung der Hauptproduktionsanlage
On multi-sensor based calibration
of inertial measurement units
Subject: Energy and Environment
Thesis advisors: Prof. Kurt Hug, Prof. Dr. Roger Filliger
Expert: Dr. Yannick Stebler (u-blox)
MEMS inertial measurement units (IMUs) are rapidly expanding in the
commercial use for a large field of applications. Unfortunately, the unavoidable systematic errors delivered by MEMS-IMUs limit their direct use
in vehicle accident and/or trajectory reconstruction and make calibration
mandatory. In this thesis we investigate and compare two different calibration procedures for accelerometers able to increase accuracy of velocity
estimates in an inertial navigation system.
Driven by a specific application in the field of motorcycle trajectory reconstruction, we consider calibration techniques for IMUs with the aim to increase
system performance in the most cost saving way. We
further clarify to what extent stationary post-crash
information from IMUs (used as crash-recorders) can
increase the accuracy of trajectory reconstruction.
Implementation
We present and investigate two known calibration
procedures under static conditions. The first one uses
a pseudo measurement – the norm of the local gravity
vector – as reference measurement in a Kalman filter
to estimate accelerometer scale factor and bias. The
second one integrates gyro measurements and uses
orientation information to project the local gravity
vector onto sensor axis in the body frame. A platform
with a consumer grade IMU (218 μg/√Hz) and two
IMUs with tactical grade performance (70 μg/√Hz) is
used (g ≈ 9.81 m/s²).
Results
Riccardo Moccetti
+41 79 658 24 34
riccardo.moccetti@gmail.com
BU
VA
This comparison unveils the following: in the present
form the calibration methods can’t properly handle
consumer grade IMUs, due to their important noise
level. Both procedures work well for IMUs with tactical grade performance and lower noise level. Hence,
good IMUs can do better with these methods.
Admissible results in the consumer grade IMU calibration are achieved for the method using pseudo measurements, when the accelerometer is sufficiently and
smoothly rotated in the earth gravity field (around
at least two independent directions). The procedure
using gyro measurements suffers excessively from the
orientation errors coming from the fact that noisy
gyro data have to be integrated. To improve this calibration, a more accurate orientation sensor is needed.
This calibration method is interesting in so far, as
dynamic conditions can be handled and orientation
of the sensitive measurement axes can be gained.
To overcome the calibration problems with consumer
grade IMUs, an implementation using geometrically
constrained redundant IMUs is shortly discussed.
We also show that stationary post-crash information
is not enough in order to estimate error parameters.
Using the notion of observability of a dynamic system,
it is seen that attitude changes are needed. However,
stationary measurements are still useful in so far that
we can use them to estimate relevant noise strength
suitable for filter techniques initializations.
Motivation
37
BE
2-axis turntable (acuitas AG)
BI
multi-sensor platform
ti.bfh.ch/book2014
Implementation of a CCD Line-sensor Camera
for OCT Applications
Fachgebiet: Elektro- und Kommunikationstechnik
Betreuer: Prof. Dr. Josef Goette
Experte: Felix Kunz
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OCT steht für Optische Kohärenztomografie. Sie erlaubt das Vermessen
eines Volumens mithilfe von Laserlicht. Das Ziel dieser Thesis ist das
Erstellen einer Leiterplatte zum Ansteuern und Auslesen eines CCD (Chargecoupled Device) Liniensensors. Bei dieser Arbeit erwies sich die Optimierung des Leiterplatten-Layouts für hohen Pixelraten und die gleichzeitigen
Sicherstellung einer guten Abschirmung der analogen Schaltung gegen
störendes Rauschen als besonders herausfordernd.
Andreas Moser
Ziel
OCT ist ein bildgebendes Verfahren, mit dem sich das
oberflächennahe Volumen eines Materials mikrometergenau darstellen lässt. OCT findet vor allem in der
Medizin Verwendung, wird aber mittlerweile zunehmend auch in der Industrie eingesetzt.
Am microLab wurde bis anhin ein gemeinsam mit dem
optoLab entwickeltes OCT-System verwendet. Die für
OCT nötige Signalverarbeitung ist extrem rechenintensiv. Um Bilder in Echtzeit aufnehmen und darstellen
zu können, wurde am microLab ein Modul hergestellt,
das die Rohdaten der Kamera verarbeitet und die fertigen Bilder an den Computer sendet. Um den Rechenaufwand bewältigen zu können, werden die Daten 4x
parallel in Hardware auf einem FPGA (Field Programmable Gate Array) verarbeitet.
Im Rahmen eines neuen KTI-Projekts soll ein kompaktes OCT-System hergestellt werden. Die neue Optik
wird vom Industriepartner entwickelt, die Bilderfassung, Signalverarbeitung und Ansteuerung des Scankopfes vom microLab. Um ein möglichst kompaktes
System zu erhalten, soll die aktuelle Konfiguration,
bestehend aus jeweils separater Kamera und Signalverarbeitungsmodul, durch eine einzelne Leiterplatte
ersetzt werden.
Das Ziel dieser Arbeit ist es, ein Modul zur Sensoransteuerung eines CCDs zu entwerfen, welches später
als Basis für ein Einboardsystem verwendet werden
kann. Eine Herausforderung ist es, die zahlreichen,
zum Betrieb notwendigen Spannungsquellen und
Clocktreiber zu realisieren, ohne dabei das bei CCDs
gute Signal-Rausch-Verhältnis zu opfern.
etch@gmx.ch
Einführung
Fazit
BU
VA
Messungen am Prototypen zeigen, dass die korrekte
Funktion bis zu einer Pixelrate von 1MHz erreicht
wird. Mit dieser Leiterplatte als Basis wird es in Zukunft möglich werden, auch die gewünschte Pixelrate
von 40MHz zu erreichen, wenn Optimierungen am
Layout vorgenommen werden.
BI
BE
Prototyp der CCD-Zeilensensor Leiterplatte
ti.bfh.ch/book2014
OCT-Bild einer Fingerkuppe
GYMNEE – Digitization of fitness workouts
Subject: Information and Communication Technologies
Advisor: Prof. Marcel Pfahrer
Expert: Dr. Philippe Büchler
Nowadays at least one gym can be found in every city and in almost every
major village. The common technique offered by gyms to let members track
their fitness workouts is still analog using pen and paper. Within the scope
of this thesis, a software solution has been elaborated with the goal to replace the analog technique. GYMNEE makes use of mobile devices such as
smartphones and tablets, and introduces an innovative approach concerning Quick Response (QR) codes.
Implementation
A gym is a place which accommodates exercise equipment for the purpose of physical exercise. Physical
exercises include any activity that enhances or maintains physical fitness, health and wellness. Explaining
physical exercises to gym members, creating tailored
fitness workouts fitting the needs of gym members
and evaluating the progress made by gym members
during a certain period is time consuming. The vision
of GYMNEE is to digitize and automate all possible aspects of gym processes, and to enhance the overall
gym experience.
The implemented software solution leverages the client-server architecture model. The server application
provides an interface based on the Representational
State Transfer (REST) architectural style implemented
with Microsoft’s ASP.NET Web API framework. This
framework interacts with a Microsoft SQL Server representing the relational database management system.
Solution
GYMNEE is a software solution accessible from any
device connected to the Internet with a web browser
at disposal. Additionally, the software solution can
be installed natively on any smartphone and tablet in
order to make use of the embedded QR code scanner.
As a gym it is possible to manage gym members and
all physical exercises digitally. The software solution
automatically generates a unique QR code which can
be printed and then attached to the corresponding exercise.
To natively install the developed website on a mobile
device such as a smartphone or tablet, Apache’s Cordova (also known as PhoneGap) framework is used.
Apache Cordova enables the website to access native
features such as the camera which is needed in order
to use the embedded QR code scanner. Supported
platforms include Android, iOS (iPhone & iPad),
Windows Phone and others.
The result is a fully functional prototype which will be
further developed and improved after the completion
of this thesis.
Roman Niklaus
roman@gymnee.com
BI
BE
BU
VA
As a gym member it is possible to add exercises to the
workout by entering the corresponding name or just
by scanning the QR code. A numerical or graphical
evaluation can be generated at the end of each workout or based on a longer period of time.
The client application is a website built with HyperText Markup Language (HTML), Cascading Style Sheets
(CSS) and JavaScript. It makes use of the Model-ViewController (MVC) pattern implemented with Google’s
AngularJS framework. For designing purposes of the
user interface, Twitter’s Bootstrap framework is used.
Background and vision
39
Schematic structure of the GYMNEE software solution
ti.bfh.ch/book2014
Dezentralisiertes E-Voting mit Homomorpher
Verschlüsselung
Fachgebiet: Information and Communication Technologies
Betreuer: Prof. Dr. Rolf Haenni
Experte: Stephan Neumann (Technische Universität Darmstadt)
40
In dieser Masterarbeit wurde ein E-Voting System implementiert, welches
auf mobilen Geräten wie Smartphones und Tablets lauffähig ist, ohne dass
eine zentrale Infrastruktur nötig ist. Diese Art von E-Voting erlaubt spontanes durchführen von Abstimmungen. Die Implementation basiert auf
einem Protokoll, welches Sicherheit und Verifizierbarkeit des Prozesses
gewährleistet. Besondere Beachtung während dieser Arbeit galt ausserdem
der einfachen Benutzbarkeit des Systems.
Ausgangslage
Jürg Ritter
Boardroom Voting
Um die Praxistauglichkeit von E-Voting Systemen zu
erproben werden in der Forschung oft auch Szenarien
angeschaut, welche eine geringere Tragweite haben
als Abstimmungen und Wahlen auf kantonaler oder
gar nationaler Ebene. Zu diesen Szenarien gehören
unter Anderem auch auch «Boardroom Voting», wel-
VA
juerg_ritter@bluewin.ch
Genau so wie E-Banking oder E-Commerce unseren Alltag erleichtern, kann auch E-Voting die Durchführung
von Wahlen und Referenden massiv vereinfachen. Dennoch nehmen viele beim Einsatz von E-Voting eine
skeptische Haltung ein. Unsichere E-Voting Systeme
bieten eine Plattform für Wahlmanipulation im grossen
Stil. Diese Bedenken wurden zusätzlich durch die zahlreichen Schlagzeilen im Bereich Spionage und IT Sicherheit im letzten Jahr genährt. Die Forschung, welche sich seit längerer Zeit mit der Thematik E-Voting
befasst, hat einige Kriterien ausgearbeitet, welches ein
ideales E-Voting System erfüllen sollte. Es wurden
auch mehrere kryptographische Ansätze publiziert,
welche beschreiben, wie solche E-Voting Systeme aufgebaut sein könnten. Im Rahmen dieser Forschung
wurden zwei solche Ansätze in die Praxis umgesetzt.
Zum einen die Arbeit von Philémon von Bergen, sowie
die vorliegende Arbeit. Dabei gab es eine intensive Zusammenarbeit bei der Erarbeitung der Benutzeroberfläche.
ches beispielsweise an einer Verwaltungsratssitzung
stattfindet. Das Elektorat (Gruppe der wahlberechtigten Personen) ist in diesem Szenario deutlich kleiner
und von jedem Beteiligten überblickbar.
E-Voting auf mobilen Geräten
In dieser Masterarbeit wurde ein bekanntes E-Voting
Protokoll neu im Kontext Boardroom Voting implementiert. Das ursprüngliche Protokoll wurde im Jahr
1997 von R. Cramer, R. Gennaro und B. Schoenmakers
vorgeschlagen und beschreibt einen zentralisierten
Ansatz. Das Protokoll nutzt eine Eigenschaft namens
«Homomorphismus» des ElGamal Verschlüsselungssystems, welche das anonyme Auszählen einer Abstimmung erlaubt. In der vorliegenden Umsetzung
wurde das Protokoll für die dezentrale Nutzung auf
mobilen Geräten (Smartphones und Tablets) angepasst. Somit ist für den Einsatz kein zentraler Server
für den Datenaustausch mehr erforderlich. Nun können Abstimmungen ohne das Vorhandensein zusätzlicher Hardware spontan aufgesetzt, durchgeführt und
ausgezählt werden. Die Umsetzung bezieht explizit
eine Besonderheit des Boardroom Voting als Sicherheitselement mit ein: Der gemeinsame Aufenthaltsort
von allen beteiligten Personen. So sind Manipulationen von Ausserhalb faktisch ausgeschlossen. Dies erlaubt nun beispielsweise sicheres, verifizierbares und
anonymes Abstimmen an einer Verwaltungsratssitzung. Die Umsetzung wurde auf der für mobile Geräte
populären Plattform «Android» gemacht, was das
Produkt auf Geräten wie Smartphones und Tablets
lauffähig macht.
Benutzerfreundlichkeit
BI
BE
BU
Ein wesentlicher Faktor für den Erfolg von sicherem
E-Voting ist Einfachheit in der Bedienung. Ein besonderes Augenmerk dieser Arbeit lag auf dem Design
und der Implementation einer intuitiv zu bedienenden
Benutzeroberfläche. Dieser Teil der Arbeit wurde wie
schon erwähnt in enger Zusammenarbeit mit Philémon von Bergen gemacht.
E-Voting Applikation auf Smartphone und Tablet
ti.bfh.ch/book2014
Trusted embedded computing scheme
Subject: Embedded systems and Cryptography
Thesis advisor: Prof. Dr. Lorenz Müller
Expert: Felix Kunz
Smart devices are often distributed in critical infrastructure and used for
operational transactions, machinery steering or storage of critical data.
Such devices are computers with own Operating Systems connected to different networks. They are at high risk to be corrupted by hackers. The goal
of this master thesis is to develop a scheme, how smart devices can be
secured in order to assure trusted executions of requested tasks assigned
from an external control server.
Taking a realistic situation we can assume that an attacker has no direct physical access to the smart device or to the control station. But he can install a malware into the storage annex of the device and disrupt
or abuse the device during operation. To ban such
kind of attacks one has to enable mutual authentication between the controller and the smart device and
to assure that only authentic and integer applications
can run critical operations. These requests can be fulfilled if a non-accessible and hardware based root secret can be retrieved inside the smart device. Such a
root secret has to be based on unique physical features of the device hardware that cannot be detected
by a malware, means the root secret comes from a so
called Physical Unclonable Function (PUF).
During the commissioning of the smart device such a
PUF function has been embodied and tested in the device hardware. Then the implemented PUF secret is
shared with the controlling server. A security protocol
based on the derived root secret has been developed
that fulfills the mentioned security request for a save
operation of the smart device in the field.
The most important steps of the secure operation protocol are:
− The server sends a random challenge R and a time
stamp T to the device over a previously established
channel.
− The device generates the PUF root secret and returns the MAC of R and T using it as key. The server
checks the authenticity of the sender using his
stored root secret of the device.
− If approved the server encrypts the application that
shall be executed with a secret key based on the
root secret and sends it to the device. The device
decrypts the program using again his root secret
and executes it directly. With this step the device
authenticates the server and checks the integrity of
the application simultaneously.
A program not encrypted correctly would not run and
any malware in the local storage of the device cannot
interfere in the protocol processing as the full protocol processing is implemented in hardware never leaving the control.
Result and conclusion
sanaz_aryan_soroush@
yahoo.com
BI
BE
BU
VA
In this work a scheme for the secure operation of
critical applications on smart devices in the field has
been developed and tested in a demonstrator setup.
The usability of an electronic PUF function as root secret for such a protocol has been tested with success.
Aryan Soroush Sanaz
Specific problem and solution approach
41
The Attacker model
The protocol overview
ti.bfh.ch/book2014
Erbringung von Systemdienstleistungen durch
virtuelle Kraftwerke
Experte: Dr. Oliver Krone (BKW AG)
Industriepartner: Vattenfall Innovation GmbH, Hamburg
42
Durch den massiven Ausbau von Energieerzeugungsanlagen im erneuerbaren Bereich kommen neue Herausforderungen an die Versorgungsnetze zu.
Die Kombination von Photovoltaik (PV) Anlagen mit Batteriespeichern bietet wesentliche Vorteile bei der Einbindung von dezentraler Produktion. Im
Rahmen dieser Masterarbeit wurde ermittelt, wie diese Anlagen zusätzlich
zur Bereitstellung von Systemdienstleistungen genutzt werden können.
Oliver Schenker
schenker.oliver@gmail.com
Die Energiestrategie 2050 des Bundes will, dass die
bestehenden Atomkraftwerke am Ende ihrer sicherheitstechnischen Betriebsdauer stillgelegt und nicht
durch neue ersetzt werden. Gleichzeitig soll der Ausbau der erneuerbaren Energien gefördert werden. Der
Ausbau erfordert aber eine völlig neue Infrastruktur
zur Verteilung der elektrischen Energie. Wo früher wenige Grosskraftwerke den Strom in jedes Haus lieferten, kommt der Strom künftig aus vielen kleinen dezentralen Anlagen. Wer gestern Stromkonsument war,
kann morgen mit einer PV Anlage auf dem Dach Produzent und Konsument gleichzeitig sein.
Als Systemdienstleistungen werden in der elektrischen Energieversorgung alle Hilfsdienste bezeichnet,
die der Übertragungsnetzbetreiber nebst der Übertragung und Verteilung der elektrischen Energie für einen
sicheren und stabilen Netzbetrieb zusätzlich erbringt.
In einem virtuellen Kraftwerk werden mehrere kleine
Stromerzeuger mit modernster Informations- und
Kommunikationstechnik miteinander vernetzt und wie
eine Einheit zentral gesteuert und effizient vermarktet. So können virtuelle Kraftwerke die Leistung
der Grosskraftwerke effizient ergänzen und zur Deckung von Spitzenlasten zugeschaltet werden.
Aufgabenstellung
In einem Niederspannungsnetz im Versorgungsgebiet
der Stadt Hamburg sollen verschiedene Betriebstrategien für virtuelle Kraftwerke mit Hilfe des Netzanalysetools PowerFactory untersucht werden. So wurde
jedes Gebäude in diesem Netzabschnitt in der Simulation mit einer PV Anlage sowie Batteriespeicher ausgestattet (Siehe Abbildung). Dabei hatte jeweils die
Deckung des Eigenbedarfs die höchste Priorität. Zudem galt es die Unterschiede des Schweizer sowie des
Deutschen Energiemarkts zu ermitteln.
Ergebnisse
Für den Anlagenbetreiber macht es in Deutschland
durchaus Sinn nebst einer PV Anlage einen Energiespeicher anzuschaffen. Dieser wird staatlich gefördert
und trägt dazu bei, den Eigenbedarf mit der erzeugten
PV Leistung zu erhöhen. In der Schweiz wird derzeit
nur die Installation einer PV Anlage unterstützt. Durch
die damit geringeren Stromeinspeisungen ins Netz,
können die Spannungserhöhungen der eingespeisten
PV Leistung vermindert werden. Zudem kann durch die
Bereitstellung von Regelleistung innerhalb eines virtuellen Kraftwerks zusätzlich Geld verdient und dazu
beigetragen werden die Frequenz zu stabilisieren.
BU
VA
Systemdienstleistungen
Virtuelle Kraftwerke
BI
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Aufbau einer einzelnen Einheit mit Prioritäten des Stromflusses
ti.bfh.ch/book2014
UserLogic
Interaktive, prozessund produktbezogene Benutzerschnittstelle
Fachgebiet: Information and Communication Technologies ICT
Betreuer: Prof. Rolf Gasenzer
Experte: Fritz Dellsperger
Industriepartner: Comlab AG, 3063 Ittigen
Moderne technische Systeme produzieren immense Mengen an Informationen, welche nur durch Reduktion auf wesentliche Aspekte sinnvoll genutzt
werden können. Der Knackpunkt liegt dabei bei der Auswahl.
Die vorliegende Arbeit zeigt eine Umsetzung einer Softwarekomponente,
welche es dem Nutzer erlaubt, die für Ihn wesentlichen Informationen zu
bündeln und funktional weiter zu verwenden.
Die Ausgangslage ist eine funktional ausreichende Anwendung, welche aber selbst für Fachpersonal schwer
zu bedienen ist. Die Neuimplementierung der Funktionalität dieser Anwendung soll als Komponente der
neuen Überwachungs- und Kommunikationsplattform
für Funksysteme der COMLAB AG umgesetzt werden.
In der für die vorliegende Arbeit zur Verfügung stehenden Zeit konnten alle grundlegenden Anforderungen umgesetzt werden, sodass das Produkt bereits im
produktiven Umfeld eingesetzt werden kann.
Simon Lukas Schlechten
Die Benutzerschnittstelle dieser Plattform ist browserbasiert und ermöglicht einen einfachen Fernzugriff
auf alle Komponenten eines Systems. Eine zentrale
Herausforderung dieser Arbeit ist es, trotz der beschränkten technologischen Möglichkeiten webbasierter Anwendungen eine möglichst intuitive Umsetzung
zu erzielen. Ein weiterer zentraler Punkt ist das Umfeld, in welchem die Zielsysteme eingesetzt werden.
Da die verarbeiteten Informationen betriebsrelevant
sind und den Betrieb zudem direkt beeinflussen können, müssen die Vorgänge innerhalb definierter zeitlicher Grenzen ablaufen und stets vertrauenswürdige
Resultate liefern.
BI
BE
BU
VA
Im Bereich sicherheitsrelevanter Infrastruktur ist die
Sicherstellung des Betriebs von höchster Wichtigkeit.
Um Ausfällen vorzubeugen, werden erweiterte Betriebsinformationen für die frühzeitige Erkennung
degradierender Komponenten genutzt. Die dadurch
ermöglichte vorausschauende Wartung trägt entscheidend zur Sicherstellung eines störungsfreien Betriebs
bei. Die gewonnenen Informationen können zudem für
die weitere Optimierung der Produkte verwendet werden. Um den Aufwand für die Überwachung zu minimieren, soll der Betreiber durch gezielte Auswahl und
Verdichtung die Menge der zu verarbeitenden Informationen reduzieren können.
43
ti.bfh.ch/book2014
Hardware Algorithms for Esophagus Signal Processing
Fachgebiet: Industrial Technologies
Betreuer: Prof. Dr. Marcel Jacomet
Experte: Felix Kunz
44
Herzrythmusstörungen (Arithmien) können verheerende Auswirkungen
haben.Um diese zu detektieren ist heute das oberflächen Elektrokardiogramm (EKG) der klinische Gold-Standard. Die dazu verwendeten Elektroden auf der Haut lassen nur eine Messdauer von bis zu 3 Tagen zu, jedoch
treten bei vielen Patienten die Vorzeichen für Herzerkrankungen nur
sporradisch auf. Hier setzt das Projekt Esophagus Elektrokardiogramm
(E2Corder) an.
Caspar Trittibach
ctrittibach@gmail.com
Um diese selten auftretenden Episoden zuverlässig
erfassen zu können, ist eine längere Aufnahmedauer
notwendig. Mit dem E2Corder lassen sich durch das
Messen im Esophagus nun Zeitspannen bis zu 30 Tagen aufnehmen. Das Gerät soll nicht von aussen sichtbar sein und den Patienten möglichst nicht beeinträchtigen. Der dazu verwendete Katheter bietet somit
nicht viel Platz für die Elektronik. Dieser Platzmangel
führt zu einer limitierten Energie und Daten-Speicherkapazität. Die benötigte Datenreduktion wird durch
ein Sub-Nyquist Sampling und eine darauffolgende
Datenkompression erreicht.
In der Aufnahmedauer von 30 Tagen sind ca. 3.5 Mio
Herzschläge enthalten, was bei dem verwendeten
Daten Sampling und Komprimierung zu einer Datenmenge von ca. 1 GByte pro Kanal führt. Diese grosse
Menge an Daten lässt sich nicht mehr mit den konventionellen Methoden für EKG’s analysieren, indem der
Arzt noch jeden einzelnen Herzschlag klassifiziert. Die
Verarbeitung kann man nun in drei Schritte unterteilen, zuerst das Aufbereiten der Samples, danach das
Filtern der Daten und zuletzt die Klassifizierung der
Herzschläge.
BI
BE
BU
VA
Verarbeitung
ti.bfh.ch/book2014
Dockingstation
Um die benötigte Rechenleistung bereitzustellen, wird
ein Teil dieser Verarbeitung in einer FPGA gestützten
Dockingstation implementiert. Nach dem Auslesen
des NAND-Flashes des E2Corders, wird eine erste Verarbeitung im FPGA vorgenommen. Anschliessend werden die Daten über USB 3.0 auf den PC übermittelt,
wo eine weitere Verarbeitung und Aufbereitung der
Daten zur Visulaisierung vorgenommen wird. In dieser
Arbeit wurde die Dockingstation mit dem zentralen
Datenpfad und erste wesentliche Verarbeitungsalgorithmen implementiert. Neben dem Gerät selbst ist
dies das direkte Auslesen des verwendeten NANDFlashes des E2Corders, das Vorverarbeiten, ein erstes
IRR-DC-Notch Forward-Backward Filter sowie die
USB3.0 Kommunikation.
Aussichten
Mit der nun vorhandenen Dokingstation, lässt sich der
E2Corder in kurzer Zeit auslesen, parrallel dazu erste
Verarbeitung/Filterung durchführen und auf den PC
streamen. Durch die offene Gestaltung des Designes,
lassen sich beliebig viele weitere Verarbeitungsschritte in das FPGA implementieren ohne die Auslesezeit
signifikant zu erhöhen.
A Human Resources business application
development using .NET technologies
Subject: Information and Communication Technologies
Advisor: Dr. Ulrich Fiedler
Expert: Jan Rihak (Money Park)
External project partner: Sadies, Renens
This paper is structured around the problematics of the human resources
task of managing the job openings and unsolicited demands within the
company and how .NET 4.5 framework and SharePoint 2013 platform can
respond to it. All this in a cost-effective manner for the industrial partner.
The developed solution is a frontend-backend closed system designed
specifically for the EMS industry in Switzerland and highly customizable
for each client.
VA
The solution is going to be commercialized end of
2014.
vasiliu.diana@ymail.com
The project output is:
− A SharePoint back-end application that enables the
HR representative to manage the job openings, the
unsolicited applications and the C.V. database
− An MVC 4 web solution, integrated to the customer
website to enable future candidates to apply online
− A website that aggregates all the job openings available within the companies of SADIE›s clients.
Diana Adriana Vasiliu
BU
The backend solution has been developed using the
Visual Studio Professional 2012 environment with the
SharePoint Foundation 2013 as the bedrock for the
entire backend HR application. The reason for this
was the out-of-the-box features that SharePoint provides such as “search”, “filter”, the entire “list” system
and CRUD operations on “List Items” that help reduce
the development time. The functionalities of the application that were not native in SharePoint have been
added to the solution via custom behavior implementation and features deployment.
The testing stage for this solution had two main steps:
internal testing and a beta version release. The internal testing was based on a “Test booklet” designed
starting from the requirement definition. A beta version release has been scheduled in order to give the
opportunity to the final HR user to test it in real life
conditions.
BE
The aim of this research was to define if Microsoft
technologies such as .NET 4.5 framework, SharePoint
Foundation 2013 platform, MVC 4 framework can
respond to the request of Sadies in rebranding their
image through the development of a new human resources application. The project in his totality serves
as an analysis in determining if the cost of updating
the Sadies solution catalogue using the technologies
previously mentioned is pertinent. And that the developed solution responds to the customer needs in a
timely manner.
The frontend application has been developed using
the MVC 4 framework. The main reason for choosing
this as a design pattern and a base framework is the
possibility of having multiple frontends (multiple
views) for the same business layer and model. This
design pattern fits well with today’s technological era,
where multiple platform support is essential.
BI
Sadies, the industrial partner, had the desire to refresh the look of the current applications catalogue
through the development of a human resources web
application which enables HR representatives to better manage the searching and hiring process within
their respective companies.
45
ti.bfh.ch/book2014
A Mobile Application for Boardroom Voting
Domaine spécialisé: Information and Communication Technologies
Chargé: Prof. Dr. Reto Koenig
Expert: Prof. Dr. Ulrich Ultes-Nitsche
46
Durant cette thèse, un système de vote électronique fonctionnant sur des
appareils mobiles comme les smartphones et les tablettes a été développé.
Il n’a recours à aucune infrastructure centrale, réduisant la complexité de
mise en place d’un scrutin et favorisant ainsi la spontanéité. L’implémentation se base sur un protocole assurant la sécurité et la vérifiabilité du
scrutin. Un autre élément important de ce travail a été la conception d’interfaces utilisateurs conviviales.
Philémon von Bergen
Contexte
L’e-voting sur des appareils mobiles
Tout comme l’e-banking ou l’e-commerce améliore
notre vie journalière, l’e-voting faciliterait grandement la réalisation de scrutins. Toutefois, l’introduction de l’e-voting suscite passablement de scepticisme. Un système insuffisamment sécurisé ouvre la
porte à de dangereuses manipulations. A ces risques
s’ajoute la peur de l’espionnage informatique qui a été
très médiatisé l’année dernière. La recherche, qui étudie depuis plusieurs années la thématique de l’e-voting, a défini des critères précis qu’un système de vote
électronique devrait satisfaire. Plusieurs approches
cryptographiques décrivant comment de tels systèmes
devraient être construits ont été publiées mais peu
d’entre elles ont été réellement réalisées en pratique.
Le but de cette thèse de master était de réaliser une
application de boardroom voting fonctionnant sur des
appareils mobiles et respectant les consignes de sécurité requises pour l’e-voting, entre autres, la possibilité de vérifier que personne n’a dévié de la marche à
suivre dictée par le protocole cryptographique. La
plateforme populaire Android a été choisie comme
base pour le développement de l’application, permettant ainsi l’utilisation de smartphones et tablettes. La
particularité de ce système est l’absence d’infrastructure centrale pour l’échange des données. Ainsi, un
vote peut être spontanément mis en place et réalisé
sans avoir recours à des composants matériels supplémentaires autres que les smartphones et tablettes
utilisés pour voter. Un facteur de sécurité réside dans
le fait que toutes les personnes impliquées sont réunies au même endroit, ce qui exclut pratiquement les
risques de manipulation de l’extérieur. L’implémentation se base sur un protocole cryptographique publié
en 2012 par D. Khader, B. Smyth, P.Y.A. Ryan et F. Hao.
Ce protocole est spécifiquement conçu pour un système sans infrastructure centralisée. Il garantit la
confidentialité des votes ainsi que l’anonymat par un
processus de comptage homomorphe. Cette application fournit donc un système de vote électronique sûr,
anonyme, et vérifiable.
Pour étudier la faisabilité de systèmes d’e-voting, la
recherche considère souvent des scénarios de moins
grande ampleur que des votations nationales. Parmi
ces scénarios, on trouve le «Boardroom voting» qui
peut être utilisé lors de séances de comité de direction. L’électorat (groupe de personnes ayant le droit
de vote) est sensiblement plus petit pour ce scénario.
Deux approches se rapportant à ce contexte ont été
réalisées en pratique dans des travaux de master,
l’une dans la thèse de Jürg Ritter et l’autre dans la
thèse décrite ici. Une collaboration a pu être réalisée
entre ces deux projets en ce qui concerne la conception des interfaces graphiques des applications résultantes.
BI
BE
BU
VA
Boardroom voting
ti.bfh.ch/book2014
Convivialité d’utilisation
Un facteur important pour le succès de l’e-voting est
la convivialité d’utilisation du système. La conception
d’interfaces graphiques intuitives a donc joué un rôle
important dans ce travail. Comme mentionné précédemment, cette conception et la réalisation de ces
interfaces ont été effectuées en étroite collaboration
avec Jürg Ritter.
Modellierung und Lösung von Planungsproblemen
Fachgebiet: Human Interface Technology
Betreuer: Prof. Dr. Jürgen Eckerle
Experte: Han van der Kleij (SBB AG)
Das Ziel dieser Thesis ist zu zeigen, dass ein klassischer Planungsalgorithmus der Künstlichen Intelligenz (KI) auch für die Berechnung eines optimalen Terminplans eingesetzt werden kann. Zudem lassen sich exklusive
und kapazitive Ressourcenabhängigkeiten ebenfalls modellieren und in
der Terminberechnung korrekt berücksichtigen. Das implementierte Verfahren wird an einigen typischen Beispielen der KI und an einem realen
Problem angewandt.
Einleitung
Modellierung
Ein klassisches Planungsproblem wird durch einen Initialzustand, einen Zielzustand und einer Menge von
Operatoren modelliert. Aus diesen Operatoren lassen
sich Aktionen generieren, die durch eine Precondition
und einen Effekt charakterisiert werden. Die Precondition beschreibt die Bedingung, die vor Ausführung der
Aktion erfüllt sein muss und der Effekt (Postcondition)
die Wirkung dieser Aktion. Die Modellierung basiert
auf einer Logiksprache. Im Fall von STRIPS, der einfachsten Sprache, werden Zustände und Bedingungen
durch eine Konjunktion von positiven und negativen
Literalen beschrieben.
Als Eingabe erwartet unser Programm die Problembeschreibung entweder in der standardisierten Planungssprache PDDL oder in einer XML-Spezifikation,
welche stark an STRIPS angelehnt ist. Die jeweiligen
Sprachen sind zudem für die Modellierung von Ressourcen erweitert worden.
Algorithmus
ti.bfh.ch/book2014
BE
BI
Ein klassisches Planungsverfahren der KI erlaubt die
Berechnung und Bewertung von alternativen Lösungsplänen. Zwar generiert der Planer nicht selbst solche
Alternativen, jedoch kann er aus zwei Problemstellungen zwei Pläne generieren und zur Entscheidungshilfe
beitragen. Weiter könnten auch nur Teilpläne neu berechnet werden oder aus einer einzigen Problemstellung alle möglichen Lösungspläne. Gerade diese Eigenschaft, sowie die grundsätzliche Möglichkeit auch
Ressourcen abzubilden, macht solche Verfahren für
komplexe Planungsprobleme wie beispielsweise Bauplanungsprobleme sehr interessant.
BU
VA
Möglichkeiten und Fazit
Claudia Weber
In einer ersten Evaluierungsphase wurden verschiedene Algorithmen theoretisch untersucht, wobei der
Planungsalgorithmus GraphPlan am geeignetsten
erschien. So kann er alle möglichen Aktionen kombinieren und zu einem Zeitplan anordnen. Als Resultat
liefert der Planer einen optimalen partiell geordneten
Plan. Partiell geordnete Pläne haben die Eigenschaft,
dass in einem berechneten Lösungsplan parallel ausführbare Aktionen erkennbar sind und nicht linearisiert werden. Der GraphPlan detektiert zudem auch,
wenn kein gültiger Plan existiert und bricht ab.
Eine Stärke des GraphPlan-Algorithmus ist die Berechnung und Verwendung von Mutexen, die es erlauben
inkonsistente Zustände vorab zu erkennen und die Suche vorzeitig abzubrechen. Dies wurde ausgenutzt,
um so auch die Ressourcen berechnen zu können. Somit reicht es aus, die exklusiv nutzbaren und kapazitiv
beschränkten Ressourcen als Precondition einer Aktion zu modellieren.
Architektur der Applikation GraphPlaner
47
Mechanical Ex Vivo Stimulation of Cartilage Tissue:
Effect on Nutrient Supply
Subject: Human Interface Technology / Tissue Engineering
Advisors: Dr. Reto Luginbühl , Dr. Rainer Egli, Prof. Josef Goette
Experts: Dr. Reto Luginbuhl (RMS-Foundation), Dr. Rainer Egli (RMS-Foundation)
External project partner: RMS-Foundation, Bettlach
48
Articular cartilage covers the surface of the bones within synovial joints
where it absorbs loads and provides a low friction interface to the articulating surfaces of the joints.Within this study the hypothesis was put forward that the positive effect of loading on cartilage is (partly) due the supporting effect of the diffusion of nutrients, which is essential for the
cellular function within the tissue.
Danial Zooroofchian
Moghaddam
Introduction
Results
Articular cartilage covers the surface of the bones
within synovial joints where it absorbs loads and provides a low friction interface to the articulating surfaces of the joints. It measures 1 to 3 mm in thickness
and as an avascular tissue it relies on diffusion from
the synovial fluid for supply with nutrients. Cyclic
loading of the tissue, such as during gait, which exerts
a pumping effect, is essential as it supports the diffusion processes. Mechanical loading is therefore an essential factor for the formation of cartilage tissue and
the maintenance of its integrity.
After extensive studies, a simple digestion protocol
based on 1.2 mL 40% H2O2 and 1.8 mL of a 70% HNO3
at 55 °C for 15 h was established for the preparation of
the cartilage section for ICP MS analysis.
BI
BE
BU
VA
dan_zorouf@hotmail.com
Within this study the hypothesis was put forward that
the positive effect of loading on cartilage is (partly)
due the supporting effect of the diffusion of nutrients,
which is essential for the cellular function within the
tissue. The primary aim of this study was to establish
a method enabling to measure the diffusion process of
ions into cartilage tissue and to assess the diffusion
behavior of these substances with and without mechanical loading.
Approach
Cylindrical cartilage pins with underlying bone tissue
(diameter 10 mm) were harvested from. bovine knee
joints (6 to 36 month old) within less than 24 hours
after slaughter. Four model elements from alkali metals and alkaline earth metals, namely Rb+, Cs+, Sr2+,
and Ba2+ were used to assess diffusion into cartilage
tissue.
These elements are closely related to Na+, K+, Mg2+ and
Ca2+, respectively which are commonly found in the
tissue. The ions were allowed to either diffuse with or
without mechanical loading for up to 24 hours into the
tissue. Mechanical loading (dynamic compression up
to 25 N was applied in a custom-made bioreactor system during 5 min per hour. Thereafter the cartilage
was separated into different sections and was subjected to different digestion protocols prior to measuring
the ion content by inductively coupled plasma with
mass spectrometer analyser.
ti.bfh.ch/book2014
All data have to be normalized to enable comparison
between different pins and experiments. It was decided that the top layer, most outer section was set to
100% of each pin since there are no other factors that
allow for normalization. By doing so, quantitative
comparison between stimulated and non-stimulated
samples is lost.
There is a trend that the center section of the top layer
of the mechanical loaded 24 h samples had the highest diffusion rate followed by the center of the next
layer as compared to controls. This can be explained
that the center part of the pins is more loaded due to
the curvature of the loading piston. A second finding
indicates that double charge ions (Sr2+, Ba2+) are more
readily diffusing than single charged (Rb+, Cs+) in the
tissue. More experiments are currently done to verify
these findings.
a)
b)
c)
Figure 1: Experimental design
a) sketch of diffusion; b) cartilage pin and section,
c) different cartilage sections
Gemeinsam
täglich eine
Meisterleistung.
Bei der Beschaffung hohe Qualität mit
Budgettreue in Einklang bringen.
Das begeistert mich. sbb.ch/jobs
Simulations torwards optimal esophageal
lead system
Supervisors: Thomas Niederhauser, Prof. Dr. med. Rolf Vogel
Institution: University of Bern
Examiners: Prof. Dr. Josef Götte, Prof. Dr. med. Rolf Vogel
52
Rhythm disorders in the heart like atrial fibrillation may have serious
consequences. The standard and most effective approach to detect arrhythmias is the electrocardiogram (ECG). In particular for paroxysmal arrhythmias long-term recording is crucial. Lead positioning and signal morphologies are still under investigation. A mathematical model may help us from,
to make predictions helping us to understand the signals better. The aim
of this work is to derive such a model.
In bioelectricity problems, the currents, capacitances,
and other electromagnetic elements are distributed in
the media, and a volume conductor model has to be
derived for Poisson’s equation in order to know how
the potentials are distributed. In these scenarios the
Green’s second identity is one of the most powerful
and elegant mathematical techniques available, it basically allows us to know the potential solution in the
whole space just by knowing the solution in one of the
boundaries.
BE
BU
VA
Pedro Antonio Gonzales Perez
Heart rhythm disorders like atrial fibrillation have serious consequences and increase the risk for stroke,
heart failure, and ultimately death. The standard test
to detect any arrhythmia is the electrocardiogram; anyway, for paroxysmal arrhythmias and infrequent episodes of syncope a long recording time is required.
Esophageal leads are a good candidate to measure
long-term signals, and could be the base of an implantable monitor. The anatomical relation of the esophagus with the left atria allows us to have a more detailed electrical activity of the heart’s atria. Lead
positioning and signal morphologies are still undergoing study, making a mathematical model of first necessity. Its predictions can save a lot of resources.
The aim of this work is to derive such a model and
make some predictions like the optimal lead configuration.
BI
Normal esophageal signals calculated at different dephts
ti.bfh.ch/book2014
The source model of electrocardiography was implemented by rewriting Ohm’s law with the help of the
previously sketched method. Boundary element method techniques are used to discretize the equations
and set up a transfer matrix relating the activity in the
heart with the potential on the different surfaces. The
codes to carry the calculations were generated in
MATLAB and the anatomical model and reference data
was exported from the ECGsim software.
Two cases where evaluated, a healthy young male and
a handpicked pathological case.
The healthy young male was used as a validation of
our technique in a real life scenario. The pathological
case was studied with the aim of proving if an ectopic
beat which can be difficult to detect on the surface
ECG can be unmasked and easily detected with an esophageal measurement.
Our calculations show that the highest peak-to-peak
atrial signal amplitude obtained with a bipolar lead
configuration in the esophagus is located in the 15 to
30 [mm] inter electrode distance range around a zero
line that can be defined by different criteria; like signal
steepness, amplitude, etc. Specific ectopic activity
was successfully identified on the esophageal channel.
User Interfaces for Automated Knee Rehabilitation
Supervisors: Prof. Dr. Agathe Koller, Prof. Dr. Kenneth Hunt
Institution: Institute for Laboratory Technology ILT, University of Applied Sciences Rapperswil
Examiners: Prof. Dr. Kenneth Hunt, Prof. Dr. Agathe Koller
The University of Applied Sciences Rapperswil, Switzerland developed a
robotic device to mobilize the patella (kneecap) called the Knee Rehabilitation Device (KRD). The most critical part of the KRD is the patella gripper
which is in direct contact with the patient. A measurement system has not
been implemented. As part of this thesis new patella grippers and a measurement system to measure patella deflection and the force to mobilize the
patella was developed.
Results
The knee is the biggest and most complex joint in the
body. Due to its complexity it is vulnerable to injuries
and diseases. Knee surgery and knee injury cause tissue injuries within and around the joint. These can
lead to scar tissue formation and tissue adhesions.
This is why the rehabilitation of the knee is a crucial
part in maintaining joint movement. The patella
(kneecap) is the small sesamoid bone in the front of
the knee articulating with the femur (thigh bone). Tissue adhesions usually occur around the patella. Therefore patellar mobilization as part of the rehabilitation
process of the knee is essential.
The patella grippers and the measurement system
were integrated into the existing prototype and tested. The force transmission of the new patella grippers
was superior to the previous grippers. The new patella
grippers were reported as very comfortable and they
could adapt easily to different sized and shaped patellas. Initial tests could be performed at the Medical
Center Bad Ragaz. But the measurement system could
not be tested with adequate methods to prove its precision. The realized 9V battery supply is not sufficient
as it lasts only for a few hours.
The University of Applied Sciences Rapperswil, Switzerland developed a robotic device to mobilize the
patella called the Knee Rehabilitation Device (KRD).
The most critical part of the KRD is the patella gripper
which is in direct contact with the patient. A measurement system has not been implemented yet.
The aim of this thesis was to develop new patella grippers and a measurement system to measure patella
deflection and the force to mobilize the patella during
therapy sessions.
Materials and Methods
VA
Discussion
BU
The patella grippers need to be tested with more
patients to ensure that the new design is suitable for
many patella sizes and shapes.
The measurement system needs to be revised as the
power supply is not secured. The circuit chosen for
the force sensor allows a current that is too high for
the force sensors. This must be changed before the
measurement system can be used for force measurement. Another concept to transmit force on the sensor
has to be considered as well.
BE
The measurement system consists of two foil potentiometers which measure the distance, two force sensitive resistors as force sensors, a microcontroller
board, a display and a switch to start the measurement. The sensor values are displayed on the display
and the data is written to a text file which can be selected for analysis if connected to a PC.
Newly developed patella grippers and newly developed measurement system installed on the KRD
BI
The new patella grippers consist of a metal base gripper connected by a screw joint to the KRD and a soft
material fixed on the metal gripper. The soft material
ensures a comfortable interface to the patient’s patella.
Constanze Hofmann
Introduction
53
ti.bfh.ch/book2014
Study of the Electrical Conductivity of Tissues
Supervisors: Dr. Pascal O. Gaggero, Dr. Stephan H. Böhm
Institution: Institute for Human Centered Engineering – BME Lab, Bern University of Applied Sciences
Examiners: Prof. Dr. Volker M. Koch, Dr. Stephan H. Böhm
54
The literature about conductive properties of biological tissues is very
controversial and large value differences are being found. The challenge
faced in present thesis was to master the measurement of impedance of
biological tissues within the electrical impedance tomography frequency
range. Moreover,in this work, we propose a possible surrogate for in-vivo
animal experiments based on the use of ventilated excised pig lungs
placed into a saline tank.
Anna Khimchenko
+41786829477
ported in the literature. Nevertheless, we observed
differences of 2% between the references and the
measurements for the liver two hours after death. In
the second part of this work, we were able to ventilate
excised lungs within a saline water tank. The lungs
exhibited the expected hysteresis curve in the impedance versus pressure plot, reported in Fig. 2.
Discussion
In this work, we developed a robust and well documented method to measure the specific impedance of
biological sample; the results correspond to the findings of similar studies. The differences could be explained by 1) the sample water content, 2) the sample
freshness (time degradation of the tissue after death),
3) the room temperature and 4) the localization of the
measurement spot. The developed experimental setup for ventilating excised pig lung shown promising
results. A similar set-up could potentially be used as a
surrogate for in-vivo animal studies or for the pre-clinical testing of EIT instruments.
Results
From the analytical and numerical analysis the minimal sample size, which satisfies the infinity assumption, is given by minimal width 16a, height 5a and
spacing between the sample’s border and the nearest
electrode 8a, where a is the inter-electrode spacing.
For liver, heart and lungs the specific impedance results are found in the same value range as the one re-
Fig. 1: EIT images of pig lungs placed into the EIT test tank
filled with a saline solution with 9 g/l NaCl. Pressures in the
trachea (a) 0 cmH2O, (b) 34 cmH2O, (c) 43 cmH2Oand (d)
144 cmH2O. The cross is the test pixel.
BI
BE
BU
VA
kvantachka@ya.ru
The impedance measurements were performed by an
impedance spectroscope HF2 from Zurich Instruments
(Zürich, Switzerland). Based on analytical and numerical analysis, we developed a dedicated measurement
probe. The measurement head of the probe was composed of a linear horizontal Wenner electrode array
with four gold-covered stainless-steel electrodes. The
measurement set-up was calibrated using saline solutions of various known molarity. The tissue samples,
from pigs, were acquired at a local slaughterhouse.
The fresh samples were examined between 1 and
14 hours after death. The imaging of the lung’s ventilation using the 32 active-electrode EIT system
«Pioneer Set» from Swisstom (Landquart, Switzerland) was realized within a saline water tank. The
lungs were kept open, even under water, by closing
the upper part of the tank with a tight cover, which
in some extend mimic the physiology of the thorax. In
this way, the lungs can be kept open and ventilated
with pressures in the physiological range.
ti.bfh.ch/book2014
Fig. 2: Impedance change of the pig lungs placed into the EIT
tank filled with a saline solution in function of the air pressure at the trachea. The impedance was taken from the pixel
marked by the cross on Fig. 1.
Simulation of Air-Guiding in a Respiration Therapy
Device
Supervisors: Prof. Bernard Schmutz, Damien Maurer, Diego Stutzer
Institution: Institute for Human Centered Engineering – BME Lab, Bern University of Applied Sciences
Examiners: Prof. Dr. Volker M. Koch, Prof. Bernard Schmutz
Respiratory therapy devices are used for patients suffering from lung disease with breathlessness. A state-of-the-art system has the disadvantage
that it can only be used in a horizontal position during the therapy. Furthermore, it is only possible to train at rest. The optimization includes on
the one hand the improvement of the gas mixture control and on the other
hand an included variable breathing resistance. This will allow a more
flexible respiratory therapy.
This master’s thesis supports the optimization of the
device in the area of breathing resistance. The final
goal is simulation and analysis of the air-guiding in
the optimized therapy system (Fig. 1a). The analysis
covers both the interaction of the different components and the mixing ratio of the gas-mixing module.
Also the ratio of pressure, volume flow and cross section is analyzed. The simulation of the air-guiding
through the device is done with the software Comsol
Multiphysics Version 4.3a. To become acquainted with
CFD simulations, the diaphragm according to the
standard EN ISO 5167-1 was simulated first. Furthermore, the diaphragm is a possible breathing resistance. The gained knowledge and experience was the
basics for the subsequent simulation, analysis and optimization of the therapy system.
Results
Birgit Lehretter
Discussion
The analysis of the air-guiding in the optimized therapy device model gave important information about the
interaction of the various components and the influence of diaphragm shape. This supported the project
in the design optimization. The graphical comparison
of results between simulations and initial experiments
shows a good match. But deviations occur since the
simulation does not take certain real effects into account (such as leakage, different inlet velocity profile
etc.).
Fig. 1
Fig. 2
a) CAD air-guiding model, b) Velocity magnitude and the vector plot of the velocity field done with Comsol
Pressure measurement with a) measuring tube, b) measuring
ring
ti.bfh.ch/book2014
BI
BE
BU
VA
The oval shape of the inlet pipe to the diaphragm
influences the mass flow distribution through the
openings of the diaphragm. Therefore, also the streamwise orientation of the openings plays an important
role: The orientation influence the dissipated power
over the system. The influence can be even around
20%. The examination in the field of static pressure
measurements shows that the difference in the measured pressure between the measuring tube (Fig. 2a)
and the measuring ring (Fig. 2b) simulated at a positive volume flow is in the range of 0.2%. The advantage of the measuring ring is the homogenous pressure
distribution in the ring. The complicated cleaning of
the ring supply channels is a disadvantage. Problems
occurred with the gas-mixing module: it was not possible to simulate the mixing ratio. With this model, the
limitation of the k-epsilon turbulence model of Comsol
was reached. Also the turbulence model k-omega
seemed not very suitable for solving these problems.
55
Complex Principal Component Analysis
on Near Infrared Spectroscopy Data
Supervisors: Dr. Christian Rummel, Prof. Dr. Josef Götte
Institutions: Support Center for Advanced Neuroimaging (SCAN), Institute of Diagnostic and Interventional Neuroradiology, Inselspital Bern ı Institute for Human
Centered Engineering – microlab, Bern University of Applied Sciences
Examiners: Prof. Dr. Josef Götte, Dr. Christian Rummel
56
In order to reduce brain cell damage, during adverse events like stroke
or carotid artery disease, monitoring of brain oxygenation has an
important role. In addition, in healthy subjects and patients, it allows
acquiring knowledge about brain activities.
Near infrared spectroscopy (fNIRS) is a portable, non-invasive,rather
low cost, few constrain and safe tool that can be used for continuous
assessment of brain hemodynamics.
Contamination of the brain hemodynamic signal by
scalp or systemic hemodynamic signal and systemic
signals has been reported as a major problem of the
NIRS technology. The aim of present study was quantitative evaluation of NIRS signals measured on the
scalp in order to reconstruct brain and scalp oxygenation signals from mixture of multiple sources.
In order to simulate the oxy- and deoxyhemoglobin
hemodynamic response to blood flow changes,
Buxton’s balloon model was used [1]. For quantification of the absorption changes of near infrared
light in brain and scalp tissue, a method using multi
distance optode (30 mm and 42 mm) of continuous
wave near infrared spectroscopy (CW-NIRS) was used.
Data was collected using the FORIE -3000 system
(SHIMADZU, Japan) and principal component (PCA)
was used. It was assumed that both scalp and brain
signals are linearly combined with multiple signal
sources. Furthermore, it was assumed that partial optical path length of scalp layer does not change whereas partial optical path length of brain tissue layer
linearly increases with source detector (S-D) distance.
The capability of source separation was examined.
Changes of oxy- and deoxyhemoglobin are not independent. To account for the mutual influence, oxy- and
deoxyhemoglobin were interpreted as real and imaginary part of a complex signal. Thus, complex independent component analysis (cICA) was employed
with
a technique introduced by Funane et al [2]. Using real
valued ICA was generalized to complex calculus.
BI
BE
BU
VA
Hanieh Mohammadi
ti.bfh.ch/book2014
Results
Results showed that using PCA, is not always possible
to reconstruct brain and scalp signal. In contrast using
real valued ICA level of accuracy can be achieved.
Highest level of accuracy can be obtained using cICA.
Discussion
We proposed a new method for quantitative separation of the brain and scalp tissue contribution on
CW-fNIRS, using dependence of complex independent
component’s weight on S-D distance. This is a robust
method since drastical level of data enhancement
based on using mutual information was used.
Foot-Stimulation Module (FSM) for a Robotic
Tilt-Table
Supervisors: Prof. Dr. Kenneth James Hunt, Silvio Nussbaumer
Institutions: Institute for Rehabilitation and Performance Technology, Bern University of Applied Sciences ı Hocoma AG
Examiners: Prof. Dr. Kenneth J. Hunt, Prof. Tobias Nef
The aim of this master thesis was to develop a new vibration therapy
device to modify the existing tilt-table Erigo. This foot-stimulation module
has the possibility to stimulate various foot zones at different times.
Applied mechanical vibrations are strong enough to activate the human
body. The developed device is a promising addition to the robotic tilt-table.
Firstly, a research phase was undertaken to evaluate
the technical state of the art concerning vibration
devices as well as the physiological background. The
knowledge of the technical, as well as the physiologi-
cal requirements provided the possibility to combine
these two fields. This phase concluded with a design
proposal. The design process during the second phase
was marked by the evaluation of various actuator
systems. After a decision on the basic principle was
made, three different stages of functional prototypes
were built. These prototypes were based on the results of the prior prototype. The final stage was concerned with an analysis of the produced vibration and
the modification of the latest prototype.
Michael Muster
Results
The research phase showed that variable vibration intensities are more beneficial than permanent vibrations. Due to this finding, a novel vibration device was
developed which, despite its compact size, can stimulate three different foot zones. The quantification of
vibration showed that the oscillations move in all directions and varied strongly with respect to frequency
and amplitude.
Discussion
FSM is combined with the Erigo to stimulate different
foot zones depending on the actual leg position.
The individual parts of the developed FSM with the foot
shells, control box and laptop.
ti.bfh.ch/book2014
BI
BE
BU
A foot stimulation module was developed, which can
stimulate various foot zones in accordance with different positions of the leg. Tests showed that there are
physical limits for the FSP which cannot be changed
easily. Applied mechanical vibrations are powerful
enough to stimulate the human body strongly. The developed device is a promising addition to the Erigo.
Physiological and clinical studies are planned for the
near future.
Robotics-assisted tilt-table technology has recently
been introduced in the field of neurological rehabilitation. This is applied to patients with a variety of
impairments including stroke and spinal cord injury.
The Erigo system (Hocoma AG) is a leading product in
the market. Erigo is a tilt-table with two actuators
which move the legs in a cyclical gait-like pattern. It
has been shown that an adequate stimulation during
the cyclic movement of the lower limbs activates the
relevant sensory-motor areas in the brain. This is very
important for the restoration of functional capacity
after neurological injury or disease. Therefore, it has
been hypothesised that an additional foot-sole vibration module for the Erigo can activate further sensorymotor areas.
VA
Introduction
57
Quantifying Myopic Changes with OCT
Supervisors: Prof. Christoph Meier, Dr. Boris Považay
Institutions: Institute for Human Centered Engineering – optoLab, Bern University of Applied Sciences ı ARTORG Center for Biomedical Engineering
Research, University of Bern
Examiners: Prof. Christoph Meier, PD Dr. Jens Kowal
58
Deeper insight into dynamic changes of retinal and ocular microstructures
during natural eye growth can support the development of new preventive
treatments for myopia. In the scope of this thesis, a commercial optical coherence tomography system (OCT) was extended with second wavelength
band at 1075nm which allows for detailed imaging of layers beneath the
retinal pigment epithelium (RPE) such as the choroid (CH) and the sclera.
Motivation
Myopia is a long known but wide-spread disorder
characterized by an imbalance of optical power and
axial eye length. Causes are found in genetic predisposition and altered behavior, such as increased nearwork. Optical coherence tomography, with its ability
to acquire fast, in vivo retinal cross-sectional images,
is an almost ideal detection method to characterize
dynamic ocular changes.
Method
To benefit from the sophisticated eye-tracking device
of the commercial system, synchronized frame acquisition has been implemented. In corporation with the
manufacturer (Heidelberg Engineering) hard- and
software synchronization between the individual components was developed. Real-time protocol communication allows for scan parameter and mode exchange.
For patient specific correction of axial blur, a dispersion finder has been implemented for high speed processing on a GPU (graphic processing unit). It evaluates an entropy based sharpness measure on a region
of interest and uses grid search to optimize dispersion.
Results
System synchronization has been shown on several
patient examinations and reduces handling complexity which allows to use the system for extensive
clinical trials. Evaluation of the registration method
by different sharpness measures (entropy, image
acutance) showed good performance for similarity
models. Registration quality is underlined by the high
resolution of the averaged scan in Fig. 1. a) with
dispersion corrected for up to the 6th order. The indicated region of interest is shown without correction
of the dispersive spreading in b) and for correction up
to 6th order in c). Increasing dispersion order (e.g.
from 2 to 6) showed better separation of adjacent
peaks (e.g. Bruch’s membrane (BM) and choriocapillaris (CC) from the retinal pigment epithelium (RPE)).
Registration for a 1024 500 pixel frame computes in
0.5s on a standard machine (CPU-i5-2400).
Multi-frame averaging is used to increase signal
to noise ratio (SNR) in the OCT-scans. This requires
precise correction of motion distortion between
consecutive frames. An intensity-based registration
frame-work has been implemented to correct for simi-
BI
BE
BU
VA
Michael Peyer
larity- and affine motion models. The optimization is
based on a variation of a steepest descent method
combined with an image pyramid for multi-resolution
registration. An additional phase correlation based initialization is used to further reduce failure rate.
Fig. 1: 1075nm OCT-scan with synchronized acquisition, dispersion finder and image averaging (100 frames).
ti.bfh.ch/book2014
Model-Based Iterative Reconstruction
Supervisor: Dr. Tobias Kober
Institutions: Advanced Clinical Imaging Technology, Siemens Switzerland, Siemens-CIBM ı Ecole Polytechnique Federale de Lausanne
Examiners: Prof. Dr. Volker M. Koch, Dr. Tobias Kober
Currently, MR images are mostly evaluated qualitatively, i.e. by using
the relative intensity differences between pathological and healthy tissue.
In spite of the huge success of MRI in the last decades, this approach is
not optimal in terms of image comparability and traceability. Instead, one
could measure the underlying physical properties which generate the
contrast differences, having the advantage of directly measuring «hard»
physical parameters which are better comparable.
Results
However, corresponding parameter mapping acquisition techniques are typically very long, impeding their
clinical application. The goal of this project was to
overcome this limitation by using an iterative reconstruction approach which allows high data undersampling and thus drastically reduces the acquisition
time. The a-priori information used for the image reconstruction is a model of the signal behaviour, in the
present case of the longitudinal relaxation. Using this
knowledge and an iterative reconstruction approach
allows for high under-sampling of the data and thus to
speed up the acquisition.
A T1 relaxation model was developed, optimized and
implemented in the reconstruction framework. Using
acquired phantom and in-vivo data, it was found that
randomly distributed sampling patterns yield the best
reconstruction results. Furthermore, optimal acquisition parameters were deduced. Obtained in-vivo
T1 maps were compared to a reference mapping technique (MP2RAGE). It has been shown that, by applying
iterative reconstruction techniques and exploiting
recent progress in mathematical methods, it is possible to sample the MR signal below the Nyquist limit
while retaining good image quality. In conclusion, it
was found that clinically usable T1 maps can be obtained with up to 4-fold acceleration (see Fig. 2). This
reduces the typical, non-accelerated acquisition time
of 12 minutes to only 3 minutes.
Realization
Fig. 2 T1 maps reconstructed from in-vivo measurements are
shown for different acceleration factors.
BI
Fig. 1 Illustration of the model-based iterative reconstruction
algorithm.
BE
BU
VA
An existing iterative reconstruction framework for
T2 mapping was extended to allow for T1 quantification (see Fig. 1). A mono-exponential signal model,
which serves as a-priori information, was developed
and evaluated by phantom and in-vivo measurements.
A numerical phantom was used to optimize the employed MR sequence parameters, i.e. the number of
samples on the T1 relaxation curve required and the
different sampling patterns. Furthermore, by using
in-vivo measurements, the performance of the algorithm for different sampling schemes was tested and
practical limits were investigated. All implementation
was performed in Matlab (The Mathworks Inc., MA,
USA).
Michael Rieger
Background
59
ti.bfh.ch/book2014
Design of a Haptic Device Mimicking Index Finger
Abduction Force
Supervisors: Prof. Dr. Nicole Wenderoth, Prof. Dr. Roger Gassert
Institutions: Neural Control of Movement Lab, ETH Zurich ı Rehabilitation Engineering Lab, ETH Zurich
Examiners: Prof. Dr. Josef Götte, Prof. Dr. Nicole Wenderoth
60
Passive methods like Movement observation and motor imagery could
serve as add-ons for motor training especially in early days after injury or
during the resting periods between conventional rehabilitation therapy
sessions. But the effectiveness of these passive methods has not been
proven conclusively. The idea of the device is to apply forces by an actuator as a passive somatosensory input and see if it could have an effect on
motor training.
The first prototype was designed to measure index
finger abduction forces in the context of the envisioned sensorimotor task. With this abduction force
application we wanted to determine some of the important aspects of human physiology like maximum
frequency of force control and maximum rate of
change of force. These aspects will be necessary for
selecting an actuator in the future.
Pilot trials were done with one subject with the experimental set up shown in Figure 1. Force sensor was
mounted on the device and specific visual feedback
was designed in LabVIEW. The aim was to reach target
forces which were 20%, 30% and 40% of the Maximum index finger abduction force at 0.5 Hz, 1 Hz,
1.5 Hz and 2 Hz frequencies. Error would occur if the
subject could not reach the target force at a given frequency. Error % and force velocity profile (rate of
change of force) were calculated for each frequency
Results
The upper limit for tolerable error percentage was
kept at 80%. This limit was reached at 1.5 Hz trial. So
1.5 Hz could be the maximum frequency for index fin-
BE
BU
VA
Ishan Shah
BI
Figure 1: (A) 1st prototype design (B) Experimental setup (C)
Visual feedback in LabVIEW
ti.bfh.ch
ger abduction force in context of our experiments. The
force velocity profile was calculated at this frequency
as rate of change of force would be the highest considering our upper limit. The maximum rate of change of
force was 48.437 N/second.
Discussion
Maximum frequency of 1.5 Hz and maximum force
changing rate of 48.473 would be considered to select
the actuator in the future. Trials with more subjects
will be done to get rid of some inconsistencies in the
results shown in Figure 2 (B).
References
K. Rosenkranz and J. C. Rothwell, “Modulation of proprioceptive integration in the motor cortex shapes
human motor learning.”, The Journal of neuroscience?:
the official journal of the Society for Neuroscience,
vol. 32, no. 26, pp. 9000–6, Jun. 2012.
Novel Tool for the Assessment of Bone specific
mechanical properties while Inserting BoneScrews
Supervisors: Felix Wipf, Dr. Stefano Brianza, Prof. Daniel Debrunner, Prof. Dr. Andreas Stahel
Institutions: R&D Biomechanics, Stryker Trauma ı Institute for Human Centered Engineering – Science Lab, Bern University of Applied Sciences
Examiners: Prof. Daniel Debrunner, Prof. Dr. Andreas Stahel
Annually, millions of bone screws are used for treatment of bone fractures.
Mostly, functionality evaluation of bone screws is done by the bone simulation materials. This delivers more consistent results than testing in real
bone; however it can result in different absolute values as if performed in
real bone. Thus, a novel sterilizable, portable device, in order to measure
insertion torque and axial force while inserting bone screws in human
bone (Cadaver Lab) is developed.
Material and Methods
Results
The aim of this project was to develop a portable,
sterilizable device that can be used for measuring the
insertion torque and applied axial force of a wide
range of bone screws during the screw insertion in the
cadaver lab. The design is divided in three parts:
screwdriver handle, measurement part and the screw
driver blade. In order to protect the measurement part
of the device from the contamination, a capsule made
of composite is designed around this part and the data
acquisition is done wireless. The calibration of first
prototype and experimental test by it on the bone simulation material and animal bone are done.
The uncertainty of ±0.035N.m for measuring insertion
torque (measuring range 0.1-5.1N.m) and ±1.793N for
measuring applied axial force (measuring range
1-200N) for the confidence interval of 95% are
achieved by the calibration procedure. All the principal requirements of the device are met. Two different
sizes of ISO standard Stryker cortex bone screws are
inserted by the device in a porcine femur and bone
simulation material and the insertion torque and axial
force are recorded and monitored real-time wireless.
61
Javad Shamsollahi
Further bone screw insertions by the device in bone
simulation materials, animal bones and particularly
human bones (Cadaver experiments) are needed for a
sophisticated evaluation.
BU
VA
The assessment of the local bone quality may be performed by measuring the insertion torque. For this
purpose, functionality of the real-time measuring of
the bone screw insertion depth can be added to the
device which would allow for a more detailed assessment of local bone quality.
Discussion
BE
Monitoring the measured a) insertion torque and b) axial force
during inserting bone screw (Stryker, Standard ISO cortex,
Ø4.5 50mm stainless steel screw) in a porcine femur
BI
a) First prototype, b) Experimental test on a porcine femur
ti.bfh.ch/book2014
Low Latency Video Processing System based on
FPGA and DSP
Supervisor: PD Dr. Jens H. Kowal
Institution: Ophtalmic Technology Lab, ARTORG Center, University of Bern
Examiners: Prof. Dr. Marcel Jacomet, PD Dr. Jens H. Kowal
62
Cameras are widely used in today’s health care. They showed up first in
clinics in 1896 with the first clinical x-ray, and have nowadays established
their position in the daily business with countless computer tomography
devices, video endoscopes and various documentary applications. The
number of publications related to “medical imaging” has increased fourfold in the last 30 years.
With diversity comes divergence. The choice of a modern digital camera means, besides sensor and optics,
choosing an interface. Firewire (1394), USB 2.0 or
3.0, Gigabit Ethernet or Camera Link are just the available physical connections to a camera, not taking into
account the built-on protocols. Having chosen one
type of camera in the past, the threshold is raised to
go for another type in the future, it would require,
amongst others, additional cables, computer interface
cards and software.
An abstraction layer is provided between the image
processing algorithm and the camera access. A Field
Programmable Gate Array (FPGA) is capable of reading data from cameras with different interfaces and
provides it to two Digital Signal Processors (DSP) for
further processing. In addition, three general purpose
input/output ports are available; two of them might be
used as analogue outputs. This is all combined in an
embedded platform.
The OCT application, to which this thesis contributed,
has well evolved. The results of first tests with the
whole system are comparable to the existing devices.
Further development should improve the delivery optics and the transmission speed of the processed data
to a host computer. The Ethernet camera control is
less advanced. The proof of concept for very small
frames has been done; but the transmission of larger
images breaks down for a yet unknown reason. An architectural decision has to be taken prior to further
development.
Two use cases have been defined as guide lines for
the development. These are a high-speed low-cost
Optical Coherence Tomography (OCT) device and a
general purpose Gigabit Ethernet camera.
OCT Bscan of a glass plate with scotch tape layers on top. The
three layers are clearly distinguishable.
BU
VA
The system overview shows the main components. The FPGA
acts as a pivot and manages different interfaces.
BI
BE
Line rates of up to 40.193kAscans/s have been obtained for the OCT device; this is 98.94% of the available internal transmission bandwidth. The latencies
vary from 25μs for integration times tint smaller than
40μs to 96μs for tint larger than 80μs. Ethernet frame
latencies are 280μs, therefore the quota of frame size
and exposure time is much more considerable regarding frame rates.
Discussion
Kaspar Steiner
kaspar.steiner@xks.ch
Results
ti.bfh.ch/book2014
Motion Artefacts Correction in Optical Coherence
Tomography Volumes based on Scan Patterns
Supervisor: Prof. Christoph Meier
Institution: Institute for Human Centered Engineering – optoLab, Bern University of Applied Sciences
Examiners: PD Dr. Jens H. Kowal, Dr. Boris Považay
Optical coherence tomography is an imaging technology providing cross
sectional images of the retina, however, one of the major problems are
motion artifacts. Several hardware and software based motion trackers
were developed to overcome this problem, whereby hardware based
trackers require additional imaging modalities resulting in higher costs.
Therefore, a software based method was developed. Tests on artificial
data showed a possible tracking accuracy of approx. 35mum.
divided into an image acquisition, a vessel segmenting and a vessel matching task.
In order to generate the desired reference scans and
a map of the ONH, a simple retinal scanner was developed and an existing OCT processing LabView software was extended to create the desired scan pattern
and save the acquired scans. The vessels of the reference scans were segmented and had to be matched
to the corresponding fundus vessels in the map. Aligning the OCT vessels to the fundus vessels and minimizing the distance between them was achieved with
an expectation maximization algorithm «H. Zhu et al.,
Medical Imaging, IEEE Transactions on, vol. 30,
no. 6, pp. 1228–1238, 2011». The algorithm estimates
the probabilities if an OCT vessel belongs to a fundus
vessel and minimizes the distances between corresponding vessels according to the previously calculated
probabilities.
The idea of the proposed method is to scan a retinal
region containing strong features like the vessels
around the optical nerve head (ONH) followed by
scanning the region of interest. The absolute position
of the acquired scans can then be estimated by segmenting the vessels from the reference scan and
matching them to a previously acquired map of the
ONH. The whole vessel matching process can be
Results
The algorithm was implemented in Matlab and tested
on artificial data and OCT scans from healthy subjects. Simulations with artificial data demonstrated
a theoretical B-scan aligning accuracy of +/–15μm in
x and y direction if the OCT vessels are segmented
with an accuracy of +/– 7μm and no axial movement
occurs. The patient data was assessed by measuring
the normalized cross correlation of B-scans that
were assumed to originate from the same position.
Adjacent B-scans showed correlation values of >0.7.
Dominik Täschler
Optical coherence tomography (OCT) is an imaging
technology providing high resolution, cross sectional
images of the human retina, however, one of the major
problems in retinal OCT imaging are motion artifacts
caused by heart beating, breathing and eye motion.
In recent years, several hardware and software based
motion trackers were developed to overcome this
problem. Hardware based trackers require additional
imaging modalities resulting in higher costs whereas
software based methods use the acquired image to
correct for motion. Recently published software based
methods require multiple volume scans for motion
detection «M. F. Kraus et. al., Biomedical optics express, vol. 3, no. 6, pp. 1182-1199, 2012». The aim
of this thesis is to develop a simple software based
method which detects motion on a B-scan basis.
VA
Introduction
63
ti.bfh.ch/book2014
BE
BI
The red circle denotes the reference scan around the ONH and
the green line the region of interest.
Results show that with the proposed algorithm tracking of OCT scans can be achieved without the
need for additional complex and expensive hardware.
However, results demonstrate an accuracy which is
approximately three times lower then state of the
art hardware based motion tracker. The results from
living subjects only showed sufficient correlation
when acquired consecutively. The reason for this can
be inaccurate vessel segmentation but also axial
movement of the eye during acquisition.
BU
Discussion
Interictal epileptic activity and its impact
on driving ability
Supervisors: PD Dr. Arto Nirkko, Dr. Heinz Krestel
Institution: Universitätsklinik für Neurologie, Universität Bern
Examiners: Prof. Dr. Josef Götte, PD Dr. Arto Nirkko
64
Epilepsy is a common disease affecting ~ 3% of the population in the
course of life. Due to seizures while driving, epilepsy patients have a higher risk of traffic accidents. Interictal epileptic activity (IEA) is not defined
as an overt seizure and is not realized by patients but can be observed in
the electroencephalogram (EEG). Typically IEA lasts only a few seconds
and can lead to transient cognitive impairment, but its impact on driving
is unclear [1, 2].
Introduction
In the developed device named “iRT” (Fig. 1A), a single-board computer running Linux (Raspberry Pi), acquires EEG data in real time through a serial port from
an amplifier (Trackit). Each channel is automatically
processed by the own developed IEA detection software. Upon detection of IEA, a trigger is sent to the
driving simulator, resulting in the display of a stop
sign in front of the patient (Fig. 1B). The stop sign can
also be manually triggered during normal EEG to obtain reference RTs without IEA. A RGB-color sensor
(Fig. 1C) measures the reflected light from a selected
area of the screen. The RGB signals are processed by
software on a microcontroller to detect the on-screen
stop sign. Together with the brake signal, this yields
the effective RT (eRT).
Results
Measurements were done to assess: a) the internal
timing of the developed system, which used 5.4 ms
for sampling and filtering the stop sign signal, and
520 us for registration of the braking signal; b) to assess the delays of several digital systems, including
the driving simulator which showed a median latency
between stop sign triggering and on-screen display
of 234 ms (range: 189–611 ms; Fig. 1D); c) to assess
the feasibility of IEA detection and determination of
eRT in 6 healthy subjects and one patient with epilepsy: the average reaction times of controls were 871.4
±20.2 ms. Reaction times of the patient were 846.7
±123.9 ms (n = 38) during normal EEG and were prolonged by 113 ms (p = 0.004) to 960.4 ± 126.1 ms
during IEA (n = 16).
Discussion and Conclusion
The developed iRT system allowed automatic IEA detection. The digital delays between triggering and onscreen display have been measured for various digital
systems including the driving simulator. The driving
simulator latencies and variability (189 – 611 ms) are
large. For the first time, IEA detection and reliable
measurements of effective RTs are possible.
BU
VA
Andreas von Allmen
IEA can be investigated by measuring reaction times
(RT). To achieve this, 1) IEA has to be detected in real
time, so that the stimulus can be delivered to the patient during the short period of IEA. This is normally
done by visual analysis, but the need for real time
requires development of automatic IEA detection.
2) The time when the stimulus is visible on the screen
and can effectively be seen by the patient has to be
known, but the digital device cascade between trigger
and effective display on the screen has unknown and
variable cumulative latencies, so that the effective appearance of the stimulus on the screen has to be actually measured. 3) The time of the braking response of
the patient hast to be determined. This thesis aimed
at solving these problems.
References
BI
BE
[1] Krestel H et al. Epilepsia 2011;52:126-129.
[2] Yang L et al. Epilepsy Behav 2010;18:238–246.
Fig. 1: Reaction time measurement units. A) iRT unit (Raspberry Pi & microcontroller). B) Foerst driving simulator with
EEG registration (*, Trackit; arrow, sensor unit). C) Sensor
unit. D) Latency between stop sign triggering and registration.
ti.bfh.ch/book2014
Development of a Sunlight-Powered Cardiac Pacemaker
Supervisors: Dr. med. Andreas Häberlin, Thomas Niederhauser MSc BME
Institutions: ARTORG Cardiovascular Engineering, University of Bern ı Department of Cardiology, Inselspital Bern ı Photovoltaic Laboratory, Bern University of Applied
Sciences ı Institute for Human Centered Engineering – microlab, Bern University of Applied Sciences
Examiners: Prof. Dr. Josef Götte, Prof. Dr. med. Rolf Vogel
Today, the lifetime of an implantable cardiac pacemaker is primarily limited by the battery. A contemporary cardiac pacemaker needs to be replaced
after approximately 10 years. This exposes the patient to an increased risk
of medical complications (e. g. infections, bleedings) and also increases
health costs due to multiple surgical interventions.
Results and discussions
To allow an implantable device autonomously working
over long term and avoid repeated device replacements, intracorporeal energy harvesting systems are
desired. Sunlight is a virtually unlimited ubiquitous
energy source and partially penetrates the skin. This
means, that some of the sun’s energy may be harvested and converted into electrical energy by subcutaneously implanted photovoltaics cells.
The solar module was finally composed of three photovoltaics cells in series with an efficency of 22% and a
total area of 3.5cm2. Its output power reaches aroud
20mW under optimal sunlight conditions (1’000 W/m2)
under 3.5 mm of skin. The power consumption was estimated to be 23.7 μW. Thus, per month, 61.43J are
needed. The energy management system was based on
a dedicated chip, which allows to harvest more than
80% of the available power provided by the solar module under the skin. A Li-Ion battery dedicated for medical implants was selected in agreement with previous
results.
The simulation showed, that the energy harvested
during 30 minutes each day in ambient sunlight during wintertime in Bern (80 W/m2) is sufficient to harvest an average of 69J during the whole month.
Finally, two fully integrated pacemaker prototypes
were designed and built to be implanted in vivo in a
domestic pig. The first prototype was powered with
a capacitor to allow implanting without stored energy
(the capacitor can be emptied with a magnet). The
second prototype was powered by a Lithium-Polymer
battery of 9 mAh. Both prototypes were implanted
and successfully paced after irradiation.
Sébastien Walpen
Block diagram sunlight-powered cardiac pacemaker
Fully integrated sunlight-powered cardiac pacemaker
ti.bfh.ch/book2014
BI
BE
BU
VA
The aim of this project was the development of a sunlight-powered cardiac pacemaker which is made out of
a photovoltaic module, an energy management system, a storage element and finally a pacing circuit.
First, different solar cells were compared theoretically
and experimentally. Then, the energy management
system was designed according to the choice of photovoltaic cells. The pacing circuit was devloped to be a
SOO pacemaker. Afterwards an storage element was
selected to supply the system during one month without energy harvesting. A mathematical simulation
based on meteorological data was done to calculate
the harvestable energy in function of lifestyle. Finally
prototypes were build in order to implant them and
validate the system in vivo.
Introduction
65
Integration of quantitative EEG analysis into clinical
workup of epilepsy surgery candidates
Supervisor: Dr. Christian Rummel
Institutions: Support Center for Advanced Neuroimaging (SCAN) ı Institute of Diagnostic and Interventional Neuroradiology, Inselspital Bern
Examiner: Prof. Dr. Volker M. Koch
66
In clinical evaluation of electroencephalographic signals (EEG) visual
analysis by clinical experts remains the gold standard. To assist observers, different quantitative EEG (qEEG) analysis methods were developed
which offer more objective criteria for assessment. To integrate qEEG methods into clinical routine a MATLAB toolbox qEEGsuite was developed
which gives clinical experts with limited or even without programming
skills access to different qEEG algorithms.
Master Thesis Proposal
In the last 20 years different quantitative EEG (qEEG)
analysis methods were developed to assist clinical
experts by the visual analysis of EEG signals. qEEG
analysis methods offer more objective criteria for
assessment and may indicate subtle signal changes.
The present master thesis provides a tool to integrate
qEEG methods into clinical routine workup of candidates for epilepsy surgery. In the thesis proposal it
was requested to assort algorithms that highlight
complementary diagnostic information in a routine
way. The aim is to maximise the added value of qEEG
and promote the acceptance of these modern methods
by clinicians.
Examples are high frequency components, signal
interactions, nonlinear properties or driver- responder
relationships. With regard to the EEG of epilepsy patients, two key applications of qEEG analysis methods
are early detection or even prediction of seizures
and the localisation of ictogenic tissue, which can be
targeted by epilepsy surgery.
Although qEEG is more objective and often more sensitive than visual EEG analysis, it is still only little
used in clinical routine. The reason is that current
qEEG tools require profound programming skills,
which only few clinical experts have.
Results
EEGLAB is an interactive MATLAB toolbox for processing continuous and event-related EEG, which is widely
spread among clinical experts. To be able to benefit
from the full functionality of EEGLAB, an add-on for
this toolbox was developed in the present master thesis, which was called «qEEGsuite». It gives clinical experts with limited or even without programming skills
access to different qEEG algorithms. qEEG results are
always displayed together with the raw data, clinicians are familiar with. For advanced programmers
qEEGsuite provides a structure that allows straight
forward inclusion of additional algorithms. qEEGsuite
is developed in an object oriented structure to allow
straightforward enhancement.
Discussion
After a literature research a concept of the program
was built. In expert interviews this concept was refined, to develop the program afterwards. The program qEEGsuite defines a base to create new qEEG
methods. After a test phase in a selected board the
program can be published and further augmented.
VA
Manuel Weibel
Introduction
BU
References
BI
BE
The scroll plot shows on the left side a peri-ictal EEG signal.
On the right side the absolute slop of the EEG
ti.bfh.ch/book2014
C. Rummel, R. G. Andrzejak, and K. Schindler.
Quantitative analysis of peri-ictal multi-channel EEG.
Epileptologie 2012, 29:99113, 2012.
Développement d’un banc moteur pas à pas
Domaine spécialisé: Mécatronique
Chargé: Prof. Jean-François Urwyler
Experts: Domizia Belladelli (Centro Professionale Biasca), Joël Niklaus (Sonceboz SA)
Partenaire du projet: Johnson Electric Switzerland AG, Murten
68
Les moteurs pas à pas à aimant permanent sont utilisés lorsque la précision et la fiabilité sont nécessaires. Ils sont compacts et légers. La position
du rotor peut être commandée par un microcontrôleur pour se déplacer et
se maintenir dans un état précis. L’entreprise Johnson Electric International AG souhaite développer un système de caractérisation de leurs moteurs
pour optimiser leur régulation ainsi qu’offrir une meilleure supervision
des processus de fabrication.
Ce travail se base sur deux études précédemment effectuées. La première concerne les moteurs électriques à courant continu, elle sert de base pour la structure de caractérisation. La seconde est une étude de
la régulation en boucle fermée des moteurs pas à pas
biphasés, réalisée en interne par Johnson Electric
dans le cadre d’un master.
Vincent Bergaud
+41 79 350 53 91
Selon les préférences de Johnson Electric, la plateforme LabView a été choisie comme logiciel de traitement de signaux. Ce logiciel pouvant aussi gérer la
génération de signaux, nous avons complètement intégré la commande et le post-processing au logiciel, réduisant ainsi le nombre de composants externes. Tous
les calculs sont donc effectués par un ordinateur sur
une interface graphique ergonomique.
Au final, ce système sera capable de donner des informations précises sur les caractéristiques des moteurs
pas à pas qui seront testés, ce qui permettra de cibler
des plages de fonctionnements optimales.
Maximilien Lambert
+41 78 671 85 91
BU
VA
vincentb@mabox.ch
Le premier point du travail consiste à déterminer la
gestion et le contrôle de la rotation d’un moteur pas à
pas. Pour parvenir à ce résultat, il faut générer deux
signaux déphasés puis les amplifier avant de les envoyer au moteur. Le choix des signaux influe sur la
réponse du rotor, de cette manière un signal carré
implique une rotation saccadée tandis qu’un signal
parfaitement sinusoïdal permet une remarquable fluidité dans la succession des pas. Cependant, l’avantage
d’une commande dite binaire est de connaître l’angle
parcouru par le rotor pour un séquençage défini. Dans
le cas d’une sinusoïde, les pas ne sont plus réellement
déterminables donc il faut implémenter un système de
retour d’information de position du moteur.
La seconde phase du projet concerne l’acquisition de
données sur le système de test. Ici le but est de mesurer différents points précis du circuit électrique, placé
en amont du moteur pas à pas, pour ensuite pouvoir
les traiter. Le traitement des valeurs acquises dépend
fortement de la modélisation de l’ensemble du moteur, car de nombreux paramètres sont à prendre en
compte et la plupart d’entre eux s’influencent mutuellement.
BI
BE
Moteur pas à pas
ti.bfh.ch/book2014
Comportement d’une bobine à air
Mobile Crash-Test, communication et direction
Domaine spécialisé: Technique automobile
Partenaire du projet: DTC Dynamic Test Center AG, Vauffelin
La visibilité est une des clés de la réussite d’une entreprise. Dans le but de
présenter son travail au grand public, l’entreprise Dynamic Test Center AG
a mandaté deux groupes pour le développement d’un système de commande à distance pour véhicule automobile afin de réaliser des crash-tests
en dehors de leur installation. Ce mandat est décomposé en quatre parties:
commande, direction, accélération et freinage. Ce travail concerne la commande et la direction.
Réaliser un crash-test automobile nécessite des installations complexes ainsi qu’une longue préparation.
Ces contraintes ne permettent pas de réaliser ces
tests en dehors du site de Vauffelin. Utiliser les systèmes d’entraînement, de freinage et de direction du
véhicule permet de s’affranchir de cette limite.
Commande
Réaliser de tels crash-tests avec un véhicule sans
conducteur en présence d’un public s’avère risqué.
Pour garantir la sécurité, les voies de communication
ont été doublées et chacune permet d’ordonner le
freinage du véhicule. La logique de fonctionnement
«fail safe» des deux commandes garantit l’activation
d’un freinage d’urgence en cas de perte de signal ou
de dysfonctionnement des systèmes.
Le circuit électronique présent dans le véhicule est
équipé d’un microcontrôleur qui a pour tâche principale la surveillance du bon fonctionnement de l’ensemble des systèmes. Il se doit également de gérer les
communications entre le système et l’opérateur par
l’intermédiaire du module sans fil et de traiter les
trames de données provenant d’un module GPS permettant d’acquérir la position et la vitesse du véhicule.
Gilles Borcard
gilles.borcard@gmail.com
Actionneur de direction
Ce système possède des exigences comme la possibilité de tourner le volant sur une plage de plus ou
moins 30° avec une vitesse angulaire de 100°/s. En
outre, un mannequin de test démonté au niveau du
bassin doit être présent et le déploiement de l’airbag
ne doit pas être entravé. La solution retenue est celle
d’un système de bielle actionné par un moteur à courant continu contrôlé en position. Une tige filetée relie
le levier du système à la face arrière de la couronne
du volant. Le système est installé au niveau du plancher du passager avant. Il dispose de nombreux réglages permettant de l’adapter aux différentes hauteurs et inclinaisons de volant.
Yann Furrer
yannfurrer@bluewin.ch
BI
BE
BU
VA
Le système de commande à distance se compose
d’une télécommande 2.4 GHz permettant de transmettre les commandes pour l’accélérateur, le frein et
la direction. Un deuxième système sans fil permet à
un opérateur d’assister le conducteur en procurant à
ce dernier un retour d’information. Il s’agit d’un module de communication sans fil relié à un ordinateur
portable qui, par un logiciel programmé en C#, permet
de visualiser l’état et les différents paramètres du système ainsi que de connaître la position et la vitesse de
déplacement du véhicule. La présence d’un interrupteur d’arrêt d’urgence permet à l’opérateur de déclencher un freinage d’urgence.
Introduction
69
L’adaptabilité du système est rendue possible par ses
nombreux réglages
ti.bfh.ch/book2014
Élaboration d’un Business plan pour un garage
au Tessin
Domaine spécialisé: Économie et informatique d’entreprise
Chargé: Prof. Robert Ackermann
Experts: Philippe Burri, Alfred Leuenberger
70
L’objectif principal de ce projet est de proposer un Business plan pour un
garage dans le canton du Tessin. Dans cette période de crise financière il
est difficile de faire progresser une entreprise. On a donc réalisé un business plan pour améliorer le rendement d’un garage dans la région « Tre
Valli », qui a comme but de se distinguer pour la qualité du service offert.
Le slogan du garage pourrait être : « la qualité: toujours à votre service ».
Ian Canonica
+41 79 421 06 00
terne du garage. On a pu réaliser un bon business plan
par le biais de l’introduction des stratégies de marketing pensées avec le but d’acquérir de nouveaux
clients et aussi pour garantir la qualité du service pour
les clients fidèles. CanonicAuto est une entreprise de
dimensions moyennes, qui dans le futur voudrait augmenter l’efficacité, la rapidité et surtout la qualité du
service offert. Dans les prochaines années le garage
désirerait devenir l’entreprise leader dans la région
«Tre Valli» au canton du Tessin, en ce qui concerne le
service de vente et après-vente. Afin de réussir dans ce
but l’entreprise veut maintenir la marque Skoda pour
la vente et pour la partie après-vente les marques Skoda, Volkswagen et les véhicules commerciales de
Volkswagen. En ce qui concerne les clients, l’objectif
du garage est d’écouter leurs souhaites et d’essayer de
les réaliser.
Graphique en % du lieu de provenance des clients du garage
CanonicAuto
Prix des voitures divisé par marque
BI
BE
BU
VA
ian.canonica@bluewin.ch
L’entreprise CanonicAuto du canton Tessin, m’a permis
de réaliser le projet d’économie et d’informatique
d’entreprise: celui-ci consiste en la réalisation d’un business plan qui permet de comprendre les points de
force et les faiblesses du système de gestion du garage
CanonicAuto. Il consente aussi de trouver les meilleures stratégies de marketing en vue de rendre l’entreprise plus attractive et aussi de la mettre à jour.
Une bonne analyse pourrait garantir une meilleure
réussite du garage. Afin de développer un bon business plan on a commencé par une analyse S. W. O. T :
celle-ci comporte une étude de la région où se trouve
le garage, un examen du garage même, une recherche
du Target des clientes du garage et aussi leur typologie. On doit pareillement effectuer une étude de la
concurrence, un questionnaire pour les clients et les
employés du garage et pour terminer un règlement in-
ti.bfh.ch/book2014
The automotive world: La distribution de l’automobile en Suisse et le concessionnaire
Domaine spécialisé: Gestion d’entreprise
Chargé: Prof. Robert Ackermann
La structure du système de distribution a été fondée à une époque où les
caractéristiques de l’industrie étaient très différentes. Aujourd’hui le secteur a changé, les consommateurs comme les conditions du marché ont
évolué. Les constructeurs automobiles doivent donc porter un regard nouveau sur le réseau de distribution, avec un focus sur le partenariat et la
satisfaction du réseau. Ceci afin de transmettre aux consommateurs toutes
ses valeurs avec une efficience optimale.
Grâce à un questionnaire donnant la parole aux
concessionnaires, la mesure de la satisfaction inhérente au territoire national a été possible. Ainsi un
réseau de contacts composé de 2801 distributeurs
automobiles suisses représentants de 27 marques a
été établi. En envoyant 5’954 E-mails et en appelant
à plus de 500 reprises, en un peu plus de deux semaines, nous avons réussi à récolter 281 réponses utilisables, ce qui représente 16’579 données récoltées.
Atteignant ainsi le 10 % de l’échantillon de référence,
ce pourcentage ne peut pas avoir un impact significatif sur le marché, mais il faut tout de même le prendre
en considération car il représente une partie du réseau et si l’on veut augmenter l’efficience de ce dernier et donc atteindre l’excellence on doit soigner les
détails.
L’importance de la dealer satisfaction
Pour expliquer l’importance du concessionnaire et de
sa satisfaction, nous avons pensé à utiliser le modèle
suivant: on compare le constructeur à un moteur de
voiture, les concessionnaires aux pneus, les clients à
la route et l’ensemble du véhicule au secteur automobile. Le moteur pour transmettre au sol toute sa puissance afin de déplacer la voiture doit pouvoir compter
sur de bons pneus avec un coefficient d’adhérence
optimale, afin de limiter les pertes. De même façon le
constructeur pour transmettre au sol toute la puissance de la valeur du produit, de la technologie et de
la marque, a besoin d’un réseau efficace.
+41 79 813 68 54
flavio_carrera@hotmail.com
Résultat
Les résultats de cette recherche ont permis d’analyser
les domaines importants pour le business du concessionnaire et reflétant les fondations sur lesquelles
repose le sentiment de satisfaction de l’entreprise
permettant de mettre en évidence les variables ayant
obtenu les jugements les plus critiques. En ce qui
concerne le niveau de satisfaction global des concessionnaires suisses il se situe au-dessus de la neutralité avec un score de 3.21 points, sur un intervalle de 1
à 5, où la valeur 1 correspond à une forte insatisfaction et la valeur 5 à une complète satisfaction. Ce résultat montre un climat ambiant se rapprochant
quelques peu de la satisfaction, ceci laissant de ce
fait une marge de progression importante.
Cyril Voiblet
+41 79 891 05 97
cyv@bluewin.ch
BE
BU
L’efficacité du réseau dérive du degré de satisfaction
des dealers, en fait la satisfaction du réseau joue le
rôle du coefficient d’adhérence entre la maison mère
et le consommateur. Ainsi en portant une attention
particulière à ce dernier il est possible d’augmenter le
rendement global du marché.
Flavio Carrera
Réalisation
Le but recherché à l’aide de ce travail était d’éclairer
sous un angle nouveau sur le marché Suisse de l’automobile, afin de fournir des bases sur lesquelles raisonner en offrant aux concessionnaires et aux constructeurs un outil composé d’indicateurs spécifiques afin
de pouvoir se comparer et ainsi de rendre le marché
plus transparent et plus dynamique.
VA
Objectif
71
BI
Opportunité de repartir de zéro
ti.bfh.ch/book2014
System zur Visualisierung und Analyse der Gemischbildung im SCR-Auspuffsystem
Fachgebiet: VKM
Betreuer: Dr. Jan Czerwinski, Nicolas Belle, David Ziörjen
Experte: Marc Werner, Ralf Ulmann
Industriepartner: Liebherr Machines Bulle SA, Bulle
72
Der Begriff SCR (selektive katalytische Reduktion) bezeichnet eine Abgasnachbehandlungs-Technik, welche durch das Einspritzen von AdBlue die
Stickoxide im Auspuff von Dieselmotoren reduziert. In bestimmten Betriebspunkten des Motors können durch diesen Prozess Ablagerungen entstehen. Unsere Aufgabe war es ein System zur Visualisierung der Gemischbildung im SCR aufzubauen um später die Ablagerungsentstehung
untersuchen zu können.
Ziel der Arbeit ist die Inbetriebnahme eines Video-Analysis-Tools für die Firma Liebherr Machines
Bulle SA, welches die Rückstandsbildung im SCR-Katalysator während laufendem Motor filmen und aufzeichnen kann.
Alain Fabrice Däppen
+41 79 381 22 68
−
−
−
−
−
Da die Kühlluft dem Abgasmassenstrom zugeführt
wird, wurde der Volumenstrom der Kühlung auf 60 l/
min limitiert. Bei höheren Volumenströmen könnte
das SCR-System chemisch und pysikalisch zu stark beeinträchtigt werden.
Industriekamera
Objektiv
Endoskop
Endoskop-Kühlung
Lichtquelle
Damit die Innenseite des Abgasnachbehandlungssystems optisch untersucht werden kann, wird durch eine
speziell angefertigte Öffnung ein Endoskop vor dem
SCR-Katalysator in den Abgaskanal eingeführt. Das dafür verwendete Endoskop weist jedoch eine maximale
Betriebstemperatur von 150 °C auf. Um das Endoskop
Mit dem Video-Analysis-Tool können in einem nächsten Schritt die kritischen Punkte mit den meisten Ablagerungen im Motorenkennfeld bestimmt und analysiert werden um so die Rückstandsbildung im
Abgasnachbehandlungssystem SCR zu minimieren.
Schematische Darstellung Abgasnachbehandlungssystem
Prinzipdarstellung der Messung
Alain Hofmann
BI
BE
BU
VA
alain87@gmx.ch
Das Video-Analysis-Tool setzt sich aus folgenden Bestandteilen zusammen:
vor dem bis zu 550 °C heissen Abgasstrom zu schützen, wurde eigens für das Endoskop eine Kühlung konzipiert. Diese Kühlung musste auf ihre Funktionalität
und Effizienz vorgängig geprüft werden. Dafür wurden
verschiedene Messungen mit Prototypen auf dem Motorenprüfstand durchgeführt. Bei diesen Messungen
wurde anstelle des Endoskops eine Temperatursonde
eingesetzt.
ti.bfh.ch/book2014
Dynamic Model of a Fuel Injection / Common Rail
System for a HiL-Simulator
Fachgebiet: Fahrzeugelektrik und -elektronik
Betreuer: Prof. Kurt Hug
Experten: Hans-Jörg Gisler (Carosserie Hess AG), Alfred Sasse (MOWAG GmbH)
Industriepartner: FPT Motorenforschung AG, Arbon
Hardware in the Loop (HiL) Simulatoren sind in der Entwicklung von eingebetteten Systemen und Regelfunktionalitäten nicht mehr wegzudenken.
Die Simulatoren ermöglichen präzise Fehlerüberprüfung, kurze Entwicklungszeiten und Kostensenkungen. Der Simulator bildet die reale Umgebung des Systems mittels mathematischer Modelle, welche in Echtzeit berechnet werden, nach.
Schema und Funktionsbild eins HiL-Simulators
Um die Genauigkeit des Modells betreffend der berechneten Einspritzmassen einordnen zu können, wurden im Einspritzlabor der FPT Motorenforschung AG
Messungen durchgeführt. Dazu wurden 44 Motorbetriebspunkte definiert, welche das gesamte Motorkennfeld abdecken. Zur Feststellung der Abweichungen zwischen Modell und Messungen wurden der
Leerlauf (550 rpm) sowie der tiefe Teillastbereich
(550 bis 800 rpm, Belastung. 100 bis 200 Nm) genauer betrachtet. Für die Messungen im Einspritzlabor
mussten diverse Parameter für die Einspritzung vorgegeben werden, welche aus einem am realen Motor gemessenen Kennfeld interpoliert wurden.
Cyril Ditzler
Resultate
Bei der Analyse und Fehlersuche wurde deutlich, dass
die anfangs vermuteten Fehlerquellen wie Elastizität
der Systemkomponenten und Erfassung der Einspritzzeiten genau genug modelliert sind, und dass der
Haupteinfluss für eine Verbesserung beim Injektorkennfeld liegt. Dieses wird auf dem Motorenprüfstand
am realen Motor erstellt. Es muss für den Realbetrieb
nicht sehr genau sein, da der Fahrer als Regler agiert
und somit immer das gewünschte Drehmoment erzeugt wird. Zudem werden während der Applikation
des Kennfeldes verschiedene Ungenauigkeiten und
Fehler aus dem ECU-Dataset kompensiert. Da das
Modell das invertierte, aber sonst gleiche Injektorkennfeld verwendet, im Modell aber keine Parameterkorrekturen stattfinden, entstehen Fehler in der Berechnung der Einspritzmasse. Diese Fehlerquelle lässt
sich nur durch ein präzise appliziertes Injektorkennfeld oder durch eine auf das jeweilige Motorensetup
abgestimmte Korrektur eliminieren.
ti.bfh.ch/book2014
Hannes Müller
Zusammen mit den Berechnungen konnte gezeigt werden, dass die Elastizität der Systemkomponenten etwa
3% der Kompressibilität des Dieselöls ausmacht und
somit vernachlässigt werden kann. Diese Fehlerquelle
kann somit ausgeschlossen werden. Die aktuellen Be-
Eine weitere Fehlerquelle wurde in der Berechnung
der Einspritzdauer aus dem abgegriffenen Bestromungssignal vermutet. Die hohe Sensitivität der berechneten Einspritzmenge auf diese Dauer legt diese
Vermutung nahe.
VA
Als mögliche Fehlerquelle wurde die Elastizität der
Komponenten des Einspritzsystems vermutet. Zur Verifizierung der Berechnungen der vorangegangenen
Semesterarbeit wurden mit einem Prüfaufbau, bestehend aus einem Zylinderkopf und allen Komponenten
des Common-Rail Systems, Versuche und Messungen
durchgeführt.
Berechnung der Einspritzmasse
BU
Systemelastizität
rechnungen mit dem Modell, welches nur die Elastizität
des Dieselöls beinhaltet, reichen in Ihrer Genauigkeit.
BE
Diese Arbeit befasst sich mit dem Modell eines Common-Rail Diesel Einspritzsystems für einen HiL Simulator. Dabei sollen Verbesserungen an einem bestehenden Modell vorgenommen werden, so dass das
Gesamtmodell in allen Motorbetriebspunkten stabil
läuft. Die Fehler und Ungenauigkeiten des aktuellen
Modells äussern sich während des Simulationsbetriebs durch Schwankungen des Raildrucks und der
Motordrehzahl. Dies tritt vor allem im Leerlauf und im
tiefen Teillastbereich auf. Die Ursachen dieses fehlerhaften Verhaltens des Modells sollen in dieser Arbeit
ermittelt werden. Das Modell und alle Messungen betreffen einen 13L, 6-Zylinder Heavy-Duty Dieselmotor.
BI
Aufgabenstellung
73
Potentiale eines HD-Dieselmotors im Hinblick auf
Energie Verbrauch und Emissionen.
Fachgebiet: Automobiltechnik
Betreuer: Prof. Dr. Jan Czerwinski, Yan Zimmerli
Experten: Marc Werner, Ralf Ulmann
74
In dieser Bachelorthesis wurden zwei Themengebiete behandelt:
Es wurden zwei Dieselpartikelfilter analysiert und ein Organic Rankine
Cycle System eines Industriepartners in Betrieb genommen.
1. Thema: Organic Rankine Cycle (ORC)/Wasted
Head Recovery (WHR):
Ein Verbrennungsmotor wandelt nur ca. 40% der
Brennstoffenergie in mechanische Arbeit um. Der Rest
ist Reib-, Kühlwasser- und Abgaswärme. Mit dem ORC/
WHR wird ein Teil dieser Wärme aus dem Abgas wieder verwendet um Arbeit zu generieren.
Das Grundprinzip:
Chrstioph Fasel
Eine Förderpumpe erzeugt den Druck und einen Massenstrom, der notwendig ist um das Arbeitsmedium zu
befördern. Ein Verdampfer, verdampft und überhitzt
das Arbeitsmedium durch die Wärme vom Abgasstrom. Durch eine Expander Maschine entspannt sich
das Medium auf einen niedrigen Druck und es entsteht Arbeit. Anschliessend ist das Medium noch in
dampfförmigen Zustand und wird durch den Kondensator verflüssigt.
Ein Prototyp vom Industriepartner mit diesem Prinzip
wurde in Betrieb genommen, jedoch ohne Expander.
Dabei diente Wasser als Arbeitsmedium.
2. Thema: Dieselpartikelfilter (DPF):
Ein Filter, der 1000 Betriebsstunden in einem Stadtbus in London in Betrieb war, sollte analysiert werden.
Man wollte herausfinden, in welchem Zustand sich das
Abgasnachbehandlungssystem befindet. Aus diesem
Grund wurde eine Messung nach der Norm SN 277206
durchgeführt. Die Resultate der Messung haben gezeigt, dass der Partikelfilter immer noch eine sehr
gute Abscheidungsrate von über 99% erzielt. Das
heisst, 99% der Partikel über das ganze Partikelgrössen-Spektrum im Abgas werden durch den DPF
filtert.
BE
BU
VA
Inbetriebnahme:
Erste Messungen haben gezeigt, dass das System sich
so verhält wie erwartet und nur geringfügige Verbesserungen durchgeführt werden müssen. Die Messungen wurden durch ein Programm vom Industriepartner
erfasst. Damit die gemessen Werte schnellstmöglich
Ergebnisse liefern konnten, wurde ein Programm mithilfe von MATLAB geschrieben. Mit diesem Programm
lassen sich mehrere Messungen überprüfen und die
wichtigsten Berechnungen werden durchgeführt. Desweitern erstellt das Programm ein T-s und h-s Diagramm, in welchem man den Organic Rankine Cycle
nachvollziehen kann.
BI
Liebherr Motor und das ORC-System
ti.bfh.ch/book2014
Das Bild zeigt Resultat von einer Messung mit dem SMPS.
Dieses Messgerät erfasst die Partikelgrössenverteilung
Analyse der limitierten und nicht limitierten
Emissionen von verschiedenen Personenwagen
Betreuer: Prof. Dr. Jan Czerwinski, Pierre Comte
Industriepartner: EMPA, PSI, FHNW, AMI
Seit dem 1. Januar 2014 sind mit der Euro 6 Norm neben der Partikelmasse
auch die Partikelanzahl für Motoren beschränkt. Aktuelle Benzinmotoren
mit Direkteinspritzung erfüllen diese Norm nicht und es müssen Ausnahmebewilligungen genehmigt werden, die bis 2017 gültig sind. Im Rahmen
des Projekts GasOMeP wurde unter anderem ein Partikelfilter für Benzinmotoren auf dessen Wirksamkeit und Einflüsse bezüglich weiterer Emissionen untersucht.
Zur Effizienzsteigerung moderner Verbrennungsmotoren wird der Treibstoff vermehrt direkt eingespritzt.
Durch die sehr feine Zerstäubung des Kraftstoffes und
teilweise inhomogene Gemische entstehen zwangsläufig Partikel, welche ohne entsprechende Massnahmen direkt in die Umwelt gelangen. Dabei ist die
Anzahl der Partikel teilweise höher und deren Durchmesser kleiner, als bei den Dieselmotoren. Es ist
bewiesen, dass sich diese Nanopartikel in der Lunge
und weiteren Organen ablagern. Dies kann zu einem
erhöhten Krebsrisiko oder anderen Schädigungen
führen.
Zusammen mit der EMPA, dem PSI und der FHNW
sollen Erkenntnisse bezüglich Partikelemissionen
im Nanobereich gewonnen werden. Auch auf Sekundäremissionen von künstlich gealterten Abgasen,
mithilfe von UV-Licht, wird ein Augenmerk gelegt.
Messungen
In der Abgasprüfstelle Nidau wurden auf dem Rollenprüfstand stationäre Messungen bei unterschiedlichen
Betriebspunkten sowie während dynamischen
WLTC-Zyklen durchgeführt. Dazu wurde ein Fahrzeug
mit und ohne Benzinpartikelfilter wie auch ein Referenzfahrzeug verwendet.
Dabei wurden die herkömmlichen Emissionen mit der
Horiba-Messanlage und dem PEGAsys FTIR gemessen.
Für die Bestimmung der Partikelgrössenverteilung
und die Anzahl der Partikel sind zwei SMPS mit unterschiedlichen Messbereichen und ein CPC zum Einsatz
gekommen. Zur Verifikation der Resultate des CPC
diente ein ELPI. Diesem Gerät liegt ein anderes Messprinzip zu Grunde.
Resultate
Die Messungen mit dem Partikelfilter haben dessen
Wirksamkeit mit einer Reduktion der Partikelzahlen
von über 99% bestätigt. Der Grenzwert von
6×1011 Partikel pro Kilometer wird problemlos unterboten. Es wäre somit möglich den Partikelfilter, zu
Gunsten eines geringeren Gegendruckes, neu auszulegen. Der erwartete, negative Einfluss des Filters auf
die weiteren Emissionen konnte nicht bestätigt werden. Das Gleiche trifft auf den Benzinverbrauch zu,
der sich nur im Rahmen der Messungenauigkeit verändert. Wenn auch eine Mehrinvestition bei Neuwagen nötig ist, scheint ein Partikelfilter der richtige
Weg zu sein. Die Resultate der weiteren beteiligten
Institute bezüglich der Sekundäremissionen sind
noch abzuwarten, um den Filter definitiv zu bewerten.
Benjamin Fröhlich
benjamin.froehlich
@bluewin.ch
Stefan Germann
BE
BU
VA
stefan-germann@hotmail.com
Ausgangslage
75
Partikelemissionen im WLTC
BI
Aufbau der Messinstrumente
ti.bfh.ch/book2014
Implementierung eines Managementsystems und
Aufbau eines Führungscockpits
Fachgebiet: Betriebswirtschaft und Betriebsinformatik
Betreuer: Robert Ackermann
Experten: Philippe Burri, Alfred Leuenberger
Industriepartner: Zesar.ch AG, Tavannes
76
Dieses Projekt wurde in Zusammenarbeit mit der Firma Zesar.ch AG in
Tavannes (BE) realisiert. Die KMU entwickelt und konstruiert hochqualitatives Schul- und Industrie-Mobiliar für die ganze Schweiz. Das Ziel der
Arbeit war, ihr aktuelles Managementsystem zu verbessern und neue Aspekte bezüglich der Unternehmensführung zu entwickeln. Zudem wurde
eine Vorlage eines bislang nicht vorhandenen Führungscockpits aufgebaut.
Die Firma Zesar.ch ist eine lebendige Firma, die sich
seit ein paar Jahren in einem permanenten Wachstum
befindet.
Mit Hilfe der Ampel-Indikatoren stellte ich den «IstWert» dar, welcher mit dem «Soll» und «Soll Minimum-Wert» verglichen wird. Die Ampelfarbe grün bedeutet eine positive, orange eine mittelmässige und
rot eine schlechte Bilanz.
Die Tachometer-Indikatoren funktionieren gleichermassen, ausser dass die Kennzahlen in Prozent ausgegeben werden.
Somit wird mit wenig Zeitaufwand ersichtlich, welche
Aspekte Verbesserungen benötigen, damit die Firma
keine zu grossen Verluste erleidet.
Im Bild 1 ist die BSC der Firma Zesar.ch ersichtlich.
Die Indikatoren des Cockpits sind im Bild 2 aufgezeigt.
Im Gegensatz zum Managementsystem war noch kein
Führungscockpit in der Firma vorhanden. Das Ziel eines Cockpits ist die einfache und genaue Darstellung
der wichtigsten Kennzahlen auf einem Blatt. Das bedeutet, dass es möglich ist auf einen Blick zu sehen,
ob es dem Unternehmen gut oder schlecht geht. An-
Das Cockpit wurde im MS Excel entwickelt und dient
als Vorlage für die Programmierung eines vollautomatisierten Führungscockpits der Firma Zesar.ch. Die
Programmierung soll in der Unternehmungssoftware
SelectLine erfolgen.
Die BSC der Firma Zesar.ch
Indikatoren des Führungscockpits der Firma Zesar.ch
BI
BE
BU
VA
Tobias Geiser
Sie besitzt zurzeit ein teils strukturiertes Managementsystem. Es sind jedoch nicht alle Elemente vorhanden, welche für eine makellose Führung notwendig
sind. Meine Aufgabe war es, die aktuelle Situation zu
analysieren, um Verbesserungen und neue Konzepte
ausfindig zu machen. Damit eine klare Struktur ins
ganze Management der Firma kommt, habe ich das
Prinzip der Balanced Scorecard (BSC) zur Hilfe genommen. Anhand der verschiedenen vorgegebenen
Punkte der BSC ist es möglich, ein ausgeglichenes Managementsystem aufzubauen. Zudem ist die Gefahr
geringer, sich nur auf einen spezifischen Punkt zu konzentrieren, da die BSC ein Gleichgewicht zwischen
den vier grundlegenden Elementen: Finanzen, Prozess, Human Resources und Kunden voraussetzt. Das
heisst, dass ein gutes Management alle vier Elemente
mit der gleichen Wichtigkeit behandelt.
hand von verschiedenen aussagekräftigen Indikatoren
werden die Hauptkennzahlen grafisch dargestellt. Um
diesen Anforderungen zu entsprechen, wählte ich ein
Ampelsystem um den Umsatz zu messen, sowie ein
Tachometersystem für den Deckungsbeitrag, die Produktivität und die Analyse der Vertreter wiederzugeben.
ti.bfh.ch
Upgrade Range Extender
Betreuer: Prof. Kurt Hug
Experten: Hans-Jörg Gisler, Alfred Sasse
Die Elektromobilität steht immer mehr im Fokus und drängt sich weiter
in den Automobilmarkt, denn Elektromotoren sind in Bezug auf die Effizienz dem konventionellen Verbrennungsmotor klar im Vorteil. Die geringe
Reichweite jedoch schränkt die Autonomie von E-Mobilen ein. Abhilfe bietet ein Range-Extender (REX), bei dem ein Verbrennungsmotor elektrische
Energie liefert und die Reichweite vergrössert. Der Verbrennungsmotor soll
in einem Betriebspunkt optimal betrieben werden.
Ziel dieser Arbeit war es den Verbrennungsmotor weiter zu verbessern und dessen Wirkungsgrad weiter zu
steigern. Um das zu erreichen, wurde das Einspritzund Zündkennfeld weiter optimiert und das Ansaugsystem auf den gewünschten Drehzahlpunkt von ausgelegt, welcher vorgängig als bester Drehzahlbereich
definiert wurde.
Schwingrohrlänge wird eine Druckwelle erzeugt, die
im Schwingrohr zurück läuft, am offenen Ende des
Rohrs reflektiert wird und wieder zum EV hin läuft.
Dabei sollte der Druckbauch dann wieder am EV sein,
wenn sich dieses öffnet. Der Motor wird dynamisch
aufgeladen und erzielt einen höheren Liefergrad aus
dem wiederum ein höheres Drehmoment entspringt.
Kennfelder
Durch die kontrollierte Änderungen an Einspritz- und
Zündkennfeld und das adaptieren des Schwingrohrs
mit Resonator konnte der verbrennungsmotorische
Wirkungsgrad um 10% auf bis 33% gesteigert werden.
Weiter konnten die Ansauggeräusche durch das neue
Ansaugsystem reduziert werden.
Ansaugsystem
alexandergfeller@gmx.ch
Der ideale Betriebspunkt des SA 250 im REX-Verbund
liegt bei und 60% Last und gibt 9 kW elektrische Leistung ab, die in die Batterie eingespeist werden kann
und dem Fahrzeug für den Antrieb bereit stehen.
Der SA 250 ist mit den aktuellen Einstellungen soweit
bereit, dass weitere Optimierungen realisierbar sind.
Unteranderem wären das auslassseitige Optimierungen, Abgasnachbehandlungssysteme und geräuschmindernde Massnahmen. Zudem können auch weiter
Abstimmungen und Regelungen der elektrischen Komponenten vorgenommen werden.
Patrik Heitz
patrik.heitz@hotmail.com
Neues Ansaugsystem
BI
BE
BU
VA
Um den Wirkungsgrad weiter zu steigern, nutzten wir
den Effekt einer schwingenden Gassäule, die im Ansaugsystem durch das Schliessen der Einassventile
(EV) angeregt wird. Das Prinzip der Schwingrohraufladung ist abhängig von der Schliesszeit der EV, der
Drehzahl und Länge des Schwingrohrs. Bei idealer
Alexander Gfeller
Zentral für den Motorbetrieb sind auf Betriebs- und
Kraftstoffart abgestimmte Kennfelder. Beim Zündkennfeld standen primär der Kraftstoff und Langlebigkeit des Motors im Mittelpunkt. Durch die höhere Oktanzahl von (Bioethanol) kann der Zündzeitpunkt (ZZP)
weiter gegen «früh» verstellt werden. Jedoch muss die
Klopfgrenze beachtet werden, damit der Motor keinen
Schaden nimmt. Das Einspritzkennfeld wurde so appliziert, dass der Motor über den gesamten Betriebsbereich mit betrieben werden kann. Somit ist es möglich
abgasnachbehandelnde Massnahmen(z. B. 3-Weg-Kat)
zu treffen.
77
Wirkungsgrad Diagramm (Muscheldiagramm)
ti.bfh.ch/book2014
E-Roadster PUR
Domaine spécialisé: Conception de véhicule
Chargés: Prof. Hans-Ulrich Feldmann-Blaser, Prof. Heinrich Schwarzenbach
Partenaire du projet: M. Kyburz AG, Freienstein
78
L’entreprise Kyburz, basée à Freienstein (ZH), s’est tournée vers la Haute
Ecole Spécialisée de Bienne pour concevoir un véhicule aux caractéristiques sportives. Le projet s’est déroulé sur 2 semestres et s’est terminé par
un travail de Bachelor, sur une durée de 2 mois. Celui-ci a pour but de
concevoir le châssis d’un «roadster» électrique et d’en fournir les dessins
de construction, pour la réalisation du prototype.
L’E-Roadster PUR est un petit véhicule, deux places,
à la foi sportif et électrique. Il doit son nom à deux
choses. Premièrement, la dénomination de «roadster», lui vient du fait qu’il ne possède pas d’habitacle
fermé. Ses occupants peuvent ainsi jouir d’une certaine liberté.
Olivier Griessen
Ce projet de conception, s’est déroulé en plusieurs
parties. Les premières étapes ont consisté à définir
un «packaging» et calculer la suspension du véhicule.
La finalisation du projet s’est déroulée durant le travail de Bachelor et a consisté en l’élaboration d’un
châssis.
Daniel Wenger
d-wenger@hotmail.com
Avec l’aide d’un designer, nous avons fixé la forme
principale du véhicule et avons ensuite pu nous
concentrer sur la création de notre structure. Après
avoir comparé quelques types de construction, nous
avons opté pour une conception tubulaire, offrant une
multitude d’avantages.
BE
BU
VA
griessen_olivier@hotmail.com
Deuxièmement, le nom de PUR, lui est donné par la
volonté de minimiser la partie carrosserie. En effet, la
carrosserie s’approcherait plus de l’esprit d’un carénage de moto, ce qui permet de laisser transparaître
son châssis tubulaire, étudié, à l’occasion, pour allier
solidité et esthétique.
BI
E-Roadster PUR
ti.bfh.ch/book2014
Grâce à un programme de modélisation 3D, nous
avons donné forme à nos idées et testé celles-ci, grâce
à la méthode des éléments finis (FEM). Nos calculs et
analyses FEM 1D nous ont permis de créer notre structure, en nous donnant les zones critiques à rigidifier
et ainsi optimiser la construction. Cette technique
nous a permis de respecter les exigences fixées telles
que prix et poids. Une analyse FEM 2D a suivi et nous
a offert la possibilité de cerner plus précisément les
contraintes locales. Grâce à des renforts de structure,
nous avons considérablement allégé en contraintes,
ces zones critiques.
Grâce à la méthode des éléments finis, nous avons pu
élaborer un châssis résistant aux différentes situations rencontrées lors de l’utilisation d’un véhicule.
La collaboration avec le designer et d’autres ingénieurs, nous a poussé à modifier, à de multiple reprises, notre châssis et ainsi créer la version actuelle.
Il nous a également été demandé de créer l’ensemble
des fixations, des éléments nécessaires au bon fonctionnement du véhicule. Au final, une série de dessins
ont été fournis et le prototype devrait pouvoir être
construit.
Le mandataire du projet étant une entreprise, nous
avons eu la chance de collaborer avec des ingénieurs
expérimentés et disposer de leurs conseils avisés,
tout au long de notre travail. Cette expérience nous a
également permis de voir, comment se déroulait un
projet, en temps réel, et faire face aux imprévus.
Untersuchung kombinierter Abgasnachbehandlungssysteme (DPF+SCR)
Betreuer: Prof. Dr. Jan Czerwinski, Yann Zimmerli
Schärfere Abgasnormen fordern immer umfangreichere Abgasnachbehandlungssysteme. Unter diesen Umständen stösst man vor allem bei
Bau- und Arbeitsmaschinen mit grossen Motoren und dementsprechend
voluminösen Komponenten auf Platzprobleme. Der SDPF ist ein Dieselpartikelfilter der die Funktion der Partikelfilterung und Stickoxidreduktion
kombiniert. Diese Kombination verspricht Platzersparnis bringt aber auch
neue Herausforderungen.
Auftrag
Ein Abgasnachbehandlungssystem modernen Dieselmotoren umfasst 3 Baugruppen: den Dieseloxidationskatalysator, den Dieselpartikelfilter und den SCR
Katalysator. Im Oxidationskatalysator werden Kohlenwasserstoffe, Kohlenmonoxide und Stickstoffmonoxide
oxidiert. Der Partikelfilter ist dafür verantwortlich, die
emittierten Russpartikel aufzufangen und in der Regenerationsphase zu Kohlendioxid zu oxidieren. Die selektive katalytische Reduktion (SCR) bezeichnet eine
gezielte Reduktion der Stickoxide im Abgasstrom. Diese werden dabei mit Ammoniak (NH3) reduziert. Als
Ammoniakträger wird eine wässerige Harnstofflösung
(AdBlue©) in den Abgasstrom eingespritzt. Der Ablauf
der Reduktion ist stark von Temperatur, Abgaszusammensetzung und Raumgeschwindigkeit abhängig.
In der Untersuchung kombinierter Abgasnachbehandlungssysteme ging es darum, die Anwendung eines
SDPF’s auf einem Motorenprüfstand mit Dynamischer
Bremse zu erproben und zu untersuchen. Es sollte das
Verhalten und die Intensität der Regeneration bei unterschiedlichen Abgastemperaturen und Strömungsgeschwindigkeiten, die Effizienz der SCR- Beschichtung
und der Einfluss der Dosierung von AdBlue© vor dem
Filter untersucht werden. Während sämtlichen Tests
wurde der Abgasstrom an verschiedenen Messstellen
auf die Zusammensetzung analysiert und bewertet.
Martin Güdel
martin.guedel@gmail.com
Prüfstand mit IVECO F1C Motor
Filtersubstrat: beladen (links), konditioniert (rechts)
ti.bfh.ch/book2014
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Markus Schär
Dieselabgasnachbehandlungssysteme
79
Optimierung einer Schareinheit
Fachgebiet: Fahrzeugbau
Betreuer: Prof. Hans-Ulrich Feldmann Feldmann, Prof. Heinrich Schwarzenbach
Experten: Alfred Leuenberger, Philippe Burri
Industriepartner: Berner Fachhochschule, Hochschule für Agrar-, Forst- und Lebensmittelwissenschaften, Zollikofen
80
Die Direktsaatmethode, bei der das Saatgut in den unbearbeiteten Boden
abgelegt wird, findet auch in der Schweizer Landwirtschaft vermehrt Anklang. Gegenüber der konventionellen Anbautechnik, die eine vorgängige
Saatbettaufbereitung erfordert, bietet sie eine Vielzahl an ökologischen
und ökonomischen Vorteilen.
Andreas Habegger
Methodik
Jedoch werden derzeit handelsübliche DirektsaatSämaschinen den übersichtlichen Strukturen von
Schweizer Landwirtschaftsbetrieben nicht gerecht,
da sie für Grossbetriebe konzipiert wurden.
In einer Konzeptphase wurde der Sä-Prozess mittels
einer Funktionsanalyse genau untersucht. Mögliche
konstruktive Lösungsansätze der einzelnen Funktionen sind in einem morphologischen Kasten übersichtlich dargestellt und zu Lösungsvarianten verknüpft
worden. Mit der anschliessenden Nutzwertanalyse
wurde die beste Variante ermittelt, die in der Konstruktionsphase weiterverfolgt wurde.
Aus diesem Grund soll im Rahmen dieser Bachelorthesis ein Prototyp konstruiert werden, der den hiesigen Strukturen gerecht wird. Das heisst, dass der
Zug- und Normalkraftbedarf gegenüber den aktuellen
Modellen markant gesenkt werden muss. Diesbezüglich am meisten Verbesserungspotential wird bei der
Schargeometrie vermutet. Daher wird mit dieser Arbeit eine gesamte Schareinheit optimiert, die zusätzlich die Möglichkeit bietet den Scheibenscharwinkel
zu verstellen. Diese erweiterte Funktion soll dereinst
das Ermitteln der optimalen Winkeleinstellung ermöglichen. Zusammen mit der HAFL (Hochschule für
Agrar-, Forst- und Lebensmittelwissenschaften) wurde
die These aufgestellt, dass sich die optimierte Winkeleinstellung positiv auf den Zug-und Normalkraftbedarf auswirken wird.
Gelingt es, mit Hilfe des Prototyps die optimale Winkelstellung der Scheibenschar mit Versuchen zu erheben, kann der Normalkraftbedarf und damit auch das
Gesamtgewicht gesenkt werden. Das Know-how bezüglich der bestmöglichen Grundeinstellung soll künftig in das serienreife Endprodukt einfliessen.
Ergebnis
Das Endprodukt dieser Arbeit ist eine Schareinheit,
die von den Nachbareinheiten gänzlich unabhängig
operiert. Dadurch wird eine grosse Flexibilität bezüglich dem kulturübergreifenden Einsatz erreicht. Zudem
wurde die Schareinheit als baukastenfähige Konstruktion konzipiert, mit dem Ziel das der künftige Kunde
seine Direktsaat-Sämaschine selber zusammenbauen
und sie somit den eigenen Bedürfnissen anpassen
kann.
Diese Arbeit legt den Grundstein für den Bau eines
ersten Prototyps. Die Konstruktionszeichnungen der
Bauteile sowie eine detaillierte Stückliste über alle
notwendigen Komponenten liegen vor.
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+41 79 762 12 09
Ausgangslage
Die optimierte Direktsaat-Sämaschine mit 12-Schareinheiten
im Überblick
ti.bfh.ch/book2014
Das eigens für die Direktsaatmaschine konzipierte
Federelement
Marketingkonzept DTC AG
Fachgebiet: Betriebswirtschaftslehre
Betreuer: Prof. Robert Ackermann
Experten: Philippe Burri, Alfred Leuenberger
Industriepartner: DTC Dynamic Test Center AG, Vauffelin
Wer sich heute im Markt erfolgreich positionieren will, muss innovativ
und flexibel sein. In vielen Märkten wird deshalb fleissig Marketing
betrieben. Dies trifft auch in diesen Märkten zu, in welchen sich die DTC AG
bewegt. Der DTC AG wurde bewusst, dass ein Marketingkonzept für den
zukünftigen Erfolg des Unternehmens sehr wichtig ist. Aus diesem Grund
hat der Verwaltungsrat der DTC AG veranlasst, die bereits bestehenden
Anstrengungen im Bereich des Marketings zu erweitern.
Ergebnisse
Um die bereits bestehenden Anstrengungen der DTC
AG im Bereich des Marketings zu erweitern, sollte
eine Vorlage für ein Marketingkonzept erstellt werden.
Diese Vorlage soll der DTC AG als Werkzeugkasten
dienen, um jährlich das Marketingkonzept der neu entstandenen Marktsituation anpassen zu können.
Der Werkzeugkasten besteht aus acht Werkzeugen,
welche alle in Excel konzipiert wurden. Im Detail sind
dies eine Kundenanalyse, eine Kundensegmentanalyse, eine Geschäftsfeldanalyse, eine SWOT-Analyse, eine Lebenszyklusanalyse, die BCG-Matrizen, ein
Marketing-Umsatzinstrument und die sieben P’s. Alle
Werkzeuge wurden ähnlich aufgebaut. Auf den ersten
Tabellenblättern können die Rohdaten eingegeben
werden. Auf den weiteren befinden sich Zwischenresultate und zum Teil Informationen. Das Letzte
Tabellenblatt beinhaltet schliesslich die Ergebnisse,
welche für den Ausdruck formatiert sind und somit
auf Wunsch bequem ausgedruckt werden können.
Viele Werkzeuge geben diverse Grafiken und Tabellen
wieder, welche Aufschluss geben, was für Massnahmen zu treffen sind, um sich weiterhin erfolgreich im
Markt zu positionieren.
Es konnten leider vom Zeitrahmen her nicht ganz
so viele Werkzeuge konzipiert werden, wie dies für
ein komplettes Marketingkonzept nötig wäre. Deshalb
muss die DTC AG die fehlenden Werkzeuge selbst
entwickeln, damit das Konzept vollständig wird.
Vorgehen
Wir bedanken uns für die gute Zusammenarbeit und
wünschen der DTC AG weiterhin viel Erfolg sowie gute
Geschäftsjahre!
Emanuel Hausammann
Simon Steiner
steiner.simon@gmx.ch
Durchschnittliche Auftragslage über die letzten vier
Geschäftsjahre
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BCG-Matrize (Boston Consulting Group-Portfolioanalyse) von
den vier Geschäftsbereichen
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Nach diversen Sitzungen mit dem Geschäftsführer der
DTC AG, Herrn Gerster Bernhard, konnte bald einmal
festgelegt werden, welche Werkzeuge für die Unternehmung konkret gemacht werden müssen um diesen
Werkzeugkasten für das Marketingkonzept zu erhalten. Auch die Zielsetzungen für dieses Konzept konnten definiert werden, welche von grosser Wichtigkeit
waren.
Weitere Besprechungen und Telefonate mit diversen
Personen, welche dem DTC nahe stehen, waren sehr
hilfreich. Dazu gehörte auch eine Sitzung mit dem
Verwaltungsratsmitglied, Herrn Daniel Junker, welches
sehr aufschlussreich war. Alles in allem führte
schliesslich zu diesem Werkzeugkasten für das Marketingkonzept, welcher spezifisch für das DTC konzipiert
wurde und nun acht Werkzeuge beinhaltet.
Ausgangslage
81
ti.bfh.ch/book2014
ClickCar: châssis d’un véhicule ultraléger avec un
niveau de sécurité passive élevé
Domaine spécialisé: Technique Automobile
Chargés: Prof. Bernhard Gerster, Michel Schneider
Experts: Hans-Jörg Gisler, Alfred Sasse
82
La ClickCar est une voiture ultra légère ne faisant que 200 kg à vide et permettant une charge utile équivalente. Il s’agit d’un véhicule citadin ayant
une excellente maniabilité dans le trafic grâce à ses dimensions réduites.
Un point important de ce concept est qu’il offre un niveau de sécurité passive très élevé. De plus, un système «Ride-by-wire» et un entraînement
électrique complète son aspect innovant.
La structure du châssis se veut innovante et simple
dans le but de promouvoir l’utilisation de plaque en
matériaux composites. Le design général de la ClickCar suit des formes triangulaires dans le but d’augmenter la rigidité du châssis. En effet, ce genre de
structure amène une stabilité très intéressante pour
un véhicule ultraléger. Lors de la conception il est nécessaire de tirer parti de ces formes. Les points d’attache des trains roulants doivent donc être imaginés
pour diriger les forces vers les parties principales du
châssis qui sont au centre.
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Lucien Manueddu
La ClickCar est un véhicule ultra léger ne faisant que
200 kg à vide ayant la possibilité de rouler à 60 km/h.
Afin d’atteindre de tels objectifs il est nécessaire
d’amener une nouvelle manière de penser dans la
conception. Les critères sont donc clairs dès le départ,
la sécurité et la légèreté sont mises en avant dans ce
travail. En effet, le but final de ce concept est d’atteindre un niveau de sécurité passive très élevé. Par
conséquent, cela nécessite l’utilisation de nouveaux
matériaux qui sont rarement utilisés dans l’automobile.
ti.bfh.ch/book2014
Le concept ClickCar sera équipé de deux moteurs électriques montés sur les roues arrière. D’après les estimations, cette combinaison permettant une puissance
de 13 chevaux suffira pour rouler à 60 km/h sur une
route en pente. D’après l’office des statistiques
Suisse, les distances journalières parcourues sur le
territoire national sont inférieures à 40 kilomètres.
Par conséquent, le dimensionnement des batteries
offre 45 kilomètres d’autonomie.
L’esprit novateur d’un système «Ride by wire» trouve
parfaitement sa place au sein de ce concept. En effet,
une installation de ce type supprime les éléments mécaniques faisant la liaison entre le conducteur et les
roues. Par conséquent, le véhicule est conduit au
moyen d’actuateurs électriques commandé par Joystick. L’avantage de celui-ci est de pouvoir être placé
librement à proximité du conducteur.
Le dimensionnement de toutes les pièces donne la
possibilité d’analyser le comportement du véhicule. En
effet, l’agilité et la maniabilité du véhicule s’avèrent
garanties grâce un rayon de braquage de 3 mètres.
L’insertion du poids des divers éléments permet de
déterminer la stabilité de la voiture en virage. Ainsi,
la ClickCar obtient un centre de gravité suffisamment
bas pour ne pas risquer un retournement en courbe.
Grundlagen zur Entwicklung eines Kraftstoffsparmonitors für Traktoren
Fachgebiet: Fahrzeugelektrik und -elektronik
Betreuer: Prof. Kurt Hug, Matthias Botta
Experten: Hans-Jörg Gisler, Alfred Sasse
Industriepartner: Agroscope Tänikon, Ettenhausen
Durch die steigenden Energiepreise sowie die Klimadebatte rückt das Thema
Kraftstoffverbrauch auch in der Landwirtschaft immer mehr in den Fokus.
Da sich der Wirkungsgrad eines Verbrennungsmotors je nach Drehzahl
und Drehmoment stark unterscheidet, kann durch das Betreiben des Motors
im optimalen Bereich, auch bekannt unter «ECO-Drive», bei Traktoren
bis zu 20% Kraftstoff eingespart werden. Mit einem Monitor als Hilfsmittel
soll der Fahrer dabei unterstützt werden.
angenähert und aus diesen Regressionen Modellgleichungen für beliebige Drehzahlen entwickelt. Die
so errechneten Modellpunkte wurden dann mit den
gemessenen Punkten verglichen. Dabei hat sich gezeigt, dass die Genauigkeit der verschiedenen Methoden und der Modelle im Allgemeinen sehr gut ist.
Ein Problem stellt hingegen bei einigen Methoden die
Ansprechzeit, das heisst die Zeit, bis ein Signal auf
eine Änderung der Drehzahl oder Last reagiert, dar.
Diese Zeit sollte möglichst klein sein, weil die Belastungen und Drehzahlen beim Traktoreinsatz häufig
wechseln.
Christian Maurer
ch.mau@gmx.ch
Resultate
Unter Berücksichtigung der Genauigkeit, der Ansprechzeit sowie der Einfachheit des Einbaus eignen
sich beim untersuchten Traktor das Spannungssignal
des Handgashebelpotentiometers sowie das Lastund Kraftstoffverbrauchssignal auf dem CAN-Bus am
besten zur Bestimmung des aktuellen Lastzustandes.
Da der Versuch unter Laborbedingungen mit teilweise
sehr teuren Messgeräten durchgeführt wurde, muss
bei der Auswahl der Methoden den Kosten sowie der
Feldtauglichkeit (Erschütterungen, Klimaeinflüsse
etc.) der Messgeräte speziell Beachtung geschenkt
werden.
VA
Auf dem fertigen Kraftstoffsparmonitor soll der
aktuelle Betriebspunkt (Drehzahl und Drehmoment)
mit einer Markierung sowie die unterschiedlichen
Wirkungsgradbereiche mit verschiedenen Farben dargestellt werden. Die vorliegende Arbeit, welche im
Auftrag der Agroscope, dem Kompetenzzentrum des
Bundes für landwirtschaftliche Forschung, verfasst
wurde, beschäftigt sich mit den Grundlagen für einen
solchen Kraftstoffsparmonitor im Allgemeinen, sowie
speziell mit der dazu nötigen Erfassung der Messwerte
Drehzahl und Drehmoment (Last). Die Messung der
Drehzahl ist unproblematisch, das Drehmoment hingegen kann mangels einfacher Zugänglichkeit bei
Traktoren nicht direkt gemessen werden. Aus diesem
Grund muss auf indirekte Methoden zur Bestimmung
zurückgegriffen werden.
Ausgangslage
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Entwurf eines Kraftstoffsparmonitors
BE
Vergleich der Methoden
BI
Da es zu diesem Thema bisher nur wenige Untersuchungen gibt, wurden zuerst verschiedene Möglichkeiten zur indirekten Drehmomentbestimmung evaluiert.
Die gewählten Varianten wurden anschliessend mit
einem Traktor in einem Versuch an der Zapfwellenbremse geprüft und miteinander verglichen. Dazu
wurden die Messkurven mittels linearer Regression
BU
Vorgehen
ti.bfh.ch/book2014
Hilfsrahmen Baukasten, Konstruktion und Analyse
von LKW mit Kranaufbau
Betreuer: Prof. Hansueli Feldmann, Prof. Heinrich Schwarzenbach
Experten: Philippe Burri (SCAN Neuchâtel), Alfred Leuenberger (MAN trucks and bus)
Industriepartner: Notterkran AG, Boswil
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Um sperriges Material zu entladen werden immer wieder Lastwagen mit
Kranaufbauten benötigt. Die Notterkran AG aus Boswil produziert seit
nunmehr 50 Jahren Hilfsrahmen für solche Aufbauten. Um die Entwicklung solcher Hilfsrahmen voranzutreiben, erstellten wir ein neues Konzept, welches den Biege- und Torsionsanforderungen gerecht wird. Es
wurde besonders auf einen modularen Aufbau Wert gelegt, der auf unterschiedliche Lastwagen aufgebaut werden kann.
Christian Meyer
christian_meyer_17
@hotmail.com
Severin Sperdin
+41 76 588 75 64
Ergebnisse
Um auf dem Schweizer Markt konkurrenzfähig zu bleiben und neue Lösungen zu entwickeln, beauftragte
uns die Firma Notterkran AG aus Boswil mit der Verbesserung der bestehenden Hilfsrahmen. Das neue
Konzept soll komplett aus Blechen zusammengebaut
werden, dies ist eine Innovation in diesem Bereich.
Ausserdem soll es nicht, wie bisher, dem Verlauf des
Lastwagenrahmens folgen, sondern auf einer vordefinierten Breite gerade verlaufen. Dies erfordert neue
Befestigungen, die den Belastungen standhalten.
Das neue Konzept entspricht den erwähnten Anforderungen. Um es auf möglichst viele Lastwagen verwenden zu können, wurde der Hilfsrahmen in unterschiedliche Module aufgeteilt, die je nach Anwendung zum
Einsatz kommen. Das hinterste Modul kann in der Länge dem vorhandenen Lastwagen angepasst werden.
Der Übergang der Module erfolgt über einen Stufe, damit die Schweissnähte versetzt angebracht werden.
Die Halter wurden neu konstruiert und auf die maximale Belastung ausgelegt, dabei wurde auf eine einfache Konstruktion geachtet. Der neue Hilfsrahmen ist
um 20% leichter und weist gleichgute Biege- und Torsionseigenschaften wie das bestehende Konzept auf.
Dies wurde durch Verwendung von 6 mm dicken Blechen und einer optimalen Platzierung der Verstärkungen, sowie Anbringung von Rippen in den Flächen erreicht. Im Kranbereich, welcher stärker belastet wird,
befindet sich eine Erhöhung des Hilfsrahmens, welche
mit 10 mm dicken Blechen verstärkt wird. Dadurch
konnten Aussparungen gemacht werden, durch welche
Leitungen und Kabel verlegt werden können.
Entwicklung
Nach einer Messung an einem aufgebauten Lastwagen-Kran konnten wir den Ist-Zustand festlegen und
auf diesem aufbauen. Dazu wurden einige Simulationen in Siemens NX 8.0 berechnet. Ein 1D Modell des
vermessenen Krans mit Lastwagen wurde gezeichnet,
simuliert und an die Messdaten angepasst. Die gewonnenen Erkenntnisse konnten dann in ein 2D Modell
übernommen werden, bei welchem die Spannungen
besser zu beobachten sind. Mit Erkenntnissen aus der
Profilanalyse, welche parallel erfolgte, konnte ein eigenes Konzept entwickelt werden. Aufgebaut auf die
2D Simulation analysierten und verglichen wir dieses
mit der bestehenden Ausführung. Parallel wurden ein
1:4 Modell des Konzeptes gebaut, das die Wirkungen
des Kranes auf den Hilfsrahmen aufzeigt.
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s.sperdin@gmail.com
Ausgangslage
Messung an einem Scania Lastwagen
ti.bfh.ch/book2014
Konzept Hilfsrahmen Baukasten
Suspensions adaptatives
Domaine spécialisé: Mécatronique
Partenaire du projet: SCOTT SPORTS SA, Givisiez
Les VTT n’ont cessé d’évoluer depuis les années 90. Passant d’un cadre et
d’une fourche en acier, avant d’être équipés d’une suspension à l’avant
puis à l’arrière, pour obtenir finalement des produits hi-tech composés de
matériaux composites et de suspensions à trois positions. Scott désire
constamment améliorer ses produits, c’est pourquoi elle voulait approfondir ses recherches dans le domaine des suspensions adaptatives en faisant
appel à la filière automobile de la BFH.
Ainsi, la première étape du projet consistait à équiper
un vélo tout terrain de nombreux capteurs dans le but
de pouvoir déterminer les senseurs essentiels pour
faire fonctionner le prototype. Ce n’est pas moins
d’une quinzaine d’éléments qui furent installés et dont
il fallut analyser toutes les données.
tions d’intégration des capteurs sans négliger des critères comme le remplacement des batteries ou l’accès
pour la manutention.
Après tout ce travail, le prototype a pu être développé.
En plus des capteurs, celui-ci est équipé d’un boitier
de gestion intégrant une interface de signalisation
composé d’un écran et de leds. Cela permet à l’utilisateur de constater les changements des réglages des
suspensions pendant les essais. Malheureusement, les
photos du système ne peuvent pas être divulguées
pour cause de confidentialité, mais nous espérons que
vous pourrez retrouver dans les années à venir des vélos équipés d’une telle gestion, car cela peut amener
un vrai plus au cycliste.
Ces analyses ont permis de valider la logique de fonctionnement définie lors du projet de semestre en limitant les capteurs nécessaires au nombre de cinq. À
partir de ce moment, la réalisation d’un prototype
pouvait commencer. Mais Scott avait formulé des critères bien précis pour la conception de celui-ci. Une
liaison sans fil devait être utilisée pour la communication entre les capteurs et le boîtier de gestion. En effet, le vélo tout terrain est un sport confronté à des
exigences extrêmes, comme la projection de boue ou
les chocs pour ne citer que ces deux exemples. Le système ne devait également pas altérer l’esthétique du
vélo. Il était donc primordial d’évaluer toutes les solu-
Julien Monod
+41 78 779 83 08
julien.monod@me.com
Damien Ricci
+41 79 748 70 31
Un premier travail de semestre a été réalisé dans le
cadre du cours de « projet en mécatronique PFMT1 »,
dont l’objectif était de déterminer la faisabilité
d’adaptation d’un système de suspensions adaptatives
sur un VTT. Le groupe devait se concentrer sur la gestion du système et non pas sur les actuateurs des suspensions. Cette première étude fut concluante pour la
firme basée à Givisiez, qui a donc voulu vérifier sur le
terrain cette étude théorique.
85
Un exemple du débattement de la fourche.
Scott Spark, le vélo destiné au système de suspensions
adaptatives.
ti.bfh.ch/book2014
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damien.ricci@gmail.com
Entwicklung eines Zweiradprüfstands
Fachgebiet: Mechatronik
Betreuer: Prof. Jean-François Urwyler
Experten: Domizia Belladelli (Centro Professionale Biasca), Joël Niklaus (Sonceboz SA)
86
Die Berner Fachhochschule besitzt einen Zweiradprüfstand. Diese Arbeit
hat sich zum Ziel gesetzt, den Aufbau zu analysieren, diesen zu ergänzen
und abschliessend den Prüfstand in Betrieb zu nehmen. Sinn und Zweck
der Analyse und Inbetriebnahme ist, den bestehenden Aufbau zu beurteilen und Vorschläge zur Verbesserung auszuarbeiten. Abschliessend sollen
mit dem modifizierten Aufbau Fahrzyklen über einen Computer simuliert
werden.
Ziel
Analyse und Erweiterung vom bestehenden Aufbau
mit anschliessender Inbetriebnahme vom Prüfstand.
Dadurch soll es möglich sein Fahrsituation in Form
eines Zyklus zu simulieren.
Ausgangslage
David Müller
Im Mechatronik Labor der Abteilung Automobiltechnik
der Berner Fachhochschule steht der Aufbau eines
Zweiradprüfstands. Dieser von der Firma EMPA entwickelte Prüfstand beinhaltet den ganzen Antrieb mit
Stromrichter und Motor, der Rolle, auf welcher das zu
prüfende Fahrzeug dreht, und den Komponenten für
den Anschluss an die Netzspannung. Der Prüfstand ist
unbenutzt, was hauptsächlich auf die veraltete Technik für die Bedienung, Steuerung und Kommunikationsschnittstellen zurückzuführen ist.
In der Anfangsphase wurden die Möglichkeiten zu
Kommunikationsschnittstelle zusammengetragen, miteinander verglichen und zum Schluss die geeignetste
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Vorgehen
ti.bfh.ch/book2014
ausgewählt. Bei der Inbetriebnahme ging es zuerst darum, eine saubere Kommunikation zwischen Prüfstand
und Computer aufzubauen. Synchron dazu wurde der
Programmcode für die Fahrzyklen Simulation erstellt.
Mittels Tests, bei welchen ein Elektroroller zum Einsatz kam, wurde eine grundlegende Analyse des Zusammenspiels von Prüfstand und Fahrzeug erstellt.
Dazu mussten Testbedingungen festgelegt werden,
welche dazu taugen eine saubere Beurteilung zu formulieren.
Resultate
Mit den Erweiterungen am Aufbau ist es nun möglich,
den Prüfstand mit LabVIEW über die CAN-Bus Schnittstelle zu steuern und Istwerte auszulesen. Fahrzyklen
können vom Benutzer über Excel generiert und einfach
ins Programm des Prüfstands eingelesen werden. Es
ist möglich mit dem Elektroroller einen Zyklus abzufahren. Mit dieser Arbeit konnte der Grundstein gelegt
werden für weiterführende Projekte im Bereich der
Auslegung und Benutzung von anderen Zweirädern.
Aufbau und Erprobung der Schadensfrüherkennung
an Verdrängereinheiten von Baumaschinen
Fachgebiet: Fahrzeugmechanik und Sicherheit
Betreuer: Breton Antoine, Prof. Gerster Bernhard
Experten: Marcacci Fabrice, Sasse Alfred
Industriepartner: Liebherr Machines Bulle SA, Bulle
Naturgemäss sind die Komponenten hydro-mechanischer Pumpen in ihrer
Lebensdauer durch Verschleiss begrenzt. Besonders bei Mining-Baggern,
welche beinahe 24/7 betrieben werden, ist ein plötzlicher Ausfall einer
Hydraulikeinheit fatal. Wenn der Bagger nicht mehr läuft, steht ein Teil
der Mine still. Aus diesem Grund hat sich Liebherr Mining Power dazu entschieden, auf einem Mining-Bagger ein umfassendes Schadensfrüherkennungssystem aufzubauen.
An der Schwingungsüberwachung als Instrument zur
Schadensfrüherkennung auf Axialkolbenpumpen wird
seit gut 30 Jahren intensiv geforscht. Trotz dutzenden
Dissertationen und Habilitationen auf diesem Gebiet
gibt es bis heute aus finanziellen wie auch praktischen
Gründen kein vergleichbares System im Serieneinsatz.
Seit knapp einem Jahr sind nun diverse preiswerte
Universal-Schwingungsüberwachungssysteme auf
dem Markt erhältlich. Unter ihnen befindet sich auch
der SmartCheck, der von der Schaeffler-Tochter FAG
verkauft wird. Dieses System, welches sich auf festeingebauten Maschinen der Grossindustrie schon bewähren konnte, soll nun Anwendung in einer extrem
beanspruchenden Umgebung (extreme Temperaturen,
Dreck, Erschütterungen und hochdynamische Betriebsbedingungen) finden.
Resultate
Mit dieser Bachelorarbeit, die auf der Projektarbeit
«Konzeption einer Schadensfrüherkennung an Axialkolbenmaschinen von Baumaschinen mittels vorhandenem, industriellem Messsystem» basiert konnte
gezeigt werden, dass eine Schadensfrüherkennung
mittels Schwingungsüberwachung soweit praktisch
durchaus machbar wäre.
Folgende Schäden konnten in einem frühen Stadium
im Prüfstand detektiert werden:
− Haarriss an der Zylindersphäre (real geschädigt)
− Haarriss an der Zylinderverzahnung (real geschädigt)
− Zylinderrollenlager mit lokalem Pitting (künstlich
geschädigt)
− Kavitation an den Zylindernieren (real geschädigt)
− Folgende Schäden konnten in einem späteren Stadium im Prüfstand detektiert werden:
− Tiefer Riss an der Zylindersphäre (real geschädigt)
− Ausschälungen an den Schwenkjochlager (real geschädigt)
Das Universal-Schadensfrüherkennungssystem erkennt einen
fortschreitenden Zylinderverzahnungsriss
Das Universal-Schadensfrüherkennungssystem FAG SmartCheck
ti.bfh.ch/book2014
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Ziel dieser Arbeit war abzuklären, ob die Schwingungsvariationen zwischen «gesundem» und «schadhaftem» Zustand der Hydraulikeinheit eine Erkennung
des drohenden Maschinenausfalls zulassen und wie
ein Einsatz des FAG SmartCheck zur Schadensfrüherkennung auf realen Baggern möglichen ist.
Folgende Schäden wären aufgrund der Signalschwankungen detektierbar, konnten aus Qualitätsgründen
mit dem FAG SmartCheck an Pos. 1 aber nicht detektiert werden:
− Axiales Kolbenspiel 0.097mm an einem Kolben
(real geschädigt)
− Axiales Kolbenspiel 0.305mm an einem Kolben
(künstlich geschädigt)
Bernard Pauchard
Das Schadensfrüherkennungssystem soll neben der
ständigen Zustandsüberwachung des Hydrauliköls auf
metallischen Abrieb eine sensible Schwingungsüberwachung beinhalten.
87
Mobile Crash-Test, Fernsteuerung für Bremse und
Motor eines Fahrzeugs
Betreuer: Prof. Jean-François Urwyler
Experten: Domizia Belladelli (Centro Professionale Biasca), Joël Niklaus (Sonceboz SA)
Industriepartner: DTC Dynamic Test Center AG, Vauffelin
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Die Firma DTC AG führt regelmässig Crash Tests durch um diverse Unfallszenarien zu untersuchen. Dafür war bis jetzt stets eine fest installierte
Anlage auf dem Firmengelände in Vauffelin notwendig. Um die Palette
an möglichen Situationen zu erweitern, erhielten wir anlässlich unserer
Bachelor Thesis den Auftrag, ein universelles System zu entwickeln, womit eine Person ein frei gewähltes Fahrzeug mit Automatikgetriebe für
Crash-Tests fernsteuern kann.
Ausgangslage
Die Fernsteuerung ermöglicht, einen Unfall an einem
frei gewählten Ort nachzustellen. Die Arbeit ist in zwei
Teile für jeweils eine Gruppe von zwei Studenten unterteilt. Unser Teil befasst sich mit der Steuerung der
Bremsanlage sowie der Regelung der Motorleistung.
Marcus Schluep
marcus.schluep@kns.ch
Die Anforderung an die Bremse ist eine Ein-/AusFunktion. Sie ist im Normalfall gelöst und wird nach
Wunsch des Bedieners oder bei einer Störung des
Systems betätigt. In jedem Fall wird dabei eine Vollbremsung ausgeführt.
Damit das Fahrzeug auf eine gewünschte Geschwindigkeit gebracht werden kann, muss die Leistung des
Motors proportional geregelt werden können. Sobald
die Notbremsung ausgelöst wird, muss zusätzlich der
Motor ausgeschaltet werden.
Die Überwachung des Systems, das Einlesen von SollWerten, sowie das Ansteuern von Aktoren werden von
einem Mikrocontroller ausgeführt, welcher auf einer
eigens entwickelten Platine integriert ist.
Ergebnis
Das System ist so aufgebaut, dass es aufgrund der
kompakten Bauweise und der Verstellbarkeit in allen
Fahrzeugen mit Automatikgetriebe eingebaut werden
kann. Auf der elektronischen Seite bietet die Einrichtung höchste Sicherheit, da bei einer Fehlfunktion der
Motor stets ausgeschaltet und eine Vollbremsung eingeleitet wird. Anschliessend kann per PC die Ursache
der Notbremsung ausgelesen werden.
Zahlreiche Fahrtests demonstrierten, dass das System
bereit ist, um den ersten Crash Test durchzuführen.
Rolf Schneider
schneiderolf@gmail.com
Die Steuerung des Fahrzeugs wird von einem System,
welches direkt auf die Pedale eingreift, umgesetzt.
Aufgrund der Anforderungen an die Bremse kann das
Bremspedal mittels Pneumatik Zylinder erfolgen. Dabei sorgen Gasdruckfedern für die Sicherheit, welche
das Fahrzeug bei einer Fehlfunktion, wie beispielsweise dem Ausfall von Druckluft oder der elektrischen
Energie, abbremsen. Für eine feine Dosierbarkeit am
Gaspedal wird ein Elektromotor mit einer Getriebeuntersetzung und einem Hebelarm verwendet.
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Umsetzung
Brems- und Fahrpedalbetätigung bereit zum Einbau ins Fahrzeug
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Pneumatik Bremszylinder mit Gasdruckfedern (1400 N)
Mehrkanal FM Modulator mit Internet-RadioAnbindung
Fachgebiet: Communication Technologies
Betreuer: Dr. Rolf Vogt
Experte: Stefan Hänggi (Armasuisse)
90
Radiostationen stellen ihr Programm über den klassischen UKW-Rundfunk
wie auch über das Internet zur Verfügung. Dies ermöglicht es den Kabelnetzbetreibern, ihre klassische Signalkette mit Aussenantenne und Frequenzumsetzer durch moderne Geräte zu ersetzen: Ein IP-to-FM-Converter
empfängt Audiosignale von einem Internet-Stream und setzt sie frequenzmoduliert um.
Ausgangslage
Dank der digitalen Signalverarbeitung werden diese
Signalketten zunehmend durch moderne und qualitativ hochwertigere Lösungen ersetzt: Die Radioprogramme werden neu mit einem Satellitenempfänger
als DVB-S-Signal empfangen, demultiplexiert und decodiert. Anschliessend werden die Audiosignale wiederum frequenzmoduliert auf der gewünschten Frequenz ausgesandt.
Diese Lösung funktioniert für alle grösseren Radiostationen, welche ihr Programm via DVB-S übertragen.
Kleinere Radiostationen bieten ihre Signale jedoch
manchmal nur im UKW-Band und als Internet-Stream
an.
BU
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Christof Baeriswyl
Kabelnetzbetreiber stellen in ihrem Versorgungsgebiet
nebst den Fernsehprogrammen auch Radio zur Verfügung. Früher erfolgte die Einspeisung der Radiosignale über einen Umsetzer mit Aussenantenne: Die Signale wurden aus dem Äther mit einer Antenne und einem
Receiver empfangen und bis auf Audio-Level demoduliert. Anschliessend wurden sie frequenzmoduliert
und auf der vom Kabelnetzbetreiber gewünschten Trägerfrequenz ausgesendet. Pro Radiosender benötigte
der Betreiber jeweils einen Receiver und einen Umsetzer – insgesamt über 80 Geräte.
Wünschenswert wäre daher ein Gerät, das mehrere
Radioprogramme als IP-Streams empfängt und frequenzmoduliert ausgibt. Das Gerät soll in der Lage
sein, die Radioprogramme im gesamten Rundfunkfrequenzbereich von 87.5 MHz – 108 MHz umzusetzen.
Konzept
Die geforderte Bandbreite von 20.5 MHz stellt hohe
Anforderungen an die eingesetzte Hard- und Software.
Der Zynq-7000 ist ein moderner System-on-Chip
(SoC), der sich aufgrund der hohen Datenverarbeitungsgeschwindigkeit für diese Anwendung anbietet.
Für die Digital-Analog-Wandlung wird ein Daughterboard benutzt, das in Verwendung mit dem Zynq Datenraten von bis zu 500MS/s umsetzen kann. Als Betriebssystem wird eine Linux-Distribution eingesetzt,
welche die IP-Streams empfängt, decodiert und die
rohen Audiosignale an das FPGA übergibt. Dort werden die Signale stereo-codiert und frequenzmoduliert.
Das Hochmischen auf die gewünschten Trägerfrequenzen wird mehrstufig realisiert, um Ressourcen im
FPGA einsparen zu können. Schlussendlich werden die
Daten digital-analog gewandelt und können nach einer
Verstärkung in das Kabelnetz eingespiesen werden.
Realisierung
Um die Entwicklungszeit zu verkürzen, wurde der
FM-Modulator in Simulink entwickelt und der Code für
das FPGA mit dem Xilinx HDL-Coder erzeugt. Dieser
Top-Down-Ansatz ermöglicht es, die komplette Signalverarbeitung in Simulink zu realisieren und zu optimieren. Desweiteren konnte die Datenübergabe vom
Betriebssystem zum FPGA realisiert und die D/AWandlung von Testsignalen erfolgreich durchgeführt
werden.
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Ausblick
Zedboard mit Zynq-7000 SoC und aufgestecktem
HF-Daughterboard
ti.bfh.ch/book2014
In einem nächsten Schritt können die verschiedenen
Komponenten zu einem Gesamtsystem zusammengefasst und in Betrieb genommen werden. Anschliessend muss das System ausgiebig getestet und ausgemessen werden um sicherzustellen, dass das Gerät die
entsprechenden Normen erfüllt.
ASIC Design, Esophageal ECG Recorder, Digitalteil
Betreuer: Dr. Marcel Jacomet
Experte: Felix Kunz
Ziel des Projekts ist, ein Produkt zu entwickeln, welches das EKG eines
Patienten über 30 Tage misst, speichert und anschliessend wiedergibt.
Durch die Messung in der Speiseröhre direkt neben der linken Herzvorkammer, kann das EKG in hoher Qualität erfasst und Herzrhythmusstörungen dadurch mit erhöhter Wahrscheinlichkeit von Ärzten diagnostiziert werden. Die Messung soll den Patienten weder bei seinen normalen
Aktivitäten behindern, noch für andere sichtbar sein.
Grobkonzept
Digitalteil
Der Katheter wird samt den Sensoren durch die Nase
in die Speiseröhre bis auf die Höhe des Herzens eingeführt. Im Katheter werden die empfangenen Signale
zur Nase übertragen, wo sie auf einem ASIC digitalisiert, komprimiert und gespeichert werden. Nach
30 Tagen kann der Speicher mit den EKG-Daten vom
ASIC getrennt und an der Dockingstation angeschlossen werden. Diese filtert die Daten und schickt sie
weiter zum PC für die EKG Darstellung. Die Datenstruktur ist für eine rasche EKG Rekonstruktion der
komprimierten Daten und deren Darstellung optimiert.
Mit einem Live-View Modus kann das EKG jederzeit
auch in Echtzeit dargestellt werden. Dazu werden die
Daten über eine RFID Schnittstelle vom Patienten ausgelesen und via Bluetooth und Dockingstation zum PC
übertragen.
Diese Arbeit beinhaltet den Digitalteil des EKG
Chip-Projekts. Dieser besteht aus einem Teil der
A/D-Wandlung, Datenkomprimierung, Datenspeicherung und Kommunikation mit dem RFID Transponder.
Die Hardware Architektur besteht aus Datenpfaden
und Zustandsmaschinen, welche in Form von VHDLCode entwickelt und implementiert wurden. Der gesamte Digitalteil bildet zusammen mit dem analogen
Teil den ASIC, welcher zusammen mit dem RFID
Transponder, dem Speicher und der Batterie in der
Nase platziert wird.
Grobkonzept des Projekts
EKG-Datenkomprimierung (Blaue Samples werden komprimiert)
91
Nicolas Balmer
BI
BE
BU
VA
Da in der Nase nicht viel Platz vorhanden ist, sind der
Speicherplatz sowie die zur Verfügung stehende Energie-Quelle im Volumen stark begrenzt. Aus diesem
Grund werden die Daten soweit komprimiert, dass vor
allem nur wenige, relevanten Samples in Krümmungsänderungen der EKG Signalformen mit hoher Auflösung gespeichert werden. Aufeinanderfolgende
Samples mit ähnlicher Steigung werden akkumuliert
und dadurch komprimiert im Speicher abgelegt.
Datenkomprimierung
ti.bfh.ch/book2014
LIDAR – Entwicklung eines Sensors zur autonomen
Roboternavigation
Fachgebiet: Embedded Systems
Betreuer: Martin Kucera
Experte: Mario Giacometto
92
Mobile Roboter benötigen zur autonomen Navigation Informationen über
ihr Umfeld. Diese Informationen können zur Bestimmung der eigenen
Position oder zur optimalen Planung von Routen verwendet werden. In
den meisten Fällen wird für die Datenerfassung ein LIDAR eingesetzt.
LIDAR (Abk. Light Detection and Ranging) beschreibt
grundsätzlich ein Prinzip zur optischen Abstands- und
Geschwindigkeitsmessung. Dabei werden elektromagnetische Strahlungen im sichtbaren oder infraroten
Bereich ausgesendet und das von einem Objekt reflektierte Licht detektiert. Aus der Laufzeit und der Ausbreitungsgeschwindigkeit des Lichtes kann der Abstand berechnet werden.
Ziel der Arbeit
Dieses Projekt befasst sich mit der Entwicklung eines
LIDARs, welches zum Erfassen von zweidimensionalen Umgebungskarten eingesetzt werden kann. Das
Ziel dieser Arbeit ist ein kostengünstiges und funktionsfähiges System zu entwickeln und herzustellen.
Realisierung
Kevin Gerber
Während der Projektstudie wurde ein Konzept entwickelt, welches die vier Teilsysteme Kontroller, Kommunikation, Scanvorrichtung und Datenerfassung umfasst. Zur Erfassung einer Karte werden Azimut und
Abstand benötigt. Die Abstandsmessung wurde nach
dem Prinzip von Time of Flight (TOF) aufgebaut. Dabei
wird direkt die Zeitverzögerung, die das ausgesendete
Signal benötigt um zum Messgerät zurückzukehren,
gemessen. Um die sehr kurzen Laufzeiten mit einer
genügend grossen Auflösung zu messen, wurde ein
Time to Digital Converter (TDC) von ACAM eingesetzt.
BI
BE
BU
VA
Marcel Bärtschi
Darstellung einer erfassten Umgebung mit dem LIDAR
ti.bfh.ch/book2014
In der Thesis wurde das erarbeitete Konzept umgesetzt. Während den acht Wochen, die zur Verfügung
standen, wurde u.a. eine Hardware entwickelt, die
Mechanik konstruiert und die Software zur Steuerung
des kompletten Ablaufes erstellt.
Resultat
Das Endprodukt präsentiert sich als stabil laufendes
LIDAR, welches die definierten Anforderungen erfüllt.
Es können zweidimensionale Umgebungskarten mit
einer Azimutauflösung von 1.8° erfasst werden. Hindernisse werden in einem Bereich zwischen 20 cm
und 3 m erkannt, deren Abstand mit einer Standardabweichung von ca. 2 cm bestimmt werden kann. Die
erfassten Koordinaten können mit der LIDAR Testing
App als Karte dargestellt werden.
Golfballspender TeeMe
Fachgebiet: Embedded Systems / Industrial Automation and Control
Betreuer: Michael Held, Urs Mori
Experte: Josef Meyer
Der Einstieg ins Golfspiel ist besonders schwer, da man zuerst die nötigen
Fertigkeiten im Abschlag erlangen muss. Wie aber findet man die ideale
Haltung beim Abschlagen des Balls, wenn sich der Spieler ständig bücken
muss um den Golfball zu platzieren und er keine Information über die
Qualität seines Abschlags erhält?
Auf diese Fragen soll es eine Antwort geben: Der automatische Golfballspender und Abschlagtrainer TeeMe.
Vorgehen
Als Leitfaden für die Bachelor Thesis diente das Projektmanagement, in welchem die Zeitplanung, die
Projektstrukturierung und der Aufbau der Arbeit definiert wurde. Massgebend für den Erfolg des Projekts
war das Ausarbeiten des Messkonzepts. Dieses musste
durch einen zweiten Radarsensor erweitert werden,
weshalb auch die ganze Auswertung der Messdaten
änderte. Um mit einem funktionierenden Messaufbau
arbeiten zu können, musste zuerst die nötige Hardware evaluiert, beschafft und ergänzt werden. Nach
dem Fertigstellen des Softwaredesigns, konnte mit
dem Implementieren der Software begonnen werden.
Erst danach konnte die Funktionalität, die Stabilität
und das Zusammenspiel der verschiedenen Aktoren
durch Funktionstests kontrolliert werden. Während
der ganzen Arbeit wurde ein Laborjournal geführt, um
die Entscheidungen und Gedanken zu einem späteren
Zeitpunkt reproduzieren zu können.
Simon Kohler
BE
Die Hauptaufgabe bestand in der Auswertung der
Sensorsignale zur Angabe von Abschlagwinkel, Geschwindigkeit und Abschlagweite. Dazu gehören das
Ansteuern des Displays und dessen Bedienelemente.
Ebenfalls soll die Ansteuerung der Aktoren zur Ballfreigabe und zur Höheneinstellung des Tees umgesetzt
werden. Optional soll es ein Speichermanagement für
die Abschlagdaten geben und eine Datenübertragung
auf ein externes Speichermedium möglich sein. Um
die gespeicherten Daten zuordnen zu können, soll eine
Benutzerverwaltung implementiert werden.
BI
Aufgabenstellung
Marc Beutler
Die Bearbeitung dieses Projekts hat gezeigt, dass das
erarbeitete Messkonzept in dieser Form zwar theoretisch funktioniert, es in der Praxis aber nicht zuverlässig realisiert werden kann. Das verwendete Messkonzept der Thesis beruht auf zwei Radarsensoren,
welche Informationen über Geschwindigkeit und Distanz zum bewegenden Objekt liefern. Lösungsideen
für Umsetzungsalternativen sind vorhanden, konnten
aber in der gegebenen Zeit nicht überprüft werden.
Als Endprodukt dieser Bachelor Thesis liegt die Evaluation und Beschaffung der benötigten Hardware,
deren Ergänzung, sowie eine vollfunktionsfähige Ballnachführung und die Auswertungs-Software als solide
Basis für weiterführende oder abschliessende Arbeiten vor.
VA
Resultat
Die Bachelor Thesis baut auf die zwei vorangegangenen Arbeiten «Projektarbeit 1: Golfballspender – TeeMe» und der gleichnamigen Projektstudie auf und
führt die Arbeiten am Golfballspender TeeMe weiter.
In der Projektarbeit 1 von A. Breu und S. Kohler wurde
ein Messkonzept für einen Golfabschlag entwickelt,
mit dem die Ballgeschwindigkeit und der Abschlagwinkel bestimmt werden können. Darauf aufbauend
wurde in der Projektstudie von M. Beutler und S. Kohler das Messkonzept anhand von Messungen und Berechnungen überprüft und verbessert. Aufbauend
auf diesen Resultaten wird die Bachelor Thesis von
M. Beutler und S. Kohler durchgeführt.
BU
Ausgangslage
93
ti.bfh.ch/book2014
Brew Helper
Betreuer: Prof. Dr. Elham Firouzi
Experte: Michael Anderegg (Fasnacht AG)
94
Beim Bierbrauen muss die Maische - ein Wasser-Malzgemisch - erhitzt und
während bestimmten Zeiten auf einem definierten Temperaturniveau gehalten werden. Im Hobbybereich arbeitet man häufig mit Gasbrennern,
welche jedoch keine direkte Temperaturregelung aufweisen. Die Schwierigkeit besteht darin, den Brauprozess aufgrund der ständig nötigen Temperaturüberwachung genau einzuhalten. Deshalb wurde während Projektstudie und Bachelor Thesis ein Hilfsgerät dafür entwickelt.
Die Arbeit kann in drei Abschnitte unterteilt werden:
Sensorevaluierung
Diese Thermistoren weisen exponentielles Verhalten
auf, weshalb eine Linearisierung notwendig ist. Ein
Grossteil davon kann softwaremässig gelöst werden.
Es bleibt jedoch ein analoger Teil, den es zu entwickeln galt. Der vom Sensor gelieferte Wert wird von
einem Ultra-low-power Mikrocontroller über dessen
A/D-Wandler ausgelesen. In diesem Teil entwarf ich
die Schaltung und das Layout der Platine.
Softwaredesign
Die Software wurde mit FreeRTOS implementiert. Der
Mikrocontroller kommuniziert über UART mit dem
Computer, wobei ein FTDI-Chip dazwischen geschaltet
ist. Ein solcher ermöglicht es, eine serielle Schnittstelle über USB verfügbar zu machen. Die Bedienung
erfolgt mit dem Programm «hterm», mit welchem sich
Kommunikationsdaten anzeigen und versenden lassen.
BU
VA
Adrian Blaser
Während der Projektstudie wurde ein geeigneter Sensor evaluiert. Dabei mussten die Vorteile gegen die
Nachteile abgewägt werden. Im Bereich der Prozessund Verfahrenstechnik sind Pt100-Thermistoren häufig die erste Wahl, da sie sehr genau sind, ihr Widerstand linear mit der Temperatur zunimmt und sie
nahezu keine Alterung aufweisen. Der einzige Nachteil
ist ihr Preis, der ab CHF 100.– angesetz wird. Weil ein
Hobbybierbrauer kaum so viel Geld nur für einen
Sensor ausgeben wird, entschied ich mich für einen
NTC-Thermistor (Negative Temperature Coefficient).
Wie die Bezeichnung schon sagt, nimmt sein Widerstand bei steigender Temperatur ab.
Hardwaredesign
BI
BE
Brew Helper mit Sensor
ti.bfh.ch/book2014
entwickelte Mikrocontrollerplatine
Audio Feedback
Fachgebiet: ICT / Technische Informatik
Betreuer: Dr. Rolf Vetter
Experte: Prof. Dr. Dr. Martin Kompis (Inselspital)
Industriepartner: Inselspital Bern, Audiologische Station
AudioFeedback ist eine Android-Applikation zur Messung von Rückkopplungssignalen elektronischer Hörhilfen. Mit der Applikation kann man
in Echtzeit eine spektrale Analyse eines Audiosignals durchführen. Verschiedene Analysemethoden (Fast Fourier Transformation, Welch, Burg)
stehen zur Auswahl. Das System identifiziert auftretende Peaks und zeigt
die Frequenz an. Das analysierte Spektrum lässt sich mit persönlichen
Daten und Notizen versehen und als .pdf-Datei abspeichern.
Moderne Hörgeräte verfügen heutzutage vielfach über
eingebaute Mechanismen zur Unterdrückung der
Rückkopplung. Damit diese jedoch korrekt eingestellt
werden können, muss die Rückkopplungsfrequenz
bekannt sein.
Im vorliegenden Projekt wurde nun ein System entwickelt, mit dessen Hilfe die Rückkopplungsfrequenzen
während dem Einstellprozess einfach und unkompliziert gemessen und dargestellt werden können. Das
Projekt wurde von der Audiologischen Station des
Inselspitals Bern an die Berner Fachhochschule BFH
in Auftrag gegeben und im Rahmen der Bachelor
Thesis von zwei Studenten der BFH abgewickelt.
Das entwickelte System basiert auf einem Smartphone, das mit einem Android-Betriebssystem funktioniert. Die Aufzeichnung der Audiodaten erfolgt über
das eingebaute Mikrofon am Gerät. Nach der Transformation des Signals in den Frequenzbereich, respektive nach der Berechnung des Leistungsdichtespektrums, wird das Resultat fortlaufend als Graph in der
Frequenzdomäne angezeigt. Zur Bestimmung der Leistungsdichte kann der Benutzer zwischen der traditionellen Schätzmethode nach Welch oder der parametrischen Schätzung nach Burg auswählen.
Pascal Boss
+41 79 335 10 03
Bei auftretenden Frequenzspitzen, wie dies bei einem
Rückkopplungspfeifen typisch der Fall ist, wird dem
Benutzer die Mittenfrequenz angezeigt. Bei Bedarf
kann dieser ein Abbild des Graphen, ergänzt mit Name,
Vorname, Geschlecht und Geburtsdatum des Patienten sowie weiteren Notizen als .pdf-Datei abspeichern.
Die Daten der Patienten werden in einer Datenbank
gehalten und sind somit wiederverwendbar.
pa.boss@lacsap.ch
David Schumacher
+41 79 438 78 66
Eine Rückkopplung wird ausgelöst, wenn das vom Hörgerät ausgegebene Signal vom Hörer (Lautsprecher)
an das Mikrofon gelangt und erneut verstärkt wird.
Diese Rückkopplung ist für den Träger und die Umwelt
äusserst unangenehm. Vielfach ist dieser Effekt nur
unter bestimmten Bedingungen wie einer bestimmten
Kopfhaltung, beim Tragen eines Hutes oder ähnlichem
feststellbar.
95
BI
BE
BU
VA
schumacher.david@gmx.de
Anzeige des Leistungsdichtespektrums
ti.bfh.ch/book2014
Low Power Asynchronous ASIC Design
Fachgebiet: Elektro- und Kommunikationstechnik, System-on-Chip
Experte: Felix Kunz
96
Bei vielen Applikationen im biomedizinischen Bereich ist es nicht möglich
die Energieversorgung zu erneuern. Durch den zunehmenden Einsatz von
Sensoren und Implantaten ergibt sich daraus ein steigernder Bedarf nach
ultra low-power Designs.
Ein möglicher Ansatz für solche Designs ist die Realisation mittels asynchroner Schaltungsprinzipien.
Einleitung
Realisierung
Das Projekt zur Entwicklung eines langzeit Speiseröhren EKG stellt aufgrund des extrem limitierten Platzangebots grosse Anforderungen an das Volumen und
somit an den Energie- und Speicherbedarf der gesamten Schaltung.
Es wurden mögliche Ansätze zur Implementation eines Stromsensors für einen ASIC in einem 0.35μm
CMOS-Prozess untersucht, und Auswerteschaltungen
für die Detektierung des Operationsendes entwickelt.
Aktuelle Wissenschaftliche Publikationen zeigten,
dass die Entwicklung von leistungssparenden Schaltungen mittels asynchroner Logik möglich ist.
Anhand von Simulationen auf Transistorebene wurde
die Funktion überprüft, und für verschiedene Testszenarien die Leistungsaufnahme per Simulation bestimmt und mit einer synchronen Schaltung verglichen.
Dominik Brügger
In dieser Thesis wurden Möglichkeiten für die Realisation asynchroner Logik mittels current sensig completion detection untersucht.
Beim Prinzip der current sensig completion detection
wird der Stromverbrauch eines Logikblockes überwacht, und sobald dieser abfällt die Beendung der
Operation erkannt. Anhand dieser Beobachtung lassen
sich die für die asynchrone Schaltungstechnik benötigten Handshake-Signale generieren.
Resultate
Es konnten zwei funktionierende Strommonitore und
die dazugehörende Generierung der Handshake-Signale für die asynchrone Operation entwickelt werden.
Die beiden Schaltungen wurden benutzt um einen
16-Bit Ripple-Carry-Addierers zu überwachen und zu
steuern. Dabei wurde der Energieverbrauch für verschiedene Szenarien ermittelt.
Anhand der Resultate konnte gezeigt werden, dass
mithilfe der asynchronen Schaltungstechnik der Energieverbrauch zum Teil deutlich gesenkt werden kann.
BI
BE
BU
VA
dominik.bruegger@gmail.com
Blockdiagramm einer asynchronen Pipeline mit CSCD
ti.bfh.ch/book2014
18A Solar Water Pump Motor Design
Fachgebiet: Drive Systems
Experte: Peter Baumann (drivetek ag)
Industriepartner: ennos gmbh, Biel
Derzeit gibt es immer noch eine Vielzahl von Menschen, die keinen Zugang
zu fliessendem Wasser haben. Die ennos gmbh – ein Spin-off der Berner
Fachhochschule – entwickelt Solarwasserpumpen für Schwellen- und Entwicklungsländer. Diese solarbetriebenen Systeme können als Trinkwasseroder Bewässerungspumpen eingesetzt werden. Die Pumpen stellen so
die Bewässerung der Felder sicher oder versorgen beispielweise Spitäler
mit den notwendigen Wassermengen.
BI
Die Geometrie für Stator- und Rotorpaket konnte mit
FEM-Simulation sukzessive optimiert werden. Die definitive Geometrie überzeugt mit maximalem Drehmoment bei gleichzeitig minimalen Eisenverlusten
und erfüllt die Vorgabe für einen hohen Wirkungsgrad.
Zudem eignet sich die Geometrie für beide Pumpensysteme, wobei der magnetische Fluss in den Eisenpaketen bei beiden Anwendungen annähernd identisch
ist. Für beide Pumpensysteme können die gleichen
Spulen verwendet werden. Die Wicklung unterscheidet sich lediglich in der Verschaltung der Spulengruppen. Simulationen von beiden Pumpensystemen zeigen effiziente Wirkungsgrade, die aber noch nicht mit
Messungen belegt werden können. Für beide Systeme
wurde ein Prototyp hergestellt; es wurden entsprechende Motorparameter messtechnisch ermittelt. Die
von den Berechnungen abweichenden Messresultate
können auf Fertigungseffekte zurückgeführt werden.
Erste Empfehlungen für Verbesserungen durch gewonnene Erkenntnisse während der Messungen können
in dieser Arbeit bereits abgegeben werden. Tests im
Motorbetrieb stehen noch aus.
kilianbrunner@bluemail.ch
Ergebnisse und Ausblick
Kilian Brunner
VA
Im Rahmen dieser Bachelor-Thesis soll ein wirkungsgradoptimierter, permanentmagneterregter Synchronmotor für die geforderte Nennleistung in der IEC-Baugrösse 80 entwickelt werden. Zudem soll das Design
des Motors, ohne grosse Divergenz, für zwei verschiedene Pumpensysteme mit unterschiedlicher Drehzahl
anwendbar sein. Die Optimierung der Geometrie für
Stator- und Rotorpaket sowie die Auslegung der Wicklung erfolgt mit FEM-Analyse. Als Ergebnis der optimierten Geometrie soll, zur messtechnischen Untersuchung und Verifizierung der Modellierung und
Simulation, ein Prototyp hergestellt werden. Die Bereitstellung der erforderlichen Unterlagen zur Herstellung des permanentmagneterregten Synchronmotors
ist auch Gegenstand dieser Arbeit.
BU
Ziel der Arbeit
Es existieren aktuell mehrere Systeme, die alle im Bereich von 100 W – 400 W Spitzenleistung arbeiten.
Diese können Wasser aus Grundwasser-Brunnen in Lagertanks pumpen, welches als fliessendes Trinkwasser
oder zu Bewässerungszwecken in der Landwirtschaft,
für Grundstücke die bis zu einem Hektar gross sind,
genutzt werden. Zudem wird bei allen aktuellen Entwicklungen die Rotorposition der bürstenlosen DCMotoren zur Kommutierung der Phasenströme mit
Hall-Sensoren erfasst. Die bestehenden Produkte sind
jedoch für gewisse landwirtschaftliche Anwendungen
zu schwach. Es besteht der Bedarf nach einem leistungsstärkeren System, welches in der Lage ist, zwischen 10 m – 15 m Ansaughöhe zu überwinden und
rund 60 m – 70 m in die Höhe zu pumpen, oder eine
sehr viel höhere Wassermenge zu fördern. Die neue
Version 18A Solar Water Pump soll die geforderte
Abgabeleistung an der Pumpe von 750 W erbringen.
Darüber hinaus möchte man auf die Hall-Sensoren zur
Bestimmung der Rotorposition verzichten. Der Verzicht von paralleler Sensorrückführung und die damit
verbundenen Störungen durch die Leistungsleitung
würde lange Motorkabel erlauben. Somit könnte das
System auch als Tauchpumpe eingesetzt werden.
BE
Ausgangslage
97
ti.bfh.ch/book2014
Breitband-Umsetzer
Betreuer: Prof. Dr. Rolf Vogt
98
DAB-Repeater verarbeiten Signale. Die bisher entwickelten Repeater
können jedoch nur in einem definierten und somit eingeschränkten Bereich Signale empfangen. Der Wunsch nach einer universell einsetzbaren
Lösung verlangt eine Möglichkeit Frequenzen bis 2 GHz umsetzen zu
können. Konkret handelt es sich um einen universell einsetzbaren Breitband-Repeater, der entwickelt wurde.
Konzept
Ziel dieser Arbeit war die Realisierung eines Empfangs- und Sendeteils für den DAB-Repeater, der in einer früheren Bachelor-Thesis entwickelt wurde. Das
frei konfigurierbare FPGA, welches im Repeater für
die digitale Signalverarbeitung eingesetzt wird, wäre
auch in der Lage andere Funkstandards zu verarbeiten. Deshalb entstand die Fragestellung, ob eine Umsetzerstufe entwickelt werden kann, die höhere Frequenzbereiche empfangen und verarbeiten könnte.
Der Empfangsteil sollte diese Frequenzen auf eine
Zwischenfrequenz von 200 MHz umsetzen können.
Diese Signale werden anschliessend dem DAB-Repeater zugefügt, verarbeitet, verstärkt und dem Sendeteil übergeben. Die Aufgabe des Sendeteils ist es,
die Signale von der Zwischenfrequenz wiederum auf
die empfangene Frequenz zwischen 0 und 2 GHz umzusetzen. Weil der Repeater universell einsetzbar sein
soll, sollten dessen Spezifikationen punkto Grosssignalfestigkeit und Unterdrückung von Störsignalen
möglichst gut sein. Diese Forderungen lassen sich am
besten mit der Tiefband-Mehrfachsuperhet-Struktur
umsetzen
In der vorangehenden Projektstudie wurde ein Lösungskonzept entwickelt. Dieses sieht vor, dass im
Empfangsteil zuerst auf eine Zwischenfrequenz von
2450 MHz umgesetzt wird und erst anschliessend auf
die geforderten 200 MHz heruntergemischt wird. Mit
diesem Vorgehen lassen sich die Spiegelfrequenzen
mit einem einfachen Tiefpassfilter unterdrücken.
Beim Sendeteil werden zuerst die 200 MHz Zwischenfrequenz auf 2450 MHZ umgesetzt und anschliessend
auf die gewünschte Sendefrequenz heruntergemischt.
Ergebnisse
Es konnte eine Mischerstufe entwickelt, in Betrieb genommen und ausgemessen werden. Diese kann Frequenzen zwischen 100 MHz und 1.95 GHz verarbeiten.
Des Weiteren wurde in dieser Arbeit versucht ein Filter mit diskreten Komponenten zu entwickeln, das
eine Durchlassfrequenz von 2 GHz und eine Sperrfrequenz von 2.6 GHz mit einer Dämpfung von 40 dB aufweist. Diese Vorgaben konnten jedoch nicht mit nur
einem Tiefpass zu erreichen. Deshalb wurden zwei
Tiefpassfilter nacheinander geschaltet, mit diesen es
nun möglich ist diese Vorgaben zu erreichen.
Das Rauschmass liegt beim Sendeteil zwischen 8 und
2.6 dB, wobei durch Optimierungen das Rauschen
noch weiter reduziert werden könnte. Die Verstärkung
des Eingangssignals liegt zwischen 14.8 und 3.6 dB.
Die Verstärkung ist sehr stark von der Frequenz abhängig: Je höher die Frequenz, desto tiefer die Verstärkung und somit wird auch das Rauschen grösser.
BE
BU
VA
Michel Burkhard
Ziel der Arbeit
BI
Blockschaltbild des Empfangsteils
ti.bfh.ch/book2014
Das Rauschmass liegt beim Sendeteil zwischen 17.8
und 19.2 dB, wobei auch bei diesem Teil durch Optimierungen das Rauschen reduziert werden könnte.
Die Verstärkung liegt zwischen 14.8 und 2.5 dB, welche sehr stark von der Frequenz abhängig ist. Resultierend kann gesagt werden, dass die Spezifikationen
grösstenteils der Vorgabe entsprechen.
Elektrischer Antrieb für ein Motorkunstflugzeug
Fachgebiet: Elektrotechnik
Betreuer: Prof. Urs Muntwyler, Prof. Markus Moser, Prof. Dr. Andrea Vezzini
Experte: Christian Badertscher (drivetek ag)
Industriepartner: MSW Aviation AG , Wohlen
In der Kunstflugszene werden veraltete Verbrennungsmotoren verwendet.
Gerade in der Schweiz wird es zunehmend schwieriger den Motorkunstflug
auszuüben. Der Elektroantrieb stellt für diese Flugzeugsparte eine mögliche Alternative dar. Im Rahmen der Bachelorthesis wurde ein Konzept für
den Motor und den Wechselrichter entwickelt. Das dabei erlangte Wissen
dient als Grundlage für ein weiterführendes Projekt im Bereich «Elektrische Antriebstechnik für Motorkunstflugzeuge».
Steven Dünki
Kunstflug, wie er heute praktiziert wird, braucht vor
allem eines: möglichst viel Leistung.
Da es heute keine so leistungsfähigen Antriebe für
diesen Zweck auf dem Weltmarkt zu kaufen gibt,
wurde beschlossen, ein Antriebsystem selber auszulegen und herzustellen. Die Herausforderung bestand darin, eine möglichst hohe Ausgangleistung
bei einem minimalen Gewicht zu erzielen. Der elektrische Antrieb beinhaltet insgesamt drei Komponenten:
Motor, Wechselrichter und Akkumulator.
Als erster Schritt erfolgte die Motorenauslegung inklusive Simulation mittels FE-Methode zur Generierung
der ersten Leistungsdaten des Motors. Parallel dazu
entstand das elektrische und mechanische Konzept für
den Wechselrichter.
Patrick Wälti
VA
Die Ergebnisse aus der Projektstudie haben als Basis
für das Antriebskonzept gedient.
stevenduenki@hotmail.com
BU
Der Kunstflug dient nicht der reinen Befriedigung des
Piloten, sondern erhöht seinerseits die Flugsicherheit
und die Flugfertigkeit. Dank dem Kunstflug können
alle Fluglagen des Flugzeuges trainiert und ganz gezielt unter Kontrolle gebracht werden. Dank dem Elektroantrieb können Trainigseinheiten im Motorkunstflug praktisch emissionsfrei und mit deutlich tieferer
Lärmbelastung durchgeführt werden.
Während der Projektstudie und der Bachelorthesis
wurde ein Konzept für einen elektrischen Antrieb erarbeitet und der Einsatz in einem Motorkunstflugzeug
überprüft. Das Resultat der Arbeit zeigt, dass es mit
gewissen Einschränkungen möglich ist, eine deutliche
Leistungssteigerung gegenüber den heute verwendeten Verbrennungsmotoren zu erzielen, dies dank der
deutlich höheren Energiedichte des elektrischen Antriebsystems, die heute über sehr gute Wirkungsgrade
verfügen. Als grösste, momentane Einschränkung
muss klar die kurze Flugdauer von rund 15 min. angesehen werden. Die zurzeit erhältlichen Akkumulatoren
sind mit ihrer Energiespeicherung leider noch stark
eingeschränkt. Überlandflüge mit solch einem Antriebskonzept sind noch unrealistisch. Für ein 10 minütiges Kunstflugprogramm ist das elektrische Antriebskonzept jedoch eine erste akzeptable Alternative
zum Verbrennungsmotor.
BE
Für den Motorkunstflug stehen bis heute ausschliesslich Verbrennungsmotoren zur Verfügung. Die Geschichte dieser Flugmotoren beginnt in den Anfängen
des 19 Jahrhunderts, wobei gerade die Technik des
Boxermotors bis heute gleich geblieben ist. Diese Konstruktion und Antriebsausführung hat sich bis heute in
Bezug auf Zuverlässigkeit und Robustheit bestens bewährt und wird in nahezu allen Kleinmotorflugzeugen
verwendet. Die Technik dieser Motoren ist jedoch
längst nicht mehr zeitgemäss. Der Treibstoff muss mit
Blei versetzt werden, um eine tadellose Funktionsweise zu garantieren, womit diese Antriebe stark umweltbelastend sind. Gleichzeitig wird es durch die
strengeren Auflagen betreffend Lärmemissionen immer schwieriger, mit Kleinflugzeugen auf Flugplätzen
mit nahen Siedlungsgebieten zu fliegen und zu landen.
99
BI
Motorkunstflugzeug der Firma MSW Aviation AG, welches mit
einem elektrischen Antrieb ausgerüstet werden soll.
ti.bfh.ch/book2014
Messsystem für die Batteriezellen-Überwachung
Fachgebiet: ICT
Betreuer: Peter Aeschimann
Experte: Mario Giacometto (Aastra Telecom Schweiz AG)
100
Das Verlassen des Betriebsbereiches einer Batteriezelle kann gravierende
Folgen haben. Deshalb wird hier ein Batteriemanagementsystem entwickelt, welches mit einer zellenscharfen Überwachung funktioniert, universell einsetzbar ist, dezentral konfiguriert und überwacht werden kann.
Ausgangslage
Philipp Eder
In der Photovoltaik werden vermehrt Batterien verschiedener Bauart als Zwischenspeicher für die elektrische Energie eingesetzt. Wenn eine der Batteriezellen während dem Betrieb nicht mehr richtig funktioniert, ist es schwierig, dies zu erkennen, da nur die
Gesamtspannung und das Lade- und Entladeverhalten
der Batterie bekannt ist. Besonders bei den häufig
eingesetzten Lithium Ionen Batterien kann das Verlassen des Betriebsbereichs einer Zelle bis zur Explosion
führen.
philipp.eder@bluewin.ch
integrierten SPI-Schnittstelle können mehrere Chips
gekoppelt werden, was einen flexiblen und dezentralen Einsatz des Systems für bis zu 200 Zellen ermöglicht. Zudem kann das System über die SPI-Schnittstelle konfiguriert und ausgewertet werden. Wobei
sich die Kommunikation dank der lokalen Verarbeitung auf das Wesentliche beschränkt.
Als Benutzerschnittstelle wurde eine auf einem Server
laufende Internetseite definiert. Für diese Aufgabe
wurde der kostengünstige Minicomputer Raspberry Pi
mit seinem Linux Betriebssystem ausgewählt.
Die Aufgabe bestand darin, ein kostengünstiges Batteriemanagementsystem zu realisieren, das bis zu 200
Zellspannungen überwachen kann. Dazu wurde in der
Projektstudie ein geeignetes Embedded System mit
Hardwarekomponenten zur Messung der Zellspannungen und Softwarekomponenten als Benutzerschnittstelle evaluiert.
Ergebnis
Das entwickelte Batteriemanagementsystem wurde
mit 2 Batterien à 3 Zellen erfolgreich in Betrieb genommen und getestet. Es konnte ein Gesamtsystem
geschaffen werden, welches grosse Chancen für eine
Weiterverwendung besitzt.
Konzept
Philippe Löffel
Der neue hochintegrierte Chip AS8506 der Firma AMS
bietet durch lokale Zellen- und Temperaturüberwachung eine einfache und robuste Lösung für die Entwicklung eines Batteriemanagementsystems. Mit der
loffp1@bfh.ch
BI
BE
BU
VA
Aufgabe
Gesamtsystem
ti.bfh.ch/book2014
AS8506 der Firma AMS
Innovativer Signalklassifikator
Industriepartner: PLATH AG, Bern
Die drahtlose Kommunikation ist aus unserem Alltag nicht mehr wegzudenken. Der zunehmende Datenverkehr birgt jedoch auch Probleme: Freie
Funkfrequenzen werden zur Mangelware und bestehende Frequenzbänder
sind immer stärker ausgelastet. Wird ein unerwünschtes (illegales) Funksignal in einem reservierten Frequenzbereich detektiert, ist es wichtig dieses zu identifizieren. Dies ist die Aufgabe eines Signalklassifikators.
Jede Modulationsart verfügt über spezifische Eigenschaften, anhand derer eine Klassifikation durchgeführt werden kann. In einem ersten Schritt gilt es, solche Eigenschaften zu finden und zu bewerten.
Anschliessend müssen diese Eigenschaften mit Hilfe
von stochastischen Mitteln untersucht werden, damit
der Klassifikationsalgorithmus anhand dieser Daten
eine Einteilung vornehmen kann.
Um geeignete Testsignale zur Verfügung zu stellen,
wurden in der Simulationsumgebung Simulink verschiedene modulierte Signale erzeugt und mit Hilfe
einer Kanalsimulation (Bandbegrenzung und Rauschaddition) den realen Übertragungsbedingungen eines
Funksignals angepasst. Eine in Matlab programmierte
grafische Benutzeroberfläche (GUI) ermöglicht dem
Benutzer eine automatisierte Signalsimulation sowie
das Testen des Algorithmus.
Fazit
Realisierung
BE
BU
VA
Die Aufgabe bestand darin, einen Signalklassifikator
zu entwickeln, welcher die Modulationsart eines Signals automatisch erkennt. Ausgehend von einem Basisbandsignal, bei welchem die Trägerfrequenz und
die Bandbreite ungefähr bekannt sind, wurde in Matlab ein Algorithmus entwickelt. Dieser extrahiert sogenannte Features aus dem Signal und vergleicht sie
mit definierten Grenzwerten, anhand derer er die verwendete Modulationsart erkennt.
Jan Egger
Das Ergebnis der Thesis ist ein funktionierender Algorithmus, welcher die digitalen Modulationsarten ASK,
PSK und FSK in ihrer zwei- und vierwertigen Ausführung automatisch erkennt. Um die Praxistauglichkeit
des Algorithmus zu testen wurden verschiedene HFSignale mit einem Empfänger aufgezeichnet und dem
Klassifikationsalgorithmus zugeführt. So konnte beispielsweise die Modulationsart eines Funk-Autoschlüssels (ASK2) oder eines DECT-Telefones (GFSK)
erfolgreich erkannt werden.
Einleitung
101
BI
Aufnahme eines Testsignals (DECT-Telefon) über einen
SDR-Empfänger mit der Software HDSDR
ti.bfh.ch
GECKO4 Logic Analyzer
Betreuer: Prof. Dr. Theo Kluter
Experte: Felix Kunz
102
Ein Logic Analyzer ist ein Messgerät, das den Zeitverlauf von digitalen
Signalen aufzeichnen und bildlich darstellen kann. Kombiniert mit einem
Pattern Generator, welcher digitale Stimulus erzeugt, können damit beispielsweise digitale Schaltungen getestet werden. Da die Höhe der Samplerate ein entscheidendes Kriterium ist, bietet ein FPGA ein ideales Steuerund Verarbeitungselement für diese Anwendung.
Roman Eich
Ausblick
In einer vorangegangenen Bachelorarbeit wurde das
Hardwaremodul Gecko4 Logic Analyzer and Pattern
Generator entwickelt. Dieses bildet, zusammen mit
der FPGA-Platform Gecko4, eine Hardware, welche
über 8 Aus- und 16 Eingangskanäle verfügt. In der Projektstudie wurde diese Hardware bereits gebraucht,
um einen einfachen 8-Bit Pattern Generator zu implementieren. Mittels Hardwarebeschreibung des FPGA
soll dieser nun zu einem Logic Analyzer mit integriertem Pattern Generator erweitert werden. Über eine
grafische Benutzeroberfläche kann dieser gesteuert
und die aufgezeichneten Daten dargestellt werden.
Entstanden ist ein funktionsfähiger Logic Analyzer,
der mit einer maximalen Frequenz von 100 MHz digitale Pattern ausgeben und einlesen kann. Das System
kann durch den modularen Aufbau einfach ergänzt
und für individuelle Anwendungen angepasst werden.
In einer weiteren Phase müsste die Zuverlässigkeit,
Bedienerfreunglichkeit und die Zweckmässigkeit mittels Feldtestes evaluiert werden. Zudem ist die Anbindung an eine Logik-Simulation eine interessante Erweiterungsmöglichkeit.
Zukünftig wird das Gerät für Laboübungen im Microlab verwendet und ergänzt die Logik-Simulationen mit
einem Hardware in the Loop Test
Realisierung
Das Projekt wurde in zwei Hauptaufgaben geteilt: Das
Programmieren der grafischen Oberfläche und die
Hardwarebeschreibung. Zur Kommunikation zwischen
dem PC und dem Logic Analyzer wurde ein eigenes
Protokoll definiert.
Matthias Friedli
matthiasfriedli@hotmail.com
Anschliessend wurde in VHDL ein Beschrieb für das
FPGA implementiert, welcher alle geforderten Funktionen abdeckt. Dies beinhaltet unter anderem speichern und ausgeben von Daten, steuern der Kommunikation, initialisieren von Zählern und detektieren von
Triggermuster.
Dazu wurde eine grafische Oberfläche programmiert,
über welche das Gerät konfiguriert wird und die aufgezeichneten Daten visualisiert werden. Zusätzlich bietet
eine Analysefunktion die Möglichkeit, Messresultate
mit einem Referenz-Datensatz zu vergleichen. Die Implementierung erfolgte in der Programmiersprache
C++, unter Verwendung der Klassenbiliothek Qt.
BI
BE
BU
VA
roman.eich@bluewin.ch
Ausgangslage
ti.bfh.ch/book2014
WATA Control
Fachgebiet: Modern Power Converters
Experte: Markus Schwab (drivetek AG)
In vielen Ländern gibt es verschmutztes Trinkwasser. Es gibt verschiedene
Methoden um Wasser zu desinfizieren. Jedoch töten die Meisten nur Bakterien ab. Gefährliche Viren überleben. Mittels Salzwasserelektrolyse lässt
sich eine Hypochloridlösung erzeugen. Diese befreit das verschmutzte
Trinkwasser sowohl von Bakterien wie auch von Viren. Im Rahmen dieser
Bachelorarbeit wurde eine elektronische Überwachung des Elektrolyseprozesses entwickelt.
Realisierte Hardware mit Frontplatte
David Eschler
david.eschler@bluewin.ch
Ergebnisse
Markus Tüscher
Die Hardware generell wurde in Betrieb genommen
und umfassend getestet. Die geforderten Spezifikationen können allesamt eingehalten werden. Die Software funktioniert in einer ersten Version. Alle Messungen werden durchgeführt, das PWM steuert den
MOSFET der SEPIC-Schaltung und die microSD-Karte
wird mit aktuellen Messwerten beschrieben. Die Software ist aber noch stark ausbaufähig. So wurde die
Anzeige der Messwerte über das Display noch nicht
realisiert. Oder die Regelung der Ausgangsspannung
benötigt länger als gewünscht.
matue@swissonline.ch
Wird die entwickelte Schaltung weiter bis zur Serie
gebracht, müssen erwartungsgemäss Schaltungsteile
aufgrund ihrer Grösse oder des Preises anders realisiert werden. Wir sind aber überzeugt, dass durch die
Realisierung dieser Schaltung vermehrt Leute in Entwicklungsländern Zugang zu Trinkwasser haben.
ti.bfh.ch/book2014
Um die Aufgabenstellung zu realisieren, entschieden
wir uns für einen SEPIC Wandler mit integrierter Vollbrücke und einen Mikrocontroller zur Steuerung des
Ablaufs. Die Messungen der Ein- und Ausgangsspannung, des Elektrodenstroms und der Wassertemperatur werden als analoge Eingänge über den AD Wandler
in digitale Werte umgeschrieben. Der SEPIC Wandler
wird mit einem PWM von 125kHz getaktet. Der digitale Regler wurde anhand eines Zustandsraummodells
entworfen und bestimmt den Duty Cycle des PWM’s.
Die Zeit wird mit einem integrierten Hardware-Timer
gemessen. Die Speicherung der Messwerte wurde mit
einem Data logger realisiert, welcher die Daten direkt
auf einer microSD speichert. Da in Entwicklungsländern Stromunterbrüche nicht selten sind, werden
wichtige Daten wie die Elektrolysezeit und die in die
Lösung geflossene Energie im EEPROM des Mikrocontrollers abgespeichert. Um die Software zu testen wurde zusätzlich ein Testboard entwickelt.
VA
Um die Erzeugung von Chlorat zu verhindern, hat Antenna Technologies die Berner Fachhochschule beauftragt diesen Elektrolyseprozess elektronisch zu überwachen. Diese Überwachungseinheit nennt sich WATA
Control. Abhängig vom Elektrodenstrom und der Zeit
soll die Ladungsmenge fortlaufend überwacht werden.
Durch eine variable Eingangsspannung wird es in Entwicklungsländern möglich sein, verschiedene verfügbare Energieträger wie Batterien, Solarpanels oder
auch Netzgeräte als Energiequelle zu nutzen. Die Ausgangsspannung wird dabei konstant auf 12V geregelt.
Die gemessenen Daten sollen periodisch auf einem
elektronischen Speicher abgelegt werden. Um Salzablagerungen an der Elektrode zu vermeiden, muss die
Realisierung
BU
Aufgabenstellung
Spannung an der Elektrode periodisch umgepolt werden. LED’s informieren den Anwender jederzeit über
den Stand der Elektrolyse.
BE
Die Firma Antenna Technologies ist eine Foundation,
welche Elektrolysegeräte speziell für den Einsatz in
Entwicklungsländern entwickelt – die sogenannten
WATA’s. Die Anwendung dieser Elektrolysegeräte ist
sehr kompliziert, da während des Prozesses chemische Messungen durchgeführt werden müssen. Dadurch sind sie nicht anwenderfreundlich. Zudem
besteht die Gefahr, dass bei nicht geregeltem Elektrolysevorgang gesundheitsschädliche Stoffe wie
Chlorat freigesetzt werden.
BI
Auftraggeber
103
LGZ / RPI
Fachgebiet: Technische Informatik
Betreuer: Peter Aeschimann, Roland Brun
104
Im Rahmen dieser Bachelorthesis wurde eine Webseite zur Darstellung
von Messdaten eines Stromzählers von Landis & Gyr des Typs ZMP 120
(LGZ) entwickelt. Dafür wurde auf das preisgünstige Entwicklungsboard
Raspberry Pi (RPI) zurückgegriffen, mit welchem ein Webserver sowie
die Schnittstelle zwischen Stromzähler und der Webseite realisiert wurde.
Zusätzlich wurde eine Hardware für die serielle Anbindung über S232
zwischen Stromzähler und Raspberry Pi entwickelt.
Bereits heute kann man mit intelligenten Stromzählern
die gemessene elektrische Einspeisung in das eigene
Stromnetz visualisieren und auswerten. Das ist möglich, da sie einen Webserver beinhalten und über eine
Netzwerkverbindung zu Hause oder sogar weltweit
zugänglich sind. Der Stromzähler speichert die gemessenen Werte intern ab und der Webserver stellt anschliessend die Daten über das Netzwerk einer Webseite zu Verfügung. Somit sind die Daten praktisch
überall Verfügbar.
Zur Realisierung des Projektes wurde ein intelligenter
Stromzähler von Landis & Gyr des Typs ZMB 120 mit
internem Speicher und optischen Kopf für das Auslesen verwendet. Für die Realisierung der Datenbank
zum Ablegen der Messdaten, für den Webserver
sowie für die Schnittstelle zum Stromzähler wurde
das Entwicklungsboard Raspberry Pi verwendet. Für
die Verbindung zwischen den unterschiedlichen
Schnittstellen des Raspberry Pi und des Stromzählers
wurden eine Hardware für die serielle Anbindung
über RS232 zwischen Stromzähler und Raspberry Pi
entwickelt. Für das Auslesen der Messdaten und
BI
BE
BU
VA
Simon Friedli
Webseite für die Darstellung von Messdaten eines Stromzählers
ti.bfh.ch/book2014
Aufbereitung für die Webseite wurden diverse Python
Skripts entwickelt, welche auf dem Linux-basierten
Rapsberry Pi implementiert wurden.
Zur Entwicklung der Webseite wurde mit einem weiteren Python Skript die Datensimulation der Messdaten des Stromzählers realisiert, welche auch als
Basis für abschliessende Tests dienten. Die funktionellen Inhalte der Webseite für die Darstellung der
Messdaten des Stromzähler wurde hauptsächlich mit
Javascript entwickelt und umgesetzt. Das Design
wurde mit PHP und CSS (Cascading Style Sheet) realisiert, welches heutzutage die gängige Art ist.
Auf der Webseite werden die Messdaten des Stromzählers mit Hilfe von Graphen visualisiert. Zusätzlich
können Informationen betreffend des aktuell angezeigten Graphen entnommen werden, welche Aufschluss über den Vebrauch und Gewinn der Ein- beziehungsweise Rückspeisung der elektrischen Leistung
geben. Ausserdem steht eine csv-Datei aller Messdaten für die weitere Verarbeitung zum Herunterladen
bereit.
Smart Rehabilitation bei Kreuzbandrissen
Fachgebiet: Embedded Systems, Communication Technologies
Betreuer: Prof. Dr. Rolf Vetter, Ivo Oesch
Experte: Dominique Renevey (Siemens Schweiz AG)
Der Zeitpunkt des Wiedereinstiegs in das Training ist für einen Sportler
mit Kreuzbandriss schwer zu bestimmen. Um den Genesungszustand des
Athleten besser abzuschätzen, wird mit einem Beschleunigungssensor die
Auslenkung des Knies gemessen. Diese Auslenkung lässt auf die Stabilität
und somit den Zustand des Kreuzbandes schliessen. Sie dient den Therapeuten als zusätzliche Information, um die Trainingsmöglichkeiten des
Sportlers zusammenzustellen.
grosi.mail@gmail.com
Resultat
Das entwickelte Konzept zeichnet die Auslenkung des
Knies in einer Ebene senkrecht zur Gravitationskomponente auf. Die Kompensation der Orientierung des
Sensors durch Rotation wurde erfolgreich validiert.
Die Auslenkung des Knies in der Integrationsebene
wurde ebenfalls in einem experimentellen Umfeld
ausgewertet. Dabei wurde eine relative Positionierungsgenauigkeit von 4.8cm ±7% (Mittelwert ±Standardabweichung des relativen Fehlers) bei einer
Translation um 5.0cm erreicht. Für kleine Knieauslenkungen in der Integrationsebene ergibt sich daher
eine Schätzungsgenauigkeit, die für die vorliegende
Anwendung ausreicht. Bei Auslenkungen, die zusätzlich eine Rotation beinhalten, erhöht sich der Fehler
durch die Projektion der Gravitationskomponente auf
die Integrationsebene. Durch die theoretische Analyse
dieser Auslenkungsfehler konnte das Konzept mittels
statischer und dynamischer Modelle weiter verfeinert
werden. Diese Modelle sollen als Grundlage zur Erarbeitung zukünftiger Auslenkungsschätzungsmethoden
dienen.
Reto Zurschmiede
BI
BE
Im vergangenen Jahrzehnt wurde viel Forschung zur
Analyse von Bewegungsabläufen mit 3-D-Beschleunigungssensoren betrieben. Die Prinzipien können
hauptsächlich auf direkte Integrationsmethoden und
auf indirekte Kalman Filter basierende Methoden aufgeteilt werden. Da das Ziel dieser Arbeit die Bestimmung der seitlichen Knieauslenkung in statischen
Tests ist, wurde in einem ersten Ansatz ein zweiteiliges Konzept entwickelt. In einem ersten Schritt wird,
während einer Kalibrationsphase, die Orientierung
des Sensors geschätzt und durch eine Rotation so
Simon André Grossenbacher
Realisierung
kompensiert, dass die Projektion der Gravitation auf
die horizontale Knieebene minimiert wird. In einem
zweiten Schritt wird die seitliche Auslenkung des
Knies durch direkte Integration ermittelt. Die Rotationswinkel des ersten Schrittes wurden mit den tiefpassgefilterten 3-D-Beschleunigungsdaten geschätzt.
Zur Integration auf der horizontalen Knieebene mittels Trapezmethode wurde ein äquivalentes digitales
IIR-Filter entworfen. Dieses Konzept wurde in MATLAB umgesetzt und auf den spezifisch erfassten experimentellen Daten validiert. Das Konzept wurde anschliessend auf einem FPGA umgesetzt.
VA
Eine Kreuzbandverletzung sollte, um Folgeschäden zu
vermeiden, immer bestmöglich geheilt sein. Aus diesem Grund wird an der Eidgenössischen Hochschule
für Sport in Magglingen unter der Leitung eines Physiotherapeuten ein Test am verletzten Sportler durchgeführt. Der Sportler absolviert dabei diverse Übungen mit unterschiedlichen Belastungen des Knies. Die
seitliche Auslenkung des Knies lässt auf den Genesungszustand schliessen. Dieser Test ist durch seine
Subjektivität nicht die optimale Lösung. Eine falsche
Auswertung hat bei zu frühem Trainingseinstieg Folgen auf die Gesundheit des Athleten. Eine zusätzliche
Angabe der absoluten Auslenkung wäre für die Therapeuten hilfreich. Ziel der Arbeit ist es, ein Konzept zu
entwickeln, welches dem Therapeuten eine möglichst
präzise Diagnose ermöglicht. Dazu soll ein 3-D-Beschleunigungssensor verwendet werden.
BU
Ausgangslage
105
Gemessene Beschleunigung und berechnete Auslenkung
ti.bfh.ch/book2014
Eurobot Motorensteuerung 2014
Fachgebiet: Industrial Automation and Control
Betreuer: Roland Brun
106
Seit Jahren nimmt die BFH am Eurobot Robotik-Wettbewerb teil. Um die
sich jährlich ändernden Aufgaben lösen zu können, müssen sich die dafür
entwickelten Roboter zuverlässig fortbewegen können. Im Rahmen dieser
Bachelor Thesis wurde daher ein passender Motortyp und ein Sensor für
die Erfassung des Motorenstroms evaluiert. Ausserdem wurde die Schaltung
der Motorensteuerung entwickelt, um den Grundbaustein einer verlässlichen Antriebseinheit für zukünftige Roboter zu legen.
Ausgangslage
Die Bachelor Thesis kann grob in drei grössere Teile
unterteilt werden:
Stromsensoren
Der zweite grössere Arbeitsbereich ist die Evaluation
von passenden Stromsensoren und deren Ausmessung. Ausgewählt wurden ein Hall-Effekt-Sensor, ein
AMR-Effekt-Sensor und ein Stromwandler. Für das
Ausmessen wurde ein Prototyp erstellt, der nebst den
Sensoren eine Vollbrücke mit dazugehörigem Treiber
enthält. Angesteuert wurde diese mit einem DiscoveryBoard (STM32F4), mit dessen AD-Wandler auch die
gemessenen Stromwerte ausgelesen wurden.
Motorentypen
In einem ersten Schritt wurde die Wahl des Motorentyps überdacht. Dafür wurden Bürsten-, Bürstenlose- und Schritt-Motoren analysiert und miteinander
verglichen. Mittels einer Nutzwertanalyse, die unter
anderem Gewicht, Grösse, Preis, Drehzahl und
Drehmoment berücksichtigt, wurde schlussendlich
der am besten geeignetste Motortyp ausgewählt.
Schema
Zuletzt wurde die von Grund auf neu entwickelte
Schaltung der neuen Motorensteuerung aufgebaut. Die
wichtigsten Bestandteile dieses sind der Speisungsteil
mit gegen Überspannung und Verpolung geschützten
Eingängen, der Logikteil mit dem Mikrocontroller und
der Leistungsteil mit der Vollbrücke und den Stromsensoren.
Da die bisherige an der Berner Fachhochschule in
Burgdorf entwickelte Eurobot Motorensteuerung
einige grundlegende Mängel und nicht dokumentierte
Überlegungen aufweist, wurde die neue Motorensteuerung komplett neu angefangen.
Realisierung
Jascha Haldemann
Resultate
BE
BU
VA
jascha_haldemann
@hotmail.com
BI
Header Schema der Eurobot Motorensteuerung 2014
ti.bfh.ch/book2014
Die Nutzwertanalyse der Motorentypen ergab, dass
aufgrund des höchsten Drehmoments die Bürstenmotoren am besten geeignet sind.
Bezüglich des Stromsensors für die zukünftige
Drehmomentregelung konnte zwar derjenige mit den
besten Messresultaten ermittelt werden, jedoch noch
kein für die zukünftige Motorensteuerung am besten
geeignetster Sensor ausgewählt werden. Der Grund
dafür ist, dass der ausgewählte Stromwandler mit den
besten Messresultaten, eine dermassen grosse
Bauform hat, dass der Platzbedarf der Motorensteuerung zu gross werden könnte. Je nach Volumenkonzept
der zukünftigen Roboter ist daher möglicherweise
der Hall-Effekt-Sensor mit der kleinsten Bauform besser geeignet.
Nichts desto Trotz konnte schlussendlich ein kompletter Schaltplan der neuen Motorensteuerung umgesetzt werden. Der Übersicht halber wurde ein Header
Schema (siehe Abbildung) erstellt, das sämtliche
Schnittstellen von und zur Motorensteuerung, sowie
die einzelnen Teilsysteme enthält.
LiDAR-Navigationssystem für den Eurobot-Wettbewerb
Betreuer: Prof. Dr. Jasmin Wandel, Prof. Martin Kucera, Ivo Oesch
Die Berner Fachhochschule nimmt regelmässig an den Austragungen des
Eurobot-Roboterwettbewerbes teil. Dabei sind gewisse Aufgaben durch
autonome Roboter zu lösen. In den vergangenen Jahren setzte das Team
der BFH-TI Burgdorf jeweils ein Ultraschall-Navigationssystem in seinen
Robotern ein. Um jedoch auf dem aktuellen Stand der Technik zu bleiben,
soll im Rahmen einer Thesis-Arbeit das Prinzip der Navigation mittels
LiDAR auf seine Eignung geprüft werden.
Um Ultraschall und LiDAR vergleichen zu können, wurde zuerst ein Konzept entwickelt, wie die LiDAR-Rohdaten in eine Positionsschätzung zu überführen sind.
Der umgesetzte Lösungsansatz ist es, die Roboterposition mithilfe eines stochastischen Verfahrens zur Zustandsschätzung eines dynamischen Systems zu gewinnen. Beim eingesetzten Verfahren handelt es sich
um eine Implementation der sequenziellen MonteCarlo-Methode (oft auch «Partikelfilter» genannt).
Dazu müssen unter anderem mehrere Sets aus Koordinatenpunkten verglichen werden können. Zur effizienten Bewerkstelligung dieses Vergleiches kommen
verschiedene Verfahren in Frage. Zwei davon wurden
genauer untersucht und einander gegenübergestellt.
LiDAR
Resultat
LiDAR, kurz für «Light detection and ranging», ist ein
mit dem RADAR eng verwandtes Verfahren, welches
für optische Abstandsmessungen eingesetzt wird. Im
Gegensatz zum RADAR verwendet es Laserstrahlen –
also Licht – anstelle von Funkwellen. Mithilfe dieser
Technologie erstellt der Roboter ein 2D-Profil seiner
Umgebung und versucht daraus, seine Position zu bestimmen.
Im Rahmen der Thesis wurde kein fertiges Navigationssystem entwickelt. Vielmehr wurden erste Untersuchungen angestellt, um fundiert entscheiden zu
können, ob sich bei zukünftigen Austragungen des
Eurobot-Wettbewerbes das LiDAR als Navigationslösung erfolgreich einsetzen lässt. Dank dieser Untersuchungen konnte gezeigt werden, dass sich das LiDAR-System grundsätzlich eignet, bis zum Einsatz am
Wettbewerb jedoch noch einige Entwicklungszeit in
Anspruch nehmen wird.
Gunnar Heimsch
gheimsch@me.com
Nicola Käser
Umsetzung
Jeder der an den Austragungen des Eurobot-Wettbewerbes eingesetzte Roboter muss über ein Navigationssystem verfügen. Es darf dabei auf einem frei
wählbaren Prinzip aufbauen. In den vergangenen Jahren wurde für die Roboter aus den Laboren der BFH-TI
Burgdorf ein landmarkenbasiertes Ultraschall-Laufzeit-System zur Positionsschätzung sowie eine Odometrie-Lösung zur Kurzzeitnavigation eingesetzt. Wie
sich an der Austragung des Wettbewerbes im Frühling
2014 herausgestellt hat, gehört das aktuelle Navigationssystem zu den Schwachstellen der beiden Roboter.
Um dieser Schwachstelle entgegenwirken zu können,
wurde im Rahmen einer BSc Thesis ein LiDAR-System
auf Eignung für die Roboter untersucht.
BE
BU
VA
Ausgangslage
107
BI
Simon Plattner
LiDAR-Sensor URG-04LX von Hokuyo
Spielfeld und Konzept der LiDAR-Messung
ti.bfh.ch/book2014
Low-Cost OCT Hardware Front-End
Fachgebiet: Embedded Systems
Experte: Felix Kunz (Innocampus AG)
Industriepartner: Universität Bern
108
Optische Kohärenztomographie (OCT) ist ein Verfahren zur Gewinnung
dreidimensionaler Bilder in Mikrometerauflösung. Das Verfahren kommt
vor allem in biologischen oder menschlichen Geweben zum Einsatz, zum
Beispiel zur Darstellung der Netzhaut auf Zellebene. Bis jetzt waren die Geräte dafür allerdings sehr teuer. In dieser Thesis wurde nun eine deutlich
günstigere OCT-Hardware entwickelt, welche immer noch 4000 A-Scans
pro Sekunde erreicht.
Umsetzung
Das OCT-System besteht aus verschiedenen Komponenten: das Licht einer breitbandigen Laserquelle
wird in ein Interferometer geschickt. Dort wird das
Licht aufgeteilt und einerseits auf das zu untersuchende Objekt, andererseits auf den Referenzarm mit fixer
Länge geschickt. Die beiden reflektierten Signale werden interferiert und auf ein Beugungsgitter gelenkt,
wo es ähnlich wie an einem Prisma in seine verschiedenen Frequenzanteile aufgefächert wird. Mit einem
Liniensensor werden die Intensitäten der Frequenzen
gemessen. Der Liniensensor fungiert somit als Spektrometer. Das Zeitsignal (A-Scan) kann nun aus dem
Spektrum berechnet werden.
Die Hardware besteht aus einem PM3 Baseboard von
Enclustra mit einem ZX3 System-on-Chip Modul und
der in der Projektstudie entwickelten Schaltung. Zur
Ansteuerung des CMOS-Sensors wurde ein IP-Core für
das Zynq-SoC entwickelt. Der IP-Core liest die Daten
aus und transferiert sie an den USB3.0-Core weiter,
welcher wiederum die Daten an den Host-PC weiterleitet. Dort werden die Daten graphisch in einem QT-GUI
dargestellt. Die Firmware auf dem ARM benutzt das
Real Time Operating System «FreeRTOS», damit die
verschiedenen Aufgaben einfacher zu koordinieren
sind. Die CMOS-IP wird wie die Peripheriebausteine
bei normalen Microcontrollern über ein Registerinterface gesteuert. Der USB 3.0-Core wurde im HUCE
microLab entwickelt.
In der vorgängigen Projektstudie wurde die Hardware
zum Ansteuern eines CMOS-Liniensensors entwickelt.
Sie besteht aus einem CMOS-Liniensensor, einem A/DWandler zum Einlesen des Sensors, einem D/A-Wandler zum Bewegen der Spiegel und einem analogen Levelshifter mit Antialiasingfilter, um das Positionssignal der Spiegel auf den Eingangsspannungsbereich
des Zynq-SOCs auzupassen.
Resultate
Die geforderten 4000 A-Scans pro Sekunde werden
erreicht. Grundsätzlich sind auch mehr Scans möglich,
was allerdings auf Kosten der Belichtungszeit gehen
würde. Das System wurde erfolgreich getestet und
ausgemessen. Die CMOS-IP kann vom GUI aus parametrisiert werden. Dem D/A-Wandler kann ein Pattern
gesendet werden, welches er anschliessend periodisch ausgibt. Das Positionssignal der Spiegel wird
mit dem D/A-Wandler des Zynq-SoC digitalisiert und
ebenfalls an das GUI gesendet.
Mit der CMOS-IP ist der Grundstein für die Integration
in existierende Systeme gelegt.
BI
BE
BU
VA
Jan Huggler
Ausgangslage
Frequency-Domain OCT
ti.bfh.ch/book2014
Entwickelte Hardware
Auslegen von PV-Anlagen grosser Gebäude
«Stades de Bienne»
Fachgebiet: Elektrische Energietechnik
Betreuer: Prof. Urs Muntwyler
Experte: Dr. Rudolf Minder
Industriepartner: Energie Service Biel, ESB
Dächer von grossen Gebäuden sind prädestiniert, um grosse Photovoltaik- 109
anlagen zu installieren. Gerade auf Stadiondächern wurde dies in den letzten Jahren vermehrt gemacht. Lange Zeit galt das Stade de Suisse Wankdorf in Bern als Vorzeigeobjekt für PV-Anlagen auf Stadien. Bald werden es
die Stades de Bienne sein. Auf ihrem Dach kann eine bis zu 2.4MWp grosse
Solaranlage realisiert werden. 2015 wird die Anlage erstellt und an das
Netz angeschlossen.
In Biel entstehen die Stades de Bienne, ein Komplex
u.a. mit einem Fussballstadion, einem Eishockeystadion und sechs Curlingbahnen. Auf dem Flachdach des
Eishockeystadions soll eine PV-Anlage erstellt werden.
Der Energieservice Biel ESB will diese Anlage ausschreiben und benötigt dazu einige Abklärungen. Die
Anlage soll vom Solarmodul bis zum Netzanschluss
geplant werden. Mit Simulationen werden Ertrag und
Wirtschaftlichkeit berechnet. Die ermittelten Anforderungen sollen für die Weiterverarbeitung festgehalten
werden.
Vorgehen
Resultate
Matthias Hügi
Durch verschiedene Simulationen mit dem Programm
PVsyst konnten Erträge, Wirkungsgrade und Kosten
ermittelt werden. Zudem wurde die Leitungsführung,
Störanfälligkeit und mögliche Wartungsarbeiten bewertet und damit die optimale Photovoltaikanlage für
die Stades de Bienne evaluiert. Die beste Bewertung
erhielt die Ost-/Westanlage mit Yinglimodulen und
1.82MWp Leistung. 50 Stringwechselrichter 32HT4
von Solarmax werden auf dem Dach oder in PV-Räumen im Dachgeschoss platziert. Diese Anlage kostet
mit Material und Arbeit 1.65Fr./Wp und wirft jährlich
eine Rendite von 7.7% ab. Sie überzeugt durch die einfache Leitungsführung und die Kosten. Ein Nachteil
sind die langen AC-Leitungen.
Alle gewonnen Informationen werden zudem in einem
technischen Beschrieb der Anlage zusammengefasst.
Der ESB verwendet Teile daraus für die Ausschreibung
der PV-Anlage.
BU
VA
Die verschiedenen Teilsysteme einer Photovoltaikanlage wurden unabhängig voneinander evaluiert.
Aufgrund vieler Aufbauten auf dem Dach musste die
Anlage an die Verschattungen angepasst werden.
Beim Montagesystem stand die Evaluation der geeigneten Neigung und Ausrichtung im Vordergrund. Dabei galt ein besonderes Augenmerk der Dachbelastung. Durch die grosse Spannweite des Daches ist die
maximale Tragfähigkeit stark eingeschränkt. Bei den
Modulen wurden zwei verschiedene Produkte verglichen. Zum einen ein chinesisches Standardmodul von
Yingli (255Wp) und zum anderen ein kalifornisches
Hochleistungsmodul von Sunpower (327Wp), beide
aus kristallinem Silizium.
Für die Wechselrichter standen drei verschiedene
Varianten zur Auswahl: Nur Stringwechselrichter, nur
Zentralwechselrichter oder eine Hybridlösung, also
eine Kombination aus String- und Zentralwechselrichtern. Für die Ermittlung der optimalen Anlage mussten
die örtlichen Gegebenheiten, wie vorhandene Wechselrichterstandorte, berücksichtigt werden. Ausserdem wurden die optimalen Leitungsquerschnitte ermittelt.
Ausgangslage
BI
BE
Modell der Stades de Bienne
ti.bfh.ch/book2014
Multikopter für PV-Monitoring
Betreuer: Prof. Urs Muntwyler, Lugiano Borgna
110
Die Wärmebildtechnik gewinnt in der Photovoltaik immer mehr an Bedeutung. Mit ihr können fehlerhafte Module schnell und berührungslos entdeckt werden. Mit dem Einsatz einer Wärmebilddrohne lassen sich auch
grosse oder schwer zugängliche Anlagen effizient überprüfen.
In dieser Arbeit wurde eine solche Drohne gebaut und bei Messungen eingesetzt, um in Erfahrung zu bringen wo die Vor- und Nachteile liegen und
ob die Verwendung einer Wärmebilddrohne sinnvoll ist.
Ergebnisse
Thermografische Messungen spielen eine immer wichtigere Rolle in der Industrie und Forschung. Eine neue
Entwicklung sind thermografische Aufnahmen aus der
Luft mit Modellhelikoptern. Mit dieser Methode können grosse oder schwer zugängliche Photovoltaik-Anlagen geprüft und Fehlerstellen auf den Solarmodulen
detektiert werden. Ein sogenannter «Hot-Spot» ist ein
Phänomen, bei dem sich defekte und teilbeschattete
Solarzellen erwärmen, was mit einer Wärmebildkamera sichtbar gemacht werden kann. Ziel der Arbeit ist
eine Aussage zu treffen, wie sinnvoll die Verwendung
einer Drohne ist.
Die ausgewählte Drohne wird den Anforderungen
mehr als gerecht. Die Messzeit mit der WärmebildDrohne reduziert sich besonders bei grossen Anlagen
auf einen Bruchteil gegenüber dem benötigten Zeitaufwand für die Messung mit einer Handkamera. Mit
der verbauten Technik können folgende Defektgrössen
erkannt werden:
−
−
−
−
−
Ganze Modulstrings
Substrings
Einzelne oder mehrere Zellen
Kleinere Stellen als eine Zelle
Defekte Anschlüsse
Vorgehen
Es wurde das Material für den Bau einer Wärmebild-Drohne beschafft und diese gebaut. Mit diesem
Fluggerät wurden verschiedene PV-Anlagen ausgemessen, um die benötigte Zeit und detektierbare Fehler aufzunehmen. Vergleichsweise wurden die Anlagen
mit einer Hand-Wärmebildkamera thermografiert. Zur
weiteren Untersuchung der Auswirkung solcher HotSpots, wurde ein fehlerbehaftetes Modul demontiert
und im Sonnensimulator getestet.
Diese Defekte haben alle einen direkten Einfluss auf
die Leistungsfähigkeit der PV-Anlage, weshalb ein
Wärmebild auf die Qualität der Anlage schliessen
lässt. Die Thermografie-Drohne ermöglicht somit eine
effiziente Qualitätssicherung von PV-Anlagen und
stellt eine geeignete Monitoringlösung dar.
Wärmebild-Drohne
PV-Anlage mit Defekten
BI
BE
BU
VA
Manuel Lanz
Ausgangslage
ti.bfh.ch/book2014
FreeRTOS Trace
Fachgebiet: Elektro- und Kommunikatiostechnik
Betreuer: Peter Aeschimann
Mit dem Betriebssystem für Mikrocontroller FreeRTOS können verschiedene Tasks quasi parallel betreiben werden. FreeRTOS Trace erlaubt es,
zusammen mit der im Vorfeld entwickelten Arbeit freeRTOSWatch, Laufzeitinformationen über ein FreeRTOS-System aufzulisten und zu visualisieren.
Ausgangslage
Fazit
Zur Visualisierung von Laufzeitinformationen über das
Mikrocontroller Betriebssystem FreeRTOS wurde bereits vorgängig eine Bachelorthesis erarbeitet. Diese
Arbeit beinhaltete nur die Textausgabe auf ein Terminal. Zusätzlich musste die Vorgänger-Software auf ein
neues Mikrocontrollersystem portiert werden, welches im CARME M4 Kit der BFH verbaut wurde. Ziel
dieser Arbeit war, eine Java-Applikation zu entwickeln, welche diese Datenausgabe auflisten und auch
graphisch darstellen kann.
Die entwickelte Applikation ermöglicht die EventNachrichten, welche die freeRTOSWatch-Software
sendet, zu empfangen, zu verarbeiten und entsprechend abzulegen. Die verwendete UART-Kommunikation müsste jedoch in einem späteren Zeitpunkt optimiert werden.
111
Tobias Meerstetter
Realisierung
BE
Graphische Oberfläche von FreeRTOS Trace
BI
Zusammenspiel freeRTOSWatch und FreeRTOS Trace
BU
VA
Die Applikation zur Auflistung und graphischen Darstellung wurde mittels Java programmiert. Das Design
ist auf dem MVC-Prinzip aufgebaut und ist aufgrund
dessen in die drei Gruppe Model, View und Controller
unterteilt. Ein springender Punkt dieses Designs ist,
dass laufend Änderungen in einer Gruppe gemacht
werden können, ohne die anderen zwei Gruppen zu
beeinflussen. Registrierte Tasks und Objekte werden
in der Software aufgelistet und die Tasks-Zustände
graphisch dargestellt. Die Applikation wurde mittels
dem Test-Framework JUnit getestet. Für die serielle
Schnittstelle wurde ein eigenständiges GUI entwickelt, um mit der Hardware kommunizieren zu können.
ti.bfh.ch/book2014
UNICONTROL Basissystem
Fachgebiet: Embedded Realtime
Betreuer: Roland Brun
Industriepartner: Wyssen Seilbahnen AG, Reichenbach i.K.
112
Das Projekt beschäftigt sich mit der Entwicklung eines FPGA-Designs als
Basissystem für ein universelles Steuerungssystem. Zudem beinhaltet
es eine Mikrocontroller-Software, welche das FPGA-Design steuert.
Das Projekt entstand in Zusammenarbeit mit Wyssen Seilbahnen AG.
Für die Produkte zur künstlichen Lawinenauslösung
der Firma Wyssen wird im Hause ein universelles
Steuerungssystem für sicherheitsgerichtete Anwendungen entwickelt. Das Steuerungssystem soll universell für alle Maschinen von Wyssen einsetzbar sein,
daher der Name «UNICONTROL».
Das Basissystem mit sechs Ausgangsschaltungen für
Lastströme bis 2A beinhaltet ein FPGA und einen
Mikrocontroller. Die Treiber und AD-Wandler der Ausgangsschaltungen sind am FPGA angeschlossen. Die
Messdaten werden im FPGA in Echtzeit aufbereitet und
über eine serielle Schnittstelle zum Mikrocontroller
übertragen. Die Steuerdaten für die Ausgänge werden
über dieselbe Schnittstelle zum FPGA übertragen, welches daraus die Signale für die Leistungstreiber erzeugt.
Während der Thesis wurde ein bestehendes VHDLDesign auf die Hardware portiert, bereinigt und erweitert. Das Resultat ist ein funktionsfähiges Design, das
16 unabhängige Ausgänge steuern und messen kann.
Die Steuersignale werden alle 500 Nanosekunden
Optional kann für jeden Ausgang ein unabhängiger
Regelkreis eingeschaltet werden, der den Laststrom
autonom regelt. Der verwendete Regler ist ein Integralregler mit einstellbarer Verstärkung und einem Anti-wind-up Mechanismus. Die Reglerantwort auf ein
Rechtecksignal ist im Bild 1 erkennbar.
Weiter wurde im Projekt ein redundantes Taktsystem
sowie ein Safety-Fallback als automatische Systemreaktion bei einem schwerwiegenden Fehler entwickelt.
Die Reaktion des Taktsystems auf einen kompletten
Ausfall der primären Taktquelle ist in Bild 2 erkennbar.
Das System ist in der Lage den Ausfall innerhalb von
500 Nanosekunden zu erkennen und auf den sekundären Takt umzuschalten.
Der Softwareteil der Thesis beinhaltet ein kompaktes
System, welches die Ausgänge auf hohem Niveau abstrahiert und deren simpelste Verwendung ermöglicht.
BI
BE
BU
VA
Benjamin Meier
Das umfangreiche Projekt wurde für die Entwicklung
in viele kleine Teilprojekte unterteilt. Ein solches Teilprojekt ist das «UNICONTROL Basissystem», welches
im Rahmen einer Bachelorthesis realisiert wurde.
aktualisiert, wobei wahlweise konstante Ausgangszustände oder flexibel konfigurierbare PWM-Signale
erzeugt werden. Strom und Spannung von jedem
Ausgang werden 50’000 map pro Sekunde abgetastet. Diese insgesamt 1’600’000 Messwerte pro
Sekunde werden im FPGA in Echtzeit verarbeitet
und für die Anwendung zu Mittelwerten summiert.
Reglerantwort des Stromreglers mit Anti-wind-up
ti.bfh.ch/book2014
Reaktion des Systems bei Ausfall der primären Taktquelle
AMSOS – Acoustical Measurement System for
mechanical watch Oscillator
Fachgebiet: Digitale Signalverarbeitung / Embedded Systems
Betreuer: Prof. Dr. Ties Jan Kluter
Experte: Felix Kunz (sokutec GmbH)
Industriepartner: Witschi Electronic AG, Büren an der Aare
Das Projekt AMSOS st eine Zusammenarbeit zwischen der Firma Witschi
Electronic AG mit der Berner Fachhochschule für Technik und Informatik.
Die Firma Witschi Electronic AG ist spezialisiert auf dem Gebiet Uhren
Mess- und Prüftechnik. Kurz: Das Projekt befasst sich mit der Erfassung
und Aufbereitung von Uhrensignalen.
Mathias Mettauer
+41 78 614 48 08
mathias.mettauer@gmail.com
che Messung möglich ist. Auch musste festgestellt
werden, welche Art von Komponenten (Signalaufbereitungen/Mikrofone) dazu erforderlich sind. In der
zweiten Phase ging es darum das aufgenommene Signal so zu verarbeiten, dass es von diversem Rauschen
und Störungen getrennt wird. Das Signal ist weiter
sehr schwach und muss verstärkt werden. Der Lösungsansatz war, einen Algorithmus zu entwickeln
welcher das Uhrengeräusch analysiert und nur die
Frequenzen aktiv verstärkt, bei denen das Uhrengeräusch starke Ausschläge hat. Weiter sollte ein NoiseCanceling eingebaut werden, welches mittels einem
weiteren Mikrofon die Umgebungsgeräusche misst
und diese vom Messsignal entfernt. Ob und wie das
funktioniert, wurde in den ersten paar Wochen erarbeitet. Danach wurden die entwickelten Algorithmen
bei einem bestehenden DSP-Evaluationsboard eingebaut und in Echtzeit getestet. Eine künftige Aussicht
über die Thesis hinaus könnte das Entwerfen eines
modularen Kleinen Printes sein, bei dem diese NoiseCanceling und selektive Filteralgorithmen eingebaut
sind. Das Modul sollte als Eingang die Mikrofone (Uhren-Signalgeber und Noise-Canceling Mikrofone) und
ein paar Steuereingänge besitzen. Der Ausgang bildet
das verarbeitete, analoge Signal und ein paar Informationssignale. Es war sinnvoll, die Arbeit nach diesen
Zielen auszurichten. Zu Beginn war weder definiert,
welche Algorithmen gebraucht werden, noch welche
Hardware dazu nötig ist. Das war alles Bestandteil der
Thesis. So hatte ich einen 100% Aufbau der Arbeit
während diesen acht Wochen.
VA
Die meisten Messverfahren von mechanischen Uhren
basieren auf einer Körperschallmessung des Tickgeräusches. Die Uhr wird dabei in die Messvorrichtung
eingespannt, sodass ein physischer Kontakt besteht.
Das übertragene Tick-Signal hat dadurch eine hohe
Qualität, die für die verschiedenen Messungen der Uhr
erforderlich ist. Nun stellt das Berühren der Uhr bei
verschiedenen Anwendungen ein Problem dar und es
stellte sich die Frage, ob es möglich ist, das Uhrensignal auch über eine akustische Messung ohne Kontakt
mit Uhr (über die Luft), aufzunehmen und auszuwerten. Es sollte ein Messaufbau entwickelt werden, der
das kontaktlose Messen der Uhr über das akustische
Signal ermöglicht. In einer ersten Phase mussten Vorabklärungen gemacht werden bei denen es darum
ging, Uhrengeräusche die über die Luft übertragen
werden zu erforschen sowie Messreihen zu machen
um festzulegen unter welchen Bedingungen eine sol-
113
BI
BE
BU
Das entwickelte Mess- Richtmikrofon mit dem DSP-Signalaufbereitungsboard.
ti.bfh.ch/book2014
Schnellladeverfahren für Lithium-Ionen-Akkus
Fachgebiet: Energietechnik
Betreuer: Prof. Roland Brun
114
Akkus müssen noch immer sehr lange am Ladekabel angeschlossen sein.
Konventionelle Ladeverfahren können den Innenwiderstand des Akkus
während des Ladevorgangs nicht bemessen, sondern müssen diesen bei
unbelastetem Zustand erfassen. Am Innenwiderstand des Akkus fällt eine
Spannung ab, welche die Klemmenspannung der Batterie verfälscht. Deshalb wird nach Erreichen der Ladeschlussspannung der Strom gedrosselt.
Durch ein neues Ladeverfahren wird die Ladezeit halbiert.
Ralph Reust
sowie ein induktiver Anteil. Zusätzlich wird der Innenwiderstand durch Faktoren wie die Temperatur, den
Alterungszustand des Akkus und den Stromfluss beeinflusst.
Die Zellspannung, die an den Klemmen der Akkuzelle
gemessen wird, setzt sich aus der am Innenwiderstand abfallenden Spannung zusammen, und der eigentlichen, chemischen Spannung der Zelle. Die gemessene Zellspannung beim Laden ist aufgrund des
Einflusses des Innenwiderstands zu jeder Zeit dynamisch. Um diesen Spannungsabfall zu messen wird
der Ladestrom moduliert. Das bedeutet, dass der
Gleichstrom zum Laden der Batterie mit einem Wechselstrom überlagert wird. Dieser modulierte Wechselanteil dient dabei als Messhilfe. Geladen wird mit
dem konstanten Gleichstrom. Der modulierte Anteil
des Stroms erzeugt im Akku eine Spannung, die durch
den Innenwiderstand der Zelle beeinflusst wird. Mit
dieser gemessenen Spannung kann der Innenwiderstand der Zelle berechnet werden. Mithilfe dieser Informationen kann der Spannungsabfall an der Zelle
berechnet werden und somit die chemische Spannung
der Zelle bestimmt werden, ohne den Ladeprozess zu
unterbrechen.
Der Langzeittest, bei welchem derselbe Akku während
einer Woche geladen und entladen hat, zeigte keine
Einbussen bezüglich der Kapazität des Akkus im Vergleich zu den konventionellen Ladeverfahren. Die
Abweichung von der gewünschten Zellspannung im
Ruhezustand beträgt unter 25mV. Die Ladezeit der
Batterie konnte während der Tests um 52%–55%
reduziert werden.
BE
BU
VA
ralph.reust@hotmail.com
Bei den heutigen Ladeverfahren wird der Akku mit einem konstanten Ladestrom so lange geladen, bis die
zugelassene Ladeschlussspannung erreicht ist. Diese
ist schnell erreicht, allerdings besitzt die Batterie zu
diesem Zeitpunkt gerade einmal zwischen 50% und
80% der Gesamtkapazität. Die restliche Ladung erfolgt durch eine konstante Spannung um die Ladeschlussspannung nicht zu überschreiten, da diese Lithium-Ionen-Akkus irreversiebel zerstören können.
Beim Laden mit der konstanten Spannung sinkt der
Ladestrom immer weiter ab, was den Prozess in die
Länge zieht. Das Problem ist das Bestimmen des Innenwiderstands der Akkuzelle, der sehr komplex ist
und sich aus vielen verschiedenen Einzelwiderständen
zusammensetzt. Dazu kommt ein kapazitiver Anteil
durch die Doppelschichtkapazität an den Elektroden
BI
Spannungs- Temperatur- und Stromverlauf beim Laden;
Oben: CC-CV Ladeverfahren; Unten: Neues Ladeverfahren
ti.bfh.ch/book2014
Tesie – Testequipment electrical coupling NINA /
Lötschberger
Fachgebiet: Industrial Automation and Control / Embedded Systems
Betreuer: Prof. Dr. Hansjürg Rohrer, Prof. Dr. Elham Firouzi
Experte: Thomas Furrer (BLS)
Industriepartner: BLS AG, Bern
Mit dem «Tesie» wurde für die BLS ein Prüfgerät gebaut, dass es erlaubt
die Elektrokupplung der NINA und Lötschberger Niederflurzüge zu prüfen.
Ein Tablet leitet den Anwender durch die komplette Prüfung und erstellt
einen Bericht. Ferner ist das Gerät ein wertvolles Hilfsmittel für die Fehlersuche.
Realisierung
Die BLS verfügt über 61 Fahrzeuge der Typen NINA
und Lötschberger, welche teils seit 1998 täglich im
Verkehr sind. Um die stets wiederkehrenden Probleme
mit der automatischen Mittelpufferkupplung zu lösen
und den periodischen Unterhalt zu vereinfachen, soll
ein Prüfeinrichtung gebaut werden, mit welcher die Signale in einem definierten Prüfablauf einzeln getestet
werden können. Die Prüfung soll aus dem Führerstand
heraus erfolgen. Ein Tablet soll dabei den Anwender
durch die Prüfung führen.
Gebaut wurde eine Prüfeinrichtung, die in einem
1.80 m hohen 19" Rack untergebracht ist. Im Rack befindet sich die notwendige Hardware um die elektrischen Signale auszuwerten. In einer Schublade findet
man einen Adapter der direkt an die Kupplung des Zuges angeschlossen werden kann. Ein Android-Tablet
kommuniziert mit dem Rack über Bluetooth und führt
den Anwender durch die gesamte Prüfung. Die Prüfabläufe können teilweise am Computer angepasst werden. Dank einer automatischen Synchronisation über
WLAN werden Änderungen direkt übernommen und
die Prüfberichte auf dem PC gespeichert. Das Tablet
ist in einer eigens entwickelten Schutzhülle untergebracht und kann in einer im Rack integrierten Schublade verstaut und geladen werden.
Daniel Rickli
+41 79 938 45 18
rickli.daniel@gmail.com
Die Prüfung umfasst die Zugsdrähte, das Zugtelefon, die
Erdschlussmessung sowie das Fahrgastinformationssystem Railvox. Zur Fehlersuche stehen weitere Apps zur
Verfügung die es erlauben Signale einzeln anzusteuern.
Ausblick
Christoph Seiler
+41 77 402 42 76
info@chraschi.ch
BI
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BU
VA
Die Fahrzeugflotte soll in den nächsten Jahren ein
Upgrade im Bereich Fahrgastinformation erhalten. Das
Prüfgerät soll so erweitert werden, dass die umgebauten Fahrzeuge damit in Betrieb genommen und getestet werden können. Weiter sollen mehrere Geräte für
die verschiedenen Depots der BLS gefertigt werden.
Ausgangslage und Ziel
115
Prüfeinrichtung «Tesie» vor einem Lötschberger
Prüfung mit dem Tablet im Führerstand
ti.bfh.ch/book2014
Autonomes Sensorsystem für die Erfassung von
Wasserverunreinigungen
Experte: Dr. Andrea Ridolfi
Industriepartner: Arrayon Biotechnology SA, Neuenburg
116
Das Trinkwasser wird heutzutage in relativ grossen Zeitintervallen durch
zentralisierte Laboratorien auf Verunreinigungen getestet. Der Industriepartner in diesem Projekt entwickelt ein Analysesystem, das die Qualität
vor Ort und in kurzer Zeit bestimmt. Dieses Analysesystem ist jedoch nicht
geschützt vor Störungen, die in Form von Luftblasen auftreten. Anhand
verschiedener Methoden der digitalen Signalverarbeitung werden diese
Störungen detektiert und angezeigt.
Ausgangslage
Dominik Robellaz
Das Analysesystem (WIOS – wavelength-interrogated
optical sensing) basiert auf dem markierungsfreien
Detektieren von biochemischen Bindungsabläufen.
Diese Bindungen finden auf einem eigens dafür angefertigten optischen Gitter statt. Das Binden der Moleküle am Gitter verändert dessen Resonanzwellenlänge. Eine Laserdiode, die periodisch einen vorbestimmten Wellenlängenbereich abtastet, detektiert
diese Änderung. Das optische Gitter ist ein Verschleissteil, das nach einer bestimmten Zeit ausgewechselt werden muss. Ein Ziel der vorliegenden
Arbeit ist es, den Zustand dieses Gitters zu erfassen
und zu beurteilen, ob dies noch einsatzfähig ist oder
nicht. Weiter ist es möglich, dass sich während der
BI
BE
BU
VA
d.robellaz@gmail.com
Wasser ist eine der wichtigsten Ressourcen unserer
Erde und das Lebenselixier für Mensch und Tier, wobei die Qualität eine tragende Rolle für unsere Gesundheit spielt. Das Trinkwasser wird heute jedoch
meist nur in relativ grossen Zeitintervallen durch zentralisierte Laboratorien auf Verunreinigungen geprüft.
Der Industriepartner Arrayon Biotechnology SA gehört
zum grossen europäischen Umweltkonzern Veolia
Water und entwickelt derzeit ein Analysesystem für
die kontinuierliche Überwachung von Wasserverunreinigungen. Ziel dieses Analysesystems ist es, dass die
Testergebnisse sofort und direkt am Ort der Wasserentnahme vorliegen.
Aktuelles Analysesystem der Firma Arrayon Biotechnology SA
ti.bfh.ch/book2014
Messung Luftblasen auf dem optischen Gitter festsetzen. Eine solche Luftblase führt zu unbrauchbaren
Messergebnissen. Daher ist die Detektion dieser Luftblasen ein weiteres Ziel der Arbeit.
Realisierung
Durch eine absolute Distanzmessung wird die Anzahl
Bindungen am Anfang der Messung mit der Anzahl
Bindungen am Ende der Messung verglichen. Durch
die Bildung der Differenz der beiden Messpunkte resultiert ein absoluter Wert, der die zurückgebliebenen
Bindungen beschreibt. Luftblasen, die sich auf dem
optischen Gitter festgesetzt haben, äussern sich zum
einen durch eine schlagartige Brechungsindexänderung und zum anderen durch eine hohe Instabilität
auf dem Signal. Anhand verschiedener in der Signalverarbeitung verwendeter Methoden werden diese
Eigenschaften aus der Messung extrahiert. Die Entscheidung, ob sich eine Luftblase in die Messung eingeschlichen hat, übernimmt ein trainierbares System,
das den menschlichen Synapsen nachempfunden ist.
Resultat
Anhand der zur Verfügung stehenden Mittel in der digitalen Signalverarbeitung, wurde ein Konzept erarbeitet und implementiert, das durch eine absolute
Distanzmessung die Qualität des optischen Gitters bestimmt. Weiter wurde ein Konzept entwickelt, das die
Instabilitäten sowie die sofortigen Änderungen des
Brechungsindexes ausnutzt, um allfällige Luftblasen
zu detektieren. Die Validierung des Konzeptes hat gezeigt, dass knapp 98% der Luftblasen richtig detektiert werden.
Datenmanagementsystem für die Langzeitmessung
von PV-Anlagen
Betreuer: Prof. Urs Muntwyler, Monika Jost
Das langjährige Betriebsverhalten von Photovoltaik Anlagen ist von
grossem Forschungsinteresse. Seit über 20 Jahren erfasst das Photovoltaiklabor der BFH-TI in Burgdorf solche Daten und wertet sie aus. Die in den
90er Jahren entwickelte Software zur Ablage und Visualisierung soll modernisiert werden.
Hierzu wurde eine MySQL Datenbank entworfen. Das Interface zu dieser
Datenbank wird mit drei funktionsorientierten Programmen realisiert.
Für den Import, den Export und die Visualisierung
entstanden drei Programme die mit der Datenbank
kommunizieren. Die Umsetzung erfolgte in der Skriptsprache Python. Das Importprogramm «PV Convert»
muss die Rohdaten der verschiedenen Anlagen in eine
einheitliche Formatierung überführen. Dabei gilt es
Fehlverhalten der Datenlogger zu erkennen und entsprechend zu reagieren. «PV Export» dient als Benutzeroberfläche für den Export von Messdaten aus der
Datenbank. Mit dem neuen «PV Graph» werden die
Messdaten visualisiert und ausgewertet. Diese Funktionalität möchte man in Zukunft webbasiert anbieten,
um eine möglichst grosse Zielgruppe zu erreichen.
Marcel Schläppi
+41 79 317 39 78
marcel.schlaeppi@gmail.com
Die Ablage erfolgt in einer MySQL Datenbank. Dieses
Open Souce Datenbankmanagementsystem wird weltweit eingesetzt. Nach Analyse der Messdaten wurde
ein Anforderungskatalog erstellt. Darauf basierend
wurde eine geeignete Datenbankstruktur entworfen
und umgesetzt. An den 11 Anlagestandorten werden
zusammen 304 Messgrössen erfasst. Diese Sensoren
mussten in der Datenbank angelegt werden, damit ihnen die Messwerte zugeordnet werden können.
Resultate
Die entwickelte Datenbankstruktur und die Zusatzprogramme bilden eine solide Basis für die Weiterführung
des Modernisierungsprojektes. Die Konvertierung ist
für alle Anlagen der Langzeitmesskampagne umgesetzt und die komplette Datenreihe der Anlage Jungfraujoch (5 Minuten Messwerte über 246 Monate)
wurde in der Datenbank angelegt. In einem nächsten
Schritt wird die Datenbank auf ein leistungsfähiges
Zielsystem transferiert und der gesamte Datenbestand
darin abgelegt. Anschliessend gilt es die webbasierte
Visualisierung umzusetzen.
VA
Vor Ort werden mit Sensoren und Messwandlern die
Umgebungsbedingungen und die elektrischen Kenngrössen der PV-Anlage erfasst und von einem Datenlogger aufgezeichnet. Die Messdaten werden über
eine Internetverbindung an das PV-Labor übermittelt.
Realisierung
BU
Heute umfasst der Anlagenpark 11 Standorte und
32 Teilanlagen mit einer Gesamtleistung von über
2 MWp. Darunter so bekannte Objekte wie das Solarkraftwerk Mont Soleil, das Dach des Stade de Suisse
oder die Anlage Jungfraujoch. Der vorhandene Datenbestand umfasst 1.9 Milliarden Zeilen. Monatlich kommen 13.5 Millionen Zeilen hinzu. Durch den laufenden
Ausbau des Anlagenparks wird dieser Wert in Zukunft
noch zunehmen.
Das in den 90er Jahren entwickelte Ablagesystem
und die Visualisierungssoftware, die dort zum Einsatz
kommen, sollen modernisiert werden.
BE
Der Einfluss von langsam auftretenden Effekten wie
Verschmutzung und Degradation kann nur mit Langzeitmessungen erfasst und quantifiziert werden. Dasselbe gilt für die Lebensdauer einer Solaranlage, an
der gerade in den Pionierzeiten noch gezweifelt wurde. Die Langzeitmesskampagne des PV-Labors Burgdorf startete 1992 und konnte in diesen Bereichen
wichtige Erkenntnisse beisteuern. Es wurde gezeigt,
dass durch Wechselrichterausfälle durchschnittlich
1.1% der Energieproduktion verloren geht, die Zuverlässigkeit der Wechselrichter jedoch stetig zunimmt.
Bei einer gut gewarteten Anlage ist mit einer jährlichen Leistungsdegradation von 0.3% zu erwarten und
die angestrebte Lebensdauer von 25 Jahren kann gut
erreicht werden.
BI
Motivation
117
Datenmanagementsystem
ti.bfh.ch/book2014
SmartMeter Retrofit
Betreuer: Prof. Martin Kucera, Peter Aeschimann
Experten: Mario Giacometto, Dr. Christoph Kuratli
118
Als SmartMeter bezeichnet man einen Energiezähler, welcher die verbrauchte Energie nicht nur zählt, sondern diese Information auch
zur Verfügung stellen kann, typischerweise auf einer Website, welche
den aktuellen und kumulierten Verbrauch darstellt. Wenn wir unseren
Strom- und Energieverbrauch reduzieren wollen, ist ein SmartMeter
das allererste und auch das intelligenteste Mittel: Je nach Studie
variieren die Einsparungen in Haushalten zwischen 10 und 30%!
Reno Schluep
Ausgangslage
Realisierung
Elektrizitätswerke und Energie-Lieferanten haben ein
sehr beschränktes Interesse am Einsatz von SmartMetern. Die hohen Kosten des Ersatzes von alten Zählern, sowie die sinkenden Einnahmen, wenn vermehrt
Energie gespart wird, führen dazu, dass die flächendeckende Installation von SmartMetern verhindert
oder um Jahre hinausgezögert wird. Dies hat zur Folge,
dass viele Endverbraucher noch jahrelang keine exakten Daten zur Verfügung haben, wie das Verhalten ihres Energieverbrauches ist. Dadurch wird das gezielte
Einsparen von Energie erheblich beeinträchtigt.
Mit dem SmartMeter Retrofit sollen die alten Ferrariszähler, sowie die neueren elektronischen Zähler aufgerüstet werden können. Bei diesen beiden Zählertypen
ist es ohne mechanische Einwirkung auf unterschiedliche Art möglich, den aktuellen Energieverbrauch
zu erfassen. Der Ferrariszähler hat eine Drehscheibe,
welche je nach Energieverbrauch mit einer unterschiedlichen Geschwindigkeit dreht. Diese Drehscheibe ist auf der Stirnseite reflektierend, hat jedoch eine
matte Stelle, welche pro Umdrehung einmal am Sichtfenster vorbeiläuft. Auf diese Drehscheibe wird ein
Infrarot Transreciever gerichtet. Dadurch kann das
Durchlaufen der matten Stelle detektiert werden. Beim
elektronischen Zähler gibt es eine LED, welche je
nach Stromverbrauch unterschiedlich viele Impulse
aussendet. Diese Impulse können mit einem Fototransistor erfasst werden. Die erfassten Daten werden
von dem Mikrocontroller eines selber entwickelten
Senderboards erfasst und in regelmässigen Abständen
an ein selber entwickeltes Empfängerboard per Funkschnittstelle übermittelt. Das Empfängerboard ist mit
einem Raspberry Pi Webserver verbunden und leitet
die Daten über eine I2C Schnittstelle an den Webserver weiter. Der Benutzer kann mit dem Webbrowser
eines beliebigen Gerätes auf eine Website zugreifen,
welche die erfassten Werte grafisch darstellt.
Ziel der Arbeit
Um diesem Problem zu entgegnen, wird in der Bachelor Thesis die Realisierung eines SmartMeter Retrofit
angestrebt. Diese Nachrüstung der alten Zähler soll
den aktuellen Energieverbrauch erfassen. An den
Zählern darf dabei keine Manipulation vorgenommen
werden. Um die erfassten Daten sinnvoll nutzen zu
können, sollen diese dem Benutzer zugänglich gemacht werden. Da sich die Zähler meistens im Keller
befinden, wo nur wenig Infrastruktur vorhanden ist,
ist eine sinnvolle Zugriffsmöglichkeit wichtig. Daher
werden Daten mittels Funkverbindung an einen Webserver gesendet, auf welchen der Benutzer von jedem
Ort im Netzwerk Zugriff hat.
Resultat
BI
BE
BU
VA
Im Verlauf der Bachelor Thesis konnte ein funktionierender Prototyp des Systems für den elektronischen
Zähler angefertigt werden. Bei Tests konnte festgestellt werden, dass alle Komponenten des Systems mit
ihren definierten Parametern funktionieren. Am Ende
der Bachelor Thesis wurde eine Liste mit Verbesserungsmöglichkeiten, welche das System noch verfeinern und für den Massengebrauch einsatzfähig machen, ausgearbeitet. Die Erfassung bei Ferrariszählern
konnte aus Zeitgründen während der Bachelor Thesis
nicht in Betrieb genommen werden.
Grober Systemaufbau mit den vorgegebenen Komponenten
ti.bfh.ch/book2014
Serielles Gateway zu PROFIBUS
Fachgebiet: Industrial Automation and Control
Betreuer: Prof. Max Felser
Experte: Josef Meyer
Industriepartner: Schweizer Electronic AG, Reiden
Bei technischen Anlagen stellt sich oft die Herausforderung, dass die eingesetzten Komponenten verschiedene Kommunikations-Standards/-Protokolle verwenden, wie z. B. PROFIBUS oder RS232. Um diese Problematik zu
lösen, können Gateways eingesetzt werden, welche eine Protokollumwandlung durchführen. Ziel der vorliegenden Arbeit war die Programmierung
und Konfiguration eines Gateways vom Typ netTAP100 DP/RS für einen
konkreten Anwendungsfall der Firma Schweizer Electronic AG.
Die Firma Schweizer Electronic AG stellt unter anderem Warnmeldeanlagen für Arbeiten im Bahnbereich
her. Eine Komponente der Warnanlage verwendet ein
Funkmodem sowie eine SPS. Um das Funkmodem,
welches mit RS232 kommuniziert, mit der SPS zu verbinden, wird ein Gateway verwendet, das die vom
Modem empfangenen Funktelegramme via PROFIBUS
der Steuerung übermittelt.
Das bisher eingesetzte Gateway (netTAP 30 DPS) verursacht jedoch Störungen bei bestimmten Kombinationen von Warnkomponenten, weil seine Konfiguration auf Telegramme mit fixer Länge ausgerichtet ist
und neu auch Telegramme mit unterschiedlicher Länge
versendet werden. Da Anpassungen in der Firmware
durch den Hersteller nicht mehr durchgeführt werden,
muss auf das Nachfolgemodell (netTAP 100 DP/RS)
umgestiegen werden.
Aufgabenstellung
Resultat
Die gestellte Aufgabenstellung konnte erfolgreich erreicht werden. Das neue Gateway bietet sämtliche gewünschten Funktionen und das Vorgängermodell lässt
sich einfach durch das neue Modell ersetzen. Tests in
Zusammenarbeit mit dem Auftraggeber konnten zeigen, dass der programmierte netTAP 100 zuverlässig
funktioniert und das Fehlverhalten des Vorgängermodells behebt.
Vorgehen
Entscheidend für die Zielerreichung war die Realisierung eines Testsaufbaus im Labor. Mit Hilfe von diesem konnte das Fehlverhalten des netTAP 30 weiter
analysiert werden. Gleichzeitig diente der Aufbau als
Grundlage für die ersten Tests mit dem neuen Gateway. Nach Fertigstellung des Testaufbaus wurde das
Design der Skript-Software für die Protokollumwandlung entwickelt. Anschliessend folgten Implementation und eine Reihe von Tests, welche Funktionalität
und Stabilität des Gateways nachweisen konnten.
David Sommerhalder
BE
BU
VA
Die Aufgabenstellung der vorliegenden Arbeit ist es,
den netTAP 100 so zu konfigurieren und zu programmieren, dass dieser an Stelle vom bisherigen Gateway
eingesetzt werden kann und die beschriebenen Empfangs-Störungen durch Implementierung eines Telegramm-Filters beseitigt. Das neue Gateway soll sämtliche verwendeten Funktionen vom Vorgänger nachbilden, damit ein Austausch der beiden Modelle mög-
lichst ohne Zusatzaufwand realisierbar ist. Der netTAP 100 wird mithilfe von netSCRIPT programmiert;
einer Skript-Sprache, die auf der verbreiteten Sprache
Lua basiert. Kernaufgabe ist die Erstellung eines
Skripts in netSCRIPT, welches die Protokollwandlung
durchführt.
Ausgangslage
119
BI
Datenfluss durch das Gateway
ti.bfh.ch/book2014
18A Solar Water Pump Inverter Design
Subject: Automation and Control
Experts: Peter Baumann (drivetek ag)
Project partner: ennos gmbh, Biel
120
Within the scope of this bachelor thesis, the prototype of a power inverter
was developed to drive specially designed permanent magnet motors
powered by a set of solar modules. Inverter and motor are intended for use
in electric pumps for land irrigation, drinking water supply and saline
water removal at salt productions in developing countries. Hence an important aspect of the development was, besides the technical challenge, to
optimize the design for low batch production cost.
The prototype development encompassed circuit
design, simulation, PCB layout, prototype manufacturing, software development and testing.
Hardware Design
Software Development
On the microcontroller side, software development
based on Texas Instrument’s InstaSPIN FOC™ solution
was required. InstaSPIN FOC™ is used to commutate
electric motors without the need of rotor position
sensing. The closed-source core component of this
software package, running in ROM of selected Piccolo
microcontrollers, is called FAST (Flux Angle Speed
Torque) observer. It estimates the rotor flux angle of
the driven motor by hardware provided phase voltage
and current feedback. Example code of an evaluation
kit was used as framework to create the target application. Adapting the code included configuration of
the PWM frequency, dead-band delay for the given
BI
BE
BU
VA
Stefan Stähli
Dimensioning of the three MOSFET half-bridges, their
respective gate drivers and analog measurement circuitry were a keypoint in power electronics circuit design and layout. Since the motor will be powered by
solar modules, the inverter must handle DC bus voltages ranging from 28 V up to 100 V and input currents
up to 18 A to enable maximum power point tracking
up to 960 W.
960W/18A Solar Water Pump Inverter
ti.bfh.ch/book2014
MOSFET half bridges, A/D conversion timing and insertion of motor data for the observer. As the inverter
shall draw the maximum power out of the connected
set of solar modules, a maximum power point tracking
(MPPT) algorithm was developed but not yet implemented in the target application. It’s effectiveness
was tested by simulation. Further, the use of a real
time OS was clarified and implementation recommendations for further software development were proposed.
Prototype Manufacturing
Prototype PCBs were manufactured at a PCB supplier
and populated manually at HuCE Microlab/BFH in Biel.
First experiences for batch production, like reflow soldering temperature profiles and handling of different
special surface mounted devices was gained.
Work Progress and Perspective
Due to some prototype reworking difficulties after
destructive test runs, the capability of the achieved
design could not be fully proofed. Nonetheless, the
resulting design, put into practice by two still functional pieces of hardware, builds the cornerstone for
continuative testing, software development and in
the medium term, batch production proof design.
Autonomie für Velostationen
Betreuer: Prof. Markus Moser
Experte: Felix Kunz
Industriepartner: Intermobility SA, Biel/Bienne
122
Die intermobility AG betreibt in Biel und künftig in weiteren Schweizer
Städten das Bikesharing-System «velospot». Um die Autonomie der Leihstationen zu erhöhen und deren Wartung zu minimieren wird ein neues
Energiemanagementsystem entwickelt. Kern dieser Neuentwicklung bildet
ein Photovoltaikpanel zur Energiegewinnung.
Marius Stalder
Ausgangslage
Realisierung
Durch die hohe Flexibilitätsanforderung an die
Leihstationen, um diese ohne weitere Infrastruktur
z. B. Anbindung an das 230V Netz, werden diese mit
Energie aus Akkumulatoren versorgt. Die hohe Energieaufnahme der Systeme erfordert allerdings das regelmässige Austauschen des Energiespeichers. Um
diesen Aufwand zu eliminieren und das System durch
Verwendung kleinerer Akkumulatoren ökologischer zu
gestalten liegt es nahe Energie aus einem Solargenerator zu beziehen.
Aufgrund verschiedener Simulationen einiger Standorte von Leihstationen und der Analyse der Wettersituation in der Stadt Biel konnte ein System zur Energieversorgung der Stationen ausgelegt und aufgebaut
werden. Um die vom Panel bereitgestellte Energie im
Akkumulator abspeichern und der Elektronik der
Leihstation zuzuführen, wird ein Stepdown Converter
verwendet. Dieser übernimmt das Laden des Akkus
und das Betreiben des Panels im maximalen Leistungspunkt (MPP). Realisiert mit einem Mikrokontroller und einem Buckconverter, kann bei schlechten
Bedingungen z. B. im, in Bezug auf die Sonneneinstrahlung, schlechtesten Monate des Jahres November,
Dezember und Januar, die maximale Energie aus dem
Solargenerator in das System eingespeist werden.
Im Rahmen der Bachelorthesis soll eine Mikroinselanlage zur Stützung des Energiespeichers in den Leihstationen dimensioniert und aufgebaut werden. Aus der
Kombination des Akkumulators und einem Photovoltaikpanel soll ein neues völlig autonomes und wartungsfreies System entstehen. Die Arbeit beschränkt
sich nicht auf die Entwicklung einer neuen Hardware,
sondern soll auch die Plausibilität des Systems im Einsatzgebiet «Stadt» behandeln. Da das System hauptsächlich in Städten eingesetzt wird, kann keine optimale oder teilweise keine direkte Sonneneinstrahlung
erwartet werden. Solche Standorte gilt es zu bestimmen und sie durch hinzuziehen von Wetterdaten und
Verschattungsszenarien aus dem Entwicklungsprozess
auszuschliessen oder das System auf genau diese
Worst-Case-Situationen zu optimieren.
BI
BE
BU
VA
Anforderungen
ti.bfh.ch/book2014
Ausblick
Die gewonnen Daten über die Strahlungsbedingungen
in Städten, können für weitere Projekte und Entwicklungen genutzt werden. Als weiteres Resultat liegt der
Prototyp eines neuen Energiesystems vor, welches mit
einigen Anpassungen als Serienprodukt in die Leihstationen integriert werden kann. Als wichtige Innovation wird die deutliche Verringerung der Akkumulator-Kapazität und des Wartungsaufwandes
hervorgehoben.
Realisierung eines DAB – in store repeaters
Fachgebiet: Kommunikationstechnik
Experte: Stefan Hänggi
Digitale Audio Broadcasting Plus (DAB+) Repeater dienen zur besseren
Funkversorgung in Gebäudeinneren. Die Realisierung von einem hochwertigen Repeater auf digitaler Basis ist in einen Empfangs- und Sendeteil
aufgeteilt. Diese Arbeit behandelt den Sendeteil. Der gesamte Aufbau soll,
mit Hilfe der digitalen Signalverarbeitung, eine vielseitige und flexible
Einsatzmöglichkeit bieten. Das grösste Interesse solcher Repeater wird bei
Verkaufsstellen von DAB+ Empfängern erwartet.
Diese Arbeit enthält den Aufbau des Repeater-Sendeteils. Dazu wurde eine Hardware realisiert, mit welcher die digitalen Signale verarbeitet, insbesondere
digital hochgemischt und zur Aussendung wieder
analog gewandelt werden. Bevor die vorbereiteten
Signale im Gebäudeinnern ausgesendet werden,
durchlaufen diese nochmals eine Filterung und werden verstärkt. Als Datenquelle soll zudem der Empfangsteil durch einen PC ersetzt werden können,
welcher die Daten über USB dem Sendeteil schickt.
Markus Stämpfli
Es wird ein hochwertiger Repeater auf digitaler Basis
aufgebaut und getestet. Mit ihm soll es später möglich
sein, einzelne Signale auf Frequenzen oder Frequenzbereichen mit Hilfe der digitalen Signalverarbeitung
gezielt zu filtern, umzusetzen oder anderweitig zu
verändern. Zudem muss bei eventuellen Frequenzanpassungen das Gerät nicht umgebaut, sondern nur
neu konfiguriert werden.
VA
Um dieses Problem zu entschärfen, sind gegenwärtig
Low-Power-Repeater im Gespräch. Solche Systeme
empfangen das Rundfunksignal mit einer Aussenantenne, verstärken es und senden es im Verkaufsgeschäft wieder aus. Kostengünstige Repeater werden
auf Grund der steigenden Nachfrage immer mehr illegal betrieben. Diese basieren oft auf dem analogen
Prinzip und verstärken den gesamten Frequenzbereich
von 174 MHz bis 230 MHz. Da in nahem Frequenzabstand zu diesem Band z.T. starke Sender von anderen
Diensten vorhanden sind, kann es vorkommen, dass
der Repeater durch unvorgesehene starke Eingangs-
Realisierung
BU
Analyse und Lösungsansatz
signale, den Ausgang übersteuert. Dies kann dazu führen, dass am Repeater-Ausgang neue Signale auf Frequenzen erzeugt werden, welche in den Nutzbereich
anderer Dienste fallen und diese somit stören.
BE
Der analoge Rundfunk über UKW wird heutzutage
mehr und mehr durch den digitalen Rundfunkstandard
DAB+ ersetzt. In Warenhäusern und Fachgeschäften
werden entsprechende Empfangsgeräte zum Teil sehr
preiswert angeboten. Oft möchte man dort dem
Kunden das Gerät demonstrieren, hat aber durch den
Gebäudeeinfluss einen schlechten Empfang. Da die
Übertragung digital erfolgt, bleibt der Empfänger
dann oft stumm, und dem Kunden kann weder Funktionsweise noch Qualität demonstriert werden.
BI
Ausgangslage
123
ti.bfh.ch/book2014
Detektion von 4G-Smartphone Verbindungen
Experte: Dr. Andrea Ridolfi
Industriepartner: COMLAB AG, Ittigen
124
Störsender für Mobilfunkkommunikation kommen heutzutage z. B. in
Gefängnissen zum Einsatz. Der Industriepartner besitzt dafür ein System,
das Verbindungsversuche von Mobiltelefonen mit einem Detektor erkennt
und sofort stört. Für die neuartige Technologie LTE (4G) ist jedoch noch
kein Detektor vorhanden, der den 4G-Störsender aktiviert. Deshalb soll auf
der zur Verfügung gestellten Hardware-Plattform ein Detektionsalgorithmus für 4G-Smartphone Verbindungen entwickelt werden.
Cyril Stoller
Vorgehen
Das Unterbinden von Mobiltelefonkommunikation ist
in speziellen Situationen heutzutage wichtiger denn
je. Dazu gehören zum Beispiel Verwahrungsanstalten,
sowie der Schutz vor ferngezündeten Bomben, die mit
Mobiltelefonen ausgelöst werden können. Die COMLAB AG, ein Schweizer Unternehmen im Bereich Hochfrequenztechnik, stellt seit einigen Jahren Systeme zur
lokalen Störung von unerwünschten Funkübertragungen her. Die entsprechenden Funkfrequenzen dürfen
jedoch aufgrund von Richtlinien der Behörden nicht
ständig gestört werden. Aktive Übertragungen von
Mobiltelefonen müssen zuverlässig detektiert und
möglichst schnell gestört werden, um zu garantieren,
dass keine Anrufe, SMS oder webbasierte Nachrichten
übermittelt werden.
Aus diesem Grund soll ein Detektionsalgorithmus für
4G-Smartphone Verbindungen entwickelt werden. Er
muss einerseits eine sehr schnelle Reaktionszeit aufweisen und andererseits möglichst alle auftretenden
LTE-Verbindungen erkennen. Die Implementation basiert auf einer Hardware-Plattform der COMLAB AG.
Darauf werden die Eingangssignale einer angeschlossenen Antenne digitalisiert, analysiert und dann ein
Detektionssignal ausgegeben. Der Algorithmus nutzt
die charakteristische Form von LTE-Signalen aus, um
sie von schmalbandigen Störsignalen zu unterscheiden. Er wurde zuerst in MATLAB entwickelt und anschliessend in der Hardwarebeschreibungssprache
VHDL umgesetzt.
Resultate
Dazu wird beim Funkband die Kommunikationsrichtung vom Smartphone zur Basisstation überwacht und
bei positiver Detektion ein Störsender aktiviert. Die
COMLAB AG deckt dafür mit ihren Produkten bereits
viele der heutigen Funktechnologien mit Störsendern
und dazugehörigen Detektoren ab. Jedoch besteht für
den neu eingeführten Standard LTE (auch 4G genannt)
noch keine spezifische Detektion.
Bisher konnte die COMLAB AG für den Funkstandard
LTE nur eine einfache auf die Signalleistung basierte
Detektion einsetzen, die bei Störsignalen auch falsche
Detektionsalarme erzeugte. Der hier entwickelte Detektionsalgorithmus ist dagegen grösstenteils störunempfindlich und detektiert LTE-Signale zuverlässig bei
hoher Empfindlichkeit, kurzer Detektionszeit und sehr
tiefer Falschalarmrate. Beispielsweise kann ein Signal
bei einer Leistung von -117dBm mit einer Detektionswahrscheinlichkeit von 99% und einer Falschalarmrate von 0.3% innerhalb von 500μs detektiert werden.
Störsystem mit Detektor
Hardware-Plattform des Industriepartners
BI
BE
BU
VA
stocyr@livenet.ch
Ausgangslage
ti.bfh.ch/book2014
Version WiFi du transmetteur ANEMON
Domaine spécialisé: Communication Techologies
Chargé: Prof. Claude Brielmann
Expert: Jean-Philippe Nicolet (BLS)
ANEMON SA développe des systèmes pour détecter les chaleurs bovines.
La grande fiabilité de la détection est basée sur les variations de la température corporelle et sur l’activité de la vache. Pour la détection de la température de la vache, ANEMON utilise un capteur intravaginal à transmission sans fil. L’activité est mesurée sur le collier.
Le but de ce travail de Bachelor est de développer une
version WIFI du transmetteur ANEMON à partir de la
version GSM/GPRS. Pour développer ce projet, il faut
faire une étude du concept du système afin de trouver
une solution pour envoyer les SMS au client en cas
d’alarme. Il faut ensuite définir tous les protocoles de
Etienne Tomamichel
Résultats
Le système communique par le serveur Java qui a été
développé au cours de ce travail de Bachelor pour
pouvoir tester complètement le transmetteur WIFI. La
communication avec le serveur se fait par un protocole de sécurité pour éviter que personne ne puisse
simuler des faux messages. ANEBOX mesure la température et l’activité bovine et chaque deux heures,
il communique les données au serveur. À chaque
connexion, le transmetteur demande si une nouvelle
configuration est disponible. Si c’est le cas et si les
contrôles de sécurité sont passés, ANEBOX reçoit les
paramètres et effectue la nouvelle configuration. En
cas d’alarme, ANEBOX envoie un message d’alarme au
serveur avec une code qui indique le type d’alarme,
ensuite le serveur doit envoyer l’alarme SMS au client,
par une passerelle SMS ou un module GPRS.
BI
BE
Enfin, on a mesuré la consommation de la batterie
et on a trouvé que, dans le pire des cas, ANEBOX
a une autonomie de 94 jours. Par contre, dans des
conditions normales, l’autonomie peut atteindre les
108 jours, voire plus. La portée du signal WIFI d’ANEBOX est de 60 mètres. Une évaluation d’ANEBOX
sur le terrain devra être faite pour pouvoir vérifier les
valeurs obtenues sur le terrain.
tomamichel.etienne
@gmail.com
Tâches principales
la communication avec le serveur avec une communication sécurisée pour éviter que personne ne puisse
envoyer ou simuler de faux messages. On doit aussi
implémenter la possibilité de configurer le transmetteur depuis le serveur pour que l’agriculteur puisse
configurer lui-même le transmetteur à l’aide d’un
browser. La batterie ANEBOX est une batterie de
1350mAh – elle doit avoir une autonomie d’au moins
90 jours. Pour terminer, il faut faire une estimation
des performances du produit développé.
VA
Le transmetteur ANEMON (ANEBOX) doit mesurer l’activité de la vache et lire les données de la température
corporelle, mais il doit aussi être à même de communiquer des données au serveur et, en cas d’alarme,
d’envoyer un SMS à l’agriculteur pour indiquer la chaleur bovine. Le transmetteur ANEMON utilisé actuellement est un transmetteur GSM/GPRS qui permet un
fonctionnement dans toutes les régions couvertes
par le réseau mobile, mais qui génère des coûts de
communication. Dans certaines exploitations où les
vaches sont toujours à proximité de la ferme, l’utilisation d’un réseau WIFI permettrait justement d’éviter ces coûts.
BU
Introduction
125
On peut voir ici le transmetteur qui est appliqué au collier de
la vache.
ti.bfh.ch/book2014
AIDE-MOI (Ambulatory non-Invasive DEvice –
Medical Observation Instrument)
Experte: Dr. Andrea Ridolfi (EPFL)
Industriepartner: Berner Fachhochschule, Gesundheit, Bern
126
Durch den ständigen Fortschritt der Technik werden laufend neue Möglichkeiten, speziell durch die Miniaturisierung für den Gesundheitsbereich
erschaffen. Doch genau vor diesen kleinen Geräten haben die älteren Personen eine gewisse Ablehnung. Mit der Applikation AIDE-MOI wurde ein
Hilfsmittel für dieses Alterssegment entwickelt, welches den Sturz mit
Hilfe eines Bluetooth Beschleunigungssensors detektiert, Hilfe alarmiert
und damit ein Hauptproblem der Geriatrie vermindert.
Studien belegen, dass ein Drittel der Personen über
65 Jahre mindestens einmal pro Jahr stürzen und dies
hat oft schwerwiegende gesundheitliche Folgen. Weiter ist die Detektion solcher Stürze bis heute nicht zufriedenstellend erfüllt und es existiert kein Hilfsmittel
zur einfachen und konstanten Überwachung. Die heute erhältlichen Detektoren weisen zudem den Nachteil
auf, dass diese abgezogen werden können und so in
kritischen Situationen oft nicht getragen werden und
keine Alarmierung stattfinden kann.
Damit auch ältere Personen die Möglichkeiten der
heutigen Informations- und Kommunkationstechnologie nutzen können, wird in diesem Projekt ein miniaturisierter Bluetooth Beschleunigungssensor vom Institut für Mobile Kommunikation in Burgdorf
entwickelt. Dieser wird in ein Pflaster integriert und
gewährleistet so, dass ohne ein zusätzliches Gerät,
wie zum Beispiel eine Sturzarmbanduhr, eine 24h
Überwachung möglich ist.
App AIDE-MOI im Einsatz
BI
BE
BU
VA
Matthias Witschi
ti.bfh.ch/book2014
Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurde in enger
Zusammenarbeit mit der BFH Gesundheit in Bern eine,
diesem Alterssegment gerechte, Applikation zum
Empfangen und Auswerten der Beschleunigungsdaten
entwickelt. Das Herzstück der Applikation ist die Bewertungseinheit der Daten. Der dazu entwickelte Algorithmus wertet anhand zweier Signalmerkmale die
Aktivität aus. Dies sind einerseits die Ähnlichkeit der
aktuellen Signalenergieform mit einer bekannten
Sturzform und andererseits die Orientierung der Person. Daraus wird mit Hilfe von Schwellenwertvergleichern ausgewertet, ob sich ein Sturz ereignet hat oder
nicht. Implementiert wurde dieser Sturzalgorithmus
in einer Android Applikation, welche vollständig im
Hintergrund arbeitet. Wurde eine Aktivität als Sturz
gewertet oder hat der Benutzer eine manuelle
Alarmierung ausgeführt, so wird nach einer einstellbaren Quittierungszeit der Alarm via SMS-Nachricht
ausgelöst. Dabei werden an eine vom Benutzer definierte Nummer die Alarmierungsursache sowie die aktuelle GPS-Position gesendet. Antwortet die kontaktierte Person nicht innerhalb einer Minute, so wird die
nächste Nummer kontaktiert und damit gewährleistet,
dass der Alarm gesehen wurde und Hilfe unterwegs
ist. Durch die Bekanntgabe der Sturzposition ist die
Applikation zudem sehr flexibel einsetzbar, so kann
sie die Alarmierung auch zu Besuch bei Freunden oder
auf Spaziergängen übernehmen.
BSc in Informatik
BSc en Informatique
Kobil AST Services in the Cloud
Fachgebiet: IT-Security
Betreuer: Prof. Gerhard Hassenstein
Experte: Prof. Dr. Andreas Spichiger (Berner Fachhochschule)
Industriepartner: HP Banking Service Center, Bern Liebefeld
128
Starke Authentisierungsverfahren und die Sicherheit elektronischer Identitäten sind im heutigen Informatikzeitalter sehr wichtig und nicht mehr
wegzudenken. Im Abschlussjahr von meinem Studium, während dem Projekt 2 und der Bachelor Thesis habe ich mich aus diesem Grund mit einer
neuen Technologie von KOBIL Systems GmbH auseinandergesetzt.
Marcel Aeberhard
+41 79 274 53 43
Ausgangslage
Umsetzung
Kobil AST steht für App Security Technology und ist
eine Security Lösung der gleichnamigen Firma KOBIL
Systems GmbH. Die Technologie beschreibt ein System mit dem sensitive Transaktionen über einen zweiten Kanal mit dem Smartphone signiert werden können. Für den Einsatz von Kobil AST wird ein Smart
Security Management Server fortfolgend SSMS genannt und eine Smartphone App verwendet. Zusätzlich implementiert die Portalapplikation, welche die
Kobil AST Services nutzt die Webservice-Schnittstellen vom SSMS.
Im Verlauf der Umsetzung wurde die SSMS Cloud so
konzipiert, dass sich Serviceprovider sowie auch Endkunden unabhängig voneinander registrieren. Damit
ein Serviceprovider mit einem Endkunden kommunizieren kann, muss zuerst eine gegenseitige Verknüpfung stattfinden. Nach erfolgreicher Verknüpfung
werden zwei Interaktionsmöglichkeiten zwischen Serviceprovider und Endkunde angeboten. Das Versenden
einer Nachricht zum Smartphone und die Transaktionssignierung. Beide Interaktionen können vom Serviceprovider in der SSMS Cloud ausgelöst werden und
weitere beliebige Interaktionen können in der Cloud
erweitert werden.
BSc in Informatik
Als Vorarbeit zu dieser Bachelor Thesis wurde Kobil
AST erfolgreich in das Login des e-Banking Systems
cyberIBIS integriert. cyberIBIS ist das in IBIS3G integrierte e-Banking System für die Bankkunden vom HP
Banking Service Center. Um dieses Vorhaben zu realisieren wurde der SSMS installiert und konfiguriert,
die Smartphone App angepasst und das e-Banking
System cyberIBIS weiterentwickelt.
Noch während den Entwicklungsarbeiten im Projekt 2
ist zusammen mit der Architektur des HP BSC die Idee
entstanden Kobil AST als einen Service anzubieten.
Die Lösung sollte dahingehend ausgebaut werden,
dass die Kobil AST Services ohne SSMS verwendet
und mehrere Mandanten verwaltet werden können.
Um Kobil AST anzubieten muss man einen SSMS betreiben und die Smartphone App den kundenspezifischen Wünschen anpassen oder neu entwickeln. Solche Vorhaben sind für die meisten Serviceprovider
oder KMU nicht selber realisierbar, da sie keine Informatikdienstleister sind. Es soll ein System entwickelt
werden damit verschiedenste Serviceprovider Kobil
AST als einen Service (SaaS) beziehen können. Weiter
soll die Problematik der Mandantenfähigkeit gelöst
werden.
BI
BE
BU
VA
Zielsetzung
ti.bfh.ch/book2014
Neben der funktionalen Entwicklung der SSMS Cloud
wurde darauf geachtet, dass sämtliche Kanäle identifiziert, bewertet und mit geeigneten Massnahmen
geschützt werden. Beispielsweise wurden für die Authentisierung und Kanalsicherung zum Serviceprovider höhere Sicherheits-Standards verwendet als zum
Endkunden. Abschliessend wurde das entwickelte
System nach eCH-0170 Standard dem Qualitätsmodell
für elektronische Entitäten untersucht und bewertet.
Reflektion
Die Ziele für die Bachelor Thesis konnten erreicht werden und mit einem SSMS können mehrere Serviceprovider bedient werden. Das Konzept von unabhängigen
Serviceprovider und Endkunden ermöglicht zudem,
dass ein Serviceprovider seine Dienste einem breiten
Pool von potentiellen Endkunden anbieten kann. Weiter konnte während der Umsetzungsarbeiten der Bachelor Thesis die Security der SSMS Cloud Applikation
verbessert werden.
Mobile and Secure Time Reporting
Fachgebiet: Informatik
Betreuer: Prof. Dr. Eric Dubuis, Prof. Rolf Jufer
Experte: Stefan Berner (Diso AG)
Industriepartner: Valion AG, Bern
Das Übertragen und Speichern von vertrauenswürdigen Daten ist immer
mit Risiken verbunden. Mobile and Secure Timereporting ist ein System,
welches die von den Mitarbeitenden mobil erfassten Arbeitszeiten sicher
ins firmeninterne Netzwerk der Valion AG bringt. Über eine Web Applikation ist es den Mitarbeitenden möglich, Zeiterfassungen online zu
tätigen, anzupassen und zu überprüfen. Die erfassten Daten werden dabei
verschlüsselt in einer Datenbank abgelegt.
Der Auftraggeber Valion AG möchte künftig ihren
extern stationierten Mitarbeitenden die Zeiterfassung
auch ausserhalb des Firmensystems ermöglichen.
Eine VPN-Verbindung soll aus Sicherheitsgründen
nicht zum Einsatz kommen. Deshalb soll eine Web
Applikation als sekundäres Zeiterfassungssystem
realisiert werden, das plattformübergreifende Zeiterfassung ermöglicht. Damit die erfassten Daten
geschützt sind, werden diese verschlüsselt abgespeichert. Zu diesem Zweck wird CryptDB eingesetzt.
Umsetzung
Technologien
Application Server: Microsoft IIS 7.5
Active Directory: Windows Server 2008 SP2
CryptDB: Stand März 2014
Ubuntu Server: 13.10
Datenbank: MySQL 5.5.37
Daniel Aemmer
Fazit
Die Kombination der Vertiefung Web and Buisness
Applications mit der Vertiefung Security hat eine umfassende Lösung ergeben. Die verschiedenen Komponenten und Technologien konnten in die bestehende Firmenarchitektur integriert werden. Mobile and
Secure Timereporting verbessert die Qualität und die
Effizienz der Zeiterfassungen, ohne dabei die Informationssicherheit der Daten zu gefährden.
Stephan Vetsch
BI
BE
BU
VA
Es wurde eine umfassende Sicherheitsanalyse durchgeführt, um mögliche Gefahren und deren Gegenmassnahmen zu analysieren. Für die Speicherung der
Einträge in der Datenbank wird CryptDB verwendet.
CryptDB ist ein Forschungsprojekt des MIT(Massachusetts Institute of Technology). Bei der Verwendung
von CryptDB wird ein Proxyserver zwischen Applikation und Datenbank geschaltet. Der Proxyserver
kann wie eine Datenbank angesprochen werden, übergibt die Daten allerdings verschlüsselt an die Datenbank. Damit die Sicherheit weiter erhöht wird, erfolgt
die Authentisierung der Benutzer über das bestehende Active Directory der Valion AG.
Um den Einsatz möglichst vieler Endgeräte zu gewährleisten, wurde eine Web Applikation realisiert. Für
das plattformübergreifende Design wird das Bootstrap
Framework verwendet. Die Applikation wurde mit
dem ASP.NET MVC 5 Framework umgesetzt. Sie besitzt zudem Schnittstellen auf den Proxyserver von
CryptDB und auf ein Active Directory.
BSc in Informatik
Ausgangslage
129
Architektur
Web Applikation
ti.bfh.ch/book2014
Interdiscount Goes Mobile
Fachgebiet: Web and Business Applications
Experte: Andreas Dürsteler (Swisscom)
Industriepartner: Interdiscount AG, Jegenstorf
130
«Interdiscount Web App» ist eine Webanwendung, welche nach den Prinzipien von «Responsive Design» programmiert wurde und vorwiegend auf
Smartphones und Tablets genutzt werden soll. Die Lösung hat in der vorliegenden Version für den Kunden einen informativen Charakter. Durch
Scannen eines QR-Codes ab einem Preisschild lässt sich die App starten.
Mit den zusätzlichen Informationen aus der Anwendung kann sich ein
potenzieller Kunde optimal über ein Produkt informieren.
Ausgangslage
Adina Anliker
Die Firma Interdiscount AG hat sich zum Ziel gesetzt,
für ihre Kunden noch innovativer und mobiler zu werden. Mit dem bestehenden Online Shop interdiscount.ch deckt Interdiscount bereits ein grosses Kundenbedürfnis ab. Interdiscount will in naher Zukunft
die Kunden mobiler betreuen und ihnen den Entscheid
zum Kauf eines Produktes noch leichter machen. Dafür
wünscht sich Interdiscount eine Plattform, welche
von möglichst vielen unterschiedlichen mobilen Endgeräte-Typen genutzt werden kann.
scheid eines Kunden positiv zu beeinflussen indem
ihm (auch in der Filiale) erweiterte Möglichkeiten geboten werden, vertiefende Informationen über ein
Produkt zu erschliessen und ggf. auch Transaktionen
zu tätigen» – erfüllt. Die vertiefenden Informationen
zum Produkt soll der Kunde auf einer Detailseite nachlesen können. Um auf diese Seite zu gelangen, soll der
Kunde lediglich einen QR-Code scannen müssen, der
sich in der Interdiscount-Filiale auf dem Preisschild
des Produktes befindet. Die Detailseite soll sich der
Bildschirmgrösse und der Rotation des entsprechenden mobilen Gerätes anpassen.
Ziel
Susanna Balmer
Umsetzung
Um den Wunsch von Interdiscount, nach einer Plattform für unterschiedliche mobile Geräte-Typen, erfüllen zu können, haben wir uns entschieden, eine
Webanwendung nach den Prinzipien von «Responsive
Design» zu erstellen. Weil die Anwendung ausserdem
auf den Servern von Interdiscount laufen und eng mit
dem bestehenden Online Shop verbunden sein soll,
musste die Technologie, welche Interdiscount für den
Online Shop einsetzt, übernommen werden. Die Anwendung wurde deshalb mit JSF 1.2, HMTL5 und CSS3
implementiert. Zusätzlich haben wir die Libraries
jQuery und BxSlider benützt.
Ein Interessent kann in einer beliebigen InterdiscountFiliale ab einem Preisschild den QR-Code scannen und
so die Webanwendung starten. Auf der Produktdetailseite kann er die beschreibenden Informationen zum
Produkt nachlesen, falls vorhanden die Spezifikation
einsehen, sich über das Zubehör des Produktes informieren sowie nachschauen, in welcher Filiale das Produkt auch noch verfügbar ist. Alternativ lässt sich die
Anwendung auch direkt starten. Kunden können dann
über die Startseite nach dem gewünschten Produkt
suchen.
Die Anwendung soll in naher Zukunft erweitert werden. Ideen und Ansätze dazu finden sich bereits in der
Dokumentation der Bachelor Thesis.
BU
VA
BE
Resultat
BI
BSc in Informatik
Ziel der Bachelor Thesis ist es, eine Lösung zu entwickeln, welche die Aufgabenstellung – «den Kaufent-
Ablauf eines Scanvorgangs
ti.bfh.ch/book2014
Cryptographical Knowledge Comparator
Subject: ITS
Thesis advisor: Prof. Dr. Reto König
Expert: Stefan Berner (Diso Solution AG)
Based on a new cryptographic component, we designed and implemented a
proof of concept protocol to encrypt knowledge in a way it can not be read
unless you already know it. To show the protocol in practice, a game which
is usually played with two players - Black Box - has been implemented in a
way that it can be played offline by one player. The solution is already included, but you have to play the game to find it.
To demonstrate the real world usage of said multi-commitment scheme, two offline applications for
the Black Box game were developed. With the producer application, a user prepares a game which can be
exported in a way that its solution is no longer obtainable and can only be verified by those who already
know it. The export format is either an XML file or a
QR code, both non-interactive protocols for offline usage. The consumer application is able to load an exported game and allows a player to play the game. If a
possible solution was found, it can only be verified –
the correct solution itself is hidden in the ciphertext
and cannot be read from it, except by bruteforcing or
attacking the underlying multi-encryption scheme.
Florian Leuenberger
Implementation
VA
The multi-encryption scheme introduced by Koenig
and Haenni allows encrypting multiple secrets into
one ciphertext, a property it inherits from its underlying mathematical component, a univariate polynomial
over a finite field. It is built using polynomial interpolation using the x values as the key and the y values as
the corresponding secrets. The scheme itself and various enhancements such as randomization, key mapping and secret space randomization are discussed in
detail.
Matthias Blaser
The applications are created using the Google Web
Toolkit (GWT) framework, allowing implementing web
applications using Java and compiling it to native
HTML5 and JavaScript for offline usage. The Android
application is built using the Cordova container, which
allows to package web applications in a way they can
access device services like the camera, which is used
to scan a QR code.
BU
Theory
We show that the multi-encryption scheme is indeed
usable as a cryptographic building block for a commitment scheme, having the unique property of supporting multiple commitments per ciphertext without the
need of an additional mapping layer. However, of the
two basic properties of a commitment scheme – hiding and binding – only the first one is strong enough
for a wide range of applications. As the binding property is considerably weaker, only specific use cases
should be regarded as suitable for this scheme. Namely, where trust in the commiting party is a given or
when additional committed values (either implicit or
explicitly chosen) do not affect its functionality or security.
BE
Commitment schemes are the cryptographic equivalent of putting a value in a safe deposit box for later
verification while ensuring that it has not been modified in the meantime. Depending on the protocol, the
verification process may or may not require the value
to be public. This thesis introduces a practical example of such a commitment scheme based on a new
cryptographic component called multi-encryption,
used to verify a previously committed value if, and
only if, it is already known – hence the name Cryptographic Knowledge Comparator.
BI
Introduction
131
ti.bfh.ch/book2014
Password and Key Safe
Fachgebiet: IT-Security
Betreuer: Prof. Dr. Emmanuel Benoist
Experte: Dr. Igor Metz (GLUE Software Engineering AG)
132
Ob im privaten Leben oder im beruflichen Umfeld verwenden wir tagtäglich unzählige Programme und Dienste bei welchen man sich mit einem
Passwort anmelden muss. Wie kann man sich jedoch all diese verschiedenen Passwörter merken? Im Rahmen der Bachelor Thesis wurde eine
Webanwendung realisiert, welche sowohl ein sicheres Speichern, wie auch
ein unkompliziertes Teilen von Passwörtern erlaubt.
Ausgangslage
Christoph Bruderer
Heutzutage bestehen bereits verschiedene Lösungen
für die Speicherung von Passwörtern in einem System.
Dabei werden die Daten entweder lokal beim Benutzer
in verschlüsselten Datenbankfiles oder beim Anbieter
in der Cloud gespeichert. Beide Ansätze haben jedoch
entscheidende Nachteile. Bei einer Cloud-basierten
Anwendung werden sensitive Benutzerdaten einem
externen Anbieter anvertraut. Bei der lokalen Speicherung bleiben die Daten beim Benutzer, jedoch wird dadurch ein effizientes Teilen von Passwörtern mit anderen Benutzern verunmöglicht.
Ziel
Das Ziel der Bachelor Thesis war es eine Webanwendung zur sicheren Verwaltung von Passwörtern zu realisieren. Die Anwendung soll auf einer LAMP Architektur aufgebaut sein. Neben der sicheren Verwaltung
steht ein sicheres und unkompliziertes Teilen von
Passwörtern im Zentrum.
bank abgespeichert, wobei die sensitiven
Informationen verschlüsselt werden.
Neue Benutzer können sich über die Webanmeldung
registrieren und ihre Passwörter in Einträgen erfassen. Zur Verwaltung der Passwörter können verschiedene Gruppen erstellt werden. Bei Bedarf können diese mit anderen Benutzern geteilt werden und ihnen
somit Zugriff auf die darin vorhandenen Einträge gewährt werden. Der Gruppenadministrator kann den
Gruppenmitgliedern individuelle Rechte verteilen.
Um das Teilen von Einträgen zu ermöglichen, ohne
dass dafür ein Passwort ausgetauscht werden muss,
wird asymmetrische Kryptographie verwendet. Für jeden Benutzer und jede Gruppe wird dafür bei der Erstellung ein Public / Private Key Schlüsselpaar generiert. Um eine Gruppe und deren Einträge mit einem
bestimmten Benutzer zu teilen wird der Private Key
der Gruppe so in der Datenbank gespeichert, dass nur
derjenige Benutzer diese entschlüsseln kann, mit welchem die Gruppe geteilt werden soll.
Simon Thallinger
Das Resultat der Bachelor Thesis ist die Webanwendung «OpenKeyManager». Diese wurde grösstenteils
mit PHP programmiert. Die Verschlüsselung wurde Client-seitig in JavaScript realisiert. Die Anwendung ist
für den Einsatz in einer lokalen Umgebung wie zum
Beispiel in einem kleineren Unternehmen vorgesehen.
Dazu muss ein Administrator einen LAMP-Webserver
entsprechend einrichten, auf welchen dann die einzelnen Benutzer zugreifen können und ihre Daten verwalten. Sämtliche Daten werden in einer MySQL Daten-
BI
BE
BU
VA
BSc in Informatik
Umsetzung
OpenKeyManager
ti.bfh.ch/book2014
Ein Benutzer muss nur beim Login sein Benutzerpasswort angeben und hat danach Zugriff auf alle Funktionen der Webanwendung. Sämtlich Verschlüsselungen
und Entschlüsselungen, ob symmetrisch oder asymmetrisch, haben ihren Ursprung in diesem Passwort.
Dank dieser Eigenschaft ist es möglich, die gesamte
Kryptografie ohne erneutes Eingeben eines Passwortes durchzuführen, weder beim Erstellen von Einträgen, noch beim Teilen von Gruppen und deren Einträgen.
Automatische statistische Auswertungen
von Eishockeyspielen
Betreuer: Prof. Jean-Pierre Caillot
Experte: Dr. Joachim Wolfgang Kaltz (PostFinance)
Industriepartner: EHC Biel, Biel/Bienne
Der Eishockey Club Biel als Nationalliga A Eishockeyclub erfasste und wertete bis anhin die Spiel- und Spielerstatistik manuell aus. Ziel war es, eine
effiziente und kostengünstige Gesamtlösung zur Statistikauswertung bereitzustellen. Das Team hatte schlussendlich die Aufgabe dem EHC Biel einen bedürfnisgerechten Lösungsvorschlag zu präsentieren und diesen im
Rahmen der Thesis zu realisieren. Dabei verfügte das Projektteam über
eine freie Vorgehensweise zur Lösungsfindung.
Die Projektmethoden Hermes und Scrum bildeten die
Grundstrukturen zur Abwicklung und Konzeptionierung respektive Entwicklung von StatICEtics (Name
der Applikation und des Projektes). Dabei war insbesondere die Anwendung von Hermes und dessen Phasenstruktur für die Führung des Projekts und Scrum
als agile Entwicklungsmethode, speziell in der Realisierungsphase, für den Erfolg des Projekts statICEtics
von grosser Bedeutung.
Während einem Eishockeyspiel kann der Statistiker
des EHC Biel Spielaktionen erfassen. Er kann diese,
durch das Zuordnen einer Position auf dem Spielfeld
und eines Spielers oder eines Teams, präzisieren. Die
Aktionen des Gegners werden von statICEtics automatisch erkannt und dem Gegner zugewiesen.
Durch die Erfassung dieser Aktionen ist es nun möglich präzise Statistiken über einen Spieler, über das
ganze Team des EHC Biel und dessen Gegner, während
Spielen resp. der Saison, auszuwerten.
Dick Paul Chávez Arias
StatICEtics ist eine Android Applikation, welches positionsbezogene Aktionen während Eishockeyspielen
erfasst und daraus Echtzeitstatistiken generiert.
BE
BU
VA
Christoph Kappeler
BSc in Informatik
Während dieses Evaluationsprozesses wurden Tests
mittels Prototypen in Android und Desktopapplikation
durchgeführt. Diese Tests verfolgten den Zweck, die
effizienteste Datenerfassungsmethode herauszukristallisieren. Anhand von Usability-Tests zeigte sich
schliesslich, dass die Eingabe mittels Touchscreen
und Stift, auf dem Android Tablet Samsung Galaxy
Note 12.2, am benutzerfreundlichsten und effizientesten ist.
133
Projektmethoden Hermes und Scrum
Marcel Wyss
BI
statICEtics Applikation
ti.bfh.ch/book2014
Automatisierte Anomalie-Detektion in der
Memory-Forensik
Fachgebiet: Informatik - IT Security
Betreuer: Dr. Endre Bangerter
Experte: Dr. Federico Flueckiger (Informatik und Telekommunikation EFD)
134
Die Bedrohungen durch Malware und gezielte Hacking-Angriffe nehmen
weltweit stetig zu. Gleichzeitig wird es aufgrund der steigenden Komplexität der Angriffe immer schwieriger, diese zu entdecken. Eine Schlüsseltechnik für die Erkennung von Angriffen und die Analyse von Malware ist
die Memory-Forensik. Basierend auf dieser Technik wurde eine Applikation entwickelt, welche eine automatisierte Detektion der von Malware verursachten Anomalien ermöglicht.
Die Memory-Forensik beschäftigt sich mit der Untersuchung sog. Memory-Dumps, also Momentanaufnahmen des Arbeitsspeichers. Während Malware ihre
Spuren und Dateien auf der Festplatte eines Systems
erfolgreich verstecken kann, ist dies im Arbeitsspeicher kaum möglich.
Es existieren bereits Lösungen zur automatischen Memory-Dump-Analyse und Anomalie-Detektion. Diese
stellen jedoch sog. Black-Box-Lösungen dar: für den
Anwender sind nur die Eingabe und das berechnete
Ergebnis ersichtlich, wie die Anomalien detektiert
wurden ist nicht nachvollziehbar, ebenso wenig kann
die Vollständigkeit der Resultate eingeschätzt werden.
Systematische Praxis-Tests zeigten, dass unser Ansatz
sehr gute Detektions-Ergebnisse bei einer gleichzeitig
geringen False-Positive-Rate liefert; sie kommen nahe
an die Qualität der von Experten durchgeführten manuellen Malware-Analysen heran. Das Ziel, eine offene
und nachvollziehbare Applikation für die automatisierte Anomalie-Detektion zu realisieren, haben wir
somit erreicht.
Benjamin Urech
Die im Rahmen dieser Thesis entwickelte Applikation
ermöglicht eine weitgehende Automatisierung der
Anomalie-Detektion in Memory-Dumps von Windows
7Systemen. Dank dem gewählten White-Box-Ansatz
sind die berechneten Resultate vollständig nachvollziehbar. Basierend auf den von Volatility ausgegebenen Daten wird eine Whitelist aufgebaut, welche
BI
BE
BU
VA
BSc in Informatik
Ramona Cioccarelli
Das quelloffene Memory-Forensik-Framework Volatility bietet umfangreiche Werkzeuge und Plugins an, um
verschiedenste Informationen aus Memory-Dumps zu
lesen. Mit diesen Informationen sollen die Spuren von
Malware ausfindig gemacht werden. Die Interpretation der Informationen bedingt jedoch tief reichende
System- und Malware-Kenntnisse, da die verursachten
Anomalien oft sehr subtil sind. Solche Analysen sind
somit nur wenigen Spezialisten zugänglich und erfordern gleichzeitig viel Zeit.
die charakteristischen System-Informationen unversehrter Memory-Dumps enthält. Aus dem Vergleich
derselben charakteristischen System-Informationen
potentiell infizierter Memory-Dumps mit der zuvor
aufgebauten Whitelist resultieren die durch Malware
verursachten Anomalien. Als Ergänzung werden auch
die aus den Memory-Dumps extrahierten Programmdateien untersucht, um zusätzliche Anomalien zu detektieren. Die Ergebnisse können für weitere Untersuchungen übersichtlich in einem Web-Frontend
dargestellt oder als CSV-Datei exportiert werden.
Analyse-Prozess
ti.bfh.ch/book2014
Web-Frontend
AR Drone - Erlernung von Flugmustern mittels
künstlicher Intelligenz
Betreuer: Prof. Dr. Jürgen Eckerle
Experte: Jean-Jacques Jaquier
Quadcopter werden zunehmend populär und gewinnen in der heutigen
Zeit vermehrt an Bedeutung. Jedoch ist das Steuern dieses unbemannten
Luftfahrzeugs nicht jedermanns Sache. Wir sind nun der Idee gefolgt, mittels Anwendung von Lernverfahren die Steuerung zu vereinfachen und
leichter handhabbar zu machen. In dieser Arbeit wurde der Fokus auf das
Finden von Steuerungsbefehlen mittels künstlicher Intelligenz gesetzt und
das Lernverfahren in einer Simulationsumgebung umgesetzt.
135
Ausgangslage
Als Individuen wurden Flugmanöver definiert und deren Komponenten (einzelne Befehle) als Gene. Durch
das Vergleichen des abgeflogenen Pfades mit dem gewünschten Pfad, wird eine potentielle Lösung evaluiert.
BSc in Informatik
In dieser Arbeit wurde der Ansatz eines genetischen
Algorithmus gewählt. Dieser Algorithmus orientiert
sich an der Evolutionstheorie in dem er diese auf eine
abstrakte Weise abbildet. Dabei werden Individuen
erstellt, welche aus einem Gen bestehen. Diese Individuen stehen dabei für eine Lösung des Problems, die
Gene sind die Komponenten dieser Lösung. Wie im
echten Leben können sich diese Individuen fortpflanzen, dabei wird die Gene zweier Lösungen kombiniert
und eine neue Lösung gebildet. Ein wichtiger Aspekt
der Evolutionstheorie, das überleben des Stärkeren,
spielt eine zentrale Rolle beim genetischen Algorithmus. Nicht alle Lösungen können verwendet werden,
um neue Lösungen zu erstellen. Es werden Selektionsverfahren verwendet die stärkeren Individuen eine
höhere Wahrscheinlichkeit einräumen, als Eltern für
neue Lösungen zu fungieren.
Um möglichst viele Versuche durchführen zu können
und um die Lokalisierung des abgeflogenen Pfades
nicht durch Sensorfehler zu beeinträchtigen, wurde
das Erlernen der Flugmanöver in einer Simulationsumgebung vorgenommen. Dieser Simulator bildet die
nötigen Befehlsprimitiven des Quadcopters ab.
Fazit
Mit Hilfe des Simulators konnte der genetische Algorithmus vorgebene Flugmuster erlernen. In dieser Arbeit wurde als Zielfigur einen Kreis gewählt. Weitere
Figuren könnten grundsätzlich durch die gleiche Methode erlernt werden; es müsste dazu lediglich eine
neue Fitnessfunktion definiert werden. Sobald einen
weitere Fitnessfunktion erstellt wird, ist der implementierte Algorithmus in der Lage die dazugehörige
Figur zu erlernen. Das Gebiet der genetischen Algorithmen im Zusammenhang mit dem Quadcopter ist
sehr interessant und könnte in einem zukünftigen Projekt erweitert werden.
VA
Idee und Lösungsansatz
Lösung
BU
Die Grundidee dieser Arbeit ist es, einem UAV (Unbemanntes Luftfahrzeug, engl. unmanned aerial vehicle)
bestimmte Flugmuster beizubringen. Dies kann zum
Beispiel ein Kreis oder eine Acht sein. Das Erlernen
von Flugmustern soll mittels einer KI (künstlichen Intelligenz) erreicht werden, welche versucht das vorgegebene Muster so gut wie möglich abzufliegen.
GA Ablaufdiagramm
BE
Ziele
Thi Thuy-Duc Dao
BI
Die AR Drone ist ein performantes und kostengünstiges Miniatur Luftfahrzeug in der unbemannten Luftfahrt, das eine breite Ausstattung bietet. Dank den
genannten Vorteile wird die AR Drone zunehmend
Plattform für Experimente, Forschung und Ausbildung.
Der Quadcopter lässt sich über Smartphones oder
iPads mittels vorgefertigte Apps fernsteuern. Die
Schnittstelle zu der AR Drone erlaubt es, Steuerungsbefehle von einem Computer an den Quadcopter zu
geben. In einer Simulationsumgebung soll ein Lernverfahren implementiert werden, welches erlaubt vorgegebenen Flugmustern zu erlernen. Somit kann eine
Verfeinerung von Befehlsprimitiven des Quadcopters
erzielt werden.
ti.bfh.ch/book2014
vitabook – Mobile eHealth Plattform
Fachgebiet: Web and Business Applications/IT Security
136
Vitabook ist eine Plattform zur Ablage, Verwaltung und Freigabe gesundheitsrelevanter Daten. Die Plattform bietet Kollaborationsfunktionen für
Patienten und Gesundheitsorganisationen wie Spitäler, Apotheken oder
Arztpraxen. Mit Hilfe moderner Technologien von Smartphones oder einer
NFC-Karte können die Daten einfach und sicher ausgetauscht werden. Die
Plattform wurde bewusst offen gestaltet, so dass sich Drittanbieter und deren Daten ebenfalls integrieren lassen.
Ausgangslage
BSc in Informatik
Patrick Dobler
Tuan La
zum richtigen Zeitpunkt am richtigen Ort den richtigen Personen zur Verfügung zu stellen. NFC ermöglicht dabei eine bequeme und sichere Anmeldung bei
einer (Health Professional-)Organisation, um die Daten auszutauschen. Damit können wir wesentliche
Funktionen der aktuellen Versichertenkarte virtualisieren.
Im Jahr 2007 hat der Bundesrat die «Strategie eHealth
Schweiz» verabschiedet. Das Ziel ist es, der Schweizer
Bevölkerung bis 2015 zu ermöglichen, den Behandelnden ihrer Wahl Zugriff auf behandlungsrelevante Informationen zu geben. Die Umsetzung der «Strategie
eHealth Schweiz» erfolgt jedoch langsam und treibt
unserer Meinung nach wichtige Themen wie mHealth,
Integration von Drittanbietern und Patient Empowerment zu wenig energisch voran. Wir haben uns deshalb entschieden, eine eigene eHealth Plattform zu erstellen. Damit wollen wir vor allem zeigen, dass es mit
modernen und etablierten Technologien möglich ist,
eine offene und erweiterbare Plattform zu realisieren.
Nachfolgend werden die wichtigsten Eigenschaften
dieser Plattform beschrieben.
Patient Empowerment
Abstrahierung der Gesundheitsdaten
Notfallprofil
Auf vitabook werden alle Daten in Form von templatebasierten Health Records gespeichert. Dies ermöglicht
es einerseits, verschiedene Quellen zu nutzen und andererseits gemeinsame Basisfunktionen wie Freigabe
und Kollaboration, anzubieten. Organisationen und
Drittanbieter haben damit die Möglichkeit, die Datenstruktur ihrer Health Records selbst zu bestimmen,
um anschliessend konkrete Einträge für einen Benutzer zu erfassen.
Um im Notfall die wichtigsten Daten zur Verfügung zu
stellen, steht ein Notfallprofil zur Verfügung. Nebst
auserwählten Profilstammdaten werden dabei relevante Health Records wie Allergien und Impfungen sowie Informationen zum aktuellen Standort angezeigt.
Das Notfallprofil kann über eine URL aufgerufen werden, welche auf einer vitabook-NFC-Karte gespeichert
wird. Dies ermöglicht es, mit einem beliebigen NFCfähigen Smartphone, die URL auszulesen und auf die
entsprechende Seite zu navigieren.
Der Benutzer hat jederzeit die Übersicht, wer auf welche Gesundheitsdaten Zugriff hat, und kann seine
Freigaben jederzeit selbständig über die Web App
oder Mobile App anpassen. Er kann eigene Gesundheitseinträge erstellen, kommentieren, Anhänge hinzufügen sowie teilen und sich damit aktiver am Behandlungsprozess beteiligen.
«My Smartphone As My Health Center»
BE
BU
VA
Das Smartphone ist immer und überall dabei und hilft
dem Patienten, seine gesundheitsrelevanten Daten
BI
Robin Wyss
Übersicht der vitabook Plattform
ti.bfh.ch/book2014
Umsetzung
Wir haben die Applikation in unterschiedliche Module
aufgeteilt. Der «vitabook core» enthält die Business
Logik und ist für den Zugriff auf die Daten zuständig.
Er ist stateless, und kann somit in einer Cloud-Umgebung effizient skaliert werden. Zusammen mit der
REST-Schnittstelle bildet der «vitabook core» das zentrale Backend. Die weiteren Module «Web App», «Mobile App» und «Tablet App», sowie die Drittanbieter
kommunizieren alle über die REST-Schnittstelle mit
dem «vitabook core». Für die Autorisierung wird das
OAuth-2-Protokoll verwendet, welches dem Benutzer
erlaubt, zu entscheiden, auf welche Daten eine Applikation zugreifen darf.
Digital Network Information & Traces Extraction
(Dignité)
Subject: IT Security
Thesis advisors: Claude Fuhrer, Dr. Olivier Biberstein
Expert: Dr. Joachim Wolfgang Kaltz (PostFinance AG)
Cybercrime often involves websites, hosted by web servers all-over the
world. Those servers contain pieces of information, often called digital
traces, which reveal insights on the type of illegal activity or on the persons behind. The goal of our project is to develop an extensible API and
library to acquire automatically a large range of digital traces. For a convenient demonstration of our library, we created a simple graphical application using Scala Swing components.
To gather information about the target website we use
a selection of traces. Those traces allow to retrieve
server version and geographical location of the physical server, the chain of SSL certificates or the DNS and
Whois information stored in the public databases. Furthermore we examine the content of a website and its
different pages to find interesting information like
e-mail addresses or phone numbers as well as HTML
metadata like the author or character encoding. To include Social Network information, we also look for
Facebook or Twitter code snippets and account IDs
from traffic analyzing services, for example Google
Analytics. As a further source of information we contact established blacklist providers like Google SafeBrowsing or Spamhaus.
Testing and Interoperability
Thomas Marcel Ender
Testing the developed library was an important task to
verify the correct functioning of our work. To avoid
network queries for every test run we developed mock
objects to return typical service responses which are
parsed by our trace strategies.
thomas.ender@the-online.ch
Although the library and API is developed in Scala, it
can be used with Scala or Java applications and using
the XML export functionality the results can be analysed with other programming languages. This allows
to use the retrieved information in Big Data projects
establishing connections between different websites.
Legal aspects
Being Swiss citizens and operating out of Switzerland
we have to respect the current Swiss law. This constrains us to using only publicly accessible information that has not been protected to restrict access. We
are also not allowed to conduct any invasive operation
or to take offensive action to disrupt the operation of
the target website or any intermediary device. Nevertheless we are able to extract a lot of information.
With the finished product, a user can now easily collect publicly available information about a given target website using only one tool instead of many different command-line or graphical utilities.
BE
Furthermore all information retrieved is stored in a
structured format using well-established XML standards.
BI
The Dignité Client uses different services to gather information
patrick@vananti.ch
BU
New possibilities
Patrick Vananti
To retrieve traces we need Internet access, which allows us to get website information and query other external tools, like the Whois database or a geo-location
service. But not all traces can be fetched directly. To
handle this, we developed our own tools using already
developed libraries and our algorithms using the Scala programming language.
VA
Digital Traces
137
ti.bfh.ch/book2014
Linked Data Performance
Betreuer: Dr. Urs Sauter
Experte: Prof. Dr. Spichiger Andreas
138
Die Aufgabe der Bachelorthesis «Linked Data Performance» war es, ein
Testsystem auf einem virtuellen Server zu installieren. Dabei wurden zwei
RDF-Plattformen und ein herkömmliches Datenbanksystem eingerichtet.
Die Messresultate werden in einer relationalen Datenbank gespeichert und
nach den Kriterien Bandbreite der Netzwerkverbindung, Leistungsfähigkeit des Clients und Browser ausgewertet.
Wir haben vier Abfragen mit unterschiedlicher Komplexität und Datenmenge ausgearbeitet. Die Messdaten wurden innert drei Tagen aufgezeichnet. Dabei haben wir Messungen am Netzwerkanschluss der BFH in
Bern und von privaten Anschlüssen aus durchgeführt.
Da die Datenbanken über verschiedene Browser abgefragt werden sollen, haben wir uns entschieden, ein
clientseitiges Testtool zu entwickeln. Das Tool kann
die Abfragen an die verschiedenen Plattformen senden und deren Zeitdauer messen. Die Metadaten zu einer Abfrage können im Tool ausgewählt werden.
Die Messdaten wurden mit Hilfe von SQL Abfragen
und Microsoft Excel ausgewertet. Wir haben festgestellt, dass die RDF Plattformen D2RQ und Fuseki
noch nicht mit einer relationalen Datenbank mithalten
können. Insbesondere bei Anfragen mit grosser Komplexität, sind die RDF Plattformen um ein Vielfaches
langsamer. Die Messungen am BFH Netzwerkanschluss waren schneller als Messungen, welche von
Zuhause aus gemacht wurden. Bei den Browsern konnte kein Favorit festgestellt werden. Wie erwartet, liefert ein Client mit mehr Rechenleistung auch durchschnittlich schnellere Resultate.
Architektur des Testsystems auf vmnabu.bfh.ch
Beispiel eines RDF Graphen
André Gerber
BE
BU
VA
BSc in Informatik
Sahan Faruk
Auf dem virtuellen Server vmnabu.bfh.ch wurde das
Testsystem eingerichtet. Dazu haben wir ein bestehendes Datenset eingesetzt, welches von data.gemeindezukunft.ch zur Verfügung gestellt wird. Dieses
Datenset haben wir in den Fuseki Triplestore eingebunden. Zudem ist eine relationale Abbildung davon
in einer MS SQL Datenbank gespeichert. Die installierte D2RQ-Plattform kann die relationale Datenbank in
einen RDF-Graphen mappen. Um einen Vergleich mit
relationalen Abfragen herzustellen, wurde zudem eine
kleine Serverapplikation mit Node.js erstellt.
BI
Sandro Kneubühl
ti.bfh.ch/book2014
Visualisierungsmethoden für die Analyse
von kriminellen Aktivitäten
Fachgebiet: CPVR
Betreuer: Claude Fuhrer
Experte: Daniel Voisard (Bakom)
In einer Kriminalanalyse entsteht eine Unmenge an Daten, welche
untersucht werden müssen. Um eine verdächtigte Person zu finden, sind
deren Interaktionen auf ihrem mobilen Gerät zu prüfen. Die Auswertung
aller Verbindungen sind in Dokumenten und Tabellen nicht immer einfach
überschaulich darstellbar.
Eine Serverunabhängige Webapplikation soll der
Polizei dabei helfen, ihre Fälle einfacher zu lösen und
Korrelationen aus den Daten herauszulesen.
Die Webapplikation sollte den Kriminalbeamten primär dazu dienen, leicht verständliche und gleichzeitig
aussagekräftige Graphen, bestehend aus Knoten und
Kanten, erstellen zu können. Stattgefundene Straftaten sollten auf direktionale Graphen abgebildet und
analysiert werden.
Resultate
Zukunftsvision
Als Prototyp kann der erstellte Graph Editor bei einer
Kriminalanalyse eingesetzt und zusammen mit der
Polizei ausgebaut werden. Erweiterungs- und Verbesserungsmöglichkeiten werden sich sicherlich bei der
Verwendung in einer richtigen Analyse herausstellen.
Das Thema, Visualisierungsmethoden bei Kriminalfällen einzusetzen, ist ziemlich aktuell. Es existieren
bereits Zukunftsvisionen des Projektes, welche sich
mit Realtime Analysen, folglich Totalüberwachung,
befassen.
Schabnam Fateh
BU
VA
Für die Bachelorthesis wurde ein Graph Editor mit
Hilfe der JavaScript Library d3.js implementiert
und zur Vervollständigung des Projektes eine Dokumentation verfasst.
Das erstellte Tool bietet dem User die Möglichkeit,
Rohdaten von Telekommunikationsanbietern auf
einen Graphen zu projizieren oder einen neuen Graphen nach eigenen Vorstellungen zu kreieren.
Eigene erstellte Graphen können abgespeichert und
wieder geladen werden. Dies ermöglicht spätere
Nachbearbeitungen des Graphen. Die Informationen
können direkt auf dem Graphen abgelesen werden.
Für die Dokumentation und erstellte Akte der Analyse,
können die erstellten Graphen in ein Bildformat exportiert werden, um sie danach zu archivieren. Die
vielen Interaktionsmöglichkeiten von d3.js und polymaps.js ermöglichen zudem noch die geographische
Zuweisung der Akteure (Knoten) auf einer Karte.
BSc in Informatik
Ausgangslage
139
BE
Beispielanwendung des Graph Editors
BI
Geographische Zuweisung der Akteure
ti.bfh.ch/book2014
VENUS to Android
Fachgebiet: Mobile Computing
Betreuer: Ueli Schrag
Experte: Armin Blum (BAKOM)
Industriepartner: Leafit, Brügg
140
Das Ziel dieser Bachelor-Thesis ist die Entwicklung einer Applikation für
Android-Smartphones, welche mit dem VENUS-Framework der Firma Leafit
kommuniziert, so dass die Integration von «mobilen Funktionen» in das
Framework ermöglicht wird.
Mobile Client-Geräte müssen sich beim VENUS-Server
registrieren und mitteilen, welche Funktionen sie ausführen können. Anschliessend werden diese zyklisch
beim Server nach auszuführenden Aufgaben anfragen.
Damit den Client-Geräten auch ausserhalb des AbfrageIntervalls neue Aufgaben zugeteilt werden können,
kommt Google Cloud Messaging (kurz: GCM) zum Einsatz. Diese Technologie stellt einen Kommunikationskanal über NAT-Grenzen hinweg, wie das beim Zugang
über Mobilfunk der Fall ist, bereit. Über GCM werden
keine relevanten Daten ausgetauscht, den Client-Geräten wird lediglich signalisiert, sich unmittelbar beim
VENUS-Server nach neuen Aufgaben zu erkundigen.
BI
BE
BU
VA
BSc in Informatik
Marc Folly
Tasks (Funktionen) sind das Empfangen und Senden
von SMS, das Tätigen und Registrieren von Telefonanrufen, das Anzeigen von Meldungen, das Übertragen
von Bildern der internen Kamera sowie die Mitteilung
der aktuellen GPS- oder Netzwerkposition (sog. «Online-Lokalisierung»). Zudem wird eine «Offline-Lokalisierung» unter Einbezug von Bluetooth oder NFC angeboten. Hierbei wird das Umfeld nach bekannten
Bluetooth-Geräten abgesucht oder es können stationär angebrachte, passive NFC-Tags gescannt werden,
die sich in unmittelbarer Nähe zum Gerät befinden.
ti.bfh.ch/book2014
Die Kommunikation zwischen den Clients und dem
VENUS-Server erfolgt über einen SSL-verschlüsselten
REST-Webservice, als Datenaustauschformat dient
JSON. Die gleiche Schnittstelle wird auch vom
GCM-Service verwendet.
Dem Umstand, dass bei mobilen Geräten die Qualität
und Verfügbarkeit der Internetanbindung starken
Schwankungen ausgesetzt ist, muss Rechnung getragen werden. Zu übertragende Daten werden zwischengespeichert und stehen auch nach einem Neustart des
mobilen Gerätes zur Verfügung. Um falsche Zeitstempel, herbeigeführt durch falsch eingestellte Systemuhren oder Zeitzonen zu vermeiden, muss immer die
Serverzeit als Referenz dienen.
Die Ergebnisse der Bachelorarbeit ermöglichen es,
verschiedenartige, spezifische mobile Anwendungen
in VENUS bereitzustellen.
Spatial Cognition Trainer for Surgeons
Fachgebiet: Virtual Reality
Betreuer: Prof. Urs Künzler, Dr. Rosita Haddad-Zubel, Robert Hauck
Experte: Jean-Jacques Jaquier
Im Rahmen der Bachelor-Thesis hatten wir das Ziel, ein 3D-Spiel zu realisieren, mit welchem das räumliche Vorstellungsvermögen, primär von
Chirurgen, trainiert werden kann. Dabei soll der Prozess der Adaption von
2D-Informationen, welche aus mehreren 2D-Bildern (Bsp. CT- oder Röntgenaufnahmen) bestehen können, auf das reale 3D-Problem trainiert werden.
Ausgangslage
In Zusammenarbeit mit einer Psychologin der Universität Genf und unserem Betreuer erarbeiteten wir ein
Konzept für ein 3D-Puzzle. Mit Hilfe dieser Anwendung
soll der Benutzer durch einen ansteigenden Schwierigkeitsgrad der einzelnen Spielabschnitte, sog. Levels,
sein räumliches Vorstellungsvermögen trainieren können. Dabei wurde der Fokus auf Puzzleteile in Würfelform gelegt. Weiter definierten wir als mögliches Ziel
die Verwendung von 3D-Meshs zum Darstellen von
Knochen.
Aus technischer Sicht basiert unser 3D-Puzzle auf dem
I3D-Framework der Berner Fachhochschule, welches
für den CAVE entwickelt wurde und viele Open-SourceFrameworks für 3D-Anwendungen (Equalizer, OpenSceneGraph, Bullet, Chai3D, usw.) verwendet. Die Programmiersprache C++ ist durch die Frameworks gegeben. Im Laufe der Entwicklung erweiterten wir das
I3D-Framework im Bereich der Haptik und Physik. Wir
haben ein spezielles Augenmerk auf die weitere Verwendbarkeit der Spiel-Engine gelegt. Damit können
weitere Projekte, welche das I3D-Framework verwenden, von unserer Arbeit profitieren.
141
Mathias Fuhrer
Realisierung
Resultat
Simon Hiller
BSc in Informatik
Die Funktionalität des 3D-Puzzles beschränkt sich
auf Puzzleteile in Form von Würfeln. Diese können zu
einem Verbund zusammengefügt und davon wieder
losgelöst werden. Auch werden mehrfarbige Würfel
verwendet, was den Lerneffekt zusätzlich unterstützt.
Meshs können zudem dargestellt, aber nicht zusammengefügt werden.
BE
BU
VA
Ausgehend von diesen Grundlagen realisierten wir den
Spatial Cognition Trainer for Surgeons. Er besteht
aus verschiedenen definierbaren Levels, welche auf
verschiedenen Level-Typen aufbauen. Es können einfache und komplexe Levels in XML-Dateien definiert und
im Spiel verwendet werden. Zudem ist eine Profilverwaltung vorhanden, mit welcher der Fortschritt eines
Spielers gemessen und verglichen wird. Das Spiel ist
speziell für die Bedienung mit einem haptischen Gerät
entwickelt und ermöglicht somit das Ertasten von Objekten und Oberflächen. Weiter haben wir eine ereignisgesteuerte und zustandsbasierte Spiel-Engine als
Basis für die Spiellogik implementiert.
Zusammenfügen von mehrfarbigen Würfeln zu einer vorgegebenen Struktur
Zusammenfügen von Meshs (hier Knochen) zu einer vorgegebenen Struktur
ti.bfh.ch/book2014
BI
Thomas Probst
Waldstandort beurteilen – Vom Handbuch zur
Android App
Subject: Informatics
Thesis advisor: Dr. Ulrich Fiedler
Expert: Prof. Dr. Torsten Braun (IAM, Uni Bern)
External project partner: Bern University of Applied Sciences, School of Agricultural, Forest and Food Sciences, Zollikofen
142
At present, it is estimated that more than 80% of the Swiss population
has a smartphone (Microsoft 2013). With this little tool has spread to a
considerable speed: it is not uncommon to see a forest manager contacts
and appointment professionals using their smartphone or capturing its
observations on the ground through built-in camera and GPS.
Implementation
Use of a smartphone as a measure, capture, and data
storage limit investment costs and offers the opportunity to spontaneously make statements in the forest,
because the required hardware is always at hand . Finally, use of new technologies can give new incentive
to forest inventories and make them more attractive,
especially in the eyes of new generations of foresters.
Compared to «traditional» methods like Handbook,
reach the information and save them with a smartphone can be advantageous to different points of
view. Since the smartphone is also used to capture,
processing, and saving data, it is not necessary to invest in a computer field or enter data on paper in the
forest.
Forest Phytosociology is a smart phone Application
which was developed to be used as a simple, efficient
and reliable means for forest management. The application makes it possible to receive comprehensive information about the forest soil, vegetation and different plants in the concerned location and this will ease
and accelerate the process of decision making in management. Using this application, the forester may select the concerned plants and examine the forest communities related to the selected plants; it is also
possible to save the selected items along with photos
and location (the location is identified using GPS).
The saved items may be shared with others via internet. Forest experts can identify the type of soil using
professional charts taking into consideration its colour. This can be easily done with the help of smart
phones with touch screen and visual presentation; the
forester may make use of different charts, choose the
concerned forest communities and examine them.
This application offers comprehensive information
about plants along with photos and adequate soil conditions for the plant in question.
Hossein Ghodrati
Introduction
Result
Finally, the project has resulted in achieving the following outcomes:
BI
BE
BU
VA
Then the program can be used as an alternative to the
books and e-books which are portable and enjoys accurate and complete information. This program facilitates the selection of desired plants and their associated Forest Phytosociological Unit, recording and
storing the required information and is an appropriate
alternative to traditional notes which are a saving in
paper consumption. In addition, it provides forester
with more features such as GPS positioning and saving plant combinations of location as well as the geographical particulars of location.
ti.bfh.ch/book2014
Web-basiertes Feedbacksystem für Berufsmaturitätsprüfungen
Betreuer: Dr. Michael Röthlin
Experte: Dr. René Bach
Mit dem verstärkten Einsatz elektronischer Hilfsmittel in existierenden
Prozessen wird im Allgemeinen die Verbesserung von Abläufen, insbesondere deren Beschleunigung angestrebt. Genau in diesem Bereich siedelt
sich diese Bachelor Thesis an, in der eine Webapplikation zur effizienten
Beurteilung von Prüfungen entwickelt wurde.
Nima Gholamweisi
Verwaltung der Prüfungstermine
− Schulleiter erfassen die Prüfungstermine, bei
welchen Feedbacks erforderlich sind
− Einplanung von Experten durch Hauptexperten
Feedbackverwaltung
− Erfassung von Feedbacks durch Experten
− Freigabefunktion der Experten-Feedbacks durch
Lehrkräfte
− Klärungsmöglichkeit bei Uneinigkeit mittels
integrierter Diskussionsfunktion
Benachrichtigungsfunktion
− Prozessteilnehmer werden bei relevanten Zustandsänderungen elektronisch benachrichtigt
Erinnerungsfunktion
− Bei Überschreiten des eingestellten Zeitlimits
zur Eingabe werden Experten automatisch an ihre
Aufgaben erinnert
BSc in Informatik
Ein Experte erfasst seinen Bericht in einem elektronischen Formular und übergibt ihn der Lehrkraft. Sobald
diese den Bericht gelesen und freigegeben hat, ist er
für den Hauptexperten und die Schulleitung einsehbar. Sowohl Hauptexperten als auch Schulleiter erhalten einen Überblick über alle sie betreffenden Berichte; die Vertraulichkeit bestimmter Inhalte bleibt dabei
jederzeit gewahrt.
Rollenverwaltung
− Zuweisung von Rechten zur Dateneinsicht oder
-bearbeitung an existierende Benutzer
VA
Um den Feedback-Prozess zu verbessern, wurde im
vorliegenden Projekt eine elektronische, integrierte
Lösung für folgendes Zielszenario entwickelt:
Komplette Benutzerverwaltung
− Neue Benutzer können registriert und bearbeitet
werden
− Div. Validierungsfunktionen
BU
Ziele und Ergebnisse
Die in diesem Projekt konzipierte und realisierte
Lösung stellt folgende Funktionalitäten zur Verfügung:
BE
Bei der Durchführung von Berufsmaturitätsprüfungen
schreibt der zuständige Experte zum Abschluss einen
Expertenbericht. Dieser wird von der Lehrkraft gegengelesen und freigegeben. Der Bericht geht derzeit per
E-Mail oder auf Papier an den Hauptexperten des entsprechenden Fachs und an die Schulleitung. Somit
gibt es zurzeit keine einheitliche Methode für die Abgabe der Feedbacks. Eine zentrale Datenablage fehlt
und keine Stelle besitzt den Überblick über den gesamten Prozess.
BI
Ausgangslage
143
ti.bfh.ch/book2014
Tilllate goes Android
Betreuer: Prof. Rolf Jufer
Experte: Armin Blum (Bakom)
Industriepartner: 20 Minuten AG, CH-8021 Zürich
144
Tilllate.com ist ein Produkt der 20 Minuten AG und ein schweizweit aktives Nightlife-Portal, welches sich auf die fotografische und journalistische
Aufbereitung des Nachtlebens konzentriert. In dieser Bachelor Thesis wurde eine Android Applikation entwickelt, welche die wichtigsten Dienstleistungen von tilllate.com integriert und eine ansprechende Benutzerfreundlichkeit besitzt.
Motivation
BSc in Informatik
Ziel dieses Projektes ist die Entwicklung einer Android-basierten mobilen Anwendung für tilllate.com.
Dabei sollen die wichtigsten der auf der Web- und
iOS-Plattform vorhandenen Funktionalitäten auch für
Android-Anwender via Googles Play Store verfügbar
gemacht werden. Bei der App soll vor allem Wert auf
schnelle Ladezeiten und eine flüssige Benutzeroberfläche gelegt werden.
Andreas Gurtner
Umsetzung
tilllate.goes.android
@gmail.com
Die Android Applikation wurde mittels Android SDK in
Java umgesetzt. Der Entscheid dazu wurde im Vorprojekt gefällt, in welchem nebst dem Android SDK, die
Frameworks Phonegap und Titanium evaluiert wurden.
Die Applikation wurde anhand eines Multithreading
basierten Ansatzes entwickelt. Die anfallenden Aufgaben wie das Laden, Skalieren und Zwischenspeichern
der Bilder und Daten, werden asynchron abgehandelt.
Dazu wurde innerhalb der App ein Threadpool erstellt,
welcher die entsprechenden Tasks ausführt. Dies ermöglichte die Einhaltung der geforderten Performance
und eine jederzeit flüssige Darstellung der Benutzer-
oberfläche. Für diese wurde ein möglichst intuitiv
bedienbarer Grundaufbau definiert. Die Applikation
wurde im Verlauf der Thesis mit Usability-Tests auf
ihre Benutzerfreundlichkeit überprüft und gegebenenfalls angepasst.
Die Applikation fordert die zur Anzeige benötigten
Daten über einen REST-konformen Webservice bei
Tilllate an. Dieser Service musste im Rahmen der Thesis für die Android App in einigen Teilen modifiziert
und erweitert werden.
Folgende Funktionalitäten wurden umgesetzt:
− Anzeige von Storys und angehängten Bildstrecken
− Anzeige von Events inklusive Filterung
− Anzeige von Fotogalerien inklusive Filterung
− Suchfunktion über alle lokalen und remote Inhalte
− Mehrsprachigkeit
− Multithreading für ein flüssiges Benutzerinterface
Verwendete Technologien:
− Client: Android SDK (Java)
− Server: PHP5, MySQL, JSON
− Unterstützung für Android 4.0.3 und aufwärts
Riv Vakili
+41 76 616 08 97
BI
BE
BU
VA
riv.vakili@gmail.com
Tilllate Android App: Storyliste
ti.bfh.ch/book2014
Tilllate Android App: Suche
Multiparametrische Bildbearbeitung in der
Nuklearmedizin
Fachgebiet: Computer Perception and Virtual Reality (CPVR)
Betreuer: Marcus Hudritsch, Dr. Thilo Weitzel
Experte: Jean-Marie Leclerc (Sword Services)
Industriepartner: Inselspital Bern, Universitätsklinik für Nuklearmedizin
Positronen-Emissions-Tomographie in Kombination mit Computer-Tomographie (PET/CT) ist ein bildgebendes Verfahren der Nuklearmedizin und
wird u.a. für die Diagnose von Krebserkrankungen eingesetzt. Mit steigender Leistungsfähigkeit der Tomographen sowie der bildverarbeitenden Systeme stehen pro Untersuchung zunehmend mehr und genauere Daten zur
Verfügung. Diese Arbeit zeigt auf, wie das diagnostische Potenzial moderner PET/CT-Systeme in Zukunft besser genutzt werden kann.
Einleitung
Ergebnisse
Für eine PET-Untersuchung wird dem Patienten eine
schwach radioaktiv markierte Substanz (Tracer) injiziert, die sich in Regionen des Körpers anreichert, die
einen hohen Stoffwechsel haben. Dies sind neben einigen Organen und Muskeln insbesondere Tumore. Die
Intensität dieser Anreicherung wird gemessen, um
eine Abbildung der Stoffwechselaktivität zu erhalten.
Die Analyse der Daten hat gezeigt, dass es möglich ist,
verschiedene Gewebe anhand des Intensitätsverlaufs
zu unterscheiden.
Normalerweise wird diese Intensität nur einmalig
nach einer vordefinierten Zeit (z. B. 60 Minuten) nach
Verabreichung des Tracers gemessen. Dabei können
Gewebe, die zu diesem Zeitpunkt eine ähnliche Anreicherung zeigen, nicht unterschieden werden.
Mit modernen Geräten ist es technisch möglich, eine
schnelle Folge von Messungen durchzuführen. Daraus
resultieren für jeden einzelnen Bildpunkt mehrere
Werte, die einen Intensitätsverlauf darstellen.
Für die Klassifizierung wurden insgesamt sechs verschiedene Distanzmasse implementiert. Die Evaluation zeigte, dass sich bei dieser Problemstellung eine
Kombination von mehreren Distanzmassen am besten
eignet. Die Klassifizierung ermöglicht eine selektive
Darstellung des Gewebes. Dadurch können Tumore
und Metastasen besser gefunden werden.
145
Marc Gutknecht
Mithilfe solcher Techniken sollen computerunterstützte Diagnostik-Systeme in Zukunft den Ärzten helfen,
die Erkennungsrate von Tumoren bzw. Metastasen
weiter zu steigern.
Ziele
Intensitätsverlauf über fünf gefilterte Zeitpunkte von unterschiedlichen Geweben
Oben: Normales PET/CT mit Tumor (Quadrat) und möglichen
Metastasen (Kreise); Unten: Tumorgewebe klassifiziert
ti.bfh.ch/book2014
BI
BE
BU
VA
BSc in Informatik
Das Ziel dieser Bachelor-Thesis war es, zu prüfen, ob
der zeitliche Verlauf der Anreicherung helfen kann, um
verschiedene Gewebearten zu unterscheiden. Wenn
dies möglich ist, sollte versucht werden, die Gewebe
von mehreren Patienten anhand von ausgewählten
Mustern zu klassifizieren und dafür ein geeignetes
Vergleichsmass zu evaluieren. Die Resultate sollten
schlussendlich in einer geeigneten Form dargestellt
werden.
Door Tracked Augmented Reality
Fachgebiet: Computer Perception and Virtual Reality
Betreuer: Markus Hudritsch
Experte: Andreas Dürsteler (Swisscom AG)
146
Thema dieser Arbeit war, eine Augmented Reality Anwendung zu erstellen,
welche Türen erkennt und Objekte (z. B. ein Vordach) über diese projiziert.
Die Projektion soll dabei perspektivisch korrekt sein. Steht der Anwender
seitlich zur Tür, so sieht er auch das Vordach von der Seite. Die Anwendung ist plattformunabhängig und kann auch auf mobile Plattformen portiert werden. Mit Qt, OpenCV und OpenGL steht das Projekt auf einem soliden Fundament.
Mato Ilic
info@matoilic.ch
Projekt
Technologien
Ziel des Projektes war es, mit Hilfe des OpenCV-Frameworks eine Augmented Reality Anwendung zu entwickeln. Diese soll Türen automatisch erkennen und
diese mit beliebigen Objekten dekorieren, z. B. einem
Vordach. Dabei soll das eingeblendete Objekt perspektivisch korrekt dargestellt werden. Sprich, wenn
man z. B. seitlich der Türe steht, dann soll man auch
das Vordach von der Seite sehen. Auch, sollte das Projekt als Grundlage für weitere Arbeiten im Bereich der
Augmented Reality dienen. Da das Anwendungsgebiet
von Augmented Reality sehr breit gestreut ist, soll die
Anwendung so weit wie möglich plattformunabhängig
sein, so das Teile später auch für die Entwicklung von
Applikationen auf neuen Mobilgeräten verwendet werden können. Der Fokus des Projektes selbst lag in erster Linie bei Desktoprechnern.
Das Projekt wurde in C++ realisiert. Zum einen um
eine bestmögliche Performance zu garantieren, zum
anderen weil C++ auf allen gängigen Plattformen zur
Verfügung steht. OpenCV wird für die Bildverarbeitung eingesetzt und ist eine zentrale Komponente.
OpenGL ES erlaubt es grafische Abläufe direkt auf der
GPU auszuführen. Mithilfe von Qt wurde ein plattformunabhängiges User Interface gestaltet.
Ergebnis
Es wurde eine Applikation entwickelt welche sowohl
unter Windows als auch Mac OS X lauffähig ist und es
ermöglicht Türen in einem Live-Kamerabild zu erkennen und ein Objekt darüber zu projizieren. Die Komponenten sind modular aufgebaut und können für zukünftige AR-Projekte auf diversen Plattformen
wiederverwendet werden.
David Kron
Augmented Reality oder kurz AR ist eine computergestützte Erweiterung der Realitätswahrnehmung. Im Vergleich zur Virtual Reality wo der Anwender in eine komplett künstlich generierte Welt eintaucht, geht es bei AR
primär darum zusätzliche Informationen anzuzeigen,
welche sich bestmöglich in die Umgebung einpassen.
AR kann alle menschlichen Sinne erweitern, jedoch beschränkt sich die heutige Technologie primär darauf
Live-Bilder oder Videos mit Zusatzinformationen mittels
Einblendung oder Überlagerung zu ergänzen.
Ausblick
Plattformübergreifender Einsatz
3-D Projektion über einer Tür
Augmented Reality ist ein Anwendungsgebiet im Bereich CPVR welches ein grosses Entwicklungspotential
hat und in Zukunft eine zentrale Rolle in verschiedensten Gebieten von Marketing bis Medizin einnehmen
wird. Dieses Projekt stellt eine solide Grundlage für
weitere Forschungen dar.
BI
BE
BU
VA
BSc in Informatik
Augmented Reality
ti.bfh.ch/book2014
Car Logo Recognition
Fachgebiet: Computer Perception and Virtual Reality
Betreuer: Prof. Marcus Hudritsch
Experte: Stefan Berner (Diso AG)
Industriepartner: i-Lumica AG, Bern
Die Automatisierung von Prozessen wird immer wichtiger. Die Arbeit Car
Logo Recognition beschäftigt sich mit automatischer Mustererkennung
rund um das Auto. Im Speziellen wurde die automatische Erkennung der
Reifenmarke aus verschiedenen Bildern eines Autos behandelt. Die Arbeit
zeigt die verschiedenen Schritte von einem Ausgangsbild bis zur Texterkennung auf.
Die Arbeit entstand im Auftrag der i-Lumica AG. Sie
entwickelt Systeme, die der vollautomatischen Erkennung und Vermessung von Hagelschäden auf der Karosserie eines Autos dienen. In speziell gefertigten
Scanstationen können beliebige Muster auf die Karosserie projiziert werden. In die Station eingebaute Kameras fotografieren das Auto aus verschiedenen Winkeln. Aus der Verzerrung der Muster in diesen Bildern
kann anschliessend die Anzahl und Grösse von Dellen
errechnet werden. Diese Bilder sind auch die Basis für
diese Bachelor Thesis. Im Rahmen der Arbeit wurde
eine Erweiterung für die Systeme der i-Lumica AG entwickelt, die zusätzlich zu der Erkennung von Hagelschäden die Reifenmarke anhand der aufgenommenen
Bilder erkennen soll.
Umsetzung
In einem letzten Schritt kann auf den gefundenen
Bildausschnitten mit Buchstaben eine Texterkennung
durchgeführt werden. In dieser Arbeit wurde eine Methode zur Texterkennung gewählt, welche die äusseren Konturen der Buchstaben verwendet um herauszufinden um welchen Buchstaben es sich handelt.
Thomas Jost
Mit noch höher auflösenden Bildern wäre es unter
Umständen möglich weitere Merkmale wie die Reifenmasse, die Tragfähigkeit und Geschwindigkeitsklassen
der Reifen abzulesen.
BE
BU
VA
Das Programm lokalisiert in den Bildern zuerst den
Ausschnitt mit dem Reifen und entzerrt diesen. Dazu
wird ein Kantenbild erstellt auf dem nach grossen Ellipsen gesucht wird. So kann der Reifen zuverlässig
gefunden werden. Die Ellipse wird anschliessend verwendet um das Bild zu entzerren bis das Rad wieder
als Kreis dargestellt wird.
Der Ausschnitt mit dem Reifen wird automatisiert
nachbearbeitet um Unterschiede in der Beleuchtung
auszugleichen und um die Buchstaben auf dem Reifen
alle gleich zu orientieren. In einem nächsten Schritt
wird der Reifen unterteilt in Buchstaben und Hintergrund. Diese Unterteilung wird aufgrund der Helligkeit
der einzelnen Pixel gemacht und wird durch die unterschiedliche Beleuchtung in den Bildern und die Beschaffenheit des Reifens stark beeinflusst.
BSc in Informatik
Ausgangslage
147
Bild mit einem Teil des Reifens
BI
Bild aus der Scanstation
ti.bfh.ch/book2014
Virtual Room
Fachgebiet: CPVR
Betreuer: Marcus Hudritsch
Experte: Dr. Federico Flueckiger (Informatik und Telekommunikation EFD)
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Virtuelle Welten werden dank neuer Technologien immer realistischer. In
dieser Arbeit wurde eine Anwendung entwickelt für visuelle Kommunikation und Interaktion in einem virtuellen Raum. Ein wichtiger Bestandteil
ist dabei die Virtualisierung des eigenen Körpers. Dazu werden die Oculus
Rift, ein Head Mounted Display (HMD), welches die Orientierung des Kopfes erkennt, und die Microsoft Kinect, eine 3D-Kamera, welche Körperhaltung und Position erkennt, kombiniert.
Roman Kühne
Ziele
Ergebnis
Die Kombination der Oculus Rift und der Kinect ist das
zentrale Element. Mit dieser Hardware soll eine Applikation entwickelt werden, welche zwei oder mehrere
Personen, die sich an unterschiedlichen geographischen Orten aufhalten, in einem virtuellen Raum zusammen führt. Die Personen sollen dann in verschiedenen Spielen oder Anwendungen interagieren
können.
In einem ersten Schritt wurden die Daten der Rift und
der Kinect kombiniert. Für die Visualisierung diente ein
Skelett aus Zylindern und Kugeln, wobei die Kopf-Orientierung von den Rift Daten hergeleitet wurde.
Interaktion / Immersion
Durch die Abdeckung von einem besonders grossen
Sichtfeld und einem perfekten Stereo-Bild ist die
Oculus Rift ein revolutionäres HMD. Wird die Rift nun
mit der Kinect kombiniert, kann eine Person mit all ihren Bewegungen in eine virtuelle Welt übertragen
werden.
Cédric Renggli
Dieses Projekt hat gezeigt, dass bereits eine einfache
visuelle Rekonstruktion der Personen eine grosse Wirkung hat. Dadurch, dass alle Bewegungen praktisch in
Echtzeit übertragen werden, beginnen wir uns mit
dem Avatar zu identifizieren.
Vision
Diese Teleportation von einer realen Person in eine
virtuelle Welt hat grosses Potenzial. Kombiniert mit
dem Output Device der Rift ist die Realitätsnähe erstaunlich. Nicht ohne Grund hat Facebook die Firma
Oculus VR aufgekauft. Diese Technologie wird sicher
das Interesse von global wirkenden Unternehmen wecken. Sitzungen via Telefon oder Skype können nicht
mit den herkömmlichen Sitzungen in einem Sitzungsraum verglichen werden. Die Körpersprache spielt bei
der Ausdrucksweise eins Menschen eine grosse Rolle.
Doch wir sind überzeugt, dass mit dieser Virtualisierung diese Lücke geschlossen werden kann.
BE
BU
VA
BSc in Informatik
Bereits in den 1980er Jahren sprach Jaron Lanier von
virtueller Realität. Er war an der Entwicklung von ersten VR-Handschuhen und HMDs beteiligt. Durch den
Einsatz von solchen technischen Geräten soll dabei
eine möglichst starke Interaktion und Immersion entstehen.
Als zweites wurde die Client / Server Architektur entwickelt, um die Daten zwischen mehreren Spielern
und Beobachtern auszutauschen. Es wurden insgesamt vier Beispielapplikationen implementiert, unter
anderem eine 3D Version des Spiels «Vier Gewinnt».
Zum Schluss wurde die Möglichkeit eingebaut, 3D-Modelle, so genannte Meshes, zu importieren und diese
anhand der Kinect und Rift-Daten zu animieren.
BI
Marc Wacker
Client / Server Architektur
ti.bfh.ch/book2014
3D «Vier Gewinnt» Anwendung
Evaluation und PoC einer Threat Protection Lösung
Fachgebiet: Informatik / IT-Security
Betreuer: Prof. Hansjürg Wenger
Experte: Dr. Igor Metz (Gluesoft AG)
Industriepartner: T-Systems Schweiz AG, Zollikofen
Die Bedrohung und das Risiko durch das Internet nimmt für Unternehmen
stetig zu. Herkömmliche Schutzmechanismen werden den immer komplexeren, persistenten und gezielten Angriffen nicht mehr gerecht. Threat
Protection Lösungen bieten einen neuartigen Ansatz, solche Gefahren zu
erkennen und entsprechende Gegenmassnahmen einzuleiten.
Lukas Rothacher
Die Frage nach dem Nutzen einer Threat Protection
Lösung gilt es für jedes Unternehmen individuell abzuschätzen. Die Wahrscheinlichkeit einer Datenentwendung, sowie einer möglichen Manipulation gilt es
dem möglichen Schadenausmass gegenüberzustellen.
Grundsätzlich dürfte sich der Einsatz einer Threat Protection Lösung für Unternehmen mit sensitiven Daten
in den meisten Fällen lohnen.
BSc in Informatik
Philipp Langenegger
BI
BE
BU
Durch den Einsatz von eigenentwickelter und fremd
Malware wurden die beiden Lösungen detailiert analysiert. In den von uns bewerteten Lösungen hat FireEye
besser abgeschnitten. Das Produkt ist deutlich ausgereifter und darf nicht nur als eine reine Sandbox Lösung bezeichnet werden. FireEye unterstützt eine
grosse Auswahl an Dateitypen und prüft diese in
enorm vielen Kombinationen von Betriebssystemen
und Applikationsversionen. Zusätzlich wird zum Teil
der gesamte Netzwerkverkehr in den virtuellen Umgebungen analysiert. Durch unsere Arbeit wurden einige
Mängel festgestellt, die daraufhin vom Hersteller zum
Teil behoben wurden. Während der Arbeit hat FireEye
die bekannte Sicherheitsfirma Mandiant aufgekauft.
Mandiant ist spezialisiert auf das Erkennen und Bereinigen von Threats auf Endsystemen. In Kombination
mit FireEye soll in Zukunft eine einheitliche Lösung
zwischen der der Threat Protection Erkennung und
dem direkten Bereinigen auf den Endgeräten erreicht
werden. Dadurch würde sich der Aufwand für die Endsystemanalyse stark verringern. Da die Threat Emulation von Checkpoint erst seit einem halben Jahr auf
dem Markt verfügbar ist, war im Vergleich zu FireEye
eine Diskrepanz zu erwarten. Bis zum Abschluss der
Arbeit war Checkpoint, wider erwarten, nicht in der
Lage Executables zu analysieren. Dadurch schliesst
das Produkt in unseren Tests verhältnismässig
schlecht ab. Erst mit den angekündigten Erweiterungen kann die Lösung von Checkpoint sinnvoll eingesetzt werden. Die Resultate aus unserem Test würden
sich damit wahrscheinlich deutlich verbessern.
VA
Der IT-Provider T-Systems Schweiz AG hat uns die beiden Threat Protection Lösungen von FireEye und
Checkpoint zur Verfügung gestellt, um diese bei einem
ihrer Kunden zu evaluieren. Mit dieser Arbeit haben
wir gezeigt, wie einfach herkömmliche Sicherheitsmechanismen umgangen werden können. Nach den heutigen Standards gesicherte IT-Umgebungen, wie diese
des Kunden, waren von unseren Angriffen nicht geschützt. Der Ansatz der Threat Protection Lösung
stellt aus unserer Sicht ein effektives Mittel gegen
fortgeschrittene Angriffe (APT, Cybercrime, etc.) dar.
Diverse Angriffe konnten damit erkannt und protokoliert werden. Gerne werden Threat Protection Lösungen als Wundermittel gegen Zero-days und APT Angriffe angepriesen. Wir haben jedoch bewiesen, dass
Threat Protection Lösungen nicht alle Angriffe erkennen und Probleme lösen können. Wir verstehen Threat
Protection deshalb als effektive Ergänzung zu den bereits bestehenden herkömmlichen Sicherheitselementen. Die Erkennung von Angriffen alleine reicht als
Schutz nicht aus. Zusätzlich zur Threat Protection
müssen erkannte Threats auf den Endgeräten analysiert und gegebenfalls isoliert und entfernt werden.
149
Netzwerk Übersicht POC
ti.bfh.ch/book2014
Point Cloud Interpretation for Robotics
Fachgebiet: CPVR (Computer Perception and Virtual Reality)
Betreuer: Prof. Urs Künzler
Experte: Yves Petitpierre (Ericsson)
150
Damit sich ein Roboter im Raum orientieren kann, sind Point Clouds ein
wichtiger Bestandteil. Anhand dieser kann er Tiefeninformationen gewinnen und weiss wie weit sich ein Objekt von ihm entfernt befindet. Der Roboter hat jedoch keine Informationen über das vor ihm liegende Objekt.
Dazu wurde eine Applikation erstellt, mit welcher ein Benutzer im Vorfeld
die Objekte definiert und so dem Roboter die Arbeit erleichtert.
Ausgangslage
Der Roboter des Robotic Labs der BFH hat eine Laser-Kamera, die Point Clouds mithilfe der Methode
Time-of-Flight aufzeichnet. Diese sollen per Bildverarbeitung in ein 3D-Modell übertragen werden.
Zur Verarbeitung empfiehlt sich die Point Cloud
Library (PCL), die ein C++ Framework ist.
Bojan Leimer
Objekte wie Stühle oder Tische müssen selber herausgesucht werden. Es besteht ein Bedarf an einem Programm, welches Herausfiltern von Objekten wie zum
Beispiel Stühle oder Türen vereinfacht und beschleunigt.
pointcloud_wireframe_mesh_bunny
Anwendung
Eine Point Cloud besteht aus einer Vielzahl von kartesischen 3D-Koordinaten, welche meistens mit einem
Laser aufgenommen werden. Die Verwendung von
Point Clouds ist vielseitig und durch die3D-Koordinaten, für die Gewinnung der Tiefeninformationen, von
grossem Nutzen. In dieser Projektarbeit wurden Point
Clouds dazu eingesetzt, Räume für Roboter detailliert
zu beschreiben.
Michael Maurer
Mesh
Die Punkte der Point Cloud eignen sich sehr gut, um
ein sogenanntes Mesh zu bilden. Werden die Punkte
zu Dreiecken verbunden, bilden die Flächen ein Polygon-Mesh. In der Graphentheorie sind Polygonnetze
als ungerichtete Graphen ohne Mehrfachkanten darstellbar.
Die Thematik um Point Clouds ist nicht neu. Jedoch ist
es aufgrund des relativ komplexen Zugangs zur Materie nicht einfach, damit umzugehen. Die Point Clouds
sind für das genaue erfassen der Geometrien im Raum
sehr nützlich. Anhand dieser Daten kann sich der Roboter im Raum orientieren. Er sieht lediglich die Distanz zu diesem Punkt und kann keine weiteren Informationen daraus ziehen.
Mithilfe des Tools kann der Benutzer die Point Clouds
analysieren, einzelne Objekte segmentieren und benennen. Damit der Benutzer nicht in aufwändiger Handarbeit jedes Objekt einzeln erfassen muss, wurde eine
Suche nach ähnlichen Objekten eingebaut. Ebenfalls
kann der Benutzer die planaren Flächen der Point
Clouds herausfiltern, womit der Rechenaufwand für das
Suchen in den Point Clouds erheblich reduziert wird.
Aus den definierten Objekten können Meshes generiert werden. Der Benutzer kann diese exportiert und
in einem CAD-Programm weiterverarbeiten.
Aus weiterführendes Projekt könnten die definierten
Objekte in einer Datenbank gespeichert und für eine
fast Real-time Ähnlichkeitssuche aus dieser bezogen
werden.
BI
BE
BU
VA
BSc in Informatik
Point Clouds
Applikationsbild mit segmentiertem Stuhl
ti.bfh.ch/book2014
Für die Realisierung dieses Projektes wurde das
GUI-Framework QT verwendet und wie empfohlen die
Point Cloud Library.
Graphical representation of police’s investigations
data: Geography Part
Subject: Computer Perception and Virtual Reality
Thesis advisor: Claude Fuhrer
Expert: Daniel Voisard (BAKOM)
During crime investigation often occurs the lawful interception. Lawful interception is the way in which network communication data are obtained
by the lawful enforcement agencies and analyzed to acquire more information about a crime or used as an evidence for a justice process. The aim of
the thesis was to acquire knowledge about the lawful interception system
in Switzerland to further develop a graphical representation of the data acquired by police during investigations.
We have started to develop a web application to manage the data that will be available for each Internet
service provider or telephony service provider. This
application allows generating data to be used in the
graphical representation. As an example it will be
possible to generate an XML file concerning a collection of data about different calls made by a target
such as a mobile phone. For mobile phone for example, it is possible to collect information about different localization of a suspect using the location of different antennas used to establish the communication
and also the time when the communication was made.
To develop the web application we used the Node.JS
environment. Node.JS is a Javascript library that let
develop at server and client side with Javascript. For
the database we used a No-SQL database called MongoDB that use JSON formatted documents. To easily
develop the web application with a Model View Controller pattern, a framework called SailsJS was used.
Implementation
VA
To develop an application that displays in a graphical
way information acquired by the lawful interception,
we first need to know what kind of data and which formats are disponible in the lawful interception system,
to discover it we’ve started a learn process of the
standards founded on the post and telecommunication surveillance service. There are principally two
standards, the first define the administrative process
behind the lawful interception process. The second
Luca Piatti
BU
Learning Standards
standard describes the technical information on the
architecture of the system. We have focused our research the technical aspect of lawful interception to
see which data will be disponible and in which form.
During the research we have also learned the form
«statement of compliance», a form by each phone or
Internet service provider, in accordance with the post
and telecommunication surveillance service, to declare which information will be disponible in his lawful interception system.
BE
During the first phase of the thesis a research process
has been made about how and where to acquire information about the lawful interception system in Switzerland. Initially we encountered some difficulties in
looking for information concerning the lawful interception because of the confidentiality of information
and also due to our less knowledge about this complex system. After some researches we’ve discovered
that there is a department of the federal police, the
post and telecommunication surveillance service that
is the responsible in Switzerland for the lawful interception. As a start point we have taken the website of
the post and telecommunication surveillance service
in which the useful standards for lawful interception
in Switzerland are published and disponible to everyone.
BI
Introduction
151
ti.bfh.ch/book2014
Precise.io – The Web Based Collaborative
Presentation Controller
Fachgebiet: Mobile Computing
Betreuer: Dr. Reto Koenig
Experte: Dr. Federico Flueckiger (Eidgenössisches Finanzdepartement)
152
In dieser Arbeit wurde eine holistische, Web-basierte Präsentationssoftware entwickelt, die in mancher Hinsicht über die Fähigkeiten einer
klassischen Präsentationssoftware hinausgeht. Über eine Web-Schnittstelle können Zuschauer die Präsentation auf ihrem eigenen Gerät mitverfolgen und auch daran mitwirken. Die Vortragenden der Präsentation
können Smartphones verwenden, um die Folien zu kontrollieren und
Elemente auf dem Bildschirm hervorzuheben.
Ausgangslage
Michael Schär
Mit dem Aufkommen der WebRTC-Technologie können
Informationen in Echtzeit zwischen Browsern ausgetauscht werden. Ebenfalls seit Kurzem verwendbar
sind die APIs zum Auslesen von Bewegungssensoren
in mobilen Geräten. Durch die Kombination dieser beiden Technologien wird es zum ersten Mal möglich, im
Browser eine nützliche Pointer-Funktion umzusetzen.
Zusätzlich ist die Entwicklung von Vektor-basierten
Web-Präsentationen so weit, dass der Browser die Office-Präsentationssoftware nach und nach ersetzt.
So ist die Idee einer Applikation entstanden, die die
Präsentationswelt neu erfindet.
Im Rahmen der Bachelor-Thesis sollte eine ganzheitliche Lösung für das Durchführen kollaborativer Präsentationen entstehen. Die folgenden Funktionalitäten
sollten von der Applikation abgedeckt werden:
Ein Upload- und Server-Verwaltungs-Komponent stellt
eine Web-Schnittstelle zur Verfügung, die es erlaubt,
Web-Präsentationen hoch zu laden und mit Servern
und Kürzel zu verbinden. Nach dem Hochladen wird
die Datei mit Scripts ergänzt, die für die Präsentationskontrolle und für die Sensorabfrage benötigt werden. Die Datei kann mit einem Kürzel und einem QRCode versehen werden, um die Präsentation schnell
erreichen zu können. Optional können lokale Server
definiert werden, die für den Aufbau der WebRTC-Verbindung und als Absicherung dienen.
BI
BE
BU
VA
BSc in Informatik
Aufgabenstellung
Geräte von Halter und Zuschauer einer Präsentation sind zu
einem Netzwerk verbunden
ti.bfh.ch/book2014
Ein Präsentations-Assistenz-Komponent umfasst
Funktionen, die während einer Präsentation auf den
teilnehmenden Geräten benötigt werden. Dazu gehört
der Aufbau eines Netzwerks zwischen den Geräten,
das Auslesen und Verschicken der Sensorinformationen und die Darstellung von SVG-Dateien. Zusätzlich
sind Optionen zum Erfassen und Verschicken von Fragen und zur Konfiguration der Pointer-Funktion vorhanden.
Ein Server-Komponent ist zuständig für die Vermittlung der WebRTC-Verbindung und dient als Absicherung, wo keine WebRTC-Verbindung möglich ist. Die
dafür geschrieben Software kann auf einem Computer
installiert werden, um eine sehr schnelle Übertragung
im lokalen Netzwerk zu erreichen. Für diejenigen, die
keinen lokalen Server verwenden wollen, ist eine
Cloud-Lösung vorhanden.
Resultat
Das Resultat der Applikation ist eine ganzheitliche
Web-Applikation, die fähig ist, Präsentationen auf mobilen und stationären Geräten darzustellen und zu
steuern – nur durch das Aufrufen einer URL im Browser. Zuschauer einer Präsentation können mit ihrem eigenen Gerät auf die Präsentation verbinden und aktiv
an der Diskussion teilnehmen.
Die Synchronisierung der Pointer-Werte und der Folien
erfolgt in Echtzeit über ein Netzwerk aller beteiligten
Browser. Das dafür verwendete WebRTC-Framework
wurde im Sinne der Precise.io Applikation erweitert
und der Source Code auf Github veröffentlicht.
Evaluation von OS X AV Produkten
Betreuer: Dr. Endre Bangerter
Experte: Dr. Igor Metz (Glue Software Engineering AG)
Industriepartner: Compass Security Schweiz AG, Jona
Das Betriebssystem OS X hat in den letzten Jahren einen bedeutenden
Aufschwung erlebt und bietet dadurch zunehmend ein attraktiveres
Ziel für Cyberkriminelle. Damit die Sicherheit des Systems gewährleistet
ist, wird eine effektive AV-Lösung benötigt. Es stellt sich die Frage, wie
effizient aktuelle OS X AV-Produkte diese Aufgabe bewältigen. Unsere
Resultate zeigen, dass die getesteten Produkte ein grosses Defizit im Bereich der Detektion unbekannter Malware aufweisen.
Unter OS X sind uns keine Untersuchungen zur heuristischen Detektion von Malware bekannt. Somit können
wir nicht beurteilen, ob und in welchem Ausmass
ein OS X System mit installierter AV-Software vor unbekannter Malware geschützt ist.
Mithilfe eines selbst entwickelten Testattack-Tools
(TaT) testen wir die Fähigkeiten einer AV-Software,
neue, unbekannte Bedrohungen mittels heuristischer
Analyse zu erkennen. Das Testattack-Tool ist modular
aufgebaut, so dass wir in den AV-Tests beliebige
Kombinationen von Funktionen gegen AV-Produkte
testen können. Der TaT Client verübt auf dem Testsystem sicherheitskritische Funktionen und sendet
Resultate an den Command & Control Server, welcher
die Steuerung des TaT ausserhalb des Testnetzwerkes
ermöglicht. Durch definierte Drehbücher, bestehend
aus TaT-Konfigurationen und exakt definierten Abläufen, testen wir die anhand ihres Funktionsumfangs
ausgewählten AV-Produkte in einer einheitlichen Testumgebung.
Der Test hat gezeigt, dass die OS X AV-Produkte in der
Detektion von unbekannter Malware noch ein grosses
Defizit aufweisen. Keines der getesteten Produkte
erkennt das Testattack-Tool als Bedrohung. Jedoch
muss erwähnt werden, dass die integrierten Firewalls
die Netzwerkkommunikation des TaT teilweise unterbinden konnten, sofern diese nicht getarnt war. Um
sich effektiv gegen unbekannte und bekannte Schadprogramme zu schützen, ist es sinnvoll, sich nicht nur
auf die Zuverlässigkeit eines AV-Produkts zu verlassen, sondern vor allem auch einen aufmerksamen und
skeptischen Umgang im Internet zu pflegen. Durch
wohlüberlegtes Surfen lassen sich sehr viele Infektionen vermeiden.
Stefan Schmid
BU
VA
Adrian Schwendimann
BSc in Informatik
AV-Produkte verfügen über Techniken, verschiedene
Arten von Malware aufzuspüren, zu blockieren und unschädlich zu machen. Dabei prüfen sie Dateien gegen
bekannte Malware Signaturen, die im Voraus erstellt
sein müssen. Nebst der Malware, welche AV-Unternehmen bereits analysiert haben, gibt es immer wieder
neue Abwandlungen bekannter Schadprogramme und
auch Neuentwicklungen. Diese Programme können
nicht durch eine Signaturenprüfung erkannt werden.
Um auch unbekannte Malware zu erkennen, wenden
die AV-Hersteller sogenannte heuristische Analysen an.
153
BE
Webinterface des Command & Control Servers mit
Log Nachrichten eines Clients
BI
Grafische Veranschaulichung des Testkonzepts
ti.bfh.ch/book2014
Photon Mapping Rendering Algorithm
Fachgebiet: Technik und Informatik
Betreuer: Marcus Hudritsch
Experte: Jean-Marie Leclerc (Sword Group)
154
Bei der Erstellung computergenerierter Bilder haben sich zwei verschiedene
Techniken entwickelt. Einerseits werden Renderalgorithmen entwickelt,
welche die Performance in den Vordergrund stellen. Daneben widmen sich
andere Algorithmen dem physikalisch korrekten, fotorealistischen rendern.
Technisch betrachtet ist das fotorealistische Rendern die Kunst und Wissenschaft, mithilfe von Algorithmen Bilder zu erstellen, welche eine Szene
so naturgetreu wie möglich nachbilden.
Ausgangslage
Ray Tracing gehört neben dem Radiosity Verfahren zu
den Grundbausteinen des physikalisch korrekten Renderns. Die darauf aufbauenden Algorithmen des Path
Tracing und Photon Mapping sind die Grundlage dieser Arbeit.
Thomas Schneiter
Path Tracing ist ein Renderalgorithmus, welcher 1986
von Kajiya im Paper The Rendering Equation beschrieben wurde, und gilt als erster, physikalisch korrekter Lichttransport Algorithmus.
Als Grundlage zum Projekt steht das SLProject zur
Verfügung. Dies garantiert die Basis des Szenenaufbaus und bietet Optimierungen zum Suchen von Objekten in der Szene. Des Weiteren kann damit ein Vergleich mit bereits bestehenden Renderalgorithmen
gemacht werden.
Zusätzlich wird mit der Erweiterung des Algorithmus
durch Participating Media die Möglichkeit geschaffen,
Effekte wie Nebel und Rauch zu simulieren.
Vorgehen
Die Idee von Path Tracing besteht darin, die Rendergleichung statistisch per Monte Carlo Integration zu
lösen.
Dabei werden einzelne Lichtpfade zufällig in einer
Szene verfolgt. Die Korrektheit des generierten Bildes
hängt dabei von der Anzahl der verfolgten Lichtpfade
pro Pixel ab. Bei der Interaktion eines Lichtpfades mit
einer Oberfläche, werden dabei physikalisch korrekte
Reflexionen und Refraktion berechnet.
Mit der Erweiterung durch Participating Media, werden Lichtpfade nicht nur an Oberflächen reflektiert,
sondern auch durch Partikel im Raum gestreut.
Das Bachelor Projekt Photon Mapping Rendering Algorithm hat zum Ziel, den in einer Vorgängerarbeit erstellten Photon Mapping Algorithmus, in die Renderarchitektur des SLProjects zu integrieren und dies
durch einen Path Tracing Algorithmus zu ergänzen.
BI
BE
BU
VA
BSc in Informatik
Ziel
Bild einer Testszene welche mit Path Tracing gerendert wurde
ti.bfh.ch/book2014
Schematische Darstellung eines Rendervorgangs
Malware Analysis on Mobile Devices
Subject: Computer Science
Thesis advisor: Dr. Ulrich Fiedler
Expert: Dr. Torsten Braun
Malware is reported to increasingly spread on smartphones and may thus
spy on the user’s location, compromise personal information, such as
contact lists or passwords, and more. On WiFi, malicious activities can be
monitored rather easily. As a consequence, malware may switch to using
cellular networks. In this thesis project, we have set up and configured a
GSM/GPRS base station and conducted a sample malware analysis with
two apps.
Denis Simonet
+41 76 509 84 82
denis.simonet@bluewin.ch
Since a few years, there are open source projects
which facilitate research with GSM. In this thesis project, we have set up and configured a low–cost sysmoBTS GSM/GPRS base station with free software
and conducted a sample malware analysis with two
apps. We have found (i) that a popular free game from
Google Play Store transmits unencrypted information
on location to at least five ad providers and (ii) that a
commercial spy service not only collects information
on a dedicated server but also transmits it in plain
text.
My set-up to monitor GPRS IP traffic on a sysmoBTS with
Wireshark.
BI
BE
BU
VA
The impact is significant. Smartphones have become
daily companions to many of us and they are aware of
our position, contacts, messages and even more private information. Given the fact that they are permanently connected to the Internet, attackers can spy for
personal information of the phone holder or undertake industrial espionage.
One approach to detect malicious activities is the
analysis of Internet traffic from the phone under examination. This kind of analysis over WiFi networks is
simple; mainly because WiFi operates on a free frequency band and thus is available to anyone. Even
though cellular networks are as wide spread as WiFi
networks, the situation is totally different for GSM
(2G), UMTS (3G) and LTE (4G). The main difference is,
that the cellular network technologies work on a licensed radio spectrum. Accordingly, running such networks is more difficult and often too expensive for
non-operators.
During the last years, several observers reported an
exponentially increasing spread of malware on mobile
devices. In their third annual mobile threats report,
the company Juniper Networks found that nearly one
fifth of the malware detected was spyware – the kind
of malware, which secretly captures and transfers user
data to attackers.
155
Schematic view on the set-up.
ti.bfh.ch/book2014
Exploit Detektion mittels Memory Tracing
Fachgebiet: Informatik (IT Security)
Betreuer: Dr. Endre Bangerter, Dominic Fischer
Experte: Dr. Federico Flueckiger (Eidgenössisches Finanzdepartement EFD)
156
Computersysteme dringen immer tiefer in unseren Alltag vor. Mobiltelefone, intelligente Stromzähler, automatische Insulinpumpen, Kraftwerke,
Autopiloten, usw. Alle diese Systeme basieren auf Software und Software
enthält immer Fehler. Im Gegensatz zu früher, als sich nur Computerfreaks für Fehler und Sicherheitslücken interessierten, sind diese heute
im Fokus einer ganzen Industrie und im Interesse von kriminellen, militärischen oder nachrichtendienstlichen Abnehmern.
Relevanz
Jonas Wagner
Resultate
Recherchen zu Beginn dieser Arbeit ergaben, dass
sich bestimmte Exploittechniken durch sehr hohe Erfolgschancen auszeichnen. Dabei konzentrierte sich
BU
VA
BSc in Informatik
Ramon Spahr
Der bekannteste Schutz gegen Malware sind Antivirenprodukte. Dabei erfolgt die Detektion der Schadsoftware über eine Signatur. Heute werden täglich
mehrere 100’000 neue Signaturen generiert. Durch
die stetig steigende Menge und Komplexität von Malware, benötigt dieser Ansatz immer mehr Ressourcen.
Wenn eine Schadsoftware vor der Ausführung der boshaften Bestandteile erkannt wird, spricht man von
einem präventiven Schutz, andernfalls ist von einer
postum Detektion die Rede. Der Vorteil von postum
Mechanismen liegt in der möglichen Verwendung von
dynamischer Analyse für Software. Die dynamische
Analyse ist in der Lage, bestimmte Verhaltensmuster
einer Software während deren Laufzeit zu erkennen.
Durch die Reduktion auf die prinzipiellen Erkennungsmerkmale einer Schadsoftware entstehen generisch
verwendbare Detektionen.
Das Memory repräsentiert das unverfälschte Abbild
einer Software und dessen Verhalten. Beim Memory
Tracing werden die Memoryzustände zu bestimmten
Zeitpunkten aufgezeichnet, sodass sie postum zur
Analyse und Detektion von Malware genutzt werden
können.
die Arbeit auf zwei stark vertretene Techniken. Diese
wurden im Detail analysiert, die Charakteristiken ihrer
Repräsentation im Memory festgehalten und daraus
versuchsmässige Detektoren realisiert.
Heap Spray
Klassische Exploits missbrauchten den Determinismus
von Betriebssystemen, um ihren Schadcode an einer
vorhersehbaren Stelle abzulegen und diesen aufzurufen. Die Einführung von Randomisierung in modernen
Betriebssystemen verhindert diese Praktik. Um dem
entgegenzuwirken, wurde der Heap Spray entwickelt.
Skriptsprachen wie JavaScript erlauben eine dynamische und kontrollierte Allokation von beliebigen
Daten. Indem ein grosser Teil des Memorys mit gewünschten Daten gefüllt wird, erhöht sich die Wahrscheinlichkeit den Schadcode an einer vorhersehbaren Stelle zu finden. Obwohl der Heap Spray von sich
aus keinen Schaden anrichtet, wird er oft in Kombination mit anderen Exploits verwendet, um deren Erfolgschancen zu erhöhen.
Return Oriented Programming
ROP entstand als Reaktion auf die Einführung neuer
Schutzmechanismen, welche die Ausführung von eingeschleustem klassischem Schadcode verunmöglichen. ROP verwendet als Lösung für diese Problematik
keinen systemfremden Code mehr, sondern greift auf
Code-Fragmente bestehender Applikationen zu. Die
einzelnen Fragmente bilden in sinnvoller Anordnung
eine neue Instruktionsfolge.
Attacken können entweder vollständig in ROP realisiert oder dazu verwendet werden, Schutzmechanismen zu deaktivieren und dadurch die Ausführung von
klassischem Schadcode wieder zu ermöglichen.
BI
BE
Fazit
Memory Tracing über die Laufzeit eines Prozesses. Ein detektierter Heap Spray ist in grau sichtbar.
ti.bfh.ch/book2014
Für beide Techniken konnten generische Heuristiken
zu deren Detektion entwickelt werden. In den durchgeführten Experimenten waren die Detektoren in der
Lage, alle Exploittechniken zu erkennen. Diese Arbeit
bestätigte die Hypothese, dass sich Memory Tracing
dazu eignet, Exploits im Memory zu analysieren und
zu detektieren.
CRM & SharePoint Integrationsframework
Betreuer: Prof. Marcel Pfahrer
Experte: Dr. Andreas Spichiger
Industriepartner: Nexplore AG, Thun
Mit dem Integrationsframework kann der Kunde einfach und spezifisch
Daten zwischen den Plattformen «Microsoft Dynamics CRM» und «Microsoft SharePoint» synchronisieren. Für den Software-Entwickler bietet das
Framework einen einfachen Weg, spezielle kundenspezifische Synchronisationsarten zu entwickeln. Drei Teilapplikationen stehen für die Konfiguration der Schnittstellen zur Verfügung. Ein zentraler Service regelt sowohl die Synchronisation als auch das Fehlerhandling.
Ausgangslage
Projektziel
Die Produkte Microsoft Dynamics CRM und Microsoft
SharePoint sind mächtige webbasierte Produkte, die
in Unternehmen für die Optimierung der internen Ablage und Datenverwaltung eingesetzt werden. Beide
Produkte verfügen über grosse Erweiterungsmöglichkeiten, haben aber einen unterschiedlichen Fokus bei
er Kernfunktionalität.
Erstellen einer unabhängigen Entwicklungsplattform
(virtuelles Infrastrukturnetzwerk). Entwicklung des
Integrationsframework mit den Grundbausteinen für
die Umsetzung von Synchronisationsarten zwischen
beiden Systemen. Konfigurationsseiten bieten dem
Endanwender die Möglichkeit, spezifische Synchronisation zu verwalten.
CRM ist für die strukturierte Datenablage von Kundendaten (zB. Kundenadressen) gemacht. SharePoint
richtet den Fokus auf die Dokumentenverwaltung
(zB. Office Dateien), welche mit Metadaten ergänzt
werden können.
Über dies hinaus ist Systemunabhängigkeit das Moto
für das Framework.
Beide Systeme haben für die Verwaltung ihrer Daten
funktionelle Vor- und Nachteile. Die Funktionalität
beider Applikationen auf den gleichen Daten zu nutzen ist deswegen ein grosses Bedürfnis.
Lösungskonzept
Beide Systeme werden mittels eines Webservices verknüpft. Die Funktionalität für die Synchronisation der
Daten wird dort implementiert. Sowohl CRM als auch
SharePoint erhalten ihre spezifischen Erweiterungen,
um mit dem Webservice zu kommunizieren.
Welche Art von Daten synchronisiert werden, kann der
Endanwender über die Konfigurationsseiten selbst
entscheiden. Das Framework ist so aufgebaut, dass
weitere spezifische Synchronisationsarten entwickelt
werden können.
BI
BE
BU
VA
Beide Systeme basieren auf einer unterschiedlichen
Aufbau-Architektur, was eine unspezifische Integration erschwert. Aus diesem Grund bietet der Markt
nur kleinere spezifische Integrationen, welche für grössere Geschäftsprozesse nicht ausreichen.
Simon Tauscheck
BSc in Informatik
Markt und Nachfrage
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Übersichtsschema von Lösungskonzept
ti.bfh.ch/book2014
Pair Programming Portal
Betreuer: Marcel Pfahrer
Experte: Armin Blum (BAKOM)
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Softwareentwicklung ist Teamarbeit. Extreme Programming hat sich als
Methode in der Software-Entwicklung etabliert. Doch nicht immer ist in einem Team genügend Wissen vorhanden, um alle Probleme effizient anzugehen. Aus diesem Grund wurde ein Portal entwickelt, um Entwickler mit
Experten zusammenzubringen, damit sie online im Pair Programming Stil
Probleme gemeinsam lösen können.
Ausgangslage
Philipp Utiger
Pair Programming ist eine Methode in der Softwareentwicklung, bei der zwei Entwickler gemeinsam ein
Problem bearbeiten. Abwechselnd nimmt dabei ein
Programmierer die Rolle des «Drivers» ein und bedient den Computer, während der zweite als «Navigator» aktiver Beobachter ist, den Überblick behält
und laufend Input gibt. Klassischerweise sitzen dabei
beide Entwickler vor dem gleichen Computer. Dank
schnellen Internetverbindungen ist es aber auch möglich, dass sich die Entwickler per Screensharing und
Skype verbinden. So können Pair Programming Sessions nicht nur innerhalb des Teams, sondern auch mit
Experten aus der ganzen Welt abgehalten werden.
Es wurde eine Webapplikation entwickelt, welche die
Suche nach einem geeigneten Partner und anschliessende Zusammenarbeit in einer Pair Programming
Session unterstützt. Experten können ihr Profil ausfüllen, ihre Dienste anpreisen und aktiv Kunden mit einem konkreten Problem anschreiben. Kunden können
ihr Problem beschreiben und Anforderungen an den
Experten definieren. Aufgrund der Anforderungen an
den Experten und der Profile werden automatisch Vor-
BE
BU
VA
BSc in Informatik
Ziel
BI
Web Portal
ti.bfh.ch/book2014
schläge für passende Partner gemacht. Der Kunde
kann sich von verschiedenen Experten Offerten einholen und das passende Angebot aushandeln. Haben
sich zwei Partner auf eine Zusammenarbeit geeinigt,
definieren sie die Ziele der Session und bearbeiten
das Problem im Pair Programming Stil per Screensharing. Dabei wird die zur Dokumentation Session auf
Video aufgezeichnet werden und ins Portal hochgeladen. Abschliessend gibt der Kunde eine Bewertung ab,
die auf dem Portal für andere Benutzer sichtbar ist.
Umsetzung
Die Lösung wurde mit der Microsoft EntwicklungsPlattform umgesetzt. Das Webportal wurde mit
asp.net MVC 5 und Twitter Boostrap umgesetzt. Als
Datenbank kommt Microsoft SQL Server 2012 mit
Entity Framework zum Einsatz. Zusätzlich wurde eine
Windows Applikation auf Basis der Windows Presentation Foundation umgesetzt, mit welcher die Sessions
auf Video aufgezeichnet und per WCF Streaming an
das Webportal übermittelt werden können. Die Applikation kann per ClickOnce Deployment ohne zusätzliche lokale Installation direkt von der Webseite gestartet werden.
Access Manager (AccMan)
Betreuer: Prof. Dr. Jürgen Vogel
Experte: Dr. René Bach (Informatiksteuerungsorgan des Bundes ISB)
Industriepartner: Eidgenössisches Departement für Verteidigung, Bevölkerungsschutz und Sport VBS
Mit dem Tool «Access Manager (AccMan)» wird der Bewilligungsund Zugangsprozess für Besucher des «Zentrum Elektronische
Operationen ZEO» der Führungsunterstützungsbasis (FUB) der
Schweizer Armee elektronisch unterstützt.
Ausgangslage
Ergebnis der Bachelorarbeit
Das «Zentrum Elektronische Operationen ZEO» ist das
Kompetenzzentrum für elektronische Operationen
und Informationssicherheit des VBS bzw. des Bundes.
Es beschafft Informationen für die Nachrichtendienste
des VBS und andere berechtigte Bundesstellen.
Da es sich um eine geschützte militärische Anlage im
Sinne der Anlageschutzverordnung handelt, ist der
Zutritt für externe Besucher (beispielsweise Handwerker) nur nach einem speziellen Bewilligungsverfahren
möglich. Die Militärische Sicherheit («Mil Sich»)
ist dafür verantwortlich zu kontrollieren, wer auf das
Areal Zutritt hat.
Im Rahmen dieser Bachelorarbeit wurde ein rund
fünfzig Seiten umfassendes Pflichtenheft erarbeitet
sowie der Prototyp des Tools in Form eines WebGUIs
programmiert. Zudem wurden nebst der technischen
Dokumentation noch drei Benutzerhandbücher aus
Sicht der einzelnen Akteure (Leiter Sicherheit, Mil Sich
und Gesuchsteller) erstellt.
Da die meisten Abläufe momentan in Papierform abgewickelt werden, beansprucht der besagte Prozess
häufig sehr viel Zeit, weil beispielsweise eine bereits
vorhandene Bewilligung in der Kartei nicht sofort
gefunden werden kann.
Mit dem Tool «Access Manager (AccMan)» soll ein
Werkzeug geschaffen werden, welches diesen Bewilligungs- und Zugangsprozess für Besucher des ZEO
aus Sicht der beteiligten Akteure «Leiter Sicherheit»,
«Militärische Sicherheit» und «Gesuchsteller» elektronisch unterstützt.
Ausblick
Leiter Sicherheit genehmigt Gesuche
Gesuchsteller zeigt Status seiner Gesuche an
159
Technologien
Für die Umsetzung dieser Bachelorarbeit wurden folgende Technologien und Frameworks verwendet:
HTML und CSS, Javascript, PHP und MySQL und PEAR.
Severin Vogt
BI
BE
BU
VA
BSc in Informatik
Im Nachgang der Bachelorarbeit soll der erarbeitete
Prototyp zusammen mit dem Leiter Sicherheit und
einem Vertreter der Mil Sich weiter verfeinert werden,
sodass dieser anschliessend im praktischen Betrieb
eingesetzt werden kann.
ti.bfh.ch/book2014
AR Visualization for Gait Rehabilitation
Fachgebiet: Gangrehabilitation, Serious Game
Betreuer: Prof. Urs Künzler
Experte: Yves Petitpierre (Ericsson AG, Bern)
Industriepartner: Berner Fachhochschule, Institut für Rehabilitation und Leistungstechnologie, Burgdorf
160
Richtig gehen zu können ist nicht für alle Menschen eine Selbstverständlichkeit. Für die Gangrehabilitation gibt es zwar diverse medizinische
Trainingsgeräte, eine Therapie auf einem solchen Gerät erfordert jedoch
insbesondere ein grosses Engagement und viel Geduld seitens der
Patienten selbst! Ziel dieser Bachelorarbeit war die Entwicklung eines
sogenannten Serious Games, welches den langwierigen Therapieprozess
ergänzt und unterstützt.
Ausganglage
Dank das medizinischen Fortschritts ist es heute oftmals
möglich Menschen mit einer Gehbehinderung zu helfen.
Für die sogenannte Gangrehabilitation stehen verschiedene (medizinische) Geräte zur Verfügung. Damit die
Therapie auf einem solchen Gerät jedoch möglichst erfolgreich ist, müssen die Patienten zahlreiche Trainingssessions von ungefähr je einer halben Stunde Dauer
absolvieren. Dies fordert insbesondere auch ein grosses
Engagement und viel Geduld von den Patienten selbst.
Raffael Walther
BI
BE
BU
VA
BSc in Informatik
Problemlösung
Hannes Zbinden
Sinn eines Spiels
Genau hier setzte diese Bachelorarbeit an. Es wurde
ein Computerprogramm (eine sogenanntes Serious
Game) entwickelt, welches den teils langwierigen
Trainingsprozess spielerisch ergänzt. Zum einen motivieren spannende Spielinhalte den Patienten und zum
anderen wird durch sogenanntes Biofeedback die
Therapie zusätzlich unterstützt. Der Einsatz einer 3DBrille hilft dem Patienten zudem noch mehr ins Spiel
eintauchen zu können (digitale Immersion), so dass
er die eigentliche Therapie im Idealfall komplett vergisst. Die Motivation des Patienten im Spiel immer
besser werden zu wollen, wirkt sich letztlich auch
positiv auf den Therapieverlauf aus.
Das Spiel
Das Gait Rehabilitation Game (GRG) ist primär ein
Rennspiel, in dem ein Fahrzeug auf einer Rundstrecke
fährt. Das Spiel besteht aus einer Landschaft mit einer
Rennstrecke, einem Fahrzeug mit einer rudimentären
Fahrphysik, sowie einem Avatar im Fahrzeug, welcher
den Patienten repräsentiert. Grundsätzliches Ziel des
Spiels ist, das Rennen in der kleinstmöglichen Zeit
erfolgreich zu beenden.
Oberstes Ziel des Spiels ist es jedoch, dass der Patient
bei der Therapie aus medizinischer Sicht möglichst
«gute» Gehbewegungen macht. Um diesem Aspekt gerecht zu werden, führt eine bessere Qualität des Ganges
auch zu einer besseren Leistung im Spiel. Konkret erlaubt ein besserer Gang eine höhere Maximalgeschwindigkeit. Die Gehbewegungen des Patienten werden hierzu mittel Sensoren aufgezeichnet, auf dem Spiel-PC
ti.bfh.ch/book2014
hinsichtlich ihrer Qualität bewertet und schliesslich
daraus eine Maximalgeschwindigkeit berechnet.
Spezielles
Die eigentlich Steuerung des Fahrzeugs erfolgt getrennt
von den Therapieübungen. Dies hat den Vorteil, dass
die Steuerung des Fahrzeugs abhängig von der mentalen Verfassung des Patienten wahlweise von ihm selbst
oder aber von einer anderen Person (z. B. vom Therapeuten) übernommen werden kann. Zudem ist das GRG
so konzipiert, dass sich nahezu beliebige Gelenke des
Patienten ansteuern lassen. Die Bewegungen des entsprechenden Gelenks werden hierzu mittels eines oder
mehrerer Sensoren aufgezeichnet, an den Spiel-PC
übertragen und schliesslich auf den Avatar abgebildet.
Ausserdem lassen sich beliebige Sensoren ansteuern.
Dies geschieht über das dynamische Laden einer an
den entsprechenden Sensor angepassten DLL-Datei.
Entwicklung
Die zentrale Komponente der Entwicklung war ein Projekt in der Spiel-Engine Unity. Weitere Programme die
verwendet wurden sind unteranderem die Modellierungs- und Animationssoftware Blender, die Entwicklungsumgebungen Microsoft Visual Studio 2013 und
MonoDevelop, die Bildbearbeitungssoftware Paint.
NET sowie verschiedene Texteditoren.
Die Architektur des GRG mit Patient, Trainingsgerät,
Steuergerät, Spielcomputer und 3D-Brille
Steigerung der Effizienz und Patientensicherheit
im Medikationsprozess
Fachgebiet: Medizininformatik
Betreuer: Michael Lehmann
Industriepartner: Spitalzentrum Biel, Biel
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Der Medikationsprozess ist in den Spitälern ein zentraler Prozess. Hier
sind viele verschiedene Stakeholder direkt oder auch indirekt beteiligt.
Leider kommt es in diesem Prozess immer wieder zu Fehlern, die sich
schädigend auf den Patienten auswirken. Ein Medikationsfehler kann
tödlich enden. Deshalb ist es wichtig diesen Prozess optimal zu unterstützen, damit solche Fehler verhindert, respektive minimiert werden können.
Einleitung
evaluiert. Die Medikamentendispenser (Behälter in
dem die Medikamentenblister bereitgestellt werden)
und die Medikamente werden neu gescannt. Damit
kann sichergestellt werden, dass die Verordnung des
richtigen Patienten direkt auf dem Bildschirm angezeigt wird und dass die gerichteten Medikamente mit
den Medikamenten der Verordnung übereinstimmen.
Mithilfe intensiver Zusammenarbeit mit den Pflegefachpersonen des Spitalzentrum Biels konnte eine optimal auf die Stakeholder zugeschnittene Systemoberfläche (Mockup) entwickelt werden, mit welcher
die Medikamente gerichtet werden können. Dieses
Mockup bildet die Grundlage für ein Pilotsystem,
welches in einem nächsten Schritt entwickelt wird.
Ziel
Fazit
Das Ziel der Bachelorthesis ist die Fehler beim Richten
der Medikamente zu minimieren. Es soll nicht nur die
Patientensicherheit erhöht, sondern auch die Effizienz
beim Richtprozess gesteigert werden.
Es wurde eine Richt-Arbeitsfläche erstellt, auf der
ein Scanner, ein Etikettendrucker und ein Touchscreen
vorhanden sind. Aus den drei getesteten Scannern
wurde der Beste, mithilfe einer Nutzwertanalyse,
Durch das Scannen der Patientenetiketten und der
Medikamente wird sichergestellt, dass automatisch
die Medikamentenverordnung des richtigen Patienten
auf dem Bildschirm angezeigt wird und dass die gerichteten Medikamente mit den Medikamenten aus der
Verordnung übereinstimmen. Damit werden die Fehler
beim Zubereiten der Medikation, welche gemäss
Studien 11 bis 14% der Medikationsfehler im Spital
ausmachen (Oertle, M., Hufschmid, E. und Lanker, B.),
fast gänzlich eliminiert.
Richt-Arbeitsfläche
Ausschnitt aus dem Mockup
Resultate
BI
BE
BU
VA
Carmen Ackermann
Medikamente werden durch einen Arzt verordnet,
durch eine Pflegefachperson gerichtet und dem
Patienten anschliessend abgegeben. In dieser Bachelorthesis geht es darum, den Prozess des Medikamentenrichtens, das heisst das Bereitstellen der Medikamente, im Spitalzentrum Biel zu optimieren. Die
Anzahl von Medikationsfehlern bei hospitalisierten
Patienten wird auf circa 2,5 bis 5% geschätzt, von
diesen wirken sich 2,4 bis 3% schädigend aus. 11 bis
14% der Fehler im spitalinternen Medikationsprozess
sind, gemäss Studien, auf das Bereitstellen der Medikation zurückzuführen. (Oertle, M., Hufschmid,
E. und Lanker, B.)
ti.bfh.ch/book2014
Physiotherapie goes Mobile
Betreuer: Dr. Stephan Nüssli
Experte: Prof. Dr. Torsten Braun
Industriepartner: Physio Balance, Biel/Bienne
Vom passiven und abhängigen Empfänger einer medizinischen Behandlung entwickelt sich der Patient immer mehr zum aktiven und verantwortungsbewussten Teilnehmer im Gesundheitswesen. Mobile Devices sind
handlich und erlauben einen flexiblen Einsatz. Dies ist gerade in der Physiotherapie ein grosser Vorteil. Mithilfe der «MyBalance»-App kann der
Patient in der physiotherapeutischen Behandlung individuell unterstützt
und aktiv in den Behandlungsverlauf einbezogen werden.
Einleitung
Ergebnisse
Für eine erfolgreiche Physiotherapie ist es meistens
nötig, dass der Patient aktiv an der Behandlung teilnimmt. Wie durch Befragungen festgestellt wurde, ist
die Kooperation des Patienten oftmals jedoch nicht
gegeben. Gründe zur Erklärung dieses nicht kooperativen Verhaltens sind in der Regel bekannt. Einerseits
sind die verordneten Übungen schwierig in den Alltag
zu integrieren, andererseits fehlen dann auch die nötigen Informationen zur korrekten Durchführung.
Der Physiotherapeut erstellt mittels einer Webanwendung ein individuelles Trainingsprogramm für den Patienten. Anschliessend wird dem Patienten eine SMS
mit dem Downloadlink zugesandt. Mit der plattformunabhängigen «MyBalance»-App kann dieser nun das
Übungsprogramm auf sein Smartphone herunterladen.
Hilfsmittel mit Potential zur Verbesserung der therapeutischen Behandlung sind die «Mobile Devices».
Diese sind heute weit verbreitet, handlich und flexibel
im Einsatz.
Die App unterstützt den Patienten bei der Durchführung und Protokollierung seiner Übungen. Durch die
Darstellung einer Verlaufsübersicht soll der Patient den
Überblick behalten und motiviert am Ball bleiben. Die
App zeigt ihm ebenfalls, wie verschiedene Faktoren
einen Einfluss auf seine persönliche Balance ausüben.
163
Julia Bachofner
Die «MyBalance»-App basiert auf einem ganzheitlichen Ansatz. Sie unterstützt den Patienten bei der
Durchführung seiner Übungen und bietet ihm gleichzeitig die Möglichkeit, anhand von «MyBalance» sein
persönliches Gleichgewicht abzulesen.
Methode
Durch den Zugriff auf sein individuelles Trainingsprogramm wird er bei der korrekten Durchführung der
Übungen unterstützt und motiviert, Eigeninitiative zu
übernehmen.
Aus dem Konzept entstanden zwei Prototypen: Ein
Web-Interface für den Physiotherapeuten und eine
mobile App für den Patienten.
Diese Bachelorthesis ermöglicht es Physiotherapeuten, das Potential von Mobile Devices zu erkennen und
stellt einen ersten Schritt in Richtung eHealth dar.
«MyBalance»-System
Printscreens der «MyBalance»-App
Jennifer Thalmann
BI
BE
BU
VA
Eine umfangreiche Recherche zum Thema Patient Empowerment, eine Befragung von Patienten und Therapeuten, sowie ein Fachgespräch mit einer Expertin in
Physiotherapie liegen dem Konzept zu Grunde.
Diskussion
Im Rahmen dieser Bachelorthesis wurde ein Konzept
entwickelt, wie der Patient mittels Mobile Devices
motiviert und optimal in seiner Behandlung unterstützt werden kann.
ti.bfh.ch/book2014
Mobile Vitalkurve
Betreuer: Prof. Michael Lehmann
Experte: Dr. Federico Flueckiger (Eidgenössisches Finanzdepartement EFD)
Industriepartner: Erne Consulting, Gümligen
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Das Produkt POLYPOINT der Firma Erne Consulting besteht aus mehreren
Komponenten. Eine davon ist das Klinikinformationssystem (KIS). Ein
wichtiges Instrument bei der Pflege eines Patienten ist die Vitalkurve. Darauf sind auf einer Zeitachse Vitalwerte, Medikation, Pflegemassnahmen
und weitere Patienteninformationen abgebildet. Durch die Tablet-Applikation soll die Eingabe von Vitalwerten zeitnah erfolgen, was sie effizienter,
effektiver und sicherer macht.
Ergebnisse
Workflow: Beim bisherigen Ablauf wurden die Vitalwerte beim Patienten auf einem Blatt Papier notiert
und erst nachträglich im Stationszimmer ins KIS erfasst. Keine der befragten Pflegefachpersonen nimmt
den Laptop mit an das Patientenbett. Das hat heute
Medienbrüche zur Folge und nimmt viel Zeit in Anspruch.
Benutzeroberflächenstudie: Eine Analyse von Eingabemethoden zeigte, dass die Eingabe mittels Ziffernblock am schnellsten und effizientesten ist. Die Benutzeroberfläche wurde so gestaltet, dass die wichtigen
Informationen gut sichtbar, alle Elemente schnell erreichbar und einfach bedienbar sind.
Pascal Schrei
Plausibilisierung: An Hand von statistischen Auswertungen von im Produktivsystem erfassten Vitalwerten,
wurde die Eingabe intelligent gestaltet und die Erfassung von klinisch nicht möglichen Werten unterbunden.
Diskussion
Durch die kleinere Bildschirmgrösse bei mobilen Applikationen benötigte es Optimierungen für die einzelnen Elemente und die Navigation. Die Erreichbarkeit
der Elemente sollte möglichst natürlich erfolgen. Hier
wurde vor allem auf die Bedienbarkeit mit beiden
Daumen geachtet. Damit eine mobile App Erfolg hat,
muss sie simpel zu bedienen sein und schnell reagieren. Daher wurde entschieden, nur die Funktionen für
eine Verwendung in der Pflege umzusetzen und dafür
die Ansichten zu optimieren. Wenn die Bedienung mit
den Benutzern noch weiter optimiert und das Backend
angebunden wird, steht einem produktiven Piloteinsatz nichts mehr im Wege.
BE
BU
VA
Dominik Grünert
Interview Resultate: Um den Ablauf zu erleichtern
wurde eine Todo-Liste gewünscht. Weiter ist es kein
Problem, wenn die Vitalwertansicht von der Erfassung
getrennt ist. Um die Erfassung effizienter zu gestalten,
sollen Textbausteine zur Unterstützung vorhanden
sein.
BI
Patientenübersicht
ti.bfh.ch/book2014
Vitalwerteerfassung
KIS-Integration mittels Open eHealth Connector
Betreuer: Dr. Stephan Nüssli
Industriepartner: Bundesamt für Gesundheit BAG, Bern
Wenn ein Patient ein Organ benötigt oder ein potentieller Organspender in
einem Spital verstirbt, werden Daten für die Organallokation an Swisstransplant gemeldet. Für das Melden dieser Daten betreibt das Bundesamt
für Gesundheit (BAG) eine Webapplikation mit dem Namen SOAS (Swiss
Organ Allocation System). Hier werden alle Informationen zum Organspender oder Empfänger manuell in einem Webformular eingetragen.
eHealth Connector
Im Rahmen dieser Bachelorabeit wurde der eHealth
Connector, eine offene Programmierschnittstelle, um
die benötigten Funktionen für das Erstellen und Verarbeiten von validen HL7 V3 CDA Dokumenten, ergänzt.
Mit dem Ziel, den Herstellern von Klinikinformationssystemen (KIS) ein Hilfsmittel für die Umsetzung des
Anwendungsfalls «Informationsaustausch rund um die
Allokation von Organen für die Transplantation» zur
Verfügung zu stellen.
Marktanalyse
Weiter wurde eine Marktanalyse durchgeführt, aus
welcher hervorgeht, dass die Spitäler und Softwarehersteller sich eine Integration des eHealth
Connectors in ihre Produkte mehrheitlich vorstellen
könnten. Bis es aber soweit ist, müssen die klinischen
Daten in einer strukturierten Form elektronisch in einem Informationssystem vorliegen. Da dies noch nicht
überall der Fall ist oder viele Hausärzte noch überhaupt nicht elektronisch dokumentieren, sind zuvor
noch einige Herausforderungen sowohl aus technischer, als auch aus Prozesssicht zu lösen.
Helen Loosli
In Zukunft soll der eHealth Connector zum CDA-CHLRTP Austauschformat alle anderen CDA-CH Spezifikationen unterstützen, was eine Integration in die
eHealth Architektur der Schweiz deutlich vereinfacht
und beschleunigt.
Um diesen Medienbruch zu vermeiden und die Datenqualität zu verbessern, wurde ein Austauschformat für
die Übermittlung der Laborbefunde im Transplantationsprozess (CDA-CH-LRTP) spezifiziert. Dieses Format
basiert auf HL7 V3 CDA, welches in den konzeptionellen und technischen Empfehlungen der eHealth Initiative, zur Umsetzung des Informationsaustausches
zwischen Gemeinschaften, empfohlen wird.
165
Integrationskonzept
BE
BU
VA
Im erarbeiteten Integrationskonzept sind Lösungen
für die Umsetzung des vollständigen Anwendungsfalls
mit der Integration des eHealth Connectors in ein Klinikinformationssystem und in SOAS beschrieben.
Verwendung des eHealth Connectors
BI
Beispieldokument des Austauschformats
ti.bfh.ch/book2014
eHealth Rezept App
Betreuer: Prof. Dr. Jürgen Holm
Experte: Han Van der Kleij (SBB)
Industriepartner: Suisse Post Solution AG
166
Mit der eHealth Rezept App wurde ein Prototyp mit Erinnerungsfunktion
für die Medikamenteneinnahme entwickelt, der zu einer Verbesserung
der Compliance führen soll. Ebenfalls erarbeitet wurde ein Konzept, um
die eHealth Rezept App mit dem Hausarzt, der Apotheke und Vivates –
der eHealth Plattform der Swiss Post Solution AG – zu verbinden.
Einleitung
Devon Andruson Mahadevan
VA
ds.mahadevan@hotmail.com
In der Medizin spricht man von guter Compliance
(Therapietreue), wenn sich der Patient im Rahmen einer Therapie kooperativ verhält, das heisst, er befolgt
die Medikamenteneinnahme wie verordnet. Eine gute
Compliance ist für den Therapieerfolg wichtig1. Apps
für Smartphones wie die eHealth Rezept App eröffnen
neue Möglichkeiten, um die Compliance des Patienten
mithilfe einer Erinnerungsfunktion zu verbessern. Um
herauszufinden, ob eine Verbesserung der Compliance
mithilfe der App möglich ist, wurde eine Umfrage
durchgeführt.
Der Prototyp der eHealth Rezept App wurde als Hybrid-App entwickelt und läuft auf Smartphones mit
Android. Als Frameworks wurden Phonegap, Ionic und
AngularJS verwendet. Um das Konzept zu erarbeiten,
wurden Vivates, die Informationssysteme TriaMed
(Hausarztsystem) und TriaPharm (Apothekensystem)
von HCI Solutions AG studiert. Ebenfalls wurde eine
Umfrage durchgeführt, um herauszufinden, ob Patienten sich eine Verbesserung der Compliance mithilfe
der App vorstellen können.
Ergebnisse eHealth Rezept App
Bendicht Rudin
rudinbj@bluemail.ch
Die eHealth Rezept App nimmt das elektronische Rezept, inklusive der darin enthaltenen Medikamente,
aus dem Vivates in die App auf. Zur Einnahmezeit wird
der Patient an die Medikamenteneinnahme erinnert
und nach Einnahme des Medikaments muss er dies
bestätigen. Seine Compliance kann so aufgezeichnet
werden. Ebenfalls verfügt er über die Möglichkeit, sei-
ne momentan einzunehmenden Medikamente und seine Rezepte, inklusive dazu gehörende Informationen,
anzeigen zu lassen. Damit die App das vom Hausarzt
elektronisch ausgestellte und anschliessend von der
Apotheke aufgenommene und bestätigte Rezept korrekt aufnehmen kann, wurde in einem Konzept ein Rezeptworkflow entworfen. Er besteht aus sechs Prozessschritten (Abb. 1). Diese finden zwischen den
Akteuren Arzt, Apotheke, Vivates und eHealth Rezept
App statt. Die App wurde von den Probanden sehr
positiv bewertet. Sie bezeichneten sie als hilfreich,
benutzerfreundlich, kreativ und zukunftsorientiert.
Bis 90% der Probanden können sich eine Verbesserung ihrer Compliance mithilfe der App vorstellen.
Diskussion
Mit der Revision des Entwurfs betreffend Änderungen
im Heilmittelgesetz (HMG)2 wird dem Rezept in Zukunft eine noch wichtigere Rolle als bisher zukommen.
Die Entwicklung geht in Richtung elektronisches Rezept (eRezept)3. Dieses bietet Vorteile wie Lesbarkeit,
vereinfachte Erfassung in der Apotheke und erhöhte
Patientensicherheit. Ebenfalls können Rezepte nicht
mehr verloren gehen und Übertragungsfehler werden
stark verringert.
Die eHealth Rezept App verbessert die Compliance
des Patienten, indem seine Eigenständigkeit gefördert
wird und er besser in den Behandlungsprozess involviert wird. Zusätzlich wird die Behandlungsqualität
durch den Austausch von gesundheitsrelevanten Daten verbessert.
Fazit
BE
BU
Apps für Smartphones, welche den Patienten in seinem Behandlungsprozess unterstützen, verfügen über
ein grosses Potential die Therapietreu des Patienten
zu verbessern und tragen dazu bei die Patientensicherheit zu erhöhen.
Quellen
1 Compliance
- de.wikipedia.org
Heilmittelgesetz – www.bag.admin.ch
3 Medienmitteilung eRezeptierung Kanton Aargau –
www.argomed.ch
BI
2 Revision
Abb.1: Prozessschritte des Rezeptworkflows
ti.bfh.ch/book2014
CIRS Mobile – Kritische Zwischenfälle
vor Ort erfassen
Betreuer: Prof. Dr. Jürgen Holm
Experte: Peter Matti
Industriepartner: Netcetera AG, Zürich
Das Ziel dieser Bachelorthesis war die Entwicklung eines mobilen CIRS.
Um den Anwenderwünschen gerecht zu werden wurde ein klickbares
Mockup erstellt, mit welchem Usertests durchgeführt wurden.
Die Ergebnisse der Usertests flossen in die Erstellung des Prototypen
auf Basis der Webtechnologie HTML5 ein.
«Irren ist menschlich» [1] – auch den best-ausgebildeten Gesundheitsfachpersonen der Welt unterlaufen
Fehler. Gravierende Zwischenfälle können tragische
Folgen für die Patienten wie auch für das Personal mit
sich tragen.
Nicht einmal die kumulierte Anzahl der Todesfälle pro
Jahr durch Grippe, AIDS und Verkehrsunfälle kann die
Todesfälle von vermeidbaren, unerwünschten Ereignissen im Krankenhaus übertreffen [2].
Um diese Zahl einzudämmen und die Patientensicherheit zu erhöhen, werden kritische Ereignisse (auch
Beinahe-Fehler), anonym durch die Mitarbeiter in einem CIRS erfasst. Anhand dieser Meldungen werden
geeignete Massnahmen ergriffen um das Eintreten eines Schadenfalles zu verhindern.
Ergebnisse
Prototyp
Unsere Webapplikation umfasst folgende Screens.
Meldung erfassen – 3 Schritte
1) Angaben zum Erfasser und Patienten
2) Was war das Ereignis? (Freitext)
3) Angaben zur Schicht und Analyse des Ereignisses
Usertests
Anhand der Usertests wurde unser Mockup auf Bedienbarkeit und Nutzbarkeit im Arbeitsalltag getestet.
Diskussion
Ein CIRS ist ein mögliches Tool um die Patientensicherheit zu erhöhen. Für die Studierenden war es
wichtig, ein mobiles CIRS zu entwickeln, welches von
den Endusern akzeptiert wird. Die Befürchtung, dass
die Texteingabe mit dem Tablet für Schwierigkeiten
sorgen würde, wurde mittels der Usertests widerlegt.
Trotz des heutigen Standards des anonymen Meldens
war es erfreulich, dass sich mehrere Testpersonen
für eine Option des nicht anonymen Meldens aussprachen. Dies hätte den Vorteil, dass der Fallbearbeiter
dem Erfasser Rückfragen stellen könnte.
Damian Oberreich
Das Projekt zeigte, dass die meisten Testpersonen
offen gegenüber neuen Ideen und Technologien sind
und sich vorstellen können, ein Tablet im Arbeitsalltag
zu benutzen.
Quellen
1. Seneca. Epistulae morales VI,57,12; Cicero,
Orationes Philippicae 12,2
2. Patientensicherheit Schweiz. Patientensicherheit-Schweiz
Mit der Funktion «Eingabepause», kann der Erfasser
seine Meldung jederzeit zwischenspeichern.
BU
VA
Critical Incident Manager
Auf diesem Screen überprüft der Fallbearbeiter die
Meldung auf Identifikationsmerkmale und anonymisiert diese.
Dana Stucki
Einleitung
167
Reporting
Das Qualitätsmanagement kann in kurzer Zeit einfache
Charts (z. B.: Anzahl Meldungen im aktuellen Monat)
generieren.
BI
BE
Freigegebene Meldungen
Alle freigegebenen Meldungen des Fallbearbeiters
stehen allen Mitarbeitern frei zur Verfügung.
Auswertungen Usertests
ti.bfh.ch/book2014
BSc en Mécanique
Energieeffizienz in Eisengiesswerk
Betreuer: Prof. Beat Engeli
Experte: Andreas Thüler (Wifag Polytype)
Industriepartner: Nottaris AG, Oberburg
170
Die Firma Nottaris AG ist eine der wenigen Eisengiessereien in der
Schweiz. Mittels zwei Kupolöfen werden pro Stunde 2.5 bis 5 Tonnen
Flüssigeisen produziert. Bei der Herstellung der Eisengussteile fällt
viel Abwärme an, welche möglichst effizient genutzt werden soll.
Damir Andrijanic
d_andrijanic@hotmail.com
Ausgangslage
Ziel
Durch das Herstellungsverfahren mittels Kupolöfen
entsteht viel Abwärme, die zurzeit nicht genutzt wird.
Anderseits wurde vor einigen Jahren ein Kühlsystem
mit offenem Kühlkreislauf für die Wiederaufbereitung
des Sandes in Betrieb genommen, welches hohe Wasserkosten zur Folge hat. Ferner arbeiten die zur Sandaufbereitung eingesetzten Mischer-Elektromotoren aktuell während längerer Zeit pro Tag im
Ziel dieser Bachelorthesis ist es, die in der vorgelagerten Projektarbeit 2 ausgewählten Konzepte zur Abwärmenutzung der Kupolöfen auszuarbeiten. In das Konzept sollen die Absauganlagen, welche im Winter hohe
Wärmeverluste verursachen, einbezogen werden.
Des Weiteren ist ein nachhaltigeres Konzept der Sandkühlung zu erstellen und auszuarbeiten, welches die
Wasserkosten senkt. Für die Elektromotoren zur Wiederaufbereitung des Sandes ist ein geeignetes Steuerungskonzept zur Beseitigung des hohen Leerlaufanteils zu entwickeln.
Leerlaufbetrieb. In der vorangegangen Projektarbeit 2
sind verschiedene Konzepte zur Lösung erwähnter
Problemstellen erstellt worden.
Resultat
BI
BE
BU
VA
Die anfallende Abwärme der Kupolöfen sowie der Absaugungsanlage soll zur Aufwärmung der Aussenluft
benutzt werden. Bei der Projektrealisierung, wird die
zurzeit betriebene Ölheizung der Firma Nottaris AG
um ca. 14% entlastet werden. Mit der Einsparung der
Heizölkosten (jährlich ca. 14 000 CHF), sind die Investitionskosten nach 3.5 Jahren amortisiert. Für die
Sandkühlung ist ein Konzept ausgearbeitet worden,
welches mit einem geschlossenen sowie einem offenen Kühlkreislauf betrieben wird. Die Investitionskosten des Konzepts lassen sich durch die Reduzierung
des Wasserverbrauchs (jährlich ca. 2 690 CHF) allerding erst nach knapp 6 Jahren amortisieren. Für die
Elektromotoren ist eine Regelung entwickelt worden,
welche den Leerlaufanteil reduziert. Dadurch sind
jährliche Stromkosteneinsparungen von ca. 2 445 CHF
möglich, welche die Investitionskosten in ca. 0.6 Jahren amortisieren.
Abbildung 1: Kupolofen, Quelle: http://de.wikipedia.org/wiki/
Kupolofen
ti.bfh.ch/book2014
Abriebbeständigkeit von Anttihafschichten
Fachgebiet: Werkstofftechnik
Betreuer: Dr. Annette Kipka
Experte: Dr. Thilo Hunger
Industriepartner: KASAG Langnau AG, Langnau i.E.
Während der Produktion von Lebensmittel (z. B. Konfitüren, Kompotten,
Marmeladen) kommt es zu Produktanhaftungen an den Behälterinnenwänden. Diese müssen in aufwändigen Reinigungsprozessen entfernt werden. Dies kostet Zeit und ist gleichzeitig mit Produktverlusten verbunden.
Mit neuartigen Antihaftbeschichtungen auf den Behälterinnenseiten bzw.
den Rührwerken sollen die Anhaftungen verringert und dadurch die Herstellkosten reduziert werden.
Ausgangslage
Resultat
Die Firma KASAG Langnau AG, welche im Apparateund Behälterbau tätig ist, stellt u.a. Batch-Kochanlagen für die Lebensmittelindustrie her. Mit einer geeigneten Beschichtung auf den Behälterinnenwänden
sollen Produktanhaftungen und damit der Reinigungsaufwand reduziert werden. Die Antihaftschichten
müssen ausserdem eine hohe Abriebfestigkeit besitzen, damit es während des Herstellprozesses nicht zu
Verunreinigungen des Produktes kommt.
Die o.g. Messmethoden haben sich nur als bedingt geeignet für die Charakterisierung der Abriebbeständigkeit erwiesen. Bewährt hat sich dagegen die visuelle
Beurteilung der Oberflächen. Es konnte eine klare
Aussage darüber gemacht werden, welche Beschichtung am besten gegen Abrieb beständig ist.
171
Josip Andrijanic
Ziel
d_andrijanic@hotmail.com
Ziel dieser Bachelorthesis war es, einen Abriebtest
mit geeigneten Auswertungsmethoden auszuarbeiten.
Verschiedene Beschichtungen sollten diesem Test unterzogen und bezüglich ihrer Abriebbeständigkeit bewertet werden.
Vorgehen
BE
BU
VA
Für die Durchführung der Tests stand eine Scheuertestanlage zur Verfügung (s. Abb. 1). Die verschiedenen Antihaftschichten wurden definierten Tests unterzogen. Zur Beurteilung des Abriebs kamen Messungen
des Kontaktwinkels, der Oberflächenrauheit sowie der
Reibkraft zur Anwendung. Die Oberflächen wurden
ausserdem visuell beurteilt.
BI
Abbildung 1: Scheuertestanlage
ti.bfh.ch/book2014
Sprühkopftestanlage für Antihaftschichten
Experte: Dr. Armin Heger
172
Mit neuartigen Antihaftbeschichtungen auf den Behälterinnenwänden
oder Rührwerken von Batch-Kochanlagen sollen Produktanhaftungen,
die während der Produktion von Konfitüre entstehen, verringert werden.
Die Entwicklung der Antihaftbeschichtungen erfordert eine gründliche
Charakterisierung der Schichten. Der Sprühkopftest gibt Auskunft darüber, wie gut sich die Antihaftbeschichtungen reinigen lassen.
Ausgangslage
Der Sprühkopftest ist ein Bestandteil des Prüfungsprozesses für die Charakterisierung von neuartigen
Antihaftbeschichtungen. Im Rahmen einer früheren
Bachelorthesis wurde eine Sprühkopftestanlage entwickelt, die Optimierungs- bzw. Verbesserungspotenzial aufweist.
sichtigt werden, wurde ein Fliessschema entworfen.
Für den Umbau bzw. die Optimierung der Anlage wurden drei Konzepte entwickelt, die mit dem Auftraggeber besprochen wurden. Nach einer technischen
Bewertung wurde die Lösungsvariante definiert und
anschliessend konzipiert.
Ergebnis
Ziel
Antonio Bertolino
Vorgehen
Zu Beginn wurde eine Schwachstellenanalyse der bestehenden Sprühkopftestanlage durchgeführt. Dabei
wurden Funktionalität und Bedienbarkeit der Anlage
überprüft. Im Anschluss wurden zu jedem Schwachpunkt Verbesserungsvorschläge erarbeitet. Um sicherzustellen, dass alle Aspekte einer Testsequenz berück-
BI
BE
BU
VA
a.bertolino@hotmail.com
Ziel dieser Bachelorthesis ist die Verbesserung der bestehenden Sprühkopftestanlage hinsichtlich Bedienbarkeit und Funktionalität sowie der Nachweis der
Funktionsfähigkeit der Anlage. Dabei sind die vom
Auftraggeber bestimmten Anforderungen zu berücksichtigen. Mit der Sprühkopftestanlage soll das Reinigungsverhalten von Antihaftschichten untersucht werden, in dem die zu untersuchenden Proben einem
Reinigungsprozess unterzogen werden. Der Reinigungsprozess wird in Anlehnung an die sogenannte
CIP-Reinigung (Cleaning in Place, d. h. ortsgebundene
Reinigung) durchgeführt.
Abbildung 1: Sprühkopftestanlage
ti.bfh.ch/book2014
Als Ergebnis liegt eine optimierte Sprühkopftestanlage vor. Abbildung 1 zeigt die Sprühkopftestanlage mit
zwei Vorratsbehältern für die Spülflüssigkeiten, zwei
Pumpen sowie dem Reinigungsreservoir, in dem sich
die Probenhalterung befindet. In der Anlage können
neun Probenplatten mit unterschiedlichen Antihaftbeschichtungen gleichzeitig getestet werden. Als Reinigungsmedien können zwei unterschiedliche Fluide
eingesetzt werden. Vorgesehen ist zunächst die Verwendung von Wasser und Natronlauge. Die Sprühkopftestanlage erlaubt die Durchführung eines Reinigungsprozesses mit drei Reinigungszyklen: Vorspülen mit
Wasser, Reinigen mit Natronlauge und Nachspülen mit
Wasser. Somit besitzt die Sprühkopftestanlage zwei
Fluidkreisläufe: Wasser und Natronlauge, die mit
2-Wege-Kugelhähnen eingestellt werden können. Für
die Durchführung einer Testsequenz werden die Proben von Hand in eine Probenhalterung eingelegt, die
sich im Reinigungsreservoir befindet. Die Reinigungsflüssigkeiten gelangen über eine selbstdrehende Reinigungsdüse auf die Probenoberflächen. Zwei Kreiselpumpen (Vor- und Rücklauf) sind für das Fördern der
Reinigungsflüssigkeiten, die in zwei separaten Edelstahlbehältern gespeichert werden, verantwortlich.
Dank einer Bedieneinheit kann der Reinigungszyklus
mit einer programmierbaren Dauer gestartet werden.
Eine Temperaturregelung mit Tauchheizung sorgt für
eine konstante Betriebstemperatur der Reinigungsflüssigkeit. Die Funktionsfähigkeit der Anlage wurde
nachgewiesen. Die Anlage steht nun für die Durchführung von Tests zur Charakterisierung von Antihaftbeschichtungen bereit.
Belastbarkeit gusseiserner Flächenabdeckungen
Fachgebiet: Strukturmechanik
Betreuer: Prof. Beat Schmied
Experte: Felix Scheuter
Die Nottaris Bauguss AG ist Anbieter eines grossen Sortiments von Flächenabdeckungen. Bei Neuentwicklungen solcher Abdeckungen kam es
bisher öfters zu grösseren Abweichungen zwischen den vorausberechneten
und den geprüften Lastgrenzen. Da sich die massgebende Norm bezüglich
dem Tragvermögen auf die Belastungstests von Stichproben beschränkt,
können die bisherigen Abweichungen sowohl in der FE-Spannungsermittlung, als auch in der nachfolgenden Nachweisführung begründet sein.
Ausgangslage
Bei der neuesten Flächenabdeckung ist der Belastungstest zu begleiten und die Testergebnisse mit der
FE-Simulation abzugleichen. Darauf basierend ist eine
Methode für die Nachweisführung zu entwickeln. Im
Weiteren sind Empfehlungen zur Gewichtsreduktion
erwünscht.
173
stufenweise soweit vereinfacht, dass sich die Rechenzeit auf ein vernünftiges Mass verringert. Die weitere
Optimierung dieses FE-Modells basiert auf dem Abgleich mit den Messdaten des Belastungstests. Diese
erlauben ebenfalls die Beurteilung des Resultats der
gewählten Nachweisführung. Abschliessend erfolgt
die Ausarbeitung eines Konstruktionsvorschlages zur
Gewichtsreduktion der Flächenabdeckung.
Vorgehen
Ergebnisse
FE-Modell
Vergleich FE-Modell und Messdaten
Markus Bürgi
BI
BE
BU
VA
Als Resultat der Arbeit liegt ein FE-Modell vor, das den
Belastungstest im Fall der untersuchten Flächenabdeckung gut abbildet. Als Bedingung stellt sich insbesondere die korrekte Implementierung des Unterschieds
zwischen Zug- und Druckfestigkeit der eingesetzten
Gusslegierung heraus. Dieser beeinflusst die Ergebnisse der FE-Simulation entscheidend. Im Weiteren
liegt der statische Festigkeitsnachweis nach der
FKM-Richtlinie vor. Deren Konservativität kann aufgrund der Messdaten für die untersuchte Flächenabdeckung beziffert werden. Der entwickelte Konstruktionsvorschlag bringt bei gleichbleibendem
Tragvermögen eine Gewichtsreduktion um mehr als
10%.
Der erste Schritt liegt in der Ausarbeitung eines
DMS-Messsystems, welches den spezifischen Anforderungen des Belastungstests Rechnung trägt. Um Test
und Simulation gut miteinander vergleichen zu können, wird das Testprogramm und der Messumfang gegenüber der Prüfnorm erweitert. Parallel dazu wird
ein FE-Modell zur Abbildung des Tests aufgebaut und
ti.bfh.ch/book2014
Versuchsstand Vario-Getriebe: Hydraulischer
Variator
Fachgebiet: Produktentwicklung
Betreuer: Christian Koblet
Experte: Christoph Heiniger
174
Die stufenlos einstellbare Kraftübertragung bei einem leistungsverzweigten Getriebe wird durch den hydraulischen Variator erzielt. Er hat die
Aufgabe einen der Leistungsstränge, ausgehend vom Verteilergetriebe,
über die hydraulischen Komponenten dem Summierungsgetriebe bereitzustellen. Die Drehzahl und das Drehmoment am Abtrieb des Hydraulikmotors sollen stufenlos einstellbar sein.
Lukas Christen
+41 79 773 47 93
Resultate
Betrachtet man bei einem leistungsverzweigten Getriebe ausschliesslich den Variator, liegt ein hydraulisches
System im Prinzip des geschlossenen Kreislaufes vor.
Dieses Prinzip beschreibt eine hydraulische Einrichtung, welche eine Direktverbindung der Volumenstromquelle (Hydraulikpumpe) mit dem Verbraucher (Hydraulikmotor) in Form eines Primärkreislaufes herstellt. In
diesem liefert ein Dieselmotor der Hydraulikpumpe die
Leistung in Form eines Drehmomentes MD sowie einer
Drehzahl nD. Die Hydraulikpumpe wandelt die mechanische Leistung in einen variabel (beidseitig) einstellbaren Volumenstrom QP sowie einen maximal begrenzten
Druck Δp um. Diese Energie wird über die Druckleitungen an den Hydraulikmotoren übertragen. Durch Verstellen des Schluckvolumens verwandelt der Hydraulikmotor die Energie der Druckflüssigkeit zurück in eine
Drehzahl nM (vorwärts und rückwärts) und ein Drehmoment MM welche an der Abtriebswelle dem Summierungsgetriebe bereitgestellt werden.
Die Aufgabe dieser Arbeit war die Planung und Konstruktion des hydraulischen Variators. Neben der zu erfüllenden Hauptaufgabe – der stufenlosen Kraftübertragung an das Summierungsgetriebe – wurden alle
Zusatzkomponenten des Hydrauliksystems wie Druckschläuche, Filter, Kühler und Druckflüssigkeit ausgelegt. Alle Komponenten wurden im CAD (NX 8) zu einer
Baugruppe zusammengefügt. Die Konstruktion des hydraulischen Variators, inkl. Stücklisten und Fertigungszeichnungen wurde in dieser Arbeit abgehandelt.
Anhand eines Berechnungsmodells wurde hergeleitet,
welche theoretisch erreichbaren Drehzahlen und Momente am Abtrieb des Hydraulikmotors (bei verschiedenen Leistungsübertragungen x des Dieselmotors auf
die Hydraulikpumpe) anliegen. Über die Leistungsbilanz kann die am Abtrieb des Summierungsgetriebes
anliegende Leistung PAus, und dadurch die Wirkungsgrade bei verschiedenen Leistungsverteilungen bestimmt werden.
Ausgangslage
Das System wird als geschlossen bezeichnet, wenn die
rückfliessende Druckflüssigkeit vom Hydraulikmotor
(HM) direkt wieder der Pumpe (HP) zugeführt wird. Im
Primärkreislauf wird zwischen Hoch- und Niederdruckseite unterschieden. Diese sind abhängig vom
Abnahmemoment des Verbrauchers, sowie vom Einstellwinkel der Hydropumpe.
BI
BE
BU
VA
L.ch@gmx.ch
Funktionsprinzip
Leistungskurve am Abtrieb Hydraulikmotor, bei 80%-er
Leistungsübertragung auf hydraulischen Variator
ti.bfh.ch/book2014
Gesamtaufbau, Leistungsverzweigtes Getriebe
Grenzflächenpressung hochfester Stähle
Betreuer: Prof. Beat Schmied
Für die bei Baumaschinen verwendeten hochfesten und verschleissfesten
Stähle fehlen die Angaben zur Grenzflächenpressung. Anhand von Versuchen und FE-Simulationen soll die Grenzflächenpressung untersucht
werden.
Ausgangslage
Vorgehen
In einer früheren Thesis wurde die Grenzbelastung
einer Bolzenverbindung aus hochfestem Stahl bereits
angegangen. Die Ermittlung der Grenzflächenpressung
erwies sich als sehr anspruchsvoll. Eine Versuchsreihe
wurde zwar geplant, konnte jedoch aus zeitlichen
Gründen nicht durchgeführt werden.
An Hand einer Schraubenverbindung wird vorab die
Grenzflächenpressung für gewöhnlichen Baustahl
untersucht und die Ergebnisse mit der geltenden
Schraubennorm abgeglichen. Mittels der früher bereits geplanten Versuchsreihe, wird das Verhalten
des hochfesten Werkstoffs unter hohen Flächenbelastungen bei verschiedenen Anordnungen und Geometrien untersucht. Die Versuchsergebnisse werden mit
FE-Simulationen abgeglichen.
Simon Dermont
Resultat
Es zeigt sich, dass die Durchführung der Druckversuche sehr anspruchsvoll ist und auch an die Messeinrichtung hohe Ansprüche stellt. Trotzdem sind genügend Daten entstanden, so dass der Einfluss der
Stützwirkung festgehalten und eine Aussage über die
Grenzflächenpressung gemacht werden kann. Eine
Methode zur Auswertung von diskontinuierlichen Versuchen ist erarbeitet und kann eingesetzt werden. Die
erstellten FE-Simulationen können mit den Versuchsergebnissen verglichen werden. Sie stimmen phasenweise gut mit den Versuchsergebnissen überein.
BI
BE
BU
VA
Die in der Vorgängerarbeit begonnen Arbeiten sollen
weitergeführt und insbesondere die Versuche durchgeführt und ausgewertet werden. Auch ist die Methodik zur Bestimmung der Grenzflächenpressung noch
besser abzustützen. Basierend auf den Ergebnissen
soll letztlich eine Aussage zur Grenzflächenpressung
hochfester Stähle möglich sein.
Ziel
175
Versuchsaufbau - Druckversuch
ti.bfh.ch/book2014
Korrosionsschichten auf Eisengusswerkstoffen
Fachgebiet: Werkstoffkunde
176
Die Nottaris Bauguss AG bietet Kunden aus der Bauwirtschaft eine umfangreiche Palette an Produkten aus verschiedenen Eisengusswerkstoffen
wie z. B. Schachtabdeckungen oder Baumschutzroste an. Diese Produkte
sind im Einsatz Umwelteinflüssen ausgesetzt, die häufig korrosiv wirken
und zu einer Schädigung der Bauteile führen können. Kenntnisse über das
Korrosionsverhalten der Eisengusswerkstoffe sind daher sowohl für Hersteller als auch Anwender dieser Bauteile von Interesse.
Ausgangslage
Joël Dubuis
Auf der Oberfläche von Gussteilen, die durch Giessen
in Sandformen hergestellt werden, bildet sich eine
Gusshaut. Diese besteht im Wesentlichen aus Eisenund Siliziumoxiden und verfügt über eine undefinierte, raue Oberfläche. Die o.g. Baugussprodukte kommen mit Gusshaut zum Einsatz. Erfahrungen darüber,
wie sich das Korrosionsverhalten von Bauteilen mit
Gusshaut von solchen unterscheidet, bei denen die
Gusshaut durch mechanische Bearbeitung entfernt
wurde, liegen daher kaum vor.
Ziel
Ziel der Arbeit war die Untersuchung und Beschreibung des Einflusses der Gusshaut auf das Korrosionsverhalten verschiedener Eisengusswerkstofftypen.
In der vorgängig durchgeführten Projektarbeit 2 wurde eine Anlage für die Durchführung von Salzsprühnebeltests aufgebaut. Im Rahmen der vorliegenden
Bachelor-Thesis wurde mit Hilfe dieses Tests das Korrosionsverhalten von zwei Graugusstypen (Gusseisen
mit Lamellengraphit, EN-GJL) und drei Sphärogusstypen (Gusseisen mit Kugelgraphit, EN-GJS) untersucht.
Jeweils eine Probe mit Gusshaut wurde mit einer Probe, deren Gusshaut zuvor mechanisch entfernt worden
war, miteinander verglichen.
Ergebnis
Sowohl auf den Proben mit als auch auf den Proben
ohne Gusshaut bilden sich während des Salzsprühnebeltests Korrosionsschichten. Diese zeigen in Abhängigkeit vom Werkstofftyp Unterschiede bzgl. Struktur
und Dicke. Die metallographischen Untersuchungen
haben ergeben, dass Spongiose bei den Proben mit
Gusshaut weniger stark ausgeprägt ist als bei den Proben ohne Gusshaut desselben Werkstofftyps. Dies ist
ein positiver Effekt und spricht für den Einsatz von
Bauteilen mit Gusshaut. Die festgestellten Masseänderungen haben gezeigt, dass Sphäroguss grundsätzlich
korrosionsbeständiger ist als Grauguss.
BI
BE
BU
VA
Durchführung
Die Proben wurden nach dem Korrosionstest visuell
beurteilt. Der Schwerpunkt lag auf der Beschreibung
der Korrosionsschichten, die sich während des Tests
auf der Oberfläche gebildet hatten. Locker anhaftende
Korrosionsprodukte wurden anschliessend mittels Ultraschallreinigung entfernt und die Oberflächen ein
weiteres Mal beschrieben. Ausserdem wurden die
Masseänderungen der Proben bestimmt sowie metallographische Untersuchungen an Schliffproben durchgeführt. Diese Untersuchungen dienten der Beschreibung der Grundgefüge der Werkstoffe sowie der
Feststellung von Spongiose, einer Sonderform der
Korrosion von Eisengusswerkstoffen.
Abb. 2: Gefüge einer Probe aus GJL-200 nach 96 h Salzsprühnebeltest (metallographischer Schliff, ungeätzt)
ti.bfh.ch/book2014
Abb. 1: Probe aus GJL-250 (Gusshaut vor dem Test mechanisch
entfernt) nach 210 h Salzsprühnebeltest
Leistung durch Self-Paced Maximaltest
Fachgebiet: Maschinentehnik
Betreuer: Prof. Kenneth J. Hunt, Marco Laubacher
Experte: Andreas Thüler (Polytype)
Physiologische Leistungstests haben eine sehr breite Anwendung, so werden sie beispielsweise zu diagnostischen Zwecken in der Rehabilitation
oder dem Leistungssport eingesetzt. Eine wichtige Grösse, die während
dem Test gemessen wird,
ist die Sauerstoffaufnahme. Mit den ermittelten ergospirometrischen Daten
und den dabei erbrachten Leistung kann ein genaues Bild über die körperliche Leistungsfähigkeit der Testperson gemacht werden.
Lukas Dürr
BE
BU
VA
Ziel dieser Arbeit ist es, drei verschiedene Laufband-Protokolle zu vergleichen. Als Vergleichsgrösse
dazu diente insbesondere die maximale Sauerstoffaufnahme. Ein Test Protokoll das getestet wird, ist das
sogenannte Self-Paced Protokoll. Dabei wird, die am
Institut für Rehabilitation und Leistungselektronik
(IRPT) entwickelte automatische Positionierung eingesetzt. Dem Läufer wird dabei nur die zu erbringende
Leistung vorgegeben. Die Geschwindigkeit kann er
während dem Test mittels Positionsregelung selber
wählen, wobei die Steigung der Lauffläche jeweils so
eingestellt wird, dass die Soll-Leistung erreicht wird.
Um diese Protokolle zu vergleichen, sollte eine formelle Studie durchgeführt werden. Dazu ist die Einreichung eines Ethikantrages und die Genehmigung
der Studie durch die Kantonale Ethikkomission erforderlich.
Mit sechs Personen wurden je drei Pilotmessungen
durchgeführt. Anhand der Resultate können verschiedene Tendenzen aufgezeigt werden. So konnte die Hypothese, dass mit dem Self-Paced Test eher ein sogenanntes VO2-Plateau erreicht wird, bestätigt werden.
Auch die maximale Sauerstoffaufnahme war beim
Self-Paced Test im Schnitt höher als bei den anderen
Protokollen. Die Unterschiede sind aber gering und
liegen zwischen 1–3%. Für die Herzrate war aus den
Messergebnissen kein Muster erkennbar. Durch die
Implementierung einer Auslaufgeschwindigkeit konnte der Ablauf beim Self-Paced Test weiter standardisiert werden.
Häufig ist die Identifizierung der maximalen Sauerstoffaufnahme ohne ein VO2-Plateau relativ schwer.
Ein Plateau ist dann erreicht, wenn bei weiter steigender Belastung die Sauerstoffaufnahme über eine gewisse Zeit nicht mehr signifikant zunimmt. Mit dem
Entwickeln eines Protokolls, während dem durchschnittlich häufiger ein Plateau erreicht wird, könnte
diese Unsicherheit verringert werden.
177
VO2-Messung mit Plateau
BI
Funktionsschema automatischen Positionsregelung
ti.bfh.ch/book2014
Laser-Mikrobohren in dünnen Flachproben
Betreuer: Dr. Beat Neuenschwander
Experte: Dr. Rudolf Bauer
Industriepartner: Microcontact AG, Lostorf
178
Um die Miniaturisierung eines konventionellen Bohrprozesses voranzutreiben, wurden mit der Lasertechnik Mikrobohrungen in vorgängig
bestimmten Probematerialien erzeugt. Durch eine geschickte Wahl der
Bohrstrategie in Verbindung mit den Laserparametern und dem identifizierten Material soll festgestellt werden können, ob sich der bestehende
Prozess mit einer zusätzlichen Laser-Bohranlage erweitern liesse.
Ziel
Resultate
Mit Hilfe der Laser-Bohrtechnik sollen in ein elektrisch
isolierendendes Plattenmaterial Mikro-Bohrungen
mit variablen Durchmessern bis runter auf 45μm gefertigt werden können. Der Abstand der Bohrungen
gegeneinander sollte klein gehalten werden (≈1.5*d)
mit einer möglichst maximalen Schachttiefe.
Die besten Ergebnisse bezogen auf Bohrqualität, Bohrungstiefe und Reproduzierbarkeit konnte mit dem
Rückwärtsbohren in Glas erzielt werden. Bei dieser
Bohrstrategie wird der Laserstrahl durch das Glas auf
die gegenüberliegende Oberfläche fokussiert. Mit
schichtweisem Materialabtrag wird der Fokus des
Laserstrahls durch das Material auf dessen Oberkante
geführt. Somit kann eine durchgehende Bohrung von
Unten nach Oben erzeugt werden. Auch wenn der
geforderte Zieldurchmesser, im Rahmen der durchgeführten Versuche, nicht erreicht werden konnte, sind
die erreichten 70μm mit einem Bohrungsabstand
von 100μm über eine Materialstärke von 0.7mm nicht
mehr all zu weit davon entfernt.
Bezogen auf die Bohrrate des konventionellen Bohrprozesses kann das erwähnte Laser-Bohrverfahren
jedoch nicht mithalten. Dazu wurde ein Vorschlag für
eine Parallelisierung des Prozesses gemacht. Ob
sich dieser jedoch umsetzten liesse, müsste in weiterführenden Arbeiten abgeklärt werden.
Vorgehen
Mit unterschiedlich dicken Flachproben der identifizierten Werkstoffe wurden erste Bohrversuche mit
Verwendung eines Picosekunden-Festkörperlasers
hergestellt. Dabei galt es Versuche in Kombination aus
Werkstoff, Laserparameter und definierter Bohrstrategie durchzuführen und auszuwerten. Von den drei
erarbeiten Bohrstrategien konnte nur eine entscheidende Resultate erbringen.
70μm-Bohrungen in 0.7mm Dünnglas
BI
BE
BU
VA
Marc Felber
ti.bfh.ch/book2014
Fokusnachführung für Galvo-Scanner
Fachgebiet: Lasertechnologie
Betreuer: Prof. Dr. Beat Neuenschwander, Beat Jäggi
Experte: Dr. Peter Paul Knobel
Das Bearbeiten von Materialien mit einem Laser wird immer populärer.
Typische Applikationen sind Schweissungen, Bohrungen, Mikrostrukturierungen, Markierungen, usw. Für die meisten dieser Applikationen muss
der Strahl genauestens fokussiert werden. Dies führt automatisch zum Bedürfnis nach einer Nachstellung in Z-Richtung, wenn die Bearbeitung in
die Tiefe geht.
Ausgangslage
Vorgehen
Die Thesis basiert auf der vorangegangenen Projektarbeit, bei der die Vor- und Nachteile von optischen
sowie von vorhandenen mechanischen Fokusnachführungen aufgelistet und bewertet wurden. Diese Untersuchungen führten zum Entschluss, dass ein kompletter Eigenbau die Anforderungen am besten erfüllt.
Das Institut ALPS (Applied Laser, Photonics and Surface Technologies) der BFH besitzt verschiedene Galvo-Scanner. Angesteuert werden die Scanner mit den
Softwarepaketen LaserDesk oder Weldmark aus denen
nun auch die Fokusnachstellung gesteuert werden
soll. Zu Beginn wurden verschiedene mechanische
Konzepte geprüft. Das ausgewählte Konzept wurde mit
dem CAD gezeichnet und toleriert. Neben dem Ausarbeiten der Zeichnungen war die Ansteuerung zum automatischen Betrieb ein wichtiger Bestandteil.
Thomas Fontanellaz
Resultat
Der Hub-Tisch wurde realisiert. Die Ansteuerung des
Schrittmotors wird mit einem Mikrokontroller Board
vorgenommen. Die Kommunikation zwischen der
Lasersoftware und dem Hub-Tisch erfolgt mittels serieller Schnittstelle. Die Auflösung des Schrittmotors
beträgt 2,33 μm/Schritt. Die Ebenheit der Bearbeitungsfläche beträgt 0.2 mm und der Tisch wurde im
praktischen Einsatz getestet.
BE
BU
VA
Das Ziel dieser Bachelorthesis ist, eine im Labor möglichst universell einsetzbare, mechanisch gesteuerte
Z-Achse zu realisieren, um einen Schneid- oder 3DStrukturierungsprozess vollautomatisch ablaufen lassen zu können. Dabei sind vorgegebene Randbedingungen (wie z. B. maximale Bauhöhe, Möglichkeit der
Ansteuerung, manuelle Höheneinstellung mit Handrad, usw.) zu berücksichtigen.
Ziel
179
Ankerrad, hergestellt im vollautomatischen Betrieb
BI
Hub-Tisch
ti.bfh.ch/book2014
Linearmotor: Kraftregelung für eine Leg Press
Fachgebiet: Institut für Rehabilitation und Leistungstechnologie (IRPT)
Betreuer: Prof. Dr. Kenneth J. Hunt
Experte: Dr. Dietmar Kramer
180
Die Dynamic Devices AG ist eine in Zürich ansässige Unternehmung, die
im Bereich Rehabilitation und Hochleistungssport tätig ist. Die Firma entwickelte 2009 das Trainingsgerät Allegro für die Neurorehabilitation. Das
Gerät soll zu einem Therapieroboter für Kinder, die an Cerebralparese leiden, umgebaut werden. Im Rahmen der Bachelor Thesis soll der pneumatische Muskel im Innern des Geräts durch einen Linearmotor ersetzt werden.
Ausgangslage
Stefan Graf
Vorgängig entwickelten Experten am Institut für Rehabilitation und Leistungstechnologie der BFH ein System, welches die Kraftregelung an der Mensch-Maschine-Schnittstelle demonstriert. An einem gelagerten
Hebelsystem mit Handgriff kann eine Person eine
Kraft applizieren, welche mittels Kraftsensoren ermittelt wird. Entspricht die zugeführte Kraft nicht der
vom Bediener vorgegebenen Sollkraft, reagiert das
System, indem es der Bewegung stärker oder schwächer entgegenwirkt. Das System regelt also die Kraft
am Interface zwischen Mensch und Maschine. Die
pneumatischen Aktuatoren am Allegro sollen durch
LinMot-Motoren ersetzt werden.
Nach der Montage des LinMot-Anbaus und der Konfiguration der Sensortechnik wurde der Linearmotor
und die Funktionstüchtigkeit der Sensoren getestet.
Mit der Umsetzung dieser essentiellen Teilziele wurde
der Weg zur Implementation der Kraftregelung geebnet. In Matlab ist eine grafische Benutzeroberfläche
programmiert worden, um den Prozess der Reglerauslegung zu optimieren. Aufgrund der Veränderung von
Anstiegszeit, Dämpfung und Schnelligkeit wurde dem
Resultat
Die Kraft am Pedal stimmte mit den Berechnungen aus
der Konzeptphase überein. Die Signale der Sensoren
konnten erfolgreich in der Steuerung ausgegeben werden. Die Kraftregelung funktioniert bei beiden Reglern
sehr gut. Die Positionsregelung ist einsetzbar, hat
aber noch gewisse Mängel, die behoben werden müssen. Die Steuerung bietet durchaus eine Alternative
zur Regelung. Sie muss jedoch noch stärker optimiert
und verbessert werden.
BI
BE
BU
VA
Vorgehen
geschlossenen Regelkreis ein anderes Verhalten vorgegeben. Die Wirkung der einzelnen Faktoren wurden
untersucht und mit den daraus gewonnenen Erkenntnissen zwei neue Regler ausgelegt und getestet. Einerseits der Dynamic Sport Controller, der für sportliche
Personen eingesetzt wird. Andererseits der Rehab
Controller, der für Personen mit neurologischen Störungen geeignet ist. Es wurde untersucht, ob der Regler durch eine Steuerung ersetzt werden kann.
Trainingsgerät Allegro
ti.bfh.ch/book2014
Allegro nach dem Umbau
Mobiler Roboter mit Omniwheel
Betreuer: Daniel Lanz
Die meisten Eurobot-Roboter bewegen sich mit einem konventionellen
Antrieb. Sie besitzen zwei Räder, welche unabhängig über einen separaten
Motor angesteuert werden. Als zusätzliche Auflage dient meistens eine
Laufkugel. Ein solcher Antrieb beschränkt die Mobilität. Als Alternative
soll ein omnidirektionaler Antrieb mit drei Omniwheels entwickelt werden.
Roland Greiler
VA
Die hergestellte Antriebseinheit funktioniert zuverlässig. Als Alternative zu einem herkömmlichen Antrieb würde sich ein omnidirektionaler Antrieb eignen
und im Wettkampf viele Vorteile bringen. Für den Einsatz in einem Eurobot-Roboter kann die Ansteuerung
der Motoren leicht in einen Wegfindungsalgorithmus
der bisherigen Roboter implementiert werden. Um
den Platzbedarf zu minimieren, sollten kleinere Omniwheels eingesetzt werden.
Ergebnis
BU
Omniwheels, oder auch Allseitenräder genannt, besitzen als Lauffläche Rollen. Diese sind nicht angetrieben und deren Drehachse besitzt einen Winkel von
90 °C zur Hauptachse. Die Rollen erlauben eine reibungsarme Verschiebung in axialer Richtung. Um
einen omnidirektionalen Antrieb zu realisieren werden die Antriebsachsen sternförmig angeordnet.
Um den Roboter zu steuern, wird eine 3D-Maus von
3Dconnexion verwendet. Diese erlaubt es dem Nutzer
den Roboter intuitiv zu steuern und ermöglicht es, den
Roboter gleichzeitig in jede Richtung zu bewegen und
gleichzeitig ihn um die Z-Achse zu drehen. Die Stärke
der Auslenkung an der 3D-Maus entspricht der Geschwindigkeit des Roboters. Um die Ausrichtung des
Roboters zu erkennen und zu kompensieren, wird ein
Gyroskopchip verwendet. Dieser misst die Ausrichtung des Roboters und ermöglicht es ihm, immer in
die Richtung zu fahren in welche die 3D-Maus ausgelenkt ist.
BE
Omniwheel
Steuerung
BI
Ein omnidirektionaler Antrieb ermöglicht es dem Roboter, sich aus dem Stand in jede Richtung zu bewegen. Auch das Drehen um die Hochachse während
dem Fahren stellt kein Problem dar. Daher ist es einem
Roboter mit omnidirektionalem Antrieb möglich, eine
Aufgabe direkt anzufahren, sich dabei auszurichten
und kann bei Erreichen gleich mit dem Lösen anfangen. Dies verkürzt die Fahrzeit zwischen den Aufgaben erheblich.
181
ti.bfh.ch/book2014
Bauteilsortierung mit Bildverarbeitung
Experte: Peter Paul Knobel
182
Sortieraufgaben und Qualitätskontrollen werden in der Industrie immer
häufiger mit dem Einsatz von Kameras durchgeführt. Der grosse Vorteil
des maschinellen Sehens ist, dass unterschiedliche Attribute der Bauteile
mit nur einem Sensor analysiert und ausgewertet werden können. Es soll
ein Systemaufbau realisiert werden, welcher im Modul Elektrotechnik das
Wirken eines mechatronischen Systems in Verbindung mit Bildverarbeitung veranschaulicht.
Ausgangslage
Marco Grolimund
In einer vorhergehenden Bachelorarbeit wurde ein
Projektaufbau realisiert, welcher den Einsatz eines
Mikrokontrollers anhand eines dynamischen Modells
aufzeigt. Einzelne Komponenten, wie beispielsweise
das selbst konstruierte Förderband, konnten übernommen werden. Das System soll autonom Bauteile
mit einer Kleinstkamera analysieren und diese anschliessend mit Hilfe eines Handlingsystems positionsgenau in einem definierten Sortierbereich palettieren.
Bei der verwendeten Kleinstkamera handelt es sich
um die CMUcam5. Diese erlaubt Informationen bezüglich Lichtintensität, Farbe, Beschleunigung, Geschwindigkeit und Distanz zu ermitteln. Im Laufe der
Projektarbeit hat sich gezeigt, dass eine fehlerfreie
Bildanalyse nur mit konstanten Lichtverhältnissen
möglich ist. Bereits kleinste Abweichungen oder Veränderungen des Umgebungslichts reichen aus, damit
die definierten Objekte nicht mehr erkannt werden.
Folglich wird ein Belichtungstunnel eingesetzt, der für
konstante Lichtverhältnisse sorgt und den Einfluss
von Fremdlicht minimiert.
Die Steuerung der Aktoren wird mit einem Arduino®
Board des Typs Arduino Mega2560 realisiert. Die
rogrammierungssprache ist Processing, welche auf
C++ basiert. Zusätzlich wird das neuentwickelte BFHBoard eingesetzt, welches ausschliesslich für diesen
Mikrocontrollertyp designt wurde. Das BFH-Board ermöglicht eine einfachere Einbindung von Peripheriegeräten sowie eine grössere Anzahl an I/O Pins. Die
Steuerung des Projektaufbaus erfolgt über den integrierten Touch Display der Firma 4D Systems®, welcher
auf dem Board integriert ist. Im Sortierbetrieb werden
dem Benutzer die wichtigsten Objektinformationen
wie Farbe, Typ und Ausrichtung des Bauteils, angezeigt. Zusätzlich können die Achsen referenziert und
alle Funktionen des Linearportals manuell gesteuert
werden.
Resultat
Die Objektinformationen werden innerhalb des Belichtungstunnels ermittelt. Mit den erhaltenen Objektinformationen wird die Länge sowie die Ausrichtung der
Bauteile berechnet.
BE
BU
VA
Funktionsaufbau
Das Sortieren der Bauteile erfolgt mit einem Linearportal. Für den Antrieb der drei Achsen werden unipolare Schrittmotoren verwendet. Der eingesetzte
Greifarm der Firma Nodna® ermöglicht es rotative Bewegungen um die Z-Achse durchzuführen. Dadurch
können die Greifflächen des Greifarms parallel zum
Bauteil ausgerichtet werden.
BI
Vollständiger Projektaufbau
ti.bfh.ch/book2014
Der Projektaufbau konnte erfolgreich in Betrieb genommen werden. Die Bauteile werden zum jetzigen
Zeitpunkt zuverlässig analysiert und anschliessend an
korrekter Stelle positionsgenau platziert. Die einzelnen Baugruppen des System sind modular aufgebaut.
Auf diese Weise können zusätzliche Komponenten einfach in den gegenwärtigen Projektaufbau integriert
werden.
Versuchsstand Vario-Getriebe «Summierungsgetriebe»
Betreuer: Prof. Christian Koblet
Bei schweren Nutzfahrzeugen und mobilen Arbeitsmaschinen übersteigt 183
der Anteil der über die Produktlebensdauer zu investierenden Treibstoffkosten häufig die Anschaffungskosten des Fahrzeugs um ein Vielfaches.
Deshalb rechnet sich dort der Einsatz effizienterer Getriebe besser als beim
Automobil. Zu Ausbildungszwecken soll ein Vario-Getriebe entwickelt werden, welches den Studenten ermöglicht über verschiedene Messstellen im
Getriebe auf den Gesamtwirkungsgrad zu schließen.
Im Rahmen einer Projektarbeit 2 wurden die Grundlagen des Planetengetriebes «Summierungsgetriebe»
durch die Analyse bereits bestehender Systeme und
ausführlicher Recherche in auf das Themengebiet
ausgelegter Literatur erarbeitet. Dadurch wurde ein
erstes grob dimensioniertes Konzept eines Planetengetriebes für den vorliegenden Fall konzipiert.
Ziel
Das Ziel der Bachelorarbeit ist ein Versuchsstand in
Form eines leistungsverzweigten Antriebes, welcher
im Maschinenlabor der Berner Fachhochschule zu
Ausbildungszwecken zum Einsatz kommt. Dafür wurde
die Arbeit in drei Teile aufgeteilt, wobei jeder Student
einen Teil des leistungsverzweigten Getriebes bearbeitete. Ziel dieses Teils ist es, durch optimale Zusammenarbeit mit den Teammitgliedern ein funktionsfähiges, der Aufgabenstellung entsprechendes Summierungsgetriebe produktionsbereit zu entwickeln.
elektrisch zu betreiben. Es können, egal ob elektrisch
oder hydraulisch betrieben, am Abtrieb sowohl positive
als auch negative Drehzahlen eingestellt werden.
Folgend wurden dem Leistungsfluss entlang die verschiedenen Getriebekomponenten berechnet. Während den Berechnungen der Komponenten wurden
diese gleich auf ihre Funktionsfähigkeit kontrolliert
und falls nötig angepasst. Während sich Wellendurchmesser und Zahnräder sowie auch Normteile durch
Berechnungen gleich bestimmen liessen, konnten gewisse Längenmasse erst bei der Ausführung einer CAD
Baugruppenzeichnung fest definiert werden. Durch
die bekannten Wellenlängen sowie den Abmessungen
des Hydraulikmotors konnte schliesslich ein Schweissgehäuse konzipiert und dimensioniert werden. Am Getriebe fällt durch die Reibung der verschiedenen Lager
und Dichtungen sowie des Zahneingriffes eine gewisse Verlustleistung in Form von Wärme an. Die Wärmeabführung sowie die Schmierung des Getriebes werden durch eine Ölbadschmierung realisiert.
Durchführung
Auf der Basis der vorhergegangenen Arbeit wurden in
der Bachelor Thesis in einem ersten Schritt die Zähnezahlen der am Getriebe eingreifenden Zahnräder bestimmt. Dadurch wurde die Drehzahlvariabilität am
Ausgang bekannt.
Ergebnis
Das Resultat dieser Arbeit ist ein komplettes 3D CAD
Model zur visuellen Darstellung der Gesamtfunktion
sowie fertige Konstruktionszeichnungen für die Herstellung der verschiedenen Getriebekomponenten.
jodok.gueller@hotmail.com
BI
BE
BU
VA
Durch die gewählte Ansteuerung des Planetengetriebes
ist es möglich, die Hydraulikeinheit durch einen Elektromotor zu ersetzen und somit die Summierung rein
Jodok Güller
Ausgangslage
Explosionszeichnung Planetengetriebe ohne Gehäuse
ti.bfh.ch/book2014
Automatisierung eines Tube Sealers
Fachgebiet: Maschinentechnick
Industriepartner: Brooks Automation AG, Oberdiessbach
184
Ein Tube Sealer ist eine Maschine, welche zum Versiegeln von Probenröhrchen in der Medizinal- und Pharmatechnik eingesetzt wird. Die Brooks AG
hat bereits solche Maschinen in ihrem Sortiment und entwickelt diese
stets weiter. Diese Diplomarbeit hat sich vor allem mit den Schnittstellen
zwischen der Maschine und dem Anwender befasst. Es werden eine Bedienung über ein Touch Panel und ein Sicherungskonzept für die Mensch-Maschinen Schnittstellen entwickelt.
Ausgangslage
Laurent Häfliger
Die Brooks AG und ein Team von Elektroingenieur-Studenten entwickeln einen Prototyp eines neuen Tube
Sealers. Dieser soll integriert aber auch im stand-alone Betrieb eingesetzt werden, was zu Mensch- Maschinen Schnittstellen führt. Die Thesis behandelt diese
Schnittstellen für eine Beta-Version. Folgenden Vorgaben sollen erfüllt werden: Die Maschine soll gegen ein
unerlaubtes Öffnen gesichert werden. Die Bedienung
des Sealer muss vollumfänglich über ein Touch-Panel
möglich sein. Um mögliche Fehler beim Anwählen der
zu versiegelnden Röhrchen zu vermeiden, soll ein System entwickelt werden, welches ein visuelles Feedback für den Anwender erzeugt. Die Qualität der Versiegelung soll laufend überprüft werden.
Die Programmierung des Touch-Panels wird parallel
zur Entwicklung der restlichen Maschinensteuerung
gemacht, damit die Schnittstellen innerhalb des Programmes von Anfang an genau definiert sind. Dies
verlangt eine genaue Koordination und Zusammenarbeit der beteiligten Personen für die Programmierung.
Bei der Sicherung wird eine Lösung ausgearbeitet, die
im stromlosen Zustand offen ist. Es wird dazu eine unterbrechungsfreie Stromversorgung ausgelegt, die im
Stande ist, das Gerät so lange zu versorgen, bis alle
Prozesse beendet sind und für den Benutzer keine
Gefahr mehr besteht. So wird verhindert, dass ein
gestresster Anwender den Stecker auszieht und die
Maschine direkt öffnen kann.
Damit die Qualität der Versiegelungen kontinuierlich erfasst werden kann, wird eine Methode ausgearbeitet, welche die notwendigen Kennwerte mit den
bereits vorhandenen Komponenten erfasst und auswerten kann. Um diese Methode umsetzen zu können,
müssen materialtechnische Untersuchungen der Röhrchen durchgeführt werden.
BE
BU
VA
Vorgehen
Für das visuelle Feedback werden unterschiedliche
Konzepte ausgearbeitet, evaluiert, getestet und weiterentwickelt. Es werden Versuche mit verschiedensten LED’s und auch mit Linienlasern gemacht. Die
Wahl fällt auf eine Lösung, die sowohl durch gute
Markierung als auch einen tiefen Preis besticht.
BI
Entwurf des neuen Tube Sealers
ti.bfh.ch/book2014
Probenröhrchen von Brooks
Automatische Einstellung einer 3D Optik
Betreuer: Markus Zimmermann
Industriepartner: Schweizer Startup Unternehmen
Der Industriepartner dieser Arbeit stellt echtzeitfähige videoanalytische
Systeme her. Damit eine hohe Präzision der Analyse erreicht werden kann,
müssen die Linsen bei der Montage perfekt auf eine bestimmte Distanz
scharf eingestellt werden. Momentan wird dies mühsam von Hand gemacht. Um Kosten einzusparen und die Qualität zu verbessern soll dieser
Vorgang automatisiert werden.
Aufgabenstellung
Die Aufgabe der Thesis Arbeit besteht darin, das
Konzept der PA2 in eine funktionsfähige Anlage umzuwandeln.
Konzept der PA2
Im Rahmen der PA2 wurde das Pflichtenheft definiert
und das Konzept erarbeitet.
Die Linsen besitzen ein Feingewinde und werden ins
Gehäuse geschraubt. Die Scharfstellung erfolgt also
durch eine Drehbewegung. Um das Gewindespiel auf-
zuheben, wird ein Schaumstoffring hinter die Linse gelegt. Dadurch erhöht sich das benötigte Drehmoment,
um die Linse zu drehen. Der Linsengreifer ist die wichtigste Komponente dieser Anlage. Er muss die Linse
präzise greifen können, die Platzverhältnisse sind sehr
eng und das zu übertragende Drehmoment recht hoch.
Er besitzt ein aufgeschraubtes Zahnrad. Fährt der
Schlitten nach oben, wird das Getriebe eingekuppelt.
Für das Drehen der Linsen und die Bewegung des
Schlittens, werden drei identische Schrittmotoren eingesetzt. Sie werden per USB-Kabel am PC angeschlossen und lassen sich recht einfach ansteuern.
185
Kevin Hauser
kevinshauser@gmail.com
BI
BE
BU
VA
Im CAD wurde die Konstruktion detailliert, verfeinert
und optimiert. Auch wurden wichtige Komponenten,
wie der Endschalter, evaluiert und spezifiziert. Dies
hat eine reibungslose Produktion und Inbetriebnahme
gewährleistet.
Ein wichtiger Bestandteil dieser Arbeit ist das Schreiben des Programmes. Über eine grafische Benutzeroberfläche kann der Montagemitarbeiter die Anlage
vom PC aus einfach steuern. Ein bestehendes Programm wertet die Schärfe des Targets aus.
Bei der Inbetriebnahme wurde die Software weiter
verbessert und die Bewegungsabläufe optimiert. Beide Linsen werden gleichzeitig perfekt scharf eingestellt. Dieser Vorgang dauert weniger als eine Minute.
Nachdem die Scharfstellung abgeschlossen ist, sind
sie mit einer Genauigkeit von ±1μm positioniert.
Umsetzung
Rückseite der Anlage nach der Inbetriebnahme
Die Linse mit dem Schaumstoffring, gegriffen vom Linsengreifer
ti.bfh.ch/book2014
Mobiler Roboter youBot im Einsatz
Fachgebiet: Robotik
Betreuer: Prof. Roland Hungerbühler
186
Der Forschungsroboter youBot der Fa. KUKA ist ein 5-Achs-Roboterarm mit
einer mobilen Plattform. Mit dem Roboter lassen sich grundlegende Operationen und das Befahren und Navigieren eines Raumes studieren. In dieser Arbeit sind die Grundoperationen im Rahmen eines Fahrauftrags realisiert worden, bei dem Objekte von einem Depot aufgehoben und bei einem
entfernt gelegenen Depot wieder abgelegt werden.
Timo Helfer
Ergebnisse
Mit dem Forschungsroboter können die Funktionen eines Industrieroboters selber implementiert werden.
Dadurch lässt sich zeigen, wie die Programmierung der
Grundoperationen erfolgt. Dies ermöglicht die Diskussion und Veranschaulichung der verschiedenen Problemstellungen der Robotik im Unterricht. Die Grundfunktionen des Roboters sind das Manövrieren der
Plattform, das Bewegen des Roboterarms und die Detektion von Objekten. Für den Fahrauftrag muss der
Roboter ein Depot aus der Ferne erkennen können, um
anschliessend dorthin zu navigieren. Ausserdem wird
eine Detektion des Objekts benötigt, um es lokalisieren und dann greifen zu können. Für diese Teilaufgaben sollen mehrere Varianten implementiert werden,
um verschiedene Lösungsansätze aufzeigen zu können.
Das Aufteilen des Fahrauftrags in die einzelnen
Problemstellungen ermöglicht eine modulare Programmierung, was durch das Robot Operating System und
dessen Nodes unterstützt wird. Die verwendete Programmiersprache ist Python. Eine Benutzerschnittstelle verwaltet alle Applikationen und erlaubt schliesslich einen autonomen Fahrbetrieb. Vor Beginn der Ausführung kann vorgegeben werden, welches von drei
verschiedenfarbigen Objekten deplatziert werden soll.
Lokalisieren und Greifen des Objekts mit dem Roboterarm
Lokalisierung der Zylinder mit dem Laserscanner
Der Roboter ist nun in der Lage die Depots mit einem
Laserscanner zu erkennen und regelt seine Poisition,
bis sich dieser vor dem Depot befindet. Die Objekterkennung erfolgt mit der SimpleCV-Bibliothek und einer Kamera, die sich auf dem Roboterarm befindet.
Dadurch lässt sich der Roboter sehr genau zum Objekt
positionieren, damit anschliessend das Objekt gegriffen werden kann. Die Bildverarbeitung und Auswertung des Laserscanner-Messwerte wurden auf ein
Notebook ausgelagert, da die Rechenleistung des internen Computers nicht ausreicht.
BI
BE
BU
VA
+41 79 325 25 12
Motivation
ti.bfh.ch/book2014
Automatische Einwegtintenversorgung
Fachgebiet: Drucktechnologie
Betreuer: Manfred Schär
Experte: Dr. Dietmar Kramer
Jedes Inkjet-Drucksystem ist auf eine zuverlässige Versorgung mit Tinte
angewiesen. Damit beim Druckprozess gute Ergebnisse erzielt werden können, muss die Tinte vor dem Drucken entgast, temperiert und mit Druck
beaufschlagt werden. Im Rahmen der Bachelor-Thesis wurde ein Tintenversorgungssystem entwickelt, welches sich speziell für den Einsatz im
Laborbereich eignet und in unterschiedliche Versuchsanlagen implementiert werden kann.
Problemstellung
Ziel
Am Institut für Drucktechnologie sind verschiedene
Versuchsanlagen zur Analyse von Inkjet-Druckköpfen
sowie der Ermittlung von Verfahrensparametern im
Einsatz. Die Versuchssysteme benötigen verschiedenste Mengen an unterschiedlichen, zum Teil äusserst
aggressiven Tinten. In manchen Anlagen sind zudem
schwankende Betriebsdrücke zu verzeichnen, was negative Auswirkungen auf die Messergebnisse hat. Zudem fallen nach der Durchführung einer Versuchsreihe
stets mehrstündige Reinigungsarbeiten an. Aus diesen
Gründen muss ein Tintenversorgungsystem entwickelt
werden, welches auf die Bedürfnisse des Institutes zugeschnitten ist und möglichst konstante Betriebsbedingungen bei minimalem Reinigungsaufwand bietet.
Nebst der Entwicklung der automatischen Einwegtintenversorgung soll ein Demonstrationsmodell realisiert
werden, an dem die wichtigsten Funktionen der Tintenversorgung überprüft werden können. Das Demonstrationsmodell muss in der Lage sein, die Tinte in die
Druckköpfe zuzuführen. Der Druck in den Druckköpfen
ist auf 10 mbar ±5 mbar zu regeln. Weiter muss die
Tinte auf die gewünschte Betriebstemperatur erwärmt
und die in der Tinte gelösten Gase entfernt werden.
Der Betrieb muss bis zu einer Temperatur von 80 °C
und einem Volumenstrom von bis zu 90 ml/min möglich sein. Weiter muss die automatische Tintenversorgungseinheit in der Lage sein, Druckköpfe mit der
Crossflow-Methode zu versorgen. Dabei wird der
Druckkopf stets mit Tinte durchströmt, was die Sedimentation von Pigmenten im Druckkopf verhindert.
187
Dominic Herrmann
+41 79 341 21 70
dominic.herrmann
@hotmail.com
Das in der Vorarbeit erstellte Konzept wurde anhand
von Berechnungen sowie Versuchen verfeinert und
weiter optimiert. Auf dieser Grundlage wurde ein
funktionstaugliches Demonstrationsmodell entwickelt. Bei der Gestaltung der Bauteile des Demonstrationsmodelles wurden sowohl konventionelle als auch
moderne 3D-Druckverfahren berücksichtigt. Im Anschluss wurde ein Demonstrationsmodell realisiert,
an dem die geforderten Funktionen überprüft und anhand von Messungen bestätigt werden können.
BU
BE
Das abgebildete Demonstrationsmodell wurde erfolgreich in Betrieb genommen. Es beinhaltet die Einheit
zur Druckregulierung und zur Erzeugung des Crossflows, sowie den entwickelten Durchlauferhitzer zum
Erwärmen des Mediums. Der Grossteil der Bauteile
mit Tintenkontakt sind Einwegkomponenten, was den
Reinigungsaufwand deutlich mindert. Zudem kann mit
dem neu entwickelten System eine herausragende
Druckstabilität erzielt werden.
BI
Abbildung 1: Demonstrationsmodell der automatisierten
Tintenversorgung
VA
Ergebnisse
Vorgehen
ti.bfh.ch/book2014
Schlammausbringung für Waterjet
Betreuer: Prof. Christian Koblet
Industriepartner: Bystronic Laser AG, Niederönz
188
Die Bystronic Laser AG entwickelt und stellt in Niederönz Laserschneidanlagen und Wasserstrahlanlagen für Gross- und Kleinserien her. Der
Schneidzusatz (meistens Abrasiv-Sand) wird durch den Wasserstrahlprozess ins Schneidbecken geführt. Das Entschlammungssystem sorgt dafür,
dass der Schneidzusatz wieder aus dem Becken entfernt wird. Im Rahmen
der Projektarbeit 2 und der Thesis soll ein alternatives System zum bestehenden entworfen werden.
Ausgangslage
Die Bystronic Laser AG entwickelt und stellt Wasserstrahlmaschinen in einem Arbeitsbereich von 3 Meter
bis 16 Meter her, welche eine Werkstückdicke bis zu
200 mm zulassen. Je nach Maschine können bis zu
vier Köpfe das Werkstück gleichzeitig bearbeiten. Hydraulische Druckübersetzer oder mechanische Hochdruckpumpen bringen das Wasser auf einen Druck von
bis zu 5300 bar. Dieser Wasserstrahl erzeugt die
Schneidwirkung. Bystronic bietet zwei Verfahren an:
Reinwasserschneiden und Schneiden mit Schneidzusatz. In den meisten Fällen ist der Schneidzusatz Abrasiv-Sand. Nach dem Schneiden des Werkstückes,
setzt sich der Schneidzusatz im Becken ab.
Ziel der Arbeit
Es soll ein alternatives Entschlammungssystem entwickelt werden, welches den Schneidzusatz wieder aus
dem Becken fördert. Dabei sollen, wenn möglich, Ressourcen reduziert oder gemeinsam genutzt werden.
Die beiden Konzepte, welche in der Projektarbeit 2 erarbeitet wurden, sollen während der Bachelor – Thesis
ausgelegt und verfeinert werden.
Daniel Hirschi
Ergebnisse
BI
BE
BU
VA
Das Konzept konnte soweit ausgearbeitet werden,
dass mit wenig Detailierungsaufwand ein Funktionsmuster hergestellt werden kann um das Konzept zu
testen. Ein weiteres Konzept konnte nicht realisiert
werden, da sich heraus stellte, dass es nicht funktioniert.
Schlamm in Wasserstrahlbecken
ti.bfh.ch/book2014
Wasserstrahlmaschine ByJet Smart
CFD-Berechnungen an porösen Strukturen
Betreuer: Lukas Moser
Die Strömungssimulationen spielen in der Verfahrenstechnik eine wesentliche Rolle. Mit den Simulationen können komplexe Strömungsberechnungen numerisch gelöst und visuell dargestellt werden. Wie z. B. die Durchströmung von Gas durch poröse Strukturen bei einem Adsorptionsvorgang.
Vorgehen
Für einen vorgegebenen Apparat, der Kohlendioxid
(CO2) aus Gas filtert, soll ein numerisches Berechnungsmodell erstellt und strömungstechnisch untersucht werden. Der Transport des Fluids erfolgt durch
einen Verdichter am Ende des Apparats, welcher das
Gas durch das gesamte Modell transportiert.
Um die Strömungen durch die porösen Strukturen im
CFD-Programm zu berechnen, wurden zuerst mit einer
Durchströmungsanalyse die Parameter festgelegt. Mit
Hilfe der Parameter wurde das Berechnungsmodell
erstellt, mit dem das Strömungsverhalten und Druckverluste bestimmt wurden. Danach konnten verschiedene Optimierungsmöglichkeiten definiert und diese
in weiteren Modellen simuliert werden.
Ziel
Resultat
Simon Hunziker
Durch die Charakterisierung der porösen Strukturen
konnte ein numerisches Berechnungsmodell erstellt
werden, bei dem die simulierten Druckverluste mit
den Druckverlusten aus der Durchströmungsanalyse
mit einer Genauigkeit von besser als 10% übereinstimmten. Es zeigte sich, dass durch die vorgegebenen
Randbedingungen nur wenig Optimierungsspielraum
bestand. Die Verbesserungen im angrenzenden Strömungsraum wurden anhand von Varianten strömungstechnisch realisiert. Daraus erfolgte eine Verbesserung der Verdichterleistung bis zu 8%.
+41 79 781 80 22
simon.hunziker@bluemail.ch
BI
BE
BU
VA
Die porösen Strukturen müssen für die CFD-Simulation (Computational Fluid Dynamics) charakterisiert
werden. Diese bilden anschliessend die Grundlage,
um das numerische Berechnungsmodell zu erstellen.
Die Druckverluste, welche durch die porösen Strukturen und den angrenzenden Strömungsraum erzeugt
werden, gilt es im Rahmen der vordefinierten Randbedingungen zu optimieren, um die Verdichterleistung
zu vermindern.
Ausgangslage
189
Berechnete Teilchenbahnen im angrenzenden Strömungsraum
ti.bfh.ch/book2014
Rundlauf-Prüfstand für Frässpindeln
Fachgebiet: Pruduktentwicklung
Betreuer: Prof. Giuliano Soldati
Industriepartner: Fischer AG Präzisionsspindeln, Herzogenbuchsee
190
Durch die stetig steigenden Anforderungen an Welle und Lagerung einer
Spindel im HSC-Bereich, führte die Firma Fischer vor einiger Zeit das Messen der geometrischen Genauigkeit einer Rotationsachse nach ISO 230-7,
bei den Spindeln für den Formen- und Werkzeugbau ein. Dieses Messverfahren soll Aufschluss über die vorhandene Laufruhe und Dynamik einer
Frässpindel geben.
Ausgangslage
Ergebnisse
Der von der Fischer AG zur Zeit eingesetzte Prüfstand,
weist noch Messungenauigkeiten durch äussere Einflüsse auf, so dass eine Reproduzierbarkeit der Messresultate nicht gegeben ist. Während der vorher erarbeiteten Projektarbeit 2 wurde dieser Prüfstand auf
seine Einflussfaktoren untersucht.
Gegenüber dem bestehenden Prüfstand besitzt der
neu entwickelte Prüfstand zwei Messbereiche. Im ersten Messbereich wird die Spindel in einer horizontalen Einbaulage gemessen, im zweiten in einer vertikalen Lage. Dies ermöglicht eine bessere Analyse der
Wellenbewegungen beim Messen der Spindeln durch
vergleichen der Messwerte. Durch eine FEM-Analyse
wurde der Prüfstand auf die übertragenen Schwingungen durch die Spindelvibrationen untersucht. Dadurch
konnte die Dämpfung des Prüfstandes definiert und
nachgeprüft werden. Die Schwingungsanalyse ergab,
dass beim gewählten Dämpfer eine Reduktion der
übertragenen Vibrationen von rund 80 bis 90% möglich ist. Die Messungenauigkeiten konnte durch die
neue Formgebung des Werkzeuges und der Optimierung dessen Form- und Lagetoleranzen verbessert
werden. Es wird angenommen, dass der vorhandene
Messfehler durch diese Optimierung um mind. 50%
reduziert wurde.
Ziel der Arbeit
Simon Iseli
Ziel dieser Thesis war es, die bekannten Einflussfaktoren wie übertragene Spindelvibrationen und Messungenauigkeiten durch das Werkzeug für einen neuen
Prüfstand zu minimieren und zusätzlich für die Fischer
AG einen Mehrwert der Messung zu erreichen.
Durch das Erarbeiten mehrerer Lösungsvarianten
und deren Beurteilung und Bewertung,soll ein neuer
Prüfstand für das Messen des dynamischen Rundlaufs
entwickelt werden. Während der Auslegung des Prüfstandes müssen die bekannten Einflussfaktoren berücksichtigt und minimiert werden.
BI
BE
BU
VA
Vorgehen
Rundlauf-Prüfstand
ti.bfh.ch/book2014
Messwerkzeug HSK-A40
Hydrofoilbike
Fachgebiet: Strömungslehre
Der Kindheitstraum vom Fliegen kann Realität werden. Angetrieben allein
durch Muskelkraft, mit einem Fahrrad übers Wasser fliegen. Ein Hydrofoil
macht dies möglich. Bei genügender Geschwindigkeit kann ein Unterwasserflügel einen Schiffskörper aus dem Wasser heben. Dadurch wird der
Widerstand im Wasser deutlich reduziert und mit einer geringen Tretleistung kann auf einem Fahrrad eine beachtliche Reisegeschwindigkeit erreicht werden.
Die Konstruktion aus der Projektarbeit 2 ist ähnlich
wie diejenige eines Canardflugzeuges mit dem Unterschied, dass die Flügel nicht in der Luft fliegen sondern im ca. 1000-mal dichteren Wasser. Daher können
schon kleine Tragflächen einen beachtlichen Auftrieb
erzeugen. Der Hauptflügel des Hydrofoilbikes wird so
entworfen, dass mit zunehmender Anströmgeschwindigkeit ein immer grösserer Teil der Tragfläche aus
dem Wasser ragt. Dadurch muss der Anstellwinkel
nicht geändert werden und der Hauptflügel kann an
seinem optimalen Anstellwinkel betrieben werden.
Die nicht benötigte Flügelfläche ragt bei erhöhter Geschwindigkeit aus dem Wasser und erzeugt keinen zusätzlichen Widerstand. Die Form des Hauptflügels besteht aus einem waagrechten und zwei angewinkelten
Tragflächen. Da der Schwerpunkt des Hydrofoilbikes
mit Fahrer etwa auf der Sattelhöhe liegt, entsteht im
teileingetauchten Betrieb eine instabile Fahrtlage.
Durchführung
siert und mit den auf die Tragfläche wirkenden
Kräften eine Festigkeitsbetrachtung im FEM gemacht.
Um die zum Start benötigte Antriebsleistung zu verkleinern wird der Hauptflügel näher an den Schwerpunkt gelegt und der Canardflügel deutlich verkleinert. Der Canardflügel kann beim Start nicht an
seinem optimalen Anstellwinkel betrieben werden und
verursacht dadurch einen grossen Anteil des Gesamtwiderstandes. Weiter wird ein Getriebe entwickelt,
welches das Tretdrehmoment von den Pedalen auf die
Schiffschraube mittels einer biegsamen Welle überträgt.
Andreas Kast
+41 78 793 15 81
reskast@gmx.ch
Ergebnisse
Durch konstruktive Änderungen konnte der durch den
Haupt- und Canardflügel erzeugte Widerstand im Wasser um ⅓ reduziert werden. So sollte es möglich sein,
dass nicht nur ein Spitzensportler die nötige Tretleistung aufbringen kann um das Hydrofoilbike aus dem
Wasser zu heben. Eine Reisegeschwindigkeit von
20 km/h kann nun über längere Zeit gehalten werden.
Hydrofoilbike Projektarbeit 2
BI
BE
BU
VA
Um die Stabilität des Hydrofoilbikes um die Längsachse zu verbessern wird ein neuer Hauptflügel konstruiert. Dieser besteht aus 7 Teilsegmenten, welche einen
Teilkreis nachbilden. Der Kreismittelpunkt und damit
der Kraftangriffspunkt der Auftriebskräfte liegen über
dem Schwerpunkt. Daraus entsteht ein stabileres Verhalten um die Längsachse. Dieser Hauptflügel wird zuerst mit CFD Simulationen strömungstechnisch analy-
Ausgangslage
191
Hydrofoilbike Thesis
ti.bfh.ch/book2014
ToneFit: Leistungs-App für einen Trainingsgurt
Betreuer: Prof. Dr. Kenneth James Hunt
Experte: Andreas Thüler
Industriepartner: Bexplora, Bottighofen
192
Der Name «ToneFit» steht für einen neuartigen Trainingsgurt der Firma
Bexplora. Er wird um die Hüfte getragen und trainiert den Rumpf und die
Arme während dem Gehen oder Joggen. Die Leistungsüberwachung des
eigenen Körpers ist ein stetig wachsendes Bedürfnis im heutigen Hobbysport. Dies zu ermöglichen ist Inhalt dieser Bachelor-Thesis.
Ausgangslage
Der Trainingsgurt wurde während der Projektarbeit 2
bereits in einem Pilotversuch auf dem Laufband getestet. Ausserdem wurde ein Zug-Druck-Kraftsensor
am Griff des Gürtels eingebaut. Dieser dient für erste
Kraftmessungen und als Messreferenz für preislich attraktive Sensoren für die Leistungsbestimmung. Im
Gürtel sind zwei Wirbelstrombremsen für die Belastung in der Vor-und Rückwärtsbewegung der Arme
verantwortlich.
Jonas Keller
Kernpunkte dieser Arbeit sind das Untersuchen der
physiologischen Auswirkung des Gürtels, der Einbau
eines Sensors für die Leistungsmessung und das Entwickeln einer Applikation für die Datenanzeige. Die
Arbeit wird durch das Institut für Rehabilitation und
Leistungstechnologie (IRPT) betreut.
Am Gürtel wurden 2 Reedschalter angebracht, welche
auf Magnetfelder reagieren. Aus den Schaltersignalen
lassen sich die Frequenz und der Weg der Armbewegung ermitteln. Mit diesen 2 Parametern wird nun die
erbrachte Leistung erfasst. Dazu wurden vorgängig
Messungen mit einem Zug-Druck-Kraftsensor durchgeführt. Mithilfe dieser Messdaten wurde ein Modell für
die Leistungsberechnung erstellt.
Die drahtlose Datenübertragung der Sensorsignale
wurde mit ANT realisiert. Eine Applikation berechnet
aus den Werten die aktuellen Leistungsdaten und
zeigt diese dem Benutzer an.
Anhand der physiologischen Messungen auf dem Laufband konnte aufgezeigt werden, dass das Training bei
gleichem Lauftempo mit dem Sportgürtel deutlich
leistungsintensiver ist, als das Training mit Stöcken.
Beim Nordic Walking zeigte die Messauswertung eine
durchschnittliche Zunahme von 7% der Herzfrequenz
gegenüber dem konventionellen Walking. Beim Walking mit dem ToneFit-Gürtel sind es 20%.
BE
BU
VA
Resultate
BI
ToneFit Trainingsgurt
ti.bfh.ch/book2014
Benutzeroberfläche ToneFit-App
Versuchsstand für Desorberstrukturen
Fachgebiet: Verfahrenstechnik
Betreuer: Prof. Dr. Kurt M. Graf
Hochwasser, Dürren und andere Naturkatastrophen sind die Folgen der
globalen Erderwärmung. Verantwortlich dafür ist, der von Menschen verursachte Treibhauseffekt. Ein Ansatz zur Reduktion der CO2-Emissionen ist
das Verfahren der Adsorption. Das Verfahren ermöglicht das Filtern von
Kohlendioxid (CO2) aus der Umgebungsluft. Der Gegenvorgang, welcher
das gefilterte CO2 lösen kann, wird Desorption genannt. Ziel der Thesis ist
es den Erwärmungsprozess der Desorption zu optimieren.
Ausgangslage
Umsetzung
In einer Adsorptionsanlage wird Frischluft durch eine
Filterschicht geströmt, diese ist mit dem Adsorptionsmittel gefüllt. Dabei bindet sich das Kohlendioxid an
der Oberfläche des Adsorptionsmittels. Das CO2 wird
bei erhöhter Temperatur und tiefem Druck ausgetrieben. Dabei spielt der Energieverbrauch eine grosse
Rolle. Eine Anlage sollte in ihrem Betrieb nicht mehr
CO2 ausstossen als sie in der Lage ist zu Adsorbieren.
Daher ist es entscheidend, dass die benötigten Komponenten wie der Ventilator, die Vakuumpumpe sowie
die Heizeinrichtung möglichst effizient arbeiten. Die
zur Desorption benötigte Wärme wurde bisher mit
Heisswasser zugeführt Die Zuleitung erfolgte mit einem Kunststoffschlauch. Das Problem bei dieser Lösung war, dass die Schüttung nicht gleichmässig erwärmt werden konnte. Dies hatte schlussendlich eine
geringere CO2-Ausbeute zur Folge.
In der Konzeptphase wurden verschiedene Lösungen
für eine optimierte Beheizungseinrichtung diskutiert.
Das Hauptaugenmerk wurde darauf gelegt eine möglichst einfach herstellbare Lösung zu finden. Anhand
dieses Kriteriums konnte eine Vorauswahl getroffen
werden. Zu diesen Konzepten wurden Vorberechnungen durchgeführt, welche die Wärmeleitung in die
Schüttung betrachteten. Mithilfe der Berechnungen
konnte ein geeignetes Konzept gewählt werden, welches in einem Entwurf ausgearbeitet wurde. Im CADModelierungsprogramm wurde ein Model des Desorptionsmoduls konstruiert und vordimensioniert. Die
einzelnen Bauteile des Desorptionsmoduls wurden mit
relevanten Berechnungen ergänzt. Um die Wärmeleitfähigkeit des Adsorptionsmittels zu ermitteln, wurden
Messungen mit einem geeigneten Messgerät durchgeführt. Um den Einfluss des Unterdruckes aufzuzeigen,
wurden die Messungen im Vakuum wiederholt.
193
Samuel Kocher
BE
BU
Als Ergebnis kann ein Entwurf vorgewiesen werden,
welcher über ein optimiertes Heizelement mit vergrösserter Oberfläche verfügt. Die einzelnen Komponenten und Bauteile konnten ausgelegt und deren Fertigung spezifiziert werden. In einem nächsten Schritt
soll ein Funktionsmuster aufgebaut werden. Anschliessend müssen Versuche durchgeführt werden,
um die berechnete Wärmeverteilung zu überprüfen.
Die durchgeführten Messungen der Wärmeleitfähigkeit haben gezeigt, dass der Unterdruck die Wärmeleitfähigkeit deutlich verschlechtert. Auch liegt der
Wert der Wärmeleitfähigkeit tiefer als angenommen.
VA
Ergebnisse
BI
Im Rahmen der Bachelor-Thesis soll eine optimierte
Beheizungseinrichtung für ein Desorptionsmodul entwickelt werden. Ziel ist es eine möglichst optimale
Wärmeverteilung in der Schüttung zu erreichen. Das
Adsorptionsmittel soll im gesamten Schüttungsvolumen eine homogene Temperaturverteilung von 90 °C
erreichen. Dadurch erhöht sich die CO2-Ausbeute und
somit der Wirkungsgrad der Anlage. Die Schwierigkeit
dabei ist, dass sich die Schüttung zum Zeitpunkt der
Erwärmung bereits im Vakuum befindet. Dadurch wird
die Wärmeleitfähigkeit des Adsorptionsmittels verschlechtert. Wird die Schüttung zuerst erhitzt und anschliessend das Vakuum aufgebaut, wäre die Wärmeverteilung besser. Dadurch würde jedoch das
Adsorptionsmittel geschädigt und würde somit unbrauchbar. Um den Einfluss des Vakuums aufzeigen zu
können, sollen auch die Wärmeleitfähigkeitseigenschaften in einem speziellen Versuch ermittelt werden.
Ziel der Arbeit
ti.bfh.ch/book2014
Phasenumwandlung in Keramiken mit ns-Laser
Betreuer: Prof. Dr. Patrick Schwaller, Peter Cam
Experte: Dr. Peter Paul Knobel
194
Zahnersatz aus neuartiger Glaskeramik ist heute von grossem Interesse,
da dieser dem menschlichen Zahn in Bezug auf Ästhetik und Materialeigenschaften sehr nahe kommt. Um diese Eigenschaften zu erreichen,
muss das amorphe Ausgangsglas kristallisiert werden. Diese Kristallisation kann heute im Ofen bei Temperaturen um 800 °C erreicht werden.
Dabei erfolgt die Formgebung vor und die Farbtönung während der Wärmebehandlung.
Benjamin Köhli
Ausgangslage
Vorgehen
Ein neuer Ansatz ist, die Kristallisation in dem Ausgangsglas mithilfe eines Lasers zu erwirken. Dabei
wird durch Laserpulse die Energie direkt im Ausgangsglas induziert, womit die Kristallisation lokal erfolgt. Dadurch ist es möglich, im selben Zahnersatz
verschiedene Kristallisationsgrade und dementsprechend verschiedene Farbtönungen und Festigkeitseigenschaften zu erreichen. Bislang ist jedoch nicht
bekannt ob und inwiefern die Variation der verschiedenen Laserparameter den Prozess beeinflusst.
Das Institut ALPS (Applied Laser, Photonics and Surface Technologies) der BFH hat Ende 2013 ein neues
Lasersystem angeschafft, mit welchem Laserpulse mit
Pulsdauer von 1 ns bis 600 ns und beliebiger Pulsform generiert werden können. Zu Beginn der Bachelorthesis wurde eine Steuerungssoftware für diesen
Laser programmiert und anschliessend getestet.
Der Einfluss der verschiedenen Laserparameter auf
die Phasenumwandlung wurde in unterschiedlichen
Experimenten untersucht. Um diesen Einfluss zu
bestimmen, wurden verschiedene Analysemethoden
evaluiert.
+41 79 726 99 87
Das Ziel dieser Bachelorthesis ist, zu untersuchen wie
die Variation der Laserparameter die Phasenumwandlung beeinflusst. Dazu sollen verschiedene Analysemethoden evaluiert werden, mit denen es möglich
ist, die Phasenumwandlung in der Glaskeramik zu
charakterisieren. Weiter ist für ein neues Lasersystem
eine benutzerfreundliche Steuerungssoftware zu
entwickeln.
BU
VA
Ziel
BI
BE
Kristallisierte Flächen im Ausgangsglas
ti.bfh.ch/book2014
Resultat
Es wurde festgestellt, dass mit dem vorhandenen Lasersystem eine wärmeinduzierte Phasenumwandlung
in der Glaskeramik erreicht wird. Die Phasenumwandlung wurde charakterisiert, indem vertikale Flächen
im Glaskörper kristallisiert wurden, um anschliessend
deren Breite mithilfe eines optischen Mikroskops zu
messen. Dabei wurde erkannt, dass durch die Variation der Pulsenergie die Breite dieser Flächen verändert werden kann. Weiter wurde ersichtlich, dass eine
Pulsdauer von mindestens 80 ns gegeben sein muss,
damit die Wärme im Material akkumuliert werden
kann.
Verteilergetriebe für Versuchsstand Vario-Getriebe
Experte: Chritoph Heiniger
Der Stand der Technik der leistungsverzweigten Getriebe in Nutzfahrzeugen und mobilen Arbeitsmaschinen bzw. leistungsverzweigten Hybriden
im Fahrzeugbau soll aufgezeigt werden. Der dafür vorgesehene Versuchsstand wird für die Ausbildung der Studenten verwendet. Das leistungsverzweigte Getriebe wird in aufgelöster Bauweise aufgebaut und mit Messstellen versehen, um den Studenten den Aufbau des Getriebes und die
verschiedenen Einflüsse auf den Wirkungsgrad näher zu bringen.
Das leistungsverzweigte Getriebe wurde für die Entwicklung in seine drei Hauptkomponenten Verteielrgetriebe, Hydraulik und Summierungsgetriebe aufgeteilt
und bearbeitet.
Ergebnis
Es wurde für das gesamte Verteilergetriebe ein 3D
CAD Modell mitsamt der Detailzeichnungen für die zu
fertigenden Bauteile erstellt.
+41 79 429 48 86
patrickkueng@hotmail.com
Durchführung
Patrick Küng
VA
Während der Bachelorarbeit sollte ein Versuchsstand
für ein leistungsverzweigtes Getriebe entwickelt werden. Das dafür benötigte Verteilergetriebe war zu entwickeln. Der Versuchsstand wird im Maschinenlabor
der Berner Fachhochschuke Burgdorf zu Ausbildungszwecken verwendet werden.
BU
Ziel
Die Auslegung und Konstruktion des Vereteilergetriebes erfolgte «von innen nach aussen», was beudeutet,
dass mit dem Herzstück – dem schrägverzahnten
Zahnradpaar – begonnen wurde. Nach der konstruktiven Festlegung der Zahnräder, welche über DIN 5480
Verzahnungen mit den Wellen verbunden sind, konnten alle angrenzenden Bauteile wie Wellen, Wälzlager,
Lagerplatten, Distanzhülsen und schlussendlich das
Getriebegehäuse gestaltet und wenn nötig auf ihre
Festigkeit nachgeprüft werden. Auch bei sorgfältigster
Vorgehensweise werden kleinere Fehler in der Konstruktion erst zu einem späteren Zeitpunkt der Entwicklungsphase ersichtlich. Deshalb wurde ständig eine
Schlaufe der Kontrolle und Nachbesserung durchlaufen, um Fehler möglichst früh zu erkennen und zu beseitigen. Die vom Projektbetreuer organisierte Sitzung
mit dem Verantwortlichen der Verzahnerei bei der Firma RCM Estech zur Besprechung der Entwürfe sollte
diese Vorgehensweise zusätzlich unterstützen.
BE
Während vorangegangenen Projektarbeit 2 wurde das
Konzept für das Verteilergetriebe erarbeitet. Hierzu
wurde der Aufbau von bestehenden einstufigen Getrieben analysiert. Im Konzept wurden die verschiednen Teilfunktionsträger auf die Anforderungen des
Verteilergetriebes angepasst bzw. gestaltet.
BI
Ausgangslage
195
ti.bfh.ch/book2014
Prüfstand für Handstück Femto LDV
Betreuer: Roland Hungerbühler
Industriepartner: Ziemer Opthalmic Systems AG, Port
196
Das Lasersystem Femto LDV wird für chirurgische Eingriffe am Auge eingesetzt. Das für die Applikation am Patienten notwendige Handstück ist
im alltäglichen Gebrauch mechanischen Belastungen ausgesetzt, welche
auf einem bestehenden Prüfstand nicht simuliert werden können. Aus
diesem Grund wurde in dieser Arbeit eine zusätzliche Testeinrichtung entwickelt, um die relevanten Belastungsfälle abbilden zu können.
Michael Leumann
Ausganglage
Umsetzung
Die Firma Ziemer Ophthalmic Systems AG entwickelt
und vertreibt Lasersysteme für chirurgische Eingriffe
am Auge. Ein Produkt ist der auf Femto- Laser basierte
Femto LDV. Ein wichtiger Bestandteil ist das Handstück, welches mit einem Spiegelgelenkarm am Laser
angekoppelt ist und für die Operation auf dem Auge
positioniert wird. Die Handstücke des Femto LDV werden in der Produktion vor der Auslieferung auf einem
Handstückprüfstand eingefahren und getestet. Dabei
werden die Antriebe der Optik bez. ihrer Positionsgenauigkeit übergeprüft. Während des Gebrauchs des
Handstücks können mechanische Belastungen auf diese Antriebe wirken und dessen Funktionalität beeinträchtigen. Mit dem aktuellen Prüfstand liegt das
Handstück während dem Verfahren der Achsen jeweils
in waagrechter Position und entsprechende Einflüsse
auf dessen Antriebe können nicht simuliert werden.
Da die möglichen Belastungen auf das Handstück
nicht spezifiziert sind, wurden in der vorangegangenen Projektarbeit Belastungsfälle definiert und Messungen mittels eines Beschleunigungssensors durchgeführt. Mit dem erarbeiteten Gesamtkonzept können
mit drei Achsen jegliche relevanten Belastungen simuliert werden. Anhand der im CAD generierten Spezifikationen wurde der mechanische Aufbau offeriert und
bestellt. Die benötigten Antriebe werden mit bestehender Hardware an den vorhandenen Prüfstand angeschlossen. Die Ansteuerung der Testeinrichtung
erfolgt über die Prüfstandsoftware, in welcher die
Achsen manuell oder mit einem definierten Ablauf
verfahren werden können.
In dieser Thesis Arbeit ist eine zusätzliche Testeinrichtung zu erarbeiten, die es ermöglicht, das Handstück des Femto LDV auf entsprechende Belastungen
zu testen. Am Schluss der Arbeit besteht ein Prototypenaufbau, auf dem erste Tests durchgeführt werden
können.
Mit der zusätzlich entwickelten Testeinrichtung können die relevanten Bewegungen und Belastungen,
welche im Operationssaal auftreten können, simuliert
werden. Der Aufbau kann «Plug & Play» an den bestehenden Prüfstand angeschlossen und über die
bestehende Software angesteuert werden.
BI
BE
BU
VA
Ziel der Arbeit
Ergebnisse
Mechanischer Aufbau
ti.bfh.ch/book2014
Hardwaretechnische Intergration
Korrosionsverhalten von Eisengusswerkstoffen
Strassenabdeckungen, Schachtdeckel und viele weitere Produkte, welche
täglich den verschiedensten Umwelteinflüsse ausgesetzt sind, werden zu
einem grossen Teil aus Grauguss oder Sphäroguss hergestellt. Die Firma
Nottaris AG in Oberburg ist einer der Hersteller solcher Gussteile. Um in
Zukunft auch den Einfluss von Korrosion in die Entwicklung neuer Produkte einfliessen zu lassen, soll diese Thesis Aufschluss über das Korrosionsverhalten Grauguss und Sphäroguss bringen.
Ausgangslage
Während ihres Einsatzes sind Strassenroste korrosiven Bedingungen ausgesetzt, wie z. B. salzhaltigem
Schmelzwasser. Bisher liegen keine gesicherten Erkenntnisse über das Korrosionsverhalten von Strassenabdeckungen aus Grauguss (Gusseisen mit Lamellengraphit; EN-GJL) oder Sphäroguss (Gusseisen mit
Kugelgraphit; EN-GJS) vor; standardisierte Korrosionstests existieren nicht. In der Literatur wird Grauguss
als weniger korrosionsbeständig als Sphäroguss bezeichnet. Quantitative Angaben zur Korrosionsbeständigkeit finden sich jedoch kaum.
ben gleicher Geometrie und Oberflächenbeschaffenheit eingesetzt. Als Prüflösung wurde eine Salzlösung
verwendet, deren pH-Wert mittels Essigsäure auf einen Wert von 3.2 eingestellt wurde. Dadurch kann die
Korrosion beschleunigt werden. Die Proben wurden
für 72 Stunden dem Salzsprühnebel bei einer Temperatur von 35 °C ausgesetzt. Nach dem Test wurden die
Proben einer optischen Beurteilung unterzogen. Ausserdem wurde von allen Proben der Masseverlust als
wichtiger Indikator für die Intensität der Korrosion
bestimmt. Da die Vermutung bestand, dass bei einigen
Proben Spongiose aufgetreten ist, wurden die Proben
nach dem Test noch metallographisch untersucht.
197
Roland Michel
Ziel der Arbeit
Umsetzung
Mit den Ergebnissen des Korrosionstests konnte bestätigt werden, dass Grauguss weniger korrosionsbeständig ist als Sphäroguss. Die Korrosionsschichten der
Graugussproben zeigten im Gegensatz zu den Sphärogussproben ausgeprägte Blasenbildung. Der nach den
Versuchen ermittelte Masseverlust der Graugussproben war grösser als derjenige der Sphärogussproben
und betrug bei dem Werkstoff EN-GJL-200 etwa das
Doppelte des Massenverlustes der Sphärogussproben.
Die metallographische Untersuchung des Graugusses
EN-GJL-200 ergab ausserdem Hinweise auf Spongiose.
Werkstoffproben nach dem Korrosionstest
Anzeichen von Spongiose bei Werkstoffprobe EN-GJL-200
ti.bfh.ch/book2014
BI
BE
BU
VA
Für die Durchführung der Tests wurde eine Prüfanlage
auf Grundlage der Salzsprühnebelprüfung nach DIN
EN ISO 9227 geplant und gebaut. Untersucht wurden
zwei GJL-Typen und vier GJS-Typen. Dabei wurden Pro-
Ergebnisse
Das Korrosionsverhaltens von GJS im Vergleich zu GJL
unter Berücksichtigung der speziellen Einsatzbedingungen von Strassenrosten aus diesen Werkstoffen soll untersucht werden. Die Ergebnisse dieser Thesis sollen
ein weiteres Kriterium für die Auswahl eines geeigneten
Werkstoffs liefern, welches die Firma Nottaris AG in
ihre Entwicklung einfliessen lassen kann.
CNC-Steuerung für dynamische Parallelkinematik
Betreuer: Prof. Roland Hungerbühler, Prof. Ulrich Rettenmund
Experten: Dr. Dietmar Kramer, Dr. Peter Paul Knobel
198
Die Abteilung Maschinentechnik entwickelt einen CNC-Maschinentisch,
basierend auf einem Patent der Firma Liechti Engineering. Entscheidend
für die geforderte hohe Positioniergenauigkeit sind das Messsystem, der
Kalibrieralgorithmus sowie eine schnelle und exakte Transformationsvorschrift. Diese Themen wurden zusammen mit der notwendigen Maschinensicherheit im Rahmen dieser Thesis umgesetzt. Zur einfacheren Bedienung wurde zudem ein Handbediengerät in die Steuerung integriert.
Funktionsprinzip
Die drei Führungswagen werden auf ihrer Kreisbahn
durch die Antriebe bewegt. Mittels der am Maschinentisch Y-förmig angeordneten Linearführungen wird
dieser zwangspositioniert. Diese mechanische Struktur lässt hochdynamische Positionierungen, aufgrund
der minimal bewegten Masse, zu.
Ausgangslage
Yannik Müller
Zudem hat die Maschine den Maschinensicherheitsrichtlinien zu entsprechen. Durch die Integration
eines Handbediengerätes soll die Bedienbarkeit der
Maschine erweitert werden.
Ergebnisse
Stefan Von Burg
stefan.vonburg@bluewin.ch
Für die Koordinatentransformation sind insgesamt sieben Geometrieparameter relevant, welche durch eine
Kalibrierung zu bestimmen sind. Zur Kalibrierung werden diese Parameter korrigiert, bis mit der theoreti-
Mit dem neuen Handbediengerät können sämtliche
Achsen im Achs- und Maschinenkoordinatensystem
einzeln bedient werden.
Anhand der Risikoanalyse wurde ein Sicherheitskonzept ausgearbeitet. Der Zugang zu gefährlichen Zonen
verhindern mechanische Absperrungen und ein Laserscanner, welcher den offenen Bereich vor dem Maschinentisch überwacht. Erkennt dieser ein Objekt im
konfigurierbaren Schutzfeld, wird die Maschine in den
sicheren Zustand gesetzt. Mit den getroffenen Massnahmen ist ein sicherer Betrieb der Maschine gewährleistet.
BI
BE
BU
VA
yamu6@gmx.ch
Um mit den Achsen des Maschinentisches gezielt zu
verfahren, sind Koordinatentransformationen notwendig. Diese geometrieabhängigen Gleichungen berechnen aus den Antriebspositionen die Maschinentischposition und umgekehrt. Bis anhin wurde die reale
Geometrie vernachlässigt und mit der idealen Geometrie gerechnet, wodurch unzulässige Positionierungsfehler entstehen. Diese sind mit einer Kalibrierung zu
minimieren.
schen Transformation und den Messwerten die Kalibrieplatte exakt nachgebildet werden kann. Die
Berücksichtigung aller Geometrieparameter führt zu
einer analytisch nicht lösbaren Gleichung. Deshalb
wurde ein numerischer Algorithmus entwickelt und in
der Steuerung implementiert, welcher die Koordinatenumrechnung unter den hohen Echtzeit- und Genauigkeitsanforderungen übernimmt. Die Transformation
muss mit einer minimalen Rechengenauigkeit von
0.1 μm in 10% der Taktzykluszeit von 1 ms die Koordinaten umrechnen. Laufzeittests vom entwickelten Algorithmus ergaben Umrechnungszeiten von maximal
3 μs bei einer Genauigkeit von unter 0.05 μm, womit
die Anforderungen weit übertroffen sind.
mechanischer Aufbau der Parallelkinematik
ti.bfh.ch/book2014
schematische Darstellung der Kinematik
Automatisierte Inspektion von Solarzellen
Betreuer: Prof. Dr. Valerio Romano, Dr. Andreas Burn
Dünnfilm-Solarzellen werden zur Umwandlung von Sonnenlicht in Elektrizität verwendet. Sie werden durch Laserstrukturierung, dem so genannten
Scribing (Ritzen) miteinander verschaltet. Zur Überprüfung müssen die
Scribes aus der Laserscribemaschine ausgespannt werden. Mit einer optischen Inspektion auf der Maschine, können die Fehler direkt erkannt und
korrigiert werden. Die Inspektionssoftware soll innerhalb kürzester Zeit
die von der Kamera aufgenommenen Bilder auswerten.
Ergebnis
Aufgabe dieser Bachelor-Thesis ist die Entwicklung eines automatisierten Inspektionsalgorithmus zur Früherkennung von Fehlern gleich nach der Laserstrukturierung. Die Inspektionsroutine soll mittels einer fest
installierten Kamera direkt auf der Laserschriebmaschine durchgeführt werden. Das Zusammenspiel des
Bilderfassungssystems mit dem Motion Controller ermöglicht die exakte Lokalisierung der Fehler.
Als Resultat der Arbeit ist ein mit LabView entwickelter Inspektionsalgorithmus entstanden, zur Erkennung
von Fehlern in Scribes direkt auf der Maschine. Ausserdem lässt sich festhalten, dass der Inspektionsalgorithmus aussagekräftige Werte liefert. Allfällige
Fehler der Scribes können damit effizient detektiert
und korrigiert werden. Somit können Materialverschleiss und Zeitaufwand reduziert werden. Die Inspektion von Modulen der Prozesse P1 und P2 wurden
experimentell auf ihre Funktionalität geprüft. Die Inspektion des P1-Prozesses gestaltete sich auf Grund
des geringen Kontrastes zwischen Scribe und unbearbeitetem Material als schwierig. Eine Hintergrundbeleuchtung des Substrates mittels einer LED-Matrix
behebt dieses Problem effizient, was zu aussagekräftigen Resultaten führt. Der hohe Kontrast zwischen Linie und unbearbeitetem Material liefert bei der Überprüfung des P2-Prozesses verlässliche Resultate. Die
Rechenzeit für einen Durchlauf mit 10 Linien à 11 Bildern, beträgt ~~310 Sekunden. Pro Bild ergibt das eine
Rechenzeit von circa 3 Sekunden, wobei der grösste
Zeitaufwand für das Laden des Bildes entsteht.
Vorgehen
Mirco Nyffenegger
BE
Aufbau einer CIGS-Solarzelle. Bildquelle:Photonics West
2014, Paper 8967-43
BI
Inspektion eines P1-scribe mit der detektierten Kanten. Aufnahme mit integrierten Kamera.
BU
VA
Für die Lokalisierung von Fehlern, wurden als erstes
Qualitätsmerkmale der Scribes bestimmt. Aus diesen
Qualitätsmerkmalen und den Erkenntnissen aus der
Projektarbeit 2 sind Ablaufdiagramme zum Inspektionsprozess des Programms erstellt worden. Die Inspektion konnte somit anhand dieser Ablaufdiagramme
in Teilaufgaben unterteilt werden, welche als einzelne
Bausteine im Hauptprogramm abgearbeitet wurden.
Das fertiggestellte Programm wurde experimentell
überprüft.
Problemstellung
199
ti.bfh.ch/book2014
Materialbeanspruchung an schweren Baumaschinen
Betreuer: Prof. Ulrich Rettenmund, Prof. Beat Schmied
Industriepartner: Oscar Meier AG/SA, Meinisberg
200
Welche Beanspruchung erlebt der Löffel eines Baggers? Als Hersteller von
Bagger-Zubehör interessiert diese Frage die Firma Oscar Meier AG. Um die
Grundlage für Optimierungen von Bauteilen zu schaffen, war dazu eine
Messeinrichtung zu entwickeln, die beim Baggern im Gelände den Schlägen, Stössen und Vibrationen standhält. Und die nach mehreren Stunden
im autonomen Betrieb die Antwort auf die gestellte Frage liefert.
Im Betrieb sind Bauteile von schweren Baumaschinen
unbekannten Beanspruchungen und harten Umweltbedingungen ausgesetzt. Um Bauteile gezielt zu optimieren, ist für Messungen deshalb eine Einrichtung erforderlich, die den Schlägen, Stössen und Vibrationen
standhält und die auftretenden Beschleunigungen und
Dehnungen an den Bauteilen aufzeichnet.
Roger Ogg
Die entwickelte Messeinrichtung besteht aus mehreren Messverstärkern, einem Datenlogger mit integrierten Beschleunigungssensoren und einem Gehäuse zur
Aufnahme der Batterie. Die Batterie ermöglicht einen
autonomen Betrieb über mehrere Stunden, währenddessen der Datenlogger die Signale der Beschleunigungssensoren und der Messverstärker aufzeichnet.
An den Messverstärkern sind Dehnungsmessstreifen
angeschlossen, die proportional zur auftretenden
Dehnung ihren Widerstand und somit das Signal des
Messverstärkers ändern. Die aufgezeichneten Signale
lassen sich anschliessend in einer Software aufbereiten, um die Beanspruchung an der Messstelle und die
auftretenden Beschleunigungen zu jedem beliebigen
Zeitpunkt der Messung zu ermitteln.
BI
BE
BU
VA
Dass die Messeinrichtung auch unter den harten Umweltbedingungen funktioniert, liess sich in mehreren
Messungen an einem Bagger-Löffel der Firma Oscar
Meier AG beweisen. Die dabei erzielten Resultate zeigen, dass im normalen Betrieb die Spannungen an den
überprüften Messstellen deutlich unter der zulässigen
Spannung des Materials liegen. Nun sind weitere Messungen vorgesehen, um die Spannungen auch an anderen Stellen zu ermitteln.
Abb. 1: Messeinrichtung im Einsatz am Bagger
ti.bfh.ch/book2014
Abb. 2: Benutzeroberfläche zur Auswertung der Daten
Entwicklung eines Transfer-Moduls für Kapseln
für den Laborbetrieb
Fachgebiet: Maschientechnik
Betreuer: Dr. Beat Engeli
Industriepartner: Rychiger AG, Steffisburg
Die Rychiger AG fabriziert verschiedene Verpackungsanlage. Die Kernkom- 201
petenz liegt dabei beim Füllen und Versiegeln. Für den Laborbereich hat
die Rychiger AG einen Laborsiegler und einen Laborfüller im Portfolio. Diese Maschinen werden von Hand bedient. Daher ist der zeitliche aufwand
zum Abfüllen und Versiegeln einer Kapsel entsprechend hoch. Müssen
kleine Serien von Kapseln zu Testzwecken hergestellt werden, so fällt dies
besonders ins Gewicht.
Ausgangslage
Umsetzen
Während der Projektarbeit 2 wurde die Ausgangslage
analysiert. Basierend auf deren Erkenntnisse wurden
anschliessend Konzepte für ein Transfer-Modul erstellt, welches die Kapseln von einer Arbeitsstation
zur anderen transferieren kann.
Es wurden verschiedene Ausführungen vorgeschlagen,
von welchen eine ausgearbeitet wurde. Die Ausarbeitung beinhaltet den mechanischen und den elektrischen
Teil. Zum Testen wurde ein komplettes Programm erstellt, welches alle erforderlichen Betriebsmodi wie Initialisieren, Justieren, den Betrieb und einen Not-Halt
beinhaltet. Die Komponenten wurden alle bestellt. Aufgrund von Kapazitätsproblemen konnten diese jedoch
nicht innerhalb der Projektzeit geliefert werden. Daher
wurde die Steuerung mit Hilfsschaltungen geprüft und
korrigiert. So kann davon ausgegangen werden, dass
bei der Inbetriebnahme kaum Probleme auftreten sollten.
Ziel
Ziel der Arbeit war es, das Konzept auszuarbeiten und
zu detaillieren, so dass ein Prototyp hergestellt werden kann. Um das Modul testen zu können, muss eine
passende Steuerung vorgesehen werden.
André Reusser
Ergebnisse
Ausgearbeitetes Transfer-Modul
BI
BE
BU
VA
Das Resultat der Arbeit ist ein komplett ausgearbeitetes Konzept für das Transfer-Modul. Es ist flexibel Programmierbar, und bietet eine gute Basis für Aufbauten, um die Anlage kapselspezifisch zu konfigurieren.
Die Steuerung ist mit einem Arduino-Mikrocontroller
vorgesehen. Um die Aktoren mit diesem ansteuern
zu können, musste eine elektrische Schaltung ausgearbeitet werde, welche den benötigten Leistungen
standhält.
Aufbau der Antriebe
ti.bfh.ch/book2014
Bau eines Apparats zur Gasbefeuchtung
Betreuer: Dr. Kurt M. Graf
202
Die Verarbeitung von organischen Stoffen ist stark von deren Eigenschaften abhängig. Damit die Prozessparameter auf die Eigenschaften des zu
verarbeitenden Produkts angepasste werden können, sind die Stoffdaten
des Materials in Laborversuchen zu ermitteln. In vielen Laboranwendungen wird für die Untersuchung ein Luftstrom mit geregelter Temperatur
und Luftfeuchte benötigt. Im Rahmen der Bachelor Thesis wurde ein Apparat entwickelt zu kontinuierlichen Gasbefeuchtung.
Patrick Rohrbach
Problemstellung
Umsetzung
In der Regel hängen die Eigenschaften von organischen Stoffen von der Temperatur und der Gutfeuchtigkeit ab. Für die Untersuchung der Eigenschaften,
sind Proben gezielt zu befeuchten. Die Erreichung einer konstanten Temperatur ist relativ einfach zu erfüllen. Die grössere Herausforderung bereitet allerdings
das Erreichen einer kontinuierlichen Befeuchtung.
Ziel ist es ein Apparat zu entwickeln, der die Erzeugung eines Luftstroms mit einstellbarer Temperatur
und Luftfeuchte ermöglicht.
Die Gasbefeuchtung soll durch zugeben einer bestimmten Dampfmenge in einen trockenen Luftstrom
erreicht werden. In einer ersten Phase sind verschieden Konzepte für den Apparat erstellt worden. Die
Konzepte unterscheiden sich vor allem in der Regulierung der Dampfmenge. Es wird entschieden die
Dampfmenge mittels der Leistungsaufnahme des Heizelements zu steuern. Um einen definierten Anfangsluftzustand zu erhalten, wird die Luft in einem Adsorptionstrockner getrocknet. In einer zweiten Phase
sind der Apparat thermodynamisch ausgelegt und die
Instrumente evaluiert und konstruiert worden. Der
Wärmeverlust und die Dosiergenauigkeit wurden abgeschätzt. Abschliessend wurde der Apparat auf seine
Funktionalität überprüft.
Resultat
BI
BE
BU
VA
Das Ergebnis ist ein fertiger Apparat zur Gasbefeuchtung. Die Dampfmenge wird in einem Verdampfer mit
eingebautem Tauchsieder erzeugt. Die nötige Heizleistung wird über einen DC-gesteuerten Dimmer geregelt.
Die aus dem Druckluftnetz bezogene Luft wird als erstes in zwei Adsorptionstrocknern getrocknet. Die erreichte Massebeladung der Luft nach der Trocknung
beträgt 0.0001 kg/kg. Der Luftstrom wird über einen
thermischen Massedurchflussmesser gemessen und
kann über ein Drosselventil eingestellt werden. Die
Temperierung des Luftstroms erfolgt durch das Durchströmen eines temperaturgeregelten Wasserbades.
Die Beigabe der Dampfmenge in den Luftstrom erfolgt
in einem dafür entwickelten Mischer. Die Grundfunktionalität des Apparats ist bestätigt.
ti.bfh.ch/book2014
ErgoBike: Regelsysteme für ein Fahrrad-Ergometer
Fachgebiet: Regelungstechnik
Betreuer: Prof. Dr. Kenneth James Hunt
Experte: Dr. Dietmar Kramer (ProGrit)
Sportliche Höchstleistungen sind heute mehr denn je gefragt. Damit diese
erbracht werden können, ist ein gutes Training umso wichtiger. Das physiologische Training zielt dabei auf die Leistung physiologischer Kenngrössen wie der Herzrate oder der Sauerstoffaufnahme. Das Trainieren in
bestimmten Puls-Bereichen oder nach Sauerstoffwerten erhöht den Trainingseffekt gegenüber herkömmlichen Methoden.
Mittels der Methode der Polvorgabe wurden Regler
entworfen, welche entweder die HR oder die VO2 regeln. Mit einem ersten Matlab-Simulink-Modell kann
für jeden Probanden individuell die Sprungantwort
der HR und der VO2 bezüglich einer sich ändernen
Leistung gemessen werden. Für die Messung der HR
wird ein Brustgurt von Polar verwendet, für die Messung der VO2 das MetaMax-System. Durch die Auswertung dieser Messdaten kann der Proband als System 1.
Ordnung modelliert werden. Mit den so gewonnenen
Daten wird mittels der Polvorgabe ein individueller
Regler für jeden Probanden ausgelegt. Der Regler berechnet somit in Echtzeit die Leistung oder die Leistungsänderung, welche nötig ist, damit die HR oder
die VO2 einem vorgegebenen Profil folgen kann. Mehrere Testmessungen ergaben, dass sowohl die HR- wie
auch die VO2-Regelung ein robustes Führungs- und
Störungsverhalten aufweisen.
Zusätzlich sollte die tieffrequente HR-Variabilität
(VLF-HRV) untersucht werden. Diese wurde bei Messungen mit einer HR-Regelung am Laufband bereits
mehrfach untersucht. Ziel dieser Untersuchung war es,
mit Pilotmessungen zu prüfen, ob auch auf dem Ergometer eine HRV im Bereich von 0.01 Hz auftritt.
Die Fourieranalyse von Messungen bei konstanter
Leistung zeigte auf, dass im Bereich von 0.013 Hz und
0.016 Hz eine hohe Resonanz nachweisbar ist. Dies
sind die Frequenzen der vermuteten HRV.
Schematische Darstellung der HR-Regelung
Fourieranalyse einer Testmessung zur HRV
Yannick Pascal Rösch
alkali@bluewin.ch
Ergebnisse
Durch die Regelung von physiologischen Variablen
wie der Herzrate (HR) oder der Sauerstoffaufnahme
(VO2) können die Trainingsintensität erhöht und Leistungstests genauer durchgeführt werden. Im Rahmen
dieser Bachelor Thesis wurden solche Regelsysteme
für ein Fahrrad-Ergometer ausgelegt. Das Fahrradergometer LC7 von Monark, welches als Arbeitsgerät für
diese Arbeiten benutzt wurde, verfügt bereits über
eine interne Herzratenregelung. Testmessungen ergaben jedoch, dass diese sehr konservativ ausgelegt ist.
So braucht das Ergometer für einen Anstieg der Herzrate um 20 BPM etwa 6 Minuten. Am Institut für Rehabilitation und Leistungstechnologie (IRPT) der BFH
wurden bereits ähnliche Regelsysteme für ein Laufband entwickelt. Die Aufgabe war, eine HR-Regelung
sowie eine VO2-Regelung zu implementieren, diese anhand von Testmessungen zu verifizieren und gegebenenfalls anzupassen.
BI
BE
BU
VA
Ausgangslage
203
ti.bfh.ch/book2014
Aufklappbare Motorabdeckung für Ringmotoren
Betreuer: Dr. Axel Fuerst
Industriepartner: ABB Schweiz AG, Baden-Dättwil
204
In grossen Kupferminen werden Kugelmühlen zum Mahlen der Erze eingesetzt. Solche Mühlen werden in der Regel mit getriebelosen Ringmotoren
(GMD) der Firma ABB angetrieben. Steht eine Mühle still, löst dies unvermeidlich einen grossen ökonomischen Verlust für den Betreiber der Anlage
aus. Im Rahmen der Bachelor Thesis soll nun versucht werden, die bestehenden Anlagen so zu überarbeiten, dass sämtliche Stillstandszeiten verkürzt werden können.
Die Motoren sind im Bereich der Motorpole mit einer
Abdeckung versehen, welche für Inspektionen und
Wartungsarbeiten geöffnet werden muss. Die Abdeckung wird dann auf den bestehenden Anlagen komplett oder segmentweise demontiert. Es gilt diese
Segmente möglichst schnell, mit nur wenigen Handgriffen und ohne die Hilfe eines Kranes öffnen und
schliessen zu können.
Mit dem Ziel, der modularen Bauweise, wird die Motorabdeckung schliesslich in modulare Teilsysteme
aufgespalten. Damit dies ermöglicht wird und die
neue Abdeckung auch als Retrofit auf bestehenden
Anlagen eingesetzt werden kann, wird der heutige
Grundaufbau der Segmente beibehalten. Die Modularität ermöglicht es zudem, dass der Kunde frei wählen
kann welche Funktionen er auf seiner Anlage anbringen will.
Hannes Roth
Es werden, zwei unterschiedliche Varianten verfolgt.
So werden ein klappbarer und ein linearer Ansatz zum
Öffnen der Segmente ausgearbeitet. Durch die Kombination der Vorteile der zwei unterschiedlichen Ansätze wird daraus eine dritte Variante gebildet. Der
Hauptvorteil des neuen Konzeptes gegenüber dem bestehenden System liegt in der Möglichkeit, die Abdeckungen schneller zu öffnen und zu schliessen. Dazu
kommt das die Sicherheit, gegenüber der bestehenden
Abdeckung, erheblich erhöht wird, weil die Segmente
nicht mehr mit einem Kran entfernt werden müssen
und mit dem Gehäuse fest verbunden bleiben.
In der Entwurfsphase werden die drei Varianten vereinfacht, aber massstäblich im CAD dargestellt. Die
Modelle sollen primär zum verbesserten Verständnis
des Lesers beitragen. Da es sich bei der Arbeit lediglich um die Findung eines Konzeptes handelt, werden
aber noch keine Fertigungszeichnungen erstellt.
VA
In der Schlussphase werden die Kosten für die Änderung auf das neue Abdeckungssystem abgeschätzt.
Es werden lediglich die Kosten bestimmt, welche
durch die neuen Lösungsansätze entstehen. Der weiterhin bestehende Teil, fliesst nicht in die Schätzung
ein. Vergleicht man die geschätzte Investition mit dem
grossen monetären Verlust bei Stillständen, wird diese schnell amortisiert. Ausserdem hat jeder Zugewinn
an Arbeitssicherheit bei den Abbaubetrieben einen
grossen Stellenwert.
BE
BU
Bis das alternative Konzept umgesetzt werden kann
sind noch diverse Arbeiten auszuarbeiten. Beispielsweise wurden noch keine genauen Festigkeitsberechnungen durchgeführt und die CAD-Modelle müssten
weiter detailliert werden, damit daraus Fertigungszeichnungen erstellt werden können.
BI
Bildquelle: ABB
ti.bfh.ch/book2014
Thermische Prozessüberwachung bei der Laserbeschichtung
Fachgebiet: Physik
Betreuer: Prof. Dr. Valerio Romano, Dr. Sönke Pilz
Das Laserbeschichten ermöglicht ein präzises Aufbringen von metallischen
Schichten auf Bauteilen. Dadurch wird der Verschleiss- und Korrosionsschutz des Bauteils erhöht. Bei diesem Vorgang spielen die Prozesstemperaturen und ihre Zeitdauer eine zentrale Rolle. Zum einen beeinflussen sie
die Hafteigenschaften der Schichten auf dem Bauteil, zum anderen sollten
die Einwirkungszeiten nicht unnötig lang werden (Zeit- und Kostenoptimierung).
Problem:
Messprinzip
Bei bestehenden thermischen Prozessüberwachungen
für die Laserbeschichtung werden unter anderem Kameras im mittleren Infrarotbereich eingesetzt. In diesem Wellenlängenbereich haben aber die optischen
Komponenten, die für den Bearbeitungsstrahl benutzt
werden, keine oder nur geringe Transmission. Falls
überhaupt vorhanden, müssten teure Infrarotoptiken
verwendet oder der Messstrahl müsste separat geführt werden.
Das Funktionsprinzip des Zweikamerasystems beruht
darauf, im nahen Infraroten zwei Bilder des gleichen
Bereichs bei unterschiedlichen Wellenlängen mit gewöhnlichen CMOS Kameras aufzunehmen. Die Wellenlängenselektion wird mit Hilfe von geeigneten optischen Filtern bewerkstelligt. Der pixelweise gebildete
Quotient der beiden Bilder lässt sich dann eindeutig
der Temperaturverteilung auf dem Target zuordnen.
Resultate
BE
BU
VA
Das Ziel dieser Arbeit ist ein Zweikamerasystem im
nahen Infraroten zu entwickeln, welches für die thermische Prozessüberwachung bei der Laserbeschichtung dient. Auf dem Labortisch soll ein Versuchsaufbau gebaut werden, mit welchem die Temperaturverteilung von Objekten mit bekannter Temperatur
dargestellt werden kann. Hierfür ist die passende
Software zu entwickeln. Für einen Aufbau auf einer
bestehenden Laserbeschichtungsanlage soll ein Konzept entwickelt werden.
Patrick Roth
Als Resultat dieser Bachelorarbeit liegt der Versuchsaufbau auf dem Labortisch vor, mit dem die Temperaturverteilung auf der Oberfläche beliebiger Objekte
zweidimensional ermittelt werden kann. Mit dem Versuchsaufbau können beliebige Objekte betrachtet
werden. Mit Hilfe der in Labview entwickelten Software kann die Temperaturverteilung des Objektes grafisch dargestellt werden. Ein zweites Programm wurde
entwickelt, um das Kalibrieren des Versuchsaufbaus
zu vereinfachen. Mit dem Versuchsaufbau und der
Software konnten Messungen zwischen 900 °C und
2500 °C gemacht werden. Für einen zukünftigen Einbau in eine Laserbeschichtungsanlage wurde ein Konzept erarbeitet.
Ziel der Arbeit
205
Konzept Aufbau
BI
Temperaturverteilung bei 2250°C
ti.bfh.ch/book2014
Modulare Produkteplattform zur Teileentnahme ab
Drehautomaten
Experte: Andreas Thüler (WIFAG Maschinenfabrik AG)
Industriepartner: Mecha AG, Belp
206
Die spanende Fertigung von kleinen und mittleren Serien geschieht heute
unter grossem Zeit- und Kostendruck. Die in Fertigungsstrassen für die
Grossserienfertigung eingesetzten Automationslösungen können nicht
ohne weiteres für die Herstellung kleiner Losgrössen übernommen werden, weshalb im Rahmen dieser Bachelorthesis ein System zur Werkstückspeicherung für Werkzeugmaschinen konzipiert wird. Zentrales Anliegen
ist dabei die Universalität und Modularität der Anlage.
Thomas Rytz
Ziel der Arbeit
Während der Projektarbeit 2 ist gezeigt worden, dass
die Produktidee der Mecha AG eine Marktlücke schliessen kann. Fertiger von kleinen und mittleren Serien
sind gezwungen, für Automatisationslösungen entweder sehr grosse Investitionen zu tätigen oder aber gravierende Abstriche in der Funktionalität in Kauf zu nehmen. Diesem Umstand will die Mecha AG mit einem
modular erweiterbaren System zur Werkstückspeicherung begegnen. Mit diesem Produkt soll es möglich
sein, die Randzeiten durch mannlose Produktion zu
nutzen und so die Auslastung der Werkzeugmaschine
deutlich zu steigern. Das System muss ohne zeitaufwändige Umrüstarbeiten auskommen und auch für
Kleinserien wirtschaftlich eingesetzt werden können.
In der Thesis wird ein Konzept für das Werksstückspeichersystem erarbeitet. Das Konzept für die gesamte Produktplattform wird erstellt und dokumentiert.
rytz.thomas@gmail.com
Ausganglage
Die Anlage besteht aus einem Grundmodul, das die
Werkstücke direkt am Austragsband der Werkzeugmaschine übernimmt. Das Pufferband des Grundmoduls
dient einerseits als Speicherkapazität und ermöglicht
andererseits eine freie Gestaltung des Maschinenlayouts. An das Modul gekoppelt werden Erweiterungen,
die verschiedene Funktionalitäten bieten. Als Beispiel
für ein solches Modul ist das Konzept eines Speichermoduls erstellt worden, das Werkstücke in austauschbaren Werkstückträgern speichert. Damit die Produktlinie ausgearbeitet werden kann, sind konzeptuelle
Überlegungen für die Modulvernetzung gemacht und
dokumentiert worden.
Ergebnisse
BU
VA
Die abschliessende Prüfung des Konzepts und eine
überschlagsmässige Kostenrechnung zeigen, dass das
erarbeitete Konzept die gestellten Anforderungen erfüllt und zu einem konkurrenzfähigen Preis auf den
Markt gebracht werden kann.
BE
BI
Umsetzung
Designentwurf des Speichermoduls
ti.bfh.ch/book2014
Bodenaufsetzmaschine für Solarspeicher
Industriepartner: Jenni Energietechnik AG, Oberburg
Die Firma Jenni Energietechnik AG in Oberburg (BE) produziert Wärmespeicher für Solarheizungssysteme. Die Nachfrage nach Grossspeichern,
welche in Mehrfamilienhäusern und Industriebauten eingesetzt werden,
stieg in den letzten Jahren an. Um die Produktion der Grossspeicher wirtschaftlicher und effizienter zu gestalten, wird in dieser Arbeit eine Maschine entwickelt, die den Aufsetzvorgang von Grossspeicherböden deutlich vereinfacht.
Ausganglage
Umsetzung
Die Jenni Energietechnik AG stellt Grossspeicher mit
Durchmessern von bis zu vier Meter her. Die Produktion dieser Speicher ist zeitaufwändig und erfordert
zahlreiche Arbeitsschritte. Ein wichtiger Schritt bei
der Vormontage ist das Aufsetzen und Zentrieren der
Böden. Die aktuell verwendete Montagevorrichtung ist
hinsichtlich Funktion und Effizienz verbesserungswürdig. 2010 wurde für die Grossspeicherproduktion ein
Produktionsgebäude errichtet, für welches nun neue
Vorrichtungen gebaut werden sollen.
Das Grobkonzept aus der vorangehenden Projektarbeit wurde weitgehend übernommen. Varianten der
einzelnen Anlageteile wurden erarbeitet und bewertet.
Für den Feinentwurf wurden relevante Anlagekomponenten dimensioniert, ausgelegt und Schlüsselkomponenten auf ihre Festigkeit geprüft. Zudem wurde ein
Bedienkonzept erstellt.
Als Resultat liegt ein detaillierter Entwurf einer Bodenaufsetzmaschine vor, mit der ein Bediener ohne
grossen Aufwand Speicherböden von 2 bis 4 Metern
Durchmesser aufsetzen kann. Die Maschine ist in der
Lage die Speicherbodenkomponenten automatisch zu
zentrieren. Formabweichungen können maschinell
korrigiert werden.
Remo Sansoni
BU
VA
Fixer Bestandteil des neuen Produktionsgebäudes soll
eine Maschine zum Aufsetzen und Zentrieren der Speicherböden sein. Die Maschine soll den Montageablauf
vereinfachen und von einer einzelnen Person bedient
werden können. Wichtig ist dabei, dass die gesamte
Herstellung intern möglich ist. Im Rahmen dieser Arbeit soll ein Entwurf und die Auslegung erarbeitet
werden, die diese Anforderungen erfüllt.
Ergebnisse
Ziel der Arbeit
207
BE
Die drei Bestandteile eines Grossspeicherbodens
BI
Die neue Bodenaufsetzmaschine
ti.bfh.ch/book2014
PowerTrike: Optimierung Dreirad mit FES
Betreuer: Prof. Dr. Kenneth J. Hunt
Experte: Dr. Dietmar Kramer (ProGrit)
208
In der Rehabilitation wird seit einiger Zeit sogenannte funktionelle Elektrostimulation angewendet. Mittels elektrischen Pulsen werden gelähmte
Muskelgruppen so aktiviert, dass eine natürliche Bewegung entsteht, beispielsweise die des Fahrradfahrens. Es sind bereits verschiedene solche
FES-Fahrräder am Markt erhältlich. Im Hinblick auf den Cybathlon 2016,
einem Wettkampf für Parathleten, wird ein neues FES-Fahrrad entwickelt
und für das mobile Fahren optimiert.
Denis Schenk
Ziele
Am Institut für Rehabilitation und Leistungstechnologie (IRPT) der BFH wurden bereits verschiedene Dreiräder für Personen mit neurologischen Lähmungen
entwickelt. Sie verfügen alle über eine sogenannte
funktionelle Elektrostimulation (FES). Mit elektrischen
Pulsen werden über Oberflächenelektroden verschiedene Muskelgruppen der Beine in einem vorgeschriebenen Muster stimuliert. So ist es mit entsprechenden
Hilfsmitteln beispielsweise möglich, den relativ einfachen Bewegungsablauf des Fahrradfahrens nachzubilden. Patienten können bereits kurz nach der Läsion
mit diesem Training beginnen und so verschiedene
Folgeerkrankungen vermeiden. Es ist ihnen mit dieser
Technologie möglich, sich mit eigener Muskelkraft
fortzubewegen. Dieses Gefühl ist nicht zuletzt auch
psychologisch sehr wichtig in der Rehabilitation. Für
das FES-Bike-Rennen am Cybathlon 2016 im Zürcher
Hallenstadion wurde im Rahmen dieser Projektarbeit
ein neues FES-Bike entwickelt und für das mobile Fahren optimiert. Das Rennen besteht aus der Disziplin
Sprint (200 m) und Ausdauer (1000 m), die beide auf
einem ebenen Rundkurs ausgetragen werden.
Das FES-Bike soll von Grund auf neu entwickelt werden. Der Schwerpunkt liegt im Gegensatz zu bestehenden FES-Bike-Modellen nicht auf der einfachen
und komfortablen Handhabung durch querschnittgelähmte Personen, sondern auf der Maximierung der
Output-Leistung. Das Bike ist nicht für den Einsatz in
der Rehabilitation, sondern für das Rennen ausgelegt.
In der vorliegenden Projektarbeit sollen vor allem die
Konstruktion und die Gangschaltung optimiert werden. Das FES-System wurde nicht verändert und
stammt von der deutschen Firma Hasomed. Am Institut werden bereits mehrere solcher Systeme verwendet. Am Ende der Projektarbeit soll ein funktionierender Prototyp mit den angesprochenen Systemen am
Schweizer Paraplegikerzentrum in Nottwil getestet
werden.
BU
VA
denis.schenk@orss.ch
Ausgangslage
BI
BE
montierter Prototyp mit Gangwahlassistent und FES
ti.bfh.ch/book2014
Resultat
Das entwickelte System verzichtet auf alle Komfortelemente wie aufrechte Sitzposition, Federung und
komfortable Sitzschale. Es wird dadurch leichter und
erreicht eine höhere Endgeschwindigkeit. Zudem verringert eine flache Sitzposition den Luftwiderstand.
Dadurch wird aber der Transfer des Piloten vom Rollstuhl auf das Trike erschwert. Im Anschluss an die Bachelor Thesis muss dieses Umsteigen durch entsprechende Massnahmen vereinfacht werden.
Für die FES gibt es aufgrund physiologischer und
technischer Gegebenheiten einen optimalen Bereich
der Tretfrequenz an den Pedalen. Dieser muss für eine
maximale Performance möglichst genau eingehalten
werden. Aufgrund der Läsion fehlt den querschnittgelähmten Piloten ein Biofeedback aus den Beinen. Es
ist für sie deshalb schwieriger zu erkennen, wann genau der Gang gewechselt werden soll. In dieser Arbeit
wurden verschiedene Konzepte für eine automatische
Gangschaltung entwickelt. Das realisierte System
misst die Tretfrequenz und passt über einen Mikrocomputer das Übersetzungsverhältnis an. So werden
die Gänge immer zum optimalen Zeitpunkt geschaltet
und die ideale Tretfrequenz eingehalten.
Autotuning-Algorithmus zu Temperaturregelung
Fachgebiet: Regelungstechnik
Der untersuchte Temperaturregelbaustein bei einer SPS zeigt bei industriellen Plastikschweissmaschinen ungenügendes Verhalten, wie eine zu
lange Dauer bis zum Erreichen des Sollwertes. Ein verbessertes Autotuning
zur Regelparameterbestimmung oder eine alternative Regelstruktur sollen
Führungsverhalten und Störungsausgleich verbessern. Ein mathematisches
Modell der Anlage ermöglicht ein effizientes Testen der neuen Regelansätze.
Der in früheren Arbeiten aufgebaute Teststand stellt
ein physikalisches Modell einer möglichen industriellen Anwendung dar. Davon wird ein digitales Model
zur Ermittlung eines besseren Regelungsansatzes in
MATLAB/Simulink entwickelt. Dieses widerspiegelt
die Reaktion des Teststandes auf Veränderungen der
Heizleistung oder Kühlung, welche die abfliessende
Wärme beim Schweissprozess simuliert. Mittels Berechnung der Wärmeleitung in den Heizelementen und
dem konvektiven Wärmefluss, kann die zeitliche Energieänderung prognostiziert werden. Somit lässt sich
das von Sollwert und Kühlung abhängige Prozessverhalten prognostizieren. Mit diesem wird die Sprungantwort abgebildet, an welcher die Wendetangentenmethode angewendet wird und damit die
Regelparameter bestimmt werden können.
Teststand mit zwei Heizelementen und Druckluftzufuhr zur
Simulation des Wärmeabflusses
Industrieeinsatz des Temperaturreglers in Verpackungsanlage
(Quelle: waterline.ch)
Dominic Sebastian Schmid
BI
BE
BU
VA
Für die Regelung von Verpackungsherstellungsmaschinen existieren modulare Temperaturregler mit guter
Robustheit gegenüber Störungen und gutem Führungsverhalten. Ziel ist es eine ebenso gute Regelung
der Temperatur mittels einem Software-Temperaturregler der Fa. Beckhoff zu erreichen. Dessen internes
Autotuning der Regelparameter führt aber mit Überhitzen zu langen Wartezeiten. Denn in den Heizelementen ist keine aktive Kühlung eingebaut, was ein
Gegensteuern verunmöglicht. Der Beckhoff-Temperaturregler basiert auf einer PID-Regelung. Die Regelparameter können manuell eingegeben oder mit dem
internen Autotuning-Algorithmus mittels Wendetangentenmethode ermittelt werden. Mit einem besseren
Parametersatz, einem Parameterwechsel beim Erreichen des Sollwertes oder einer alternativen Regelstruktur, soll die nötige Robustheit erreicht werden.
209
ti.bfh.ch/book2014
Charakterisierung von Antihaftschichten
Fachgebiet: Werkstofftechnik
210
Zu den Produkten der Firma KASAG Langnau AG gehören unter anderem
Batch-Kochanlagen aus Edelstahl, die in der Lebensmittelindustrie, z. B.
für die Herstellung von Konfitüren, Anwendung finden. Die Kochanlagen
werden bei Chargenwechseln in einem sog. CIP-Reinigungsprozess (Cleaning In Place) gesäubert. Dieser Prozess ist zeitaufwändig und z.T. mit hohen Produktverlusten und damit Kosten verbunden, insbesondere dann,
wenn Produktrückstände an den Behälterwänden haften.
Problemstellung
Ergebnis
Durch Antihaftbeschichtungen auf den Behälterinnenwänden sollen die Produktanhaftungen verringert und
der Reinigungsaufwand reduziert werden. Verschiedene Beschichtungstypen stehen zur Verfügung und sollen bezüglich ihrer Antihaft- und Reinigungseigenschaften miteinander verglichen und charakterisiert
werden.
Die Tests ergaben, dass die Beschichtungen im
Vergleich zu den unbeschichteten Oberflächen tendenziell zu einer Verbesserung der Reinigungseigenschaften führen. Ermittelt werden konnten zwei Beschichtungstypen, die sich deutlich besser reinigen
lassen als alle anderen untersuchten Proben. Eine
endgültige Aussage über die Eignung der Schichten
als Antihaftoberflächen ist allerdings nur möglich,
wenn die Ergebnisse im Zusammenhang mit anderen
Kriterien wie der chemischen Beständigkeit oder der
Abriebfestigkeit betrachtet werden.
Ausgangslage
David Schmidlin
Für die Reinigungstests stand eine Sprühkopftestanlage zur Verfügung, die Abb. 1 zeigt. Abb. 2 zeigt die
Probenhalterung mit 9 Plätzen für die Aufnahme von
Proben und der Sprühkopfdüse in der Mitte.
Verschiedene Beschichtungstypen sowie unbeschichtete Edelstahlsubstrate als Referenz wurden im Sprühkopftest untersucht. Auf die Proben wurde zunächst
definiert eine Konfitüre aufgebracht und eingebacken.
Anschliessend erfolgte die Reinigung in der Sprühkopftestanlage mit Natronlauge (1%ig, 65 °C). Als
Mass für das Reinigungsverhalten und die Antihafteigenschaften diente die Anzahl an Waschgängen, die
notwendig waren, bis die Proben optisch sauber erschienen. Die Oberflächen wurden ausserdem durch
Messungen des Kontaktwinkels sowie des ATP-Wertes
(Adenosintriphosphat) vor und nach der Reinigung
charakterisiert. Ein weiteres Beurteilungskriterium
war die chemische Beständigkeit der Beschichtungen.
BE
BU
VA
Vorgehen
BI
Abbildung 1: Sprühkopftestanlage
ti.bfh.ch/book2014
Abbildung 2: Probenhalterung mit Aufnahme für 9 Proben
Ventilprüfstand für die Firma Burckhardt Components
Betreuer: Prof. Beat Engeli
Experte: Andreas Thüler (Wifag Polytype)
Industriepartner: Burckhardt Components AG, Winterthur
Die Firma Burckhardt Components ist zuständig für Ersatzteile von Kompressoren der Firma Burckhardt Compression. Ein neuartiges Ventil, das
Poppetventil, soll mittels einer geeigneten Prüfmaschine hinsichtlich Verschleiss untersucht werden können. In der Projektarbeit 2/Thesis ging es
darum, einen Prüfstand zu entwickeln. In der Projektarbeit 2 wurde ein
Antriebssystem evaluiert und rechnerisch ausgelegt. Gegenstand der Thesis war die Entwicklung eines geeigneten Prüfstandes.
Ausgangslage
Realisierung
Die Firma Burckhardt Components will von Ihren Poppetventilen Daten erheben, welche für die Weiterentwicklung von grossem Interesse sind. Die Ventile sind
aus Kunststoff gefertigt und standartmässig in den
Kompressoren der Firma Burckhardt Compression verbaut. Durch Dauertests sollen mit einer geeigneten
Prüfmaschine verschiedene Einflüsse simuliert werden (unterschiedliche Gase bei unterschiedlichen Umgebungsbedingungen). Die Untersuchungen sollen
Ergebnisse liefern, welche später in die Weiterentwicklung der Kompressoren einfliessen und damit der
Firma helfen, ihre Marktposition zu festigen.
Anlässlich der Projektarbeit 2 ist der Einsatz eines
hydraulischen Antriebs, eines trockenlaufenden
Elektroantriebs sowie eines Kurbeltriebs eingehend
untersucht worden. Die Berechnungen und die Variantenbewertung zeigten, dass eine trockenlaufende
Freikolbenvariante mit Linearmotoren die geeignete
Lösung darstellt. Einerseits weil kein Öl die Messungen verfälschen kann und andererseits weil bei Trockenlauf schneller Verschleiss eintritt.
Resultate und Ausblick
BU
Das während der Thesis erarbeitete CAD-Modell des
Prüfstandes dient der Firma Burckhardt Components
als Basis für die Weiterentwicklung.
In der Projektarbeit 2 wurden drei verschiedene Antriebskonzepte rechnerisch überprüft und eine Variantenbewertung durchgeführt. In der anschliessenden
Thesis ging es darum, das ausgewählte Konzept auszuarbeiten.
Adrian Schneider
Zu Beginn der Thesis wurden für das ausgewählte
Konzept drei Varianten gebildet und technisch wie
auch wirtschaftlich bewertet. Die Erkenntnisse konnten in einer Empfehlung zuhanden der Firma Burckhardt Components zusammengefasst und in Winterthur präsentiert werden. Man entschied sich aber für
eine leicht abgewandelte Variante mit zwei Kolben,
welche gegenläufig arbeiten. Dadurch liess sich die
Entwicklungszeit verkürzen. Man spart sich mit dieser
Anordnung den sonst notwendigen Massenausgleich.
Dadurch ist es möglich, die bewegten Teile auf ein
Minimum zu reduzieren. Mittels dem Regelwerk AD
2000 (Druckbehälternorm) wurden die entscheidenden Bauteile ausgelegt. Anschliessend konnte mittels
CAD der Prüfstand erarbeitet werden.
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Ziel der Arbeit
211
BI
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CAD-Modell der Prüfmaschine
ti.bfh.ch/book2014
Fliegende Hexen ohne Zauberei
Fachgebiet: Fluiddynamik
Experte: Dr. Hunger Thilo
212
Vermehrt werden Modellflugzeuge im Eigenbau gefertigt. Gerade bei speziellen Flugzeuggeometrien übersteht das Modell oft den ersten Flug nicht.
Dies liegt meist an aerodynamischen Effekten, welche vom Laien nicht berücksichtigt werden können. Anhand strömungstechnischer Untersuchungen wurde ein Modellflugzeug der ganz besonderen Art untersucht und
neu entwickelt.
Thomas Von Bergen
In den letzten Jahren hat der Eigenbau von Modellflugzeugen stark zugenommen. Nicht zuletzt Aufgrund der
Tatsache, dass die Komponenten für die Herstellung
immer leistungsstärker und günstiger werden. Im Internet können einfache Baupläne für verschiedenste
Bauformen heruntergeladen werden. Eine davon ist
die «Fliegende Hexe». Dieses Modellflugzeug hat das
Erscheinungsbild einer Hexe auf einem fliegenden Besen. Die schlechten Flugeigenschaften führen jedoch
oft dazu, dass das Modell den ersten Flug nicht übersteht.
BI
BE
BU
VA
Das Ziel dieser Arbeit ist es, das Modell strömungstechnisch zu untersuchen und aus den gewonnenen
Erkenntnissen ein verbessertes Modellflugzeug zu entwickeln, welches dem optischen Erscheinungsbild einer fliegenden Hexe treu bleibt.
ti.bfh.ch/book2014
Die Analysierung des strömungstechnischen Verhaltens wurde mit Hilfe von Berechnungssimulationen
untersucht. Dabei stellte sich heraus, dass sich das
Flugmodell bei einer Störung instabil verhält. Dies bedeutet, dass der Pilot das Modell aktiv Regeln muss,
um nicht die Kontrolle zu verlieren. Weiter wurde herausgefunden, dass der Tragflügel einen sehr hohen
Widerstand, bei vergleichsweise geringem Auftrieb
aufweist.
Für die Neuentwicklung wurde ein Flügelprofil gewählt, welches sich besonders für den laminaren Flug
eignet. Gegenüber dem Basismodell weist der Rumpf
des neu entwickelten Flugobjekts verbesserte Festigkeits- und Steifigkeitseigenschaften auf.
Die Resultate aus der Untersuchung des strömungstechnischen Verhaltens des neuen Modells haben gezeigt, dass die Flugeigenschaften verbessert werden
konnten. Die Auftriebswerte sind bei gleichem Widerstand im Vergleich zum Basismodell höher. So ist mit
verbesserten Gleiteigenschaften des Modells zu rechen. Das neu entwickelte Flugobjekt reagiert auf Störungen stabil und eignet sich für einfache Kunstflugfiguren.
Senkung der Instandhaltungs- und Produktionskosten eines SBB Messsystems
Betreuer: Prof. Giuliano Soldati
Experte: Andreas Thüler (WIFAG Maschinenfabrik AG)
Industriepartner: SBB Messtechnik, Ausserholligen, Bern
Das genannte Messsystem ist Bestandteil der Zugkontrolleinrichtungen im
Schienennetz der SBB. Das System kann verschiedene Grössen eines vorbeifahrenden Zuges ermitteln. Bei einer Überschreitung der Grenzwerte
wird ein Alarm ausgelöst. Die Produktion und Instandhaltung eines solchen Messsystems ist sehr kostenintensiv und bedarf hoher personeller
Aufwände. Um die Kosten einer solchen Anlage zu reduzieren, wurde im
Rahmen dieser Arbeit ein neuartiger Sensor entwickelt.
Ausganglage
Umsetzung
Mit fast 100 Zugkilometer pro Kilometer Schiene am
Tag ist das schweizerische Schienennetz das am meisten belastete der Welt. Um die Sicherheit auf diesem
Netz aufrecht zu erhalten gibt es verschiedene Sicherheitsanlagen, die eine automatisierte Zugsüberwachung gewährleisten. Eine dieser Anlagen ist Bestandteil dieser Thesis. Die Anlage misst in Echtzeit einige
Rollmaterialparameter bei vorbeifahrenden Zügen.
Sind die gemessenen Parameter zu hoch, wird ein
Alarm ausgelöst. Durch kontinuierliches Monitoring
der Alarmwerte kann ein Zug innert kürzester Zeit aus
dem Verkehr gezogen werden. Die heutigen Anlagen
funktionieren sehr zuverlässig, jedoch sind die Herstell- und Instandhaltungskosten relativ hoch. Wird
zudem eine Anlage z. B. durch ein Blitzschlag zerstört,
gestaltet sich die Reparatur vor Ort als sehr schwierig
und zeitaufwändig.
Die Entwicklung des Sensors und der Vorrichtungen
wurde nach den Ideen des methodischen Konstruierens durchgeführt. Mit Hilfe einer umfangreichen Analyse und den Erkenntnissen aus der vorangehenden
Projektarbeit wurde der Sensor konzipiert. Die verschiedenen Konzepte sind im Simulationsprogramm
Ansys auf ihre Funktionstauglichkeit geprüft worden.
Mit diesen Resultaten konnte der Sensor fortlaufend
optimiert und schliesslich eine Lösung mit sehr hohem
Potential erarbeitet werden. Die Vorrichtungen wurden passend zum Sensor entwickelt und ermöglichen
eine funktionssichere und einfache Montage des Sensors.
Durch den neuartigen Sensor können in Zukunft die
Herstell- aber vor allem die Instandhaltungskosten einer Anlage deutlich gesenkt werden. Die zu erwartende Messqualität erfüllt die gestellten Anforderungen
kompromisslos. Der Sensor kann im Labor vorbereitet
und verkabelt werden. Für den Einbau vor Ort sind anstelle von 8 Mitarbeitern während 8 Stunden nur noch
drei Mitarbeiter während 2 Stunden erforderlich
Pasquale Tringaniello
Ergebnisse
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BU
Die heutigen Messsysteme sind direkt an der Schiene
angebracht und nur durch grossen Aufwand realisierbar. Um die Kosten zu senken soll ein neuartiger Sensor entwickelt werden. Der neue Sensor soll möglichst
als selbstständige Einheit an die Schiene angebracht
werden können. Der Sensor muss die heutigen technischen Anforderungen vollumfänglich erfüllen und
möglichst ohne Abänderungen der Peripherie eingesetzt werden können. Zusätzlich sollen alle zur Montage des Sensors nötigen Vorrichtungen entwickelt
werden.
Patrick Von Känel
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Ziel der Arbeit
213
Neues Messsystem
ti.bfh.ch/book2014
Jetstream Zuführsystem für Verschlüsse
Industriepartner: PackSys Global, Burgdorf
214
Die Firma PackSys Global stellt Maschinen zur Bearbeitung von Kunststoffund Aluminiumverschlüsse her. Für die Zuführung der Kunststoff- und
Aluminiumverschlüsse wird ein sogenannter Jetstream eingesetzt, in welchem die Verschlüsse mittels Luftstrom transportiert werden. Dieses System Arbeitet zwar sehr zuverlässig, ist allerdings ein bisschen in die Jahre
gekommen und bedarf einer technischen Überarbeitung.
Die Lösung
Ein grosser Kritikpunkt am bestehenden System ist
die Montagefreundlichkeit. Ein Beispiel dazu ist die
Verbindung oder Trennung von mehreren Teilstücken.
So befindet sich die Verbindungsstelle innerhalb des
Luftkanals. Dies hat zur Folge, dass beim Verbinden
oder Trennen von mehreren Teilstücken jeweils fast
der halbe Jetstream demontiert werden muss. Dies generiert unnötige Arbeitsstunden. Weitere Kritikpunkte
sind die Kosten und der Footprint. Die Gestehungskosten müssen gegenüber dem aktuellen Jetstream um
50% reduziert werden. Kann diese Kosteneinsparung
nicht erreicht werden, müssen offensichtliche Vorteile
gegenüber dem aktuellen System zur Rechtfertigung
vorliegen. Die Platzverhältnisse in den Produktionshallen der Kunden von PackSys Global werden immer
kleiner. Daher sollen bei der Ausarbeitung neuartige
und flexible Gestaltungsansätze der Transportstreckenführung bezüglich beengter Platzverhältnisse berücksichtigt werden. Die Firma PackSys Global strebt
in Zukunft eine Art Baukastensortiment des Jetstreams
an, so dass sich der Kunde die Zuführstrecke anhand
der im Standardsortiment verfügbaren Teilstücke den
Jetstream selbst zusammen stellen kann. Aus diesem
Grund ist ein Baukastensortiment zu erarbeiten, mit
welchem auch bestehende Zuführstrecken nachgebaut
werden können.
Nach der Funktions- und Konstruktionsanalyse des
bestehenden Jetstreams wurden erste Ideen gesammelt und verschieden Entwürfe erstellt. Der aussichtsreichste Entwurf wurde für die Ausarbeitung weitergezogen. Das definierte Baukastensortiment besteht
aus folgenden Elementen: 4 gerade Teilstücke mit
unterschiedlichen Längen; 1 Kurvenstück, welches für
Rechts- und Linkskurven eingesetzt werden kann;
1 Übergangsstück vom Gefälle in die horizontale
Ebene; 1 Übergangsstück von der horizontalen Ebene
ins Gefälle. Durch die Ausnutzung der 3. Dimension
kann eine Staulänge von 5m auf einer Fläche von ca.
1.5 m 1.5 m erreicht werden. Als Resultat liegt ein
System vor, welches den Prototypenstatus erreich hat.
Die Gestehungskosten konnten in etwa um 50% reduziert werden und die Montage ist bedeutend einfacher. Durch das Berücksichtigen der Designanforderungen erscheint es optisch eleganter.
BU
VA
Manuel Wagner
Die Herausforderung
Abbildung 1:
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Mögliche Anordnung der Teilstücke des neuen Jetstreams
ti.bfh.ch/book2014
Prüfstand für Bahngestängesteller
Betreuer: Chistian Koblet
Industriepartner: BLS AG, Bern
Für die BLS AG wird ein Prüfstand entwickelt, der Gestängesteller prüfen
kann. In einem Zugwaggon wird mittels eines Bremszylinders die Klotzbremse betätigt. Zwischen dem Bremszylinder und den Bremsklötzen ist
im Bremsgestänge ein Gestängesteller integriert. Da bei einer Bremsung
am Bremsklotz und Rad Verschleiss entsteht, wird das Spiel zwischen den
beiden Komponenten grösser. Der Gestängesteller stellt diese Differenz
nach, indem er sich verlängert oder verkürzt.
Ausgangslage
Durch gesetzliche Vorgaben, müssen die Gestängesteller nach ihrer Revision alle 4 Jahre mittels eines Prüfstands geprüft werden. Der Prüfstand muss die Gestängesteller auf zwei Funktionen prüfen können. Ob
sich diese verlängern und verkürzen können. Um diese
Funktionen zu prüfen, werden das Spaltmass zwischen Rad und Bremsklotz und den Kraftverlust über
den Gestängesteller gemessen. Die BLS AG hat mehrere unterschiedliche Typen von Gestängesteller im Betrieb. Bei dem Prüfstand handelt es sich um eine komplette Neuentwicklung.
215
standes realisieren lässt. Einen signifikanten Einfluss
auf die Konstruktion des Prüfstands hat der Aufstellungsort in der Montagehalle. Er liegt direkt an einem
begehbaren Durchgang und muss daher von seinen Abmassen an die Umgebung angepasst werden.
Um die Sicherheit während des Betriebs zu gewährleisten wurde eine Risikoanalyse erstellt. Aus dieser
Risikoanalyse konnten schon während der Entwicklung Massnahmen zur Steigerung der Sicherheit abgeleitet werden.
René Willener
In der vorangegangenen Projektarbeit 2 wurde mit
den üblichen Prozessinstrumenten ein Entwurf erarbeitet, welcher in der Bachelorthesis ausgearbeitet
wurde. Bevor die Konstruktionsaufgaben angegangen
wurden, sind die Engineering Grundlagen für den
elektrischen Part des Prüfstandes definiert worden.
Dazu gehören die ganze Sensorik sowie die Steuerung
des Prüfstandes.
BI
BE
BU
VA
Die Ausarbeitung der einzelnen Komponenten des
Prüfstands wurde im CAD vorgenommen. Zur Konstruktion wurden Berechnungen bezüglich der Festigkeit
und geometrischen Problemen durchgeführt. Die einzelnen Komponenten des Prüfstandes sind so konstruiert worden, dass sich ein modularer Aufbau des Prüf-
Als Resultat ist ein funktionsfähiges Modell für einen
Prüfstand vorhanden. Der erstellte Prüfstand erfüllt
alle Funktionen die vorgeschrieben sind. Es können
auf dem Prüfstand mehrere verschiedene Typen von
Gestängesteller geprüft werden. Die Machbarkeit bezüglich der Herstellung und der Funktionalität ist erfüllt. Die Bedienung durch den User kann über ein Bediengerät mit Touch-Screen vorgenommen werden.
Die Steuerung und Auswertung der Prüfresultate erfolgt auch über dieses Bediengerät, welches am Gehäuse angebracht ist. Die erarbeitete Lösung die der
BLS AG übergeben wird, kann durch diese nochmals
überprüft und hergestellt
werden.
Resultat
Vorgehen
Prüfstand mit offenem Gehäuse
ti.bfh.ch/book2014
Automatische z-Achse Polygon Scanner
Betreuer: Prof. Dr. Beat Neuenschwander
Experte: Dr. Paul Peter Knobel
216
Am Instituts für Applied Laser, Photonics and Surface Technologies an der
BFH werden mit einem Ultrakurzpulslaser und einem Polygonscanner Versuche zur hochproduktiven Laser-Mikrobearbeitungen durchgeführt. Der
aktuelle Aufbau des Scanners ermöglicht nur eine begrenzte Höhenverstellung des zu bearbeitenden Teils mittels eines Hubtisches, der auf Linearachsen montiert ist. Ein neuer Aufbau soll diese Nachteile beseitigen und
zudem eine automatische Höhenverstellung gestatten.
Ausgangslage
Im Inneren des Scanners befindet sich ein Polygonrad
welches den Strahl entlang einer Linie ablenkt. Mit
einer zusätzlichen Linearachse, die sich quer zu dieser
Scanrichtung bewegt, wird eine Fläche bearbeitet.
Eine zweite Linearachse in Scanrichtung erlaubt die
Realisation spezieller Bearbeitungsstrategien.
Danach gilt es alle notwendigen Komponenten auszuwählen und frühzeitig zu bestellen, da für manche
Komponenten mit einer langen Lieferfrist gerechnet
werden muss. Die Fertigungs- und Montagezeichnungen werden aus dem CAD-Modell erstellt und die zu
produzierenden Bauteile wurden in die Fertigung gegeben. Anschliessend wurde die Programmierung des
gewählten Motors und des Messtasters in der Programmiersprache Python implementiert.
Die Abschlussarbeiten beinhalten die Endmontage
sowie erste Versuche mit dem neuen Scanner.
Benjamin Willi
Auf diesen zwei Linearachsen in einer Kreuztischanordnung befindet sich ein «LabJack» als Hubtisch,
eine Neigungsverstellung zur Justierung der Bearbeitungsebene sowie ein Vakuumtisch als Teilehalterung.
Um die bewegte Masse so gering wie möglich zu halten soll der Hubtisch entfernt und der ganze Scanner
in z-Richtung automatisch bewegt werden.
passt. Die durchgeführten Änderungen werden in
einem CAD-Modell umgesetzt.
VA
Ausgangslage, Aufbau der im Reinraum stand
BE
BU
Ziel
Ziel dieser Thesis ist die praktische Realisierung eines
neuen Aufbaus, die Inbetriebnahme der Automatischen z-Achse, sowie dessen Einbindung in die bestehende Steuerung. Dabei gilt es auf dem Stand der
Erkenntnisse aus zwei vorangegangenen Projektarbeiten, in denen verschiedene Konzepte ausgearbeitet,
bewertet und ausgewählt wurden, aufzubauen.
BI
Vorgehen
Zuerst werden Berechnungen und Auslegungen durchgeführt. Anschliessend wird die aus der letzten Vorarbeit stammende Konstruktion vereinfacht und angeti.bfh.ch/book2014
CAD-Modells des Aufbau ohne Spiegel und Absaugung
Baukasten Kompaktschleifer
Industriepartner: Scintilla AG, Solothurn
Die Scintilla AG gehört zur Robert Bosch GmbH und produziert handgeführte Elektrowerkzeuge für die Holzbearbeitung. Schleifen ist eine Langzeitanwendung, daher ist ein ergonomisches und leistungsstarkes Schleifsystem wichtig. Im Vergleich zu herkömmlichen AC-Universalmotoren besitzen EC-Motoren eine höhere Leistungsdichte. Dadurch sind besonders
kompakte und leistungsfähige Produkte möglich. Aus diesem Grund soll
eine neue Kompaktschleifer-Produktepalette entwickelt werden.
EC-Motoren sind kohlebürstenlose Elektromotoren,
welche anstelle des mechanischen Kollektors elektronisch kommutiert werden. Die Produktherstellungskosten für Motor und Elektronik sind wesentlich höher
im Vergleich zu herkömmlichen Universalmotoren.
Durch die Verwendung von möglichst vielen Gleichteilen für unterschiedliche Endprodukte, können die
Stückzahlen erhöht werden. Dies wirkt sich positiv auf
die Wirtschaftlichkeit aus. Auf diesem Prinzip aufgebaute Produktepaletten werden als Baukasten bezeichnet. Das Ziel der Bachelorthesis ist die Entwicklung eines Kompaktschleifer-Baukastens basierend
auf EC-Motor-Technologie.
Vorgehen
Ergebnis
Andreas Zurbrügg
Das Ergebnis der Bachelorthesis ist ein Kompaktschleifer-Baukasten, bestehend aus vier Exzenterschleifern und einem Schwingschleifer. Der Aufbau ist
stark durch die gemeinsame Verwendung von Einzelteilen und Baugruppen geprägt. Der Standpunkt des
Marketings, die Marktsituation, wichtigste Konkurrenzprodukte, Anwendungsbereich und auch KnowHow aus bestehenden Produkten sind in das Projekt
eingeflossen. In diesen unscheinbaren Produkten stecken viele Funktionen, deren Zusammenhänge und
Auswirkungen in der Arbeit übersichtlich dargestellt
sind. Auf diesem Fundament kann eine neue Produktpalette, basierend auf der EC-Motor-Technologie, entstehen.
BI
BE
BU
VA
In der vorangegangenen Projektarbeit wurden die
Grundlagen und erste Konzepte eines Kompaktschleifer-Baukastens erarbeitet. Der Stand der Technik wurde
mittels Marktanalyse und Patentrecherche ermittelt.
Der Anwendungsbereich und das Potenzial von Kompaktschleifern wurden aufgezeigt. Die Schnittstellen
des Schleifers zur Umgebung wurden in die Informationsbeschaffung miteinbezogen. Die intern verfügbaren
oder in Entwicklung befindlichen Antriebsmöglichkeiten und auch alternativen mit Netz- und Akkubetrieb
wurden aufgezeigt. Anhand der geschaffenen Grundlage und unter Einbezug von Marketing und Auftraggeber
ist ein Konzept ausgewählt und die Produktepalette
festgelegt worden. In der Bachelorthesis wurde das Ergebnis aus der Projektarbeit erneut aufgegriffen und in
einer weiteren Analysephase mit Schwerpunkt auf Antriebsmechaniken von Exzenter- und Schwingschleifern
verfeinert. Schliesslich wurde mittels Methoden der
Produktentwicklung eine prototypreife CAD-Konstruktion erarbeitet. Der Einfluss des unterschiedlichen
Aufbaus ist durch Berechnungen dargelegt und bildet
eine gute Grundlage für erste Versuche mit Prototypen.
Ausgangslage
217
BOSCH Exzenterschleifer GEX 125-150 AVE Professional und
Schwingschleifer GSS 230 AVE Professional
ti.bfh.ch/book2014
Uhrenkomplikation – Auslösemechanismus eines
Chronographen
Fachgebiet: Mikrotechnik
Betreuer: Prof. Yves Mussard
Experte: Christian Rüfenacht (ETA SA)
Industriepartner: ETA SA, Grenchen
220
Ein Chronograph ist eine mechanische Uhr mit der Zusatzfunktion des
Zeitstoppens. Es ist ein grosser Wunsch der Uhrenbranche etwas Neues,
Bestechendes zu entwickeln. Damit der traditionelle Chronograph mehr
Platz findet in der modernen Welt, soll ein neuer Auslösemechanismus
entwickelt werden.
Martina Andenmatten
martina.andenmatten@
gmail.com
Ausgangslage
Vorgehensweise
Grundsätzlich gibt es zwei Ausführungen um einen
Chronographen zu betätigen. Zuerst wurde die Zeit
mit nur einem Drücker gestoppt, genannt «Monopoussoir». Später wurde die Mechanik auf zwei Drücker aufgeteilt, was auch das Pausieren einer Stoppsequenz ermöglichte.
Zu Beginn wurde im Team ein Brainstorming durchgeführt. Die Ideen sollten den Kunden ansprechen
und durch ihre Einfachheit brillieren. Der technische
Aspekt war zu diesem Zeitpunkt noch ausser Acht zu
lassen.
Die Konstruktion der Uhrenwerke ist langjährig geprüft und hat sich bewährt. Die perfektionierte
Grundkonstruktion des Werks sollte deshalb bestehen
bleiben. Durch ein Zusatzmodul zwischen Werk und
Gehäuse sollte eine innovative Auslösung des Stoppmechanismus dazu entwickelt werden.
Ziel
Es soll ein Mechanismus entwickelt werden, welcher
die Funktionen «Start», «Stopp» und «Zurücksetzung
auf Null» auslösen kann. Die Konstruktion wird als
Zusatzmodul eines Chronographen in ein Gehäuse
integriert.
Im Anschluss wurden die Ideen zusammengetragen
und bewertet. Vier Varianten überzeugten besonders
und wurden weiter verfolgt. Nach eingehenden Abklärungen und ersten Berechnungen mussten einige
Lösungsvarianten verworfen werden.
Schliesslich fand sich eine mechanische zuverlässige
Lösung, welche den Chronographen auslösen, stoppen
und schliesslich zurück auf Null setzten liess. Das Basiswerk ist ein Chronographenwerk, welches nicht verändert wurde.
Ergebnisse
Es gelang, das Werk zu führen, ohne dass eine Verkantung eintreten kann. Anhand eines Funktionsmusters
konnte die Berechnung bestätigt werden.
Zudem wurde ein Hebel konzipiert, welcher den Weg
und die nötige Kraft übertragen kann. Er befindet sich
zwischen dem Werk und dem Gehäuse.
VA
Eine grosse Herausforderung war die Abdichtung des
Systems, da das Gehäuse nicht mehr statisch ist.
Ausblick
BU
Anhand der ausführlichen Prinzipstudie mit anschliessender Erstkonstruktion, können nun erste Prototypen gemacht werden, um anhand der neuen Erkenntnisse das Produkt zu optimieren.
BI
BE
CAD-Modell des neuen Gehäuses mit integriertem Auslösemechanismus
ti.bfh.ch/book2014
«Duck Family»: Autonomous robot
Domaine spécialisé: Technique des capteurs
Chargés: Dr. Bertrand Dutoit, David Luggen
Expert: Dr. Peter A. Neukomm
Le travail avec des robots autonomes fait partie du quotidien. Utilisés tant
dans les domaines technique que social, ils ont parfois une tâche ludique
et attractive. Ce travail contribue au projet «Duck Family» et a pour objectif la conception et la programmation d’une unité mobile, «Baby Duck», et
ayant la capacité de se déplacer de manière autonome afin de rejoindre sa
maman, «Mama Duck». Ce projet a pour but une exposition interactive représentant une famille de canards.
Le canard ,représenté par une unité mobile terrestre,
doit pouvoir se déplacer de manière autonome en direction de sa maman. Pour cela, un signal de direction
doit être interprété afin de commander le robot. Le canard cherche l’orientation dans laquelle se trouve sa
maman par la rotation de sa tête puis se déplace afin
de la rejoindre.
De plus, une télécommande doit pouvoir commander
librement le caneton. Deux modes de fonctionnement
sont alors définis. Le mode «Free» dans lequel il se
déplace librement selon les ordres de la télécommande et le mode «Home» où il se dirige dans la direction de sa maman.
très importante de régulation. En effet, la rotation de
la tête dans une direction précise ainsi que l’orientation exacte du robot sont possibles uniquement grâce
à une régulation complexe composée de deux boucles
successives.
Une dernière tâche a été la commande à distance du
système. Au travers d’une télécommande utilisée dans
le modélisme, le canard peut se déplacer librement
grâce aux signaux reçus sur un récepteur 2.4GHz. Le
contrôle de sa vitesse et de sa direction sont alors effectués. Au travers d’un switch sur la télécommande,
le déplacement autonome en direction de sa maman
(«Home mode») est possible.
Résultats
Travail
Le contrôle du canard «Baby Duck» par la télécommande ainsi que son déplacement autonome vers sa
maman «Mama Duck», sont fonctionnels et correspondent au cahier des charges. Le temps de réaction
du système avoisine les 3 secondes pour le mode autonome et les tests au sol dans le laboratoire sont
réussis.
Des améliorations telles que la commande de direction par système optique ainsi que la mesure de distance par ultrasons seront à venir.
angelozfred@gmail.com
Unité mobile représentant un canard
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La majeure partie de ce travail se situe dans le domaine de la programmation. En effet, un programme a
été conçu afin de contrôler la direction du canard et la
position de sa tête. Pour interpréter le signal de direction dans laquelle se situe sa maman, le canard «Baby
Duck» a comme capteur, sur sa tête, un potentiomètre
de direction dont l’orientation est donnée par un élastique. Un microcontrôleur interprète ce signal et commande la position de la tête ainsi que les moteurs du
robot. Pour cela, un circuit imprimé a été conçu afin
de permettre la coordination de tous ces composants.
Le programme conçu comprend également une partie
Frédéric Angéloz
Objectifs
221
Schéma bloc de l’unité mobile
ti.bfh.ch/book2014
OCT Scanhead for Speckle Reduction
Fachgebiet: Optik
Betreuer: Anke Bossen, Thomas Lüthi
Experte: Alexander Holzer
222
OCT-Bilder erscheinen körnig und verrauscht. Der Grund dafür sind
Speckles (Sprenkel). Diese Arbeit soll aufzeigen, wie sich die Bildqualität
durch die Reduktion des Speckle-Rauschens verbessert. Dafür wurde
ein neuer Messkopf konstruiert, der Aufnahmen des selben Punktes aus
unterschiedlichen Winkeln erlaubt. Das Überlagern solcher Aufnahmen
reduziert das Speckle-Rauschen. Um Tests durchzuführen, wurde der
neue Messkopf in ein bestehendes OCT-System des OptoLab integriert.
Ausgangslage
Gregor Frech
Speckles sind Interferenzeffekte, die auftreten, wenn
monochromatisches Licht auf Strukturen in der Grössenordnung der Wellenlänge trifft. Durch Reflektionen
an verschiedenen Punkten im Gewebe werden die
Lichtwellen zueinander phasenverschoben, und es
entstehen Interferenzmuster. Diese Interferenzmuster
sind abhängig von der Struktur im untersuchten Objekt. Zwei Bilder des selben Punktes des Objekts,
jedoch unter einem leicht verschiedenen Winkel aufgenommen, weisen nicht das selbe Specklemuster auf.
Werden mehrere solche Bilder übereinander gelegt,
verlieren die Speckles an Intensität gegenüber der
eigentlichen Struktur im Objekt. Dieser Effekt soll zur
Reduktion des Speckle-Rauschens genutzt werden.
Ein neuer Messkopf (siehe Bild 1) wurde konstruiert
und in ein bestehendes OCT System des OptoLab integriert. Der Scankopf und das Objektiv stammen vom
bestehenden System. Neu wird das Licht von der Quelle über den linken Kollimator in den Messkopf geführt.
Via Beamsplitter, Scankopf und Objektiv gelangt es
auf das Sample.
Ergebnisse
Messungen an Objekten (Apfel, Zahn, Gummi, Zitrone)
haben eine deutliche Verbesserung der Bildqualität
gezeigt (siehe Bild 2). Bereits mit vier Aufnahmen und
einer Variation des Winkels um gesamthaft 3° konnten
erhebliche Verbesserungen erzielt werden. Innere
Strukturen in stark reflektierendem Material können
deutlicher erkannt werden. Die Rauschamplitude in
homogenem Material verkleinert sich um den Faktor
zwei.
BE
BU
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Vorgehen
Die diffuse Reflexion am Sample wird durch Objektiv,
Scankopf und Beamsplitter mit einer Apertur von 5mm
auf die Linse L1 geleitet. Die Linse fokussiert auf den
beweglichen Spiegel. Mit dem Spiegel wird gesteuert,
welcher Teil der Reflexion via Linse L2 und Kollimator
in die Faser und somit auf das Spektrometer zur
Auswertung gelangt.
Um den Aufbau zu testen, musste der Interferometertyp des OCT-Systems geändert werden. Da der neue
Messkopf einen transmissiven Messarm bedingt,
musste das System als Mach-Zehnder-Interferometer
aufgebaut werden.
BI
Bild 1: Der neue Messkopf, das Herzstück des Systems.
Scankopf und Objektiv wurden vom bisherigen System über
ti.bfh.ch/book2014
Bild 2: Aufnahme einer Wand im Apfelkern.
links: einfacher B-Scan, rechts: B-Scan mit Speckle-Reduktion
Untersuchung von Fluideinschlüssen in Stalagmiten
mittels Optischer Kohärenztomographie
Fachgebiet: Optik-Photonik
Betreuer: Prof. Dr. Lorenz Martin, Prof. Christoph Meier
Experte: Dr. Michael Rüegsegger (Universität Bern)
Stalagmiten in Höhlen wachsen über geologische Zeiträume. Dabei bilden
sich Fluideinschlüsse im Kalzit. Am Institut für Angewandte Physik der
Universität Bern wurde ein Verfahren entwickelt, mit welchem die Höhlentemperatur zum Bildungszeitpunkt eines solchen Einschlusses bestimmt
werden kann. Dazu muss das Volumen des Einschlusses non-destruktiv
bestimmt werden. Ziel dieser Bachelor-Thesis war es, solche Volumina
mittels Optischer Kohärenztomographie (OCT) zu messen.
Das Ziel der vorliegenden Arbeit war es, eine Methode
zu entwickeln, mit welcher Volumina von Fluideinschlüssen in Stalagmiten mittels OCT ausgemessen
werden können. Dazu musste zuerst die Optik eines
bestehenden OCT-Gerätes an die Aufgabe angepasst
werden.
Vorgehen
Stephan Gräub
Ergebnisse und Fazit
Das entwickelte Positioniersystem für Mikroskop und
OCT konnte getestet und dessen Funktionalität erwiesen werden. Es konnte eine Volumenabschätzung
eines ausgewählten Einschlusses gemacht werden.
Die Mittelung von mehreren B-Scans brachte ein verbessertes Signal-zu-Rausch-Verhältnis. Eine exakte
Volumenbestimmung von beliebigen Einschlüssen ist
jedoch zum jetzigen Zeitpunkt noch nicht möglich.
Der grösste Störeinfluss bei der Bildaufnahme ist die
Doppelbrechung von Kalzit.
Dreidimensional dargestellter C-Scan mit Fluideinschluss
(oben). B-Scan desselben Einschlusses (unten).
BI
Aufgebaute Optik mit Mikroskop-Objektiv und Teleskop
(links). Probenhalter mit Stalagmitenprobe (rechts).
BE
BU
VA
Für die Messungen an Stalagmiten wurde ein in axialer
Richtung hochauflösendes, breitbandiges OCT-Gerät
verwendet, welches bei 800nm ± 60nm betrieben
wird. Um den Spot auf der Probe zu verkleinern und
somit die transversale Auflösung zu verbessern, wurde
ein Mikroskop-Objektiv verwendet. Dazu musste
mit einem Teleskop der Spiegeldrehpunkt des OCTScanners in die Objektivbrennebene abgebildet werden. Die neue Optik wurde mit Referenztargets getestet und die Spotgrösse mit der Knife-Edge-Methode
gemessen. Mit einem OCT-System können B-Scans
(zweidimensionale Schnittbilder durch die Probe) und
C-Scans (dreidimensionale Information) aufgenommen
werden. Da die Fluideinschlüsse von Auge nicht erkennbar sind, wurde zusammen mit einer parallelen
Bachelor-Thesis ein Positioniersystem entwickelt.
Damit können Einschlüsse unter dem Konfokal-Mikroskop lokalisiert und mit dem OCT an genau derselben
Stelle gemessen werden. Um das Signal-zu-RauschVerhältnis zu verbessern, wurden mehrere B-Scans
gemittelt. Da zu Beginn der Arbeit unklar war, wie die
Einschlüsse im OCT aussehen, wurden C-Scans aufgenommen und diese mit einer Bildbearbeitungs-Software dreidimensional dargestellt. Es wurde eine erste
Volumenabschätzung eines ausgewählten Einschlusses mithilfe von verschiedenen Näherungen der Form
des Einschlusses gemacht.
Ziel der Arbeit
223
ti.bfh.ch/book2014
Autonomous Surveillance and Flying of a
Quadrocopter
Subject: Robotic
Thesis advisor: Prof. Dr. Björn Jensen
Expert: Dr. Thomas Nussbaumer (RUAG)
Project partner: RUAG, Thun
224
The autonomous surveillance of areas is gaining importance in various
fields of application. A GPS-guided multirotor drone equipped with an onboard processor and a camera is a well suited solution for this task. The
Asctec Pelican drone with the additional hardware is a powerful platform
which has the potential to become fully autonomous. To ensure the independency of the drone and the ability to get information about the environment the software had to be developed.
Objectives
The onboard computer had to be prepared to operate
with the robot operating system (ROS). To accomplish
the autonomy various concepts and their realisation
had to be developed. A way to generate an image
based map had to be found and the drone should be
able to process this algorithm on its onboard processor.
Concepts
Silvan Häfeli
Autonomous Flying: To do the take-off a positive
z-velocity command is sent to the drone until the
flight height is reached. To land the drone a negative
z-velocity command is sent. During the flight the
drone follows a path of waypoints which are created
by the use of pattern-algorithms.
Image based map: By tagging the images taken with
the GPS-coordinates, a position based map of the
environment is processed. Depending on the flight
height the images have to be adjusted to guarantee a
correct image size.
Results
The onboard computer was prepared with different
ROS-packages to ensure the ability to send tasks to
the drone. Various information of the drone as well as
the images of the equipped camera can be accessed.
BI
BE
BU
VA
haefeli.silvan@gmail.com
The foundation was laid to inspect a known area independently following the concept above. The drone is
now capable of regulating the flight to GPS-waypoints.
An area can be covered by using the creeping-line
pattern and by using the expanding spiral pattern, a
search beginning from a starting point can be done.
GPS-tagged images can be taken autonomously during
the flight and are later processed on the onboard processor into a map of the whole overflown area. The
images can be taken at a certain frequency or by
reaching a waypoint in the autonomous-flight-program
from above.
Testing different flight modes
ti.bfh.ch/book2014
Map processed from gps-tagged images.
A laser-based registration technique for image
guided laparoscopic liver surgery
Subject: Medizintechnik
Thesis advisor: Prof. Dr. Jörn Justiz
Experts: Prof. Dr. Stefan Weber (ARTORG), Matteo Fusaglia
Project partner: CAScination AG, Bern
The accuracy of a navigated laparoscopic surgery depends on the precise
detection of the organ’s position and orientation (i.e. registration). Contactless registration of soft organs, such as the liver, would provide better accuracy because it does not deform the tissue. The aim of this bachelor thesis is to develop a non-contact registration technique based on surface
scanning by using a laser tool in addition to the common laparoscopic
equipment.
Navigated laparoscopic surgery can be compared to
the use of a navigation device. An accurate 3D-model
of the patient’s liver, showing the surface and the position of vessels and metastases is used as the map
for the medical navigation system. When the liver’s
position and orientation is computed (i.e. registration), the navigation system provides instructions to
the surgeon on how to move the tracked instruments
in order to reach the target.
The registration is one of the crucial points in navigated surgery, because the accuracy of the whole surgery
is depending on it. The main requirements and difficulties of the registration are a high precision and an
easy, intuitive handling. Common registration procedures require contact to the liver, which exerts a
deformation and may result in an inaccurate registration, if one does not proceed extremely carefully. Existing contactless registration procedures are complicated, inconvenient and expensive.
scope’s image, and the position of the laser tool and
the endoscope is known. The software detects the laser spot in the endoscope’s image automatically and
calculates its position up to twenty times per second.
These spots lie on the scanned liver’s surface which
can consequently be reconstructed.
Laser tool
Since the laser pointer has to be sterile, a sterilizable
bag is used. In addition a sterilizable, laparoscopic
encasement is produced, where the laser can getting
inserted and aligned.
Hanspeter Hess
hess.hanspeter@gmail.com
Results
The registration technique developed in this thesis,
is tested with rigid liver models. Registration accuracies, similar to common, more complicated registration procedures, can be achieved. Concerning to the
advantages of the non-contact registration process
and the good operability, the developed laser tool
could replace hereafter common registration procedures.
Principle
BE
BU
VA
The process to calculate the laser spot’s position and
thus to reconstruct a surface is based on optical triangulation. The triangulation is a geometrical method of
optical distance measurement. The laser spot’s position can be calculated if it is detected in the endo-
Introduction
225
laser spot points (grey) are matched with the data of the
model (black)
BI
Tracked laser tool and endoscope with projected laser spot on
the liver
ti.bfh.ch/book2014
Lokalisierung eines mobilen Roboters mittels Kamera
Fachgebiet: Robotik
Betreuer: Prof. Dr. Björn Jensen
Experte: Dr. Gilles Caprari (GCTronic)
Industriepartner: GCTronic, Lugano
226
Als Ziel der Arbeit soll sich ein mobiler Roboter mittels Kamera lokalisieren können. Als Ausgangslage diente ein Wheelphone, ein mobiler Roboter
mit Differentialantrieb, welcher zusammen mit einem Mobiltelefon betrieben wird. Mit Hilfe der visuellen Odometrie kann durch Analyse der Kamerabilder die Position und Orientierung des Roboters geschätzt werden.
Mittels verschiedener Methoden in ROS konnten erste Versuche der Lokalisierung erfolgreich umgesetzt werden.
Ausgangslage
André Hofer
Als Roboter wurde ein Wheelphone mit einem Android
Smartphone zur Verfügung gestellt. Das Wheelphone
ist ein kleiner mobiler Roboter mit einem Differentialantrieb. Das Mobiltelefon dient primär als Steuereinheit für das Wheelphone, könnte aber auch als Sensorplattform genutzt werden. Das Mobiltelefon liefert die
nötigen Kamerabilder, damit die Lokalisierung mittels
visueller Odometrie (VO) realisiert werden kann.
Softwareentwicklungen werden mit Hilfe von ROS
(Robot Operating System), realisiert. ROS ist ein umfangreiches Betriebssystem, mit dem möglichst einfach komplexe und robuste Robotersteuerungen entwickelt werden können. Als Programmiersprache wird
C++ verwendet.
Mit Hilfe der visuellen Odometrie kann die Position
und Orientierung eines mobilen Roboters geschätzt
werden. Dafür werden laufend Kamerabilder analysiert, um Änderungen, welche durch die Bewegung
hervorgerufen werden, zu erkennen. In dieser Arbeit
ist die VO mit nur einer Kamera, also die monokulare
visuelle Odometrie von Bedeutung.
Evaluation von VO Algorithmen
Für die Arbeit mit PTAM (Parallel Tracking and Mapping) musste die Kamerakonfiguration geändert werden, damit die Kamera des Mobiltelefons nach unten
zeigt. Jedoch wurde in dieser Arbeit das Mobiltelefon
durch eine leitungsstärkere USB Kamera ersetzt. Dies
auf Grund der schlechten Bildqualität und Übertragungsrate des Mobiltelefons.
Lokalisierung mittels PTAM
Die Lokalisierung mittels PTAM erzielte bei Drehungen
relativ gute Ergebnisse. Über kurze Strecken konnte
die Lokalisierung realisiert werden, jedoch weisen die
Resultate hohe Positiondrifts auf. Bevor die Lokalisierung über eine lange Strecke ermöglicht werden kann,
müssen zuerst die Fehlerquellen eruiert und beseitigt
werden.
BI
BE
BU
VA
Ziel
Im Rahmen dieser Arbeit wurden zwei Methoden untersucht, die zu unterschiedlichen Ergebnissen führten. Die erste Methode «viso2», welche eigentlich für
Strassenfahrzeuge entwickelt wurde, und die zweite
Methode «ethzasl_ptam», welche für MAV’s (Micro Air
Vehicle) entwickelt wurde. Die erste Methode hatte
deutliche Schwierigkeiten bei der Erkennung von Drehungen. Mit der zweiten Methode wurden dagegen
bessere Ergebnisse erzielt.
Änderung der Kamerakonfiguration, damit die Kamera vom
Mobiltelefon nach unten zeigt.
ti.bfh.ch/book2014
Lokalisierung mittels PTAM: Trajektorie (gelbe Linie) und
gefundene Features (farbige Punkte).
Mediengetrennte Druckmessung
Fachgebiet: Medizintechnik
Betreuer: Prof. Dr. Jörn Justiz, Prof. Daniel Debrunner
Experte: Fachexpertin
In Zusammenarbeit mit industriellen Partnern wird an der Berner Fachhochschule eine neue Version eines Atemtherapie-Gerätes entwickelt.
Durch die Therapie wird bei Patienten die Leistungsfähigkeit des Atemsystems verbessert und die Lebensqualität gesteigert.
Eine wichtige Aufgabe des Atemtherapie-Gerätes ist
die Bestimmung des Drucks beim Ein- und Ausatmen,
was durch ein zu entwickelndes Druckmessystem realisiert werden soll. Die Atemluft darf bei der Messung
das Sensorelement und die dazugehörende Elektronik
nicht kontaminieren. Daher muss die Druckmessung
mediengetrennt durchgeführt werden, wobei die Trennung der Atemluft die Messung nicht negativ beeinflussen darf.
Erkenntnissen basierend wurde das erfolgversprechendste Messprinzip ausgewählt und in einem Funktionsmuster umgesetzt. Hierzu wurde ein CAD-Modell
entwickelt und anschliessend mittels Rapid Prototyping gebaut. Die Software für die Testmessungen mit
dem Sensor wurde dabei in LabVIEW geschrieben. In
Form einer Detail-Studie wurden Einflüsse wie Membranmaterial, Alterung, Temperatur und Lageposition
am Messaufbau getestet. Mittels dieser Ergebnisse
konnte das Funktionsmuster hinsichtlich Langzeitstabilität und Wiederholgenauigkeit optimiert werden.
Ziel
Ziel der Bachelorarbeit war es, ein geeignetes Druckmesssystem zu finden, welches den definierten Anforderungen entspricht und dieses in Form eines Funktionsmusters zu realisieren. Anhand verschiedener
Messungen wurde das Druckmesssystem charakterisiert und optimiert.
Vorgehen
innigerfil@hotmail.com
Ergebnisse
Die Prinzip-Studie zeigt, dass eine Medientrennung mit
Hilfe einer Membrane den Anforderungen am besten
entspricht. Die Messergebnisse mit dem entwickelten
Funktionsmuster belegen, dass das gewählte Prinzip
die im Atemtherapiegerät auftretenden Drücke mit hoher Sensitivität messen kann. Die verschiedenen Einflüsse, die auf das Messsystem einwirken, konnten
charakterisiert und zum Teil optimiert werden.
Abbildung 1: Software für die Testmessungen in LabVIEW
Abbildung 2: Funktionsmuster für eine mediengetrennte
Druckmessung
ti.bfh.ch/book2014
BI
BE
BU
VA
Im Rahmen einer Prinzip-Studie wurden verschiedene
Messprinzipien erarbeitet, verglichen und bewertet.
Anhand der gewonnen Erkenntnisse konnten vier Prinzipien ausgewählt und weiterverfolgt werden, wobei
die Medientrennung dabei jeweils durch die Verwendung einer Membrane erfolgte. Da die Membrane ein
kritisches Bauteil darstellt, wurde sie in einem speziell entwickelten Testaufbau untersucht. Auf diesen
Philippe Inniger
Ausgangslage
227
Entwicklung eines Eye Trackers für die Retinale
Laserphotokoagulation
Fachgebiet: Optik - Photonik
Betreuer: Anke Bossen
Experte: Kaspar Steiner (ARTORG)
228
Krankheiten wie diabetische Retinopathie oder altersbedingte Makuladegeneration können mit retinaler Laserphotokoagulation behandelt werden.
Um ungewollte Verletzungen der Retina während der Laserbehandlung zu
vermeiden, ist es notwendig, die Augenbewegungen während der Behandlung zu detektieren. Die Mechanik eines solchen Eye Trackers wurde während dieser Bachelorarbeit entwickelt.
Ausgangslage
Während der Behandlung kontrolliert der Arzt mit einem Scanning Digital Ophthalmoscope (SDO) den Effekt auf der Retina und wählt die nächsten Zielpunkte
für den Laser aus. Die Bildfrequenz des SDO ist allerdings zu tief, um die schnellen Augenbewegungen zu
detektieren. Dafür wird ein zusätzlicher Eye Tracker
benötigt.
Christophe Leupi
BU
VA
ch_leupi@bluewin.ch
Die Signale der beiden eindimensionalen Sensoren
des Eye Trackers werden von einem Mikroprozessor
verarbeitet. Ist die Abweichung des aktuellen Signals
zur Referenz zu gross, unterbricht der Mikroprozessor
den Laserstrahl.
Basierend auf den ersten Testmessungen wurde der
zweite Prototyp modelliert. Unter anderem wurde
die Stabilität verbessert und die Bildweite verlängert.
Ausblick
Die Messungen sollen mit dem zweiten Prototyp wiederholt werden.
Dabei sollte auch die optimale Stärke des Infrarotlichts bestimmt werden.
Eine Verkleinerung der Sensorplatine ist erstrebenswert. Dadurch ist es möglich die Sensoren näher bei
den Linsen zu platzieren.
Ziel der Bachelorarbeit war es, das bislang verwendete Eye Tracking System zu verkleinern. Zudem sollen
die Sensoren des Eye Trackers in der Nähe des
SDO-Tubus platziert werden.
Vorgehen
Um die Augenbewegung zu detektieren, wird das Auge
des Patienten mit Infrarotlicht beleuchtet. Die Reflexion wird mit Spiegeln auf den SDO-Tubus umgelenkt
und mit zwei Linsen auf die Sensoren abgebildet.
Aufgrund des deutlichen Farbunterschiedes, sollen die
Sensoren auf die Limbuskante, den Übergang von Iris
zu Sklera, gerichtet sein.
Der Arzt kann während der Behandlung das SDO bewegen. Anhand dieser Bewegungen wurde der Messbereich abgeschätzt, so dass die Limbuskante immer
von den Sensoren erfasst wird. Daraus konnte die benötigte Vergrösserung des Bildes berechnet werden.
BE
Es wurden zwei Prototypen des Eye Trackers modelliert. Beide zeichnen sich durch ihre Kompaktheit aus.
BI
Ergebnisse
Mit dem ersten Prototyp wurden Test-Messungen
durchgeführt. Die berechnete Vergrösserung des Bildes konnte nicht erreicht werden.
ti.bfh.ch/book2014
3D-Modell des Eye Trackers
OCT-Schichtdickenmessungen
Fachgebiet: Mikrotechnik
Betreuer: Prof. Anke Bossen
Experte: Alexander Holzer (Zumbach)
Industriepartner: Zumbach Electronics AG, Orpund
Die erweiterten technischen Möglichkeiten in der Kunststoffindustrie stellen viele Industriepartner vor neue Herausforderungen. Die prozesssichere
Messung von kleinen, materialtechnisch komplexen Kunststoffschläuchen
für die Medizintechnik ist eine davon.
Das Einsatzgebiet wird vor allem in der Schichtdickenmessung von durchsichtigen, mehrschichtigen kleinen
Schläuchen gesehen. Im Gegensatz zu herkömmlichen
Methoden wie die Ultraschallmessung hat die OCTMessung einige Vorteile. Dazu gehören die gute Tiefenauflösung sowie auch der Umstand, dass das Messobjekt nicht in Flüssigkeit gemessen werden muss.
In einem aufgebauten Laborversuch konnten die Resultate von vorgängigen Forschungen bestätigt und vertieft werden. Die Herausforderung war, sämtliche Aspekte des Laborversuches in ein einziges Gehäuse mit
einem einzigen Elektronikprint zu implementieren.
Das Resultat ist ein Prototyp, der bereits sämtliche
wichtigen Funktionen wie Stromversorgung, Optik,
Triggerung und die Motorkontrolle des Spiegels kompakt vereint. Der Prototyp erzeugt Bilder von gleicher
Qualität wie der Laborversuch.
Die Messung von verschiedenen Schläuchen hat anschliessend gezeigt, dass es stark auf die Beschaffenheit bezüglich Geometrie und Kunststoffart sowie
Einfärbung der Schläuche an kommt, wie tief und detailliert der Schlauch dargestellt werden kann. Weiterführende Arbeiten in diesem Projekt werden sich deshalb auf die Bildoptimierung und Datenverarbeitung
konzentrieren.
Marius Lüdi
Prototyp zum Messen von Schichtdicken in Schläuchen
BI
BE
BU
VA
Im nun realisierten Messaufbau wird Infrarotlicht fokussiert auf das Messobjekt gebracht. Mittels eines
Spiegels wird dieser Lichtstrahl so abgelenkt, dass er
sich bis zu 30mal pro Sekunde über den gesamten
Schlauchdurchmesser bewegt. Das eingebaute System
für die Triggerung sorgt dafür, dass die Daten im richtigen Moment ausgelesen werden, und so ein gutes
Bild des Schlauches entsteht.
Die Projektpartner messen und überwachen endlos
produzierte Produkte wie Drähte, Schläuche und Kabel. Die, normalerweise in der Medizin beheimatete,
Optische Kohärenztomographie (OCT) stellt dabei ein
neues berührungsloses Messkonzept dar.
229
Messung eines Kunststoffschlauches
ti.bfh.ch/book2014
Inclusions in Stalacmites for Paleoclimate
Reconstructions
Fachgebiet: Optik/Photonik
Betreuer: Prof. Christoph Meier
Experte: Dr. Michael Rüegsegger
Projektpartner: IAP Universität Bern
230
Die Paläoklimatologie nutzt Klimaarchive wie z. B. Fluideinschlüsse in
Stalagmiten, um Rückschlüsse auf die Klimaentwicklung zu machen.
Physikalische Berechnungen, die auf die Temperatur schliessen, setzen
die Kenntnis über Dichte als auch Volumen von Fluideinschlüssen voraus.
Das Ziel der Bachelor Thesis ist, mit mikroskopischen Methoden sowie
Bildbearbeitung das Volumen von Fluideinschlüssen in Stalagmiten
bestimmen und darstellen zu können.
Ausgangslage
Cuno Moser
Ziel
Die Erkundung des Themengebietes sowie das Erarbeiten von Lösungsansätzen für die digitale Bildbearbeitung und der ihr zugrunde liegenden Mikroskopie definieren das Ziel dieser Thesis.
Durch konfokale Tiefenmessung besteht die Möglichkeit, Tiefeninformationen für eine Volumenabschätzung zu erhalten. Ansonsten muss versucht werden,
die Tiefeninformation durch OCT-Messungen (siehe
Bachelor Thesis von Stephan Gräub) herbeizuführen.
Die Identifizierung der Einschlüsse in Proben sowie
die Ausgabe der Flächen- und Referenzinformationen
durch Mikroskopie werden realisiert durch Entwicklung eines LabVIEW Programmes.
Vorgehen
Die Voraussetzung für das Bearbeiten der Bilder von
Fluideinschlüssen ist, dass man Bilder mit scharfen
Konturen hat. Daher wird ein Kapitel dem Beleuchtungsapparat der Mikroskopie gewidmet. Dies, damit
die Software die Kontur der Einschlüsse möglichst gut
segmentieren kann. Um die Lage, auch die Position
der Probe und somit der Einschlüsse auf dem OCTund Mikroskopieaufbau auf ca. 10 μm sicherzustellen,
wurde ein Referenz- und Positioniersystem entwickelt.
Mit Hilfe der Bildbearbeitungswerkzeuge von LabView
werden die Einschlüsse segmentiert und die Fläche
berechnet.
Ergebnisse
Durch das Programm lassen sich Fluideinschlüsse
halbautomatisch extrahieren, identifizieren sowie
Informationen über den Projektionsflächeninhalt,
den Massenschwerpunkt und die Lokalisation
auslesen.
Fluideinschluss mit einer Länge und Höhe von ca. 40 μm.
Abbildung (b) derselbe Einschluss mit segmentierter Fläche.
BI
BE
BU
VA
cuno.moser@outlook.com
Es ist im Interesse von Klimaforschern, die Klimaentwicklung über mehrere tausend Jahre lückenlos und
möglichst genau aufzeigen zu können. Hierzu benötigt
man ein verlässliches beziehungsweise genaues Klimaarchiv wie z. B. Eisbohrkerne aus der Arktis, Sedimentbohrkerne aus Seen oder, was aus heutiger Sicht
sehr interessant zu sein scheint, aus Tropfsteinen, insbesondere Stalagmiten aus Höhlen.
Die Fluideinschlüsse in Stalagmiten sind seit ihrer
Entstehung hermetisch von äusseren Einflüssen isoliert. In dieser Zeit blieben die physikalischen Eigenschaften des eingeschlossenen Wassers erhalten.
Durch Messung der Dichte des Wassers sowie des
Volumens der Einschlüsse lässt sich die durchschnittliche Jahrestemperatur in der Höhle des Stalagmiten
rekonstruieren.
ti.bfh.ch/book2014
Tiefenmessung mit Konfokalmikroskop. Zwei Glasplättchen
mit 50 μm Luft dazwischen. Intensität in relativen Einheiten.
Optimierung der Optik einer elektronischen Sehhilfe
Fachgebiet: Mikro- und Medizintechnik
Betreuer: Prof. Dr. Jörn Justiz
Experte: André Reber
Industriepartner: Reber Informatik + Engineering GmbH, Münsingen
Der Sehsinn gilt für viele Menschen als der wichtigste Sinn überhaupt.
Er ermöglicht, uns in der Umgebung zu orientieren, Texte zu lesen, Bilder
anzusehen und Entfernungen einzuschätzen. Es können jedoch nicht alle
Erkrankungen des Sehsinns durch einen medizinischen Eingriff geheilt
werden. In diesen Fällen, wie zum Beispiel bei der altersbedingten Makuladegeneration (AMD), sind die Betroffenen somit auf technische Hilfsmittel angewiesen.
VoiSee ist eine vergrössernde Sehhilfe für Menschen
mit einer degenerativen Netzhauterkrankung (z. B. der
altersbedingten Makuladegeneration). Das portabel
einsetzbare Gerät soll den betroffenen Menschen den
Alltag erleichtern, damit sie Aufgaben auch ausser
Haus (Anzeigetafeln, Preisschilder, Informationen lesen usw.) selbständiger erledigen können.
Rahmen der Bachelorarbeit
Ein funktionierender Prototyp besteht bereits und arbeitet zufriedenstellend, aber er ist noch immer recht
voluminös. Die Grösse und Ergonomie des VoiSee-Prototyps beeinträchtigen seine einfache Handhabung
und somit seinen Gebrauch und seine Akzeptanz in
der Öffentlichkeit. In dieser Bachelorarbeit sollen daher optimierte Varianten für die Optik von VoiSee umgesetzt werden.
Resultate
Manuel Mosimann
Diskussion/ Ausblick
Mittels Faltung des optischen Weges konnten wir eine
wesentlich kompaktere Gestaltung der integrierten
Optik in einem neuen VoiSee-Funktionsmuster realisieren. Somit wurde ein grosser Schritt in Richtung
einer besseren Ergonomie und eines kleineren Volumens (Volumenreduktion von ca. 40%) bei gleichem
Sehfeld gemacht. In weiterführenden Arbeiten soll die
aktuelle Elektronik so verändert werden, dass auch sie
ergonomisch und platzsparend im neudesignten VoiSee eingesetzt werden kann.
BE
BU
VA
Verschiedene auf Faltung des optischen Wegs basierende Konzepte wurden entworfen, wobei mit geeigneten Simulationen und Versuchen auf einer Testbench
eine optimale Anordnung der optischen Komponenten
bestimmt wurde. Mittels Rapid-Prototyping wurde ein
funktionierendes Funktionsmuster aufgebaut, bei dem
die ursprüngliche Höhe von VoiSee von 55 mm auf
34 mm reduziert werden konnte. Dabei konnten der
grosse Sehwinkel von ca. 60° und das gute Einblickverhalten des existierenden Prototyps praktisch beibehalten werden. Ein weiteres Konzept, das mit noch
kleineren Komponenten zu einer weiteren Miniaturisierung (auf eine Höhe von ca. 25 mm) mit ähnlichen
optischen Ergebnissen führt, wurde beschrieben, sodass nur noch die ansteuernde Elektronik darin integriert werden muss. Schon jetzt kann das neue VoiSee-Funktionsmuster (nach einer Umgestaltung der
verwendeten Elektronik) einfach in der Hosentasche
mitgetragen werden, was einen grossen Fortschritt
zum bestehenden Gerät darstellt.
VoiSee
231
Neues VoiSee-Funktionsmuster mit optimierter Optik
BI
Aktueller VoiSee-Prototyp
ti.bfh.ch/book2014
Impedanzspektroskopie an Lebensmitteln
Betreuer: Prof. Dr. Patrick Schwaller, M.Sc. Michael Held
Experte: Prof. Dr. Christoph Denkel
232
Im Bereich der Lebensmitteltechnologie sind möglichst einfach anwendbare und schnelle Messmethoden zur Qualitätskontrolle wichtig. Die Impedanzspektroskopie könnte diese Eigenschaften bieten. Bei Rahm oder
Speiseeis dient die Textur der Lebensmittel als ein Mass für die Qualität.
In der Arbeit wurde ein Aufbau für die lokale Impedanzspektroskopie an
Rahm aufgebaut und ausgetestet.
Ziel
Philipp Pulver
Vorgehen
Die Impedanzspektroskopie hat den Vorteil, dass sie
zerstörungsfrei arbeitet und somit keine Einbussen
an der Qualität von Lebensmitteln nach sich zieht. Zu
diesem Zweck wurden im Rahmen dieser Arbeit die
notwendigen Elektroden aus Gold hergestellt (Abbildung 1). Es wurde geprüft, ob die elektrischen Parameter (siehe Abbildung 2), die man aus den Messungen erhält, extrahiert und sinnvoll mit Qualitätsmerkmalen in Zusammenhang gestellt werden können.
Beim Messvorgang wird die Elektrode in die Probe getaucht und mithilfe eines Matlab-Skriptes der Impedanzanalysator automatisch gesteuert. Die Messung
basiert auf der Vier-Punkt Messtechnik. Über die äusseren beiden Elektroden wird ein Strom in die Probe
induziert und über die inneren Elektroden die resultierende Spannung bei verschiedenen Frequenzen gemessen. Dabei ergeben sich Spektren die als Bodediagramm (Abbildung 2) dargestellt werden.
Resultate
Mithilfe von unterschiedlichen Salzlösungen wurde
geprüft, ob das Messsystem zuverlässig arbeitet. Weiter wurden Messungen an flüssigem Rahm durchgeführt, um zu sehen ob reproduzierbare Messungen
möglich sind. Anschliessend wurden verschiedenste
Messungen von Schlagrahm durchgeführt und das
elektrische Verhalten in Abhängigkeit der Zeit untersucht. Die Ergebnisse haben gezeigt, dass die Impedanzspektroskopie eine geeignete Methode sein kann,
zur Messung und Beurteilung von Lebensmitteln. Anhand der erhaltenen Impedanzspektren, konnten Aussagen über den Zustand der Lebensmittel gemacht
werden. Somit ergeben sich vielversprechende Möglichkeiten für künftige Anwendungen in der Lebensmittelindustrie.
BI
BE
BU
VA
philipp_pulver@gmx.ch
Die Arbeit hatte das Ziel, einen Beitrag zur Entwicklung von Messtechniken für die Charakterisierung von
Lebensmitteln zu leisten. Es sollte geprüft werden,
wie sich die Methode der lokalen Impedanzspektroskopie für eine Qualitätsbeurteilung dafür eignet. Dazu
musste ebenfalls eine geeignete Elektrode für die Anwendung an Lebensmitteln wie Schlagrahm oder Speiseeis evaluiert werden. Die Textur von Schlagrahm
oder Speiseeis ist wesentlich für die Qualität der Produkte. Das Fernziel ist, dass solche Merkmale mit der
Impedanzspektroskopie möglichst präzise erkannt
werden können. Falls beispielsweise bei der Herstellung von Speiseeis das Produkt zu hart wird, soll während der Produktion in Echtzeit erkannt werden, dass
eine Serie für den Verkauf ungeeignet ist.
Abbildung 1: Messmodul. Die aus Gold bestehenden Elektroden sind auf einem Glaswafer strukturiert.
ti.bfh.ch/book2014
Abbildung 2: Frequenzgang der Impedanz und der Phase von
Schlagrahm.
Autonomous navigation in rough terrain
Subject: Robotics
Thesis advisor: Prof. Dr. Björn Jensen
Experts: Dr. Thomas Nussbaumer (RUAG Schweiz AG RUAG Defence), Dr. Levente Tamás (TUCN)
Project partner: RUAG Schweiz AG RUAG Defence, Thun
In the field of outdoor robotics numerous mobile robots already exist
which are successfully operated all around the world. However in terms of
autonomy there is still an enormous development potential. Therefore this
bachelor thesis focuses on designing and implementing an autonomous
stair climbing feature for a PackBot 510 EOD.
Practical tests with the PackBot 510 EOD are to be
made in order to determine the most suitable sequence for climbing stairs autonomously. The according software is to be developed in C++ within the ROS
framework. A possible application location is provided by competing in the ELROB 2014 in Warsaw in collaboration with the BFH TI robotics lab.
Implementation
After testing the PackBots behavior when operating
on stairs a simple yet reliable sequence of movements
has been selected. The according software then was
divided into two parts: a ROS node for stair detection
and a second one for stair climbing. The first node
handles the reception of the stairs via the PackBots
TOF camera and the processing of its sensor data with
the Point Cloud Library (PCL). Furthermore the slope
of the stairs, the distance and the orientation of the
PackBot towards the stairs are calculated in this part.
These three parameters are necessary for controlling
the robot accordingly in the next step.
In order to allow an efficient use of these two ROS
nodes have been implemented within the ROS actionlib. This ROS feature allows setting up “stair detection
on demand” from within the stair climbing node. Instead of continuously processing the 3D sensor data a
request to detect and process nearby stairs can be
sent by the operator as soon as he identifies nearby
stairs.
Results
The processing of the stairs from given point cloud
data works reliably and efficient. The according parameters are correctly calculated. For controlling the
PackBot in front and on the stairs a ROS node has
been developed. The implemented ROS actionlib allows executing two nodes in a most efficient way. By
competing in a typical EOD scenario at the ELROB
2014 in Warsaw the PackBots potential to autonomous operation has been confirmed further.
Valentin Raschke
Stairs and the according floor as a point cloud model
PackBot 510 EOD performing at the ELROB 2014
ti.bfh.ch/book2014
BI
BE
BU
VA
The second node “stair climbing” executes the necessary steps for overcoming stairs with the PackBot
based on the information given by the node “stair de-
tection”. The robot aligns itself in front of the stairs
backwards and close to the first step. Knowing the
slope of the stairs allows aligning the PackBot with
the same angle by lifting it on its own flaps. This ensures a safe landing on the first two steps with great
stability due to the PackBots rubber tracks. From this
point on the robot is safe to climb the stairs backwards.
Task definition
233
Instrumented Implant for Self-healing of the
Anterior Cruciate Ligament
Fachgebiet: Sensortechnik
Betreuer: Prof. Dr. Bertrand Dutoit
Experte: Dr. Janosch Häberli (Mathys AG)
Industriepartner: Mathys AG, Bettlach
234
Das Ligamys Implantat dient zur Selbstheilung des gerissenen vorderen
Kreuzbandes (Anterior Cruciate Ligament). Nach der Operation ist das
Knie unmittelbar stabilisiert und die Regenerationsphase des entlasteten
Kreuzbandes kann beginnen. Das Implantat ermöglicht somit den Erhalt
des eigenen Kreuzbandes und generiert optimale Bedingungen für die
Wiederherstellung der für die Ausübung von anspruchsvollen sportlichen
Aktivitäten wichtige Tiefensensibilität des Kniegelenks.
Ausgangslage
Um die patienten- und bewegungs-spezifischen invivo wirkenden Kräfte auf dem Federsystem zu erfassen, werden zwei Methoden ausgearbeitet:
Pascal Rauch
Methoden
Für das Konzept mit dem Magnetsensor wurde zuerst
die Integration des Magneten in das Implantat ausgearbeitet. Anschliessend führte man Berechnungen und
FEMM (Finite Element Method Magnetics) Simulationen
durch, um die passenden Sensoren zu wählen und diese schliesslich auf ihre Anwendung zu prüfen. Bei der
auf einem Schwingkreis aufbauenden Methode wurden
mit einer Testeinrichtung erste Versuche realisiert.
Ergebnisse und Ausblick
Verschiedene Messungen mit den Magnetsensoren
haben ergeben, dass der Magnet auf der gewünschten
Distanz lokalisiert werden konnte und die gemessenen
Werte mit den Berechnungen übereinstimmten. Bei der
komplexeren Variante mit dem Schwingkreis konnten
erste Erfahrungen über das Verhalten einer Spule in
einer Hülse gewonnen werden. Die ersten Schritte für
ein instrumentiertes Implantat sind dadurch gelegt.
Der nächste Schritt wäre die Realisierung eines ersten
Testimplantates mit dem passenden Sensorsystem.
Die massgebende Distanz konnte mit dem Ultraschallgerät im Wasser und im Schweineknie durch die gezielte Ausrichtung der Sonde am Implantat gemessen
werden. Die Messungen am Patienten haben das Potential dieser Messmethode aufgezeigt. Die Federexkursion konnte mit einer Genauigkeit von ±0.2mm
bestimmt werden. Weitere Messungen am frisch operierten Patienten werden zeigen, ob sich diese Messmethode auch für die routinemässige klinische Anwendung eignet.
BI
BE
BU
VA
pascal.ra@gmx.ch
− Der erste Ansatz basiert auf der Evaluierung eines
instrumentierten Implantates. Für das instrumentierte Implantat wurden aus Gründen der vereinfachten Datenübertragung und Energieversorgung
ein magnetisches und ein auf einem Schwingkreis
basierten Sensorsystem definiert.
− Als nicht-invasive Methode wird die Machbarkeit einer Distanzmessung mit Ultraschall evaluiert. Die
Kräfte im Federsystem können durch die Längenänderung der in Ligamys enthaltenen Feder errechnet
werden.
Das Überprüfen eines möglichen Einsatzes von Ultraschall bei der Bestimmung der Kräfte im Implantat
wurde mit einem für Laboranwendungen geeigneten
Ultraschallsystem gelöst. Dazu führte man diverse
Testmessungen am Implantat im Wasser, im Schweineknie und bei einem Patienten mit implantiertem Ligamys durch.
Ligamys Implantat im Kniegelenk
ti.bfh.ch/book2014
Ultraschallmessung eines Ligamys Implantates im Wasser
Gefahrenbekämpfung in Bürogebäuden mit
Mobilrobotern
Fachgebiet: Robotik
Betreuer: Prof. Dr. Björn Jensen
Experten: Prof. Dr. Björn Jensen, Prof. Daniel Debrunner
Die Alarmsysteme welche heutzutage in Kunstgebäuden eingesetzt werden 235
sind veraltet und nicht informativ. Wird ein Alarm ausgelöst, blockiert dieser alle weiteren Informationen. Dadurch ist es den Verantwortlichen nicht
möglich zu sehen ob sich die Katastrophe ausbreitet oder ob es sich um einen Fehlalarm handelt. Somit drängt sich die Entwicklung eines modernen Alarmsystems auf, welches fortlaufend und genauere Informationen
zur Einsatzzentrale schickt.
Ablauf
Fazit
Das ganze System befindet sich grundlegend im Normalbetrieb. Tritt ein Feuer oder eine sonstige Katastrophe ein, detektieren die installierten Sensoren im
Gebäude dies. Nun geht der mobile Roboter an den
Ort des Geschehnisses und validiert die detektierte
Katastrophe. Erst nachdem das Ereignis von zwei individuellen Quellen bestätigt wurde, wird der Alarm
ausgelöst und ein Event ist eingetroffen. Es folgen die
Chaosminuten, in denen die Einsatzkräfte sich an den
Einsatzort bewegen. Anschliessend wird die Katastrophe bekämpft und danach das Gelände überwacht.
Das System soll schon in der Chaoszeit die Informationsbeschaffung ermöglichen und somit die Reaktionszeit verkürzen.
Das Ziel dieser Arbeit bestand darin den Kundenwunsch zu strukturieren, Marktforschung zu betreiben
und einen Prototypen herzustellen. Nach mehreren
Gesprächen hatte der Auftraggeber klare Vorstellungen von dem herzustellenden Produkt und die Suche
nach ähnlichen, schon bestehenden Systemen, konnte
beginnen. Im Verlauf dieser Nachforschungen stellte
sich heraus, dass es das gewünschte Produkt, in dieser Beschaffenheit, noch nicht gibt. Aufgrund der Tatsache, dasses den zu entwickelnden Roboter in der
Form noch nicht gibt, war vieles Neuland und extrem
lehrreich.
Philip Schläfli
Varianten
VA
Im Verlauf der Arbeit ging es darum verschiedene Vorschläge für den Einsatz in extremer Umgebung zu evaluieren. Für alle wurden unterschiedliche Antriebsmodelle und Platzierung der Sensoren verwendet um
deren Vor- und Nachteile für die spezifischen Katastrophenfälle am Besten bewerten zu können. Nachdem
man sich mit dem Auftraggeber auf eine Variante geeinigt hat, ging es darum diese zu realisieren und erste
Tests durchzuführen.
BI
BE
BU
Ablauf einer Katastrophe
ti.bfh.ch/book2014
Prüfsystem für individuell gefertigte Zahnmedizinprodukte
Fachgebiet: Medizintechnik
Betreuer: Dr. Jörn Justiz
Experte: Roger Lüscher (Cendres+Métaux)
Industriepartner: Cendres+Métaux, Biel/Bienne
236
Cendres+Métaux fertigt individuelle kundenspezifische Produkte für
die Zahnmedizin, wie Brücken und Kronen. Damit die geforderte hohe
Genauigkeit dieser Produkte überprüft werden kann, ist ein Prüfsystem
nötig. In dieser Bachelorarbeit wurde unter aktiver Zusammenarbeit
mit Cendres+Métaux ein Konzept eines vollständigen Prüfsystems entwickelt, welches die Einbindung in die bestehende Prozesskette bei
C+M einschliesst.
Ausgangslage
Cendres+Métaux fertigt individuelle Zahnmedizinprodukte, die aus den Werkstoffen Titan, Chrom-Kobalt
und dem Hochleistungspolymer Pekkton® bestehen.
Die Genauigkeit dieser Produkte ist sehr wichtig, damit sie optimal von den Patienten getragen werden
können. Die Überprüfung der Genauigkeit anhand eines vorhandenen 3D-Modells der Zahnmedizinprodukte soll in dieser Arbeit evaluiert werden.
Evaluation der geeignetsten Systeme. Es wurde eine
Übersicht von Prüfsystemen, die technisch machbar
und auf dem Markt verfügbar sind, erstellt. Mithilfe
von Datenblättern und persönlichen Gesprächen mit
den Prüfsystemanbietern, wurde das geeignetste Prüfsystem gewählt. Dies geschah anhand von Kriterien
wie Genauigkeit, Messbereich, Investition, Flexibilität
und Benutzerfreundlichkeit.
Einbindung in die bestehende Prozesskette. Mithilfe
der Informationen der bestehenden Produktions- und
Prüfprozesse bei C+M wurde ein Plan erstellt, wie das
gewählt Prüfsystem in die bestehende Prozesskette
eingebunden werden kann. Zudem wurde aufgrund
statistischer Überlegungen festgelegt, wie viele der
produzierten Teile getestet werden sollen.
Brücke aus Pekkton® als Zahnersatz auf einem Zahnabdruckmodell
Umsetzung
Um das Hauptziel der Erstellung eines Konzepts für
die Prüfung von den individuellen Zahnmedizinprodukten zu erreichen, wurde in folgenden Schritten
vorgegangen:
Kompetenzaufbau bezüglich Produktionsprozesse
und Prüfanforderungen. Die verschiedenen Prozesse
und Anforderungen wurden von den Mitarbeitern von
C+M detailliert definiert. Darüber hinausgehende Anforderungen wurden rechnerisch und experimentell
hergeleitet. So wurde zum Beispiel die Temperaturschwankung im Produktionsraum analysiert, um zu
evaluieren, ob eine Prüfung direkt auf den Fertigungsmaschinen möglich ist.
BI
BE
BU
VA
Stefan Schmid
Übersicht und Analyse von bestehenden Messverfahren. Es wurde eine Übersicht von bestehenden
Messverfahren erstellt. Diese wurden nach den spezifizierten Hauptkriterien, d.h. den zur Verfügung stehenden maximalen Messbereich und der Genauigkeit
evaluiert. Messverfahren, die diese Kriterien nicht erfüllten, konnten somit ausgeschlossen werden.
ti.bfh.ch/book2014
Ergebnis
Es wurde ein taktiles Prüfsystem gewählt, das in einem klimatisierten Raum stationiert wird. Das gewählte System erfüllt alle Anforderungen und kann zudem
sehr flexibel eingesetzt werden. Die geforderte Genauigkeit des Prüfsystems kann nur in einem klimatisierten Raum eingehalten werden. Da die systemeigene Messsoftware digitale 3D-Modell-Freiformflächen
im Gegensatz zu Konkurrenzprodukten gut interpretieren kann, wird die Einbindung in die bestehenden C+M
Prozesskette stark erleichtert. Ein Gesamtkonzept dieses Prozesses wurde erstellt.
Simulations-Inspektionsroboter
Fachgebiet: Robotik
Betreuer: Prof. Dr. Jensen Björn
Experte: Dr. Moritz Oetiker
Industriepartner: ALSTOM Inspection Robotics Ltd, Zürich
Eine gängige Überprüfung von Flachbodentanks auf Korrosions-bildungen
erfolgt mittels Magnetstreuflusstechnik bzw. Floorscanner. Das Messgerät
wird dabei von Hand über den Boden gezogen. Als erheblicher Nachteil
dieser Methode erweist sich die Tatsache, dass vor der Untersuchung der
gesamte Inhalt der Tanksäule entfernt und zwischengelagert werden
muss. Dieser Prozess ist zeitaufwändig und kostenintensiv.
Ergebnisse
Die Aufgabe der vorliegenden Arbeit ist es, die Simulation eines wasserdichten Tank-Roboters zu generieren, um auf diese Weise eine Überprüfung von Korrosionsstellen von Hand zu vermeiden.
Die Anwendung des Python-Codes erlaubt die gewünschte Fortbewegung anhand der Radsensoren und
des Trägheitssensors des simulierten Roboters auf der
definierten Ebene im Bildschirm. Die Begrenzung der
Wand, welche einen Stop bewirken soll, lässt sich
ebenfalls klar darstellen.
Vorgehen
Dabei fährt ein simulierter Roboter, mittels Pfeiltasten
gesteuert, auf der hierzu speziell angefertigten Tankbodenkarte und überträgt die mit seinen Sensoren
ermittelten Daten in Form von Punkten auf einen zweiten, zunächst weissen Bildschirm. Hierzu wird die
Programmiersprache Python verwendet, die auch den
Tank als seine Umgebung definiert. Ein erweiterter
Kalman Filter wird generiert, um die ermittelten Daten
zu analysieren und einem bestimmten Ort zuzuordnen.
Das Überfahren und Prüfen der Bodenfläche mit dem
simulierten Roboter macht die vorhandenen Schweissnähte und Korrosionsstellen zunehmend ersichtlich.
Dies bestätigt die Gewährleistung der Sensordaten auf
den Bildschirm. Es entsteht somit eine Karte, welche
diese gesuchten Details aufzuzeigen vermag.
Störungen im Bewegungsablauf des simulierten Roboters müssen speziell programmiert werden, da im Hinblick auf einen Hardware-Roboter diese Unstimmigkeiten später zu berücksichtigen sind. Die hierzu
eingesetzten Störungen wurden mit der Gauss’schen
Funktion generiert. Zur Behebung dieser Störungen
kam der erweiterte Kalman-Filter zum Einsatz. Dabei
zeigt der Bildschirm die ursprüngliche, ungestörte,
die künstlich veränderte und schliesslich die durch
den Kalman-Filter erzeugte, korrigierte Kurve auf.
Tankroboter mit ermittelten Sensordaten
Danksagung
BI
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VA
Ein grosser Dank geht an Herr Dr.-Ing. Moritz Oetiker,
ALSTOM Inspection Robotics Ltd für die wertvolle
Unterstützung des Projekts.
Andreas Steiner
Ziel der Arbeit
237
ti.bfh.ch/book2014
Verbesserung Lithographie-Prozess
Fachgebiet: Mikro- und Medizintechnik, Sensorik
Experte: Dr. Bernhard Schnyder, (Micro Crystal AG)
Industriepartner: Micro Crystal AG, Grenchen
238
Die ständige Verkleinerung der Produkte in der Mikroelektronik und die
hohen Anforderungen an deren Präzision verlangen eine immer besser
werdende Kontrolle der Prozessschritte während der Produktion.
Weiter muss die Produktionseffizienz stetig gesteigert werden, damit die
Konkurrenzfähigkeit gewahrt wird. Diese drei Faktoren, Verkleinerung,
Anforderungen an die Präzision und Produktionseffizienz, sind die Hauptgründe für das Projekt: «Verbesserung Lithographie-Prozess».
Ziele
Ziele der Arbeit waren, das bestehende Monitoring
des Lithographie-Prozesses zu automatisieren, die
Effizienz des Monitorings zu steigern und den Einfluss
des Operators auf die Messungen zu minimieren.
Materialien und Methoden
Marco Sutter
marco.sutter1@bluewin.ch
Die Fotolithographie ist eine weit verbreitete Strukturierungsmethode in der Mikroelektronik. Dabei wird
das Bild einer Chrommaske auf den lichtempfindlichen
Fotolack des Wafers übertragen. Während der Belichtung des Fotolacks verändert sich dessen chemische
Struktur so, dass belichtete und unbelichtete Bereiche
von einem Ätzmittel unterschiedlich angegriffen werden. So ist es möglich, den Quarzwafer zu strukturieren. Über die Messung unterschiedlicher Strukturen
VA
Resultate
BU
Für die zwei wichtigsten Quarz-Typen der Micro
Crystal AG wurden Mess-Setups erstellt, welche ein
zuverlässiges Monitoring des Lithographie-Prozesses
bieten. Die Bildaufnahme und die Messung der unterschiedlichen Strukturen laufen komplett automatisiert. Bei ausführlichen Tests der erstellten Mess-Setups, wurden Zuverlässigkeitswerte von über 96%
erreicht, was ein beständiges und stabiles Monitoring
garantiert.
BE
BI
auf dem strukturierten Wafer kann der LithographieProzess überwacht werden. Um diese Messungen automatisch durchführen zu können, wurde ein neues
Lichtmikroskop gekauft (Olympus BX61, Abbildung 1).
Der Tisch des Mikroskops ist in allen drei Achsen motorisiert. Die Z-Achse ist zusätzlich mit einem Laser
Autofokus-System ausgerüstet, sodass die zu untersuchenden Wafer jederzeit fokussiert sind. In X- und
Y-Richtung wird der Tisch durch die Software gesteuert, sodass an definierten Positionen der Wafer ein
Bild aufgenommen werden kann. Auf dem Tisch befindet sich ein Einlegerahmen, welcher Platz für vier Wafer bietet. Die Software «Olympus Stream Motion»,
welche zusätzlich zum Mikroskop eingekauft wurde,
ist speziell für die Anwendung in der Micro Crystal AG
programmiert. Mit Hilfe der Software lässt sich einerseits das gesamte Mikroskop steuern, wie z. B. das
Auswählen des gewünschten Objektivs, die Bildaufnahme, die Parameter der Kamera etc., anderseits
können die aufgenommenen Bilder ausgewertet werden. Es kann beispielsweise eine Messung der Gabelbreite des Schwingquarzes durchgeführt werden. Das
Zusammenspiel dieser beiden Komponenten, Mikroskop und Software, ermöglicht es, ein Mess-Setup zu
erstellen, welches automatisiert Bilder der Wafer aufnimmt und diese im Anschluss auswertet. Die erhaltenen Messergebnisse können im Anschluss zur Korrektur des Fotolithographie-Prozesses verwendet
werden.
Abbildung 1: Lichtmikroskop Olympus BX61
ti.bfh.ch/book2014
Pressfit Implantat zur Selbstheilung des vorderen
Kreuzbandes
Betreuer: Dr. Bertrand Dutoit
Experte: Dr. Janosch Häberli (Mathys AG Bettlach)
Industriepartner: Mathys AG, Bettlach
Die Zahl der Kreuzbandrupturen in der Schweiz beläuft sich auf rund
12’000 pro Jahr. Damit ist die Versorgung von verletzten Kreuzbändern für
Schweizer Chirurgen an der Tagesordnung. Die Firma Mathys® AG aus
Bettlach hat zur Selbstheilung des vorderen Kreuzbandes das Ligamys®
Implantat entwickelt und damit eine Alternative zur herkömmlichen
Kreuzbandplastik geschaffen. Die Modifikation des Schraub-Implantats zu
einem Pressfit-Implantat war Ziel dieser Arbeit.
Das von der Firma Mathys® entwickelte Implantat
Ligamys® ermöglicht eine Selbstheilung des vorderen
Kreuzbandes und somit eine Erhaltung der natürlichen
Bänderstruktur, was unbestritten ein grosser Vorteil
gegenüber der herkömmlichen Behandlung darstellt.
Ziel der Arbeit
Umsetzung
BI
BE
In einer ersten Phase wurden verschiedene Geometrien unter Berücksichtigung der aktuellen Problematik entwickelt. Dabei wurden verschiedene Formen
und Geometrien entworfen und jeweils nach ihren
Vor- und Nachteilen bewertet. Nach einer Priorisierung unter den verschiedenen Varianten wurden zwei
verschiedene Hülsengeometrien in der Werkstatt der
BFH hergestellt. Die beiden Hülsentypen wurden dann
in Schweineknochen implantiert und mittels eines
Ausstosstests auf ihre Verankerung im Knochen beurteilt. Anhand der Ergebnisse kann eine Empfehlung
zu den weiteren Entwicklungen im Zusammenhang mit
einer neuen Ligamys® Generation gegeben werden.
Lukas Trippel
Im Rahmen der Bachelorarbeit geht es darum das Implantat Ligamys® der Firma Mathys AG Bettlach kennenzulernen und zu optimieren. Die Idee dabei ist es,
von dem bestehenden Schraub-System wegzukommen
und das Implantat als Pressfit-Implantat zu realisieren. Durch das Wegfallen des Gewindeschafts soll die
Hülse des Implantats verjüngt, respektive verkürzt
werden. Durch eine Redimensionierung der Implantathülse von 10 mm auf 8 mm im Durchmesser und
von 30 mm auf 25 mm in der Länge könnte der generierte Knochenverlust um 50% reduziert und somit
äquivalente Bedingungen zu einer State-of-the-Art
Kreuzbandrekonstruktion geschaffen werden.
VA
Das vordere Kreuzband verläuft im Zentrum des Knies
und stabilisiert das Kniegelenk. Zusätzlich befinden
sich im vorderen Kreuzband sensible Nerven, welche
gegenüber der Oberschenkel-Unterschenkelmuskulatur als «Sensoren» fungieren. Die Nervenfasern melden ständig die Positionierung des Kniegelenks an die
Muskulatur und unterstützen so die Steuerung der
muskulären Stabilisatoren massgeblich. Durch eine
Ruptur des vorderen Kreuzbandes ist die natürliche
Stabilität im Kniegelenk nicht mehr gewährleistet. Meniskusverletzungen oder Knorpelschäden durch chronische Kniegelenksinstabilität sind die Folgen und treten vermehrt bei jungen und aktiven Patienten auf.
Aktuell zeigt die Tendenz zur operativen Wiederherstellung des Kreuzbandes, dabei wird das gerissene
Kreuzband des Patienten komplett entfernt und durch
ein körpereigenes Transplantat ersetzt.
BU
Ausgangslage
239
Linkes Kniegelenk mit Ligamys® Implantat
ti.bfh.ch/book2014
Modellierung der Ätzgeschwindigkeit mit einem
IR-Spektrometer
Fachgebiet: Mikro-/ Medizintechnik, Sensorik
Experte: Dr. Bernd Sauter, (Micro Crystal AG)
Industriepartner: Micro Crystal AG, Grenchen
240
Die Micro Crystal AG stellt Präzisionsschwingquarze (Abbildung 1) durch
einen photolithographischen Prozess her. Dabei ist die Formgebung des
Schwingquarzes durch den nassen Ätzprozess ein zentraler Schritt. Dieser
findet in einem Flusssäurebad statt. Für eine genaue Steuerung des Ätzprozesses ist es wichtig, die Ätzgeschwindigkeit der Flusssäure genau zu
kennen. Diese soll mit einem Infrarotspektrometer bestimmt werden.
Projektmotivation
Benjamin Weber
Die Ätzgeschwindigkeit verändert sich durch das Auflösen von Quarz in der Flusssäure. Die Ätzgeschwindigkeit wird heute einmal täglich durch einen Ätztest
bestimmt. Um Aufwand zu sparen und den Vorgang zu
automatisieren, soll die Ätzgeschwindigkeit in Zukunft
mit einem IR-Spektrometer bestimmt werden. Damit
dies möglich ist, wird ein mathematisches Modell benötigt, welches eine Beziehung zwischen dem Absorpitonsspektrum der Säure und der Ätzgeschwindigkeit
herstellt.
benjamin.weber@gmx.ch
Es wurde eine Methode entwickelt, wie aus dem Absorptionsspektrum zugehörige Eigenschaften (z. B. die
Ätzgeschwindigkeit) durch ein Modell vorhergesagt
werden können. Die Methode wurde getestet und deren Funktionstüchtigkeit in der Produktion nachgewiesen.
Es wurde, mit einer speziellen Spektroskopie-Software (GRAMS-IQ), ein Modell zur Bestimmung der Ätzgeschwindigkeit erstellt. Diese Software benutzt die
mathematische Regressions-Methode «Partial Least
Squares» kurz PLS. Um dieses Modell erstellen zu
können, wurden Spektren von Bädern aufgenommen,
welche zu diesem Zeitpunkt eine bekannte Ätzgeschwindigkeit besassen. Dabei wurde die Flusssäurekonzentration variiert, um Spektren bei verschiede-
Die Mitarbeiter wurden in den neuen Vorgang eingeführt und der Ätztest wurde durch das erstellte Modell
ersetzt. Durch das Modell können die Ätz-Bäder besser überwacht werden.
Die Spektrometer-Software wurde soweit vorbereitet,
dass die vom Modell errechneten Ätzgeschwindigkeiten, direkt in die Ätz-Uhren, welche für die Steuerung
des Ätzprozesses verantwortlich sind, geschrieben
werden können. Dadurch soll der Ätzprozess genauer
gesteuert werden können.
BI
BE
BU
VA
Methode und Resultate
nen Ätzgeschwindigkeiten aufnehmen zu können. Die
Ätzgeschwindigkeit ist in dem verwendeten Arbeitsbereich linear von der Flusssäurekonzentration abhängig (Abbildung 2). Aus diesen Spektren mit bekannter
Ätzgeschwindigkeit wurde anschliessend mithilfe von
GRAMS-IQ das PLS-Modell erstellt. Das erstellte Modell wurde in der Praxis getestet, erweitert und optimiert. Mit dem Modell konnte dieselbe Genauigkeit
der Ätzgeschwindigkeitsbestimmung erreicht werden,
wie mit dem Ätztest.
Abbildung 1: Präzisionsschwingquarz von Micro Crystal
ti.bfh.ch/book2014
Abbildung 2: Abhängigkeit der Ätzgeschwindigkeit von der
Flusssäure-Konzentration
Funktionsmuster eines Durchflussmesssystems
Betreuer: Prof. Jörn Justiz, Prof. Bernard Schmutz
Experte: Fachexpertin
In den Geräten unseres Industriepartners sind luftdurchströmte Leitungen
montiert. Der Industriepartner ist daran interessiert, in diesen Leitungen
den Volumenstrom zu messen. Wir entwickelten ein Funktionsmuster, das
die Druckdifferenz in einem gekrümmten Rohr, den Absolutdruck und die
Temperatur des Gases misst, da aus diesen Parametern der Volumenstrom
bestimmt werden kann. Testmessungen bestätigen die Verwendbarkeit unseres Prinzips in den Geräten des Industriepartners.
In die Geräte unseres Industriepartners sollen Durchflussmesssysteme für die Bestimmung des Volumenstroms eingebaut werden. In einer vorangehenden
Semesterarbeit wurde das Messprinzip für ein Funktionsmuster entwickelt. In einem gekrümmten Rohr, das
mit Luft durchströmt wird, entsteht eine Druckdifferenz zwischen Innen- und Aussenkrümmungsradius.
Diese Druckdifferenz kann mit einem Sensor gemessen werden und aus dieser, und den ebenfalls gemessenen Parametern Absolutdruck und Temperatur, über
physikalische Gesetzmässigkeiten der Volumenstrom
berechnet werden.
Vorgehen
Samuel Weidmann
Ergebnisse
Das entwickelte Funktionsmuster kann sehr kompakt
und einfach aufgebaut werden. Durch die Messungen
auf dem Prüfstand konnte gezeigt werden, dass sich
diese Messmethode sehr gut zur präzisen und robusten
Bestimmung des Volumenstroms in den Geräten unseres Industriepartners eignet. Es wird daher vorgeschlagen, das in dieser Arbeit realisierte Funktionsmuster
in Richtung Serienprodukt weiter zu entwickeln.
BE
Druckdifferenz in einem luftdurchströmten Rohr
BI
Mess-Programm in LabVIEW
BU
VA
Mittels CAD wurde ein spezifisch gekrümmtes Rohr
mit Luftanschlüssen am Innen- und Aussenkrümmungsradius konstruiert und mit einem 3D-Drucker
aus Kunststoff hergestellt. An die Luftanschlüsse des
Rohrs wurde über zwei Schläuche der Drucksensor angeschlossen. Zudem wurden Sensoren zur Absolutdruck- und Temperaturmessung integriert. Für die
Messungen wurde ein Prüfstand realisiert, welcher
die Geräte des Industriepartners simulierte. Alle
Messsignale auf diesem Prüfstand wurden mit einem
Programm in LabVIEW aufgezeichnet und in einem
Messprotokoll abgespeichert. So konnten die Signale
der Sensoren auf dem Prüfstand während den Messungen laufend kontrolliert werden. In Matlab wurden
die Messwerte aus dem Messprotokoll eingelesen und
weiterverarbeitet. Mittels Referenzmessungen konnte
unser Messsystem verlässlich kalibriert, also jeder
gemessenen Druckdifferenz ein Volumenstrom zugeordnet werden.
Ausgangslage
241
ti.bfh.ch/book2014
Strip Force Monitoring PS 9550
Betreuer: Daniel Debrunner
Experte: Michael Jost, (Schleuniger AG)
Industriepartner: Schleuniger AG, Thun
242
Die kabelverarbeitende Industrie hat sehr hohe Ansprüche was die Verarbeitungsqualität und die Kontrolle anbelangt. Daher werden Prozessüberwachungen immer wichtiger. Im Rahmen dieser Bachelor Thesis wurde ein
Strip Force Monitoring entwickelt, welches durch Messen der Abzugskraft
mittels DMS das Ergebnis eines Kabelabisoliervorgangs ohne weitere Tests
zu beurteilen erlaubt.
Ausgangslage
Die PowerStrip PS 9550 von Schleuniger ist eine vollautomatische Schneid- und Abisoliermaschine, die
für unterschiedlichste Kabeltypen und Anwendungen
konzipiert wurde. Für diese Maschine soll eine Prozessüberwachung mittels Messung der Abzugskraft
beim Abisolieren von Kabeln realisiert werden. Es
gilt zu prüfen, ob eine solche Überwachung mit einer
DMS-Messeinrichtung realisiert werden kann.
geln sich im Kraftverlauf wieder. Rutschen die Kabel
auf Grund falscher Einstellungen über die Transporteinheit, hat dies eine charakteristische Abflachung
der Kraftkurve zur Folge. Wird zu wenig in die Isolation eingeschnitten, steigt die Abzugskraft an. Dies ist
im Kraftverlauf ersichtlich, wodurch diese Einstellung
korrigiert werden kann. Ein Defekt der Messer oder
der Transporteinheiten hätte enorme Auswirkungen
auf die Kraftkurve.
Michael Zbinden
Messeinrichtung
Fazit
+41 79 725 64 48
Die DMS-Signale werden mit Lorenz G40-Messverstärker verstärkt und mittels NI-DAQ auf den Computer
übertragen. Durch die in Labview geschriebene Software kann sowohl die Kalibrierung der Messeinrichtung, das Teaching der verschiedenen Kabel wie auch
die Auswertung der Vergleichsmessungen vorgenommen werden.
Eine Prozessüberwachung mittels DMS-Kraftmessung
der Abzugskraft ist möglich und es lassen sich viele
Informationen aus den Kraftverläufen entnehmen.
Dies könnte der erste Schritt zu einer vollautomatischen Prozessüberwachung mit autonomer Parameteroptimierung sein. In Kombination mit weiteren Überwachungssystemen (z. B. Abzugslänge) kann dieses
System einen wertvollen Beitrag zur Reduktion von
Bedienfehlern leisten. So können die Effizienz und die
Präzision der Maschinen der Schleuniger AG weiter
gesteigert werden.
Ergebnisse
Nach Inbetriebnahme der Messeinrichtung hat sich
gezeigt, dass diese sehr sensibel auf Störungen während des Abisoliervorgangs reagiert. Kleinste Veränderungen an der Mechanik hatten grossen Einfluss auf
die Messergebnisse. Auch die unterschiedliche Extrusion der für die Messungen verwendeten Kabel mit
PVC-Isolation hat Auswirkungen auf die Kraftkurve.
Fehlerhafte Einstellungen werden effizient erkannt
und Anomalien während des Abisoliervorgangs spie-
BI
BE
BU
VA
michaelzbinden89@gmail.com
Schleuniger PowerStrip PS 9550
ti.bfh.ch/book2014
Bearbeitetes Kabel
Automatisiertes Messsystem für eine Impedanzpumpe
Betreuer: Prof. Daniel Debrunner
Experte: Prof. Dr. Dominik Obrist (ARTORG)
Industriepartner: Universität Bern, ARTORG Centre for Biomedical Engineering
Bei der Impedanzpumpe handelt es sich um eine ventillose Pumpe, die nur
aus einem Schlauch zwischen zwei Rohren und einem «Quetscher» besteht.
Durch pulsartiges Quetschen des Schlauches wird ein Fluss generiert.
Flussrichtung und Flussmenge sind unter anderem von Frequenz und Position der Anregung abhängig. Um das Verhalten der Pumpe bei sich verändernden Parametern untersuchen zu können, wurde ein entsprechendes
Messsystem entwickelt und verschiedene Messungen durchgeführt.
An einer Impedanzpumpe sollen Messungen gemacht
werden, bei denen die verschiedenen Parameter frei
einstellbar sind. Die Messdaten sollen Informationen
über das Verhalten der Pumpe entlang eines längeren
Schlauchabschnitts bei Anregungsfrequenzen von 1Hz
bis 30Hz liefern.
Andreas Walter Zumbrunnen
Mit dem Versuchsaufbau wurde ein System realisiert,
das wiederholbare Messungen an einer Impedanzpumpe ermöglicht. Die Messungen haben gezeigt,
dass bei Pumpen unterschiedlicher Baugrössen dieselben Phänomene auftreten. Will man einen maximalen
Fluss erhalten, hat die Wahl der richtigen Anregungsfrequenz einen grösseren Einfluss als die Position der
Anregung. Der Schlauchdurchmesser beeinflusst das
Flussmaximum. Die Schlauchlänge bestimmt die Frequenz der maximalen Förderleistung, welche typischerweise nahe am Übergang vom Schlauch zum festen Rohr auftritt.
Messsystem mit Waage, Schlauchabschnitt und Kreuztisch
Pumpdruck in Funktion der Position und Frequenz für einen
Silikonschlauch mit 4mm Durchmesser und 160 mm Länge
ti.bfh.ch/book2014
BI
BE
BU
VA
Um wiederholbare Messungen an unterschiedlichen
Schläuchen bei verschiedenen Positionen entlang des
Schlauches durchführen zu können, wurde ein entsprechender Versuchsaufbau konstruiert und gebaut.
Zum Positionieren und Ausführen der Quetschbewegungen kommt ein Kreuztisch zum Einsatz, der mit
zwei Linearmotoren angetrieben wird. Die Flüssigkeit,
die die Pumpe von einem Behälter in einen zweiten
pumpt, wird kontinuierlich gewogen. Die Ansteuerung
der Motoren so wie der Waage für die Gewichtsmessung und das automatisierte Messprogramm übernimmt ein Micro-Controller. Es wurden an drei Schläuchen mit den Durchmessern 1 mm, 4 mm und 8 mm
Messungen durchgeführt. Aus den Messdaten wurde
mit Matlab der maximale Fluss und der von der Pumpe
geleistete maximale Druck ausgerechnet und anschliessend in Funktion der Frequenz und Position grafisch
dargestellt
In den Fünfzigerjahren entdeckte Gerhart Liebau das
Prinzip der Impedanzpumpe, das seit dem Jahr 2000
von einer wachsenden Zahl von Forschern untersucht
wird. Die Tatsache, dass die Flüssigkeit nicht mit beweglichen Teilen in Berührung kommt und die Anregung relativ einfach realisiert werden kann, macht das
Prinzip der Impedanzpumpe für die Medizintechnik
besonders interessant. Bisherige Publikationen über
die Impedanzpumpe beziehen sich oft auf Experimente mit einem einzigen Schlauchdurchmesser an einer
definierten Anregungsposition.
243
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