Lawinenverschüttetensuchgeräte – Theorie und Eigenbau

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Maria-Theresia-Gymnasium München Abiturjahrgang 2010 Facharbeit im Leistungskurs Physik des Kollegiaten Dominik Schröder mit dem Thema Lawinenverschüttetensuchgeräte Theorie und Eigenbau Erzielte Punktzahl: Abgabetermin: 29. Januar 2010 Kursleiter: A. Fleckenstein

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Maria-Theresia-Gymnasium München Abiturjahrgang 2010

Facharbeitim Leistungskurs

Physikdes Kollegiaten Dominik Schröder

mit dem Thema

LawinenverschüttetensuchgeräteTheorie und Eigenbau

Erzielte Punktzahl:

Abgabetermin: 29. Januar 2010

Kursleiter: A. Fleckenstein

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Zeit ist die kritische Komponente bei der Suche nach Verschütteten in Lawinen. So ge-nannte Lawinenverschüttetensuchgeräte1 empfangen bzw. senden elektromagnetische Wel-len und machen eine Lokalisierung des Opfers erst möglich. Diese Arbeit befasst sich mit derFunktionsweise solcher Geräte und beschreibt die Entwicklung eines digitalen LVS-Gerätesmit drei orthogonal angeordneten Antennen, die die Suche beschleunigen und damit dieÜberlebenschancen des Verschütteten erhöhen können.

1kurz LVS-Gerät

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Danksagung

Herzlicher Dank geht an Abdul K. und Hans-Joachim Brandt (Amateurfunk-RufzeichenDJ1ZB) für ausführliche Beratung im Bereich der Analogtechnik für die Empfangsschalt-kreise.Dank geht auch an Dr. Schott für die Bereitstellung von Informationen bezüglich des

Pyro-Power-Safe-Projektes.

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Selbstständigkeitserklärung

Hiermit versichere ich, die vorliegende Arbeit selbstständig und ohne fremde Hilfe verfasstund keine anderen als die im Literaturverzeichnis angegebenen Hilfsmittel verwendet zuhaben.

München, den 28. Januar 2010

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Inhaltsverzeichnis

Inhaltsverzeichnis

1. Einleitung 71.1. Lawinen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7

1.1.1. Schneebrettlawinen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71.1.2. Lockerschneelawinen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71.1.3. Staublawinen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8

1.2. Verschüttungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81.3. Bergung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9

2. Lawinenverschüttetensuchgeräte 102.1. Signalanalyse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10

2.1.1. Nahfeld . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102.1.2. Frequenz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112.1.3. Feldgeometrie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112.1.4. Pulsierendes Signal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11

2.2. Empfang des Signals . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 122.3. Verarbeitung des Signals . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12

2.3.1. Einantennige LVS-Geräte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 132.3.1.1. Suchtechnik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 132.3.1.2. Problematik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13

2.3.2. Mehrantennige LVS-Geräte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 132.3.2.1. Empfangstechnik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 142.3.2.2. Suchtechniken . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 152.3.2.3. Problematik bei zweiantennigen Geräten . . . . . . . . . . 16

3. Eigenbau 173.1. Vorüberlegungen zum Bau . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17

3.1.1. Technische Erwägungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 173.2. Hardware . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17

3.2.1. Empfang des Signals . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 173.2.1.1. Empfangsschwingkreis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 173.2.1.2. Resonanzfindung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18

3.2.2. Verarbeitung des Signals . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 183.2.3. Analyse des Signals . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 193.2.4. Magnetometer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 203.2.5. Benutzerinteraktion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20

3.2.5.1. LCD-Display . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20

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Inhaltsverzeichnis

3.2.5.2. Piezo-Lautsprecher . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 203.3. Software . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20

3.3.1. Schematik der Software . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 203.3.2. Technische Implementierung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21

3.3.2.1. Schleifenfunktion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 213.3.2.2. Verarbeitung des Signals . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 223.3.2.3. Ansteuerung des Displays . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 223.3.2.4. Auslesen des Kompasses . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 233.3.2.5. Ansteuerung des Lautsprechers . . . . . . . . . . . . . . . . 233.3.2.6. Entwicklung des Suchalgorithmus . . . . . . . . . . . . . . 23

3.4. Ergebnisse des Eigenbaus . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 263.4.1. Hardware . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 263.4.2. Software . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 263.4.3. Abschließende Bewertung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27

4. Ausblick 284.1. Technische Entwicklung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28

4.1.1. Empfangstechnik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 284.1.2. Suchtechnik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29

4.2. Bewertung der bevorstehenden Entwicklungen . . . . . . . . . . . . . . . . . 29

Abbildungsverzeichnis 30

Literaturverzeichnis 31

Anhang A. Schaltplan 32

Anhang B. Source-Code 33

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1. Einleitung

1. Einleitung

Im Folgenden soll ein allgemeiner Über-blick über die Lawinenproblematik in denschneebedeckten Gebirgen gegeben wer-den. Im Zuge der Recherchen haben sichdas Standardwerk zu Lawinenvorbeugung3x3 Lawinen1 und Veröffentlichungen desSchweizer Lawinen-Forschungs-Instituts2 alssehr hilfreich erwiesen.

1.1. Lawinen

Lawinen3 sind die bedeutendste Naturge-fahr in schneebedeckten Gebirgen. Allein imAlpenraum sterben jährlich 100 Menschenin Lawinen bzw. an den Folgen der Ver-schüttungen. Den Großteil der Opfer stel-len Wintersportler dar, Lawinenabgänge aufOrtschaften und Verkehrswege sind durchSchutzmaßnahmen glücklicherweise seltengeworden.Die Entstehung von Lawinen hängt maß-

geblich von der Beschaffenheit der Schnee-decke ab. Es werden grundsätzlich drei ver-schiedene Arten von Lawinen unterschieden:Lockerschneelawinen und Staublawinen ge-hen meist von einem Punkt aus, während beiSchneebrettlawinen ganze Schneetafeln ent-lang einer Abrisskante abrutschen.

1.1.1. Schneebrettlawinen

Bei ungünstigen Witterungsverhältnissenkann es dazu kommen, dass die physikalischeVerbindung zwischen zwei zu unterschied-lichen Zeitpunkten entstandenen Schnee-

1siehe Munter (1997)2siehe SLF (2006)3von lat. labina – das Gleiten

schichten so labil ist, dass lediglich leich-ter Druck von außen – beispielsweise durcheinen Wintersportler – dazu führt, dass dieoberste Schneeschicht über die Breite des ge-samten Hanges ins Rutschen kommt und al-le sich im Hang befindlichen Personen mitsich reißt. Dabei entsteht eine sehr markan-te Abrisskante (Abb. 1.1). Beispiele für Ge-fahrenfaktoren sind Schneefall unter starkemWind oder abrupte Temperaturänderungen.Auch die Steilheit des Hanges korreliert mitder Gefahr eines Abgangs. Die Gefahr fürden Verschütteten besteht in erster Linie inVerletzungen durch Felskontakt und Ersti-ckung unter den Schneemassen. Sie stellenaufgrund ihrer Häufigkeit und Gefährlichkeitwohl die akuteste Gefahr da.

Abbildung 1.1.: Schneebrettlawine mit mar-kanter Abrisskante

1.1.2. Lockerschneelawinen

Wesentlich häufiger sind so genannte Locker-schneelawinen. Diese beginnen im Gegensatz

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1. Einleitung

zu Schneebrettlawinen immer punktförmig.Sie treten vor allem auf, wenn innerhalb vonkurzer Zeit eine große Menge an Neuschneeauf die gesetzte Schneedecke gefallen ist.Lockerschneelawinen werden meistens spon-tan ausgelöst, das heißt ohne Einwirkungeines Wintersportlers. Von dem Ausgangs-punkt breitet sich die Lawine kegelförmignach dem Schneeballprinzip aus (Abb. 1.2).Sie sind meist kürzer, da weniger zusam-menhängende Schneemasse abrutscht. Da-mit sind derartige Lockerschneelawinen alseher ungefährlich zu betrachten.

Abbildung 1.2.: Mehrere punktförmig be-ginnende Lockerschneelawi-nen

1.1.3. Staublawinen

In sehr exponierten Lagen kann sich aus ei-ner Lockerschnee- eine Staublawine (Abb.1.3) entwickeln, die Geschwindigkeiten vonbis zu 300 km

h erreichen kann und eineDruckwelle vor sich her schiebt. Dabei wer-den extrem kleine (<1 mm) Schneepartikelvor der Lawine durch den Druck aufgewir-belt, wodurch die charakteristische Staub-wolke entsteht. Die Gefahr für den Sport-ler besteht darin, dass unter dem enor-men Überdruck die Lungen platzen können.Staublawinen sind die zugleich seltenste undgefährlichste Lawinenart.

Abbildung 1.3.: Staublawine

1.2. Verschüttungen

Verschüttungen treten in den allermeistenFällen bei Schneebrettlawinen auf. Circazwei Drittel der mitgerissenen Personen wer-den nicht oder nur teilweise verschüttet4,was eine schnelle Rettung ermöglicht.Somit liegt während eines Lawinenab-

gangs die höchste Priorität darin, eine Kom-plettverschüttung zu vermeiden. Da bewe-gende Schneemassen sich physikalisch sehrähnlich zu einer Flüssigkeit verhalten, kannman sich am besten durch Schwimmbewe-gungen an der Oberfläche halten. Da Schierund Stöcke dabei eher hinderlich sind, exis-tieren Überlegungen, diese im Fall eines La-winenabgangs wegzusprengen. An der Tech-nischen Universität München wird dazu dasSystem Pyro-Power-Safe5 entwickelt.Komplett Verschüttete hingegen sind nur

in knapp einem Zehntel der Fälle in derLage, sich selbst zu retten6. Das ist ne-ben den schweren Schneemassen auch aufBewusstlosigkeit und Orientierungslosigkeitder Opfer zurückzuführen. Die hauptsäch-lich auftretenden Todesursachen von Ver-schütteten sind (nach Häufigkeit sortiert):Ersticken, Erliegen an durch den Abgang be-dingten Verletzungen (Knochenbrüche, offe-ne Schürfwunden), Unterkühlung.Die Überlebenschancen einer verschüt-

4siehe SLF (2007)5siehe Senner (2009)6siehe SLF (2007)

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1. Einleitung

teten Person sinken mit der Dauer derVerschüttung dramatisch. Bereits nach ei-ner halben Stunde ist die Überlebenswahr-scheinlichkeit auf 40 % gesunken (Abb. 1.4).

Abbildung 1.4.: Sinken der Überlebens-wahrscheinlichkeit

1.3. Bergung

Zeit ist damit die kritische Komponente fürdie Bergung eines Lawinenverschütteten. Indem wahrscheinlichen Fall, dass das Opfernicht in der Lage ist, sich selbst zu retten,ist es darauf angewiesen, durch die Begleiterschnellstmöglich lokalisiert und geborgen zuwerden. Die Bergung selbst stellt meist diekleinere Problematik dar, da der Verschütte-te im Schnitt nur 70 cm unter der Oberflächeliegt7.Damit ist das Hauptproblem bei der Ret-

tung in der Lokalisierung des Verschüttetenzu sehen. Sichtbare Teile des Verschüttetensind ein Garant für eine schnelle Bergung,treten aber nur in der Minderzahl der Fäl-le auf. Im Laufe der Zeit sind verschiedens-te Hilfsmittel aufgekommen, welche allesamteine schnelle Lokalisierung versprechen unddies mehr oder weniger einhalten. Das pri-mitivste hier zu nennende Hilfsmittel stelltwohl die vor allem in den Anfangstagen desSchibergsteigens eingesetzte Lawinenschnur

7siehe SLF (2007)

dar, bei welcher es sich lediglich um eine far-bige, circa 30 Meter lange Schnur handelt.Diese bindet sich der Wintersportler um inder Hoffnung, dass im Falle einer Verschüt-tung ein Teil der Schnur zu sehen ist unddie Begleiter diese bis zum Verschüttungs-ort zurückverfolgen können. Eine Weiterent-wicklung dieser sich als nicht allzu praxi-stauglich erwiesenen Rettungstechnik ist derso genannte Lawinenball. Dieser wird im zu-sammengefalteten Zustand am Rucksack be-festigt und kann im Falle einer Lawine übereine Reißleine mechanisch entfaltet werden,wodurch der Ball sich an der Oberfläche hal-ten soll, um anhand der Verbindungsschnurzum Rucksack des Opfers die optische Lo-kalisierung möglich zu machen. Er ist nichtmit dem so genannten ABS-System8 zu ver-wechseln, welches eher in die Kategorie derVerschüttungsprävention fällt.Seit mehreren Jahren durchgesetzt hat

sich die Kombination aus LVS und Sonde.Ersteres wird im nächsten Kapitel dieser Ar-beit ausführlich beschrieben. Die Sonde istein dünner, sehr leichter, zusammenklappba-rer mindestens zwei Meter langer Stab undwird eingesetzt, um im Schnee den Verschüt-teten schnell zu ertasten, was jedoch vielÜbung erfordert.

Abbildung 1.5.: Die Grundausrüstung

8Ebenfalls durch eine Reißleine aktiviert werdenzwei große Luftpolster am Rucksack mit Gas ge-füllt, wodurch der Rucksack samt Träger an derOberfläche bleiben soll

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2. Lawinenverschüttetensuchgeräte

2. Lawinenverschüttetensuchgeräte

Lawinenverschüttetensuchgeräte habensich binnen weniger Jahre nach ihrerMarkteinführung 1968 zum Standard in derRettungstechnik für Lawinenverschüttun-gen entwickelt. Sie zeichnen sich durch ihregroße Zuverlässigkeit aus und gehören zurMinimalausrüstung abseits der gesichertenSchipisten.In einer Gruppe von Wintersportlern

trägt jeder ein aktiviertes LVS-Gerät im Sen-demodus möglichst nah am Körper. Die-ses sendet ständig elektromagnetische Wel-len der Frequenz 457 kHz1 aus. Im Ernstfalldes Lawinenabgangs schalten dann die nichtVerschütteten ihre LVS-Geräte in den Such-modus und versuchen, den Sender zu lokali-sieren. Der Vorgang der Suche an sich istmit Radio Direction Finding vergleichbar,gestaltet sich aber durch die großen Nicht-linearitäten des Feldes als ungleich schwieri-ger. Im Folgenden soll erst das ausgesandteSignal analysiert werden, um dann näher aufdie Verarbeitung des Signals im LVS-Gerätdes Suchenden einzugehen und verschiedeneSuchtechniken zu beschreiben.

2.1. Signalanalyse

Die vorliegende Frequenz von 457 kHz ent-spricht einer Wellenlänge von ca. 650 m.Bei der die Strahlung aussendenden Antennekommt ein Schwingkreis mit Ferritantenneund Resonanzkondensator zum Einsatz, daeine Stabantenne der Länge λ

2 ≈ 325 m als

1457 kHz haben sich erst im Laufe der Zeit als Stan-dard durchgesetzt, davor waren unter anderemauch 2275 kHz üblich

eher unpraktikabel angesehen werden kann.Im Folgenden soll eine kurze qualitative undquantitive Beschreibung des gesendeten Si-gnals erfolgen.

2.1.1. Nahfeld

Das ausgesandte elektromagnetische Feldwird grob in Nah- und Fernfeld unter-teilt. Die charakteristische Ausbreitung inphasengleichen, sich einander bedingenden,wechselnden elektrischen und magnetischenFeldern ist erst im Fernfeld erreicht. Im Nah-feld ist die Strahlung noch nicht entkoppelt,das heißt sie oszilliert größtenteils zwischenAntenne und Nahfeldgrenze, weswegen esweniger linear in der Strahlungsleistung ist,da beispielsweise Energie nicht nur emit-tiert wird, sondern teilweise aus der Umge-bung auch wieder aufgenommen wird. Zu-dem ist das Verhältnis zwischen H- und E-Komponente des Feldes, anders als im Fern-feld, nicht konstant.Die ungefähre Grenze ergibt sich aus fol-

genden Gleichungen nach Schelkunoff2:

H = −β3

4πIh

(1

βd− i

(βd)2− 1

(βd)3

)sin θe−iβd

(2.1)

E = 30β3Ih

(1

βd− i

(βd)2

)sin θe−iβd (2.2)

Dabei ist β = 2πλ , d der Abstand zum Sen-

der, I der Stromfluss durch die Antenne, hdie Höhe der Antenne und i =

√−1.

Es zeigt sich, dass 1βd ,

1(βd)2

und 1(βd)3

fürd = 1

β = λ2π gleich sind. Diese Distanz gilt

2siehe Detlefsen u. Siart (2006)

10

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2. Lawinenverschüttetensuchgeräte

als die Grenze zwischen Nah- und Fernfeld.Das zu untersuchende Gebiet liegt demnachkomplett im Nahfeld. Aus den Gleichungen2.1 und 2.2 folgt ebenso, dass die magneti-sche Komponente im Nahfeld wesentlich be-deutender ist als die elektrische (Abb 2.1).

Abbildung 2.1.: Elektrische und magneti-sche Komponente im Nah-und Fernfeld

2.1.2. Frequenz

Der magnetische Anteil der elektromagne-tischen Strahlung wird von der Umgebungund Ausrüstung, wie Schaufeln oder Schiernum das Achtzigfache weniger beeinflusst alsder elektrische Anteil3. Damit ist eine Fre-quenz, bei der der gesamte Suchradius immagnetisch dominierten Nahfeld liegt, Vor-aussetzung für einigermaßen störungsfreienEmpfang. Bei einer zu langen Wellenlän-ge wären die Antennen in der handlichenGröße kaum noch realisierbar. Die zwischenMittel- und Langwelle angesiedelten 457 kHzsind ein Kompromiss zwischen den beidenVoraussetzungen, inzwischen standardisiert(ETS 300718) und für LVS-Geräte reser-viert. Ein Nachteil der niedrigen Frequenzist, dass die Strahlungsleistung im Nahfeldmit nahezu4 1

d3rapide abfällt, im Fernfeld

3siehe Hereford u. Edgerly (2000)4Die Signalstärke ist das Kreuzprodukt aus E-und H-Anteil der elektromagnetischen Welle. ImNahfeld ist dieses nicht konstant, da E und Hnoch nicht phasengleich sind, weshalb der Wert

hingegen nur mit 1d2

5.

2.1.3. Feldgeometrie

Das zu untersuchende Feld kann von derGeometrie her mit dem eines magnetischenDipols verglichen werden (Abb. 2.2(a)) undist mathematisch nur äußerst komplex zu be-schreiben6:

H =1

4π√d2x + d2y + d2z

5Am (2.3)

wobei

A =

2d2x − d2y − d2z 3dxdy 3dxdz

3dxdy 2d2y − d2x − d2z 3dydz

3dxdz 3dydz 2d2z − d2x − d2y

(2.4)

Dabei beschreibt m das magnetische Mo-ment, dx den Abstand in X-Richtung vomSender, dy den Abstand in Y-Richtung unddz den Abstand in Z-Richtung.Die Richtung des magnetischen Feldstär-

kevektors ist, anders als im Fernfeld, nichtnur von θ, sondern auch von r abhängig, wo-durch eine direkte Ortsbestimmung des Ver-schütteten nicht, beziehungsweise nur untereiner gewissen Wahrscheinlichkeit möglichist. Des Weiteren breitet sich die Strahlung,anders als im Fernfeld, nicht in alle Richtun-gen gleichförmig aus, sondern es entstehenzwei tote Winkel in Verlängerung der Spu-lenachse (Abb. 2.2(b))

2.1.4. Pulsierendes Signal

Um Energie zu sparen, senden LVS-Gerätenicht kontinuierlich, sondern nur jeweils ca.110 bis 3

10 s mit 710 bis 9

10 s Pause zwischenjedem Signalpuls (ETS 300718). Dies hat au-ßerdem den Vorteil, dass mehrere Signaleempfangen und analysiert werden können.

1d3

lediglich eine Annäherung ist.5siehe Detlefsen u. Siart (2006)6siehe Piniés u. Tardós (2006)

11

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2. Lawinenverschüttetensuchgeräte

(a) Feldlinien (b)Signal-stärke

Abbildung 2.2.: Feldgeometrie

Mehrere überlappende Impulse können er-kannt und als Mehrfachverschüttung inter-pretiert werden (Abb. 2.3).

30 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 1,4 1,6 1,8 2 2,2 2,4 2,6 2,8

Zeit in s

Sign

alam

plitu

de

Abbildung 2.3.: Drei pulsierende Signale

2.2. Empfang des Signals

Der Empfänger ist dafür zuständig, die In-formationen des elektromagnetischen Feldesin messbare Spannungen umzuwandeln. Da-zu ist er dem Sender ähnlich aufgebaut. AlsAntenne dient die Ferritspule des Resonanz-schwingkreises. Der sich ändernde magneti-sche Fluss im vom Sender ausgesandten elek-tromagnetischen Feld induziert nach Fara-day eine Spannung im auf Resonanz abge-stimmten Empfangsschwingkreis7:

Uind = −NiΦ (2.5)

Φ = BA = BA cosα (2.6)

7siehe Gerthesen (2006)

Wobei Uind die induzierte Spannung, Ni dieWindungszahl, Φ den magnetischen Fluss,B die magnetische Flussdichte, A die Quer-schnittsfläche der Ferritspule und α denWinkel zwischen Spulenachse und magneti-scher Feldlinie beschreibt. Da im vorliegen-den Fall A als konstant angesehen werdenkann und sich α unbedeutend wenig ändert,reduzieren sich obige Gleichungen zu:

Uind = −NiBA cosα (2.7)

Das B-Feld ändert sich sinusartig, wes-halb die induzierte Spannung sich eben-falls sinusartig, nur phasenverschoben, ver-hält. Die im Empfänger induzierte Spannungstellt in Amplitude und Frequenz ein Abbilddes elektromagnetischen Feldes dar. Zusätz-lich dazu enthält die Amplitude aufgrundder Richtcharakteristik der Empfangsanten-ne eine Aussage über die Richtung der ma-gnetischen Feldlinien, was für die Signalver-arbeitung interessant ist.Da im Nahfeld das Magnetfeld über-

wiegt, heißt diese Form von Signalübertra-gung induktive Koppelung. Interessanterwei-se kommt ein ganz ähnliches Verfahren losegekoppelter Schwingkreise beispielsweise beiRFID-Technik8 zum Einsatz.

2.3. Verarbeitung des Signals

Während die Empfangstechnik sich seitMarkteinführung der LVS-Geräte im Prin-zip nicht geändert hat, hat es im Bereichder Signalverarbeitung und Suchtechnikeneine fortwährende Weiterentwicklung gege-ben. Neben dem Umstieg von Analog- aufDigitaltechnik ist die hauptsächliche Weiter-entwicklung in der zunehmenden Anzahl anAntennen zu sehen. Da sich die Verarbei-tungsart substanziell unterscheidet, werden

8Radio Frequency Identification

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2. Lawinenverschüttetensuchgeräte

im Folgenden ein- und mehrantennige LVS-Geräte unterschieden.

2.3.1. Einantennige LVS-Geräte

Die ersten LVS-Geräte hatten nur einenEmpfangsschwingkreis. Die Ferritspule ist inder Achse des Gerätes angeordnet, das heißtder Empfang ist maximal, wenn das Gerätin Richtung einer Feldlinie zeigt. Die De-modulation des Signals9 erfolgt analog, wo-durch ein Rechtecks-Gleichstrom-Signal ent-steht. Die Amplitude des demodulierten Si-gnals regelt die Lautstärke eines angeschlos-senen Lautsprechers. Zusätzlich kann übereinen Drehkondensator die Empfindlichkeitverändert werden.

2.3.1.1. Suchtechnik

In der Suchtechnik10 ist man bei einanten-nigen, analogen Geräten sehr begrenzt, dakeine anderen Daten über das Signal zu Ver-fügung stehen als die Intensität in Richtungder Geräte- bzw. Spulenachse.

Kreuz-Suche Die Kreuzsuche ist die denk-bar einfachste Möglichkeit der Suche. Ausge-hend von einem Punkt geht man zufällig inirgendeine Richtung. Nimmt die Lautstärkezu, geht man weiter, nimmt die Lautstärkeab, dreht man um und versucht vom Aus-gangspunkt eine um 90◦ versetzte Richtung(Abb. 2.4(a)). Hat die Lautstärke erst zuge-nommen und nimmt dann wieder ab, gehtman zu dem Punkt der höchsten Lautstär-ke zurück und nimmt diesen als neuen Aus-gangspunkt.

Tangenten-Suche Eine auf den selbentechnischen Voraussetzungen beruhende,

9Die vorliegende, einfachste Form von Modulationwird A1A genannt

10siehe Calia (2002)

(a) Kreuz-Suche (b) Tangenten-Suche

Abbildung 2.4.: Suchtechniken für einanten-nige LVS-Geräte

aber etwas intelligentere Suchmethode istdie so genannte Tangenten-Suche. Dieseschlägt Nutzen aus der Richtcharakteristikder Ferritspule. Im Anfangspunkt dreht mansich langsam, um die Richtung der höchs-ten Intensität festzustellen. Dieser Richtungfolgt man wenige Meter, bevor eine erneu-te Umorientierung stattfindet (Abb. 2.4(b)).Das heißt, man bewegt sich im Prinzip aufTangenten zu einer Feldlinie. In unmittelba-rer Nähe des Verschütteten ist diese Technikaufgrund der starken Krümmung der Feld-linien nur schwer anzuwenden, weshalb hiererneut die Kreuzsuche zum Einsatz kommt.

2.3.1.2. Problematik

Einantennige LVS-Geräte sind insofern pro-blematisch, als dass die Suche nach einemVerschütteten zum einen sehr viel Zeit inAnspruch nehmen kann und zum anderengut geschulte Suchende vonnöten sind.

2.3.2. Mehrantennige LVS-Geräte

Im Zuge der Umstellung von rein analogerauf digitale Technik kamen bei den LVS-Geräten auch zusätzliche Antennen dazu,welche den Vorteil bringen, dass man eineAussage über die Richtung der induzieren-den Feldlinie treffen kann, um dem Suchen-den entlang dieser zum Verschütteten zu

13

Page 14: Lawinenverschüttetensuchgeräte – Theorie und Eigenbau

2. Lawinenverschüttetensuchgeräte

Abbildung 2.5.: Anordnung der Antennen

führen. Die Antennen sind orthogonal zuein-ander angeordnet (Abb. 2.5). Da die Anten-nen eine kosinusartige Richtcharakteristikbesitzen, können die Amplituden der jewei-ligen Antennen als vektorielles Abbild desFeldstärkevektors in Antennenrichtung an-gesehen werden (Abb. 2.6). Durch den Satz

Abbildung 2.6.: In Komponenten zerlegterFeldstärkevektor

des Pythagoras kann so die skalare Größeder magnetischen Feldstärke errechnet wer-den11:

H =√H2x +H2

y +H2z (2.8)

Durch trigonometrische Funktionen ist esnun möglich, den Winkel zwischen jeder An-tennenachse und dem Feldstärkevektor zuerrechnen:

αi = arccosHi

Hmit i = x, y, z (2.9)

11Dies setzt drei Antennen voraus. Im Falle von zweiAntennen wird das Abbild des Vektors in die XY-Ebene berechnet

2.3.2.1. Empfangstechnik

Analoge Demodulation Einfache mehr-antennige LVS-Geräte setzen ähnlich deneinantennigen LVS-Geräten auf analogeDemodulation. Das daraus resultierendegleichstromartige Rechteckssignal der bei-den Empfangsschaltkreise wird in einemAnalog-Digital-Wandler in Zahlenwerte um-gewandelt und an einen Mikrocontroller wei-tergegeben. Dieser ermittelt die Signalampli-tuden der Antennen.Dies führt allerdings zu einem Problem:

Jede der Antennen hat eine Zweideutigkeit,oder anders gesagt, die Amplitude des Si-gnals gibt keine Auskunft über die Phasedes selbigen. Bei zwei Antennen führt das zu22 = 4 möglichen Richtungen für den Feld-stärkevektor, bei drei Antennen zu 23 = 8

Möglichkeiten. Diese Mehrdeutigkeit stelltfür die Suche ein Problem dar, da nur zweider errechneten Richtungen wirklich zumOpfer führen12.Das Problem lässt sich aber software-

technisch recht leicht lösen: Sobald derSuchende sich in eine vorgegebene Rich-tung dreht, kann die wahre Richtungdes Feldstärke-Vektors durch Vergleich derMesswerte bestimmt werden.

Digitale Demodulation Modernere digi-tale LVS-Geräte setzen auf eine digita-le Demodulation. Dabei werden die Si-gnale der drei Antennen analog verstärktund frequenzunverändert in einem Analog-Digital-Wandler13 in Zahlenwerte umgewan-delt. Die Abtastrate des ADWs sollte nachdem Nyquist-Shannon-Abtasttheorem min-destens das Doppelte der abzutastenden Fre-quenz betragen, was im konkreten Beispieleiner Abtastrate f ≥ 2∗457 kHz = 914 kHz12Die Feldlinien führen in beide Richtungen zum

Ziel13kurz ADW

14

Page 15: Lawinenverschüttetensuchgeräte – Theorie und Eigenbau

2. Lawinenverschüttetensuchgeräte

entspricht14. Aus den Zahlenwerten werdendann in einem Digitalen Signal-Prozessor15

die Signalparameter, wie Frequenz, Ampli-tude und Phase kontinuierlich erraten. Da-zu kommt meistens die so genannte Maxi-mum Likehood-Methode zum Einsatz16, wel-che stichprobenartig Messwerte analysiertund die Signalparameter so anpasst, dass dievorhandenen Messwerte am wahrscheinlichs-ten sind. Dadurch wird es zum einen mög-lich, die Phasenbeziehung zwischen den ein-zelnen Signalen zu bestimmen, was falscheRichtungsangaben ausschließt17 und zumanderen können digitale Filter eingesetztwerden, welche die Signalerkennung signifi-kant verbessern und dadurch die Reichweiteder LVS-Geräte erhöht18.

Ebenfalls zum Einsatz kommt eine ge-mischte Signalerfassungsmethode, welchedas Signal erst analog verarbeitet und dannan den ADW weitergibt. Dabei wird dasEingangssignal der Frequenz f in einem ana-logen Mischer mit einem von einem lokalenOszillator hergestellten Signal der FrequenzfLO, welche sich um wenige kHz von f un-terscheidet, gemischt, wodurch die Frequen-zen |f + fLO| und |f − fLO| entstehen. Diehohe Frequenz wird über einen Tiefpassfil-ter herausgefiltert und die niedrige im ADWumgewandelt, was den Vorteil hat, dass maneine niedrigere Abtastrate braucht.

Ein Nachteil der digitalen Technik ist ne-ben den teuren ADWs mit einer derart ho-hen Abtastrate auch der hohe Rechenauf-wand für die Abschätzung der Signalpara-meter. Auf lange Sicht wird sich die rein di-gitale Technik vor allem wegen ihrer größe-

14siehe Salós u. a. (2007)15kurz DSP16siehe Kay (1993)17Von den vier bzw. acht möglichen Vektoren blei-

ben zwei übrig, welche entgegengesetzt kollinearzueinander sind

18siehe Salós u. a. (2007)

ren Flexibilität auf jeden Fall durchsetzen.

2.3.2.2. Suchtechniken

Feldliniensuche Durch die Bestimmungder Richtung des Feldstärke-Vektors ist esmöglich, den Suchenden über Richtungsan-gaben entlang einer Feldlinie zum Verschüt-teten zu führen (Abb. 2.7(a)). Dies funktio-niert in unmittelbarer Nähe des Opfers nichtso gut wie in einiger Entfernung. Die Feldli-niensuche ist zuverlässig, aber nicht optimal,da man nicht den direkten Weg geht.

(a) Feldliniensu-che

(b) Punktlokalisierung

Abbildung 2.7.: Suchtechniken für mehran-tennige LVS-Geräte

Punktlokalisierung Die neuesten Entwick-lungen sind Ansätze zu einer möglichenPuntktlokalisierung. Nach jüngsten For-schungsergebnissen kann die Lawinensucheals SLAM -Problem19 gesehen werden. Dasbedeutet, dass der Mikrocontroller mit derZeit versucht, ein ständig aktualisiertes Bildseiner Umgebung aufzubauen und gleichzei-tig die punktgenaue Lokalisierung des Ver-schütteten mit jedem neuen Messwert ge-nauer wird. Dabei ist Voraussetzung, dassdie Position des Suchenden und die Aus-richtung der Antennen zu jedem Messpunktbekannt ist. Da GPS zu ungenau ist, könn-te dies beispielsweise durch Trägheitsnaviga-tion gelingen, was den Rechenaufwand na-

19simultaneous localization and mapping – ein rechtjunges Forschungsgebiet der Robotik

15

Page 16: Lawinenverschüttetensuchgeräte – Theorie und Eigenbau

2. Lawinenverschüttetensuchgeräte

türlich wiederum um ein Vielfaches erhö-hen würde. Mehrere Punkte und die dort er-fassten Feldstärkevektoren erlauben dann ei-ne Abschätzung des gesamten Magnetfeldesund dadurch auch der Position des Verschüt-teten. Eine testweise Implementierung einessolchen Verfahrens stellt die robotergesteu-erte Lawinensuche dar, die sich der Gaußss-chen Summe bedient, um die Lokalisierungfortlaufend zu präzisieren20. Nach wenigenMessungen ist die Lokalisierung mit aus-reichend hoher Wahrscheinlichkeit durchge-führt und der Suchpfad führt direkt zum Op-fer (Abb. 2.7(b))Inwiefern der Vorteil einer nur etwas kür-

zeren Suchzeit den hohen Aufwand un-ter Inkaufnahme einer geringeren Ausfall-sicherheit rechtfertigt, bleibt abzusehen bisdie ersten Implementierungen der TechnikMarktreife erlangen.

2.3.2.3. Problematik bei zweiantennigenGeräten

Heutzutage haben fast alle21 erhältlichenGeräte drei Antennen. Dies hat den Haupt-vorteil, dass der gesamte räumliche Feldstär-kevektor aufgezeichnet wird.In der Praxis kann es bei zweiantenni-

gen LVS-Geräten dazu kommen, dass einer-seits falsche Intensitätsmaxima und anderer-seits anstelle des wahren Maximums ein Mi-nimum im Nahbereich um den Verschütte-ten auftauchen, da der Anteil des Vektorsin Z-Richtung nicht gemessen wird. Dies isthauptsächlich bei Tiefverschüttungen undschräg liegenden Sendern ein Problem(Abb.2.8).Zeitweise wurden auch LVS-Geräte mit

zwei echten und einer virtuellen Antenne20siehe Piniés u. Tardós (2006)21Eine Ausnahme stellt der Pieps Freeride von

Pieps DSP dar, welcher dank veralteter Technikzum günstigen Preis angeboten wird

Abbildung 2.8.: Betrag des Feldstärkevek-tors um den Verschüttetenbei zwei- und dreiantenni-gen LVS-Geräten

angeboten. Dabei wurde aus den Messwer-ten der echten Antennen und einer Schät-zung für den Gesamtbetrag des magneti-schen Feldstärkevektors der wahrscheinli-che Betrag der dritten Antenne ermittelt.Dies hat sich aber eher nicht bewährt, wes-halb des Stand der Technik dreiantennigeLVS-Geräte mit DSP und sehr schnellemADW sind. Auf mögliche Weiterentwicklun-gen wird noch in 4 eingegangen.

16

Page 17: Lawinenverschüttetensuchgeräte – Theorie und Eigenbau

3. Eigenbau

3. Eigenbau

Der praktische Teil dieser Arbeit bestehtim Eigenbau eines möglichst fortschrittli-chen Lawinensuchgeräts. Im Folgenden sol-len erst kurz die Vorüberlegungen zum Baudargelegt werden, um dann auf die Hard-und Software-Entwicklung einzugehen. An-schließend werden die Ergebnisse der Feld-versuche mit der selbst gebauten Hardwarevorgestellt.

3.1. Vorüberlegungen zumBau

Hauptaugenmerk beim Gerätebau sollteauf der Signalanalyse, -verarbeitung und -auswertung liegen. Daher wurde auf die Im-plementierung eines Sendemodus verzich-tet. Ebenfalls nicht im Vordergrund stan-den praktische Erwägungen wie Maximie-rung der Batterielaufzeit, Wasserdichtigkeit,kompakte Größe, Widerstandsfähigkeit undgeringes Gewicht. Kurzgesagt handelt es sichum eine Machbarkeitsstudie des Eigenbauseines derartigen Geräts.

3.1.1. Technische Erwägungen

Da der interessante Aspekt der software-geleiteten Suchpfade nur bei LVS-Gerätenmit mehreren Antennen eine Rolle spielt unddiese als Stand der Technik angesehen wer-den können, wurde entschieden, ein dreian-tenniges Gerät mit digitaler Auswertung ineinem Mikrocontroller zu bauen.Wie in 2.3.2.1 dargelegt ist die digitale

Modulation wünschenswert, da die Phasen-beziehung zwischen den Signalen der einzel-

nen Antennen nicht verloren geht und da-mit falsche Richtungsangaben ausgeschlos-sen werden können. Allerdings erfordert die-se aber einen leistungsstarken und auch teu-ren DSP1 und ADW.Daher wird hier der Ansatz der analogen

Demodulation (vgl. 2.3.2.1) verwendet undin 3.3.2.6 ein Vorschlag zur Minimierung derdadurch entstehenden Nachteile gemacht.

3.2. Hardware

Die Hardware-Entwicklung kann grob inmehrere Abschnitte gegliedert werden: Denersten wichtigen Punkt stellt der Empfangdes Signals mit anschließender Verarbei-tung und Analyse dar. Ebenfalls soll aufdie Hardware zur Interaktion mit dem Be-nutzer und die Implementierung eines zu-sätzlichen Magnetometers, welches für dieSuchalgorithmus-Entwicklung in 3.3.2.6 re-levent ist, eingegangen werden. Ein Schalt-plan des gesamten Aufbaus ist in Anhang Azu sehen.

3.2.1. Empfang des Signals

3.2.1.1. Empfangsschwingkreis

Für den Empfang des Signals wird einSchwingkreis mit einer Resonanzfrequenzvon 457 kHz verwendet. Für die exakte Re-sonanzabstimmung wird ein Drehkondensa-tor (Abb. 3.1(a)) der variablen Kapazität30-265 pF eingesetzt. Durch die vorgege-bene Resonanzfrequenz ergibt sich aus der

1Starterkits mit Entwicklungsumgebung sind imBereich um 1.000e angesiedelt

17

Page 18: Lawinenverschüttetensuchgeräte – Theorie und Eigenbau

3. Eigenbau

Thomson-Gleichung2

f0 =1

2π√LC

(3.1)

für die Induktivität der Spule ein Wert zwi-schen 0, 46 und 4, 04 mH. Solch große In-duktivitäten sind in Luftspulen nur schwerzu realisieren. Daher wird ein Ferritkern inder Spule verwendet. Messungen3 haben er-geben, dass die Induktivität einer Luftspulesich durch das Einfügen eines Ferritkerns umdas 28fache vergrößert. Nach der Gleichung4

L = µ0AN2

l(3.2)

ergibt sich damit für die Anzahl an Windun-gen ein Wert zwischen 57 und 200. Um ei-ne gewisse Materialtoleranz einzubeziehen,werden um den Kern 100 Windungen hoch-wertiger HF-Litze gewickelt (Abb. 3.1(b)),was einer Induktivität von 1, 4 mH ent-spricht.

(a) Drehkondensator (b) Fer-ritspule

Abbildung 3.1.: Elemente des Resonanz-schwingkreises

3.2.1.2. Resonanzfindung

Um den Drehkondensator auf den für Reso-nanz erforderlichen Wert einzustellen, wirdder Schwingkreis parallel an ein Oszilloskop

2siehe Hammer u. a. (2007)3siehe Elexs (2008)4siehe Hammer u. a. (2007)

angeschlossen, wodurch das Signal eines sichim Sendemodus befindliches LVS-Gerät vi-sualisiert werden kann (Abb. 3.2). Der Dreh-kondensator wird so eingestellt, dass dieSignalamplitude ein Maximum erreicht. Eszeigt sich, dass dieser Wert ungefähr 20 mVbeträgt. Dieser Vorgang wird für alle dreiEmpfangsschwingkreise durchgeführt.

Abbildung 3.2.: Visualisierung des HF-Signals am Oszilloskop

3.2.2. Verarbeitung des Signals

Der nächste Schritt ist die analoge Verstär-kung und Demodulation des vorhandenenHochfrequenz-Signals. Es hat sich gezeigt5,dass sich der integrierte Schaltkreis SA605D,der eigentlich als FM-Mixer konzipiert ist,gut als gleichzeitiger Signalverstärker undDemodulator eignet, da er rauscharm undenergiesparend arbeitet6.Der Aufbau des SA605D beinhaltet

zwei externe Bandpass-KeramikfilterSFULA455 mit einer Kennfrequenz 455 kHzund einer Bandbreite von 4 kHz, welcheeine weitere Rauschminimierung bewirkensollen. Dem SA605D vorgeschaltet istein an den Schwingkreis angeschlossenerVorverstärkungsschaltkreis mit einemBF245 -Transistor, welcher auch für dieImpedanzanpassung des Schwingkreises an

5siehe Calia (2002)6siehe NXP (1997)

18

Page 19: Lawinenverschüttetensuchgeräte – Theorie und Eigenbau

3. Eigenbau

die Eingangsimpedanz des ersten Filtersund damit die Vermeidung von energeti-schen Verlusten zuständig ist. Der SA605Dhat einen RSSI 7-Ausgang, welcher inlogarithmischer Proportionalität zur Signal-amplitude Gleichspannung zwischen 0 und5 V liefert8.

1,4 mH

30 – 265 pF

100p

1 MΩ

1 kΩ

100 ΩBF245

5 V

100 nF

100 Ω

Filter2,7 kΩ 1,5 kΩ

SFULA455

FilterRSSI

SFULA455

10 nF 10 nF 10 nF 10 nF 10 nF 10 nF

100 nF

100 nF100 nF

100 nF100 nF

100 nF

100 nF

6,8 µF

100 kΩ

5,1 kΩ

Abbildung 3.3.: Empfangsschaltplan für ei-ne Antenne

Der Schaltplan (Abb. 3.3) zeigt denSignalempfang im Resonanzschwingkreis(oben links) und die analoge Signalverar-beitung mit Verstärkung und Demodulati-on für eine Antenne. Diese wurden auf jeeinem Steckbrett montiert (Abb. 3.4) undhaben jeweils drei Anschlüsse: Einen 5 Volt-Eingang, einen Erdungseingang und den be-sagten RSSI -Ausgang.

3.2.3. Analyse des Signals

Die Spannungen an den drei RSSI -Ausgängen sollen digital analysiert werden.

7Received Signal Strength Indicator8siehe NXP (1997)

Abbildung 3.4.: Empfangsschaltkreis für ei-ne Antenne

Nach den in 3.1.1 beschriebenen Erwä-gungen wurde entschieden, anstelle einesfür schnelle Rechenoptionen optimiertenDSPs einen gewöhnlichen Mikrocontrollereinzusetzen. Bei der Suche nach einempassenden Mikrocontroller wurde vor allemauf folgende Kriterien geachtet: EinfachesProgrammierinterface, moderne Program-miersprache, niedrige Kosten, genügendEin- und Ausgänge, möglichst schon vor-handener ADW und schon vorhandenerAnschluss zum Batteriebetrieb.

Abbildung 3.5.: Arduino Duemillanove

Es hat sich herausgestellt, dass der Ar-duino Duemillanove (Abb. 3.5), eines derControllerboards des gleichnamigen Open-Source-Projekts, gut geeignet ist. Er wirdmit einer eigenen, leicht erlernbaren undC-ähnlichen Programmiersprache gesteuert,hat 18 digitale Ausgänge zur Ansteuerungvon Peripherie und sechs analoge Eingängemit angeschlossenem ADW. Die Program-

19

Page 20: Lawinenverschüttetensuchgeräte – Theorie und Eigenbau

3. Eigenbau

mierung läuft über USB, die Stromzufuhrwahlweise über USB oder Batterie. Der Preisliegt bei unter 20e.

3.2.4. Magnetometer

Für den in 3.3.2.6 beschriebenen Suchal-gorithmus ist es vorteilhaft, die Referenzeiner absoluten Richtungsangabe für jedeMessung zu haben. Daher wird ein digita-ler Kompass, der nach dem Funktionsprin-zip von zwei senkrecht aufeinander stehen-den Hall-Sonden zur Messung des Erdma-gnetfelds beruht, integriert. Es wurde derHM55B gewählt. Abbildung 3.6(a) zeigt denAnschluss an den Mikrocontroller. Nebenden beiden Pins für die Stromversorgunggibt es drei digitale Ein-/Ausgänge, die fürTaktgebung, Datentransfer und Aktivierungzuständig sind.

5 V

(a) Kompass

16 x 2 LCD

5 V

(b) LCD-Dis-play

(c) Lautspre-cher

Abbildung 3.6.: Anschluss der Peripherie anden Mikrocontroller

3.2.5. Benutzerinteraktion

3.2.5.1. LCD-Display

Um dem Suchenden den Weg zum Ver-schütteten zu weisen und andere Informa-tionen darzustellen, wurde ein LCD-Displaygewählt, da es vielseitig verwendbar ist. Sokönnen sowohl Text, als auch Zahlen sowieprimitive Grafiken angezeigt werden. DerAnschluss erfolgt neben den beiden Pins fürdie Energieversorgung lediglich über einenweiteren Pin, der die darzustellenden Infor-mationen über ein serielles Interface über-

trägt (Abb. 3.6(b)).

3.2.5.2. Piezo-Lautsprecher

In Stresssituation wie einer Verschüttungsollten dem Suchenden so viele Hilfsmit-tel wie möglich an die Hand gegeben wer-den. Daher wurde neben der visuellen Steue-rung ein Lautsprecher implementiert, dessenLautstärke proportional zur Signalamplitu-de geregelt wird. Der auf der technischenGrundlage des piezoelektrischen Effekts9 ba-sierende Lautsprecher wird sehr einfach überlediglich zwei Pins an den Controller ange-schlossen (Abb. 3.6(c)).

3.3. Software

Der zentrale Teil eines digitalen LVS-Gerätsist jedoch nicht in der Hardware, sondernin der Software zu sehen. Die Entwicklungder Software lässt sich in die TeilbereicheSignalanalyse, Signalverarbeitung und An-steuerung der Peripherie unterteilen.

3.3.1. Schematik der Software

Die Struktur der Software soll darauf hin-zielen, den Prozess zwischen Signalempfangund Ausgabe der vorgegebenen Bewegungs-richtung für den Benutzer möglichst kurzzu halten. Das Hauptproblem besteht dar-in, dass viele Schritte möglichst gleichzeitiggeschehen müssen, da neben dem ständigenAuslesen der Signalamplituden aller drei An-tennen auch noch die Werte des Kompassesanalysiert, das Display und die Lautsprecherangesprochen und der eigentliche Suchalgo-rithmus in festen Intervallen aufgerufen wer-den müssen.

9Bestimmte Materialen verformen sich beim Anle-gen einer Spannung — Hier wird die Membrandurch Wechselstrom einer bestimmten Frequenzzu mechanischer Vibration dieser Frequenz an-geregt, wodurch ein Ton entsteht

20

Page 21: Lawinenverschüttetensuchgeräte – Theorie und Eigenbau

3. Eigenbau

Der Prozessor des Arduinos unterstütztkein Multitasking10, weshalb, um etwas demMultitasking ähnliches zu simulieren, imZentrum des Programmablaufs eine sich im-mer wiederholende Schleife steht, die beijedem Durchlauf prüft, ob seit der letz-ten Durchführung einer bestimmten Aufga-be schon wieder das für den Aufgabenaufruffestgelegte Zeitintervall verstrichen ist unddie Aufgaben in diesem Fall aufruft. Die-se loop()-Funktion adressiert alle Funktio-nen und speichert nach jedem Aufruf des-sen Zeitpunkt ab, um über das festgelegteZeitintervall den Zeitpunkt für den nächstenAufruf festzulegen.

Die Funktionen readX(), readY() undreadZ() lesen im Intervall von 20 ms die Am-plitude der drei Antennensignale aus undspeichern den minimalen und den maxima-len Wert jeder Antenne im Laufe von 1000

ms in die Variablen maxX und minX, be-ziehungsweise maxY und minY und maxZund minZ. Die Funktion analyseSignal()wird im Intervall von 1000 ms aufgerufenund errechnet aus den gesammelten Ampli-tudenwerten der Antennen und der aktuellenKompass-Ausrichtung den absoluten Winkelθ der Feldlinienrichtung und die Signalstär-ke und speichert diese Werte in Variablen. Ineinem Intervall von 50 ms wird die Funkti-on searchDisplay() aufgerufen, die neben derBerechnung der Entfernung zum Verschüt-teten aus der Signalstärke auch für die Aus-gabe der Richtung der Feldlinie relativ zurGeräteachse zuständig ist11, was durch ei-ne Verrechnung von dem in θ gespeichertenWinkel und der aktuellen Kompassausrich-tung geschieht. Zuletzt wird im Abstand von3 ms geprüft, ob gerade ein Signalpuls vor-

10Fähigkeit mehrere Prozesse gleichzeitig auszufüh-ren

11Dies wird durch einen Pfeil dargestellt, in dessenRichtung sich der Suchende drehen soll

liegt, wonach gegebenenfalls der Lautspre-cher entsprechend der Signalamplitude ein-geschaltet wird.Eine Visualisierung des beschriebenen

Programmablaufs ist in Abbildung 3.7 zu se-hen.

SignalverarbeitungLautsprecher

Display

Kompass

Int: 50 msloop()readY() Int: 20 ms

readX()

readZ()

Int: 1000 ms

analyseSignal()

maxX,minX

maxY,minY

maxZ,minZ

averageCompassAngle()

searchDisplay()

Int: 2 ms generateSound()

Signalerfassung

θ,d

Abbildung 3.7.: Software Schematik

3.3.2. Technische Implementierung

Im Folgenden soll eine Erläuterung derprogrammiertechnischen Realisierung der in3.3.1 beschriebenen Funktionalität erfolgen.

3.3.2.1. Schleifenfunktion

Den Kern des Programms bildet die loop()-Funktion. Die einzig zu erfüllende Funktio-nalität besteht darin, den Zeitpunkt des letz-ten Aufrufs einer Funktion zu speichern undFunktionen aufzurufen, wenn seit dem letz-ten Aufruf mehr Zeit als das voreingestellteIntervall vergangen ist. Dazu werden für dieAufgaben zuerst in der Präambel die benö-tigten Variablen initialisiert und die Inter-valle in Millisekunden12 festgelegt:

int r eadInt = 20long l a s tRead ing ;int an a l y s i s I n t = 1000 ;long l a s tAna l y s i s ;int soundInt = 3000 ;long lastSound ;int d i s p l a y In t = 50 ;long l a s tD i s p l ay ;

12µs bei soundInt

21

Page 22: Lawinenverschüttetensuchgeräte – Theorie und Eigenbau

3. Eigenbau

Die loop()-Funktion selbst ist sehr simpelaufgebaut. Es wird jeweils über ein if -Statement überprüft, ob seit dem letztenAufruf der Funktion mehr als das vorgese-hene Zeitintervall vergangen ist und bei Be-darf die jeweilige Funktion aufgerufen. Derin Anhang B zu sehende tatsächliche Source-Code weicht leicht ab, da manche Operatio-nen länger als 3000 µs dauern und damitdie Überprüfung, ob wieder ein Ton ausgege-ben werden muss, mehrmals in jeder Schleifestattfindet.

void loop ( ) {i f ( ( m i l l i s ( )−l a s tRead ing )>readInt ) {

readZ ( ) ;readY ( ) ;readX ( ) ;la s tRead ing=m i l l i s ( ) ;

}i f ( ( m i l l i s ( )− l a s tAna l y s i s )>ana l y s i s I n t

) {ana l y s eS i gna l ( ) ;l a s tAna l y s i s=m i l l i s ( ) ;

}i f ( ( m i l l i s ( )− l a s tD i s p l ay )>d i s p l a y In t )

{searchDisp lay ( ) ;l a s tD i s p l ay=m i l l i s ( ) ;

}i f ( m i l l i s ( )−lastSound )>soundInt ) {

generateSound ( ) ;lastSound=micros ( ) ;

}}

3.3.2.2. Verarbeitung des Signals

Die für die Signalverarbeitung zuständigenFunktionen readX(), readY() und readZ()sind allesamt identisch aufgebaut, weshalbdie Programmierung hier nur exemplarischfür readX() gezeigt werden soll. In derPräambel werden wiederum die notwendi-gen Variablen initialisiert. minX und max-X beinhalten die minimalen und maximalenWerte in einem Intervall von einer Sekun-de und valueX speichert den aktuellen Le-sewert, prevValueX den vorherigen zu Ver-gleichszwecken.

int minX ;int maxX;int valueX ;int prevValueX ;

Der aktuelle X-Wert wird über die FunktionanalogRead() mit dem Argument des Steck-platzes des Pins erlangt. Die Funktionalitätzur Findung von minX und maxX wird ein-fach durch ein if -Statement implementiert,das überprüft, ob der vorhandene Wert klei-ner als der vorhandene minimale oder größerals der maximale X-Wert ist. Danach wirdder jetzige X-Wert in der Variablen prevVa-lueX für die Vergleichsmöglichkeit mit dernächsten Messung gespeichert.

void readX ( ) {valueX=analogRead (3 ) ;i f ( valueX<minX) minX = valueX ;i f ( valueX>maxX) maxX = valueX ;prevValueX = valueX ;

}

3.3.2.3. Ansteuerung des Displays

Für die Ansteuerung des Displays wurdedie Funktion searchDisplay() implementiert,welche die Entfernung zum Verschüttetenin Metern und die absolute Richtung derFeldlinie aus Variablen ausliest, woraufhinsie sich um die Darstellung auf dem Dis-play kümmert. Die Richtung wird dabei al-le 50 ms über die Funktion directionDis-play(), die Entfernung alle 1000 ms überdie Funktion distanceDisplay() aktualisiert.Ein Mockup der Darstellung ist in Abbil-dung 3.8 zu sehen. Eine Programmier-Code-Wiedergabe der beiden Darstellungsfunktio-nen wird hier nicht als wichtig genug er-achtet, da viele Display-spezifische Eigenhei-ten in der seriellen Kommunikation beach-tet werden müssen und dies zu weit vomThema führen würde, kann jedoch in An-hang B eingesehen werden. Der Aufruf die-ser beiden Funktionen funktioniert folgen-dermaßen: Es wird überprüft, ob sich die Si-

22

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3. Eigenbau

gnalstärke seit dem letzten Aufruf geänderthat und es wird in diesem Fall die Funktionzur Anzeige der Entfernung adressiert undandernfalls die zur Aktualisierung der Rich-tung. Das häufige Aktualisieren der Rich-tung ist nötig, da der Suchende beim Dre-hen unmittelbares Feedback bekommen soll,wie weit er sich noch zu drehen hat. Diesgeschieht über einen Vergleich der absolutenFeldlinienrichtung und der absoluten Gerä-terichtung.void s earchDisp lay ( ) {

i f ( o ldS i gna lS t r eng th==s i gna lS t r eng th ) {d i r e c t i onD i sp l ay ( g e tD i r e c t i on ( ) ) ;

}else {

d i s tanceD i sp l ay ( getDis tance ( ) ) ;d i r e c t i onD i sp l ay ( g e tD i r e c t i on ( ) ) ;

}o ldS igna lS t r eng th=s i gna lS t r eng th ;

}

Abbildung 3.8.: Mockup des Interfaces

3.3.2.4. Auslesen des Kompasses

Es wurde die Funktion int compassAngle()implementiert, welche den aktuellen Win-kel ausliest und ihn als Variable zurückgibt.Auch hier wird kein Source-Code gezeigt,kann aber im Anhang B eingesehen werden.

3.3.2.5. Ansteuerung des Lautsprechers

Für die Ansteuerung des Lautsprechers wür-de es prinzipiell zwei Möglichkeiten geben:Ein besseres Signal könnte durch eine höhe-re Tonfrequenz wiedergegeben werden odereine höhere Lautstärke. Da die Frequenz

der Schwingung des Piezo-Lautsprechers vondem Zeitintervall zwischen dem An- undAusschalten des Lautsprechers abhängt undeine Intervall-Änderung im Programmab-lauf eher schwierig zu realisieren ist, wur-de entschieden, den Signalempfang überdie Lautstärke deutlich zu machen. Zuerstwird in der Präambel der Steckplatz desLautsprecher-Pins definiert:

int speakerPin =11;

An den Lautsprecher wird für den Zeitraumvon 3000 µs Spannung angelegt, um dannnach 3000 µs Pause wieder Spannung an-zulegen. Die angelegte Spannung ist für dieLautstärke zuständig und wird der Funkti-on analogWrite() als zweites Argument mit-gegeben. Dieses hängt von den Werten derdrei Antennen ab und wurde so optimiert,dass einerseits auch bei schlechtem Emp-fang noch ein Signal zu hören ist, aber ande-rerseits der Ton bei ausgeschaltetem Sendernicht zu penetrant wird.

void generateSound ( ) {analogWrite ( speakerPin , ( ( valueX+valueY

+valueZ ) /50−12) /2) ;de layMicroseconds (3000) ;analogWrite ( speakerPin , 0) ;

}

3.3.2.6. Entwicklung desSuchalgorithmus

Der Suchalgorithmus an sich hat prinzipielldie drei Teilaufgaben, aus den induziertenSpannungen in den drei Antennen die jewei-ligen Signalstärken zu ermitteln, die Entfer-nung zum Verschütteten aus diesen zu er-rechnen und die relative Richtung der Feld-linie zum Gerät festzustellen. Dazu wurdendie alle 1000 ms aufgerufenen Funktion anal-ayseSignal() und die beiden von der Funkti-on searchDisplay() aufgerufenen MethodengetDistance() und getDirection() implemen-tiert.

23

Page 24: Lawinenverschüttetensuchgeräte – Theorie und Eigenbau

3. Eigenbau

analyseSignal() Die Funktion analyseSi-gnal() ist verantwortlich für die Berechnungder Signalstärken der drei Antennen in mW.Dabei ist zu beachten, dass die induzier-ten Spannungen in einem logarithmischenZusammenhang zu der tatsächlichen Strah-lungsleistung stehen. Dem Datenblatt desSA605D13 ist die Umrechnung der induzier-ten Spannung in Volt in die Strahlungsleis-tung in mW zu entnehmen:

S = 10−130+20∗Uind

10 (3.3)

Die Funktion analogRead() des Arduino lie-fert allerdings keinen Wert für die Spannungselbst, sondern einen Wert zwischen 0 und1023, was Spannungen zwischen 0 und 5 Ventspricht, wodurch sich nach obiger Glei-chung ergibt:

S = 10−130+5∗20∗ valueX

102410 (3.4)

Die Amplitude des Signals ergibt sich dannnach Abzug des minimalen Wertes. Pro-grammiertechnisch werden die Werte nichtals mW sondern als 10−9 mW abgespeichert,da die Werte andernfalls zu klein würden.

double ampX = pow(10 .0 , ( ( −130 .0 ) +100.0∗(f loat )maxX/1024 .0 ) /10 . 0 ) ∗1000000000− pow(10 .0 , ( ( −130 .0 ) +100.0∗( f loat )minX/1023 .0 ) /10 . 0 ) ∗1000000000;

double ampY = 1.5∗pow(10 .0 , ( ( −130 .0 )+100.0∗( f loat )maxY/1024 .0 ) /10 . 0 )∗1000000000 − pow(10 .0 , ( ( −130 .0 )+100.0∗( f loat )minY/1023 .0 ) /10 . 0 )∗1000000000;

double ampZ = pow(10 .0 , ( ( −130 .0 ) +100.0∗(f loat )maxZ/1024 .0 ) /10 . 0 ) ∗1000000000− pow(10 .0 , ( ( −130 .0 ) +100.0∗( f loat )minZ/1023 .0 ) /10 . 0 ) ∗1000000000;

Die skalare Größe des Feldstärkevektorswird durch den Satz des Pythagoras berech-net:

s i gna l S t r eng th = sq r t (pow(ampX, 2 )+pow(ampY, 2 )+pow(ampZ, 2 ) ) ;

13siehe NXP (1997)

Auch der Winkel θ, der die absolute Rich-tung der Feldlinie angibt, wird in der Funk-tion analyseSignal() bestimmt. Es wird nurder Winkel in Richtung der XY-Ebene be-stimmt, da für die Suchrichtung ein nachunten oder oben zeigender Feldstärkevektornicht relevant ist. Zudem entsteht dadurchnur eine vierfache Mehrdeutigkeit und keineachtfache. Da die Feldlinien in beide Rich-tungen zum Ziel führen, sind zwei möglicheWinkel richtig und zwei falsch. Der Winkelrelativ zur Geräteachse14 beträgt:

α = arctanampXampY

(3.5)

Die vier möglichen Winkel sind damit α und−α. α − 180◦ und −α + 180◦ werden nichtberücksichtigt, da sie die selben Feldlinienbeschreiben. (Abb 3.9).

Y-Antenne

X-Antenne

α-α

-α+180°α-180°

-ampY ampY

ampX

-ampX

Abbildung 3.9.: Mögliche Richtungen derFeldlinie

Die Funktion compassAngle() gibt für dieAusrichtung der X-Achse des Geräts einenWinkel zwischen −180◦ und +180◦ zurück.Dieser soll dann mit den vier möglichenWinkeln für die Feldlinienrichtung verrech-net werden, um vier absolute Gradzahlenzu erhalten: θ1 = compassAngle + α undθ2 = compassAngle− α.

14Diese entspricht der Richtung der Antenne in X-Richtung

24

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3. Eigenbau

Programmiertechnisch wird dabei noch je-weils überprüft, ob der errechnete Wert 180überschreitet oder -180 unterschreitet:

int absAng = compassAngle ( ) ;int alpha1 = atan (ampY/ampX) ∗180/PI ;int alpha2 = −alpha1 ;int theta1 = absAng + alpha1 ;int theta2 = absAng + alpha2 ;i f ( theta1 >180) theta1=−360+theta1 ;else i f ( theta1 <−180) theta1=360+theta1 ;i f ( theta2 >180) theta2=−360+theta2 ;else i f ( theta2 <−180) theta2=360+theta2 ;

Mit nur einer Messung zu entscheiden, wel-cher Wert der richtige ist, ist nicht möglich.Sind jedoch zwei Messungen in einer unter-schiedlichen Richtung am selben Ort vor-handen, ist dies möglich. Dabei wird über-prüft, welcher Messwert nach zwei Messun-gen der wahrscheinlichere ist. Wurde das Ge-rät seit der letzten Messung beispielsweisenach rechts gedreht und es wird ein Abneh-men des relativen Winkels festgestellt, istdie rechte mögliche Feldlinienrichtung wahr-scheinlich die richtige. Diese Überprüfungwird nur durchgeführt, wenn das Gerät seitder letzten vorhandenen Messung um mehrals 10◦ gedreht wurde, um Messfehler zu ver-meiden. Dazu werden die Werte für den re-lativen Winkel und die Geräteausrichtung inVariablen gespeichert:

i f ( abs ( absAngle−prevAbsAngle ) >10) {i f ( ( absAngle>prevAbsAngle && alpha>

prevAlpha ) | | ( absAngle<prevAbsAngle && alpha<prevAlpha ) ){

theta=theta2 ;}else i f ( ( absAngle>prevAbsAngle &&

alpha<prevAlpha ) | | ( absAngle<prevAbsAngle && alpha>prevAlpha ) ){

theta=theta1 ;}prevAlpha=alpha ;prevAbsAngle=absAngle ;

}

Der in der Variablen theta gespeicherte Wertgibt damit sekündlich aktualisiert die Rich-tung der Feldlinie an. Dieser kann dann

von der Funktion directionDisplay() ausgele-sen und ans Display übergeben werden. DerSuchalgorithmus führt den Suchenden dem-nach entlang einer Feldlinie zum Verschütte-ten. Dieser Suchpfad ist zwar natürlich nichtder kürzeste, führt aber sicher zum Ziel.Nach den Berechnungen werden in der

analyseSignal()-Funktion auch noch die Va-riablen für die minimalen und maximalenWerte der Antennen auf den Ausgangswertzurückgesetzt:

minX=1023;maxX=0;minY=1023;maxY=0;minZ=1023;maxZ=0;

float getDistance() Die Funktion floatgetDistance() ist dafür verantwortlich, ausder Signalstärke die Entfernung zu bestim-men. Wie in 2.1 dargelegt, gilt für den Zu-sammenhang zwischen Signalstärke und Ab-stand zum Verschütteten:

S ∼ 1

d3(3.6)

Zur Berechnung der Entfernung musste erstder konstante Proportionalitätsfaktor durchMessung ermittelt werden. Es ergab sich:

c = d3S = 624 ∗ 10−12Wm3 (3.7)

Die Funktion float getDistance() ist somitsehr einfach zu realisieren:

f loat getDi s tance ( ) {return pow(624/ s i gna lS t r ength , 0 . 3 3 3 3 ) ;

}

int getDirection() Auch die Funktion intgetDirection() ist sehr simpel. Es wird deraktuelle Kompasswinkel aufgerufen und dar-aufhin aus dem absoluten Winkel für dieFeldlinienrichtung der darzustellende relati-ve Winkel errechnet:

25

Page 26: Lawinenverschüttetensuchgeräte – Theorie und Eigenbau

3. Eigenbau

int ge tD i r e c t i on ( ) {int compAng = compassAngle ( ) ;int alpha=theta−compAng ;i f ( alpha >180) alpha=−360+alpha ;else i f ( alpha <−180) alpha=360+alpha ;return alpha ;

}

3.4. Ergebnisse des Eigenbaus

Im Folgenden soll eine kurze für Hard-und Software differenzierte Bewertung desEigenbau-Projekts erfolgen.

3.4.1. Hardware

Abgesehen von den bereits in 3.1 als für dieArbeit nicht betrachtenswert erachteten An-forderungen an ein kommerzielles Lawinen-suchgerät, wie Wasserdichtigkeit und kom-pakte Größe, kann der Eigenbau als Er-folg gesehen werden. Alle drei gebauten An-tennen empfangen das ausgesandte Signal,die Peripherie, wie Kompass, Lautsprecherund Display, funktioniert gut und auch dieStromzufuhr über eine Batterie ist möglich.

Problematisch an der selbst gebautenHardware ist zum einen die eingeschränk-te Reichweite. Während moderne, kommer-zielle Geräte Signale in einer Entfernungvon bis zu dreißig Metern einen Verschüt-teten orten können, ist das selbst gebauteLVS-Gerät bereits nach knapp 10 Meternnicht mehr in der Lage, ein Signal von demUmgebungsrauschen zu unterscheiden. Diesist wohl unter anderem auf eher schlech-te Empfangsschwingkreise zurückzuführen.Ebenfalls problematisch ist die unterschied-liche Güte der Antennen. Die Antenne inX-Richtung empfängt beispielsweise in dermaximalen Amplitude ein Signal, das dop-pelt so stark ist, wie das der Y-Antenne,wodurch eine softwaretechnische Korrekturnötig wurde. Zudem zeigen die Antennen

keine kosinusartige Richtcharakteristik, son-dern fallen im Bereich zwischen 20◦ und 70◦

zu stark ab. Dies macht sich dadurch be-merkbar, dass der relative Winkel zum Feld-stärkevektor in nächster Nähe verhältnismä-ßig zu groß und andernfalls eher zu klein ge-schätzt wird. Die Korrektur zeigte sich alsrecht problematisch, da die Antenne in X-Richtung zwar im absoluten Nahbereich ei-ne sehr viel größere Amplitude aufzeichnet,im weiter entfernteren Bereich jedoch auchviel stärker abfällt. Somit wurde entschie-den, den moderaten Korrekturfaktor von 1,5zu verwenden, der einen guten Mittelwegdarstellt.

3.4.2. Software

Die Software hat sich in den Tests als durch-aus zuverlässig erwiesen. Gerade der kriti-sche Teil, die Kompensation der Mehrdeu-tigkeit des Signals, welche eine Folge derrein analogen Demodulation ist, hat sichsehr bewährt. Durch den Kompass wurdein der großen Mehrheit der Fälle bereitsinnerhalb weniger Sekunden die tatsächli-che Feldlinienrichtung identifiziert und ange-zeigt. In der Praxis ist in diesem Punkt kaumein Unterschied zu der wesentlich aufwändi-geren Methode der digitalen Demodulationzu sehen. Aufgrund der geringen Reichweitewurde auf eine Implementierung der Ana-lyse von Mehrfachverschüttungen verzichtet,welche allerdings leicht zu ergänzen wäre,da die Software sehr modular und erweiter-bar aufgebaut ist. Es wurde auch verzich-tet, eine Überprüfung zu realisieren, ob dieSignalstärke in der Bewegungsrichtung aufder Feldlinie stetig abnimmt, was bedeutenkann, dass man den Verschütteten in der an-deren Richtung wesentlich schneller erreicht.Hier kann jedoch wohl auf den Suchenden so-weit vertraut werden, dass er sich in diesem

26

Page 27: Lawinenverschüttetensuchgeräte – Theorie und Eigenbau

3. Eigenbau

Fall selbstständig umdreht.Positiv ist noch zu bemerken, dass der mo-

dulare Aufbau in Verbindung mit der abso-luten Richtungsangabe des Kompasses dafürsorgt, dass komplexere, den Weg der Feldli-nie abkürzende Suchalgorithmen verhältnis-mäßig einfach zu implementieren sind.Problematisch bei der Prozessorwahl ist

das fehlende Multitasking. Um entsprechen-de Funktionalität zu erlangen, mussten pro-grammiertechnisch viele unschöne Umwegebeschritten werden, um beispielsweise denLautsprecher fortlaufend anzusprechen (sie-he Anhang B).

3.4.3. Abschließende Bewertung

Das selbstgebaute LVS-Gerät ist abgese-hen von der fehlenden Wasserdichtigkeit undKompaktheit aufgrund der Reichweite nurbedingt in der Praxis einsetzbar. Der kom-passgestützte Suchalgorithmus hat sich al-lerdings als sehr effektiv erwiesen. Es hatsich gezeigt, dass es durch den Kompasspraktisch nicht mehr notwendig wird, diePhasenbeziehung zwischen den Signalen zukennen. Dadurch wird der nötige Rechenauf-wand für die Signalanalyse minimiert, wasbei gleichbleibender Rechenkapazität einenaufwändigeren Suchalgorithmus erlaubt. Ge-gen Ende der Recherchen für diese Arbeitstellte Ortovox erstmals ein kommerziellesLVS-Gerät mit integriertem Kompass vor.Dieser wird damit beworben, dass er dieRichtungsanweisungen präziser mache.

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Page 28: Lawinenverschüttetensuchgeräte – Theorie und Eigenbau

4. Ausblick

4. Ausblick

In dem folgenden Kapitel soll ein kurzerÜberblick darüber gegeben werden, welcheEntwicklungen im Bereich der LVS-Gerätein den nächsten Jahren zu erwarten sind.Dabei wird sowohl auf die rein technischeMachbarkeit, als auch auf den Nutzen impraktischen Gebrauch eingegangen.

4.1. Technische Entwicklung

Die technische Weiterentwicklung ist grob inzwei Teile zu unterteilen: Zum einen wirdes Fortschritte bei der Empfangstechnik undzum anderen bei der Suchtechnik geben.

4.1.1. Empfangstechnik

Wie bereits dargelegt, bedarf es drei ortho-gonal angerichteter Antennen, um den kom-pletten magnetischen Feldstärkevektor auf-zuzeichnen. Dies ist heute bereits Stand derTechnik und es ist absehbar, dass dies so bei-behalten wird, da eine vierte Antenne keinenennenswerten Vorteile bieten würde. Ob-wohl im Eigenbau gezeigt wurde, dass sichder Hauptnachteil der analogen Demodu-lation, die fehlende Phasenbeziehnung zwi-schen den Antennen1, mittels eines Kompas-ses kompensieren lässt, gehört eindeutig derdigitalen Demodulation die Zukunft.Die digitale Technik bietet neben der

Möglichkeit der exakten und sofortigenRichtungsbestimmung auch deutliche Vor-teile in den Bereichen Signalempfang und Si-gnalfilterung. Intelligente digitale Filter kön-

1was eine Mehrdeutigkeit in der Signalrichtung zurFolge hat

nen mit Hintergrundrauschen und Mehr-fachverschüttungen wesentlich besser umge-hen als analoge Band-Pass-Filter. Der be-reits absehbare Preisverfall bei den Mikro-prozessoren in Verbindung mit nichtsdesto-trotz steigender Leistungsfähigkeit wird dieGeräte sowohl billiger als auch vielseitigermachen.Eine weitere für die Zukunft wichtige

Überlegung wäre ein Überdenken der Fre-quenzwahl. Die momentanen genutzten 457kHz werden zwar von der Schneedecke kaumbeeinflusst und befinden sich in einem ge-schützten Frequenzbereich, bringen jedochauch einige Nachteile mit sich. Aufgrundder niedrigen Frequenz befindet sich der ge-samte Suchbereich im Nahfeld des Senders.Die hohen Nichtlinearitäten in Verbindungmit verschiedenen Kopplungserscheinungenerschweren eine strukturierte Suche unge-mein. Auch die Antennengröße bei der ge-wählten Frequenz und das hohe auftreten-de atmosphärische Rauschen stellen Proble-me dar. Somit sollte geprüft werden, ob einÜberdenken der Frequenzwahl sinnvoll wäre.Natürlich würde dies einen schwerwiegendenSchritt bedeuten, da Abwärtskompatibilitätzu älteren Geräten dieser sicherheitsrelevan-ten Anwendung eigentlich höchste Prioritäthat.Es gibt Überlegungen, die Niederfrequenz-

schwingung mit einer Hochfrequenzschwing-nung zu modulieren. Die entstehende Schwe-bung würde von alten Geräten erkannt wer-den und nichtsdestotrotz die Vorteile einerhöheren Frequenz für neue Geräte nutzbarmachen. So könnten beispielsweise Zusatzin-

28

Page 29: Lawinenverschüttetensuchgeräte – Theorie und Eigenbau

4. Ausblick

formationen in das Signal hinein moduliertwerden. Diese könnten sowohl eine eindeu-tige Identifizierung jedes Geräts enthalten,als auch eventuell Vitaldaten2 des Verschüt-teten senden. Somit könnten die verschiede-nen Signale bei Mehrfachverschüttungen ei-nerseits unterschieden werden und es könnteandererseits eine Priorisierung der noch le-benden Verschütteten erfolgen.Eine höhere Frequenz hätte auch den Vor-

teil, dass man auf die Ferritkerne, welchedas ausgesandte Feld weiter verzerren, ver-zichten könnte. Die erforderte Sendeleistungliegt bei höheren Frequenzen deutlich niedri-ger, wodurch die Batterielaufzeit erhöht wer-den könnte.Somit sollte langfristig auf jeden Fall ge-

prüft werden, ob ein Frequenzwechsel untervertretbarem Aufwand umsetzbar ist.

4.1.2. Suchtechnik

Die meisten auch kurz- bis mittelfristigenFortschritte werden jedoch wohl im Bereichder Suchtechniken erfolgen. Die neueste Ge-neration von LVS-Geräten versucht bereitsdurch die zusätzliche Information der abso-luten Orientierung mithilfe eines Kompassesund statistischer Analysen den herkömmli-chen Suchpfad über die Feldlinien abzukür-zen.Der nächste logische Schritt in dieser Ent-

wicklung wäre, die einzelnen Messergebnis-se auch mit einer absoluten Positionsangabezu verknüpfen. Aufgrund der verhältnismä-ßigen Ungenauigkeit von GPS ist ein Sys-tem der Trägheitsnavigation denkbar. Wiein Kapitel zwei dargelegt, kann so die exaktePosition des Verschütteten bereits nach we-nigen Messungen mit hoher Wahrscheinlich-keit festgelegt werden. Die dafür verwende-

2Denkbar wären Daten über Herzfrequenz oderKörpertemperatur

ten Methoden sind sehr rechenintensiv unddamit momentan wohl noch nicht zu ver-wirklichen.

4.2. Bewertung derbevorstehendenEntwicklungen

Es bleibt jedoch abzuwarten, inwieweit der-artige Neuentwicklungen sinnvoll sind, damit ihnen zwangsweise eine ungemeine Ver-komplizierung des Problems einhergeht. Ge-rade in diesem sicherheitsrelevanten For-schungsgebiet sollte das Hauptaugenmerkbei jeder Entwicklung auf einer hohen Aus-fallsicherheit liegen.Ein deutlich höheres Maß an Komplexi-

tät sollte nach Meinung des Autors nur fürden Fall in Kauf genommen werden, dass beigleich bleibender Zuverlässigkeit ein signi-fikant kürzerer Suchpfad erreicht wird. Be-reits bei dem heutigen Stand der Technik istder kritische Faktor nicht mehr in den Gerä-ten zu sehen, sondern in der Fähigkeit undÜbung des Suchenden.

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Page 30: Lawinenverschüttetensuchgeräte – Theorie und Eigenbau

Abbildungsverzeichnis

Abbildungsverzeichnis

1.1. Schneebrettlawine mit markanter Abrisskante . . . . . . . . . . . . . . . . . 71.2. Mehrere punktförmig beginnende Lockerschneelawinen . . . . . . . . . . . . 81.3. Staublawine . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81.4. Sinken der Überlebenswahrscheinlichkeit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91.5. Die Grundausrüstung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9

2.1. Elektrische und magnetische Komponente im Nah- und Fernfeld . . . . . . . 112.2. Feldgeometrie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 122.3. Drei pulsierende Signale . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 122.4. Suchtechniken für einantennige LVS-Geräte . . . . . . . . . . . . . . . . . . 132.5. Anordnung der Antennen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 142.6. In Komponenten zerlegter Feldstärkevektor . . . . . . . . . . . . . . . . . . 142.7. Suchtechniken für mehrantennige LVS-Geräte . . . . . . . . . . . . . . . . . 152.8. Betrag des Feldstärkevektors um den Verschütteten bei zwei- und dreian-

tennigen LVS-Geräten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16

3.1. Elemente des Resonanzschwingkreises . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 183.2. Visualisierung des HF-Signals am Oszilloskop . . . . . . . . . . . . . . . . . 183.3. Empfangsschaltplan für eine Antenne . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 193.4. Empfangsschaltkreis für eine Antenne . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 193.5. Arduino Duemillanove . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 193.6. Anschluss der Peripherie an den Mikrocontroller . . . . . . . . . . . . . . . . 203.7. Software Schematik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 213.8. Mockup des Interfaces . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 233.9. Mögliche Richtungen der Feldlinie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24

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Page 31: Lawinenverschüttetensuchgeräte – Theorie und Eigenbau

Literaturverzeichnis

Literaturverzeichnis

[Calia 2002] Calia, Allesandro: Projet de diplôme: Développement sur les ARVA. Geneve,2002

[Detlefsen u. Siart 2006] Detlefsen, Jürgen ; Siart, Uwe: Grundlagen der Hochfrequenz-technik. 2. Auflage. Oldenbourg Verlag: München, 2006

[Elexs 2008] Elexs: Ferritantenne. Hörstel-Riesenbeck, 2008

[Gerthesen 2006] Gerthesen, Christian: Physik. 23. Auflage. Springer Verlag: Berlin,2006

[Hammer u. a. 2007] Hammer, Anton ; Hammer, Hildegard ; Hammer, Karl: Physikali-sche Formeln und Tabellen. 8. Auflage. J. Lindauer Verlag: München, 2007

[Hereford u. Edgerly 2000] Hereford, John ; Edgerly, Bruce: 457 KHz electromagnetismand the future of avalance transceivers / ISSW. Boulder, 2000. – Forschungsbericht

[Kay 1993] Kay, Steven M.: Fundamentals of Statistical Signal Processing: EstimationTheory. 1. Auflage. Prentice Hall PTR: Englewood Cliffs, NJ, 1993

[Munter 1997] Munter, Werner: 3 x 3 Lawinen. Agentur Pohl: Garmisch, 1997

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[Piniés u. Tardós 2006] Piniés, Pedro ; Tardós, Juan D.: Fast localization of avalanchevictims using Sum of Gaussians / Aragón Institute for Engineering Research, Universityof Zaragoza. 2006. – Forschungsbericht

[Salós u. a. 2007] Salós, C. D. ; Lera, F. M. ; Villarroel, J. L.: Digital Signal Processingin Triple Antenna ARVAs / Aragón Institute for Engineering Research, University ofZaragoza. 2007. – Forschungsbericht

[Senner 2009] Senner, Veit: Pyro-Power-Safe / Technische Universität München. 2009. –Forschungsbericht

[SLF 2006] SLF: Wissenswertes über Lawinen / Schweizer Lawinenforschungs-Institut.2006. – Forschungsbericht

[SLF 2007] SLF: Langjährige Unfallstatistik / Schweizer Lawinenforschungs-Institut. 2007.– Forschungsbericht

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Page 32: Lawinenverschüttetensuchgeräte – Theorie und Eigenbau

Anhang A. Schaltplan

Anhang A.

Schaltplan

Batterie

Mikrocontroller m

it Peripherie

1,4 mH

30 – 265 pF 100p1 M!

1 k!

100 ΩBF245

100 nF

100 !

Filter2,7 k!

1,5 k!

SFU

LA455

FilterS

FULA

455

10 nF10 nF

10 nF10 nF

10 nF10 nF

100 nF

100 nF100 nF

100 nF100 nF

100 nF

100 nF

6,8 µF

100 k!

5,1 k!

16 x 2 LC

D

Antenne 2

Antenne 3

Antenne 1

Signalempfang

SignalverarbeitungSignalanalyse

Lautsprecher

Kompass

Display

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Page 33: Lawinenverschüttetensuchgeräte – Theorie und Eigenbau

Anhang B. Source-Code

Anhang B.

Source-Code

1 boolean graphicalDebugX = LOW;2 boolean graphicalDebugY = LOW;3 boolean graphicalDebugZ = LOW;4 boolean debugX = LOW;5 boolean debugY = LOW;6 boolean debugZ = LOW;7 boolean s ignalDebug = LOW;8 boolean direct ionDebug = LOW;9

10 #include <So f twa r eS e r i a l . h>11 #include <math . h>12

13 //Anschluss−Pins werden d e f i n i e r t14 byte compassPin1 = 8 ;15 byte compassPin2 = 9 ;16 byte compassPin3 = 10 ;17 byte LCDPin1 = 2 ;18 byte LCDPin2 = 3 ;19 byte speakerPin = 11 ;20

21 // mu l t i t a s k i n g i n t e r v a l l e werden d e f i n i e r t22 int r eadInt = 20 ;23 long l a s tRead ing ;24 int an a l y s i s I n t = 1000 ;25 long l a s tAna l y s i s ;26 int soundInt = 3000 ;27 long lastSound ;28 int d i s p l a y In t = 50 ;29 long l a s tD i s p l ay ;30

31 //Kompass−Variab len werden i n i t i a l i s i e r t32 int compassXData = 0 ;33 int compassYData = 0 ;34

35 // Signa lana lyse−Variab len werden d e f i n i e r t36 f loat s i gna l S t r eng th ;37 f loat o ldS i gna lS t r eng th ;38 int theta ;39 int prevAbsAngle ;40 int relAng ;41 int prevAlpha ;42 int prevCompAng ;43 int dirKnown ;44

45 //Variab len fuer Antenne X werden i n i t i a l i s i e r t46 boolean stateX = LOW;47 boolean stateChangeX = LOW;

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Page 34: Lawinenverschüttetensuchgeräte – Theorie und Eigenbau

Anhang B. Source-Code

48 int minX ;49 int maxX;50 int noiseX = 25 ;51 int valueX ;52 int prevValueX ;53

54 //Variab len fuer Antenne Y werden i n i t i a l i s i e r t55 boolean stateY = LOW;56 boolean stateChangeY = LOW;57 int minY ;58 int maxY;59 int noiseY = 25 ;60 int valueY ;61 int prevValueY ;62

63 //Variab len fuer Antenne Z werden i n i t i a l i s i e r t64 boolean s tateZ = LOW;65 boolean stateChangeZ = LOW;66 int minZ ;67 int maxZ ;68 int noiseZ = 25 ;69 int valueZ ;70 int prevValueZ ;71

72 So f twa r eS e r i a l LCD = So f twa r eS e r i a l (LCDPin1 , LCDPin2) ;73

74 void setup ( ) {75 pinMode ( compassPin1 , OUTPUT) ;76 pinMode ( compassPin2 , OUTPUT) ;77 pinMode ( compassPin3 , INPUT) ;78 pinMode (LCDPin1 , INPUT) ;79 pinMode (LCDPin2 , OUTPUT) ;80 pinMode ( speakerPin , OUTPUT) ;81 S e r i a l . begin (115200) ; //Debugging−I n t e r f a c e wird g e s t a r t e t82 LCD. begin (9600) ; //LCD−Disp lay wird g e s t a r t e t83 compassReset ( ) ;84 clearLCD ( ) ;85 dirKnown = 3 ;86 }87

88 void ana ly s eS i gna l ( ) {89 double ampX = pow(10 .0 , ( ( −130 .0 ) +100.0∗( f loat )maxX/1024 .0 ) /10 . 0 ) ∗1000000000 − pow

(10 .0 , ( ( −130 .0 ) +100.0∗( f loat )minX/1024 .0 ) /10 . 0 ) ∗1000000000;90 sound ( ) ;91 i f ( s ignalDebug ) S e r i a l . p r i n t (ampX) ;92 i f ( s ignalDebug ) S e r i a l . p r i n t ( " " ) ;93 sound ( ) ;94 double ampY = 1.5∗pow(10 .0 , ( ( −130 .0 ) +100.0∗( f loat )maxY/1024 .0 ) /10 . 0 ) ∗1000000000 −

pow(10 .0 , ( ( −130 .0 ) +100.0∗( f loat )minY/1024 .0 ) /10 . 0 ) ∗1000000000;95 sound ( ) ;96 i f ( s ignalDebug ) S e r i a l . p r i n t (ampY) ;97 i f ( s ignalDebug ) S e r i a l . p r i n t ( " " ) ;98 sound ( ) ;99 double ampZ = pow(10 .0 , ( ( −130 .0 ) +100.0∗( f loat )maxZ/1024 .0 ) /10 . 0 ) ∗1000000000 − pow

(10 .0 , ( ( −130 .0 ) +100.0∗( f loat )minZ/1024 .0 ) /10 . 0 ) ∗1000000000;100 sound ( ) ;101 i f ( s ignalDebug ) S e r i a l . p r i n t l n (ampZ) ;102 s i gna l S t r eng th = sq r t (pow(ampX, 2 )+pow(ampY, 2 )+pow(ampZ, 2 ) ) ;103 sound ( ) ;104 i f ( s ignalDebug ) S e r i a l . p r i n t l n ( s i gna lS t r eng th ) ;105 int absAngle = compassAngle ( ) ;

34

Page 35: Lawinenverschüttetensuchgeräte – Theorie und Eigenbau

Anhang B. Source-Code

106 int alpha=atan (ampY/ampX) ∗180/3 .14 ;107 int theta1=absAngle+alpha ;108 int theta2=absAngle−alpha ;109 i f ( theta1 >180) theta1=−360+theta1 ;110 else i f ( theta1 <−180) theta1=360+theta1 ;111 i f ( theta2 >180) theta2=−360+theta2 ;112 else i f ( theta2 <−180) theta2=360+theta2 ;113 i f ( d i rect ionDebug ) {114 S e r i a l . p r i n t ( "Absoluter Winkel : " ) ;115 S e r i a l . p r i n t ( absAngle ) ;116 S e r i a l . p r i n t ( " , r e l a t i v e r Winkel : " ) ;117 S e r i a l . p r i n t l n ( alpha ) ;118 S e r i a l . p r i n t ( " => Moegl iche S igna l r i ch tungen : " ) ;119 S e r i a l . p r i n t ( theta1 ) ;120 S e r i a l . p r i n t ( " oder " ) ;121 S e r i a l . p r i n t l n ( theta2 ) ;122 }123 relAng=alpha ;124 i f ( abs ( absAngle−prevAbsAngle ) >10) {125 i f ( dirKnown>0) dirKnown−−;126 sound ( ) ;127 i f ( ( absAngle>prevAbsAngle && alpha>prevAlpha ) | | ( absAngle<prevAbsAngle &&

alpha<prevAlpha ) ) {128 theta=theta2 ;129 }130 else i f ( ( absAngle>prevAbsAngle && alpha<prevAlpha ) | | ( absAngle<prevAbsAngle &&

alpha>prevAlpha ) ) {131 theta=theta1 ;132 }133 i f ( d i rect ionDebug ) {134 S e r i a l . p r i n t ( "Abs . S i gna l r i ch tung : " ) ;135 S e r i a l . p r i n t l n ( theta ) ;136 }137 sound ( ) ;138 prevAlpha=alpha ;139 prevAbsAngle=absAngle ;140 }141 minX=1023;142 maxX=0;143 minY=1023;144 maxY=0;145 minZ=1023;146 maxZ=0;147 }148

149 void s earchDisp lay ( ) {150 sound ( ) ;151 i f ( o ldS i gna lS t r eng th==s i gna lS t r eng th ) {152 d i r e c t i onD i sp l ay ( g e tD i r e c t i on ( ) ) ;153 }154 else {155 sound ( ) ;156 d i s tanceD i sp l ay ( getDis tance ( ) ) ;157 sound ( ) ;158 d i r e c t i onD i sp l ay ( g e tD i r e c t i on ( ) ) ;159 }160 o ldS i gna lS t r eng th=s i gna lS t r eng th ;161 }162

163 f loat getDi s tance ( ) {164 return pow(624/ s i gna lS t r ength , 0 . 3 3 3 ) ;

35

Page 36: Lawinenverschüttetensuchgeräte – Theorie und Eigenbau

Anhang B. Source-Code

165 }166

167 int ge tD i r e c t i on ( ) {168 int compAng = compassAngle ( ) ;169 int alpha=theta−compAng ;170 sound ( ) ;171 i f ( alpha >180) alpha=−360+alpha ;172 else i f ( alpha <−180) alpha=360+alpha ;173 return alpha ;174 }175

176 void loop ( ) {177 i f ( ( m i l l i s ( )−l a s tRead ing )>readInt ) {178 readZ ( ) ;179 sound ( ) ;180 readY ( ) ;181 sound ( ) ;182 readX ( ) ;183 l a s tRead ing=m i l l i s ( ) ;184 }185 sound ( ) ;186 i f ( ( m i l l i s ( )− l a s tAna l y s i s )>ana l y s i s I n t ) {187 ana ly s eS i gna l ( ) ;188 l a s tAna l y s i s=m i l l i s ( ) ;189 }190 sound ( ) ;191 i f ( ( m i l l i s ( )− l a s tD i s p l ay )>d i s p l a y In t ) {192 s earchDisp lay ( ) ;193 l a s tD i s p l ay=m i l l i s ( ) ;194 }195 sound ( ) ;196 }197

198 void readX ( ) {199 valueX=analogRead (3 ) ;200

201 //Debugging202 i f ( graphicalDebugX ) {203 S e r i a l . p r i n t ( 0 x f f , BYTE ) ;204 S e r i a l . p r i n t ( ( valueX >> 8) & 0 x f f , BYTE ) ;205 S e r i a l . p r i n t ( valueX & 0 x f f , BYTE ) ;206 }207 i f (debugX) S e r i a l . p r i n t l n ( valueX ) ;208

209 i f ( valueX<minX) minX = valueX ;210 i f ( valueX>maxX) maxX = valueX ;211 prevValueX = valueX ;212 }213

214 void readY ( ) {215 valueY=analogRead (1 ) ;216

217 //Debugging218 i f ( graphicalDebugY ) {219 S e r i a l . p r i n t ( 0 x f f , BYTE ) ;220 S e r i a l . p r i n t ( ( valueY >> 8) & 0 x f f , BYTE ) ;221 S e r i a l . p r i n t ( valueY & 0 x f f , BYTE ) ;222 }223 i f (debugY) S e r i a l . p r i n t l n ( valueY ) ;224

225 i f ( valueY<minY) minY = valueY ;

36

Page 37: Lawinenverschüttetensuchgeräte – Theorie und Eigenbau

Anhang B. Source-Code

226 i f ( valueY>maxY) maxY = valueY ;227 prevValueY = valueY ;228 }229

230 void readZ ( ) {231 valueZ=analogRead (2 ) ;232

233 //Debugging234 i f ( graphicalDebugZ ) {235 S e r i a l . p r i n t ( 0 x f f , BYTE ) ;236 S e r i a l . p r i n t ( ( valueZ >> 8) & 0 x f f , BYTE ) ;237 S e r i a l . p r i n t ( valueZ & 0 x f f , BYTE ) ;238 }239 i f ( debugZ ) S e r i a l . p r i n t l n ( valueZ ) ;240

241 i f ( valueZ<minZ) minZ = valueZ ;242 i f ( valueZ>maxZ) maxZ = valueZ ;243 prevValueZ = valueZ ;244 }245

246 void sound ( ) {247 i f ( ( micros ( )−lastSound )>soundInt ) {248 analogWrite ( speakerPin , ( ( valueX+valueY+valueZ ) /100)−5) ;249 delayMicroseconds (3000) ;250 analogWrite ( speakerPin , 0) ;251 lastSound=micros ( ) ;252 }253 }254

255 void Shi ftOut ( int Value , int BitsCount ) {256 for ( int i = BitsCount ; i >= 0 ; i−−) {257 d i g i t a lWr i t e ( compassPin1 , LOW) ;258 i f ( ( Value & 1 << i ) == ( 1 << i ) ) {259 d i g i t a lWr i t e ( compassPin3 , HIGH) ;260 }261 else {262 d i g i t a lWr i t e ( compassPin3 , LOW) ;263 }264 d i g i t a lWr i t e ( compassPin1 , HIGH) ;265 delayMicroseconds (1 ) ;266 }267 }268

269 int Sh i f t I n ( int BitsCount ) {270 int Sh i f t I n_r e su l t ;271 Sh i f t I n_r e su l t = 0 ;272 pinMode ( compassPin3 , INPUT) ;273 for ( int i = BitsCount ; i >= 0 ; i−−) {274 d i g i t a lWr i t e ( compassPin1 , HIGH) ;275 delayMicroseconds (1 ) ;276 i f ( d i g i t a lRead ( compassPin3 ) == HIGH) {277 Sh i f t I n_r e su l t = ( Sh i f t I n_r e su l t << 1) + 1 ;278 }279 else {280 Sh i f t I n_r e su l t = ( Sh i f t I n_r e su l t << 1) + 0 ;281 }282 d i g i t a lWr i t e ( compassPin1 , LOW) ;283 delayMicroseconds (1 ) ;284 }285 i f ( ( Sh i f t I n_r e su l t & 1 << 11) == 1 << 11) {286 Sh i f t I n_r e su l t = ( B11111000 << 8) | Sh i f t I n_r e su l t ;

37

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Anhang B. Source-Code

287 }288

289

290 return Sh i f t I n_r e su l t ;291 }292

293 void compassReset ( ) {294 pinMode ( compassPin3 , OUTPUT) ;295 d i g i t a lWr i t e ( compassPin2 , LOW) ;296 Shi ftOut (B0000 , 3) ;297 d i g i t a lWr i t e ( compassPin2 , HIGH) ;298 }299

300 void HM55B_StartMeasurementCommand ( ) {301 pinMode ( compassPin3 , OUTPUT) ;302 d i g i t a lWr i t e ( compassPin2 , LOW) ;303 Shi ftOut (B1000 , 3) ;304 d i g i t a lWr i t e ( compassPin2 , HIGH) ;305 }306

307 int HM55B_ReadCommand( ) {308 int r e s u l t = 0 ;309 pinMode ( compassPin3 , OUTPUT) ;310 d i g i t a lWr i t e ( compassPin2 , LOW) ;311 Shi ftOut (B1100 , 3) ;312 r e s u l t = Sh i f t I n (3 ) ;313 return r e s u l t ;314 }315 int compassAngle ( ) {316 HM55B_StartMeasurementCommand ( ) ;317 long compWait=micros ( ) ;318 while ( ( micros ( )−compWait ) <40000) sound ( ) ;319 HM55B_ReadCommand( ) ;320 compassXData = Sh i f t I n (11) ;321 compassYData = Sh i f t I n (11) ;322 d i g i t a lWr i t e ( compassPin2 , HIGH) ;323 int ang le = 180 ∗ ( atan2(−1 ∗ compassYData , compassXData ) / M_PI) ;324 return ang le ;325 }326

327 unsigned short char0 [ ] [ 8 ] = {328 0x07 , 0x0f , 0x1c , 0x18 , 0x18 , 0x18 , 0x18 , 0x18 ,329 0x1c , 0x1e , 0x07 , 0x03 , 0x03 , 0x03 , 0x03 , 0x03 ,330 0x18 , 0x18 , 0x18 , 0x18 , 0x18 , 0x1c , 0x0f , 0x07 ,331 0x03 , 0x03 , 0x03 , 0x03 , 0x03 , 0x07 , 0x1e , 0x1c332 } ;333 unsigned short char1 [ ] [ 8 ] = {334 0x00 , 0x00 , 0x00 , 0x01 , 0x03 , 0x07 , 0x02 , 0x00 ,335 0x0e , 0x1e , 0x1e , 0x16 , 0x06 , 0x06 , 0x06 , 0x06 ,336 0x00 , 0x00 , 0x00 , 0x00 , 0x00 , 0x00 , 0x00 , 0x00 ,337 0x06 , 0x06 , 0x06 , 0x06 , 0x06 , 0x06 , 0x06 , 0 x0f338 } ;339 unsigned short char2 [ ] [ 8 ] = {340 0x07 , 0x0f , 0x1c , 0x18 , 0x10 , 0x00 , 0x00 , 0x00 ,341 0x18 , 0x1c , 0x1e , 0x07 , 0x03 , 0x03 , 0x07 , 0x0e ,342 0x00 , 0x01 , 0x03 , 0x07 , 0x0e , 0x1c , 0x1f , 0 x1f ,343 0x18 , 0x10 , 0x00 , 0x00 , 0x00 , 0x01 , 0x1f , 0 x1f344 } ;345 unsigned short char3 [ ] [ 8 ] = {346 0x07 , 0x0f , 0x1c , 0x18 , 0x10 , 0x00 , 0x00 , 0x00 ,347 0x18 , 0x1c , 0x1e , 0x07 , 0x03 , 0x07 , 0x0e , 0x1c ,

38

Page 39: Lawinenverschüttetensuchgeräte – Theorie und Eigenbau

Anhang B. Source-Code

348 0x00 , 0x00 , 0x00 , 0x10 , 0x18 , 0x1c , 0x0f , 0x07 ,349 0x0c , 0x06 , 0x03 , 0x03 , 0x07 , 0x0e , 0x1c , 0x18350 } ;351 unsigned short char4 [ ] [ 8 ] = {352 0x00 , 0x00 , 0x00 , 0x01 , 0x03 , 0x07 , 0x0e , 0x1c ,353 0x0c , 0x1c , 0x18 , 0x10 , 0x00 , 0x00 , 0x18 , 0x18 ,354 0x1f , 0 x1f , 0x00 , 0x00 , 0x00 , 0x00 , 0x00 , 0x00 ,355 0x1f , 0 x1f , 0x18 , 0x18 , 0x18 , 0x18 , 0x18 , 0x18356 } ;357 unsigned short char5 [ ] [ 8 ] = {358 0x1f , 0 x1f , 0x18 , 0x18 , 0x18 , 0x18 , 0x1f , 0 x1f ,359 0x1f , 0 x1f , 0x00 , 0x00 , 0x00 , 0x00 , 0x1c , 0x1e ,360 0x00 , 0x00 , 0x00 , 0x10 , 0x18 , 0x1c , 0x0f , 0x03 ,361 0x07 , 0x03 , 0x03 , 0x03 , 0x07 , 0x0e , 0x1c , 0x18362 } ;363 unsigned short char6 [ ] [ 8 ] = {364 0x03 , 0x07 , 0x0e , 0x0c , 0x18 , 0x18 , 0x1b , 0x1f ,365 0x1c , 0x1e , 0x07 , 0x03 , 0x00 , 0x00 , 0x1c , 0x1e ,366 0x18 , 0x18 , 0x18 , 0x18 , 0x18 , 0x0c , 0x07 , 0x03 ,367 0x07 , 0x03 , 0x03 , 0x03 , 0x03 , 0x06 , 0x1c , 0x18368 } ;369 unsigned short char7 [ ] [ 8 ] = {370 0x1f , 0 x1f , 0x00 , 0x00 , 0x00 , 0x00 , 0x00 , 0x01 ,371 0x1f , 0 x1f , 0x07 , 0x0e , 0x1c , 0x18 , 0x10 , 0x00 ,372 0x03 , 0x07 , 0x06 , 0x0e , 0x0c , 0x1c , 0x18 , 0x18 ,373 0x00 , 0x00 , 0x00 , 0x00 , 0x00 , 0x00 , 0x00 , 0x00374 } ;375 unsigned short char8 [ ] [ 8 ] = {376 0x07 , 0x0f , 0x1c , 0x18 , 0x18 , 0x1c , 0x0f , 0x07 ,377 0x1c , 0x1e , 0x07 , 0x03 , 0x03 , 0x07 , 0x1e , 0x1c ,378 0x07 , 0x0c , 0x18 , 0x18 , 0x18 , 0x1c , 0x0f , 0x07 ,379 0x1c , 0x06 , 0x03 , 0x03 , 0x03 , 0x07 , 0x1e , 0x1c380 } ;381

382 unsigned short char9 [ ] [ 8 ] = {383 0x07 , 0x0f , 0x1c , 0x18 , 0x18 , 0x1c , 0x0f , 0x07 ,384 0x1c , 0x1e , 0x07 , 0x03 , 0x03 , 0x03 , 0x1f , 0 x1f ,385 0x00 , 0x00 , 0x00 , 0x00 , 0x18 , 0x1c , 0x0f , 0x07 ,386 0x07 , 0x03 , 0x03 , 0x03 , 0x03 , 0x07 , 0x1e , 0x1c387 } ;388

389 void se l ec tL ineOne ( ) {390 LCD. p r i n t (0xFE , BYTE) ;391 LCD. p r i n t (128 , BYTE) ;392 }393 void se lectLineTwo ( ) {394 LCD. p r i n t (0xFE , BYTE) ;395 LCD. p r i n t (192 , BYTE) ;396 }397 void goTo( int po s i t i o n ) {398 i f ( po s i t i on <16){399 LCD. p r i n t (0xFE , BYTE) ;400 LCD. p r i n t ( ( p o s i t i o n +128) , BYTE) ;401 }402 else i f ( po s i t i on <32){403 LCD. p r i n t (0xFE , BYTE) ;404 LCD. p r i n t ( ( p o s i t i o n +48+128) , BYTE) ;405 }406 else {407 goTo (0) ;408 }

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Anhang B. Source-Code

409 }410 void clearLCD ( ) {411 LCD. p r i n t (0xFE , BYTE) ;412 LCD. p r i n t (0 x01 , BYTE) ;413 }414 void d i s tanceD i sp l ay ( f loat d i s t ) {415 clearLCD ( ) ;416 boolean decimal ;417 int num;418 sound ( ) ;419 i f ( d i s t <10) {420 num=10∗round ( d i s t ∗10) ;421 decimal=true ;422 }423 else i f ( d i s t >99) {424 num=9900;425 decimal=fa l se ;426 }427 else {428 num=100∗round ( d i s t ) ;429 decimal=fa l se ;430 }431 sound ( ) ;432 int firNum ;433 int secNum ;434 i f ( decimal==fa l se ) {435 secNum = (num % 1000) /100 ;436 firNum = (num−secNum) /1000 ;437 }438 else {439 secNum = (num % 100) /10 ;440 firNum = (num−secNum∗10) /100 ;441 }442 sound ( ) ;443 for ( int j = 0 ; j < 8 ; j++) {444 LCD. p r i n t (254 ,BYTE) ;445 LCD. p r i n t (64+ j ∗8 ,BYTE) ;446

447 for ( int i = 0 ; i < 8 ; i++) {448 sound ( ) ;449 LCD. p r i n t ( charArray ( firNum , secNum , j , i ) ,BYTE) ;450 }451 }452 sound ( ) ;453 i f ( decimal ) {454 goTo (10) ;455 LCD. p r i n t (0 ,BYTE) ;456 LCD. p r i n t (1 ,BYTE) ;457 LCD. p r i n t ( " " ) ;458 LCD. p r i n t (4 ,BYTE) ;459 LCD. p r i n t (5 ,BYTE) ;460 goTo (26) ;461 sound ( ) ;462 LCD. p r i n t (2 ,BYTE) ;463 LCD. p r i n t (3 ,BYTE) ;464 LCD. p r i n t ( " . " ) ;465 LCD. p r i n t (6 ,BYTE) ;466 LCD. p r i n t (7 ,BYTE) ;467 LCD. p r i n t ( "m" ) ;468 }469 else {

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Anhang B. Source-Code

470 goTo (10) ;471 LCD. p r i n t ( " " ) ;472 LCD. p r i n t (0 ,BYTE) ;473 LCD. p r i n t (1 ,BYTE) ;474 LCD. p r i n t (4 ,BYTE) ;475 LCD. p r i n t (5 ,BYTE) ;476 goTo (26) ;477 sound ( ) ;478 LCD. p r i n t ( " " ) ;479 LCD. p r i n t (2 ,BYTE) ;480 LCD. p r i n t (3 ,BYTE) ;481 LCD. p r i n t (6 ,BYTE) ;482 LCD. p r i n t (7 ,BYTE) ;483 LCD. p r i n t ( "m" ) ;484 }485

486 }487 int charArray ( int firNum , int secNum , int j , int i ) {488 i f ( j <4) {489 sound ( ) ;490 i f ( firNum==0) {491 return ( char0 [ j ] [ i ] ) ;492 }493 else i f ( firNum==1) {494 return ( char1 [ j ] [ i ] ) ;495 }496 else i f ( firNum==2) {497 return ( char2 [ j ] [ i ] ) ;498 }499 else i f ( firNum==3) {500 return ( char3 [ j ] [ i ] ) ;501 }502 else i f ( firNum==4) {503 return ( char4 [ j ] [ i ] ) ;504 }505 else i f ( firNum==5) {506 return ( char5 [ j ] [ i ] ) ;507 }508 else i f ( firNum==6) {509 return ( char6 [ j ] [ i ] ) ;510 }511 else i f ( firNum==7) {512 return ( char7 [ j ] [ i ] ) ;513 }514 else i f ( firNum==8) {515 return ( char8 [ j ] [ i ] ) ;516 }517 else i f ( firNum==9) {518 return ( char9 [ j ] [ i ] ) ;519 }520 }521

522 else {523 sound ( ) ;524 i f ( secNum==0) {525 return ( char0 [ j −4] [ i ] ) ;526 }527 else i f ( secNum==1) {528 return ( char1 [ j −4] [ i ] ) ;529 }530 else i f ( secNum==2) {

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Anhang B. Source-Code

531 return ( char2 [ j −4] [ i ] ) ;532 }533 else i f ( secNum==3) {534 return ( char3 [ j −4] [ i ] ) ;535 }536 else i f ( secNum==4) {537 return ( char4 [ j −4] [ i ] ) ;538 }539 else i f ( secNum==5) {540 return ( char5 [ j −4] [ i ] ) ;541 }542 else i f ( secNum==6) {543 return ( char6 [ j −4] [ i ] ) ;544 }545 else i f ( secNum==7) {546 return ( char7 [ j −4] [ i ] ) ;547 }548 else i f ( secNum==8) {549 return ( char8 [ j −4] [ i ] ) ;550 }551 else i f ( secNum==9) {552 return ( char9 [ j −4] [ i ] ) ;553 }554 }555

556 }557

558 void d i r e c t i onD i sp l ay ( int alpha ) {559 i f ( d i rect ionDebug ) {560 S e r i a l . p r i n t ( "=== r e l . Winkel : " ) ;561 S e r i a l . p r i n t l n ( alpha ) ;562 }563 sound ( ) ;564 goTo (0) ;565 i f ( dirKnown>1) {566 LCD. p r i n t ( " " ) ;567 sound ( ) ;568 LCD. p r i n t ( "D" ) ;569 sound ( ) ;570 LCD. p r i n t ( "R" ) ;571 sound ( ) ;572 LCD. p r i n t ( "E" ) ;573 sound ( ) ;574 LCD. p r i n t ( "H" ) ;575 sound ( ) ;576 LCD. p r i n t ( "E" ) ;577 sound ( ) ;578 LCD. p r i n t ( "N" ) ;579 sound ( ) ;580 LCD. p r i n t ( " ! " ) ;581 sound ( ) ;582 LCD. p r i n t ( " " ) ;583 sound ( ) ;584 }585 else i f ( alpha <−50) {586 LCD. p r i n t ( "<" ) ;587 sound ( ) ;588 LCD. p r i n t ( "=" ) ;589 sound ( ) ;590 LCD. p r i n t ( "=" ) ;591 sound ( ) ;

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Anhang B. Source-Code

592 LCD. p r i n t ( "=" ) ;593 sound ( ) ;594 LCD. p r i n t ( "o" ) ;595 sound ( ) ;596 LCD. p r i n t ( " " ) ;597 sound ( ) ;598 LCD. p r i n t ( " " ) ;599 sound ( ) ;600 LCD. p r i n t ( " " ) ;601 sound ( ) ;602 LCD. p r i n t ( " " ) ;603 sound ( ) ;604 }605 else i f ( alpha <−35) {606 LCD. p r i n t ( " " ) ;607 sound ( ) ;608 LCD. p r i n t ( "<" ) ;609 sound ( ) ;610 LCD. p r i n t ( "=" ) ;611 sound ( ) ;612 LCD. p r i n t ( "=" ) ;613 sound ( ) ;614 LCD. p r i n t ( "o" ) ;615 sound ( ) ;616 LCD. p r i n t ( " " ) ;617 sound ( ) ;618 LCD. p r i n t ( " " ) ;619 sound ( ) ;620 LCD. p r i n t ( " " ) ;621 sound ( ) ;622 LCD. p r i n t ( " " ) ;623 sound ( ) ;624 }625 else i f ( alpha <−20) {626 LCD. p r i n t ( " " ) ;627 sound ( ) ;628 LCD. p r i n t ( " " ) ;629 sound ( ) ;630 LCD. p r i n t ( "<" ) ;631 sound ( ) ;632 LCD. p r i n t ( "=" ) ;633 sound ( ) ;634 LCD. p r i n t ( "o" ) ;635 sound ( ) ;636 LCD. p r i n t ( " " ) ;637 sound ( ) ;638 LCD. p r i n t ( " " ) ;639 sound ( ) ;640 LCD. p r i n t ( " " ) ;641 sound ( ) ;642 LCD. p r i n t ( " " ) ;643 sound ( ) ;644 }645 else i f ( alpha<−5) {646 LCD. p r i n t ( " " ) ;647 sound ( ) ;648 LCD. p r i n t ( " " ) ;649 sound ( ) ;650 LCD. p r i n t ( " " ) ;651 sound ( ) ;652 LCD. p r i n t ( "<" ) ;

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Anhang B. Source-Code

653 sound ( ) ;654 LCD. p r i n t ( "o" ) ;655 sound ( ) ;656 LCD. p r i n t ( " " ) ;657 sound ( ) ;658 LCD. p r i n t ( " " ) ;659 sound ( ) ;660 LCD. p r i n t ( " " ) ;661 sound ( ) ;662 LCD. p r i n t ( " " ) ;663 sound ( ) ;664 }665 else i f ( alpha <5) {666 LCD. p r i n t ( " " ) ;667 sound ( ) ;668 LCD. p r i n t ( " " ) ;669 sound ( ) ;670 LCD. p r i n t ( " " ) ;671 sound ( ) ;672 LCD. p r i n t ( " " ) ;673 sound ( ) ;674 LCD. p r i n t ( "o" ) ;675 sound ( ) ;676 LCD. p r i n t ( " " ) ;677 sound ( ) ;678 LCD. p r i n t ( " " ) ;679 sound ( ) ;680 LCD. p r i n t ( " " ) ;681 sound ( ) ;682 LCD. p r i n t ( " " ) ;683 sound ( ) ;684 }685 else i f ( alpha <20) {686 LCD. p r i n t ( " " ) ;687 sound ( ) ;688 LCD. p r i n t ( " " ) ;689 sound ( ) ;690 LCD. p r i n t ( " " ) ;691 sound ( ) ;692 LCD. p r i n t ( " " ) ;693 sound ( ) ;694 LCD. p r i n t ( "o" ) ;695 sound ( ) ;696 LCD. p r i n t ( ">" ) ;697 sound ( ) ;698 LCD. p r i n t ( " " ) ;699 sound ( ) ;700 LCD. p r i n t ( " " ) ;701 sound ( ) ;702 LCD. p r i n t ( " " ) ;703 sound ( ) ;704 }705 else i f ( alpha <35) {706 LCD. p r i n t ( " " ) ;707 sound ( ) ;708 LCD. p r i n t ( " " ) ;709 sound ( ) ;710 LCD. p r i n t ( " " ) ;711 sound ( ) ;712 LCD. p r i n t ( " " ) ;713 sound ( ) ;

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714 LCD. p r i n t ( "o" ) ;715 sound ( ) ;716 LCD. p r i n t ( "=" ) ;717 sound ( ) ;718 LCD. p r i n t ( ">" ) ;719 sound ( ) ;720 LCD. p r i n t ( " " ) ;721 sound ( ) ;722 LCD. p r i n t ( " " ) ;723 sound ( ) ;724 }725 else i f ( alpha <50) {726 LCD. p r i n t ( " " ) ;727 sound ( ) ;728 LCD. p r i n t ( " " ) ;729 sound ( ) ;730 LCD. p r i n t ( " " ) ;731 sound ( ) ;732 LCD. p r i n t ( " " ) ;733 sound ( ) ;734 LCD. p r i n t ( "o" ) ;735 sound ( ) ;736 LCD. p r i n t ( "=" ) ;737 sound ( ) ;738 LCD. p r i n t ( "=" ) ;739 sound ( ) ;740 LCD. p r i n t ( ">" ) ;741 sound ( ) ;742 LCD. p r i n t ( " " ) ;743 sound ( ) ;744 }745 else {746 LCD. p r i n t ( " " ) ;747 sound ( ) ;748 LCD. p r i n t ( " " ) ;749 sound ( ) ;750 LCD. p r i n t ( " " ) ;751 sound ( ) ;752 LCD. p r i n t ( " " ) ;753 sound ( ) ;754 LCD. p r i n t ( "o" ) ;755 sound ( ) ;756 LCD. p r i n t ( "=" ) ;757 sound ( ) ;758 LCD. p r i n t ( "=" ) ;759 sound ( ) ;760 LCD. p r i n t ( "=" ) ;761 sound ( ) ;762 LCD. p r i n t ( ">" ) ;763 sound ( ) ;764 }765 LCD. p r i n t ( " I " ) ;766

767 sound ( ) ;768 se lectLineTwo ( ) ;769 sound ( ) ;770 i f ( relAng<−9){771 LCD. p r i n t ( relAng ) ;772 }773 else i f ( relAng <0) {774 LCD. p r i n t ( " " ) ;

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775 LCD. p r i n t ( relAng ) ;776 }777 else i f ( relAng <10) {778 LCD. p r i n t ( " " ) ;779 LCD. p r i n t ( relAng ) ;780 }781 else {782 LCD. p r i n t ( " " ) ;783 LCD. p r i n t ( relAng ) ;784 }785 LCD. p r i n t ( " " ) ;786 sound ( ) ;787 LCD. p r i n t ( "G" ) ;788 sound ( ) ;789 LCD. p r i n t ( "R" ) ;790 sound ( ) ;791 LCD. p r i n t ( "A" ) ;792 sound ( ) ;793 LCD. p r i n t ( "D" ) ;794 sound ( ) ;795 LCD. p r i n t ( " " ) ;796 sound ( ) ;797 LCD. p r i n t ( " I " ) ;798 }

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