Schweizerische Gesellschaft für Automatik Association Suisse pour l’Automatique Swiss Society for Automatic Control

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SGA – ASSPA – SSAC BULLETIN Nr. 76 – «Kompakter Flugsimulator»

Editorial

Sehr verehrte Mitglieder und Mitgliederinnen,

In unserem Frühlingsbulletin finden Sie verschiedene Beiträge, die Ihr Interesse wecken könnten. Den mit dem Förderpreis der SGA ausgezeichneten Beitrag über Signalverarbeitungsalgorithmen im Zusammenhang mit Flugsimulatoren sowie die Berichte über das 5. SGA Meeting und über die Besuche der Sensor.ch-Vereinigung bei den Firmen POSALUX und MAXON. Wir vom SGA Vorstand hoffen, dass wir Ihnen mit dem Bulletin immer wieder neue und aktuelle Informationen zur Verfügung stellen können. Falls Sie uns diesbezüglich ein Feedback geben können, wären wir dankbar, ebenso für Anregungen für Verbesserungen. Mit freundlichen Grüssen Peter Gruber

Kontakt Dr. Peter Gruber Grenzacherweg 116 4125 Riehen pgconsult@gmx.ch HSLU Technik & Architektur Technikumstr. 21 6048 Horw E-Mail: peter.gruber@hslu.ch

VORSCHAU – VORSCHAU - VORSCHAU

SGA Generalversammlung 20. Juni 2017 – Mehr Infos Seite 12 Für Ihre Teilnahme an der Besichtigung mit anschliessender GV sollten Sie sich schon heute den Termin vormerken.

Inhalt

Editorial 1 Rückblick auf das 5. SGA Meeting 2 Motion Algorithmen für eine 6dof-Plattform Prämierte Bachelorarbeit 2016 4 Fachmesse SENSOR+TEST 2017 10 Konferenzen 2017 11 Termine und Infos 12 sensors.ch – Besuch 30. Januar 2017 POSALUX SA, Biel/Bienne 13 sensors.ch – Besuch 11. April 2017 MAXON MOTOR, Sachseln, OW 15 sonsors.ch kommende Veranstaltungen 16

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Rückblick auf das 5. SGA Meeting mit Verleihung der Förderpreise Bachelor und Master

Bereits zum 5. mal wurden von der SGA Förderpreise verliehen. Wie bereits im vergang-enen Jahr konnten Bachelor- und Master-Arbeiten, die innovativ, sowie praxis- oder theorierelevant sind, und die den Bereich der Regelungstechnik oder systemtheoretische Aspekte der Messtechnik abdecken eingereicht werden. Schon diese Hürde ist relativ hoch.

Zum SGA Meeting am 1.2.2017 in Horw haben 35 Personen den Weg an die Hochschule Luzern, Technik & Architektur gefunden, was den Organisator Prof. Dr. Peter Gruber von der Hochschule Luzern, Technik & Architektur (HSLU) besonders gefreut hat. An ihn ein herzliches Dankeschön.

Die Jury war durch Prof. Dr. Raoul Herzog, HEIG-VD Yverdon, Prof. Dr. Markus Kottmann, HSR Rapperswil und Dr. Phillip de Valliere als Industrievertreter vertreten. Ferner haben Prof. Dr. Alois Amstutz ETH Zürich und Dr. René Uwe Schneider EPFL Lausanne als Juroren mitgewirkt. Wie immer hat es sich die Jury nicht leicht gemacht um wirklich die «Besten» zu prämieren und der SGA Vorstand dankt an dieser Stelle ganz herzlich, muss doch diese Aufgabe immer zusätzlich zum Tagesgeschäft erledigt werden.

Begrüsst wurden die Teilnehmer vom Präsidenten der SGA Prof. Dr. Jürg Keller und durch den Direktor der HSLU Herrn Prof. Dr. Viktor Sigrist, dem ein ganz besonderer Dank ausgesprochen wird – nicht nur für die Gastfreundschaft, sondern auch für den gesponserten Apéro.

Die Preisträger Bachelor und Master stellten mit 2 Präsentationen die Projekte vor. Die «offizielle» Urkunde, den Scheck in Höhe von je CHF 1000.- und eine Freimitgliedschaft in der SGA für 1 Jahr konnte zusammen mit den Glückwünschen von R. Herzog übergeben werden. Nochmals herzlichen Glückwunsch den Gewinnern.

Der Bachelor Preis ging an Dominik Büsser und Claudio Stucki für die Arbeit «Motion-Algorithmen für eine 6dof-Plattform». Der Preis für die Masterarbeit ging an Max Polzin mit dem Titel «Modeling and Sensors Fusion for Improved State and Parameter Estimations in Airborne Wind Energy».

Prof. Dr. Raoul Herzog mit Preisträger Bachelor Dominik Büsser, (Claudio Stucki konnte leider nicht persönlich an der Preis-verleihung teilnehmen) und Preisträger Master Max Polzin

Fachvortrag 1 Stefan Ineichen (HSLU) – er präsentierte eine modellbasierte prädiktive Regelung für die Heizung mit implementiertem IoT Prinzip eines Einfamilienhauses vor. Die komplexen Algorithmen werden dabei auf mehreren Servern ausgeführt. Diese erhalten die Messdaten des Wohnobjekts sowie Daten anderer Quellen (Wetterprognosen). Eine lokale SPS empfängt die Steuersignale und leitet diese an die Aktoren weiter. Die Testphase läuft seit diesem Jahr.

Fachvortrag 2 Prof. Dr. Christoph Eck – er gewährte uns einen Einblick in die Welt der Drohnen. Titel des Vortrages «Helikopterdrohnen für die Inspektion von Hochspannungs-leitungen». Im Rahmen eines gemeinsamen KTI Forschungsprojektes «LINDA» der Partner Hochschule Luzern, Elektrizitätswerk Zürich (ewz) und dem ehemaligen ETH Spin-Off Aeroscout GmbH werden grössere Drohnen mit 18kg Nutzlast mit mehreren Sensoren ausgestattet, um die ganzheitliche Inspektion von Hochspannungsleitungen und Hoch-spannungsmasten weitgehend zu automatisieren.

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Rundgang durch die Labore

Im Anschluss an die Theorie gewährten uns Prof. Ralf Legrand, CC Mechanische System (HSLU) und Prof. Dr. Thierry Prud’homme, CC Electronics, (HSLU) einen Einblick in die Ausbildungslabore.

Beim Besuch der Labore

Hauptanliegen der SGA ist neben den Inputs zu neuester Forschung auch die Pflege des Netzwerkes. Daher werden die Veranstaltungen mit einem Apéro abgerundet. Wie bereits eingangs erwähnt vom Gastgeber Hochschule Luzern – Technik & Architektur gesponsert. Nochmals herzlichen Dank

Eindrücke vom Apéro

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Motion Algorithmen für eine 6dof-Plattform Prämierte Bachelorarbeit 2016

1. Einleitung

Mit dem Thema Flugsimulatoren beschäftigten sich Claudio Stucki und Dominik Büsser in ihrer Bachelorarbeit «Motion-Algorithmen für eine 6dof-Plattform». In Zusammenarbeit mit der Firma BRUNNER Elektronik AG (www.brunner-innovation.swiss) in Hittnau wurden sogenannte Motion-Algorithmen entwickelt, welche Bewegungen von Flugzeugen oder sonstigen Fortbewegungsmitteln auf einer Bewegungsplattform realitätsnah simulieren.

Autoren Preisträger Bachelor Claudio Stucki Dominik Büsser

BRUNNER bietet neben Antriebslösungen für Industrieanwendungen auch ein breites Portfolio an sogenannten Control Loading Systemen für Flugsimulatoren an. Control Loading Systeme bilden die im Flugzeug auftretenden Kräfte an den Pilotensteuern mit Hilfe elektrischer Aktuatoren ab und ermöglichen so realistische Trainingsszenarien. Die neue Bewegungsplattform mit 6 Freiheitsgraden wird das Produktportfolio entsprechend erweitern.

Ein Prototyp war zu Beginn des Projektes bereits vorhanden. Das Ziel des Projektes war, den vorhandenen Motion-Algorithmus mit einer neuen mathematischen Herangehensweise zu verbessern. Eine zusätzliche Herausforderung bestand darin, mit den beschränkten Be-wegungsmöglichkeiten der Plattform klarzukommen. Die Plattform hat einen Bewegungs-raum von ±7.5 𝑐𝑚 in die Längs- und Seitenrichtung und ±15 𝑐𝑚 in die Höhenrichtung. Beschleunigungen und Drehbewegungen sind somit nur über einen kurzen Zeitraum in eine Richtung möglich. Folglich muss die Plattform nach einer Bewegung immer wieder in die Ausgangsposition zurückgebracht werden.

1.1 Verwendung von Simulatoren im Alltag

Simulatoren werden heutzutage vielfältig eingesetzt, von der Luftfahrt, über das Militär, bis hin zur Unterhaltungsindustrie. Der grosse Vorteil ist, dass Prozeduren und Handhabung trainiert und zudem Situationen simuliert werden können, die in der Realität nicht möglich oder zu riskant wären. Die Kosten, das Risiko sowie speziell in der Luftfahrt auch Umwelt-belastungen und Lärmemissionen können durch die Verwendung von Simulatoren reduziert werden.

Kommerzielle Nutzung

Simulatoren werden aber immer vermehrt auch in der Unterhaltungsindustrie eingesetzt. Leidenschaftliche Hobbypiloten kaufen sich zunehmend Simulatoren, um Navigation und Handling zu trainieren. Heutzutage können auch vermehrt in Spielhallen kleinere Simulato-ren gefunden werden, auf denen man beispielsweise Autorennen bestreiten kann.

Unterhaltungs- industrie

Die Nachfrage im Markt ist steigend, denn auch in Zukunft werden Simulatoren, insbeson-dere in der Luftfahrt, einen wichtigen Stellenwert einnehmen. Laut einer Studie von Boeing gibt es in den nächsten 20 Jahren einen Bedarf von 671'000 neuen Piloten [1]. Diese Pilo-ten müssen dementsprechend ausgebildet und speziell auf eine Maschine geschult wer-den. Da die Umweltproblematik, der Kostendruck und die Sicherheit in der Luftfahrt auch in Zukunft wichtige Diskussionspunkte sein werden, werden Flugsimulatoren zunehmend gefragt sein.

Nachfrage des Marktes

Die Kosten von Flugsimulatoren reichen von einigen hundert Tausend Franken bis hin zu zweistelligen Millionenbeträgen. Die Firma BRUNNER leistet mit ihren qualitativ hochwerti-gen und performanten Produkten gepaart mit einem sehr guten Preis/Leistungsverhältnis einen wichtigen Beitrag damit Kosten reduziert werden können. Dadurch werden hochwerti-ge Simulatoren auch für kleinere Flugschulen erschwinglich.

Kosten von Flugsimulatoren

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2. Theoretische Grundlagen

2.1 Die menschliche Bewegungswahrnehmung

Der Mensch nimmt Bewegungen mit verschiedenen Sinnesorganen wahr. Dazu gehört das visuelle System (Augen), das vestibuläre System (Gleichgewichtssinn), das somatosen-sorische System (Haut, Sehnen, Muskeln, Gelenke) und das auditive System (Ohren). Die beiden wichtigsten Sinnesorgane für die Bewegungswahrnehmung sind die Augen und unser Gleichgewichtssinn. Die anderen Sinnesorgane können aber ebenfalls wichtige Infor-mationen liefern, die für die vollständige Erkennung einer Bewegung nötig sind.

Vier Sinnesorgane für die Bewegungs-

wahrnehmung

Die Informationen liegen oftmals mehrfach und übereinstimmend vor. Diese Redundanz ist äusserst wichtig, da man aufgrund von einer Information eine Bewegung nicht vollständig identifizieren kann. Ein typisches Beispiel ist das Losfahren eines Zuges, der sich eben noch neben einem anderen stehenden Zug befunden hat. Sitzt man in einem der beiden Zügen kann man im ersten Moment nicht erkennen, ob der Zug in dem man sitzt, oder der Nachbarzug losgefahren ist. Nötig sind zusätzliche Referenzpunkte von der Umgebung, oder Informationen von einem anderen Sinnesorgan.

Redundante Informationen

Die Sinnesorgane können jedoch auch verschiedene Informationen liefern. Tritt dieser Fall ein, kann es zu Konflikten bei der Integration von diesen Informationen kommen. Mögliche Folgen sind Kopfschmerzen, Schwindel und Übelkeit. Diese Symptome werden im Zusam-menhang mit Simulatoren auch als Simulatorkrankheit bezeichnet. Folglich ist es wichtig, dass der Motion-Algorithmus die Bewegungen des Fortbewegungsmittels möglichst reali-tätsnah nachstellt. Handelt es sich um einen guten Motion-Algorithmus, sollten die vorher genannten Beschwerden auf einem Simulator mit einer 6dof-Plattform seltener auftreten.

Sich widersprechende Informationen

Folglich ist der zusätzliche Einsatz von 6dof-Plattformen bei einem Simulator gegenüber einem herkömmlichen Simulator ohne Bewegungsplattform aus mehreren Gründen lohnenswert. Zum einen gibt man dem Piloten ein realistischeres Umfeld, zum anderen sollte er sich durch dieses auch wohler fühlen.

Vorteile einer 6dof-Plattform

Das menschliche Vestibularsystem

Mit einer 6dof-Plattform reizt man mit verschiedenen Stimuli den Gleichgewichtssinn. Der Gleichgewichtssinn des Menschen besteht aus zwei unterschiedlichen Teilsystemen.

Das semizirkuläre System besteht aus drei, praktisch orthogonal zueinander angeordnete Bogengänge (siehe Abbildung 1). Diese sind mit einer viskosen Flüssigkeit gefüllt. Jeweils ein Ende jedes Bogenganges ist mit einer Ampulle abgeschlossen, in welcher sich die Cupula mit hochsensiblen Sinneshaaren befinden. Tritt eine Bewegung auf, gerät die viskose Flüssigkeit aufgrund ihrer Trägheit in Bewegung und drückt gegen die Ampulle. Der von den Sinneshaaren ausgelöste Reiz wird vom Gehirn als Drehbewegung wahrgenommen.

Das semizirkuläre System

Abbildung 1: Aufbau des Vestibularsystems [2]

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Das zweite System ist ähnlich aufgebaut wie das erste. Im Gegensatz zum ersten System besteht dieses aus zwei Säckchen, dem Utriculus und dem Sacculus. In diesen befinden sich jeweils ein Makulaorgan mit sogenannten Otolithen (Ohrsteine). Diese werden auf-grund der Gravitation immer an der tiefst möglichen Stelle gehalten. Überlagert eine tran-slatorische Beschleunigung die Gravitation, geraten die Otolithen aus ihrer Normalposition und reizen die Sinneshaare, was wiederum vom Gehirn als translatorische Beschleunigung interpretiert wird. Die Sinneshaare sind jeweils so angeordnet, dass sie horizontale (im Utriculus) und vertikale (im Sacculus) Beschleunigungen wahrnehmen können [2].

Das Makularogan mit den Otolithen

2.2 Darstellung von langanhaltenden Beschleunigungen

Wie bereits erwähnt verfolgt man bei einem Motion-Algorithmus das Ziel, Bewegungen der 6dof-Plattform möglichst realitätsnah darzustellen. Da der Arbeitsbereich von jeder 6dof-Plattform mechanisch beschränkt ist, können translatorische Beschleunigungen oder Drehbewegungen nicht über einen längeren Zeitraum simuliert werden. Um trotzdem näherungsweise eine langanhaltende Beschleunigung zu simulieren, kann eine Schwäche der menschlichen Bewegungswahrnehmung ausgenutzt werden.

Beschränkter Arbeitsraum der

6dof-Plattform

Diese Schwäche wird in Abbildung 2 veranschaulicht. Dazu müssen zuerst noch einige Begriffe geklärt werden. Die spezifische Kraft ist die für die Reizauslösung bestimmende Grösse und wird folgendermassen definiert

Darstellung von langanhaltenden

Beschleunigungen

𝑓 = 𝑎 − 𝑔 Die Wirkkraft 𝐹𝑅 resultiert aus der der Kraft von der Beschleunigung 𝐹𝑥 = −𝑚 ⋅ 𝑎 und der Gravitationskraft 𝐹𝑔 = 𝑚 ⋅ 𝑔

𝐹𝑅 = 𝐹𝑥 + 𝐹𝑔 Aus Abbildung 2 (rechts) ist ersichtlich, dass bei einer geneigten Kopflage ebenfalls eine Kraft auf das Makulaorgan wirkt. Diese Kraft ist gegeben durch

Abbildung 2: Auftretende Kräfte auf das Makulaorgan bei einer translatorischen Beschleunigung (links) und einer geneigten Kopflage (rechts) [2]

𝐹 𝑔,𝑥 = −𝑚 ⋅ 𝑔 ⋅ sin𝜃

Eine Eigenheit der menschlichen Bewegungswahrnehmung ist, dass man in einem gewissen Bereich nicht zwischen diesen beiden Situationen unterscheiden kann, da in beiden Fällen derselbe Reiz ausgelöst wird. Diese Schwäche macht man sich zunutze. Wählt man den 𝜃 so, dass die Kräfte 𝐹𝑥 und 𝐹𝑔,𝑥 betragsmässig gleich gross sind, nimmt der Mensch eine geneigte Kopflage als translatorische Beschleunigung wahr, also

𝑎𝑔,𝑥 ≈ 𝑎𝑥

Diese Schwäche lässt sich jedoch nur eingeschränkt ausnutzten, im Bereich von maximal 20° − 30°, was einer Beschleunigung von 0.34 − 0.5 𝑔 entspricht. Danach wird zunehmend die Erdbeschleunigung wahrgenommen. [2]

Eingeschränkte Nutzung

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3. Motion Algorithmen (Washout-Filter)

Im realisierten Projekt wurden zwei verschiedene Washout-Filter implementiert: der Klassische Washout-Filter und der Optimale Washout-Filter. Eine Erweiterung von diesen Filtern wäre eine adaptive Filterstruktur.

Zwei verschiedene Ansätze

3.1 Der Klassische Washout-Filter

Der Klassische Washout-Filter besteht im Wesentlichen aus zwei Hochpassfiltern und einem Tiefpassfilter mit Dämpfung 1. Die Hochpassfilter werden mit jeweils einer Übertragungsfunktion dargestellt, welche die Bogengänge und das Makulaorgan mit den Otolithen modellieren. Die Ordnung der Übertragungsfunktion ergibt sich aus den nötigen Integratoren, um auf die Position bzw. auf den Winkel schliessen zu können. Da man ein Bandpassverhalten anstrebt, resultiert für den Filter für die Beschleunigung die Ordnung 3 und für die Winkelgeschwindigkeiten die Ordnung 2.

Hochpassfilter für Beschleunigung und

Winkel-geschwindigkeiten

𝐺𝐻𝑃𝑎𝑐𝑐(𝑠) = � 𝑠

𝑠 + 𝜔𝑛�3

𝐺𝐻𝑃𝑣𝑒𝑙𝑜(𝑠) = �𝑠

𝑠 + 𝜔𝑏�2

Die Hochpassfilter bewirken, dass eine Bewegung im ersten Moment wie in der Realität nachgefahren wird. Tritt die translatorische Beschleunigung oder die Drehbewegung über einen längeren Zeitraum auf, wird die Plattform zurück in die Ausgangsposition gebracht und der Tiefpassfilter nimmt Einfluss auf das System.

Mit dem Tiefpassfilter und einer Mappingsfunktion bzw. der sogenannten «Tilt Coordina-tion» wird von den eingehenden Beschleunigungen (Vorwärts-/Rückwärts- und Seitwärts-beschleunigungen) direkten Einfluss auf den Winkel der Plattform genommen. In dieser Situation kann die angesprochene Schwäche unserer Bewegungswahrnehmung ausge-nutzt und somit eine langanhaltende Beschleunigung simuliert werden.

Tiefpassfilter

Je nachdem in welchem Koordinatensystem die Daten vorliegen, ist eine Koordinatentrans-formation in das Bezugssystem der Plattform notwendig. Diese Umrechnung wird mit einer herkömmlichen Drehmatrize vorgenommen. Zudem sind weitere Komponenten für die Be-schränkung der Eingangs- und Ausgangswerte sowie der Geschwindigkeitsbegrenzung bei der Tilt Coordination notwendig.

Weitere Komponenten

Die vorgestellten Komponenten resultieren in folgendem Gesamtsystem: Abbildung 3: Struktur des Klassischen Washout-Filters (Gesamtsystem)

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3.2 Der Optimale Washout-Filter

Der Optimale Washout-Filter hat eine ähnliche Struktur wie der Klassische Washout-Filter. Er ist «optimal» im Sinne davon, dass die beste Kompromisslösung zwischen einer kleinstmöglichen Auslenkung der Plattform und der Minimierung des Wahrnehmungsfehlers gefunden wird. Dazu wird eine Kostenfunktion 𝐽 aufgestellt, die den Wahrnehmungsfehler 𝑒, die Plattformzustände (Position, Geschwindigkeit, Winkel) 𝑥𝐶 und die Stellgrösse 𝑢𝑆 berücksichtigt.

Der Optimale Washout-Filter

𝐽 = 𝐸 �� 𝑒𝑇𝑄� 𝑒 + 𝑥𝐶𝑇 𝑅�𝐶 𝑥𝐶 + 𝑢𝑆𝑇 𝑅� 𝑢𝑆 𝑑𝑡𝑡1

𝑡0 �

Der Wahrnehmungsfehler 𝑒 = 𝑦𝑆 − 𝑦𝐴 resultiert aus dem was wir auf dem Simulator wahrnehmen und dem was wir in der Realität wahrnehmen würden. Damit kann auch auf die Dynamik des Systems Einfluss genommen werden. Die ersten beiden Terme lassen sich zudem noch zusammenfassen, da der Zusammenhang 𝑦 = 𝐶 ⋅ 𝑥 besteht.

𝐽 = 𝐸 �� 𝑥𝑟𝑒𝑠𝑇 𝑄 𝑥𝑟𝑒𝑠 + 𝑢𝑆𝑇 𝑅 𝑢𝑆 𝑑𝑡𝑡1

𝑡0 �

Die Grundsätzliche Struktur ist in Abbildung 4 dargestellt.

Abbildung 4: Struktur des Gesamtsystems

Der Optimale Washout-Filter besteht aus verschiedenen Teilsystemen, welche jeweils in einer Zustandsraumdarstellung beschrieben werden. Die Teilsysteme sind die Beschreibung unseres Gleichgewichtsinnes 𝑍𝑅𝐷𝑉, des Fehlermodells 𝑍𝑅𝐷𝑒 für den Wahrnehmungsfehler, des Zustandsmodells des Simulators 𝑍𝑅𝐷𝐶 und des Modelles für die Eingangsdaten 𝑤.

Teilsysteme

Mit dem LQR-Algorithmus lässt sich zu dem beschriebenen Gesamtsystem die optimale Rückführverstärkung 𝐾 finden. Das Gesamtsystem wird mit dieser Rückführverstärkung

erweitert und es mit der Übertragungsformel 𝑌(𝑠) = �𝐶 �𝑠𝐼 − 𝐴�−1𝐵 + 𝐷� 𝑈(𝑠) in den

Frequenzbereich transformiert. Resultierend ist eine Matrix 𝑊(𝑠), die ein optimales Mapping von den Eingangsdaten auf die Simulatorposition vornimmt.

Optimale Mappingsfunktion

𝑊(𝑠) = �𝐾1 𝐾2� �𝑠𝐼 − 𝐴𝑉 + 𝐵𝑉𝐾1 𝐵𝑉𝐾2

𝐵𝐶𝐾1 𝑠𝐼 − 𝐴𝐶 + 𝐵𝐶𝐾2�−1

�𝐵𝑉 �𝐼 + 𝐾3�

𝐵𝐶𝐾3� − 𝐾3

= �𝑊11(𝑠) 𝑊12(𝑠)𝑊21(𝑠) 𝑊22(𝑠)�

Das Mapping von den Eingangsdaten vom Flugzeug 𝑢𝐴 auf die Eingangsaten für den Simulator 𝑢𝑆 wird mit einer gewöhnlichen Multiplikation vorgenommen

𝑢𝑆(𝑠) = 𝑊(𝑠) ⋅ 𝑢𝐴(𝑠)

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Resultierend sind somit wiederum gewöhnliche Übertragungsfunktionen, welche in Form eines IIR-Filters implementiert werden können. Die Übertragungsfunktionen haben eine etwas höhere Ordnung als diejenigen des Klassischen Washout-Filters.

Das resultierende Gesamtsystem ist in Abbildung 5 dargestellt. Gesamtsystem

Abbildung 5: Erweitertes Gesamtsystem mit einer Rückführverstärkung

4. Ergebnis

Die beiden Washout-Filter wurden erfolgreich auf der Plattform getestet. Dazu wurde von verschiedenen Testpiloten, darunter auch erfahrenen Piloten, ein Fragebogen mit diversen Kriterien ausgefüllt. Die Tests haben gezeigt, dass die Bewegungen des Simulators mit dem Optimalen Washout-Filter sanfter und deshalb realitätsnäher sind.

Schwierigkeiten gab es bei der Z- und Gier-Komponente. Bei diesen beiden Filtern führte keine Parameterwahl zu einem sinnvollen Design. Schliesslich wurde von diesem Modell abgewichen und eine Struktur eingesetzt, welche aufgrund von Beobachtungen ermittelt wurde. Zudem mussten teils statische Verstärkungen und ein zusätzlicher Hochpassfilter eingesetzt werden, damit sich die Plattform nicht ständig in ihre Limiten bewegt.

Anpassungen

Obwohl das Design etwas anspruchsvoller ist und sich die Parametersuche schwieriger und unklarer gestaltet, lohnt sich der Einsatz des Optimalen Washout-Filters. Eine Vereinfachung zur Findung der Parameter wurde mittels Berechungs – Skripts und einem zusätzlich implementieren GUI ermöglicht. Mit den eingebauten Verstärkungen kann zudem direkten Einfluss auf einen bestimmten Effekt genommen werden.

Empfehlung für die Firma Brunner AG

Zusätzlich wurde ein Skript implementiert, bei dem die Systeme diskretisiert und die Filterkoeffizienten des IIR-Filters berechnet werden. Der Anwender kann somit nur die Parameter einsetzten, die Koeffizienten berechnen lassen und diese dann übernehmen.

Systemunabhängige Implementierungsunter-

stützung

5. Ausblick – Simulator-Plattform und andere Anwendungen

Aufbauend auf dieser Bachelorarbeit wird die Firma BRUNNER einerseits die Bewegungsplattform bis zur Marktreife weiterentwickeln, daneben werden in Zusammenarbeit mit der Hochschule für Technik Rapperswil (HSR) weitere Projekte durchgeführt und so die Motion Plattform weiterentwickelt.

Die entwickelten Motion Algorithmen können neben der Anwendung in Flugsimulatoren grundsätzlich auf beliebigen Plattformen und für unterschiedliche Simulationen eingesetzt werden.

BRUNNER ELEKTRONIK AG Industriestrasse 27

CH-8335 Hittnau

info@brunner-innovation.swiss

6. Literaturverzeichnis

[1] Boeing, «Boeing» Boeing, 25 07 2016. [Online]. Available: http://www.boeing.de/presse/pressemitteilungen/2016/juli/boeing-prognostiziert-15-millionen-piloten-und-technikern.page?. [Zugriff am 02 04 2017].

[2] M. Fischer, Motion-Cueing-Algorithmen für eine realitätsnahe Bewegungssimulation, Braunschweiz: Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt e.V. Institut für Verkehrssystemtechnik, 2009.

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Fachmesse SENSOR+TEST 2017

Attraktives Aktionsprogramm und wissenschaftliche Fachkongresse

Vom 30. Mai bis 1. Juni wird die SENSOR+TEST in Nürnberg einmal mehr zum Nabel der Fachwelt in der Sensorik, Mess- und Prüftechnik. Doch die SENSOR+TEST ist weit mehr als eine Messe: Den Besuchern bieten sich nicht nur an den Messeständen rund 600 erwarteten Aussteller aus aller Welt, sondern darüber hinaus auch im Rahmen der begleitenden Fachkongresse und im attraktiven Aktionsprogramm zahlreiche weitere Möglichkeiten, sich umfassend über den neuesten Stand der Technik zu informieren.

Die wissenschaftlichen AMA Conferences SENSOR und IRS² gelten als internationale Vernetzungsplattform für Experten der Sensorik und Messtechnik aus aller Welt. Spezialisten aus Wissenschaft und Industrie präsentieren aktuelle Forschungs- und Entwicklungergebnisse und laden die Teilnehmer zum fachlichen Austausch ein.

Kostenfreie Fachforen mit hoher Qualität

Daneben präsentieren die Aussteller der SENSOR+TEST 2017 auf den für die Messebe-sucher kostenfrei zugänglichen Fachforen. Das Forum in Halle 5 steht dabei am ersten Messetag im Zeichen des diesjährigen Sonderthemas „Vernetzte Messtechnik für mobile Anwendungen“. Im Rahmen des Forums „Innovative Testing“ am zweiten Messetag stellen Experten aus Industrie und Forschung darüber hinaus besonders innovative Sensortechnologien und Messverfahren der Zukunft vor.

Automotive-Testing live erlebbar

Eine besondere Attraktion bieten traditionell die Live-Präsentationen der Aussteller auf dem Fahrversuchsgelände im Messepark.

Alle aktuellen Informationen zu Aussteller und Programm findet man online auf der Web-seite der SENSOR+TEST. Sichern Sie sich jetzt Ihren kostenfreien Eintrittsgutschein zur Messe unter www.sensor-test.de/gutschein.

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IMEKO Konferenz – 19 to 21 September 2017

Measure today and Create the future with CIM 2017

The CIM 2017, International Metrology Congress, will be held, from 19 to 21 September in Paris (France). The CIM is a unique crossroads between R&D and industrial applications for all actors and all fields: industrial end-users of measurement equipments, technical experts, public and private laboratories, manufacturers and service providers. The Congress allows to:

• improve your measurement, analysis and test processes, whilst reducing any inherent risks,

• explore evolutions in techniques, R&D progress and learn more about practical industrial applications.

The major topics are: metrology 4.0 and factory of the future, new ISO 17 025, metrology for biology, health and pharmaceutics, new developments in energy, nanotechnologies … The CIM 2017 is co-organised with ENOVA Paris, the reference exhibition for technologies in Electronic, IoT, Measurement, Vision and Optic. Programme and more information on www.cim2017.com

IMEKO Konferenz 2017 – Mai 2017

AMA Kongresse SENSOR und IRS² an der SENSORS+TEST 30.5.-1.6.2017 in Nürnberg

© AMA Verband

Die AMA Kongresse gelten als internationale Vernetzungsplattform der Sensorik und Messtechnik. Die zweijährlich stattfinden AMA Kongresse bieten wissenschaftlich hochkarätige Vorträge internationaler und nationaler Spezialisten aus Forschung und Entwicklung. Neueste Forschungsergebnisse aus den einzelnen Disziplinen ermöglichen dem international ausgerichteten Fachpublikum einen intensiven, fachlichen Austausch.

Der IRS² Kongress, geleitet von Professor Gerald Gerlach (TU Dresden), präsentiert das Feld der Infrarotsensoren und -messsysteme. Verbesserte Eigenschaften und kosten-günstigere Herstellung dieser Sensoren ermöglichen neue Anwendungen, z.B. in der Industrieautomatisierung, in der Gebäudetechnik, in Haushaltsgeräten und für sicherheits-relevante Nutzungen.

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Termine – Links IFAC

Infos zu allen Veranstaltungen der IFAC können Sie direkt auf der SGA Webseite entnehmen. Es sind alle IFAC News aufgeschaltet. Sollten Sie die Mails, mit denen wir Ihnen jeweils die IFAC News als PDF weiterleiten nicht mehr griffbereit haben, finden Sie diese auch auf unserer Webseite unter: www.sga-asspa.ch

Termine – IMEKO

Infos und Daten zu allen IMEKO Events entnehmen Sie bitte der IMEKO Webseite Bitte beachten Sie auch die Konferenztermine auf Seite 11.

Messe SENSORS+TEST 2017

Die Messtechnik Messe SENSOR+TEST 2017 findet vom 30.5. bis 1.6.2017 wiederum in Nürnberg statt. Bitte beachten Sie die Infos und den Link für den Download eines Gratis-Eintritts auf Seite 10.

Vorankündigung SGA Generalversammlung – 20.6.2017

20. Juni 2017

Am Nachmittag des 20. Juni 2017 bietet sich anlässlich der SGA Generalversammlung die Möglichkeit bei der SWISS Zürich hinter die Kulissen zu schauen. Besucht werden kann die Abteilung «Operation and Hub Control Center SWISS». Das Operation Control Center ist das Herz des SWISS Betriebes und steuert die weltweiten Swiss-Flüge. Details entnehmen Sie bitte der Einladung, die Ihnen zusammen mit der Jahresrechnung 2017 anfangs Mai und per Mail zugestellt wird.

Administration

Sollten Sie inzwischen eine E-Mail Adresse haben oder hat sich Ihre E-Mail Adresse geändert, so sind wir Ihnen dankbar, wenn Sie uns dies mitteilen. Auch bei Adressänderungen bitten wir Sie um eine kurze Info – Besten Dank im Voraus!

Impressum Herausgeber

Schweizerische Gesellschaft für Automatik Association Suisse pour l´Automatique Swiss Society for Automatic Control

Adresse SGA Sekretariat Christl Vogel Eggwilstr. 16a CH.9552 Bronschhofen Tel. 076 215 67 57 sekretariat@sga-asspa.ch

Das Bulletin erscheint dreimal jährlich und wird den Mitgliedern per E-Mail zugestellt. Es ist für PDF und Bildschirm optimiert. Die gedruckte Version erscheint daher nicht im doppelseitigen Layout.

Redaktion SGA Dr. Peter Gruber sensors.ch Peter Kirchhofer

Gestaltung SGA Sekretariat Christl Vogel

Auflage 150 Exemplare SGA + 150 Exemplare sensors.ch

Redaktionsschluss für Bulletin Nr. 77 – August 2017

sensors.ch c/o FSRM, Ruelle Du Peyrou 4, CH-2001 Neuchâtel Tel. +41 (0)32 720 09 00, Fax +41 (0)32 720 09 90 www.sensors.ch

sensors.chfeeling the world

sensors.ch – Besuch 30. Januar 2017 POSALUX SA, Biel/Bienne

Posalux entwickelt, fertigt und verkauft High-tech Werkzeugmaschinen zum Bohren und Mikro-Fräsen, zur Elektro-Erosion, zur elektrochemischen Glasbearbeitung und zur Laser-Bearbeitung mit ultrakurzen Impulsen.

Autor: Peter Kirchhofer Tel. 061 281 19 45 (privat) peter.kirchhofer@alumni.ethz.ch

Das Unternehmen wurde 1943 gegründet und baute ursprünglich Einrichtungen für das Auftragen von Radium-Leuchtfarbe auf Uhren-Zifferblätter. Der Name «Posalux» weist auf dieses ursprüngliche Geschäftsfeld hin: Posa d.h. Platzieren und Lux d.h. Licht. 1961 wurde die erste Print-Bohrmaschine gebaut. In den Neunziger Jahren folgten Bohrmaschinen für Diesel-Einspritzdüsen, und 2010 dann der LASER Micro Jet für Benzin-Einspritzdüsen.

Heute beschäftigt Posalux 110 Mitarbeitende in der Schweiz. Hier erfolgt die Entwicklung und der Zusammenbau der i.d.R. kundenspezifischen Werkzeugmaschinen. Die Entwicklung findet in Kooperation mit verschiedenen nationalen und internationalen Hochschulen und Institutionen statt, teilweise auch als Projekt mit der Unterstützung durch die schweizerische Kommission für Technologie und Innovation KTI. Die verschiedenen zusammengebauten Komponenten einer Werkzeugmaschine werden von externen Firmen zugekauft.

Abb. 1: Mikro-Bohren und -Fräsen in Metallen oder Kunststoffen © Posalux

Das Technologie-Portfolio der Posalux umfasst folgende Technologien:

• Micro-Drilling, Mikro-Bohren in Metallen oder Kunststoffen, für grosse Stück-zahlen, bis zu 500 Bohrungen pro Minute, luftgelagerte Bohrspindel mit 200'000 Umdrehungen/Minute oder mit Kugellager mit 60'000 U/Min. Die 240 Bohrungen in einer Uhrenplaquette erfordern bloss 225 Sekunden. Bei gleichzeitigem Bohren eines Pakets von 4 Plaquetten ist die Genauigkeit in der untersten Plaquette immer noch 25 μm.

• Micro-Milling, Mikro-Fräsen und Senk-Bohrungen in z.B. gehärtetem Stahl oder Titan für Einspritzdüsen mit einer Bearbeitungszeit von 12 s pro Düse. Die Stand-zeit der Mikro-Fräse beträgt einen Tag und reicht dabei für die Bearbeitung einer Losgrösse von 5'000 Stück.

• Micro-Erosion, für grosse Stückzahlen, basierend auf dem Prinzip der Elektro-Erosion (englisch: Electrical Discharge Machining, EDM). Dabei wird durch eine Folge von Funken zwischen dem Erodier-Draht (mit einem Durchmesser von bis zu 35 μm herunter) im Werkzeug und dem metallenen Werkstück dieses erodiert. So ist auch die Herstellung von abgestuften oder rechteckigen Bohrungen möglich.

• Spark Assisted Chemical Engraving, SACE, für kleine und grosse Stückzahlen,

ähnlich dem Prinzip der Elektro-Erosion, aber an nichtleitendem Werkstück (z.B. aus Glas, Si, SiO2, Email...) welches in einem Elektrolyt-Bad (30 prozentige KOH - Lösung) eingetaucht ist. Die Funken im Elektrolyten zwischen der Erodier-Elektrode und dem Werkstück bewirken lokal einen chemischen Aetzvorgang.

Abb. 2: Gefräste und Micro-Erodierte Bohrung © Posalux

• FEMTO-LASER mit extrem kurzen LASER-Impulsen < 300 Femtosekunden zum Bohren, Schneiden und Gravieren, für grosse Stückzahlen. Die kurzen Impuls-zeiten erlauben das Bearbeiten von unter mechanischer Spannung stehenden Werkstücken, ohne Wärmetransfer und ohne dass Risse, thermisch induzierte Materialveränderungen oder geschmolzene Ränder entstehen. Diese Technologie erlaubt das Gravieren und Texturieren von Oberflächen, aber auch z.B. die Herstellung quadratischer Bohrlöcher, und die Genauigkeit der Bearbeitung liegt bei 1 μm. Die LASER-Impulsparameter (Lichtwellenlänge, Puls-Dauer, Puls-Wiederholfrequenz, Burst-Dauer und Puls-Energie) können je nach Aufgaben-stellung und Material optimiert werden. Bei der Bearbeitung von Gold anfallender Staub resp. Dampf wird aus der Abluft der Bearbeitungszone rekuperiert.

Abb. 3: Print mit Bohrung und gefrästen leiterbahn-Konturen © Posalux

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Diese Technologien decken hauptsächlich Bedürfnisse in den vier folgenden Märkten ab: Automobilbau, Medizintechnik, Elektronik und Uhrenindustrie. Die mit Kunden aus dem Bereich der Massenfertigung gewonnenen Erfahrungen kommen dann auch anderen Posalux-Kunden zugute.

Der Rundgang durch das Unternehmen zeigte verschiedene «Baustellen», da zur Zeit manches für das «Lean Manufacturing» angepasst wird. Beeindruckend war, dass viele Maschinen ein massives Fundament aus Granit oder Beton haben, um die Präzision der Werkstückbearbeitung zu gewährleisten. Zudem sind die Maschinen für den Einsatz bei kleineren Losgrössen mit mobilen Lagersystemen ausgerüstet, welche das Handling, das Beschicken der Maschine und das geordnete Ablegen der bearbeiteten Werkstücke besorgen.

Abb. 4: Laserbohrung in Keramik © Posalux

In der Metrologie-Abteilung stehen verschiedene Messeinrichtungen zur Überprüfung der Werkzeugmaschinen-Genauigkeit: ein grösseres und ein kleineres Koordinaten-Messsystem, Zylinder-Messsystem, Mess- und Inspektionseinrichtungen für die Bohr-Innengeometrie und für die Oberflächenstruktur, basierend auf optischen und Rasterelektronen-Mikroskopen (Scanning Electron Microscope, SEM). Solche Messeinrichtungen sind je nach Anforderungen des Kunden auch integraler Bestandteil der verschiedenen Werkzeugmaschinen.

Zu den verschiedenen Fertigungs-Technologien stehen für Demonstration und Testläufe bei Posalux die betreffenden Bearbeitungsmaschinen für Klein- und Gross-Serien zur Verfügung. Wir konnten diese Maschinen in Betrieb und bei der Produktion verschiedener Musterteile beobachten.

Firmen-Web-Site: www.prosalux.ch

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sensors.ch – Besuch 11. April 2017 MAXON MOTOR, Sachseln, OW

MAXON MOTOR entwickelt, fertigt und verkauft qualitativ hochstehende, bürstenbehaftete und bürstenlose Gleichstrommotoren für die Industrieautomation, Robotik, Medizin-, Mess- und Prüftechnik sowie für die Luft- und Raumfahrt. Die Produktpalette umfasst auch dazu passende Getriebe, Spindelantriebe, Planetengetriebe, Encoder, Servoantriebe und Steue-rungen. Um in den genannten Märkten ganz vorne zu bleiben, investiert MAXON MOTOR jährlich 8 Prozent des Umsatzes (2015 über 400 Millionen Franken) in Forschung und Ent-wicklung. Weltweit beschäftigt das Unternehmen über 2'200 Mitarbeiter an drei Produktions-standorten in der Schweiz, in Deutschland und in Ungarn, allein am Hauptsitz in Sachseln mehr als 1'100 Personen. Die Firma ist weltweit in 40 Ländern mit Vertriebsgesellschaften präsent und produziert jährlich 5 Mio Antriebseinheiten mit etwa 12'000 Varianten.

Autor: Peter Kirchhofer Tel. 061 281 19 45 (privat) peter.kirchhofer@alumni.ethz.ch

Unter dem Namen Interelectric Sachseln AG wurde das Unternehmen Ende 1961 gegrün-det und befindet sich immer noch in Familienbesitz. 1968-1969 wurde das Maxon-Kleinst-motoren-Programm mit eisenlosen Rotoren entwickelt und dessen rautenförmige Wicklung sowie die dazugehörige Wickeltechnik patentiert. Die Forschung und Entwicklung umfasst etwa 200 Mitarbeitende und kooperiert weltweit mit Hochschulen und Universitäten. Die wichtigsten produzierten Komponenten werden heute auf selber entwickelten Maschinen und Einrichtungen gefertigt.

MAXON erachtet die nachfolgend aufgeführten Kernkompetenzen als seine hauptsäch-lichen Erfolgsfaktoren:

• Fünf verschiedene Wickeltechnologien • Getriebe-Engineering • Encoder-Technologie • Elektronik • Spritzgusstechnik für Kunststoffe, Keramik- und Metall-Pulver • Installations- und Automatisierungstechnik • Entwicklung und Projektmanagement • Qualitätsmanagement (Industrie-, Medizin- und Automobil-Technik)

Die neueste Sensor-Technologie wurde uns anhand des ENX-Encoders vorgestellt. Die vom Encoder standardmässig erzeugten Quadratur-Signale erlauben einerseits die Detektion der Drehrichtung, andrerseits die Erzeugung von bis zu 4'096 Impulsen pro Umdrehung. Als Sensorelemente kommen magnetische (Hall) und optisch-reflektive Systeme zur Anwendung.

Seit 2012 verfügt MAXON MOTOR über ein durchdachtes, modulares Antriebsdesign. Dieses erlaubt die online-Auswahl von kundenspezifischen Varianten und deren Lieferung innerhalb von 11 Arbeitstagen. Die elektrischen Daten des Motors können aus einer Liste selektiert werden, die geometrischen Daten werden vom Besteller konfiguriert. Basierend auf diesen Angaben werden die benötigten Herstell-Unterlagen und das Kunden-Datenblatt automatisch erzeugt. Solchermassen ist die Produktion von bis zu 2'300 Komponenten pro Tag möglich. Anlässlich der Vorstellung des Unternehmens wurde life die MAXON MOTOR - online - Konfigurationsmethode vorgestellt und dabei ein Muster-Motor spezifiziert, dessen Herstellung gleich beim anschliessenden Rundgang im Unternehmen an den verschiedenen Produktionsstellen beobachtet werden konnte, vom Erfassen der Bestellung bis zum fertigen Endprodukt.

Auf dem Rundgang konnten wir einerseits immer wieder die teilweise hohe Fertigungstiefe beobachten, andrerseits konnten wir verschiedene Fertigungs-Schritte beim eben spezifizierten Antriebsmotor verfolgen. Diese Fertigungs-Schritte erfolgen notabene auf denselben Maschinen und es sind die gleichen Prozeduren bei der Einzelfertigung wie bei der Gross-Serienfertigung.

Rotor- und Statorfertigung

Der Kollektorkörper wird auf die Motorwelle aufgespritzt und anschliessend mit eingelegten Kontaktlamellen bestückt, teilweise in Handarbeit, teilweise aber auch vollautomatisiert. Auf andern Spritzgussautomaten werden Statoren mit eingespritztem Zylindermagnet gefertigt. Diese werden später im zusammengebauten Motor vom Rotor in Form eines Glockenankers umhüllt.

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Wicklerei

Die speziellen Maxon-Wicklungen in Form einer freitragenden Glocke werden mit den passenden Kommutatoren zusammengebaut, die Anschlussdrähte mit den Kommutatorlamellen verschweisst, die Glockenwicklung mit dem Kollektorkörper verklebt und durch Auftragen eines Lacktröpfchens an der richtigen Stelle dynamisch ausgewuchtet.

Motormontage

Die verschiedenen Motorkomponenten, die unterschiedlichen Wellen-Lager (Kugel-Lager, Sinter-Lager), der Anschlussdeckel mit den Steck-Kontakten oder Anschluss-Kabeln und der Anbauflansch werden je nach Spezifikationen zusammengefügt und dabei die Position der Bürsten so eingestellt, dass die gewünschte Drehrichtung des Motors resultiert. Dann werden am laufenden Motor die Spannungen und Ströme oszillographiert und das Laufgeräusch kontrolliert. Ganz zum Schluss wird das Motorgehäuse mit Laser beschriftet: Produktions-ID, Serien-Nummer und kundenspezifische Beschriftung und Code

Firmen-Web-Site: www.maxonmotor.com

Bild 1 und 2: Die Besucher mit Schutzkleidung © Ph. Fischer

Bild Nr. 3: Glockenanker-Wicklung © MAXON MOTOR

Bild Nr. 4: der anlässlich des Besuchs spezifizierte und gefertigte Muster-Motor «sensors.ch» © Ph. Fischer

Kommende Veranstaltungen

13. Juni 2017 sensors.ch Generalversammlung bei Omega SA,

Uhrenfabrikation, Biel mit anschliessendem Besuch des Unternehmens

13. Sept. 2017 Balluff AG, Sensortechnik, Bellmund

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