Physik  |  Technik

 

Sascha Röthlisberger, 2003 | Biberist, SO

 

Nivelliersysteme werden meist für eines der beiden Extreme konzipiert: Entweder für völlige Flexibilität oder für hohe Präzision. Das Automatisierte Nivelliersystem (ANI) bietet eine präzise und modulare Lösung zwischen diesen Extremen.
ANI kann verschiedene Plattformen exakt und reproduzierbar nivellieren. Bestehende Plattformen können mit geringem Aufwand angepasst werden.
Das Anbringen an einer Testplattform ist einfach und der Nivellierungsprozess wird durch einen einzigen Knopfdruck gestartet.
Das System kombiniert einen Neigungssensor, zwei Aktoren und Steuerelektronik. Eine integrierte Regelung verarbeitet die Messdaten, berechnet die notwendigen Korrekturen und steuert die Motoren an, bis die gewünschte Neigung von 0° erreicht ist.
In einem iterativen Entwicklungsprozess konnten alle Systemkomponenten realisiert und erfolgreich getestet werden. Momentan wird der Nivelliervorgang innerhalb von rund 45 Sekunden mit einer Reproduzierbarkeit von weniger als 60 Bogensekunden (rund 0.016°) ausgeführt.

Fragestellung

Während der Entwicklung standen folgende Punkte im Fokus: praktischer und modularer Aufbau, präzise Messung der Inklination, eine einfache Bedienung und die zuverlässige, automatisierte Nivellierung selbst.
Die folgenden Fragestellungen wurden im Nachhinein für die Wettbewerbsarbeit verfasst:
– Wie kann ein modulares Nivelliersystem konstruiert werden, das sich flexibel an unterschiedliche Plattformen anpassen lässt?
– Wie lässt sich die automatische Nivellierung softwareseitig realisieren?
– Welche Anpassungen der Mechanik, Elektronik und Software erhöhen Stabilität, Präzision und Bedienbarkeit des Systems?

Methodik

Das ANI wurde weitgehend selbstständig konzipiert, realisiert und getestet.
Zu Beginn wurden Konzepte und Ideen in Skizzen festgehalten. Es folgte die Entwicklung eines elektronischen Systems inklusive Sensorik, Aktorik und Steuerung. Leiterplatten und Schaltpläne wurden mit KiCAD erstellt und selbst gelötet. Es entstanden frühzeitig erste mechanische Modelle, um die Kompatibilität zwischen Elektronik und Mechanik sicherzustellen. Teile wurden sowohl in der Werkstatt gefertigt als auch im Harzdrucker ausgedruckt. Der Algorithmus und Quellcode wurden für einen Arduino-Mikrocontroller entwickelt. Ideen wurden kontinuierlich weiterentwickelt.

Ergebnisse

Eine vorläufige Datenauswertung ergab, dass die Messwerte im Bereich von ±7 Bogensekunden fluktuieren. Dieser Wert liegt nahe an der Auflösung der Referenz, sowie an der maximalen Auflösung des Sensors, die beide 0.001 Grad aufweisen.
Durch die Aufwärmkurve und Temperatureffekte des Sensors wird der Wert von ±7 Bogensekunden in der Praxis nicht erreicht. Dazu beeinflussen mechanische Faktoren die Nivellierung zusätzlich. Das System nivelliert Plattformen in rund 45 bis 90 Sekunden auf eine Wiederholgenauigkeit innerhalb von 60 Bogensekunden (0.29 mm/m).

Diskussion

Es wird nun ein dedizierter 24-Bit-ADC verwendet, dadurch ist die Auswertung der Sensordaten in voller Auflösung möglich. Der Einsatz modernerer Schrittmotortreiber führt zu präziseren und ruhigeren Bewegungen der Motoren.
Weiterhin bestehen einige Probleme. Werden beide Motoren manuell gleichzeitig angesteuert, kann das System einen Fehler aufweisen, sodass ein Neustart erforderlich ist.
Das Eigengewicht der Sensoreinheit und der Motoren wird aktuell nicht berücksichtigt und die Plattform selbst bringt weitere mechanische Unsicherheiten mit sich. Die Kompensationsstufen müssen neu kalibriert werden. Aktuell besteht durch die Integration der Aufwärmkompensation keine sichtbare Verbesserung der Werte.

Schlussfolgerungen

Das modulare Designkonzept und der bedienerfreundliche Aufbau erweisen sich als geeignet. Durch die experimentelle Vorgehensweise konnten technische Grenzen effektiv ausfindig gemacht werden und Lösungsansätze wurden unmittelbar umgesetzt.
Das Messsystem wurde im zweiten Prototyp grundlegend neugestaltet und ermöglicht saubere analoge Messungen. Die erzielte Wiederholgenauigkeit befindet sich bereits im für die Anwendung relevanten Bereich.
Das grösste verbliebende Problem liegt in der Instabilität des Sensors. Die Kompensation erzielt noch nicht die gewünschte Verbesserung der Werte.
Um Schlüsse über die Benutzbarkeit zu ziehen, muss das Gerät im Alltag zum Einsatz kommen. Anhand des Feedbacks wird dann entschieden, ob das Gerät bereits den Erwartungen entspricht, oder ob weitere Verbesserungen nötig sind.

 

 

Würdigung durch den Experten

Prof. Dr. Albert Loichinger

Mit dieser Arbeit wird ein selbst entwickeltes System vorgestellt, mit dem in einer Versuchsumgebung eine Ebene sehr genau ausgerichtet werden kann. Der Einsatz von fortgeschrittenen Sensoren und auch einfachen mechanischen Elementen hat ein anwendungsnahes und nützliches Gerät hervorgebracht, welches nun eingesetzt wird. Herr Röthlisberger zeigt mit dieser Arbeit, dass er Mechanik und Mechatronik sowie ein nützliches User Interface selbst entwickeln und umsetzen kann. Personen, die das System nun nutzen, nehmen einen einfachen und schnellen Ablauf der Nivellieraufgabe wahr.

Prädikat:

Silber

Sonderpreis «MILSET Expo-Sciences Europe (ESE)», gestiftet von der Metrohm Stiftung

 

 

 

Universität Bern
Berufsbildner: Dr. Jonas Beck