Elektromechanische Konstruktionen

PEM III - Analyse von Schärfemaßen

Mitarbeiter:

• Holger Müller
  Schloßgartenstr. 1
  64289 Darmstadt
  Tel.: 06151/783168 Q
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• Georgia Lazaridou
  An der Niederhölle 1
  65451 Kelsterbach
  Tel.: 06107/3868
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• Matthias Hammerschick
  Adelungstr. 33
  64283 Darmstadt
  Tel.: 06151/295508 Q
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• Hendrik Schäfer

Betreuer:

Hinweis: Die Adressen, Telefonnummern und Emailadressen stimmen nicht mehr. Dieser alte Stand soll aber zu Dokumentationszwecken weiter so geführt werden.

Arbeitsgebiet: Analyse von Schärfemaßen

Aufgabenstellung:

Zentraler Bestandteil von Depth from Focus (DFF) Verfahren, die Tiefeninformation aus Kamerabildern aufgrund der Bildschärfe rekonstruieren, ist das verwendete Schärfemaß. Gegenstand dieses PEMs ist die experimentelle Untersuchung verschiedener bekannter Schärfemaße hinsichtlich ihrer Tiefenauflösung und lateralen Auflösung sowie ihrer Empfindlichkeit gegen Rauschen und Bewegungen im Bild. Ziel ist Auswahl eines für die Beobachtung von Mikromontageprozessen optimalen Schärfemaßes. Die Programmierung und Erprobung der Schärfemaße soll mit dem unixbasierten Bildverarbeitungssystem KHOROS erfolgen.

Einleitung:

Die Ergebnisse dieser Arbeit sollen den Betrieb eines Roboters für die Mikromontage ermöglichen. Bei der Aufnahme eines Bildes geht die Tiefeninformation verloren. Diese gilt es zurückzugewinnen, da für den Bediener der Abstand zwischen dem zu bearbeitenden Objekt und dem Greifarm des Roboters eine sehr wichtige Information ist. Mit Hilfe des Schärfemaßes kann die Tiefeninformation aus der Bildschärfe von Kamerabildern rekonstruiert werden. Die experimentelle Untersuchung soll mit bekannten Schärfemaßen durchgeführt werden, die aus der Literatur entnommen und nach bestimmten Kriterien bewertet werden. Dabei soll besonders der Einsatz in Mikromontageprozessen berücksichtigt werden.

Die Auswertung und die graphische Darstellung wird mit Hilfe von Khoros und Cantata durchgeführt. Die Berechnungen finden in Khoros mit Hilfe von eingebundenen C-Programmen statt, Cantata ist lediglich die Benutzeroberfläche.

Zusammenfassung:

Ziel dieses Projektseminars war es, schon bekannte Schärfemaße hinsichtlich ihrer Verwendbarkeit an dem im Institut vorhandenen Montagearbeitsplatz zur Mikrosystemmontage zu untersuchen. Dabei sollte am Ende des Projekts keine Aussage darüber getroffen werden können, welches Schärfemaß für diesen Anwendungsfall besonders geeignet ist. Vielmehr sollte ein allgemeiner Katalog erstellt werden, dem entnommen werden kann, welches Schärfemaß für welche Anwendung besonders geeinet ist.

Durch die Sichtung entsprechender Fachliteratur wurden verschiedene Schärfemaße gefunden, die auf verschiedenen Ansätzen beruhten. Zu einer entsprechenden Analyse mußten diese Schärfemaße in Form von Algorithmen in ein Rechnersystem überführt werden. Das dabei verwendete Programmpaket Khoros/Cantata erwieß sich im praktischen Betrieb auf Grund seiner Komplexität und Mächtigkeit als viel zu langsam. Deshalb mußten die verwendeten Algorithmen in Form von C-Code in das Programmsystem eingebunden werden.

Um einen allgemeinen Katalog zu erstellen, mußten als erstes Kriterien gefunden werden, mit deren Hilfe man Schärfemaße charakterisieren kann. Durch die Literaturrecherche ergaben sich als Charakteristika die Tiefenauflösung, d.h. die Auflösung in der Messrichtung, die laterale Auflösung, d.h. wie kleine Details von den Schärfemaßen noch erkannt werden können, sowie die Empfindlichkeit gegenüber Rauschen und Bewegung im Bild.

Zur eigentlichen Analyse war es nun notwendig, geeignete Testbilder zu erstellen, die es ermöglichen, die obengenannten Kriterien möglichst unabhängig voneinander zu untersuchen. Problematisch war dabei, die einzelnen Kriterien wirklich voneinander zu trennen, was sich sehr leicht nachvollziehen läßt, wenn man an das Rauschen denkt. Trotzdem ist es gelungen, für jedes der vier Kriterien eine Sequenz von Testbildern aufzunehmen, mit deren Hilfe man die einzelnen Charakteristika mehr oder weniger getrennt voneinander untersuchen kann. Dazu wurde mit jedem Schärfemaß für jede Bildsequenz eine Berechnung durchgeführt, wobei der Bildausschnitt variabel war. Die anschließende Auswertung sollte so erfolgen, das die angefallene nicht unerhebliche Datenmenge graphisch sichtbar gemacht wird. Dazu mußten für die einzelnene Kriterien aussagekräftige Maßzahlen gebildet werden.

Mit Hilfe dieser Maßzahlen und ihrer graphischen Darstellung kann nun für einen bestimmten Anwendungsfall herausgefunden werden, welches Schärfemaß man nach Abwägen der erforderlichen Eigenschaften verwenden kann.

Elektromechanische Konstruktionen

PEM I - Gleichstrommotor mit mechanischer Kommutierung

Mitarbeiter:

• Matthias Hammerschick
  Adelungstr. 33
  64283 Darmstadt
  Tel.: 06151/295508 Q
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• Christian Hoffmann

• Markus Jungmann

• Holger Müller
  Schloßgartenstr. 1
  64289 Darmstadt
  Tel.: 06151/783168 Q
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Betreuer:

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Arbeitsgebiet: Gleichstrommotor mit mechanischer Kommutierung

Einleitung:

Gleichstrommotoren, die im Modellbaubereich eingesetzt werden, wurden in der Vergangenheit häufig auf Erfahrungswerten basierend konstruiert. Um einen Motor mit idealisierten Eigenschaften bauen zu können, ist es jedoch nötig, diesen analytisch zu betrachten.

Zunächst müssen die Funktionsweise, der Aufbau und die verwendeten Materialien festgestellt werden, um Aufschluß über mögliche, zu untersuchende Fehler- und Verlustquellen zu erhalten. Diese sollen klassifiziert und in Form von Konstanten, Diagrammen und Tabellen protokolliert werden. Das magnetische Feld soll mit einem Feldsimulationsprogramm untersucht werden.

Schließlich sollen Verbesserungsmöglichkeiten aufgezeigt werden. Auf die Konstruktion eines verbesserten Prototyps soll hier verzichtet werden, da dies den Rahmen des Projektseminars sprengen würde.

Zusammenfassung:

Dieses Projektseminar diente zur Analyse eines permanent erregten Gleichstrommotors vom Typ KYOSHO "Le Mans 240S". Dieser Motor ist für den Einsatz im Modellbaubereich bei hohen Drehzahlen und einer Betriebsspannung von 5 bis 8,4V konstruiert.

Ziel der Untersuchungen war es, den Wirkungsgrad zu ermitteln und ggf. zu verbessern. Da der Wirkungsgrad durch die Verluste verschlechtert wird, war es ein wesentlicher Teil der Aufgabenstellung, eine detaillierte Beschreibung für die verschiedenen Verlustmechanismen zu erhalten. Die gewonnenen Erkenntnisse sollten als Grundlage für eine Verbesserung oder Neukonstruktion zur Verfügung stehen. Hier wurde großer Wert auf die theoretische Analyse mit den Methoden der numerischen Feldberechnung gelegt.

Im erstellten Programmpaket wurden Variationsmöglichkeiten geschaffen, um auf der Basis der einmal eingegebenen Motordaten konstruktive Veränderungen vornehmen zu können und dann deren Wirkung zu bestimmen. Auf diese Weise müssen keine Prototypen gebaut werden, was gerade den Zeit- und Kostenvorteil einer Simulation ausmacht.

Elektromechanische Konstruktionen

PEM IV - Filterpositionierung für die Prozeßphotometrie

Mitarbeiter:

• Beuss, Jochen
  Tel.: 06150/84085

• Drexler, Thomas
  Tel.: 06150/17280
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• Elvert, Jürgen
  Tel.: 069/581798

• Holger Müller
  Schloßgartenstr. 1
  64289 Darmstadt
  Tel.: 06151/783168 Q
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Betreuer:

Hinweis: Die Adressen, Telefonnummern und Emailadressen stimmen nicht mehr. Dieser alte Stand soll aber zu Dokumentationszwecken weiter so geführt werden.

Arbeitsgebiet: Filterpositionierung für die Prozeßphotometrie

Allgemeines:

Zur Konzentrationsbestimmung von Gasen oder Flüssigkeiten in Prozeßströmen werden häufig sogenannte Prozeßphotometer eingesetzt. Diese Photometer arbeiten z.B. nach dem Verfahren der Gasfilterkorrelation oder des Wellenlängenvergleichs. Ein solches Photometer besteht aus einer Strahlungsquelle, einer Selektivierungseinheit, einer Meßküvette und einem Strahlungsempfänger. In der Selektivierungseinheit sind die zu positionierenden Filter enthalten.

Aufgabenstellung:

Im Rahmen der Neuentwicklung eines Prozeßphotometers ist das mechanische und elektronische Lösungskonzept des Filterrad-Antriebes für die Selektivierungseinheit zu erstellen. Das gefundene Konzept soll anhand eines Prototyps verifiziert und erprobt werden. Der Prototyp soll mechanisch und elektonisch optimal an die vorgegebenen Anforderungen angepaßt sein. Die wesentliche Funktion des Filterradantriebes besteht in dem schrittweisen Einschwenken des jeweiligen Filters in den optischen Strahlengang. Wesentlich ist hierbei eine möglichst kurze Transferzeit zwischen den einzelnen Positionen. Neben den mechanischen Randdaten ist ein bestimmter Rahmen für die Herstellungskosten zu berücksichtigen.

Pflichtenheft:

Das Pflichtenheft gliedert sich in die folgenden Forderungen (F) und Wünsche (W).

Grey-Box:

Aus der Aufgabenstellung und dem Pflichtenheft ist die folgende Grey-Box entstanden.

Bild 1: Greybox

Einbau der Filter:

Um die minimalen Abmessungen für die Filter und die daraus u.a. resultierende Filterradgröße zu ermitteln, wurde der folgende (vorgegebene) Strahlengang verwendet:

Bild 2: Strahlenkegel mit eingebauten Filtern

Dabei wurden die Interferenzfilter so weit wie möglich an die Lichtquelle positioniert, da deren Preis quadratisch mit dem Radius steigt. Die Filter müssen nur in der Größe des Lichtkegels gefertigt werden und mit einem entsprechenden Rahmen auf die vorgegebene Größe des Filterrades gebraucht werden. Es wird auch deutlich, daß die gewünschte max. Dicke der Gasfilter bei der geplanten Filterraddicke von 1,5 mm nicht ganz erreicht wird. Aus der Zeichnung kann durch einen einfachen Strahlensatz der Interferenzfilterdurchmesser von 10,9 mm und der Gasfilterdurchmesser von 18,7 mm berechnet werden. Dazu muß noch die Toleranz der Positionierung ergänzt werden, die durch das Pflichtenheft nach oben mit ±1% begrenzt ist. Es ergibt sich also für das Filterrad eine lichte Weite von 21,2 mm.

Aufbau des Filterrades:

Das Filterrad ist fertig konstruiert und gezeichnet (s.u.). Leider kann die CNC-Fertigung bzw. Dateneingabe nicht durch unsere Werkstatt erfolgen, da diese zur Zeit mit einem anderen Projekt völlig ausgelastet ist. Wir werden also versuchen, die Dateneingabe selbst durchzuführen. Zu Testzwecken werden wir ein einfaches Rad mit dem gleichen Massenträgheitsmoment wie das vollständig bestückte Filterrad herstellen.

Bild 3: Filterrad

Mein derzeitiges Tätigkeitsfeld:

Derzeit beschäftige ich mich mit der Programmierung der Micro-Controllers SAB80c166. Da bisher noch kein Motor endgültig ausgewählt und bestellt wurde, wird zu Testzwecken der im Institut der EMK entwickelte SR (Switched Reluctance) Motor verwendet. Für den 80c166 und den SR-Motor existierte bereits ein lauffähiges Programm, welches den Motor aber nur konstant in eine Richtung (links) drehen läßt. Durch die Implementierung eines entstrechenden Bestromungalgorithmus kann der Motor nun auch rechts drehen. Um den Motor zwischen zwei Positionen verfahren zu lassen muß ein 3-stufiger Kaskadenreger eingebaut werden. Dieser Überwacht die Position des Rotors und stellt entsprechend der Winkeldifferenz eine Sollgeschwindigkeit ein. In Abhänigkeit von der Istgeschwindigkeit gibt der Geschwindigkeitsregler dem Momentenregler ein Moment bzw. Strom vor. Die Momentenregelung geschieht mittels Puls-Weiten-Modulaton (PWM) und Messung des Stroms über einen Shunt-Winderstand mit anschliessender A/D-Wandelung durch den Microcontroller. Folgende Abbildung soll dieses Prinzip nochmals verdeutlichen:

Bild 4: Kaskadenregler

Zeitplan:

Bild 5: Zeitplan

Verweise:

FAQ über den Micro-Contoller SAB80c166
STMicroelectronics (u.a. Dokumentation zum SAB80c166)