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Institut für Automatisierungstechnik |
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Systementwurf MECHATRONIKUntersuchungen zur elektrischen Dämpfung von quasistatischen Mikroscanner zur Erhöhung der Dynamik und Positioniergenauigkeit zur hochdynamischen und präzisen Strahlpositionierung(Diplomarbeit) Das Fraunhofer Institut für Photonische Mikrosysteme Dresden entwickelt innovative optische Mikrosysteme basierend auf Technologien der Mikrosystemtechnik und fertigt diese im eigenen Reinraum. Die Fraunhofer-Gesellschaft ist mit 60 Instituten, rund 13.000 Beschäftigten sowie einem jährlichen Forschungsvolumen von mehr als einer Milliarde Euro eine der führenden Organisationen für angewandte Forschung in Europa. Der Schwerpunkt der Entwicklungsarbeiten am Fraunhofer IPMS im Bereich AMS (Aktive Mikrooptische Komponenten und Systeme) umfaßt den Entwurf, die Fertigung, Charakterisierung und Systemintegration von neuartigen anwendungsspezifischen mikro-opto-elektro-mechanischen (MOEMS) Bauelementen, wie z.B. resonante und quasistatische Mikroscanner zur ein- oder zweidimensionalen Lichtablenkung bzw. zur optischen Weglängenmodulation oder durchstimmbaren Fabry-Perot-Filtern, wie sie in vielfältigen Einsatzgebieten wie z.B. miniaturisierten Laserprojektionssystemen, 3D-Laserkameras oder Spektrometern zur Anwendung kommen. Aktuelle Arbeiten am Fraunhofer IPMS fokussieren sich auf die Entwicklung von quasistatischen Mikroscanner, die aufgrund ihres neuartigen Antriebskonzeptes mit vertikalen Kammantrieben werden im Vergleich zum Stand der Technik größere statische Ablenkwinkel und eine dynamische nicht resonante Strahlführung ermöglicht. Für eine Vielzahl von Anwendungen wird eine präzise dynamische Ablenkung von Licht unter Einhaltung bestimmter Bewegungsrandbedingungen benötigt werden. So kann es erforderlich sein, ein Lichtbündel mit konstanter Geschwindigkeit streifend über ein Zielgebiet zu führen, die Geschwindigkeit des Scanvorgangs dynamisch anzupassen oder schnell und präzise zwischen Zielpositionen hin und her zu schalten, wie dies mit resonant betriebene MEMS-Scanner nicht möglich ist. Jedoch werden die aufgrund der geringen Massenträgheit der bewegten Spiegelplatte prinzipiell möglichen hohen Scanfrequenzen bzw. Positionierzeiten, heute für quasistatisch angetriebene Mikromechanische Scanner nur unzureichend erzielt. Dies wird insbesondere durch die für die MEMS-Bauelemente typische geringe Dämpfung verursacht, die in einem starkem Überschwingen des Mikrospiegels um die adressierte Sollposition resultiert. Dies kann aufgrund der vergleichsweise geringen elektrostatischen Antriebsmomente nur teilweise kompensiert werden, da sich durch optische Randbedingungen (z.B. Auflösung) definierte Werte für Ablenkwinkel und Spiegelgröße nur geringe Federsteifigkeiten realisieren lassen. Um dennoch mit einem schwach gedämpften quasistatischen Mikroscannerspiegel eine schnelle und präzise Strahlpositionierung zu ermöglichen, bedarf es einer dynamischen Antriebsregelung bei der die Spiegelpositionierung allein mittels des elektrostatischen Antriebs durch dynamisches Beschleunigen und Abbremsen erfolgt. Hierzu ist die Entwicklung geeigneter Algorithmen zur hochdynamischen Antriebsregelung erforderlich, welche die Spezifika der Mikroaktoren und insbesondere deren Nichtlinearitäten berücksichtigt. Inhaltliche Beschreibung:Zur Erhöhung der Dynamik und Positioniergenauigkeit von quasistatischen Mikroscannern soll durch Einsatz von zusätzlichen elektrischen Dämpfungsgliedern die resultierende Dämpfung der elektro-mechanischen Übertragungsfunktion des Mikrospiegels signifikant erhöht werden, um kürzere und überschwingungsfreie Positionierzeiten und letztlich eine hochdynamische und präzise Strahlpositionierung, wie sie z.B. in neuartigen scannenden 3D-Laserkameras mit situationsbezogener adaptiver Steuerung der Messauflösung zur autonomen Navigation von Robotern benötigt wird, zu ermöglichen. Schwerpunkt der Diplomarbeit sind theoretische und experimentelle Untersuchung zur Erhöhung der Systemdämpfung von physikalisch schwach gedämpften quasistatischen Mikrospiegeln durch Einsatz zusätzlicher elektrischer Dämpfungsglieder. Ausgehend von einem geeigneten Struktur- und Verhaltensmodels des physikalischen Modells eines elektrostatischen Mikroscanners, welches das elektro-mechanische Übertragungsverhalten des Mikrosystems beschreibt, sollen anhand der Übertragungsfunktion bzw. der Ortskurve des Mikrosystems die Parameter für zusätzliche elektrische Dämpfungsglieder bestimmt werden. Nachfolgend sind diese zusätzlichen elektrischen Dämpfungsglieder im Strukturmodel zu berücksichtigen und das Übertragungsverhalten bzw. die zeitliche Dynamik des optimierten MEMS-Scanners zu simulieren. Die elektrischen Dämpfungsglieder sind unter Berücksichtigung von Zielvorgaben bzgl. der Dynamik des MEMS-Scanners (z.B. Positionierzeit und Winkelabweichung) zu optimieren. Die Modellerstellung und numerische Simulation erfolgt unter Verwendung von zur Modellierung komplexer physikalischer Systeme geeigneten Simulationswerkzeugen (z.B. SimulationX). Die theoretischen Ergebnisse zur elektrischen Dämpfung von MEMS-Bauelementen sollen mittels experimenteller Untersuchungen bereits existierenden quasi-statischen Mikroscannern verifiziert werden. Basierend auf den numerischen und experimentellen Ergebnissen sind die aktuellen Grenzen einer dynamischen Positionierung und Maßnahmen zur weiteren Optimieren und späteren dynamischen Bewegungsregelung quasistatischer Scanner-Bauelemente abzuleiten. Ansprechpartner:
Entwicklung eines Strukturmodells und Regelungsalgorithmen zur hochdynamischen und präzisen Strahlpositionierung von quasistatischen Mikroscanner(Studienarbeit) Das Fraunhofer Institut für Photonische Mikrosysteme Dresden entwickelt innovative optische Mikrosysteme basierend auf Technologien der Mikrosystemtechnik und fertigt diese im eigenen Reinraum. Die Fraunhofer-Gesellschaft ist mit 60 Instituten, rund 13.000 Beschäftigten sowie einem jährlichen Forschungsvolumen von mehr als einer Milliarde Euro eine der führenden Organisationen für angewandte Forschung in Europa. Der Schwerpunkt der Entwicklungsarbeiten am Fraunhofer IPMS im Bereich AMS (Aktive Mikrooptische Komponenten und Systeme) umfaßt den Entwurf, die Fertigung, Charakterisierung und Systemintegration von neuartigen anwendungsspezifischen mikro-opto-elektro-mechanischen (MOEMS) Bauelementen, wie z.B. resonante und quasistatische Mikroscanner zur ein- oder zweidimensionalen Lichtablenkung bzw. zur optischen Weglängenmodulation oder durchstimmbaren Fabry-Perot-Filtern, wie sie in vielfältigen Einsatzgebieten wie z.B. miniaturisierten Laserprojektionssystemen, 3D-Laserkameras oder Spektrometern zur Anwendung kommen. Aktuelle Arbeiten am Fraunhofer IPMS fokussieren sich auf die Entwicklung von quasistatischen Mikroscanner, die aufgrund ihres neuartigen Antriebskonzeptes mit vertikalen Kammantrieben werden im Vergleich zum Stand der Technik größere statische Ablenkwinkel und eine dynamische nicht resonante Strahlführung ermöglicht. Für eine Vielzahl von Anwendungen wird eine präzise dynamische Ablenkung von Licht unter Einhaltung bestimmter Bewegungsrand¬bedingungen benötigt werden. So kann es erforderlich sein, ein Lichtbündel mit konstanter Geschwindigkeit streifend über ein Zielge¬biet zu führen, die Geschwindigkeit des Scanvorgangs dynamisch anzupassen oder schnell und präzise zwischen Zielpositionen hin und her zu schalten, wie dies mit resonant betriebenen MEMS-Scanner nicht möglich ist. Jedoch werden die aufgrund der geringen Massenträgheit der bewegten Spiegelplatte prinzipiell möglichen hohen Scanfrequenzen bzw. Positionierzeiten, heute für quasistatisch angetriebene Mikromechanische Scanner nur unzureichend erzielt. Dies wird insbesondere durch die für die MEMS-Bauelemente typische geringe Dämpfung verursacht, die in einem starkem Überschwingen des Mikrospiegels um die adressierte Sollposition resultiert. Dies kann aufgrund der vergleichsweise geringen elektrostatischen Antriebsmomente nur teilweise kompensiert werden, da sich durch optische Randbedingungen (z.B. Auflösung) definierte Werte für Ablenkwinkel und Spiegel-größe nur geringe Federsteifigkeiten realisieren lassen. Um dennoch mit einem schwach gedämpften quasistatischen Mikroscannerspiegel eine schnelle und präzise Strahlpositionierung zu ermöglichen, bedarf es einer dynamischen Antriebsregelung bei der die Spiegelpositionierung allein mittels des elektrostatischen Antriebs durch dynamisches Beschleunigen und Abbremsen erfolgt. Hierzu ist die Entwicklung geeigneter Algorithmen zur hochdynamischen Antriebsregelung erforderlich, welche die Spezifika der Mikroaktoren und insbesondere deren Nichtlinearitäten berücksichtigt. Inhaltliche Beschreibung:Zur Erzielung einer möglichst geringen Abweichung der IST- von der SOLL-Trajektorie des dynamisch angetriebenen Mikroscanners ist eine geeignete dynamische Antriebssteuerung bzw. -regelung erforderlich, dies setzt eine genaue Modellierung des dynamischen Bewegungsverhaltens voraus. Schwerpunkt der Studienarbeit ist die Entwicklung eines geeigneten Struktur- und Verhaltensmodels des physikalischen Modells eines elektrostatischen Mikroscanners mit quasistatischem Kammantrieb, daß eine Simulation des dynamischen Bewegungsverhaltens im gesteuerten Betrieb ermöglicht. Eine Erweiterung des Verhaltensmodells mit Regelstrecke zur Simulation einer späteren dynamischen Antriebsregelung ist wünschenswert. Die Modellerstellung und numerische Simulation erfolgt unter Verwendung von zur Modellierung komplexer physikalischer Systeme geeigneten Simulationswerkzeugen (z.B. SimulationX). Das numerische Verhaltensmodell soll an bereits existierenden MEMS-Bauelementen mittels experimenteller Untersuchungen am Fraunhofer IPMS verifiziert werden. Aus den Simulationen und experimentellen Ergebnissen sind Maßnahmen zur späteren dynamischen Bewegungsregelung quasistatischer Scanner-Bauelemente abzuleiten. Ansprechpartner:
Untersuchungen zu Modellierung und Anwendungen von mechatronischen WandlernAm Lehrstuhl wird gegenwärtig ein generischer Modellierungsansatz für mechatronische Wandler entwickelt Der generische Modellansatz auf der Basis eines mechatronischen Elementarwandlers (siehe Bild) erlaubt eine einheitliche Verhaltensbeschreibung von unterschiedlichen Wandlertypen (elektrostatisch, piezoelektrisch, elektrodynamisch, elektromagnetisch, servohydraulisch) und von mechatronischen Anwendungen, z.B. Schwingungsdämpfung (vibration control, siehe Bild) und dezentraler Energieerzeugung (energy harvesting, siehe Bild). In mehreren studentischen Arbeiten (SA, DA) sind folgende Aspekte zu untersuchen:
Voraussetzungen: Vorteilhaft: Ansprechpartner: Modellbasierte Analyse der Fehlerpropagation in mechatronischen SystemenDie Analyse der Fehlerpropagation stellt einen wichtigen Teil des Systementwurfes dar. Die Informationen über das Verhalten von Fehlern sind sehr hilfreich bei Beurteilung der Zuverlässigkeit, Lokalisierung der Fehler und Systemtests. 1. Entwicklung einer Softwarebibliothek zur modellbasierten Analyse der Fehlerpropagation Das Ziel dieser Arbeit ist die Umsetzung eines Modells der Fehlerpropagation in einer Softwarebibliothek. Das Modell basiert auf der probabilistischen Analyse des Kontrollflusses und Datenflusses. In der Arbeit sind folgende Hauptaufgaben zu lösen:
Vorkenntnisse: Ansprechpartner: 2. Implementierung einer Fallstudie für Analyse der Fehlerpropagation Das Ziel dieser Arbeit ist die Implementierung einer Fallstudie für die Analyse der Fehlerpropagation. In der Fallstudie wird ein mobiler Roboter Lego NXT eingesetzt, für den ein Steuerungssystem entwickelt werden soll. Die Aufgabe des Steuerungssystems besteht in der Führung des Roboters von der aktuellen Position zu einer Zielposition auf einer unebenen Oberfläche. Die aktuelle Position wird mithilfe einer Kamera über die Bildanalyse bestimmt. Die Steuerbefehle (Drehraten von Roboterrädern) werden über eine Bluetooth-Schnittstelle zum Roboter übermittelt. Die Bildauswertung und die Berechung sollen in einer speziellen Steuersoftware implementiert werden. Der Schwerpunkt liegt bei der Nutzung der UML / SysML-Modellierung sowie bei den statistischen Tests des Steuerungssystems. Vorkenntnisse: Ansprechpartner: |
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