Wo Pho­to­nics auf Schwe­re­lo­sig­keit trifft

Schwerelos ist physikalisch gesehen vielleicht nicht ganz korrekt, aber wenn ein Styroporball mit Schaltern wie in einem Cockpit zum Schweben gebracht wird, kommt es dem schon sehr nahe.

Im fünften Semester des Bachelorstudiengangs Photonics wurde das Projekt „FlowBall“ realisiert. Das Ziel des Projektes war, in 3er-Gruppen ein funktionsfähiger Prototyp einer Anlage zu bauen, welche einen Styropor-Ball in einem regelbaren, vertikalen Bereich von 0.5 Metern in der Luft schweben lässt. Die Messung der Höhe soll durch einen in den Semestern zuvor entwickelten Lasertriangulationssensor realisiert werden.

Lasertriangulationssensor
Der Lasertriangulationssensor (LTS) funktioniert nach dem Triangulations-Prinzip. Sender (Laserquelle), Reflektor (Objekt) und Empfängerlinse bilden dabei ein Dreieck, dessen Winkel abhängig von der Distanz zum Objekt unterschiedlich gross ist. Mit der daraus variierenden Position des reflektierten Laserpunkts auf dem Empfänger (Zeilensensor) kann die Distanz zum Objekt berechnet werden (siehe Bilderstrecke).

FlowBall System
Um den Ball schweben zu lassen, wird ein Axiallüfter verwendet, dessen Luftstrom mit einem Luftkanal laminar gebündelt und ausgerichtet wird. Um die richtige Höhe des Balls zu erreichen, wird die aktuelle Höhe des Balls mit dem LTS gemessen und mit der Wunschhöhe verglichen. Die daraus folgende Differenz wird dazu genutzt, um die Leistung des Axiallüfters so zu regulieren, bis sich die Differenz im Toleranzbereich befindet. Diese und ein paar andere Informationen werden auf einem im Panel eingebautem Display dargestellt.

So zumindest die Theorie. Um all dies zu bewerkstelligen, benötigt es allerdings noch einiges an Elektronik, Kunststoff für den 3D-Drucker, Gehäusematerial, Sägespäne, Mikrocontroller, Software, viel Geduld und Kreativität. Vor allem Letzteres hatten wir zu genüge. Dies bescherte uns unter anderem ein Panel, welches an ein Cockpitpanel erinnert. Andererseits kostete dies aber auch einiges an Zeit. Denn wir legten viel Wert auf das Benutzererlebnis: Das Panel besitzt hochwertige Schalter, Drehregler und eine geschmeidig eingefügte USB-Schnittstelle. Letztere wird dazu verwendet, um eine definierte Flugbahn von einem USB-Stick hochzuladen, welche dann automatisch abgeflogen wird.

All diese Komponenten (LTS, Schalter, USB, Display) werden mit einem Raspberry Pi (einem «Mini-Computer» mit Linux als Betriebssystem) eingelesen und/oder gesteuert.

Konzept
Das Grundkonzept besteht darin, den Ball mit einem Luftstrom zu führen und zu halten. Dieser wird mit einem Luftkanal geformt, welchen wir zuerst 3D-modelliert, dann mit dem 3D Drucker ausgedruckt und anschliessend getestet haben. Es hat ein paar Anläufe gebraucht, bis der Luftstrom ideal war.

Panel
Das Panel aus Aluminium ist mit der Fräsmaschine im «ProLAB» selbst gefräst. Zudem sind die Beschriftungen mit einer Lasergravur aufgetragen - ebenfalls im «ProLAB» mit einem Trumpf-Laser realisiert. Zur Bedienung sind auf dem Panel mehrere Schalter, einen Drehknopf sowie ein Display verbaut.

Aufbau
Das Gehäuse besteht, abgesehen vom Panel und ein paar Schrauben, ausschliesslich aus MDF (Holzfaserplatten). Dieses ist teils gefräst, teils selbst zugesägt. Eine kleine Plattform, um die Elektronik zu befestigen, ist um den Luftkanal herum gebaut. Dieser Innenbereich ist durch eine Tür zugänglich, welche mit Magneten zugehalten wird.

Der LTS ist an einem ausfahrbaren Arm montiert und das Gesamtsystem steht auf Rollen, was den Transport erleichtert.

Software / Inbetriebnahme
Damit der Ball auch das macht, was der Benutzer eingibt und dies entsprechend auf dem Display angezeigt wird, bedarf es einiger Zeilen an Code. Dazu gehört auch die Messkurve, welche die Leistung des Axiallüfters mit der dazugehörigen Ballhöhe vergleicht. Daraus wurde dann eine Funktion 7. Grades berechnet, welche benutzt wird, um die Leistung des Axiallüfter grob auf die vom Benutzer eingestellte Höhe vor einzustellen. Die Feinabstimmung wird, wie zu Beginn erwähnt, mit der Differenz der gewünschten Höhe zur tatsächlichen Höhe geregelt.

Die Displayanzeige wird in einem parallellaufenden Thread ausgeführt, damit diese die Hauptsoftware nicht blockiert.

Fazit
Mit diesem grösseren Projekt konnten wir unser bisher angeeignetes Wissen aus dem Studium in vielen verschiedenen Disziplinen eins zu eins anwenden. Auch konnte viel Erfahrung im Hard- und Softwarebereich, Elektronik, Systemintegration und Teammanagement gesammelt werden.

Jede Gruppe konnte ihre eigenen kreativen Ideen umsetzen. So entstanden mehrere Prototypen, die unterschiedlicher nicht ausfallen konnten. Eins haben sie aber alle gemeinsam: Sie lassen das Herz eines jeden Photonikers höherschlagen.