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Die folgende Masterarbeit gibt eine Übersicht zu modernen AR-Technologien für den Einsatz in der Lehre mit dem Ziel eine geeignete Software zu identifizieren, die eine AR-Anwendungserstellung sowie die Integration dieser in das Vorlesungsgeschehen der HTWG ermöglicht. Diese Arbeit baut auf einer Literaturrecherche auf, welche den gegenwärtigen Einsatz von AR in der Lehrpraxis analysiert. Es wird der aktuelle Stand der Entwicklung in Bezug auf verschiedenste Hard- und Softwarelösungen dargestellt, einschließlich der Funktionsweise von AR-Anwendungen sowie relevanter Systemkomponenten. Anschließend werden sowohl der Einsatz von Augmented Reality im Bildungsbereich betrachtet als auch andere Sektoren wie Medizin und Industrie einbezogen, um eine umfassende Übersicht zu Fallstudien sowie Praxisbeispielen zu gewährleisten. Der Auswahlprozess der Software wird ebenfalls thematisiert und eine Anleitung zur Benutzung des gewählten Tools, Vuforia Studio, wird dargeboten.
Die Analyse ergab, dass AR-Anwendungen es den Schülern und Studierenden ermöglichen, aktiv am Unterricht bzw. den Vorlesungen teilzunehmen und Inhalte interaktiv zu erkunden, was das Interesse am Lehrinhalt steigert sowie eigenständiges Lernen fördert. Dem Einsatz von AR in der Lehre stehen jedoch Herausforderungen gegenüber. Insbesondere eine pädagogisch angemessene AR-Inhaltserstellung erweist sich als schwierig. Sowohl die Anfertigung
eines 3D-Modells als auch das Arbeiten mit Programmen wie Vuforia Studio selbst stellen sich als zeitintensiv und technologisch anspruchsvoll heraus. Von Seiten der Bildungseinrichtung müssen finanzielle Mittel bereitgestellt werden, denn ohne entsprechende Schulungen und Ressourcen wird auch die Bereitschaft der Lehrenden, sich mit neuen Technologien auseinanderzusetzen, nicht ausreichend sein, um hochwertige AR-Inhalte zu konzipieren. Obwohl die
technologische Infrastruktur zwar deutlich besser ausgebaut ist als noch vor einigen Jahren, vor allem, weil flächendeckendes Internet zur Verfügung steht und die Lernenden zum Großteil eigene Smartgeräte besitzen, ist eine kontinuierliche Investition in Hard- und Software sowie das Pflegen der gesammelten Daten und genutzten Server unerlässlich.
Insgesamt bietet der Einsatz von Augmented Reality in der Lehre vielversprechende Möglichkeiten, um das Lernerlebnis zu verbessern und die Bildungsergebnisse zu optimieren, jedoch müssen die genannten Herausforderungen überwunden werden, um das gesamte Potenzial von Augmented Reality Technologien in der Lehre auszuschöpfen.
Es handelt sich um eine Arbeit im Rahmen des BMBF-Programm "Anwendungsorientierte Forschung und Entwicklung an Fachhochschulen". Schutz und Steuerung spielen eine entscheidende Rolle bei der Automatisierung in der elektrischen Energieversorgung. Moderne Geräte sind Mikrorechnergesteuert, und ihre korrekte Funktion wird bestimmt durch das Zusammenwirken ihrer Hardware und Software mit der Hochspannungsanlage. Zudem ist die Software für den individuellen Einsatz parametriert. Untersuchungen mit realen Schutz- und Steuerungseinrichtungen an realen Anlagen sind aufwendig und riskant. Gewonnene Betriebserfahrungen kommen häufig erst nach einem Schadensereignis. Dagegen ermöglichen Simulationen breit abgestützte Untersuchungen realer Betriebs- und Fehlerfälle im Voraus. Sie unterstützen damit nicht nur kurze Entwicklungs-, Projektierungs- und Inbetriebnahmezeiten, sondern tragen auch zur sicheren, zuverlässigen und kostengünstigen Stromversorgung bei. Simulationen sind aus unterschiedlichen Blickwinkeln sinnvoll: • Planung und Projektierung von Hochspannungsanlagen mit den zugehörigen Schutz- und Leitsystemen • Ereignisgenaue und präzise Analyse von Störungen, z.B. nach einem Leitungsausfall oder einem Blackout • Entwicklung von Schutz- und Steuergeräten und -systemen einschließlich Hardware, Software und Firmware • Ausbildung, Training, Beratung. Aufgabe des Projekts ist die Erprobung eines Echtzeitnetzmodells für typische Schutztechnik-Anwendungen. Im Gegensatz zu bekannten Energietechnik- und Schutztechnik-spezifischen Lösungen soll die Simulation auf der Basis des in der gesamten Technik weit verbreiteten Werkzeugs Matlab/Simulink einschließlich SimPowerSystems (frühere Bezeichnung: Power System Blockset) basieren. Zunächst soll ein vollständiges Simulationssystem einschließlich Schutzgeräten in Betrieb genommen werden. Dafür ist die Simulationsrechner-Hardware mit möglichst hoher Rechenleistung einschließlich geeigneter Interfacekarten für die Analogausgaben und die digitalen Schnittstellen zum Projektbeginn neu zu beschaffen. Die Untersuchung des Echtzeit-Netzmodells soll anhand typischer Netzkonfigurationen mit entsprechenden Schutzanwendungen erfolgen, z.B.: Hochspannungs-Doppelleitung mit Kurzschluss oder Pendelungen; Generator-Einspeisung, auch mit motorischen Verbrauchern und Umschaltvorgängen. Damit sollen die wesentlichen Möglichkeiten und Grenzen der Simulation festgestellt werden: • Korrektheit und Genauigkeit der Simulation • Anforderungen an Simulations-Rechnerhardware abhängig von Modellgröße, Frequenzbereich bzw. Zeitschrittweite • Möglichkeiten für Echtzeit- und Offline-Simulation auf Basis derselben Modellparameter • Integration von Schutzalgorithmen und -geräten in die Simulation (anstelle realer Geräte) • Erweiterbarkeit und Offenheit, z.B. betreffend Wide-Area-Protection, Simulation von Stromwandlern mit Sättigung, Modellierung von nicht in der Bibliothek verfügbaren Komponenten, Anlagen mit mehreren und verschiedenartigen Schutz-, Steuer- und Leitsystemkomponenten Simulation für Schutz- und Stationsleittechnik mit Matlab/Simulink Seite 4 • Bedienungsfreundlichkeit • Geeignete Visualisierung, Archivierung und Dokumentation • Kosten • Empfehlungen für den Einsatz.
Das Gesamtprojekt umfasst die Entwicklung eines modularen Sende-Empfängers (Transceiver) bestehend aus Hard- und Software. Der Transceiver stellt eine Experimentalplattform dar, mit der nicht nur die üblichen Funktionen eines Sende-Empfängers genutzt werden können. Es bestehen vielfältige Experimentier- und Entwicklungsmöglichkeiten in den Bereichen der digitalen Signalverarbeitung, der Softwareentwicklung für Mikrokontroller und Personal Computer sowie der Übertragungstechnik. Im Rahmen dieser Diplomarbeit wurde das zentrale Steuermodul des Sende-Empfängers, die sog. Command Unit entwickelt. Sie beinhaltet die logischen Gruppen des MMI (Mensch-Maschine-Schnittstelle) und einer Host-PC-Schnittstelle mit DMA-Kontroller. Die Arbeit beinhaltet die Entwicklung der Hardware ebenso wie die Entwicklung von Firmware zum Testen der Schaltung.
Im Jahr 2009 startet die AMSAT Deutschland e.V. das Raumfahrzeug "Phase 5-A" zum Mars. Dort wird das "Archimedes"-Ballon-Landesystem der Mars Society abgesetzt, während das Raumfahrzeug in einer elliptischen Umlaufbahn um den Mars bleibt und als Relaisstation für die Kommunikation zwischen Landesystem und Bodenstation auf der Erde arbeitet. Für diese Raumfahrtmission wurde an der HTWG Konstanz im Fachbereich Elektrotechnik und Informationstechnik eine Diplomarbeit über einen Teil der Antennen des Raumfahrzeugs angefertigt. Bodenstation und Raumfahrzeug kommunizieren durch einen Uplink im S-Band (2,45 GHz) und einen Downlink im X-Band (10,45 GHz). Im normalen Betriebsfall werden auf dem Raumfahrzeug Richtantennen eingesetzt. Sowohl für Uplink, als auch für den Downlink wird rechtszirkular polarisierte Strahlung verwendet. In bestimmten Betriebsfällen sind die Richtantennen des Raumfahrzeugs nicht zur Erde ausgerichtet. Dies ist der Fall, wenn die Triebwerke in Betrieb sind, oder im extremen Fall, wenn das Lageregelungssystem temporär oder komplett ausfällt. Für diesen Fall sind möglichst isotrop abstrahlende Notfallantennen notwendig, um zumindest eine minimale Kommunikation zur Erde zu gewährleisten. In der Diplomarbeit wurde für die Richtantenne für das X-Band ein Doppelreflektorsystem (Cassegrain-System) gewählt. Im berechneten Design wurde der Durchmesser des Hauptreflektors zu 2000 mm und der Durchmesser des Subreflektors zu 302,3 mm gewählt. Ebenfalls berechnet wurde die zugehörige Kegelhorn-Antenne als Primärstrahler, sowie ein praktikabler Zirkularpolarisator vorgeschlagen. Bei den isotropen Antennen stellt sich das Problem, dass das Raumfahrzeug sehr groß gegenüber der Wellenlänge ist und dadurch praktisch eine Hemisphäre abgeschattet wird. Deshalb wurden für die S-Band- und X-Band-Notfallantennen Antennen gesucht, die eine möglichst gute hemisphärische Abstrahlung haben. Zwei dieser hemisphärisch abstrahlenden Antennen werden jeweils auf entgegengesetzten Seiten des Raumfahrzeugs montiert und ermöglichen so eine (nahezu) isotrope Abstrahlung. Für die S-Band-Notfallantenne wurden unterschiedliche Antennentypen (Drehkreuzantenne, Eggbeater-Antenne, Lindenblad-Antenne, Quadrifilar-Helix-Antenne und Streifenleitungsantenne) hinsichtlich ihres Abstrahlungsdiagramms und der Eignung für Raumfahrtanwendung miteinander verglichen. Als Ergebnis stellt sich die Streifenleitungsantenne als am besten geeignet heraus, da dieser Antennentyp über viele Freiheitsgrade (z.B. Form, Abmessungen und Materialien) verfügt. Über die Freiheitsgrade kann das Abstrahlungsdiagramm geformt werden. Auch für die X-Band-Notfallantenne wurde ebenfalls die Streifenleitungsantenne untersucht. Dieser Antennentyp weist allerdings einige gravierende Nachteile im Sendebetrieb auf: Das gravierendste Problem sind die hohen Verluste dieses Antennentyps. Deshalb wurde für die X-Band-Notfallantenne ein offener Hohlleiter mit zusätzlichen Reflektionselementen vorgeschlagen. Ein offener Hohlleiter strahlt bereits relativ stark gebündelt ab. Die zusätzlichen Reflektionselemente weiten die Abstrahlung aus. So wird eine annähernd hemisphärische Abstrahlung möglich. Das Raumfahrzeug wird zumindest zeitweilig durch Rotation um die eigene Achse stabilisiert (Spin-Stabilisation). Sind die Antennen außerhalb der Rotationsachse montiert, so tritt ein mit der Rotationsdauer sich periodisch ändernder Doppler-Effekt auf. Problematisch wird dies, wenn die Frequenzverschiebung durch den Doppler-Effekt in die Größenordnung der Bandbreite des Nutzsignals kommt. Dadurch wird die Dekodierung des Nutzsignals erschwert.