Motion and tilt have long hindered the accuracy, reliability, and response of magnetic detection systems. Perturbations in the magnetic field reading resulting from motion cause degradation of the output signal, compromising the performance and reliability of the magnetometer system. The purpose of this document is to describe the development, construction, and testing of a tilt-stabilized three-axis magnetic field sensor. The sensor is implemented as a three-axis general-purpose magnetic field sensor, with the additional capability of being implemented as a compass. Design and construction of system hardware is discussed, along with software development and implementation. Finite impulse response filters are designed and implemented in hardware to filter the acquired magnetic signals. Various designs of median filters are simulated and tested for smoothing inclination signal irregularities and noise. Trigonometric conversions necessary for tilt-compensation are calculated in software using traditional methods, as well as the Coordinate Rotation Digital Computer (CORDIC) algorithm. Both calculation methods are compared for execution time and efficiency. Successful incorporation of all design aspects leads to detection and output of stable earth magnetic fields, sinusoidal signals, and aperiodic signatures while the magnetometer system is subject to significant tilt motion. Optimized system execution time leads to a maximum detectable signal bandwidth of 410 Hz. Integration of azimuth angle calculation is incorporated and is successfully tested with minimal error, allowing the system to be used as a compass. Results of the compensated system tests are compared to non-compensated results to display system performance, including tilt-compensation effectiveness, noise attenuation, and operational speed. / Master of Science

Ett på marknaden nyligen introducerat GNSS-instrument är Leica GS18 T med inbyggd lutningskompensator, baserad på kombinerad GNSS- och tröghetsnavigeringsteknik (INS), som gör att mätstången med GNSS-instrumentet inte behöver centreras över den punkt som ska mätas in. Förutom att utföra snabbare mätningar möjliggör lutningskompensatortekniken inmätning av dolda punkter där konventionell GNSS-mätning normalt inte är möjlig utan mer tidskrävande indirekta metoder måste användas. Instrumentet har även avancerad GNSS-signalspårningsteknik som möjliggör mätning i svåra miljöer. På uppdrag av Lantmäteriet har som ett inledande test av Leica GS18 T lägesosäkerheten vid nätverks-RTK-mätning med lutande mätstång undersökts i tre situationer: vid mätning i olika lutningsgrader i både normal och svår mätmiljö, vid lutning mot olika väderstreck för att studera lutningsriktningens eventuella inverkan samt vid inmätning av hushörn som exempel på ett tillämpningsområde. I det senare fallet jämfördes resultatet med vad som erhålls med en indirekt metod, i detta fall dold punkt genom inbindning, som mätning med lutningskompensator möjligen skulle kunna ersätta. Analys av lägesosäkerheten baseras på beräkningar av standardosäkerhet, RMS (Root Mean Square) och medelavvikelse. Mätningarna med olika lutningsgrader på mätstången resulterade i en lägesosäkerhet på cm-nivå i plan för både normal och svår mätmiljö. Lägesosäkerheten i höjd hamnade på mm-nivå i normal mätmiljö och på cm-nivå i svår mätmiljö. Vidare pekar resultaten på att mätstångens lutningsriktning påverkar lägesosäkerheten. Orsaken till detta är dock inte klarlagd och kräver vidare undersökning. Inmätning av hushörn gav en medelavvikelse på ca 12 mm när mätstången lutades 30°. Metoden dold punkt genom inbindning gav generellt en lägre medelavvikelse, även om skillnaden är relativt liten (4 mm som lägst). En sammanfattande bedömning är att instrumentet fungerar bra vid detaljmätning, åtminstone vid positionsosäkerhetskrav på cm-nivå. / A recently introduced GNSS instrument on the market is Leica GS18 T with tilt compensation, based on GNSS/Inertial Navigation Systems (INS) integration, with no need to centre the survey pole with the GNSS instrument over the target point being measured. Besides making surveying faster, the tilt compensation technique enables measuring of hidden points where the use of conventional GNSS measuring normally is not possible without more time-consuming methods. The instrument also has advanced GNSS signal tracking which makes surveying in challenging environments possible. In this study, the Leica GS18 T has on behalf of Lantmäteriet been tested through studying the measurement uncertainty in network RTK measurement with tilted survey pole in three different situations: with the survey pole tilted in various degrees in both favourable and challenging survey environments; with tilt towards north, east, south and west to test if the tilt direction would affect the result; and for surveying of building corners as a possible field of application. In the latter case, the result was compared with what can be achieved with the conventional hidden point method using intersection of distances. The analysis of the measurement uncertainty was based on calculations of standard uncertainty, RMS (Root Mean Square) and mean deviation. The measurement uncertainty from the first part of the test was on cm-level horizontally, both in favourable and challenging survey environments, and in height on mm-level in favourable survey environment and on cm-level in challenging survey environment. Further, the results indicate that the tilt direction affects measurement uncertainty. The reason for this is not clarified and needs further investigation. The measurements of building corners resulted in a mean deviation of approximately 12 mm when the survey pole was tilted 30°. The hidden point method using intersection of distances generally resulted in lower mean deviation, even though the difference is relatively small (4 mm at best). To summarize, Leica GS18 T seems to be well suited for measuring with tilt in detailed surveying, at least if the requirements of position uncertainty is on cm-level.

Konsequent betriebener Leichtbau führte und führt weiterhin zu steigender Komplexität in der Blechumformung. Erkenntnisse aus Forschungsaktivitäten zur gezielten Beeinflussung, Regelung und Vollautomatisierung des Tiefziehprozesses konnten jedoch bisher nicht in Großserienpresswerke transferiert werden. Aus diesem Grund wird in dieser Arbeit ein Werkzeugkonzept vorgestellt, welches unter Berücksichtigung der relevanten Randbedingungen eine gezielte lokale Beeinflussung des Umformprozesses ermöglicht. Gleichzeitig gestattet es, mit Hilfe eines neuartigen, optischen Sensorkonzeptes die Geschwindigkeit sowie den Einlaufweg der Platine zu überwachen. Es wird eine methodische Vorgehensweise zur Herstellung von Umformwerkzeugen, auf der neuen Konzeption basierend, beschrieben. Umformsimulationen dienen dabei zur Identifikation von kritischen Bauteilen und deren neuralgischen Zonen. Eine entsprechend angepasste Konstruktion bietet Bauraum für die Implementierung von zusätzlichen Aktuatoren und einem definiert elastischen Einsatz. Abschließende FEM-Analysen mit Volumenmodellen sowie die Kalkulation der Lebensdauer bestätigen eine ausreichende Flexibilität und die erforderliche Dauerfestigkeit. Im Rahmen der experimentellen Analyse konnte eine drastische Verkürzung der Anlaufzeit durch deutlich reduzierten Tuschieraufwand aufgrund der Anpassungsfähigkeit sowie Flexibilität des definiert elastischen Werkzeugkonzeptes nachgewiesen werden. Neben diesem Potential hinsichtlich strukturierter Inbetriebnahmen ermöglicht die Konzeption eine Kompensation von Pressenunterschieden und individuellen Maschinencharakteristika (wie bspw. Stößelverkippungen) wodurch der Transfer von der Einarbeitspresse auf die Produktionsanlage wesentlich weniger Korrekturschleifen hervorruft. Außerdem werden der Qualitätsaufwand (Nachtuschieren) während der laufenden Serienproduktion, Stillstandszeiten und Ausschussquoten stark verringert. Darüber hinaus ergeben sich erweiterte Anwendungsmöglichkeiten bei der Umformung von tailored blanks und aus der Minimierung/Optimierung des Platinenzuschnittes enorme Einsparungs- und Kostenpotentiale. Abschließend werden die Vorteile eines geschlossenen Prozessregelkreises durch die Verknüpfung von Sensorik und Aktorik analysiert. Dabei bestätigt das vorgeschlagene Regelkonzept einer Prozessnachführung die Erhöhung der Prozessstabilität bei schwankenden Prozessparametern durch die gezielte, lokale Verteilung der Flächenpressung. Zuletzt diskutiert der vorliegende Beitrag Transfermöglichkeiten der Verbesserungspotentiale in kommende Serienwerkzeuge vor dem Hintergrund von Kostenrestriktionen und Minimierung des bedientechnischen sowie konstruktiven Aufwandes.

Konsequent betriebener Leichtbau führte und führt weiterhin zu steigender Komplexität in der Blechumformung. Erkenntnisse aus Forschungsaktivitäten zur gezielten Beeinflussung, Regelung und Vollautomatisierung des Tiefziehprozesses konnten jedoch bisher nicht in Großserienpresswerke transferiert werden. Aus diesem Grund wird in dieser Arbeit ein Werkzeugkonzept vorgestellt, welches unter Berücksichtigung der relevanten Randbedingungen eine gezielte lokale Beeinflussung des Umformprozesses ermöglicht. Gleichzeitig gestattet es, mit Hilfe eines neuartigen, optischen Sensorkonzeptes die Geschwindigkeit sowie den Einlaufweg der Platine zu überwachen. Es wird eine methodische Vorgehensweise zur Herstellung von Umformwerkzeugen, auf der neuen Konzeption basierend, beschrieben. Umformsimulationen dienen dabei zur Identifikation von kritischen Bauteilen und deren neuralgischen Zonen. Eine entsprechend angepasste Konstruktion bietet Bauraum für die Implementierung von zusätzlichen Aktuatoren und einem definiert elastischen Einsatz. Abschließende FEM-Analysen mit Volumenmodellen sowie die Kalkulation der Lebensdauer bestätigen eine ausreichende Flexibilität und die erforderliche Dauerfestigkeit. Im Rahmen der experimentellen Analyse konnte eine drastische Verkürzung der Anlaufzeit durch deutlich reduzierten Tuschieraufwand aufgrund der Anpassungsfähigkeit sowie Flexibilität des definiert elastischen Werkzeugkonzeptes nachgewiesen werden. Neben diesem Potential hinsichtlich strukturierter Inbetriebnahmen ermöglicht die Konzeption eine Kompensation von Pressenunterschieden und individuellen Maschinencharakteristika (wie bspw. Stößelverkippungen) wodurch der Transfer von der Einarbeitspresse auf die Produktionsanlage wesentlich weniger Korrekturschleifen hervorruft. Außerdem werden der Qualitätsaufwand (Nachtuschieren) während der laufenden Serienproduktion, Stillstandszeiten und Ausschussquoten stark verringert. Darüber hinaus ergeben sich erweiterte Anwendungsmöglichkeiten bei der Umformung von tailored blanks und aus der Minimierung/Optimierung des Platinenzuschnittes enorme Einsparungs- und Kostenpotentiale. Abschließend werden die Vorteile eines geschlossenen Prozessregelkreises durch die Verknüpfung von Sensorik und Aktorik analysiert. Dabei bestätigt das vorgeschlagene Regelkonzept einer Prozessnachführung die Erhöhung der Prozessstabilität bei schwankenden Prozessparametern durch die gezielte, lokale Verteilung der Flächenpressung. Zuletzt diskutiert der vorliegende Beitrag Transfermöglichkeiten der Verbesserungspotentiale in kommende Serienwerkzeuge vor dem Hintergrund von Kostenrestriktionen und Minimierung des bedientechnischen sowie konstruktiven Aufwandes.