364 research outputs found

    Undergraduate Catalog of Studies, 2022-2023

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    ABC: Adaptive, Biomimetic, Configurable Robots for Smart Farms - From Cereal Phenotyping to Soft Fruit Harvesting

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    Currently, numerous factors, such as demographics, migration patterns, and economics, are leading to the critical labour shortage in low-skilled and physically demanding parts of agriculture. Thus, robotics can be developed for the agricultural sector to address these shortages. This study aims to develop an adaptive, biomimetic, and configurable modular robotics architecture that can be applied to multiple tasks (e.g., phenotyping, cutting, and picking), various crop varieties (e.g., wheat, strawberry, and tomato) and growing conditions. These robotic solutions cover the entire perception–action–decision-making loop targeting the phenotyping of cereals and harvesting fruits in a natural environment. The primary contributions of this thesis are as follows. a) A high-throughput method for imaging field-grown wheat in three dimensions, along with an accompanying unsupervised measuring method for obtaining individual wheat spike data are presented. The unsupervised method analyses the 3D point cloud of each trial plot, containing hundreds of wheat spikes, and calculates the average size of the wheat spike and total spike volume per plot. Experimental results reveal that the proposed algorithm can effectively identify spikes from wheat crops and individual spikes. b) Unlike cereal, soft fruit is typically harvested by manual selection and picking. To enable robotic harvesting, the initial perception system uses conditional generative adversarial networks to identify ripe fruits using synthetic data. To determine whether the strawberry is surrounded by obstacles, a cluster complexity-based perception system is further developed to classify the harvesting complexity of ripe strawberries. c) Once the harvest-ready fruit is localised using point cloud data generated by a stereo camera, the platform’s action system can coordinate the arm to reach/cut the stem using the passive motion paradigm framework, as inspired by studies on neural control of movement in the brain. Results from field trials for strawberry detection, reaching/cutting the stem of the fruit with a mean error of less than 3 mm, and extension to analysing complex canopy structures/bimanual coordination (searching/picking) are presented. Although this thesis focuses on strawberry harvesting, ongoing research is heading toward adapting the architecture to other crops. The agricultural food industry remains a labour-intensive sector with a low margin, and cost- and time-efficiency business model. The concepts presented herein can serve as a reference for future agricultural robots that are adaptive, biomimetic, and configurable

    Pushing the Boundaries of Spacecraft Autonomy and Resilience with a Custom Software Framework and Onboard Digital Twin

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    This research addresses the high CubeSat mission failure rates caused by inadequate software and overreliance on ground control. By applying a reliable design methodology to flight software development and developing an onboard digital twin platform with fault prediction capabilities, this study provides a solution to increase satellite resilience and autonomy, thus reducing the risk of mission failure. These findings have implications for spacecraft of all sizes, paving the way for more resilient space missions

    Architecture-based Evolution of Dependable Software-intensive Systems

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    This cumulative habilitation thesis, proposes concepts for (i) modelling and analysing dependability based on architectural models of software-intensive systems early in development, (ii) decomposition and composition of modelling languages and analysis techniques to enable more flexibility in evolution, and (iii) bridging the divergent levels of abstraction between data of the operation phase, architectural models and source code of the development phase

    Multi-Agent Modelling of Industrial Cyber-Physical Systems for IEC 61499 Based Distributed Intelligent Automation

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    Traditional industrial automation systems developed under IEC 61131-3 in centralized architectures are statically programmed with determined procedures to perform predefined tasks in structured environments. Major challenges are that these systems designed under traditional engineering techniques and running on legacy automation platforms are unable to automatically discover alternative solutions, flexibly coordinate reconfigurable modules, and actively deploy corresponding functions, to quickly respond to frequent changes and intelligently adapt to evolving requirements in dynamic environments. The core objective of this research is to explore the design of multi-layer automation architectures to enable real-time adaptation at the device level and run-time intelligence throughout the whole system under a well-integrated modelling framework. Central to this goal is the research on the integration of multi-agent modelling and IEC 61499 function block modelling to form a new automation infrastructure for industrial cyber-physical systems. Multi-agent modelling uses autonomous and cooperative agents to achieve run-time intelligence in system design and module reconfiguration. IEC 61499 function block modelling applies object-oriented and event-driven function blocks to realize real-time adaption of automation logic and control algorithms. In this thesis, the design focuses on a two-layer self-manageable architecture modelling: a) the high-level cyber module designed as multi-agent computing model consisting of Monitoring Agent, Analysis Agent, Self-Learning Agent, Planning Agent, Execution Agent, and Knowledge Agent; and b) the low-level physical module designed as agent-embedded IEC 61499 function block model with Self-Manageable Service Execution Agent, Self-Configuration Agent, Self-Healing Agent, Self-Optimization Agent, and Self-Protection Agent. The design results in a new computing module for high-level multi-agent based automation architectures and a new design pattern for low-level function block modelled control solutions. The architecture modelling framework is demonstrated through various tests on the multi-agent simulation model developed in the agent modelling environment NetLogo and the experimental testbed designed on the Jetson Nano and Raspberry Pi platforms. The performance evaluation of regular execution time and adaptation time in two typical conditions for systems designed under three different architectures are also analyzed. The results demonstrate the ability of the proposed architecture to respond to major challenges in Industry 4.0

    Context-based Access Control and Attack Modelling and Analysis

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    In dieser Arbeit haben wir architekturelle Sicherheitsanalysen entwickelt, um Zugriffsverletzungen und Angriffspfade zu ermitteln. Durch die fortschreitende Digitalisierung und die zunehmende Vernetzung steigt die Bedeutung der IT-Sicherheit. Die Sicherheit eines Systems besteht aus mehreren verschiedenen Eigenschaften wie Vertraulichkeit oder Integrität. In unserer Arbeit konzentrieren wir uns auf die Vertraulichkeit. Ein vertrauliches System teilt nur die benötigten Daten mit autorisierten Entitäten. Unbefugte oder böswillige Personen erhalten keinen Zugang zu vertraulichen Daten. Die Entwicklung eines vertraulichen Systems ist jedoch schwierig, da viele verschiedene Eigenschaften Einfluss auf die Vertraulichkeit haben. Ein wichtiger Einflussfaktor ist die Zugangskontrolle. Zugriffskontrollrichtlinien definieren für jedes Element innerhalb eines Systems, unter welchen Bedingungen der Zugriff gewährt werden kann. Diese Zugriffskontrollrichtlinien berücksichtigen oft den Kontext für den Zugriff. Der Kontext kann z.B. die Zeit oder der Standort von Personen sein. Durch die Berücksichtigung steigt die Komplexität der Spezifikation der Zugriffskontrolle. Dies kann zu einer Fehlspezifikation führen. Daher ist es wichtig, die Auswirkungen einer Zugriffskontrollrichtlinie zu ermitteln. Aufgrund der Komplexität ist es jedoch schwierig, die Auswirkungen zu bestimmen, da die Analyse auch den Kontext berücksichtigen muss. Neben Zugriffskontrollrichtlinien können auch Schwachstellen die Vertraulichkeit des Systems beeinflussen. Schwachstellen können von Angreifer:innen ausgenutzt werden, um Zugang zu geschützten Entitäten im System zu erhalten. Sie ermöglichen es den Angreifer:innen also, die Zugangskontrollrichtlinien zu umgehen. Schwachstellen ermöglichen nicht nur den direkten Zugang zu Entitäten, sondern ermöglichen Angreifer:innen auch die Berechtigung anderer Personen zuerlangen. Diese Berechtigung kann dann von Angreifer:innen verwendet werden, um sich bei anderen Elementen Zugang zu verschaffen. Schwachstellen hängen jedoch auch von Zugangskontrollsystemen ab, da für einige Schwachstellen eine Berechtigung erforderlich ist. So können beispielsweise einige Schwachstellen nur von berechtigten Personen ausgenutzt werden. Um die Auswirkungen einer Schwachstelle abschätzen zu können, muss eine Analyse daher auch die Eigenschaften der Zugangskontrolle berücksichtigen. Darüber hinaus ist der Kontext der Angreifer:innen wichtig, da einige Schwachstellen nur dann ausgenutzt werden können, wenn der Angreifer:innen zuvor andere Entitäten im System kompromittiert haben. Daher wird bei Angriffen eine verkettete Liste kompromittierter Entitäten erstellt. Diese Liste wird auch als Angriffspfad bezeichnet. Sie besteht aus einer Kette von Schwachstellen, die die mehrfache Ausnutzung von Schwachstellen und Zugangskontrollrichtlinien durch Angreifer:innen darstellen. Die automatische Ableitung dieser möglichen Angriffspfade kann verwendet werden, um die Auswirkungen auf die Vertraulichkeit abzuschätzen, da sie den Expert:innen eine Rückmeldung darüber gibt, welche Elemente kompromittiert werden können. Bestehende Ansätze zur Abschätzung der Sicherheit oder der Auswirkungen von Zugangskontrollrichtlinien oder Schwachstellen konzentrieren sich oft nur auf eine der beiden Eigenschaften. Ansätze, die beide Eigenschaften berücksichtigen, sind in der Anwendungsdomäne oft sehr begrenzt, z.B. lösen sie es nur für eine Anwendungsdomäne wie Microsoft Active Directory oder sie berücksichtigen nur ein begrenztes Zugangskontrollmodell. Darüber hinaus arbeiten die meisten Ansätze mit einer Netzwerktopologie. Dies kann zwar bei der Modellierung hilfreich sein, doch berücksichtigt eine Netzwerktopologie in der Regel keine weiteren Eigenschaften wie Bereitstellung von Diensten auf Servern oder die Nutzung von Komponenten. Software-Architekturmodelle können diese Informationen jedoch liefern. Darüber hinaus ermöglicht die Verwendung von Modellen, ein System bereits während der Entwicklung oder während eines Ausfalls zu analysieren. Daher hilft es bei der Verwirklichung von Security by Design. Im Einzelnen sind unsere Beiträge: Wir haben ein Metamodell für die Zugriffskontrolle entwickelt, um kontextbasierte Zugriffskontrollrichtlinien in der Software-Architektur zu spezifizieren. Zusätzlich haben wir ein Schwachstellen-Metamodell entwickelt, um Schwachstellen in Software-Architekturen zu spezifizieren. Die Zugriffskontrollrichtlinien können in einer szenariobasierten Zugriffskontrollanalyse analysiert werden, um Zugriffsverletzungen zu identifizieren. Wir haben zwei Angriffsanalysen entwickelt. Beide können Angriffspfade auf einem Architekturmodell generieren und Schwachstellen und Zugangskontrollrichtlinien verwenden. Die eine Analyse betrachtet die Angriffsausbreitung von einem bestimmten Startpunkt in der Software-Architektur. Die andere findet Angriffspfade, die zu einem bestimmten Architekturelement führen. Wir haben unsere Sicherheitsanalysen anhand verschiedener Evaluierungsszenarien evaluiert. Diese Szenarien wurden auf der Grundlage von Evaluierungsfällen aus verwandten Arbeiten oder realen Sicherheitsvorfällen erstellt. Für die erste Analyse haben wir die Genauigkeit bei der Identifizierung von Zugriffsverletzungen untersucht. Unsere Ergebnisse deuten auf eine hohe Genauigkeit hin. Für die beiden Angriffsanalysen untersuchten wir die Genauigkeit hinsichtlich der gefundenen kompromittierten Elemente, die Aufwandsreduzierung bei der Verwendung unserer Analysen und die Skalierbarkeit. Unsere Ergebnisse deuten auf eine hohe Genauigkeit und eine Aufwandsreduzierung hin. Allerdings ist die Skalierbarkeit für beide Ansätze nicht ideal. Für kleinere Software-Architekturen ist sie jedoch akzeptabel. Der von uns entwickelte Ansatz kann Software-Architekt:innen dabei helfen, sicherere Systeme zu entwerfen. Der Ansatz kann die Auswirkungen von Zugriffskontrollrichtlinien anhand von Zugriffsverletzungen und für Schwachstellen zusammen mit Zugriffskontrollrichtlinien anhand von Angriffspfaden aufzeigen. Durch die Verwendung von Software-Architekturmodellen kann unser Ansatz dieses Feedback bereits während des Entwurfs der Software liefern. Dies kann helfen, nach "Security by Design" zu entwickeln
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