Beitrag zur Verhaltensanalyse und Synchronisation von steuerungstechnischen Prozessen durch verteilte echtzeitfähige Kommunikationssysteme

Aufbauend auf dem voranschreitenden Übergang zentralistischer Steuerungskonzepte über die Dezentralisierung hin zum verteilten System soll ein echtzeitfähiges Steuerungskonzept für die Antriebssynchronisation zur Patientenbewegung als lokal abgeschlossenes System erarbeitet werden. Dabei sollen Grundlagen echtzeitfähiger Steuerungstechnik, verteilter Systeme, der Prozesssynchronisation sowie entsprechende Kommunikationssysteme vorgestellt, bestehende Lösungen diskutiert und aus den Erkenntnissen entsprechende Konzeptvorschläge für die Lösung der Aufgabenstellung gemacht werden. Im zweiten Teil dieser Arbeit soll aus den gewonnen Erkenntnissen und dem voranschreitenden Erfordernis der weltweiten Vernetzung technischer Systeme ein Konzept für die Integration und den echtzeitfähigen Zugriff auf dezentrale Peripheriekomponenten in das Internet erarbeitet werden. Für beide Teilaufgaben sollen Lösungsschritte aufgezeigt und evaluiert werden. Eine kritische Betrachtung der vorgestellten Konzepte erfolgt auf Basis bereits erfolgter industrieller Anwendung sowie in der Vorstellung einer zum Patent angemeldeten Lösung für den webbasierten Zugriff auf dezentral angeordnete Steuerungskomponenten

Supra-maneuver, autonomous vehicle guidance in urban settings using the example of the project Stadtpilot

In der vorliegenden Arbeit wird ein System zur manöverübergreifenden autonomen Fahrzeugführung in realer städtischer Umgebung vorgestellt, das auf der praktischen Erfahrung aus der Teilnahme an der DARPA Urban Challenge beruht und im Projekt Stadtpilot weiter vertieft wurde. Die Analyse englisch- und deutschsprachiger Veröffentlichungen hat gezeigt, dass sich die autonome Fahrzeugführung bisher vorrangig auf ausgewählte Szenarien wie autobahnähnliche Umgebungen oder Geländefahrten und auf selektierte Fahrmanöver beschränkt hat. Das Verhalten der Fahrzeuge ergibt sich dabei meist durch eine Aneinanderreihung unterschiedlicher Fahrmanöver. Die Umgebungsbedingungen des Braunschweiger Stadtrings sind hingegen für ein ausschließlich manöverbasiertes autonomes Fahren aufgrund der hohen Anzahl an gefahrenen Fahrmanövern pro Streckenlänge sowie der großen Menge an verschiedenen Situationsvarianten sehr vielfältig. Ziel ist daher eine manöverübergreifende Optimierung aufeinanderfolgender Fahrmanöver sowie eine Kombination unterschiedlicher Konzepte zur Entscheidungsfindung. Im Rahmen dieser Arbeit wurde dafür ein System zur Umsetzung von Fahrentscheidungen etabliert, das manöverübergreifend und unabhängig vom gewählten Verfahren zur Entscheidungsfindung Trajektorien in Bezug auf Krümmung und Krümmungsänderung optimiert. Die resultierenden Trajektorien minimieren im Vergleich zu klassischen Verfahren die Lenkaktivität und die Querbeschleunigung bei autonomen Fahrten. Die entwickelten Ansätze wurden mit den Versuchsfahrzeugen Caroline in der DARPA Urban Challenge und mit Leonie auf dem Braunschweiger Stadtring erfolgreich getestet. In einer Weltpremiere wurde Leonie im Oktober 2010 der Öffentlichkeit vorgestellt und befuhr ein Teilstück des Braunschweiger Stadtrings mehrfach autonom im alltäglichen Straßenverkehr. Das in dieser Arbeit vorgestellte System zur manöverübergreifenden autonomen Fahrzeugführung hat dazu einen entscheidenden Beitrag geleistet.This thesis introduces an approach for the supra-maneuver, autonomous vehicle guidance that realizes complex and precise autonomous driving maneuvers in real urban settings. The approach is based on the experience of the Technische Universität Braunschweig with its participation in the DARPA Urban Challenge and was enhanced within the ‘Stadtpilot’-project. The analysis of English and German publications and proceedings has shown that research on autonomous vehicles was up to now mainly focused on highway or off-road scenarios and selected driving scenarios. The behavior of the vehicles resulted from a sequence of different maneuvers. Compared to highly structured surroundings like highway scenarios, driving autonomously on Braunschweig’s inner ring road is too complex to fulfill all requirements with a single maneuver based approach due to its high frequency of driven maneuvers and the numerousness of varied situations. A combination of different approaches for the decision finding as well as a supra-maneuver optimization is therefore suggested. As a result, a method was introduced in the context of the ‘Stadtpilot’-project that generates curvature optimized trajectories independent from the way driving decisions are found. The trajectories minimize the steering activity and the lateral accelerations compared to established approaches. The developed method was tested successfully with the autonomous vehicle Caroline within the DARPA Urban Challenge and with Leonie on Braunschweig’s inner ring road. In a world premiere Leonie’s skills were presented in October 2010 to the public, while Leonie drove a section of Braunschweig’s inner ring road fully autonomously in normal traffic repeatedly. The introduced system of a supra-maneuver optimization of path-planned sections has contributed to this success significantly

Ein Beitrag zur videobasierten Verkehrszustandsidentifikation: Automatische Stauerkennung anhand von Live-Kamera-Bildern des Straßenverkehrs

The presented work wants to contribute a new solution based on the analysis of stochastic signals. On the basis of the Dresden Live-Camera-System which is providing real-time information about the traffic state on 31 focal points (March 2005) one is able to use a wide range of image types under different and severe conditions. The method is based on the analysis of stochastic signals derived from the live-camra images. These signals are analyzed with cross-correlation, amplitude- and frequency filters. The resulting data enable the distinction of stable and non-stable traffic flow and the automated identification of traffic congestion. Moreover fundamental diagrams are calculated.Die vorgelegte Arbeit beinhaltet ein neuartiges Verfahren zur automatischen Ermittlung des Verkehrszustandes aus Live-Kamera-Bildern. Die Datengrundlage dafür liefert das im Rahmen des BMBF-Leitprojektes intermobil Region Dresden geschaffenen Live-Kamerasystem mit 31 Standorten (Stand März 2005). Das entwickelte Verfahren basiert auf der Analyse stochastischer Signale, die aus den Kamerabildern ermittelt werden. Die methodischen Grundlagen des Verfahrens sind Korrelationsanalyse sowie Amplituden- und Frequenzfilterung. Die Rahmenbedingungen für den praktischen Einsatz sind durch die Variabilität von Auflösung und Blickwinkel an den unterschiedlichen Kamerastandorten geprägt. Die ermittelten Messwerte ermöglichen eine Unterscheidung der Verkehrszustände "flüssiger Verkehr", "zähflüssiger Verkehr" und "Stop&Go" und werden am Fundamentaldiagramm interpretiert

Ein Beitrag zur Steuerung von mobilen Systemen auf Grundlage der Bioorientierten Adaptiven Autonomie

Zusammenfassung: Die Forschung im Bereich mobiler Systeme hat in den letzten Jahren ständig an Bedeutung gewonnen. Als Ziel steht häufig das Erlangen von Autonomie im Vordergrund. Unterschiedliche Vorstellungen von „Autonomie“ erschweren dabei eine notwendige interdisziplinäre Zusammenarbeit von Spezialisten unterschiedlicher Fachrichtungen. Die vorliegende Dissertation schlägt mit der Bioorientierten Adaptiven Autonomie ein neuartiges Autonomie-Konzept vor. Indem Autonomie als variabler Zustand in einem Spektrum zwischen vollautonom und teleoperiert betrachtet wird, lassen sich alle vorhandenen Vorstellungen von Autonomie einordnen. Auch beschreibt das Konzept die Möglichkeit, den Autonomiegrad von Systemen durch einen Softwareadapter ständig den aktuellen Gegebenheiten anzupassen. Damit kann ein autonomes System auf Daten oder Rechenkapazitäten von außerhalb zugreifen. Auch kann ein Mensch in die Missionsausführung autonomer Systeme eingebunden werden, da die juristische Verantwortung immer bei einem Menschen liegen muss. Es wird herausgearbeitet, dass nicht das Erlangen eines möglichst hohen Autonomiegrades das Ziel sein sollte, sondern eines optimal angepassten. Besonders effizient ist das neuartige Autonomiekonzept bei der Realisierung von Teams aus unbemannten Systemen. Hier stehen die Zielstellungen ‚Autonomie’ und ‚Kooperation’ im klaren Widerspruch zueinander. Durch das Senken der einzelnen Autonomiegrade kann auf verschiedene Weisen Teamverhalten erzeugt werden. Im Rahmen dieser Arbeit werden unterschiedliche Umsetzungen von Teams aus mobilen Systemen beschrieben. Es werden verschiedene wissenschaftliche Methoden angewandt und verglichen. Als neuartig wird ein hybrider Ansatz mit analytischen, regel- und zustandsbasierten Umsetzungen angegeben und mit stochastikorientierten Verfahren sowie einem aus der Literatur entnommenen analytischen Ansatz verglichen. Ein wertender Vergleich der unterschiedlichen Realisierungsmöglichkeiten wird besonders im Hinblick auf praxistaugliche Anwendungen vorgenommen. Die vorgestellten Aussagen werden durch verschiedene Simulationen veranschaulicht, welche auch zur Verdeutlichung des Vergleichs der unterschiedlichen Teamstrategien herangezogen werden. Als Ausblick wird auf verschiedene Anwendungsmöglichkeiten hingewiesen, bei welchen gegenwärtig unter Mitarbeit des Autors das beschriebene Autonomiekonzept in die Praxis übertragen wird

An approach for stability analysis of systems with varying sampling rate

In dieser Arbeit wird ein Verfahren zur Stabilitätsprüfung hybrider Systeme beschrieben. Das entwickelte Verfahren lässt es zu, einen garantiert stabilen Bereich für die Variation der Abtastzeit anzugeben. Da veränderliche Abtastzeiten äquivalent zu variierenden Laufzeiten sind, wie sie beispielsweise durch Bussysteme verursacht werden, kann das Verfahren auch auf dezentrale hybride Regelungen angewendet werden, bei denen Sensoren und Aktoren über Bussysteme mit der Regelung gekoppelt sind. Die zur Herleitung des Verfahrens eingesetzten Methoden basieren auf dem Begriff der robusten Stabilität, die es ermöglicht, Stabilität für Systeme zu garantieren, die Unsicherheiten unterliegen. Daher wird die veränderliche Abtastzeit in einem ersten Schritt durch einen nichtlinearen Eingriff modelliert und anschließend in eine äquivalente Unsicherheit umgerechnet. Die Darstellung des mit Unsicherheiten behafteten Systems erfolgt als lineare Fraktionaltransformation. Anhand dieses Modells wird anschließend die Stabilität in Bezug auf eine Variation der Abtastzeit untersucht. Als Ergebnis des Verfahrens erhält man einen Bereich für die Abtastzeit, in dem Stabilität für das Gesamtsystem garantiert werden kann. Dabei ist es unerheblich, mit welcher Dynamik die Abtastzeit verändert wird. Anschließend werden die theoretischen Ergebnisse anhand eines realen Systems verifiziert. Dazu wurde im Rahmen eines Industrieprojektes ein Versuchsstand mit vier auf Winkelgleichlauf zu regelnden Gleichstromantrieben aufgebaut, eine Regelung entworfen und diese in eine speicherprogrammierbare Steuerung implementiert. Die Kommunikation der Regelung mit den Stellgliedern und der Messwerterfassung erfolgte über ein Bussystem. Nach der Modellierung des Gesamtsystems wird mit Hilfe des entwickelten Verfahrens der garantiert stabile Bereich für die Variationsbreite der Abtastzeit am Versuchsstand berechnet und die so bestimmten Stabilitätsgrenzen durch Messungen am Prüfstand verifiziert.In this thesis, a method is presented which allows the specification of stability margins for hybrid control systems composed of a sampled data feedback controller with varying sampling time and a continous linear system. The developed method provides lower und upper bounds for the sampling time and thus defining a range within guaranteed stability is ensured. The effect of varying sampling time and varying time delays of bus systems are equivalent. Therefore, the presented method can also be used for stability tests of decentralized controlled hybrid systems where the sensors and the actuators are linked to the controller by various bus systems. The derivation of the method is based on concepts of robust stability, which allows stability tests for systems with uncertainties. In a first step the varying sampling time is modeled by a non-linear operation. Afterwards, the non-linearity is converted into an uncertainty. Now the system can be represented as a linear fractional transformation. Based on this model the stability of the time varying system can be analyzed with respect to variations of sampling time. As a result this method specifies a range for the sampling time within which stability of the varying system can be guaranteed, regardless of the dynamics of the variation. Afterwards, the theoretical results are verified by measurements on a real system. A test bed was set up within the frame of an industrial project. The controllers were implemented in a programmable logic controller to ensure position synchronisation of four DC motors. All communications between the controller, actuators and sensors are established by bus systems. After modeling the overall system, the presented method is used to determine the stability margins of the test bed concerning the sampling time. Finally, the calculated bounds are verified by measurements

Adaptivität und semantische Interoperabilität von Manufacturing Execution Systemen (MES)

MES (Manufacturing Execution Systems) are situated between automation and management level and are affected from changes of the production. Therefore their adaptivity within the lifecycle of production plants is mission critical. Furthermore MES act as data and information hub. This means that they have to work together with other systems in an efficient and seamless way. MES must be interoperable and must have semantics under control. The present publication faces both aspects

Missionsbezogener modellgestützter Entwurf mobiler automatischer Systeme

Matter of this work is the application of Mission Level Design to the design of mobile automatic systems. It focuses on the mission level simulation, which aims at getting early estimations of the available system performance and at the discovery of possible problems. Mission Level Design is a mission oriented, model based design method for complex systems. It transforms the system specification into an executable, so called overall system model and simulates it. %This model is called overall system model, because it unites both functional, architectural and environmental aspects. Compared to other design methods, Mission Level Design features by the inclusion of the so called missions. They represent typical use cases of the system, that is to be developed, and are used as test conditions. The mission oriented simulation ensures, that the system will achieve its defined features. This work identifies the central aspects for the modeling of mobile automatic systems. Furthermore it shows, that the design of such systems requires several modifications of the modeling process: On one hand, the overall system model has to be partitioned into the system model and the environment. On the other hand, the inclusion of missions requires the enlargement of the so far usual concept of simulation by a mission management and a mission- specific evaluation phase. Based on theoretic considerations, this work introduces a newly developed framework for the mission oriented model based design of mobile automatic systems. Its basis is the commercial design tool MLDesigner, completed by the software tools MLEditor and MLVisor. The framework for the first time allows the easy realization of simulations on mission level. The framework's first practical use case is the \DeepCp"=project, which aims at the development of a novel autonomous underwater vehicle. Using the framework, investigations on mission level were carried out. The specially for this purpose developed overall system model of the \DeepC vehicle consists of a virtual environment and the system model of the vehicle. The latter contains the dynamics, sensors and actors as well as the functional software structure running on a virtual hardware. Furthermore, the model includes the energetic aspect, which constitutes a main limitative resource for autonomous underwater vehicles and is therefore of great importance. By this concrete example, this work demonstrates the realization of simulations on mission level.Gegenstand dieser Arbeit ist die Anwendung des Mission Level Designs auf den Entwurf mobiler automatischer Systeme. Im Mittelpunkt steht dabei die Simulation auf Missionsebene. Sie verfolgt das Ziel, möglichst frühzeitig im Entwurfsprozess Aussagen bezüglich der Leistungsfähigkeit des Systems zu gewinnen und mögliche Probleme zu erkennen. Beim Mission Level Design handelt es sich um eine missionsbezogene modellgestützte Systementwurfsmethode für komplexe Systeme. Sie überführt die Systemspezifikation in ein ausführbares Gesamtsystemmodell auf Systemebene und simuliert dieses. Gegenüber anderen Entwurfsmethoden zeichnet sich das Mission Level Design durch die Einbeziehung der sogenannten Missionen aus. Bei ihnen handelt es sich um typische Einsatzszenarien des zu entwerfenden Systems. Durch die missionsbezogene Simulation wird sichergestellt, daß das System die angestrebten Eigenschaften erreicht. Die vorliegende Arbeit identifiziert die für die Modellierung mobiler automatischer Systeme zentralen Aspekte. Darüber hinaus stellt sie fest, daß der Entwurf dieser Systeme eine Reihe von Erweiterungen des Modellierungsprozesses notwendig macht: Zum einen muss das Gesamtsystemmodell in die Teilmodelle Systemmodell und Umwelt untergliedert werden. Zum anderen erfordert die Einbeziehung der Missionen eine Erweiterung des Konzepts der Simulationsdurchführung um die neue Phase der Missionshandhabung und die Auswertung muß missionsspezifischen erfolgen. Auf Basis ihrer theoretischer Überlegungen stellt die Arbeit im zweiten Teil ein Framework für den missionsbezogenen modellgestützten Entwurf mobiler automatischer Systeme vor. Sein Kern ist das kommerzielle Entwurfsprogramm MLDesigner, erweitert um die neuentwickelten Programme MLEditor und MLVisor. Dieses Framework gestattet erstmals eine einfache Durchführung von Simulationen auf Missionsebene. Als erster konkreter Anwendungsfall des Frameworks dient das DeepC-Projekt, welches das Ziel verfolgt, ein neuartiges autonomes Unterwasserfahrzeug zu entwickeln. Für dieses wurden unter Nutzung des Frameworks Untersuchungen auf Missionsebene durchgeführt. Das eigens für diesen Zweck erstellte Gesamtsystemmodell des DeepC-Fahrzeugs besteht aus einer virtuellen Umwelt und einem Fahrzeugmodell, welches neben der Dynamik, der Sensorik und Aktorik auch die Softwarestruktur und ihre Abarbeitung auf einer virtuellen Hardware nachbildet. Desweiteren integriert das Modell den energetischen Aspekt, der als begrenzte Ressource für ein autonomes Unterwasserfahrzeug von besonderer Bedeutung ist. Anhand dieses praktischen Beispiels wird die Durchführung von Simulationen auf Missionsebene demonstriert

Neues Konzept zur Planung, Ausführung und Überwachung von Roboteraufgaben mit hierarchischen Petri-Netzen

Es wird gezeigt, wie die aufgabenausführungsrelevanten Komponenten einer hybriden Steuerungsarchitektur mit Hilfe von hierarchischen Petri-Netzen umgesetzt, integriert und mit Überwachungsmodulen verknüpft werden können. Hierzu wird zunächst ein Konzept zur Generierung von Aufgabenwissen vorgeschlagen, das es erlaubt Bausteine komplexer Handlungen systematisiert zu entwerfen. Im Anschluss wird ein neues Konzept zur online Überwachung von Bewegungsvorgängen bei humanoiden Robotern vorgestellt