Safe Autonomous Driving in Adverse Weather: Sensor Evaluation and Performance Monitoring

The vehicle's perception sensors radar, lidar and camera, which must work continuously and without restriction, especially with regard to automated/autonomous driving, can lose performance due to unfavourable weather conditions. This paper analyzes the sensor signals of these three sensor technologies under rain and fog as well as day and night. A data set of a driving test vehicle as an object target under different weather conditions was recorded in a controlled environment with adjustable, defined, and reproducible weather conditions. Based on the sensor performance evaluation, a method has been developed to detect sensor degradation, including determining the affected data areas and estimating how severe they are. Through this sensor monitoring, measures can be taken in subsequent algorithms to reduce the influences or to take them into account in safety and assistance systems to avoid malfunctions.Comment: Accepted for the 35th IEEE Intelligent Vehicles Symposium (IV 2023), 6 page

Aktinfilamente und Bündel in Strömung

Das Protein Aktin ist eine wichtige Komponente des Zytoskeletts und wird in vivo in Filamente, Bündel und Netzwerke organisiert. Aktinfilamente gelten als Modellsysteme für semiflexible Polymere um grundlegende Probleme und Fragestellungen in der Polymerphysik zu beantworten. In der hier vorliegenden Arbeit werden Experimente zum Verhalten einzelner semiflexibler Filamente in mikrofluidischer Umgebung vorgestellt. Des Weiteren werden Methoden der Mikrofluidik zur Analyse der zeitlichen Entwicklung des Entstehens von Aktinbündeln verwendet.Der erste Teil dieser Arbeit beschäftigt sich mit den Eigenschaften der Aktinfilamente in Mikrokanälen im Fluss. An verschiedenen Stellen entlang eines Querschnitts des Kanals werden Filamente bei unterschiedlichen Geschwindigkeiten analysiert. Durch den Fluss im Mikrokanal werden die Aktinfilamente gestreckt oder gebogen, wobei gestreckte Filamente häufiger zu beobachten sind. Die Wahrscheinlichkeitsverteilungen des End-zu-End-Abstandes und des Winkels des End-zu-End-Vektors relativ zur Flussrichtung bei unterschiedlichen Geschwindigkeiten zeigen, dass die Streckung und Ausrichtung mit zunehmenden Geschwindigkeiten ansteigt. Die charakteristischen Orientierungsparameter, der bevorzugte Winkel und die Breite der Wahrscheinlichkeitsverteilung des Winkels, gehorchen den Skalengesetzen für steife oder stark gestreckte Polymere im einfachen Scherfluss. Zusätzlich zu den gestreckten Filamenten kann teilweise auch eine Taumelbewegung beobachtet werden, bei der ein Ende eines Filaments das andere überholt. Die Krümmungsradien der gebogenen Filamente während des Taumelns nehmen mit ansteigenden Geschwindigkeiten ab. Unter Verwendung des Kräftegleichgewichts von Reibungs- und Biegekräften wird ein Skalengesetz hergeleitet, mit welchem die experimentellen Werte äußerst gut beschrieben werden können. Gebogene Filamente werden zusätzlich auch in der Kanalmitte beobachtet, deren relativ stabile Formen durch Parabeln beschrieben werden können. Der Grund für die Verbiegung dieser Filamente ist das nicht-monotone, parabolische Flussprofil. Die parabelförmigen Konturen können mit einem Model eines elastischen Stabes beschrieben werden. Zusätzlich zu den Konformationen und Orientierungen der Filamente im Fluss wird die Häufigkeitsverteilung der Filamente an verschiedenen Kanalpositionen entlang eines Querschnittes analysiert. Wahrscheinlichkeitsverteilungen des Schwerpunktes zeigen, dass die Filamente nicht gleichmäßig über die ganze Kanalbreite verteilt sind. In Nähe der Wände existieren deutliche Verarmungszonen. Bei hohen Flussgeschwindigkeiten bildet sich zusätzlich eine starke Verarmungszone in der Kanalmitte aus. Eine Verringerung der Filamentdiffusivität hin zur Wand ist aufgrund der ansteigenden Scherrate vorhanden. Dies führt zu einer Bewegung der Filamente weg von der Kanalmitte. In Nähe der Wände lassen sich die Verarmungszonen durch sterische und hydrodynamische Wechselwirkungen mit den Wänden erklären. Die ortsabhängige Diffusivität der Filamente kann bestimmt werden indem eine Proportionalität zwischen Diffusivität und mittlerer quadratischer Abweichung der Filamentsegmente von der Stromlinie des Filamentsschwerpunktes angenommen wird. Unter Verwendung dieser Diffusivität können die Wahrscheinlichkeitsverteilungen des Schwerpunktes bei verschiedenen Geschwindigkeiten berechnet werden. Die berechneten und experimentellen Verteilungen zeigen die gleichen grundlegenden Merkmale wie Verarmungszonen an den Wänden und in der Kanalmitte.Im zweiten Teil der Arbeit wird die Bildung von Bündeln bestehend aus Aktinfilamenten unter Zugabe bündelbildender Proteine oder mehrwertiger Ionen diskutiert. Mit Methoden der Mikrofluidik basierend auf hydrodynamische Fokussierung wird die Bündelung zeitaufgelöst auf molekularer Skala fluoreszensmikroskopisch abgebildet. Ausgehend von einzelnen Filamenten wird die Bildung der Bündel und deren Anwachsen analysiert. Aus der Intensität des Fluoreszenssignals kann dabei die Anzahl der Filamente innerhalb eines Bündels bestimmt werden. Die Auswertung zeigt, dass die Bündlung von Aktinfilamenten ein diffusionslimitierter Prozess ist. Durch Analyse der thermischen Fluktuationen der Bündel lassen sich auch ihre mechanischen Eigenschaften bestimmen. Die Abhängigkeit der gemessenen Persistenzlänge von der Anzahl der Filamente innerhalb eines Bündels weißt auf eine schwache Kopplung der Filamente untereinander hin. Diese Kopplung resultiert vermutlich aus einer Optimierung der Ladungsverteilung innerhalb der Bündel

Brownian motion of actin filaments in confining microchannels

Since the cytoskeletal protein actin is one of the principal building blocks of mammalian cells, it has recently been arousing much interest. Here, we address questions concerning the mechanical and dynamic behaviour of individual actin filaments in confining geometries which mimic the dense cytoskeletal network in eukaryotic cells. Microfluidic devices fabricated by soft photolithography in combination with fluorescence microscopy are used to manipulate, observe and characterize these biopolymers. The polymer statistics is strongly dependent on the characteristics of the surroundings such as the degree of confinement and hydrodynamical flow. Besides this, the intrinsic mechanical properties of the filaments are dominated by the persistence length and the contour length. We analyse the tangent–tangent correlation and the radial distribution function in terms of a confining potential and the contour length of the filaments. In addition, we show that hydrodynamic flow can be successfully used to apply controlled local stress on actin filaments. Our results can be surprisingly well described by a straightforward model which approximates the confining energy of the microchannels using a parabolic potential