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This thesis proposes a new adaptive black-box adversarial attack method that is both reliable and efficient. With it, a comprehensive robustness evaluation of image classifiers and defenses against adversarial attacks is conducted. The results show that all classifiers are vulnerable and many defenses are ineffective. The attack is also effective against real-world commercial services. Recommendations for defenses in the real world are developed from the results., Die Dissertation stellt ein neues adaptives Black-Box-Verfahren zur Erzeugung von Adversarial Examples vor, welches sowohl zuverlässig als auch effizient ist. Hiermit wird die Robustheit von Bildklassifikatoren und Abwehrmechanismen experimentell untersucht. Alle untersuchten Klassifikatoren sind verwundbar und viele Verteidigungsmaßnahmen unwirksam. Der Angriff ist auch gegen reale kommerzielle Systeme erfolgreich. Aus den Ergebnissen werden Empfehlungen zur wirksamen Abwehr hergeleitet.

In this thesis, we argue for the need to expand graph neural network models to more complex graph types. We benchmark common GNN architectures on simple graphs. Then, we introduce local and hard pooling layer to modify graph topology. We apply GNNs to two tasks: Vehicle behaviour prediction on the highway (introducing edge features) and high-voltage power grid control (introducing more complex edge features and heterogeneous nodes). We use the latter's output to warm-start a classical optimizer., In dieser Arbeit argumentieren wir dafür, Graph Neural Network-Modelle für komplexere Graphen zu erweitern. Wir evaluieren häufig verwendete GNN-Architekturen auf einfachen Graphen. Dann entwickeln wir ein lokales und hartes Pooling-Layer um die Graphtopologie zu modifizieren. Wir wenden GNNs auf zwei Aufgaben an: Verkehrsprädiktion auf der Autobahn und Kontrolle von Hochspannungsnetzen. Die Ergebnisse von letzterem nutzen wir als Startpunkt für einen klassischen Optimierer.

This thesis addresses behavior planning for autonomous vehicles in highly dense scenarios, which are challenging because of the necessary interactions with other agents. Here, autonomous vehicles need to flow with traffic but also adhere to all traffic rules – even complex priority rules like the zipper merge. Two problems arise from that: First, traffic rules are fuzzy and not mathematically defined, making them incomprehensible to machines. Without proper formalization, satisfaction cannot be monitored in simulation or testing nor implemented for planning. Second, the planning component needs to integrate those rules, but no interaction-aware planning algorithm exists that provides a mechanism to enforce the compliance to rules, which depend on the behavior of multiple interacting participants. This work approaches the first problem by introducing a methodology to formalize traffic rules in a formal language. Temporal logic is used as a formal specification language to capture a wide range of traffic rules. The rules are evaluated on public traffic data. The second problem is addressed by designing rule-compliance to traffic rules for two orthogonal interactive planning algorithms. The first approach monitors the rules within a randomized search of a decision tree. It exploits the structure of the decision tree by encoding temporal rule information in the tree node. A simulation-based evaluation toolchain helps to study the effects of modeling a specific rule. This way, contradictions in the rules can be identified and fed back to the rule formalization stage. As randomized solution methods may be challenging for certifying the algorithm, a second approach based on optimal control is presented. The novel model formulation is solved using Mixed-Integer Programming and approximates the rules to be part of the optimization. The effectiveness of the rule approximation is demonstrated in simulation., Die vorliegende Dissertation befasst sich mit der Verhaltensplanung für autonome Fahrzeuge in dichten Szenarien, welche aufgrund der darin notwendigen Interaktionen mit anderen Agenten eine Herausforderung für bestehende Systeme darstellen. In solchen Szenarien müssen autonome Fahrzeuge mit dem Verkehr mitschwimmen, aber auch alle Verkehrsregeln einhalten – selbst komplexe Vorfahrsregeln wie das Reißverschlussverfahren. Daraus ergeben sich zwei Probleme: Erstens sind die Verkehrsregeln unscharf und nicht mathematisch definiert, was eine maschinelle Auswertung verhindert. Ohne Formalisierung kann die Einhaltung weder in Simulationen oder realen Tests überwacht werden, noch innerhalb eines Planungsalgorithmus implementiert werden. Zweitens muss die Planungskomponente diese Regeln integrieren, aber es existiert kein Interaktionen modellierender Planungsalgorithmus, der einen Mechanismus zur Einhaltung von Regeln bietet, die vom Verhalten mehrerer interagierender Teilnehmer abhängen. Diese Arbeit nähert sich dem ersten Problem durch die Einführung einer Methodik zur Formalisierung von Verkehrsregeln in einer formalen Sprache. Dabei wird temporale Logik als formale Spezifikationssprache verwendet, um eine breite Palette von Verkehrsregeln zu beschreiben. Die Regeln werden mittels öffentlicher Verkehrsdaten ausgewertet. Das zweite Problem wird durch den Entwurf der Regelkonformität für zwei orthogonale interaktive Planungsalgorithmen behandelt. Der erste Ansatz überwacht die Regeln während einer zufallsbasierten Suche innnerhalb eines Entscheidungsbaums, und nutzt dessen Struktur aus, indem er zeitliche Regelinformationen in den Baumknoten kodiert. Ein simulationsbasiertes Evaluierungswerkzeug hilft dabei, die Auswirkungen der Modellierung einer bestimmten Regel zu untersuchen. Auf diese Weise können Widersprüche in den Regeln identifiziert und in die Phase der Regelformalisierung zurückgeführt werden. Da zufallsbasierte Lösungsmethoden eine Herausforderung für die Zertif

This thesis applies reinforcement learning to learn behavior policies for autonomous vehicles, evaluates and post-optimizes these to obtain smooth behaviors. It proposes reward shaping functions, discusses input representations, and introduces a graph neural network actor-critic architecture that is invariant towards the number and order of vehicles. The behavior policies are evaluated at runtime using a counterfactual behavior policy evaluation. A post-optimization smoothens the behavior that preserves the interactions with others while guaranteeing the same constraints., Diese Thesis wendet Reinforcement Learning zum Erlernen von Verhaltensstrategien für autonome Fahrzeuge an, wertet diese aus und optimiert diese nach, um reibungslose Verhalten zu erhalten. Es schlägt Belohnungsformungsfunktionen vor, diskutiert Eingabedarstellungen und führt eine Graph Neural Network Actor-Critic Architektur ein, die invariant gegenüber der Anzahl und Reihenfolge der Fahrzeuge ist. Die Verhaltensstrategien werden zur Laufzeit unter Verwendung der Counterfactual Behavior Policy Evaluation evaluiert. Das Verhalten wird von einer Nachoptimierung geglättet, welche die Interaktionen mit anderen bewahrt und gleichzeitig die gleichen Einschränkungen garantiert.

Current vehicles generate a considerably rich amount of data which enables the development of new functions, especially data-driven functions. This work presents an approach to automatically select a signal subset out of all available vehicle signals, which should be used as input for a data-driven function. The proposed approach can either be deployed directly onboard the vehicle or in the back end., Heutige Fahrzeuge erzeugen eine beträchtliche Menge an Daten, welche die Entwicklung neuer Fahrzeugfunktionen, insbesondere datengetriebene Funktionen, ermöglicht. In dieser Arbeit wird ein Ansatz vorgestellt, der automatisch aus allen Fahrzeugsignalen die relevanten auswählt, die als Eingangswert für eine datengetriebene Funktion genutzt werden sollten. Dieser Ansatz kann entweder direkt im Fahrzeug oder auch im Backend ausgeführt werden.

This thesis proposes efficient realization of visual assistive self-diagnosis features in automated production systems as a means to improve the cost and resource efficiency of current industrial corrective maintenance. A methodology for effectively realizing self-diagnosis in the production systems by reusing their engineering data is devised. Two application examples confirm the improvement in industrial corrective maintenance with the proposed solution., Diese Dissertation schlägt eine effiziente Realisierung visuell, assistierender Selbstdiagnosefunktionen in automatisierten Produktionssystemen zur Verbesserung der Kosten- und Ressourceneffizienz für die industrielle korrektive Wartung vor. Dazu wird eine Methode zur effektiven Realisierung der Selbstdiagnose durch Wiederverwendung der Engineering Daten entworfen. Zwei Applikationsbeispiele bestätigen die Verbesserung der industriellen korrektiven Wartung durch die vorgeschlagene Lösung.

In der Automobilproduktion spielt die Erkennung und Nacharbeit von Qualitätsabweichungen eine wichtige Rolle. Diese Arbeit untersucht den Einsatz eines Convolutional Neural Network zur optischen Detektion von Schweißfehlern. Zudem wird eine Cloud-/Edge-Architektur konzipiert, wodurch eine vom Fehlerfall abhängige Nacharbeit automatisiert angestoßen werden kann. Diese Konzepte werden anhand der Hairpin-Verschweißung des Antriebstrangs eines Elektrofahrzeugs technisch umgesetzt und validiert., The detection and rework of quality deviations plays an important role in automotive production. This research investigates the application of a Convolutional Neural Network for the optical detection of welding defects. In addition, a cloud/edge architecture is designed, supporting automated rework depending on the failure case. The concepts are technically implemented and validated using the hairpin welding process of an electric vehicle’s drive train.

This thesis applies heterogeneous computing to the design of automated driving module and real-time ADAS applications. First, this thesis proposes a high-performance and heterogeneous ECU for automated driving. Several typical ADAS applications are customized to investigate the performance and energy tradeoff in the system. Subsequently, this thesis gives a detailed performance optimization procedure and proposes a hybrid framework to predict the performance of parallel workloads. At last, this thesis gives a solution to prune the program design space in order to locate the optimal program design configurations., Diese Diplomarbeit wendet heterogenes Computing auf das Design von automatisierten Fahrmodulen und Echtzeit-ADAS-Anwendungen an. Zunächst wird in dieser Arbeit ein leistungsstarkes und heterogenes Steuergerät für das automatisierte Fahren vorgeschlagen. Mehrere typische ADAS-Anwendungen werden angepasst, um die Leistung und den Energiekompromiss im System zu untersuchen. Anschließend wird in dieser Arbeit ein detailliertes Verfahren zur Leistungsoptimierung beschrieben und ein Hybrid-Framework zur Vorhersage der Leistung paralleler Workloads vorgeschlagen. Zuletzt bietet diese Arbeit eine Lösung, um den Programmdesignbereich zu beschneiden, um die optimalen Programmdesignkonfigurationen zu finden.

Ausgehend von den in der technischen Spezifikation ISO TS-15066 neu formulierten Anforderungen an kollaborierende Roboteranlagen werden Einflussgrößen auf die auftretende Kollisionskraft identifiziert und experimentell untersucht. Auf Basis einer Datenbank wird ein Regressionsmodell aufgezeigt, mit welchem sich die Kollisionskraft entlang einer Trajektorie berechnen lässt. Dies ermöglicht eine frühzeitige Integration der Anforderungen in den Planungsprozess von kollaborierenden Roboteranlagen., Based on the requirements of the technical specification ISO TS-15066 for collaborative robot systems, influencing factors on the occurring collision force are identified and experimentally investigated. A regression model is outlined which allows a calculation of the collision force along a trajectory based on an experimental data base. This allows an early integration of the outlined requirements into the planning process for collaborative robot systems.

Studying the underlying mechanism of neural circuit and modelling it to control locomotion remains non-trivial. This thesis presents a biological-inspired hierarchical control architecture and takes a snake robot as an agent to perform autonomous locomotion tasks. This controller consists of two parts: a high-level Spiking Neural Network for processing information and making decisions; a low-level Central Pattern Generator generating joint orders for desired actions. Snake robots are studied to demonstrate the proposed controller for three different autonomous locomotion tasks., Die zu Grunde liegenden Vorgänge neuronaler Schaltkreise zu Untersuchen und diese derart zu modellieren ist nachwievor nicht trivial. Diese Arbeit stellt eine bionische, hierarchisch aufgebaute Kontrollstruktur vor und demonstriert diese anhand einer Roboterschlange, die versucht, Aufgaben für autonome Fortbewegung zu lösen. Diese Steuereinheit besteht aus zwei Teilen: Einem gepulsten neuronalen Netz zur Informationsverarbeitung und Entscheidungsfindung, sowie einem zentralen Mustergenerator, der Steuerbefehle für die gewünschten Bewegungsmuster erstellt. Schlangenroboter werden untersucht, um den vorgeschlagenen Controller für drei verschiedene autonome Fortbewegungsaufgaben zu demonstrieren.

Precise localization is a prerequisite for successful autonomous vehicles. This thesis proposes a new cooperative localization system using measurements from both internal ego-vehicle and external infrastructure sensors to improve the localization of the ego and neighbouring vehicles. The problem is formulated as novel factors in a factor graph. The graph is solved using a non-linear least square optimizer for the state estimates of the vehicles. The experiments show the feasibility of the proposed system., Präzise Lokalisierung ist eine Voraussetzung für autonome Fahrzeuge. Diese Arbeit schlägt ein neues kooperatives Lokalisierungssystem vor, das Messungen von internen Ego-Fahrzeug- und externen Infrastruktur-Sensoren verwendet, um die Lokalisierung des Ego- und benachbarter Fahrzeuge zu verbessern. Das Problem wird als neuartig Faktoren in einem Faktorgraph formuliert und mit einem nichtlinearen Algorithmus des kleinsten Quadrats für die Zustandsschätzungen der Fahrzeuge gelöst. Die Experimente zeigen die Funktionstüchtigkeit des vorgestellten Systems.

Time-Sensitive Networking (TSN) standards address hard timing requirements of Ethernet-based distributed applications. The traffic planning and verification of these networks require advanced expertise and are time-consuming. In this thesis, a modeling approach is presented based on logic programing to facilitate network scheduling and infrastructural verification and to enable tracing of design errors., Time-Sensitive Networking (TSN) Standards adressieren harte Echtzeitanforderungen der Ethernet-basierten verteilten Anwendungen. Die Planung und Verifikation dieser Netzwerke sind zeitintensiv und verlangen fortgeschrittene Fachkenntnisse. Diese Arbeit präsentiert einen Modellierungsansatz basierend auf logischer Programmierung mit dem Ziel, die Netzwerkplanung und infrastrukturelle Verifikation zu unterstützen und die Nachverfolgung der Entwurfsfehler zu ermöglichen.

High-resolution traffic simulators require a large number of hardware resources, which are not accessible to everyone. Cloud computing is a possible solution to the democratization research by enabling access to high-performance resources. Within this thesis, a reference architecture for cloud-based traffic simulation is introduced and evaluated. An agent-based traffic simulation (CityMoS) is used as a use-case. The capabilities of cloud computing are demonstrated, while the challenges in data extraction and search-space exploration are presented and addressed., Detaillierte Simulatoren benötigen eine große Anzahl an Hardwareressourcen. Ein Ansatz dieses Problem zu bewältigen ist Cloud-Computing, das den Zugang zu hoch-performanten Ressourcen erleichtert. In dieser Dissertation wird eine cloudbasierte Referenzarchitektur für agenten-basierte Simulationen entworfen, anschließend im Verkehrssimulator CityMoS umgesetzt und evaluiert. Mit der hier vorgestellten Lösung wird somit eine verteilte und zeitsparende Erkundung von großen Parameterräumen möglich.

This thesis proposes efficient realization of visual assistive self-diagnosis features in automated production systems as a means to improve the cost and resource efficiency of current industrial corrective maintenance. A methodology for effectively realizing self-diagnosis in the production systems by reusing their engineering data is devised. Two application examples confirm the improvement in industrial corrective maintenance with the proposed solution., Diese Dissertation schlägt eine effiziente Realisierung visuell, assistierender Selbstdiagnosefunktionen in automatisierten Produktionssystemen zur Verbesserung der Kosten- und Ressourceneffizienz für die industrielle korrektive Wartung vor. Dazu wird eine Methode zur effektiven Realisierung der Selbstdiagnose durch Wiederverwendung der Engineering Daten entworfen. Zwei Applikationsbeispiele bestätigen die Verbesserung der industriellen korrektiven Wartung durch die vorgeschlagene Lösung.

An integrated modeling approach addresses two common robotics software engineering needs in combination. One is related to complexity management by component-based engineering. The other is related to managing non-functional properties. An Eclipse-based modeling tool and a real-world example demonstrate that external analysis tools from other domains can be made accessible for the robotics domain to systematically manage non-functional aspects in robotics applications., Ein integrierter Modellierungsansatz adressiert zwei gängige Engineering Probleme in der Robotik. Komplexitätsbeherrschung durch Komponentenbauweise in Kombination mit dem Verwalten nichtfunktionaler Systemeigenschaften. Ein Eclipse-basiertes Modellierungstool und ein Realweltbeispiel demonstrieren wie externe Analysetools aus anderen Domänen in der Robotik systematisch benutzt werden können um nichtfunktionale Aspekte in Robotik Anwendungen zu verwalten.

As the VLSI technology is scaling to deep sub-micron domain, temperature has become an emerging issue of high importance for real-time systems. In this thesis, we focus on developing the system level dynamic thermal management technique for real-time systems. The main contributions are: 1. An offline thermal management is presented for single core real-time systems. 2. Periodic thermal management is extended to pipeline multicore systems. 3. An online adaptive periodic thermal management is proposed. 4. A thermal framework which can evaluate various thermal managements in a fast manner is presented., Aufgrund der Entwicklung von VLSI hin zu einer deep sub-micron Domäne, entwickelt sich Temperatur zu einem zunehmenden Problem von hoher Bedeutung für Echtzeitsysteme. Der Fokus dieser Arbeit liegt auf der Entwicklung einer auf Systemlevel dynamischen Thermomanagementmethode für Echtzeitsysteme. Die Hauptanteile sind: 1 ein offline Thermomanagementsystem wird vorgestellt. 2 das periodische Thermomanagementsystem wird erweitert, um Mehrkernsysteme zu unterstützen. 3 ein online anpassbares periodisches Thermomanagement wird vorgeschlagen. 4 ein Thermo-Framework, welches verschiedene Thermomanagementsysteme schnell evaluieren kann wird vorgestellt.

This thesis improves software development for service robotics. It advances from handmade crafting and integration of software to systematic engineering of software based on system composition in order to enable collaboration among different experts in a service robotics software business ecosystem. The approach introduces a model-driven composition structure, workflow, and tooling to organize collaboration and exchange in a software ecosystem using service-oriented software components., Diese Arbeit verbessert die Softwareentwicklung in der Servicerobotik, indem der Schritt von der manuellen Integration hin zum systematischen Konstruieren von Software durch das flexible Zusammensetzen von Bausteinen (engl. „System Composition“) erzielt wird. Das Zusammensetzen ermöglicht die Zusammenarbeit und Interaktion von Experten in einem Software-Ökosystem für die Servicerobotik. Die Arbeit trägt dazu eine modellgetriebene Struktur, einen Entwicklungsprozess und Werkzeuge bei.

Nondeterministic behavior of traffic participants and inaccurate sensors and actuators challenge the reliability of autonomous driving planning and control functions. This thesis presents a novel approach for efficiently testing the software implementation of such systems in a simulation environment. The algorithm splits the simulation into short sequences that cover different desired and undesired behaviors of the system. This way, the developed method is more efficient than existing approaches., Nichtdeterministisches Verhalten von Verkehrsteilnehmern, sowie Sensor- und Aktorungenauigkeiten sind eine Herausforderung für die Zuverlässigkeit von autonomen Planungs- und Regelungs- Funktionen. Die vorliegende Arbeit stellt einen neuen Ansatz vor, der die Implementierung eines solchen Systems effizient in einer Simulationsumgebung testet. Der Ansatz teilt die Simulation in kurze Sequenzen auf, die zusammengesetzt verschiedene potentiell unerwünschte Verhaltensmuster des Systems abbilden. Auf diese Weise ist das Konzept effizienter als existierende Ansätze.

Building a 3D human motion perception system in an efficient way remains non-trivial. This work presents two frameworks for the development of 3D human motion perception systems: autonomously feature learning with un-supervision and efficient system developing with randomization and discrimination. The major contribution of this thesis is the presentation of three advanced machine learning techniques, Un-supervision, discrimination and randomization, to guarantee the efficiency when developing 3D human motion perception system. Two applications of 3D human action and gesture recognition systems are developed to demonstrate the practicability of the approach., Ein Wahrnehmungssystem für menschliche 3D Bewegungen effizient zu bauen ist nachwievor nicht trivial. Diese Arbeit stellt 2 Frameworks zur Entwicklung von 3D Wahrnehmungssystemen menschlicher Bewegungen vor: autonomes Lernen von Features und effiziente Systementwicklung mit Randomisierung und Diskriminierung. Der größte Beitrag dieser Arbeit ist die Vorstellung dreier Machine Learning Techniken, Nicht-Überwachung, Diskriminierung und Randomisierung, um die Effizienz bei der Entwicklung von Wahrnehmungssystemen menschlicher Bewegung in 3D zu gewährleisten. Zwei Anwendungen des Erkennungssystems wurden entwickelt, um die Anwendbarkeit des Ansatzes unter Beweis zu stellen.

In this thesis, we focus on adaptively postponing the mode-switch online by exploiting the system's static and runtime slacks; and we address the problem of schedulability analysis towards a more general task model in mixed-criticality systems. We also present a case study showing the application of some basic mixed-criticality scheduling concepts in an autonomous driving system., In dieser Arbeit konzentrieren wir uns darauf, den ”Modus-Wechsel“ während der Ausführung zu verschieben, indem wir die statischen Leerlaufzeiten des Systems ausnutzen. Hierbei wird ein Analyseverfahren für ein generisches Aufgabenmodell in Systemen mit gemischter Kritikalität entwickelt und genutzt, um ein Online-Verfahren zu entwerfen, das kurzfristig zur Laufzeit ein Zeitbudget fürÜberläufe nutzt, um so einen Modus-Wechsel zu verschieben.

This thesis presents efficient computational techniques for optimizing transportation systems split into four steps: 1) an analysis step, which identifies sensitive locations in the road network used as strategic steering tools; 2) a planning step, which involves applying hypothetical changes at problematic locations; 3) a routing control step, executed by state of the art system optimum computation algorithm; and 4) a surveillance step, solving the optimal sensor placement problem, ensuring robustness against long term traffic demand variations., In dieser Dissertation werden effiziente Berechnungsmethoden zur Optimierung von Verkehrssystemen vorgestellt. Diese sind in 4 Schritte aufgeteilt: 1) Analyse, welche problematische Standorte im Straßennetzwerk identifiziert und zur Steuerung einsetzt werden; 2) Planung, wendet hypothetischen Ergebnisse auf identifizierte Standorte an; 3) Streckenplanung, benutzt SoA Systemoptimum-Berechnungsmethoden und 4) Überwachung, welche die Lösung optimaler Sensorplatzierungsprobleme beinhaltet, welches Robust gegen Veränderungen in der Verkehrsnachfrage ist.

This thesis presents a novel vision-based control system for industrial manipulators. The primary contribution is an uncalibrated Visual Servoing (VS) based on 6D orthogonal features. These features have good linearization and decoupling properties, leading to a full-rank image Jacobian which allows avoiding classical VS problems such as image space singularities and local minima. By integrating the VS system with the environment and robot model constraints in real world applications using a prioritized multi-constraints control framework, we demonstrate that it can be easily and safely integrated into a variety of robotic systems involving human-robot interaction., Diese Arbeit präsentiert ein neuartiges und robustes System zur bildgestützten Steuerung von industriellen Manipulatoren. Der primäre Beitrag dieser Arbeit ist ein Visual Servoing (VS) basierend auf einem neuen 6D-Lagevektor. Jede Komponente des Lagevektors ist orthogonal, unabhängig und weist gute Entkoppelungs- und Linearisierungseigenschaften auf. Dies führt zu einer bild-jakobischen Matrix mit vollem Rang, einige klassische Probleme umgeht. Durch die Integration des VS Systems mit einer priorisierenden Robotersteuerung, unter Berücksichtigung von Umgebungs- und Roboterrandbedingungen, wird gezeigt, dass die Ergebnisse dieser Arbeit leicht übertragen werden können.

We present our efforts in bringing algorithmic game solving from theoretical results towards concrete applications. We first create the tool GAVS+ which collects most types of games having practical interests with various winning conditions. GAVS+ is the first library which summarizes existing efforts in such a comprehensive way. With the library in hand, we bridge games in theory and concrete applications in synthesis; new algorithms are introduced when required., Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der praktischen Anwendung von algorithmischer Spieletheorie. Die Arbeit stellt das Werkzeug GAVS+ vor, das verschiedenste Arten von Spielen und Gewinnbedingungen, die eine praktische Relevanz haben, umfasst. GAVS+ is das erste Werkzeug, das die verschiedenen Ansätze in dem Bereich, umfassend unterstützt. Auf Basis von dem Werkzeug wird das formale Fundament der Spieltheorie mit einem praktischen Anwendungsfeld, der Synthese, verbunden.

Time-Sensitive Networking (TSN) standards address hard timing requirements of Ethernet-based distributed applications. The traffic planning and verification of these networks require advanced expertise and are time-consuming. In this thesis, a modeling approach is presented based on logic programing to facilitate network scheduling and infrastructural verification and to enable tracing of design errors., Time-Sensitive Networking (TSN) Standards adressieren harte Echtzeitanforderungen der Ethernet-basierten verteilten Anwendungen. Die Planung und Verifikation dieser Netzwerke sind zeitintensiv und verlangen fortgeschrittene Fachkenntnisse. Diese Arbeit präsentiert einen Modellierungsansatz basierend auf logischer Programmierung mit dem Ziel, die Netzwerkplanung und infrastrukturelle Verifikation zu unterstützen und die Nachverfolgung der Entwurfsfehler zu ermöglichen.

Teleoperated driving is considered to be a transient technology for driverless driving in urban environments. Although this mobility concept benefits from retaining humans within vehicles’ control loops, it faces challenges. This work proposes a package of advanced driver assistance systems to tackle the existing challenges while teleoperated driving in urban environments., Teleoperiertes Fahren gilt als eine Übergangstechnologie zum vollautonomen Fahren in innerstädtischen Umgebungen. Obwohl dieses Konzept große Vorteile gegenüber dem aktuellen Stand der Technik des fahrerlosen Fahrens in der Stadt darstellt, leidet es unter eigenen Herausforderungen. Um diese Herausforderungen zu bewältigen, stellt diese Arbeit die wesentlichen Fahrerassistenzsysteme vor, die dem menschlichen Operator bei der Durchführung der Fahraufgabe unterstützen.

Teleoperated driving is considered to be a transient technology for driverless driving in urban environments. Although this mobility concept benefits from retaining humans within vehicles’ control loops, it faces challenges. This work proposes a package of advanced driver assistance systems to tackle the existing challenges while teleoperated driving in urban environments., Teleoperiertes Fahren gilt als eine Übergangstechnologie zum vollautonomen Fahren in innerstädtischen Umgebungen. Obwohl dieses Konzept große Vorteile gegenüber dem aktuellen Stand der Technik des fahrerlosen Fahrens in der Stadt darstellt, leidet es unter eigenen Herausforderungen. Um diese Herausforderungen zu bewältigen, stellt diese Arbeit die wesentlichen Fahrerassistenzsysteme vor, die dem menschlichen Operator bei der Durchführung der Fahraufgabe unterstützen.

In times of fast changing markets and short product life-cycles, manufacturing systems have to be adaptable and support a variety of products and product volumes. Production has to be product-driven. This thesis aims at improving flexibility of IT-systems by automatically detecting system configurations and generating factory-specific executable action sequences that consider material flows and capabilities of available resources. By decoupling products from manufacturing systems, generic descriptions can be reused for different setups and adaptability is increased., Zukünftige Produktionssysteme müssen wandelbar und produktgetrieben sein, um trotz wandelnder Märkte und kurzen Produktlebenszyklen ökonomisch zu bleiben. Das Ziel dieser Arbeit ist die Erhöhung der softwareseitigen Flexibilität durch die automatische Erkennung von Systemkonfigurationen und das Generieren von ausführbaren Schrittfolgen unter Berücksichtigung des Materialflusses und der Fähigkeiten vorhandener Ressourcen. Durch die Entkopplung von Produkt und System können generische Beschreibungen wiederverwendet und die Wandlungsfähigkeit erhöht werden.

Diese Arbeit stellt Ansätze zur Fahrzeugeigenlokalisierung innerhalb bekannter Umgebungen wie Parkhäuser und Tiefgaragen vor. Sie sollen das autonome Parken ausschließlich auf Basis fahrzeugseitiger Seriensensorik ermöglichen. Es wurde einerseits ein Partikel-Filter-basierter Ansatz entwickelt, welcher auf Basis von Ultraschallsensoren, der Fahrzeugodometrie sowie einer a priori bekannten Umfeldkarte die Fahrzeugpose schätzt. Außerdem wurde ein bildbasierter Ansatz realisiert, welcher die Fahrzeugeigenlokalisierung anhand a priori kartierter, künstlicher (hier: AprilTags) wie semi-natürlicher Merkmale (hier: Parkplatzmarkierungen) durchführt., This thesis presents methods for vehicle localization within known environments like car parks and underground car parks. These methods enable autonomous parking solely using the cars series production sensors. On the one hand, a particle-filter-based approach was developed, which estimates the vehicle’s pose using ultrasonic sensors, vehicle’s odometry and an a priori map of the environment. On the other hand, a camera-based approach was realized, which performs vehicle localization using image processing to detect semi-natural (here: car park markings) and artificial landmarks (here: AprilTags).

To cope with the complexity and demanding safety properties of future fully automated driving systems, this thesis proposes a model-based approach and a reusable fault-management layer for a run-time environment. Design complexity is reduced by introducing a meta-model that standardizes and raises the abstraction level for specification of safety properties. A tool uses the meta-model to generate configuration information for the fault-management layer. The layer preserves system safety by facilitating error detection mechanisms and introducing novel fault handling techniques for safe adaptation on function and system level., Autonomes Fahren stellt in der Zukunft hohe Anforderungen an die Systemsicherheit dar. Ziel dieser Arbeit ist die Einführung eines Modell-basierten Ansatzes, der die Spezifikation der Sicherheitsaspekte standardisiert und vereinfacht. Basierend darauf werden sicherheitsrelevante Konfigurationsinformationen für eine wiederverwendbare Fehlermanagementebene, die die Systemsicherheit zur Laufzeit sicherstellt, generiert. Das Fehlermanagement führt Fehlererkennungsmechanismen ein, die danach neuartige Fehlerbehandlung auf Funktions- und Systemebene ermöglichen.

The primary aim of Advanced Driver Assistance Systems (ADAS) is to aid in improving the safety and performance of assisted driving. This is achieved using a suite of integrated sensors to detect, identify and track targets within the environment. The map of target objects is then used to form the situational awareness for highly assisted (and in the future autonomous) driving operations. Since traffic participants are monitored by heterogeneous sensors with different capabilities and different fields of view, target tracking algorithms within ADAS are required to deal with randomly varying numbers of targets with various properties in presence of unknown data association and spatial registration. A rigorous mathematical foundation for dealing such scenarios has been developed, which is called 'Random Finite Set statistic (RFS)'. The RFS framework eliminates the need for pedigree tracking and data association required by traditional Bayesian techniques, but achieves this at the expense of being a conservative (or sub-optimal) estimate. This thesis has considered the traditional tracking problems in ADAS, which essentially concerns the 'Improve the performance of heterogeneous sensor integration for highly assisted driving functionality based on random finite set framework'. Several applications are developed as individual subsystems including localization, visual odometry and lane detection. In contrast to the traditional approaches, the proposed framework avoids the requirements of explicit data association and high precision calibration (i.e. registration) of the sensors. All the implementations developed for this thesis were published in international conferences and journals, indicating the credibility and novelty of the work., Das wichtigste Ziel von Fahrerassistenzsystemen ist die Verbesserung der Sicherheit und Leistungsfähigkeit des assistierten Fahrens. Möglich wird dies durch die Verwendung integrierter Sensor-Sets, mit denen Ziele in der Umgebung detektiert, identifiziert und verfolgt werden können. Eine so generierte Karte, die identifizierten Zielobjekte enthält, ist die Basis für die in der Zukunft für hoch automatisierte Fahrerassistenzsysteme notwendige Umgebungswahrnehmung. Da Verkehrsteilnehmer durch heterogene Sensorsets detektiert werden, welche über unterschiedliche Stärken, Schwächen und Sichtfelder verfügen, muss die Umgebungserfassung in der Lage sein die unterschiedlichen Messwerte der verschiedenen Sensoren in Einklang zu bringen. Dies beinhaltet die Auflösung scheinbarer Widersprüche in Messdaten, die korrekte Zuordnung von Messdaten zu den jeweiligen Zielobjekten, sowie die Eliminierung systematischer Fehler. So könnten unterschiedliche Sensoren unterschiedliche zufällig variierte Mengen und Positionen von Zielen melden und unterschiedliche Sensortypen unterschiedliche Zieleigenschaften erkennen. Eine rigorose mathematische Basis für den Umgang mit solchen Szenarien sind 'Random Finite Set Statistic (RFS)'. Das RFS-Framework beseitigt die Notwendigkeit für die Verfolgung von Objekttrajektorien und Datenzuordnung, die für traditionelle Bayesianische Methoden, zum Preis von konservativen statt optimalen Ergebnissen. In dieser Arbeit wurden traditionelle Szenarien für Objekt-Verfolgung für Fahrerassistenzsysteme untersucht, mit dem Ziel die Leistungsfähigkeit heterogener Sensor-Sets durch die Verwendung des Random Finite Set Frameworks zu verbessern. Mehrere Anwendungskonzepte wurden entwickelt und demonstriert. Die entwickelten Konzepte umfassen Szenarien zur Lokalisierung, visuellen Odometrie und Fahrspurerkennung. Im Unterschied zu traditionellen Ansätzen, beseitigen die neu entwickelten Ansätze die Notwendigkeit korrekter Messdatenzuordnung und hoch präziser Sensor

The integration of further functionality into vehicles is hindered by the increasing system complexity. This work combines model-driven engineering with the event-based and data-centric communication paradigms to implement an automatic timing verification framework for changeable systems. This enables the flexible configuration of vehicles and other real-time critical systems in the sense of hardware and software – during the design and run-time with a selectable degree of approximation., Die Integration von weiterer Funktionalität in Fahrzeuge wird durch die zunehmende Systemkomplexität immer weiter erschwert. Diese Arbeit verbindet modellgetriebene Entwicklung mit den ereignisgesteuerten und datenzentrischen Kommunikationsparadigmen, um eine automatisierte Verifikation des zeitlichen Verhaltens von sich ändernden Systemen umzusetzen. Dies ermöglicht eine flexible Konfiguration von Fahrzeugen und anderen echtzeitkritischen Systemen im Sinne von Hardware und Software – zur Entwurfs- und Laufzeit mit wählbaren Approximationsgrad.

The development of the modern sensing, actuation, communication, and computation technology unfolds a promising future of intelligent mobile robots, especially for autonomous automobiles. Motion planning for mobile robots is one of the most important software components in an autonomous system, as it is responsible for a maneuver strategy or a motion trajectory while considering the prior knowledge of the world, real-time perception, and domain specific rules. Particularly, a motion planning problem for an intelligent vehicle is beyond a theoretical problem of finding an executable collision-free trajectory. An autonomous vehicle should also behave rationally in traffic, which includes following a global route from the navigation, adapting local behaviors according to its circumstances, obeying traffic rules, and considering the convenience of the human traffic participants. Furthermore, the different driving tasks are highly diverse, usually requiring a specific optimized motion planning method for each maneuver type. In this case, a motion planning agent should be able to handle the available information with domain knowledge, select efficient algorithms for specific tasks, and integrate them seamlessly. In this dissertation, a Space Exploration Guided Heuristic Search (SEHS) method is introduced as a base framework for mobile robot motion planning. Several extensions of SEHS such as Orientation-Aware Space Exploration Guided Heuristic Search (OSEHS) and Space Time Exploration Guided Heuristic Search (STEHS) are developed for specific autonomous driving scenarios. They can be integrated in a hierarchical planning architecture with a high-level symbolic task planning to process information in different layers and to achieve online motion planning for mobile robots, especially autonomous vehicles. The general idea of the Space Exploration Guided Heuristic Search approach is to boost the forward search algorithm in a continuous sta, Die Entwicklung der modernen Sensorik, Aktorik, Kommunikations- und Rechentechnik lässt eine vielversprechende Zukunft von intelligenten mobilen Robotern erwarten, vor allem für autonome Fahrzeuge. Bewegungsplanung für mobile Roboter ist eine der wichtigsten Software-Komponenten in einem autonomen System, da es für die Manöverstrategie oder die Bewegungstrajektorie verantwortlich ist. Die gilt vor allem in Bezug auf Vorwissen der Welt, Echtzeit-Wahrnehmung und domänenspezifische Vorschriften. Insbesondere ist ein Bewegungsplanungsproblem für ein intelligentes Fahrzeug mehr als das theoretische Problem, eine ausführbare kollisionsfreie Trajektorie zu finden. Ein autonomes Fahrzeug sollte sich auch im Straßenverkehr rational verhalten. Das umfasst das Folgen eines globalen Pfads einer übergeordneten Navigationskomponente, eine Anpassung des lokalen Verhaltens an äußere Umstände, sowie die Befolgung von Verkehrsregeln. Dies alles, unter Berücksichtigung des Komforts menschlicher Verkehrsteilnehmer. Darüber hinaus sind verschiedene Fahraufgaben sehr vielfältig, was in der Regel eine spezifisch optimierte Bewegungsplanungsmethode für den einzelnen Manövertyp erfordert. In diesem Fall sollte ein Bewegungsplanungsagent in der Lage sein, die verfügbaren Informationen mit Domänenkenntnissen zu behandeln, effiziente Algorithmen für bestimmte Aufgaben zu wählen und alle Funktionen nahtlos zu integrieren. In dieser Dissertation wird eine Space Exploration Guided Heuristic Search (SEHS) Methode als Basis für die Bewegungsplanung mobiler Roboter eingeführt. Mehrere Erweiterungen von SEHS wie Orientation-Aware Space Exploration Guided Heuristic Search (OSEHS) und Space Time Exploration Guided Heuristic Search (STEHS) sind für bestimmte autonome Fahrszenarien entwickelt worden. Sie können in einer hierarchischen Planungsarchitektur mit einer symbolischen High-Level-Aufgabenplanung integriert werden, um Daten in verschiedenen Schichten zu verarbeiten zur R

Integrated robot task and motion planning requires an interface for the symbolic planner to query and sample in the geometric world. This work introduces a new set of bounded geometric predicates for collision and inclusion queries on a single-sided approximation of the geometry, generated by the bounding mesh algorithm. Integration leads to an efficient task and motion planner, which is evaluated on different robot systems, including tasks with branched plans, sensing actions, complex assembly actions, and bimanual manipulation., Integrierte Aufgaben- und Bahnplanung erfordert eine Schnittstelle, die dem symbolischen Planer Abfragen über den geometrischen Zustand ermöglicht. Die Arbeit führt eine neue Art geometrischer Prädikate zur Kollisions- und Inklusionsabfrage auf einer einseitig approximierten Geometrie ein, die durch den Bounding-Mesh-Algorithmus erstellt wird. Die Integration führt zu einem effizienten Aufgaben- und Bahnplaner, der auf verschiedenen Robotersystemen getestet wird, einschließlich komplexer Montageaktionen, Aufgaben mit verzweigten Plänen sowie der Handhabung mit beiden Roboterarmen.

Multi-core architectures could provide the computational power needed to the demanding hard real-time systems. However, the interference on the shared resources makes the Worst Case Execution Time (WCET) of applications running on a multi-core architecture impossible or hard to estimate. Traditionally, predictable execution time is achieved after significantly sacrificing resource utilization/performance of the system. This thesis provides techniques that provide tight WCET bounds at minimal performance penalty. Additionally, the timing aspect of the system stays in accordance with the CAST32 avionics certification guidelines., Mehrkernarchitekturen können die notwendige Rechenleistung der anspruchsvollen harten Echtzeitssyteme zur Verfügung stellen. Aber die Interferenz auf dem gemeinsamen Speicher macht die Einschätzung der Worst Case Execution Time (WCET) der Anwendungen unmöglich oder sehr schwierig. Traditionell werden vorhersagbare Ausführungszeiten bei massivem Verzicht auf Ressourcenverwertung des Systems erreicht. Diese Arbeit präsentiert Methoden, die sehr strenge WCET-Grenzen anbieten während der Performanzverlust minimal bleibt. Zusätzlich entsprechen die Timing-Aspekte des Systems der CAST32 Avoinik-Richtlinien für die Zertifizierung.

How to integrate the current existing wireless body sensor network systems with similar architectures into one flexible platform which can be used for both telemonitoring and epidemiological studies? A model called SensCoAP is generically designed by utilizing state-of-the-art which reserves the capabilities of acquiring, storing, forwarding, analyzing datasets from the biosensors as well as interacting with the users by an application user interface on the smartphone when necessary. It matches different needs from the healthcare and research fields respectively by its wide applicability in different scenarios., Die Dissertation setzt sich mit der Frage auseiner, wie vorhandene Wireless-Body-Sensor-Netzwerk-Systeme mit ähnlichen Systemarchitekturen in eine flexible Plattform integriert werden können, die sowohl für Telemonitoring als auch für epidemiologische Studien verwendet werden kann? Ein Modell namens SensCoAPwurde entsprechend dem Stand der Technik generisch designt und implementiert. Das Modell ermoegliecht die Gewinnung, Speicherung, Weiterleitung und Analyse von Biosensor-Datensätzen, sowie, bei Bedarf, Nutzer-Interaktion durch Anwendung einer Benutzeroberfläche auf dem Smartphone. Durch die breite Anwendbarkeit in verschiedenen Szenarios erfuellt SensCoAp die Bedürfnisse aus Gesundheitswesen und Forschung.

Multi-core architectures are believed to be one of the major solutions for future embedded systems, due to their advantages in the high average performance and procurement cost. However, the use of the architecture of multi-core processors in real-time systems poses important challenges on timing analysis. In this thesis, we present novel reconfiguration techniques and scheduling algorithms for resource management in real-time multi-core embedded systems. We provide approaches by considering effects of computation and cache memory together to optimize overall performance and energy of real-time multi-core embedded systems., Multikern-Architekturen stellen aufgrund ihrer Performance- und Kostenvorteile eine bedeutende Lösung im Bereich zukünftiger Embedded Systeme dar. Jedoch bedeutet die Verwendung von Multikernprozessor-Architekturen in Echtzeit große Herausforderungen hinsichtlich Zeitanalysen. In dieser Dissertation werden neuartige Rekonfigurations-Techniken und Scheduling-Algorithmen im Rahmen des Ressourcen-Managements innerhalb von Echtzeit-Multikern Embedded Systems präsentiert. Es werden Lösungen entwickelt, welche sowohl Berechnungseffekte als auch Cache-Speicher berücksichtigen, um Performance und Energie des Gesamtsystems des Echtzeit-Multikern Embedded Systems zu optimieren.

Nowadays, many applications are based on embedded systems and more and more tasks are implemented using software. These trends increase the need of embedded systems and raise their complexity. Therefore, an integrated model-driven software development approach supporting all involved developers equally during the creation of component-based embedded systems has been developed. It is based on a multi-step modeling with a modular code generation and support of model transformation chains., Viele Anwendungen nutzen eingebettete Systeme. Zudem werden vermehrt Funktionen in Software realisiert. Diese Trends sorgen für steigenden Bedarf an eingebetteten Systemen und erhöhen deren Komplexität. Deshalb wurde ein modellgetriebener Ansatz entwickelt, der alle beteiligten Entwickler von komponentenbasierten eingebetteten Systemen gleichermaßen unterstützt. Der Ansatz basiert auf einer mehrstufigen Modellierung mit modularer Codegenerierung und Unterstützung von Modelltransformationsketten.

Die Dissertation stellt einen neuartigen integralen Ansatz vor, welcher vorausschauende Umfeldsensorinformationen im Fahrzeug zur situationsadaptiven, zeitgenauen und robusten Aktivierung von irreversiblen Rückhaltemitteln nach Eintritt einer Frontalkollision heranzieht. Die in der frühen Kollisionsphase bezüglich Lastfalltyp und Unfallschwere stark eingeschränkte Differenzierungsleistung konventioneller Crashalgorithmen wird durch gemeinsame Nutzung von Pre- und In-Crash-Daten deutlich optimiert. Das entwickelte Gesamtsystem wurde hinsichtlich seiner Grenzen analysiert sowie nach Parametrierung auf Basis eines multikriteriellen Optimierungsverfahrens für ein vorgegebenes Lastfallspektrum in seiner Leistungsfähigkeit bestätigt., The dissertation presents a novel integral approach which uses predictive vehicle sensor data for the adaptive, precisely timed and robust activation of irreversible occupant restraint systems after the occurrence of a frontal collision. The limited differentiation ability of conventional crash algorithms in the early collision phase concerning load case type and collision severity is significantly optimized by the combined use of pre- and in-crash data. The developed system was analyzed with regard to its limitations and confirmed in its capability after parametrization based on a multi-objective optimization method for a given load case spectrum.

Shorter product life cycles and increasing personalization of products demand frequent reconfiguration of industrial automation lines, where adaptation of control software is a major cost factor. In order to improve cost efficiency, this work employs game theory to synthesize industrial control software from a formal specification of the automation plant and the task to achieve. The presented workflow integrates with existing standards and is demonstrated on industrial-grade automation systems., Kürzere Produktlebenszyklen und die zunehmende Personalisierung zwingen die Betreiber von Produktionsanlagen zu häufigen Anpassungen, wobei die Anpassung der Steuerungssoftware hohe Kosten verursacht. Um die Kosten zu senken, setzt diese Arbeit Spieltheorie ein, um die Steuerungssoftware aus einer formalen Spezifikation der Anlage und der Produktionsaufgabe zu synthetisieren. Der vorgeschlagene Ansatz berücksichtigt vorhandene Standards und wird auf industrietauglichen Systemen demonstriert.

Elektromotorische Traktionsantriebe versprechen neue Freiheitsgrade mit einer in der Disziplin der Regelung der Radgeschwindigkeiten noch nicht dagewesenen Qualität. Durch eine domänenübergreifende und koordinierte Zusammenarbeit der Antriebs- und Bremsenregelung, neue Konzepte der Schwingungsdämpfung des Antriebsstrangs sowie Eliminierung der heute nur situationsabhängigen Verfügbarkeit des elektromotorischen Bremsens zeigt diese Arbeit eine Möglichkeit bislang ungelöste Schwächen des rekuperativen Bremsens zu beheben und zusätzlich die dynamische Leistungsfähigkeit derzeitiger Brems- und Antriebssysteme zu erhöhen., The use of electric motors as traction drives promises an improvement of the wheel speed control of passenger cars. Using a cross disciplinary and coordinated control of the break and propulsion systems, new software based drive train damping concepts and by solving the today only situation-dependent availability of the electromotive braking, this thesis shows a possibility for a higher exploitation of the dynamic potential of the electric drive train and facilitates the electric drive train to be an integral part of the braking and stabilizing system.

After cardiac surgery patients often develop hemodynamic instability during their stay in the intensive care unit. This work proposes an automated controller, which is able to regulate the hemodynamic parameters including the blood pressure using continuous infusion of specific drugs. The automated regulation is based on fuzzy logic that incorporates existing knowledge of the medical experts and is extended with an adaptive algorithm. The performance is evaluated in a simulation environment, which has been developed for this purpose., Nach einer Herzoperation entwickeln viele Patienten eine hämodynamische Instabilität während ihres Aufenthalts auf der Intensivstation. Diese Arbeit beschreibt einen automatisierten Kontroller, der die hämodynamischen Parameter, mit Hilfe von kontinuierlichen Medikamentengaben regulieren kann. Der Kontroller basiert auf Fuzzy-Logik, die das Wissen der medizinischen Experten nutzbar macht und durch einen adaptiven Algorithmus erweitert wurde. Der Kontroller wurde in einer Simulationsumgebung, die für diesen Zweck entwickelt wurde, getestet und evaluiert.

The thesis proposes a development methodology that supports an improved integration of two worlds: modeling of multi-domain physical systems and modeling of (safety-related) digital control functions. It is based on the physical modeling language Modelica for which it proposes language extensions and restrictions for controller modeling and presents a formal translation to a synchronous data-flow kernel language in order to leverage established production quality code-generation techniques., Die Arbeit befasst sich mit der ganzheitlichen Modellierung von physikalischen Systemen inkl. (sicherheitsrelevanter) digitaler Steuerungs- und Regelungslogik. Als Basis dient die primär für physikalische Systeme entwickelte Modellierungssprache Modelica. Für diese werden geeignete Spracheinschränkungen und -erweiterungen vorgeschlagen und eine formale Transformation in eine Zielsprache angegeben, welche es erlaubt, auf etablierte Techniken zur Seriencode-Generation zurückzugreifen.

In this thesis two prototypes of inherently compliant worm-like robotic mechanisms are designed and investigated, which use pneumatic artificial muscles as means of actuation. The crucial contribution of this work is the development of machinery based on a centrally fed actuator arrangement, which makes them comparatively easy to control with precision. Due to this arrangement, enhanced modularity can be achieved with clearly defined interfaces., In dieser Dissertation werden zwei Prototypen inhärent nachgiebiger wurmförmiger Robotermechanismen entwickelt und untersucht, welche mittels pneumatischer Muskeln angetrieben werden. Der wesentliche Beitrag der Arbeit betrifft die Entwicklung von Mechanismen auf Basis zentral versorgter Aktuatorentechnologie, die eine vergleichsweise einfache Ansteuerung mit Präzision ermöglicht. Aufgrund dieser Technologie wird eine durchgängige Modularität mit klar definierten Schnittstellen erreicht.

With the currently established workflow in minimally invasive robotic surgery, autonomous tasks are merely replayed, since an adaption of the mapping between the execution plan, the patient, and the manipulators is difficult due to calibration issues. In the scope of this thesis we aim to transit toward a more flexible approach by acquiring all relevant information in situ at the time of execution. Perception of the environment from the task-relevant perspective plays a major role, in which visual information is the driving force. As a key concept, we augment surgical instruments with miniaturized endoscopes. In addition, a micro projection system enhances poorly textured surfaces with a globally unambiguous binary pattern during depth perception. Visual control laws are deduced from the knowledge acquired to assist surgeons during task accomplishment. The approach is exemplarily explored based on the reference task of tissue dissection., Die Ausführung autonomer Aufgaben in der minimalinvasiven robotergestützten Chirurgie beschränkt sich derzeit weitgehend auf die Wiedergabe bekannter Sequenzen. Eine dynamische Anpassung bereits geplanter Aufgaben hinsichtlich des Patienten und des Robotersystem ist aufgrund von Kalibrierungsproblemen schwierig. In dieser Arbeit wird ein flexibler Ansatz vorgestellt, welcher relevante Informationen direkt innerhalb des Operationsfelds und simultan zur Ausführung der Aufgabe erfasst. Hierbei stellt die visuelle Wahrnehmung der Umgebung aus der aufgabenrelevanten Perspektive eine wichtige Rolle dar. Zu diesem Zweck werden chirurgische Instrumente mit miniaturisierten Kameras ausgestattet. Die Kameras werden durch einen Mikro-Projektor ergänzt, welcher die Rekonstruktion von Tiefendaten bei schwach texturierten Oberflächen durch Projektion eines global eindeutig kodierten Musters unterstützt. Anhand des gewonnenen Szenenwissens werden verschiedene visuelle Regler vorgestellt, welche den Arzt während der Ausführung von Aufgaben unterstützen. Der Ansatz wird anhand des chirurgischen Schneidens exemplarisch umgesetzt.

This thesis introduces a novel micro-manipulator which up-skills the ophthalmologists for performing vitreo-retinal surgery. The up-skilling tasks which are augmented by this master-slave setup consists of precise movement, tremor cancellation, motion scaling and virtual fixture control. This compact robot is mounted on patient head during the operation and is intuitively controlled by human surgeons. It is specifically designed to be adoptable to standard operation theaters without modification., In dieser Dissertation wird ein neuartiger Mikromanipulator vorgestellt, welcher die operativen Möglichkeiten bei der Vitreoretinalen Chirurgie verbessert. Diese Verbesserungen machen sich in Form von präziseren Bewegungen, dem Eliminieren von Handzittern, der Bewegungsskalierung sowie der Fähigkeit zur Steuerung virtueller Fix- bzw. Sperrbereiche bemerkbar. Der entwickelte kompakte Roboter, welcher auf sehr intuitive Weise vom Chirurgen bedienbar ist, besitzt ein Design, das eine einfache Integration in Standard Operationssälen ohne Adaptierungsaufwand erlaubt.

Mit zunehmenden Kostendruck wächst in der Fernsehwelt das Interesse an automatischen Kamerasystemen, weil solche Systeme versprechen wesentliche Kostentreiber zu reduzieren. Tatsächlich können automatische Systeme aber nicht autonom betrieben werden, sodass weiterhin ein Operator für die Bedienung der Systeme notwendig ist. In dieser Arbeit werden Grundlagen für eine intelligente Kamerasteuerung im Nachrichtenstudio identifiziert. Anhand eines entwickelten Prototyps wird die Güte der Ergebnisse evaluiert., With the growing impact of cost-pressure in broadcasting-environments the interest on automatic camersystems increase because these systems promise to reduce major cost centers. In fact automatic camera systems cannot be used autonomously. They still require an operator who drives the system. In this thesis, the basics for an intelligent camera-control in broadcasting environments are identified. A prototype is evolved to evaluate the results.

Automatic vision-based people tracking system promises to be the key for a large variety of domains. Although huge research efforts have been made to increase the performance, the robustness and accuracy of tracking systems is still far from being satisfactory. This thesis develops a complete system for long-term detection and tracking of multiple people in complex and crowded multi-camera environment, with a hierarchical grid-based, globally optimal tracking-by-detection strategy. We show that a finer analysis of human behavior can contribute to better resolving ambiguities between crossing trajectories. A novel evaluation framework is proposed, to quantitatively evaluate the performance of proposed system through experiments on a large variety of benchmark video sequences., Automatische Vision-basierte System zur Personenverfolgung werden der Schlüssel in einer Vielzahl verschiedener Anwendungen. Obwohl große Forschungsanstrengungen unternommen worden, um die Leistung zu erhöhen, ist die Robustheit und Genauigkeit der Tracking-Systeme noch lange nicht zufriedenstellend. Die vorliegende Arbeit konzentriert sich auf die Entwicklung eines vollständigen Systems zur Langzeiterkennung und Tracking mehreren Personen in überfüllten und komplexe Multi-Kamera Umgebung, mit einer hierarchischen gitterbasierten, global optimierten Verfolgung-durch-Detektion Strategie. Zusätzlich wird gezeigt, dass eine feinere Analyse des menschlichen Verhaltens kann, eine bessere Lösung von Mehrdeutigkeiten zwischen überkreuzenden Trajektorien zu beitragen. Die Arbeit stellt auch einen neuen Evaluierungsrahmen vor, um die Leistung des präsentierten Systems durch Experimente mit einer großen Vielfalt von Benchmark-Videosequenzen, quantitativ zu evaluieren.

Die herstellerübergreifende Vernetzung von Medizingeräten unter Einhaltung regulatorischer Auflagen gehört zu den vorherrschenden Herausforderungen der Medizintechnik. In dieser Arbeit werden neue, automatenbasierte Methoden für die Konformitätsbewertung derartiger Netzwerke erarbeitet. Ihre Vorteile werden beispielhaft an einem echtzeitfähigen Bussystem für die Medizintechnik verdeutlicht, wo mithilfe der neuen Methoden automatisiert Risikobetrachtungen vorgenommen und ausgewertet werden konnten., Cross-manufacturer interconnection of medical devices in compliance with regulatory requirements poses one of the prevalent challenges in the context of medical device technology. In this thesis, novel, automata-based methods are introduced to lower the complexity of the conformity assessment of such medical device networks. Their capabilities are illustrated by means of a bus system composed of medical devices, where the methods could be used to perform and assess an analysis for typical hazards automatically.

A novel theory for neural spatial navigation which uses transitions between locations is presented. After introduction of a mathematical system, which is characterized using propositional logic, a novel model for grid cells is derived. Subsequently, the algorithmic impact with respect to place cells is examined, which leads to a scale-space model for grid cells. It is shown that the theoretically ideal scale-increment is √2. Finally, the novel concepts are applied in a theoretical study of a swarm of robots that compute distributed spatial navigation., Eine neue Theorie für neurale räumliche Navigation, welche Übergänge zwischen Orten verwendet, wird präsentiert. Nach Einführung eines mathematischen Systems das mittels Propositionslogik charakterisiert wird, wird ein neuartiges Modell für Gitterzellen hergeleitet. Anschließend werden algorithmische Konsequenzen in Bezug auf Ortszellen betrachtet, was zu einem Skalenraum-Modell für Gitterzellen führt. Es wird gezeigt dass die theoretisch optimale Vergrößerung der Skalen ein Faktor von √2 ist. Schließlich werden die neuen Konzepte in einer theoretischen Untersuchung eines Schwarms von Robotern verwendet, die verteilte räumliche Navigation berechnen.

An integrated modeling approach addresses two common robotics software engineering needs in combination. One is related to complexity management by component-based engineering. The other is related to managing non-functional properties. An Eclipse-based modeling tool and a real-world example demonstrate that external analysis tools from other domains can be made accessible for the robotics domain to systematically manage non-functional aspects in robotics applications., Ein integrierter Modellierungsansatz adressiert zwei gängige Engineering Probleme in der Robotik. Komplexitätsbeherrschung durch Komponentenbauweise in Kombination mit dem Verwalten nichtfunktionaler Systemeigenschaften. Ein Eclipse-basiertes Modellierungstool und ein Realweltbeispiel demonstrieren wie externe Analysetools aus anderen Domänen in der Robotik systematisch benutzt werden können um nichtfunktionale Aspekte in Robotik Anwendungen zu verwalten.