Mechatronics
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The classification of waste with neural networks is already a topic in some scientific papers. An application in the embedded systems area with current AI processors to accelerate the inference has not yet been discussed. In this master work a prototype is created which classifies waste objects and automatically opens the appropriate container for the object. The area of application is in the public space.
For the classification a dataset with 25,681 images and 11 classes is created to re-train the Convolution Neuronal Networks EfficientNet-B0, MobileNet-v2 and NASNet-mobile. These Convolution Neuronal Networks run on the current Edge \acrshort{ai} processors from Google, Intel and Nvidia and are compared for performance, consumption and accuracy.
The master thesis evaluates the result of these comparisons and shows the advantages and disadvantages of the respective processors and the CNNs. For the prototype, the most suitable combination of hardware and AI architecture is used and exhibited at the university fair KasetFair2020. An opinion survey on the application of the machine is conducted.
IEC 61499 ist ein Standard für die verteilte Automatisierung. Damit lassen sich Systeme designen, die eine Vielzahl von Knoten vernetzen können. Dadurch lassen sich komplexe Aufgaben in der Industrie leichter bewältigen. Um dies zu ermöglichen, müssen alle Systembestandteile miteinander kommunizieren können. Ein solches Kommunikationsnetzwerk kann dann schnell sehr komplex werden und damit schwer zu verwalten sein. Wenn es darum geht, an viele Teilnehmer Daten zu verteilen, hat sich das Publish-Subscribe Kommunikationsmuster bewährt.
ZeroMQ ist eine Bibliothek, mit der über Sockets unter anderem solche Publish-Subscribe Kommunikationsnetzwerke realisiert werden können. Sie baut auf dem ZeroMQ Message Transport Protocol (ZMTP) auf. Dabei ist die Verwendung unwesentlich komplexer als mit Berkeley Sockets.
4DIAC/Forte bietet ein Framework um Applikationen nach IEC 61499 zu erstellen. In dieser Thesis wird 4DIAC/Forte und ZeroMQ vorgestellt. Es wird die Struktur einer Kopplungsschicht zwischen Forte und ZeroMQ präsentiert und implementiert. Anschließend werden Messungen von Latenz und Throughput durchgeführt, um die Performance zu evaluieren.
In Forte sind traditionelle Sockets für die Kommunikation bereits implementiert. Sie unterstützen das Client-Server Muster und Publish-Subscribe mittels UDP Multicast. Mit diesen Lösungen werden die Messungen ebenfalls durchgeführt um einen Vergleich mit ZeroMQ aufzustellen. Es werden auch vorhandene Daten für DDS herangezogen. Die Ergebnisse zeigen, dass sich ZeroMQ für die Kommunikation in Forte eignet und dabei hilft, die Komplexität zu reduzieren und die Handhabung zu vereinfachen.
Im Rahmen dieser Masterthesis wurde beispielhaft gezeigt, mit welchen Maßnahmen die Handhabung (Gewicht, Größe) von Nasskühlern verbessert werden kann. Dabei wurde berücksichtigt, dass Kühlleistung und Durchsatz dem aktuellen Stand der Technik entsprechen.
Die zu Beginn durchgeführten Messungen an einem, in der Praxis eingesetzten, Referenzgerät und die darauffolgenden Berechnungen lieferten die thermodynamischen Größen (Temperatur, Druck). Diese physikalischen Größen lieferten die Randbedingungen der darauffolgenden Computational Fluid Dynamics (kurz CFD) Simulationen. Aus technischen Gründen wurde der Druck nicht direkt über Sensoren gemessen, sondern mit Hilfe der gemessenen Temperaturen berechnet. Da die Druckmessung einen zu starken Eingriff ins System dargestellt hätte. Um die Korrektheit der berechneten Drücke sicherzustellen, wurden in weiterer Folge die Temperaturen nachgerechnet und mit den Messwerten verglichen.
Um die Messwerte beziehungsweise die Berechnungen weiter zu bestätigen, ist zuerst ein CAD-Modell des vorhanden Referenzgerätes erstellt worden. Dieses CAD-Modell wurde dann hergenommen, um die ersten CFD Simulationen durchzuführen. Die Schwierigkeit hierbei lag bei der realistischen Abbildung der physikalischen Vorgänge, wie beispielsweise bei dem Verdampfen und Kondensieren des Kältemittels (Arbeitsmedium). Es wurden die einzelnen Komponenten des Kältekreislaufes simuliert (Wärmetauscher des Nutzmediums, Verdampfer und Kondensator des Arbeitsmediums).
Abschließend wurde ein Entwurf zur Optimierung von Schankanlagen erarbeitet. Von diesen wurden (teilweise) CAD Modelle erstellt. Die Modelle der optimierten Komponenten wurden dann, bezogen auf ihr Volumen und Gewicht, mit denen des Referenzgerätes, gegenübergestellt.
Den Abschluss der Arbeit bildet ein Fazit über die durchgeführten Berechnungen, Messungen und Simulationen. Des Weiteren wurden hier Aspekte, die nicht in der Arbeit berücksichtigt wurden, kurz aufgegriffen und erläutert.
SysML Modellierung komplexer Systeme und automatische Erzeugung domänenspezifischer Ressourcen
(2021)
Moderne Technische Systeme und ihre Entwicklung werden zunehmend komplexer. Durch eine Vielzahl bei der Entwicklung beteiligter Modelle/Dokumente wird eine konsistente und rückverfolgbare Modellierung erschwert. Model-Based Systems Engineering (MBSE) ist ein Ansatz, welcher diese Problemstellung adressiert und bei der Systementwicklung formale Modelle anstelle von Dokumenten einsetzt/verwendet. Im Gegensatz zu Dokumenten sind Modelle formal definiert, können automatisiert überprüft werden und ermöglichen eine leichte maschinelle Verarbeitung der Informationen. Im Zentrum der Entwicklung steht ein Systemmodell, welches mit einer formalen Modellierungssprache erstellt wurde. Während der Entwicklung entstehende Informationen werden in das Systemmodell integriert, sodass eine konsistente Single Source of Truth entsteht. Aus dem Systemmodell können über automatisierte Modelltransformationen domänenspezifische Ressourcen, wie beispielsweise Digital Twins, generiert werden. Digital Twins und die damit verbundenen Simulationen können einen deutlichen Mehrwert in Bereichen, wie Optimierung, Wartung und Anomalieerkennung liefern. Allerdings ist die manuelle Erzeugung Aufwändig und Fehleranfällig sein, weshalb eine automatische Erzeugung aus den Informationen des Systemmodells eine Erleichterung darstellt.
Diese Arbeit beschäftigt sich mit dieser Problemstellung und der Modellierung komplexer Systeme. Es wird ein Systemmodell mit der Modellierungssprache Systems Modeling Language (SysML) erstellt, welches durch domänenspezifische Profile erweitert wird um Modellierung/Integration der Domänen zu ermöglichen. Mittels einer Modelltransformation in Acceleo werden Informationen aus dem Systemmodell in ein Simulationsmodell der Simulationssoftware twin, welche zur Simulation von Digital Twins geeignet ist, transformiert. Der in der Arbeit präsentierte Ansatz wird anhand er Modellfabrik des Forschungszentrums Digital Factory Vorarlberg veranschaulicht.
Pump-Probe-Elastographie
(2020)
Krebs ist die zweit häufigste Todesursache in Deutschland. Seine frühzeitige Detektion ist wichtig für eine erfolgreiche Behandlung. Die Detektion und Charakterisierung der Tumore kann unter anderem anhand ihrer mechanischen Eigenschaften erfolgen.
Die Pump-Probe-Elastographie (PPE) ist eine neue und vielversprechende Methode um die mechanischen Eigenschaften von Gewebe durch optische Anregung und Detektion der dadurch entstehenden akustischen Wellen zu charakterisieren.
In dieser Arbeit wurde ein PPE-Mikroskop aufgebaut und anschließend untersucht, wie die Wellenfronten möglichst deutlich sichtbar werden und welchen Einfluss die Pulsenergie auf die erzeugten Wellen hat. Dies geschah anhand zweier Proben – Wasser und Glas. Beide sind transparent und bieten daher auch die Möglichkeit der Messung im Volumen. Wasser unterscheidet sich zudem von Glas, da es kompressibel ist und somit die Entstehung von Stoßwellen erlaubt. In Glas wiederum können nicht nur Longitudinalwellen, sondern auch Transversalwellen und Rayleigh-Wellen entstehen.
Als Ergebnis dieser Arbeit wird gezeigt, dass die Messergebnisse in Wasser abhängig von der Pulsenergie sind, denn die entstehenden Stoßwellen breiten sich mit Überschallgeschwindigkeit aus, was bei zukünftigen Messungen mit Zellgewebe zu beachten ist. In Glas hat die Pulsenergie zwar keinen Einfluss auf die Wellengeschwindigkeit, jedoch werden die Messungen mit zunehmender Energie deutlicher. Auch ist bei Messungen im Volumen nur die Longitudinalwelle zu sehen. Misst man jedoch auf der Glasoberfläche, so entsteht auch eine Druckwelle in der Luft, welche wiederum abhängig von der Pulsenergie ist. Zusätzlich ist in einigen Messungen eine weitere Welle zu erkennen, welche unabhängig von der Pulsenergie ist und sich im Glas, oder auf dessen Oberfläche ausbreitet.
This paper analyses an electrical test tower of the OMCIRON electronics GmbH and evaluates whether a Predictive Maintenance (PdM) strategy can be implemented for the test towers. The company OMICRON electronics GmbH performs unit tests for its devices on test towers. Those tests consist of a multitude of subtests which all return a measurement value. Those results are tracked and stored in a database. The goal is to analyze the data of the test towers subtests and evaluate the possibility of implementing a predictive maintenance system in order to be able to predict the RUL and quantify the degradation of the test tower.
By assuming that the main degradation source are the relays of the test tower, a reliability modelling is performed which is the model-driven approach. The data-driven modelling process of the test tower consists of multiple steps. Firstly, the data is cleaned and compromised by removing redundances and optimizing for the best subtests where a subtest is rated as good if the trendability and monotonicity metric values are above a specific threshold. In a second step, the trend behaviours of the subtests are analyzed and ranked which illustrates that none of the subtests contained usable trend behaviour thus making an implementation of a PdM system impossible.
By using the ranking, the data-driven model is compared with the reliability model which shows that the assumption of the relays being the main error source is inaccurate.
An analysis of a possible anomaly detection model for a PdM is evaluated which shows that an anomaly detection is not possible for the test towers as well. The implementability of PdM for test towers and other OMICRON devices is discussed and followed up with proposals for future PdM implementations as well as additional analytical analyses that can be performed for the test towers.
The advent of autonomous and self-driving cranes represents a significant advancement in industrial automation. One critical prerequisites for achieving this long-term goal is the accurate and reliable detection of tools guided by ropes in real-world environments. Since the tool is suspended by ropes, the tool pose cannot be controlled directly. This master’s thesis addresses the challenges of pose estimation for rope-guided tools using point cloud measurements. The proposed algorithm utilizes constraints imposed by the crane kinematics and information extracted during the segmentation process to efficiently infer the pose of the hook, therefore enabling the use of the pose for decision making in real-time critical applications. RANSAC (Random Sample and Consensus) is deployed in the segmentation process to extract geometric primitives from the point cloud which represent the ropes and distinctive parts of the tool. Since the point cloud is often to sparse for feature matching a bounding box is used to estimate the initial position of the tool. Two different methods are presented to improve the initial pose. A computationally expensive method with a high level of confidence, integrating the ICP (Iterative Closest Point) algorithm is used as a benchmark. A linear Kalman filter is used in the second method which is real-time capable. The benchmark is then used to evaluate the real-time capable approach. The core contributions of this research lie in the innovative utilization of bounding boxes for pose estimation. The findings and methodologies presented herein constitute an advancement towards the realization of autonomous and self-driving cranes.
Die Mensch-Roboter-Kollaboration verspricht, die Leistungsfähigkeit eines Roboters und die Stärken eines Menschen zu kombinieren. Das junge Thema bringt nicht nur Vorteile, sondern auch neue Sicherheitsbestimmungen und aufwändige Validierungsverfahren mit sich, was den Zeitbedarf für die Entwicklung neuer MRK-Applikationen erhöht. Oft ergibt sich erst bei der Validierung, dass die Sicherheitsbestimmungen (meist die biomechanischen Grenzwerte) nicht eingehalten werden können und dadurch Änderungen an der Applikation durchgeführt werden müssen. So bildet sich ein Kreislauf aus „Validieren“ und „Änderungen vornehmen“, der erst nach mehreren Zyklen beendet werden kann. Ziel der vorliegenden Masterarbeit ist es, Empfehlungen zu konzipieren, mit welchen dieser Kreislauf frühzeitig durchbrochen werden kann. Die Arbeit beschränkt sich dabei auf das Leistungs- und Kraftbegrenzungsschutzprinzip. Um den Einfluss unterschiedlicher Parameter, wie beispielsweise die maximale TCP-Geschwindigkeit oder die Greifergeometrie, auf die Kollisionskräfte und Drücke zu erforschen, wurde ein biofideles Messsystem und ein Roboter vom Typ ABB GoFa™ verwendet. Diese Untersuchungen dienen zusammen mit den Sicherheitsbestimmungen als Grundlage der Gestaltungsempfehlungen. Um eine Anwendung der Empfehlungen vorzuzeigen, wird in der vorliegenden Arbeit exemplarisch eine MRK-Applikation gestaltet und validiert
This thesis focuses on implementing and testing communication over a private 5G standalone network in an industrial environment, with a specific emphasis on communication between two articulated robots. The main objective is to examine machine-to-machine communication behavior in various test scenarios. Initially, the 5G core and radio access network components are described, along with their associated interfaces, to establish foundational knowledge. Subsequently, a use case involving two articulated robots is implemented, and essential metrics are defined for testing, including round-trip time, packet and inter-packet delay, and packet error rate. The tests investigate the impact of 5G quality of service, packet size, and transmission interval on communication between the robots, focusing on the effects of network traffic. The results highlight the significance of prioritizing network resources based on the assigned quality of service identifier (5QI), demonstrate the influence of packet sizes on communication performance, and underscore the importance of transmission intervals for automation purposes. Additionally, the study examines how network disturbances influence the movements of a robot controlled via 5G, establishing a direct relationship between network metrics and the resulting deviations in the robot’s trajectory. The work concludes that while machine-to-machine communication can be successfully implemented with 5G SA, tradeoffs must be carefully considered, especially concerning packet error rate, and emphasizes the importance of understanding the required resources before implementation to ensure feasibility. Future research directions include investigating network slicing, secure remote control of robots, and exploring the use of higher frequency bands. The study highlights the significance of aligning theoretical standards with practical implementation options in the evolving landscape of 5G Networks.
Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der Positionsbestimmung in Innenräumen mittels der Ultra Breitband Technologie, deren Genauigkeit sowie der Positionierung solcher Systeme in relevanten Beleuchtungsmodulen. Im ersten Teil der Arbeit wird die Ultrabreitband Technologie beschrieben, die sich für Ortbarkeit in Innenräumen durch die große Bandbreite, relativ gut eignet. Hierbei wird auf das UWB-Signal, die Regulierung bezüglich Frequenznutzung für Europa und USA sowie auf die UWB-Standards eingegangen. Im weiteren Verlauf der Arbeit werden die gegenwärtigen Positionsbestimmungs Verfahren beschrieben. Beispiele hierfür sind das Time of Flight (ToF), das Time of Arrival sowie nicht funkbasierte Methoden wie z. B. die Inertial Measurement Unit (IMU). Die Positionsbestimmung in der UWB-Technologie wird häufig mittels ToF und ToA bewerkstelligt. Im darauffolgenden Kapitel werden die gegenwärtigen Lokalisierungssysteme erklärt. Real Time Locating Systems (RTLS) kommen in vielen Lebensbereichen zum Einsatz, von Krankenhäusern bis zum Sport. Der zweite Teil der Arbeit besteht aus der Ausarbeitung von verschiedenen Konzepten zur Realisierung eines Demonstrators sowie der Ausarbeitung eines Simulationsmodells für die Positionsbestimmung, mit dem eine Ortungsgenauigkeit von 30 bis 50 cm erreicht werden kann.