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Automatisierte Vor-Ort-Montage von Holzbauteilen mittels zweier hydraulischer Großraummanipulatoren
(2023) Lauer, Anja Patricia Regina; Sawodny, Oliver (Prof. Dr.-Ing. Dr. h.c.)
Das Ziel dieser Arbeit ist die Entwicklung eines automatisierten Vor-Ort-Montage-Prozesses. Es kommen zwei hydraulische Großraummanipulatoren zum Einsatz. Ein Manipulator greift und platziert Holzbauteile mit einem Vakuumgreifer, während der andere einen im Rahmen dieses Projekts entwickelten Verspann- und Schraubeffektor positioniert, welcher die Bauteile per Kreuzverschraubung verbindet. Diese Arbeit umfasst alle Schritte, von der Automatisierung zweier Großraummanipulatoren mit Endeffektoren, über das Sensorkonzept, die Modellierung, Zustandsschätzung, Pfadplanung anhand der Building Information Modeling (BIM) Daten, Trajektoriengenerierung, Positions- und Orientierungsregelung der Werkzeugspitze in Aufgabenraumkoordinaten bis hin zu einem kraftgeregelten Montagekonzept. Zur Positions- und Orientierungsregelung werden die vom Zustandsschätzer geschätzte Orientierung sowie genaue Positionsmessungen von einem robotischen Totalstationsnetzwerk verwendet. Die inverse differentielle Kinematik des Manipulators wird in Echtzeit mithilfe eines beschränkten quadratischen Optimierungsproblems gelöst. Experimente zeigen, dass die Positioniergenauigkeit im Millimeterbereich liegt. Die positions- und orientierungsgeregelte Vor-Ort-Montage von Holzbauteilen wird am Gebäudedemonstrator livMatS Biomimetic Shell in Freiburg praktisch demonstriert. Die Ergebnisse zeigen das Potential in Bezug auf Produktivität und Qualität auf. Um Positionierungsfehler auszugleichen, welche auf die Abweichung zwischen der realen Situation auf der Baustelle und dem BIM-Modell, mit dem die Pfade geplant werden, sowie auf die unsichere Bestimmung der Manipulatorpose in Referenz zur Baustelle zurückzuführen sind, wird ein kraftgeregelter Montageprozess entwickelt.
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Comfort-oriented thermal modeling and operational strategies for shared office spaces
(2020) Günther, Janine; Sawodny, Oliver (Prof. Dr.-Ing. Dr. h.c.)
Menschen verbringen bis zu 90% ihrer Lebenszeit in geschlossenen Räumen, weshalb ein angenehmes Innenraumklima einen entscheidenden Beitrag zur Lebensqualität leistet. Daher bildet der thermische Komfort neben der Energieeffizienz das oberste Ziel der Gebäuderegelung. Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich in diesem Zusammenhang mit den beiden Fragestellungen: Was bedeutet thermischer Komfort für den Einzelnen und wie kann dieser durch geeignete Regelungskonzepte sichergestellt werden? Um die Nachteile bestehender Regelungskonzepte zu überwinden, wird die Basis für eine komfortoptimierte Regelstrategie gelegt, die zum einen in der Lage ist, die örtlich verteilten Einflüsse des Klimasystems miteinzubeziehen und zum anderen individuelle Komfortanforderungen berücksichtigt. Im ersten Teil der Arbeit werden datenbasierte Ansätze zur Prädiktion der Temperaturverteilung in Großraumbüros abgeleitet, welche anschließend für eine optimale Sensorplatzierung zum Einsatz kommen. Der zweite Teil befasst sich mit der Entwicklung von Methoden zur Modellierung des individuellen thermischen Komforts, die im dritten Teil als Grundlage für komfortbasierte Regelstrategien dienen um die Innenraumbedingungen optimierungsbasiert zu personalisieren.
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Intraoperative localization and scene reconstruction using differentiable rendering and graph-based landmark registration with application to cystoscopy
(2023) Schüle, Johannes; Sawodny, Oliver (Prof. Dr.-Ing. Dr. h.c.)
Minimally invasive procedures, such as bladder endoscopy, reduce trauma but present navigation challenges due to restricted visibility. Traditional mapping methods are often insufficient, and comprehensive solutions in the literature are scarce. This work introduces a novel approach for intraoperative navigation and scene reconstruction, focusing on deformable environments, such as those encountered in cystoscopy. The proposed reconstruction concept relies on a monocular camera image but can be flexibly extended to include additional sensor data. The fundamental reconstruction strategy employed in this work follows the question: How does the model representation and camera perspective need to be adjusted such that the rendering of the model matches the current observation? The reconstruction process requires the formulation of several optimization objectives, necessitating a fully differentiable rendering approach. To this end, a novel formulation of an inverse rendering process is proposed, where 2D image data is projected from the camera's perspective onto a 3D mesh model. Vascular structures, which remain consistent despite deformations, serve as dependable landmarks. Combining graph-based landmark recognition with rendering-based reconstruction techniques offers a comprehensive solution for determining the intraoperative location and scene, especially considering the complexity of deformable surgical environments.
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Lifetime modeling and model-based lifetime optimization of Li-ion batteries for use in electric two-wheelers
(Düren : Shaker Verlag, 2020) Rechkemmer, Sabrina; Sawodny, Oliver (Prof. Dr.-Ing. Dr. h.c.)
This thesis deals with the lifetime prediction of Li-ion batteries and the applicability of such models to optimize the operation and charging strategy. A model-based optimal control is therefore designed. The focus is on typical application scenarios for electric two-wheelers (E2W) in Shanghai. A realistic driving behavior is first derived to reflect the typical use of an E2W. A data acquisition campaign is conducted to capture the local conditions in Shanghai. Based on survey and fleet data, a typical driving cycle for E2W is designed in Shanghai. Models of the electric motor and power control in combination with vehicle-to-street characteristics are used to convert the recorded typical driving cycles to equivalent power profiles. The main focus is to investigate and model a Li-ion battery from a system perspective. Different model representations are compared regarding their applicability in simulation and optimization. An aging campaign is initiated to investigate the characteristics of a lithium manganese oxide (LMO) cell. Results for calendar and cycle aging are presented and compared to further cell chemistries. A single particle model as well as a simplified electrical equivalent circuit model are introduced and adapted to the cell results. The driving cycle and system model are incorporated into a model-based optimization strategy. Since the greatest optimization potential was identified during charging and storage, a combined optimal charging and operating strategy is described. The validity of the results is proven by further cell tests and compared with simulation results, which show that an extension of the lifetime is achieved. A heuristic operating strategy is then derived, which can also be implemented online on the E2W control unit.
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Methoden und Implementierung einer vorausschauenden Fahrwerksregelung für aktive und semi-aktive Federungssysteme
(Shaker Verlag, 2014) Göhrle, Christoph; Sawodny, Oliver (Prof. Dr.-Ing. Dr. h.c.)
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Methoden zur modellbasierten Regelung eines Kältemittelkreislaufes in einem Elektrofahrzeug
(2024) Göltz, Stefanie; Sawodny, Oliver (Prof. Dr.-Ing. Dr. h.c.)
Als Grundlage für die Regelungsansätze entwickelt diese Arbeit ein komponentenorientiertes Gesamtmodell des Kältemittelkreislaufes, welches auf physikalischen Zusammenhängen basiert. So können einzelne Komponenten ausgetauscht, neue Komponenten-Verschaltungen ohne neue Identifikationsmessungen berücksichtigt und das Gesamtkonzept auf neue Fahrzeug-Baureihen übertragen werden. Aufbauend auf dem Gesamtmodell werden zwei Regelungsansätze, sowie eine Vorsteuerung entwickelt und anhand von Prüfstandsmessungen validiert. Die beiden Regelungsansätze umfassen einen dezentralen Regelungsansatz und einen Ansatz mit zentraler Zustandsrückführung inklusive Beobachter. Die Vorsteuerung wird mit den Reglern in einer Zwei-Freiheitsgrade-Reglerstruktur kombiniert und als inversionsbasierte entkoppelnde Vorsteuerung ausgelegt. Dazu wird die Dimension des entwickelten Gesamtmodells nichtlinear reduziert, wobei statt des Verhaltens des Gesamtsystems nur das Ein-Ausgangs-Verhalten beziehungsweise das Störgrößen-Ausgangs-Verhalten betrachtet wird. Die nichtlineare Methodik baut auf der Beobachtbarkeits-Normalform für Mehrgrößensysteme auf und wird erweitert um Bedingungen zur Stabilität der stationären Arbeitspunkte, eine Frequenzskalierung der Einflussgrößen und eine Transformation der Eingangsgrößen. Abschließend werden alle Regelungskonzepte durch Kompensationsterme zur Berücksichtigung von Stellgrößenbeschränkungen erweitert, wobei diese Terme die Kopplungen in den Regelungsstrategien auch im Falle von Beschränkungen berücksichtigen und am Prüfstand validiert werden.
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Model predictive energy management for induction motor drives and all-wheel-drive battery electric vehicles : a flatness based approach
(Düren : Shaker Verlag, 2021) Rolle, Bernhard; Sawodny, Oliver (Prof. Dr.-Ing. Dr. h.c.)
Since emission and fuel economy standards have risen significantly, car manufacturers find themselves forced to invest in new battery and related technologies. Research on methods and technologies that improve the efficiency of both the battery and the electric powertrain, pose the greatest challenges of this technological transition. Therefore, software solutions for energy management and motion control as well as economic driving strategies are becoming more and more the focus of future developments. Software solutions allowing for potential economic savings are particularly appealing, since these do not require any structural or mechanical design changes. With the main objective of increasing economic savings, this present work investigates analytical models of the electric powertrain for a battery electric vehicle with two drive modules on the front and rear axle. The modeling approach focuses on loss processes associated with the energy conversion of the voltage source inverters and induction motors. Due to a wide spectrum of involved time constants in the range of seconds to a few milliseconds, efficiency analyses of electric vehicles rarely follow model-based approaches and instead rely on characteristic loss maps, which neglect dynamic effects and physical limitations, for example, those resulting from the limited battery voltage. This widespread spectrum comes from both the longitudinal dynamics of the vehicle and the voltage and current harmonics that result from high frequency switchings of the inverters’ semi-conductors. New dynamical models are thus proposed that can be efficiently integrated into vehicle simulations and also be implemented online on embedded systems, such as the motor control unit of the investigated vehicle. In doing so, an average value model of the voltage source inverter is derived, based on a double Fourier integral analysis of the semi-conductor switching signals. Furthermore, a widely used model of the induction motor, applied for motor analysis and control design, is reformulated into an equivalent differential flat system based on the definition of a new flat output. Both component models are integrated into a vehicle simulation of a Mercedes Benz EQC prototype and are thoroughly validated through extensive simulative studies and experimental test series. With the help of the newly introduced models and with the assistance of modern vehicle sensor systems, control strategies of the electric powertrain are investigated that aim for the most energy efficient operation. In a first step, decentralized optimal control approaches are proposed that improve the efficiency of the electric drive module, not only during stationary operation, but also during transient torque conditions. This improvement is achieved by an appropriate field oriented control method. In a second step, optimization-based torque allocation strategies are investigated and evaluated experimentally. Finally, a centralized predictive control approach is presented that exploits all operational degrees of freedom, which are the variable torque allocation, the front and rear axle magnetic flux, and the adjustment of the vehicle speed according to topographical and traffic dependent conditions. Significant economic savings are demonstrated for the decentralized control methods as well as for the centralized control approach. The high level of accuracy and performance that is achieved by the proposed model-based framework and predictive operational strategies are only made possible by exploiting the positive structural properties of the newly introduced differential flat system representation of the induction motor.
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Modellierung und modellbasierte Regelung von Kontinuum-Manipulatoren
(Aachen : Shaker Verlag, 2017) Falkenhahn, Valentin; Sawodny, Oliver (Prof. Dr.-Ing. Dr. h.c.)
Kontinuum-Manipulatoren gehören zu einer neuartigen Roboterklasse und erschließen durch ihre gelenkfreien, kontinuierlichen Verformungen neue Anwendungsfelder. Für die praktische Anwendbarkeit von Kontinuum-Manipulatoren sind schnellere und präzisere Bewegungen erforderlich. Daher wird eine modellbasierte Folgeregelung der Aktorkoordinaten entwickelt, die ein gutes Führungsverhalten und verbessertes Störverhalten bei dynamischer Anregung ermöglicht. Die Vorgabe der Führungsgrößen erfordert Methoden der Trajektoriengenerierung. Die Entwicklung dieser Methoden und deren experimentelle Umsetzung erfolgt anhand eines Beispielmanipulators, des pneumatisch aktuierten Bionischen Handling-Assistenten (BHA). Im Rahmen der dynamischen Modellierung wird die verteilte Manipulatormasse über konzentrierte Sektionsmassen approximiert. Die kinematische Beschreibung des Manipulators erfolgt über den Ansatz konstanter Sektionskrümmungen. Darauf aufbauend wird das dynamische Modell über ein Ersatzmodell mit konzentrierten Massen hergeleitet, sodass die Bewegungsgleichungen der Aktoren in klassischer Form vorliegen. Für den Reglerentwurf werden modellbasierte Zustandslinearisierungen mit linearen PID-Reglern und Vorsteuerungen kombiniert. Der entwickelte modellbasierte Regler mit einem signifikant verbesserten Führungs- und Störverhalten erlaubt schnelle und präzise Bewegungen generierter Aktortrajektorien aus Vorgaben von Aufgabenkoordinaten. Für die Trajektoriengenerierung werden beispielhaft zeitoptimale Punkt-zu-Punkt-Trajektorien und onlinefähige TCP-Geschwindigkeitsvorgaben vorgestellt. Darüber hinaus kann das entwickelte dynamische Modell für erweiterte Reglerkonzepte hinsichtlich TCP-Regelungen oder Kraft- bzw. Impedanzregelungen verwendet werden.
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Online Bremsperformance-Schätzung für Lastkraftwagen
(2024) Göltz, Simon; Sawodny, Oliver (Prof. Dr.-Ing. Dr. h.c.)
In dieser Arbeit wird ein System zur Schätzung des Straßenreibwertes vorgestellt. Dazu wird serienmäßig verbaute Sensorik mit einer Geschwindigkeitsmessung basierend auf GPS in einem Dividierte-Differenzen-Filter zweiter Ordnung kombiniert und damit sowohl die Fahrzustände als auch der Reibwert geschätzt. Das physikalische Entwurfsmodell, bestehend aus einem vereinfachten Zweispurmodell mit nichtlinearem Magic-Formula-Reifen-Modell, kann durch Parametrierung auf die jeweilige, im Nutzfahrzeug-Sektor sehr variable, Fahrzeugkonfiguration angepasst werden. Eine Sensitivitätsanalyse der Parameter zeigt, welche Parameter genau ermittelt werden müssen. Daraus abgeleitet wird insbesondere für die zeitvarianten Reifenparameter eine Langzeitadaption entworfen. Untersuchungen zu Eigenwerten und Beobachtbarkeit zeigen, dass eine Fahrdynamikschätzung in nahezu allen Fahrzuständen und eine Reibwertschätzung bei hinreichender Anregung möglich sind. Die Ergebnisse werden simulativ validiert, bevor eine vereinfachte, ausschließlich longitudinale, Reibwertschätzung entwickelt und anhand realer Messdaten mit der vollständigen Reibwertschätzung verglichen wird.