05 Fakultät Informatik, Elektrotechnik und Informationstechnik
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Item Open Access Inferring object hypotheses based on feature motion from different sources(2015) Fuchs, SteffenPerception systems in robotics are typically closely tailored to the given task, e.g., in typical pick-and-place tasks the perception systems only recognizes the mugs that are supposed to be moved and the table the mugs are placed on. The obvious limitation of those systems is that for a new task a new vision system must be designed and implemented. This master's thesis proposes a method that allows to identify entities in the world based on motion of various features from various sources. This is without relying on strong prior assumptions and to provide an important piece towards a more general perception system. While entities are rigid bodies in the world, the sources can be anything that allows to track certain features over time in order to create trajectories. For example, these feature trajectories can be obtained from RGB and RGB-D sensors of a robot, from external cameras, or even the end effector of the robot (proprioception). The core conceptual elements are: the distance variance between trajectory pairs is computed to construct an affinity matrix. This matrix is then used as input for a divisive k-means algorithm in order to cluster trajectories into object hypotheses. In a final step these hypotheses are combined with previously observed hypotheses by computing the correlations between the current and the updated sets. This approach has been evaluated on both simulated and real world data. Generating simulated data provides an elegant way for a qualitative analysis of various scenarios. The real world data was obtained by tracking Shi-Tomasi corners using the Lucas-Kanade optical flow estimation of RGB image sequences and projecting the features into range image space.Item Open Access Control-plane consistency in software-defined networking: distributed controller synchronization using the ISIS² toolkit(2015) Strauß, JanSoftware-defined Networking (SDN) is a recent approach in computer networks to ease the network administration by separating the control-plane and the data-plane. The data-plane only forwards packets according to certain rules specified by the control-plane. The control-plane, implemented by a software called controller, determines the forwarding rules based on a global view of the network. In order to increase fault tolerance and to eliminate a possible performance bottleneck, the controller can be distributed. The synchronization of the data that holds the global view is conventionally realized using distributed key-value stores offering a fixed consistency semantic, not respecting the heterogeneous consistency requirements of the data items in controller state. The virtual synchrony model, an alternative approach to the commonly used state machine replication method, offers a more flexible solution that can result in higher performance when certain assumptions on the data kept in controller state can be made. In this thesis a distributed controller based on OpenDaylight, a state-of-the-art SDN controller and the ISIS² library, that implements the virtual synchrony model, is proposed. The modular architecture of the proposed controller and the usage of a platform independent data model allows to extend or replace parts of the system. The implementation of the distributed controller is described and the macro and micro performance is evaluated with benchmarks.Item Open Access Analyse der Echtzeitfähigkeit und des Ressourcenverbrauchs von OpenGL ES 2.0(2011) Cont, ArminOpenGL ES 2.0 (Open Graphics Library for Embedded Systems 2.0) ist eine Schnittstelle zur Entwicklung von 2D- und 3D-Computergrafik-Anwendungen. Die Spezifikation von OpenGL ES 2.0 definiert eine Reihe von Befehlen, mit denen Daten zum und vom OpenGL ES-System übermittelt werden können, mit denen das Zeichnen von Grafiken angestoßen werden kann (Rendering) und Einstellungen für das Rendering durchgeführt werden können. Üblicherweise verwenden OpenGL ES-Systeme für das Rendering physische Grafikkarten (GPUs). Keines der heute verfügbaren OpenGL ES-Systeme mit physischer GPU unterstützt aber die Priorisierung von Anwendungen hinsichtlich der Ausführung von OpenGL ES-Befehlen oder Einschränkungen von Anwendungen hinsichtlich der Nutzung von GPU-Ressourcen. Insbesondere bietet OpenGL ES weder einen konfigurierbaren Scheduler noch die Möglichkeit, Echtzeitgarantien für die Ausführung von OpenGL ES-Befehlen zu erfüllen. Ziel dieser Arbeit ist es, zu untersuchen, inwieweit dennoch sichergestellt werden kann, dass Befehle sicherheitskritischer Anwendungen rechtzeitig ausgeführt werden können. Dazu werden relevante Befehle bestimmt, deren Laufzeitverhalten und Ressourcenverbrauch analysiert wird. Außerdem werden spezielle Szenarien untersucht, um festzustellen, inwiefern das Verhalten von OpenGL ES-Systemen die rechtzeitige Ausführung kritischer Befehle verhindern kann. Schließlich werden Untersuchungsmethoden und Metriken für die Prognose des Ressourcenverbrauchs von OpenGL ES-Befehlen und die Ermittlung der dafür notwendigen systemspezifischen Kennzahlen entwickelt. Die Untersuchung werden auf einigen realen OpenGL ES-Systeme durchgeführt. Dabei wird gezeigt, dass insbesondere das Speicherbelegungsverhalten und die Nutzung der Renderpipeline mit Problemen verbunden sind, die der Erfüllung von Echtzeitgarantien im Wege stehen und nicht auf der Ebene von OpenGL ES gelöst werden können.Item Open Access Lastbalancierungsverfahren für dynamische und heterogene Linked-Cell Molekülsimulation(2015) Hirschmann, SteffenIn dieser Arbeit wird die Lastbalancierung von Molekül- beziehungsweise Teilchensimulationen mit kurzreichweitigen Potenzialen betrachtet. Eine solche ist notwendig, um inhomogene Szenarien effizient über längere Zeiträume hinweg auf Parallelrechnern simulieren zu können. Hierzu werden die vorkommenden Arten von Last analysiert und in sogenannten Lastmodellen quantifiziert. Hierbei liegt der Fokus auf Rechen- und Kommunikationslasten. Anschließend wird das Problem der Lastbalancierung beschrieben. Es werden verschiedene in der Literatur bekannte Verfahren zur Lastbalancierung betrachtet, untersucht und evaluiert. Der Fokus liegt hierbei nicht auf einem einzelnen Anwendungsszenario, sondern auf der generellen Machbarkeit, den Eigenschaften und den Einschränkungen der jeweiligen Verfahren.Item Open Access Evaluierung von Verfahren zum optischen Lokalisieren und Kartographieren (SLAM) mit Eignung für den Einsatz auf UAVs(2013) Price, EricIn der Robotik werden kleine UAVs (unmanned aerial vehicles) dank zunehmender Hardwareminiaturisierung immer interessanter. Jedoch gelten auf diesen Plattformen wie Quadcoptern oder Modellflugzeugen zusätzliche Beschränkungen wie Größe, Bauform und Gewicht, die die zur Verfügung stehende Rechnerleistung für Anwendungen der autonomen Robotik nach wie vor einschränken. Thema dieser Diplomarbeit ist die Evaluierung von Verfahren zum simultanen Lokalisieren und Kartographieren an Hand optisch erfasster Bilddaten von einem mikro-UAV aus, wobei besonderes Augenmerk auf der Eignung der SLAM Verfahren für autonome optische Navigation in einer 3D Outdoor-Umgebung liegt.Item Open Access Konzeption und Realisierung eines Sicherheitskonzepts zur sicheren Datenstromverarbeitung in einer verteilten Ausfürhungsumgebung(2011) Dörler, OliverVorliegende Diplomarbeit entwickelt ein Sicherheitskonzept für NexusDS. Das Konzept definiert Sicherheitsmechanismen um den Zugriff und die Verarbeitung von sensiblen und geschützten Daten zu kontrollieren. Die Mechanismen beinhalten Funktionen um Daten zu Anonymisieren und zu Verschleiern. Die Entwicklung des Konzeptes beinhaltet die Abgrenzung von Sicherheit im Kontext von NexusDS, Erhebung von Anforderungen aus Anwendungsszenarien und NexusDS selbst, die Entwicklung entsprechend dienlicher Maßnahmen, deren Umsetzung in eine Sicherheitsarchitektur und eine prototypische Implementierung in NexusDS.Item Open Access Konzepte und Mechanismen zur konsistenten nebenläufigen Aktualisierung der Weiterleitungstabellen in Software-defined Networks(2013) Pein, Moritz vonIn Software-defined Networks existieren zwei wichtige Gründe, die Kontrollebene auf mehrere Controller zu verteilen. Erstens ist es für die Skalierbarkeit des Systems wichtig, Zuständigkeiten flexibel auf mehrere Controller zu verteilen und zweitens muss ein Ausfall eines Controllers durch andere Controller toleriert und aufgefangen werden können. Außerdem ist eine Verteilungstransparenz der Kontrolllogik erwünscht, die es Kontrollanwendungen ermöglicht, Routen ohne große Kenntnisse des Netzwerks zu schreiben. Bei der Aktualisierung von Weiterleitungstabellen durch mehrere Controller treten durch asynchrone Kommunikation und konkurrierende Updates Inkonsistenzen in den Weiterleitungstabellen auf, die eine Koordination des Ablaufs nötig machen. Inkonsistenzen entstehen dadurch, dass innerhalb kurzer Zeit zwei Schreibaufträge für konkurrierende Routen gestartet werden und diese in unterschiedlicher Reihenfolge bei den Switchs verarbeitet werden, wodurch beide Flows unvollständig implementiert werden und Schleifen entstehen können. In dieser Arbeit wird eine verteilte Control Coordination Middleware vorgestellt, die zwei Mechanismen anbietet, durch die diese Inkonsistenzen verhindert werden. In der Locking-Variante muss ein Agent, der einen Flow einrichtet, erst eine Sperre über das Matching-Kriterium beantragen, bevor er die Updates verschicken darf. In der Logical-Clock-Variante werden die Updates mit Zeitstempeln versehen, die es den Switchs ermöglichen, veraltete Updates zu verwerfen.Item Open Access Robust Quasi-Newton methods for partitioned fluid-structure simulations(2015) Scheufele, KlaudiusIn recent years, quasi-Newton schemes have proven to be a robust and efficient way for the coupling of partitioned multi-physics simulations in particular for fluid-structure interaction. The focus of this work is put on the coupling of partitioned fluid-structure interaction, where minimal interface requirements are assumed for the respective field solvers, thus treated as black box solvers. The coupling is done through communication of boundary values between the solvers. In this thesis a new quasi-Newton variant (IQN-IMVJ) based on a multi-vector update is investigated in combination with serial and parallel coupling systems. Due to implicit incorporation of passed information within the Jacobian update it renders the problem dependent parameter of retained previous time steps unnecessary. Besides, a whole range of coupling schemes are categorized and compared comprehensively with respect to robustness, convergence behaviour and complexity. Those coupling algorithms differ in the structure of the coupling, i.\,e., serial or parallel execution of the field solvers and the used quasi-Newton methods. A more in-depth analysis for a choice of coupling schemes is conducted for a set of strongly coupled FSI benchmark problems, using the in-house coupling library preCICE. The superior convergence behaviour and robust nature of the IQN-IMVJ method compared to well known state of the art methods such as the IQN-ILS method, is demonstrated here. It is confirmed that the multi-vector method works optimal without the need of tuning problem dependent parameters in advance. Furthermore, it appears to be especially suitable in conjunction with the parallel coupling system, in that it yields fairly similar results for parallel and serial coupling. Although we focus on FSI simulation, the considered coupling schemes are supposed to be equally applicable to various kinds of different volume- or surface-coupled problems.Item Open Access Automated composition of adaptive pervasive applications in heterogeneous environments(2012) Schuhmann, Stephan Andreas; Rothermel, Kurt (Prof. Dr. rer. nat. Dr. h. c.)Distributed applications for Pervasive Computing represent a research area of high interest. Configuration processes are needed before the application execution to find a composition of components that provides the required functionality. As dynamic pervasive environments and device failures may yield unavailability of arbitrary components and devices at any time, finding and maintaining such a composition represents a nontrivial task. Obviously, many degrees of decentralization and even completely centralized approaches are possible in the calculation of valid configurations, spanning a wide spectrum of possible solutions. As configuration processes produce latencies which are noticed by the application user as undesired waiting times, configurations have to be calculated as fast as possible. While completely distributed configuration is inevitable in infrastructure-less Ad Hoc scenarios, many realistic Pervasive Computing environments are located in heterogeneous environments, where additional computation power of resource-rich devices can be utilized by centralized approaches. However, in case of strongly heterogeneous pervasive environments including several resource-rich and resource-weak devices, both centralized and decentralized approaches may lead to suboptimal results concerning configuration latencies: While the resource-weak devices may be bottlenecks for decentralized configuration, the centralized approach faces the problem of not utilizing parallelism. Most of the conducted projects in Pervasive Computing only focus on one specific type of environment: Either they concentrate on heterogeneous environments, which rely on additional infrastructure devices, leading to inapplicability in infrastructure-less environments. Or they address homogeneous Ad Hoc environments and treat all involved devices as equal, which leads to suboptimal results in case of present resource-rich devices, as their additional computation power is not exploited. Therefore, in this work we propose an advanced comprehensive adaptive approach that particularly focuses on the efficient support of heterogeneous environments, but is also applicable in infrastructure-less homogeneous scenarios. We provide multiple configuration schemes with different degrees of decentralization for distributed applications, optimized for specific scenarios. Our solution is adaptive in a way that the actual scheme is chosen based on the current system environment and calculates application compositions in a resource-aware efficient manner. This ensures high efficiency even in dynamically changing environments. Beyond this, many typical pervasive environments contain a fixed set of applications and devices that are frequently used. In such scenarios, identical resources are part of subsequent configuration calculations. Thus, the involved devices undergo a quite similar configuration process whenever an application is launched. However, starting the configuration from scratch every time not only consumes a lot of time, but also increases communication overhead and energy consumption of the involved devices. Therefore, our solution integrates the results from previous configurations to reduce the severity of the configuration problem in dynamic scenarios. We prove in prototypical real-world evaluations as well as by simulation and emulation that our comprehensive approach provides efficient automated configuration in the complete spectrum of possible application scenarios. This extensive functionality has not been achieved by related projects yet. Thus, our work supplies a significant contribution towards seamless application configuration in Pervasive Computing.Item Open Access Eine OSLC-Plattform zur Unterstützung der Situationserkennung in Workflows(2015) Jansa, PaulDas Internet der Dinge gewinnt immer mehr an Bedeutung durch eine starke Vernetzung von Rechnern, Produktionsanlagen, mobilen Endgeräten und weiteren technischen Geräten. Derartige vernetzte Umgebungen werden auch als SMART Environments bezeichnet. Auf Basis von Sensordaten können in solchen Umgebungen höherwertige Situationen (Zustandsänderungen) erkannt und auf diese meist automatisch reagiert werden. Dadurch werden neuartige Technologien wie zum Beispiel "Industrie 4.0", "SMART Homes" oder "SMART Cities" ermöglicht. Komplexe Vernetzungen und Arbeitsabläufe in derartigen Umgebungen werden oftmals mit Workflows realisiert. Um eine robuste Ausführung dieser Workflows zu gewährleisten, müssen Situationsänderungen beachtet und auf diese entsprechend reagiert werden, zum Beispiel durch Workflow-Adaption. Das heißt, erst durch die Erkennung höherwertiger Situationen können solche Workflows robust modelliert und ausgeführt werden. Jedoch stellen die für die Erkennung von Situationen notwendige Anbindung und Bereitstellung von Sensordaten eine große Herausforderung dar. Oft handelt es sich bei den Sensordaten um Rohdaten. Sie sind schwer extrahierbar, liegen oftmals nur lokal vor, sind ungenau und lassen sich dementsprechend schwer verarbeiten. Um die Sensordaten zu extrahieren, müssen für jeden Sensor individuelle Adapter programmiert werden, die wiederum ein einheitliches Datenformat der Sensordaten bereitstellen müssen und anschließend mit sehr viel Aufwand untereinander verbunden werden. Im Rahmen dieser Diplomarbeit wird ein Konzept erarbeitet und entwickelt, mit dessen Hilfe eine einfache Integration von Sensordaten ermöglicht wird. Dazu werden die Sensoren über eine webbasierte Benutzeroberfläche oder über eine programmatische Schnittstelle in einer gemeinsamen Datenbank registriert. Die Sensordaten werden durch REST-Ressourcen abstrahiert, in RDF-basierte Repräsentationen umgewandelt und mit dem Linked-Data Prinzip miteinander verbunden. Durch die standardisierte Schnittstelle können Endbenutzer oder Anwendungen über das Internet auf die Sensordaten zugreifen, neue Sensoren anmelden oder entfernen.