05 Fakultät Informatik, Elektrotechnik und Informationstechnik
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Item Open Access Anwendungsfälle und Methoden der künstlichen Intelligenz in der anwendungsorientierten Forschung im Kontext von Industrie 4.0(2020) Maschler, Benjamin; White, Dustin; Weyrich, MichaelEs wird erwartet, dass datengetriebene Methoden künstlicher Intelligenz im Kontext Industrie 4.0 die Zukunft industrieller Fertigung prägen werden. Obwohl das Thema in der Forschung sehr präsent ist, bleibt der Umfang der tatsächlichen Nutzung dieser Methoden unklar. Dieser Beitrag analysiert daher von 2013 bis 2018 veröffentlichte wissenschaftliche Artikel, um statistische Daten über den Einsatz von Methoden künstlicher Intelligenz in der Industrie zu gewinnen. Besonderes Augenmerk wird dabei auf die Trainings- und Evaluations-Datentypen, die Verbreitung in verschiedenen Industriezweigen, die betrachteten Anwendungsfälle sowie die geographische Herkunft dieser Artikel gelegt. Die resultierenden Erkenntnisse werden in praxisnahe Hinweise für Entscheider destilliert.Item Open Access Deep learning based soft sensors for industrial machinery(2020) Maschler, Benjamin; Ganssloser, Sören; Hablizel, Andreas; Weyrich, MichaelA multitude of high quality, high-resolution data is a cornerstone of the digital services associated with Industry 4.0. However, a great fraction of industrial machinery in use today features only a bare minimum of sensors and retrofitting new ones is expensive if possible at all. Instead, already existing sensors’ data streams could be utilized to virtually ‘measure’ new parameters. In this paper, a deep learning based virtual sensor for estimating a combustion parameter on a large gas engine using only the rotational speed as input is developed and evaluated. The evaluation focusses on the influence of data preprocessing compared to network type and structure regarding the estimation quality.Item Open Access User-friendly, requirement-based assistance for production workforce using an asset administration shell design(2020) Al Assadi, Anwar; Fries, Christian; Fechter, Manuel; Maschler, Benjamin; Ewert, Daniel; Schnauffer, Hans-Georg; Zürn, Michael; Reichenbach, MatthiasFuture production methods like cyber physical production systems (CPPS), flexibly linked assembly structures and the matrix production are characterized by highly flexible and reconfigurable cyber physical work cells. This leads to frequent job changes and shifting work environments. The resulting complexity within production increases the risk of process failures and therefore requires longer job qualification times for workers, challenging the overall efficiency of production. During operation, cyber physical work cells generate data, which are specific to the individual process and worker. Based on the asset administration shell for Industry 4.0, this paper develops an administration shell for the production workforce, which contains personal data (e.g. qualification level, language skills, machine access, preferred display and interaction settings). Using worker and process specific data as well as personal data, allows supporting, training and instating workers according to their individual capabilities. This matching of machine requirements and worker skills serves to optimize the allocation of workers to workstations regarding the ergonomic workplace setup and the machine efficiency. This paper concludes with a user-friendly, intuitive design approach for a personalized machine user interface. The presented use-cases are developed and tested at the ARENA2036 (Active Research Environment for the Next Generation of Automobiles) research campus.Item Open Access Optische Messsysteme und Ein-Sensor-Bildgebungsverfahren für Biosensoren(2024) Berner, Marcel; Werner, Jürgen H. (Prof. Dr. rer. nat. habil.)Die vorliegende Arbeit präsentiert die Entwicklung mehrerer Messsysteme und -verfahren für optische Biosensoranwendungen. Der erste Teil dieser Arbeit entwirft eine universelle experimentelle Plattform für die Erprobung neuer optischer Biosensorkonzepte nach dem Prinzip der laserinduzierten Fluoreszenz (LIF). Die Plattform unterstützt das europäische Forschungsprojekt Nanodem bei der Entwicklung eines portablen Point-of-Care-Testing-Gerätes (PoCT) zur Live-Überwachung von Immunsuppressivakonzentrationen im Blut von Transplantationspatienten unmittelbar am Patientenbett. Das in dieser Arbeit entwickelte Plattformkonzept umfasst die optoelektronische Fluoreszenzanregung und -detektion, optische Filtersysteme, den fluoreszenten Farbstoff, das Materialsystem der Transducerchips, das Mikrofluidiksystem sowie die Automatisierung der Ablaufsteuerung. Der Ausgangspunkt der Entwicklung ist die Herleitung eines allgemeinen physikalischen Modells für LIF-Systeme, an dem sich die Konstruktion der Plattform orientiert. Das in Kooperation mit der Eberhard Karls Universität Tübingen entworfene Transducerchipkonzept auf der Basis lasergeschnittener Klebebänder gestattet eine hohe Flexibilität bezüglich der Geometrie und des Aufbaus der Transducerchips und unterstützt den Technologietransfer akademischer Forschungsergebnisse in die industrielle Fertigung. Die entworfenen Photodetektorarrays aus amorphem Silizium lassen sich dank leicht adaptierbarer Herstellungsprozesse kosteneffizient auf beliebige Biosensorgeometrien anpassen. Die erreichte spezifische Detektivität D* = 11 × 10^12 Jones der Detektoren liegt dabei auf Augenhöhe mit der von State-of-the-Art-Detektoren aus kristallinem Material. Die erzielte Detektionsgrenze von c_{LOD,exp} = 26 nmol/l. Weiter bestätigen die experimentellen Messdaten das aufgestellte physikalische Modell. Der zweite Teil dieser Arbeit zeigt ein neues optisches Verfahren zur ortsaufgelösten Messung, das eine Vielzahl von Bildpunkten simultan mit nur einem einzigen optischen Sensor beobachtet. Das Verfahren nutzt hierzu ortsaufgelöste Lichtmodulatoren (Spatial Light Modulators - SLMs), um eine ortsabhängige optische Modulation zu erzeugen. Die erzeugten optischen Trägersignale gestatten die Zuordnung der als Summensignal empfangenen Signale zu ihren Ursprungspunkten. Der sogenannte Fourier Spotter macht sich dabei die mathematischen Eigenschaften der Fourier-Transformation zunutze. Durch die Anwendung zueinander phasenverschobener Modulationssignale gestattet der Fourier Spotter zudem die unmittelbare Messung von Helligkeitsdifferenzen zwischen unterschiedlichen Beobachtungspunkten. Dieses differentielle optische Messprinzip ist der Kern eines bereits erteilten Patents des Autors mit der Universität Stuttgart. Das neuartige optische Messprinzip eignet sich für die Integration in optische Biosensor-Verfahren, wie etwa die Einwellenlängenreflektometrie (engl. Single Color Reflectometry - SCORE), welche derzeit noch auf teure Spezialkameras angewiesen sind. Herkömmliche Kamerasysteme erzeugen hohe Datenmengen, deren Auswertung erhebliche Rechenleistung in Anspruch nimmt und damit der Weiterentwicklung hin zu miniaturisierten, portablen Biosensorplattformen entgegensteht. Die vorliegende Arbeit präsentiert einen erfolgreichen experimentellen Machbarkeitsnachweis des Fourier Imagers anhand von Helligkeitsdifferenzmessungen an einem SCORE-Aufbau. Eine zukünftige Erweiterung des Fourier Spotters um ein Zeilenspektrometer erlaubt neben der ortsaufgelösten Beobachtung auch eine simultane Erfassung der optischen Spektren jedes einzelnen beobachteten Punktes. Durch diese hyperspektrale Erweiterung wird die erstmalige Umsetzung einer auf der reflektometrischen Interferenzspektroskopie (RIfS) basierenden mehrkanaligen optischen Biosensorplattform möglich. Der dritte Teil dieser Arbeit verallgemeinert das Prinzip des Fourier Spotters und überführt dieses in ein Ein-Pixel-Kamera-Verfahren - das AM-FDM Imaging (engl. Amplitude Modulated Frequency Division Multiplexing). Das AM-FDM Imaging basiert auf der Anwendung von Näherungsverfahren, die ein Übersprechen zwischen den Trägersignalen minimieren. Das aufgestellte systemtheoretische Modell des AM-FDM Imaging umfasst auch das Fourier Spotting und erlaubt den Vergleich mit Rasterscans sowie bereits bekannten Ein-Pixel-Kamera-Verfahren wie dem Hadamard Imaging. Ist das Signal-zu-Rausch-Verhältnis durch das Rauschen des Detektorsystems begrenzt, so erreicht das AM-FDM Imaging einen sogenannten Multiplexgewinn amult = O(M) in der Größenordnung der Anzahl simultan beobachteter Bildpunkte M. Mit den derzeit eingesetzten Näherungsverfahren erreicht das AM-FDM Imaging hinsichtlich des Signal-zu-Rausch-Verhältnisses, der Anzahl simultan beobachtbarer Bildpunkte und der erzielbaren Bildwiederholrate nicht die Leistungsfähigkeit des bei Ein-Pixel-Imaging-Verfahren vorherrschenden Hadamard Imagings. Die in dieser Arbeit diskutierten Verwandtschaftsverhältnisse des AM-FDM Imagings zu anderen bekannten Ein-Pixel-Kamera-Verfahren legen jedoch die Vermutung nahe, dass ein bisher unbekanntes Näherungsverfahren existiert, das das AM-FDM Imaging mit dem Hadamard Imaging gleichstellt. Die Ergebnisse des systemtheoretischen Modells wurden mittels Simulation in Matlab bestätigt und gelten auch für den Fourier Spotter. Damit zeigen die Ergebnisse auf, dass im SCORE-Anwendungsfall eine Modulation nach dem Prinzip des Hadamard Imagings vorteilhafter ist. Das erteilte Patent zum optisch differentiellen Messverfahren schließt auch eine differentielle Variante des Hadamard Imagings mit ein. Gegenüber der Differenzwertbestimmung aus gemessenen Absolutwerten verdoppelt das differentielle Messverfahren wahlweise das Signal-zu-Rauschleistungs-Verhältnis oder die Bildwiederholrate des Hadamard Imagings.Item Open Access Adaptive error control for stratospheric long-distance optical links(2024) Parthasarathy, Swaminathan; Kirstädter, Andreas (Prof. Dr.-Ing.)Free-space optical (FSO) communication plays a crucial role in aerospace technology, utilizing lasers to establish high-speed, wireless connections over long distances. FSO surpasses conventional RF wireless technology in various aspects and supports high-data-rate connectivity for services such as Internet access, data transfer, voice communication, and image transfer. High-Altitude Platforms (HAPs) have emerged as ideal hosts for FSO communication networks, offering ultra-high data rates for applications like high-speed Internet, video conferencing, telemedicine, smart cities, and autonomous driving. FSO via HAPs ensures minimal latency, making it suitable for real-time tasks like remote surgery and autonomous vehicle control. The swift, long-distance communication links with low delays make FSO-equipped HAPs ideal for RF-congested areas, providing cost-effective solutions in remote regions and contributing to environmental monitoring. This thesis explores the use of adaptive code-rate Hybrid Automatic Repeat Request (HARQ) methods and channel state information (CSI) to improve the transmission efficiency of Free-Space Optical (FSO) links between High Altitude Platforms (HAPs). The study looks at channel problems like atmospheric turbulence and static pointing errors, focusing on the weak fluctuation regime of atmospheric turbulence. It explores the reciprocal behavior in bidirectional FSO channels to improve performance efficiency, providing evidence of channel reciprocity. The research proposes using HARQ, an adaptive Reed-Solomon (RS) code-rate technique, and different CSI types to address these impairments. Simulations of various situations are used to test how well these methods work. This helps us learn more about how efficient HARQ protocols are in inter-HAP FSO links, how important different CSI is in adaptive rate HARQ, and possible ways to make the system more efficient. This thesis looks at the channel model for inter-High Altitude Platform (HAP) Free-Space Optical (FSO) links in great detail, taking atmospheric conditions and static pointing errors into account. The channel is modeled as a lognormal fading channel under a weak fluctuation regime. The principle of channel reciprocity and the measures used to quantify it are discussed, providing a foundational understanding for the subsequent investigations. Forward Error Correction (FEC) schemes, with a specific emphasis on the Reed-Solomon (RS) scheme, and various Automatic Repeat reQuest (ARQ) schemes are thoroughly examined. A meticulous comparison of different ARQ schemes highlights that Selective Repeat ARQ (SR-ARQ) is the most efficient for high-error-rate channels, making it the preferred choice for inter-HAP FSO channels. Conversely, Stop and Wait ARQ (SW-ARQ) and Go-Back-N ARQ (GBN-ARQ) are found to be less suitable for these channels. An innovative approach is introduced, leveraging various types of Channel State Information (CSI) to adjust the Reed-Solomon Forward Error Correction (FEC) code-rate. Four types of CSI: perfect CSI (P-CSI), reciprocal CSI (R-CSI), delayed CSI (D-CSI), and fixed mean CSI (F-CSI) are employed. The adaptation of the Reed-Solomon FEC code-rate, aligned with Selective Repeat ARQ, is explored, and the optimal power selection is identified through rigorous analysis. It shows simulation models that use OMNET++ and gives information about the inter-HAP channel and the event-based selective repeat HARQ model. The study demonstrates reciprocity in the longest recorded ground-to-ground bidirectional Free-Space Optical (FSO) link, holding promise to mitigate signal scintillation caused by atmospheric turbulence. It evaluates the performance of different ARQ protocols and adaptive Hybrid Automatic Repeat Request (HARQ) schemes in inter-HAP FSO communication systems. The results show how channel state information, turbulence in the atmosphere, and pointing errors affect the performance of the system. They also suggest ways to improve system efficiency, such as using CSI prediction and soft combining. These findings offer valuable insights for the design and optimization of ARQ and HARQ schemes in inter-HAP FSO communication systems and suggest promising avenues for future research.Item Open Access Compact modeling of modern power MOSFETs based on industry-standard CMOS models(2025) Yan, Lixi; Kallfass, Ingmar (Prof. Dr.-Ing.)This work presents a modeling approach adopting the industry-standard models for circuit simulation with necessary extensions to describe vertical power MOSFETs. Standard models, which are developed for CMOS logic devices, are adopted with their proven robustness and fidelity to describe the voltage-controlled channel behavior of power MOSFETs. Considering the vertical MOSFET structure, the extended components including the nonlinear drift region, body-diode and the parasitic capacitance are defined as model extensions. The specific requirements for SiC MOSFETs different from the Si devices are also analyzed. The static and dynamic characteristics considering the thermal effects are measured as the reference for the model parameter extraction. Some attempts to create high voltage MOSFET models by adding elements to a standard MOSFET model are already reported, but these models are still not developed aiming at high current level power MOSFETs, or some crucial effects like the asymmetric reverse conducting current, reverse recovery of the body-diode etc. are not defined. This work provides a particular approach to characterize commercially available vertical power MOSFETs and proposes the modeling method describing the critical effects of power MOSFETs which enable the model to precisely describe the performance of the devices in switching mode simulations. Moreover, the model extension approach discussed in this work is not limited to a certain standard model. The physics based standard models can be categorized into three groups: threshold voltage based, inversion charge based, and surface potential based. The properties of three standard models from each group are analyzed and compared. The appropriate extension strategy is developed for each standard model and the specific parameter extraction flow is also provided for each proposed model. Compared with the vendor model, the modeling method proposed in this work can increase the accuracy of the simulation of the transient switching loss by around 20%, which can contribute to improve the power MOSFET compact modeling of the semiconductor community in view of improving the design of switched-mode power converters.