06 Fakultät Luft- und Raumfahrttechnik und Geodäsie
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Item Open Access Realisierung und Anwendung eines kinematischen Multi-Sensor-Meßsystems zur Bestimmung von dynamischen Bauwerksverformungen(2001) Petzoldt, Rainer; Linkwitz, Klaus (em. Prof. Dr.-Ing. Dr. sc. Techn. h. c. Dr. h. c. )Durch die Erweiterung der geodätischen Aufgabengebiete, insbesondere in der Ingenieurvermessung, werden zukünftig vermehrt interdisziplinäre Lösungen verlangt, die von einer Fachrichtung alleine nicht geliefert werden können. Dadurch entstehen zum Teil einfachere, schnellere und trotzdem genaue Methoden. Dies wird in der vorliegenden Arbeit veranschaulicht. Dazu werden zuerst die aus den Einzeldisziplinen stammenden Verfahren klassifiziert und anschließend ein auf diesen Verfahren basierendes neu entwickeltes Feldkalibrierverfahren für Inertialnavigationssysteme vorgestellt. Es basiert auf der Messung des Erdschwerevektors und der Erddrehrate in 24 Lagen und erlaubt die Bestimmung der Kalibrierparameter Offset, Skalenfaktor und Fehlausrichtungswinkel. Die erreichbare Genauigkeit liegt für Beschleunigungsmesser in der gleichen Größenordnung wie bei aufwendigeren Laborkalibrierungen, für Kreisel ergibt sich, bedingt durch die sehr kleine Erddrehrate, eine um ein bis drei Größenordnungen schlechtere Genauigkeit. Im zweiten Schwerpunkt der Arbeit wird am Beispiel der Messung der Deformation einer Eisenbahnbrücke während der Überfahrt eines Zuges gezeigt, daß neben der eigentlichen Messung auch die Auswertung der Meßergebnisse von einer Zusammenarbeit verschiedener Fachrichtungen profitiert. Die in den ersten Kapiteln beschriebenen Methoden werden konkret angewandt. Ausgehend von der Problembeschreibung werden Konzeption und Realisierung des Multi-Sensor-Meßsystems entwickelt und die Durchführung und Auswertung der Messungen beschrieben. Die Ergebnisse werden mit dem theoretischen Modell verglichen, wobei trotz der nur parametrischen Zeitabhängigkeit eine sehr gute Übereinstimmung festgestellt wird. Dies zeigt, daß an einem Modell, je nach Art der Fragestellung, viele wohlüberlegte Vereinfachungen vorgenommen werden können, ohne daß es seine Aussagekraft verliert.Item Open Access Untersuchungen zum geometrischen Verhalten von Holz mittels optischer Sensoren(2024) Schmitt, Annette; Schwieger, Volker (Prof. Dr.-Ing. habil. Dr. h.c.)In Deutschland geht rund ein Drittel des jährlichen CO2-Ausstoßes auf dem Bausektor zurück. Davon ist zwar nur ein Viertel dem Bau von Hochbauten zu zuschreiben. Gerade deshalb müssen im Hochbau Innovationen und alternative Materialien und Bauweisen entwickelt werden, damit Deutschland seine Klimaziele erreicht. Neben dem hohen CO2-Ausstoß hat die Betonbauweise den Nachteil, dass die Rohstoffe von Beton wie zum Beispiel Kies, Sand oder Kalkstein, endliche Ressourcen sind. Eine Alternative zur Betonbauweise ist der jahrtausendealte Holzbau, der in letzten Jahren eine Renaissance erlebt hat. Durch einen nachhaltigen Holzanbau und eine nachhaltige, ressourcenschonende Bauweise kann Holzbau zu einer echten Alternative werden. Jedoch ist Holz ein anisotroper, inhomogener und poröser Werkstoff, dessen Eigenschaften stark richtungsabhängig und abhängig von Umwelteinflüssen sind. Dies macht die Bemessung von Holzbauwerken kompliziert und unattraktiv. Speziell bei Flächentragwerken wie Schalen, die in der Regel sehr filigran sind, haben Umwelteinflüsse wie Feuchte und Temperatur einen Einfluss auf die Standfestigkeit. Daher ist eine regelmäßige Überwachung der Struktur notwendig. Im Bauingenieurwesen werden für solche Aufgaben häufig Dehnmessstreifen eingesetzt. Diese liefern lediglich sehr lokal geltende Messwerte, von denen nur mittels mechanischer Modelle auf das gesamte Objekt geschlossen werden kann. Daher bietet es sich an, für Flächentragwerke optische Sensoren wie zum Beispiel Laserscanner einzusetzen. Im Rahmen dieser Arbeit werden verschiedene Holzobjekte, wie zum Beispiel Platten, Vierkanthölzer und Schalen, unter verschiedenen Umwelteinflüssen, wie Feuchte und Temperatur, untersucht. Ziel ist es dabei, die auftretenden Formänderungen durch Umwelteinflüsse mittels Laserscanner und Lasertracker zu detektieren. Unter anderem werden mehrere Holzplatten in Klimakammern unter definierten Bedingungen untersucht. So wird in einem ersten Versuch der Einfluss von Temperaturänderungen auf eine Holzplatte untersucht. Es zeigt sich, dass dieser zwar sehr gering ist, aber mittels Lasertracker zumindest in radialer Faserrichtung signifikant aufdeckbar ist. In einem weiteren Versuch werden Holzplatten zunächst in einer Klimakammer mit Feuchteregelung bei 95 % Luftfeuchte gelagert und anschließend bei 12 % Luftfeuchte getrocknet. Zwischenzeitlich werden die Platten mittels Lasertracker und Laserscanner vermessen. Hier lassen sich die Verformungen mit dem Lasertracker in allen drei Faserrichtungen signifikant detektieren. Die Messungen mit dem Laserscanner ermöglichen aufgrund des aus der Aufnahmekonfiguration folgenden Registrierungsfehlers keine Aufdeckung der Verformungen, da der Schwellwert für signifikante Verformungen zu hoch ist. In einem weiteren Laborversuch werden die Verformungen durch die Umwelteinflüsse auf belastete Vierkanthölzer untersucht. Auch hierfür kann gezeigt werden, dass der Lasertracker genutzt werden kann. Verifiziert wurden die Ergebnisse hierbei durch eine Finite-Elemente-Simulation, der Materialparameter aus der Literatur zugrunde liegen. Neben den Laborversuchen werden auch Untersuchungen an einem adaptiven Schalentragwerk aus Holz mit dem Laserscanner durchgeführt. Für die Auswertung der Laserscannerdaten wird eine Methode zur Detektion von signifikanten Formänderungen auf Basis von synthetischen Punktfehlern und der Deformationsanalyse implementiert. Alle Ergebnisse der Messungen sind plausibel und mit Literaturangaben vergleichbar, dennoch ist Holz als natürlich wachsender Rohstoff sehr anspruchsvoll und individuell.Item Open Access Ein Beitrag zur Identifikation von dynamischen Strukturmodellen mit Methoden der adaptiven Kalman-Filterung(2005) Eichhorn, Andreas; Möhlenbrink, Wolfgang (Prof. Dr.-Ing.)Die vorliegende Arbeit entstand am "Institut für Anwendungen der Geodäsie im Bauwesen" (IAGB) der Universität Stuttgart im Rahmen des Forschungsschwerpunkts "Identifikation dynamischer Systeme". Es werden zwei Aufgabenstellungen behandelt. Die erste Aufgabenstellung kommt aus dem Bereich der Deformationsanalyse und beinhaltet die Entwicklung eines Temperaturdeformationsmodells zur realitätsnahen Prädiktion bzw. Simulation der Auswirkung von einseitigen dynamischen Temperaturbelastungen auf balkenförmige Körper. Ein wichtiges Anwendungsgebiet ist im Maschinenbau durch die indirekten Kompensationsverfahren zur Minimierung von thermischen Effekten auf hochpräzise Werkzeugmaschinen gegeben. Im Bauwesen ist die Analyse der thermischen Biegung von schlanken Baukonstruktionen unter dem Einfluss der Sonneneinstrahlung von Interesse. Den Kern des Modells bildet eine Finite Elemente Topologie auf der Grundlage von partiellen Differenzialgleichungen zur Quantifizierung der instationären Temperaturverteilung. Die parametrische Identifikation des dynamischen Strukturmodells ("White box"-Modell) erfolgt mittels adaptiver KALMAN-Filterung. In Labortests mit einer Aluminiumsäule gelingt die Schätzung der Temperaturleitfähigkeit des Materials mit einer Abweichung von nur 0,2% des Sollwertes. Durch unabhängige Temperaturmessungen wird gezeigt, dass eine Prognose der instationären Temperaturgradienten entlang des Mantels der Säule mit Restabweichungen erfolgen kann, die innerhalb des Bereichs der dreifachen Standardabweichung der verwendeten Temperaturmesssensoren (sigmaT = 0,4 K) liegen. Das Modell ist damit zur realitätsnahen Berechnung der Temperaturverteilung unter einem variablen Spektrum von dynamischen Belastungen geeignet. Die Verknüpfung mit einem Deformationsmodul (thermische Biegung) ermöglicht dann die Prognose von Säulenbiegungen mit einer mittleren Abweichung von ca. 3% der experimentell erzeugten maximalen Amplitude, was den Anforderungen für indirekte Kompensationsverfahren genügt. Die zweite Aufgabenstellung beinhaltet die parametrische Identifikation einer Fahrzeugbewegung. Im Auftrag der DaimlerChrysler AG wird ein Modul zur kartenunabhängigen Fahrzeugortung entwickelt. Kern des Moduls ist ein KALMAN-Filter mit einem kausal modifizierten kinematischen Bewegungsmodell des Fahrzeugs. Das Modell berücksichtigt explizit die gemessenen Orientierungsänderungen. Hierdurch wird die übliche Trägheit von kinematischen Bewegungsgleichungen entscheidend reduziert. Bei Stadt- und Landstrassenfahrten werden mit dem Ortungsmodul Positionsschätzungen mit mittleren Genauigkeiten von sigmaP = 2...3 m erzielt.Item Open Access Entwicklung eines tachymeter-basierten Zielsystems(2023) Hassan, Aiham; Schwieger, Volker (Prof. Dr.-Ing. habil. Dr. h.c.)Im Rahmen dieser Arbeit wird ein Prototyp für ein flexibel einsetzbares Tachymeterzielsystem (TZS) zur Vermessung verdeckter Objektpunkte entwickelt und empirisch anhand von Testmessungen untersucht. Die Ergebnisse dieser Untersuchungen zeigen, dass das Potenzial des TZS vielversprechend ist. Des Weiteren wird die Methode der lokalen Sensitivitätsanalyse zur Identifikation der wichtigen Eingangsgrößen für das deterministische Modell des TZS eingesetzt. Anhand der Ergebnisse dieser Analyse wird eine Optimierung dieses Modells durchgeführt.Item Open Access An approach for automated detection and classification of pavement cracks(2017) Al-Mistarehi, Bara'Item Open Access Entwicklung eines Steuerungssystems für eine Laderaupe zur Durchführung vollautomatisierter Ladeprozesse unter Einsatz bildverarbeitender Robottachymeter und adaptiver Regelung(2020) Lerke, Otto; Schwieger, Volker (Prof. Dr.-Ing. habil.)Die Automatisierung von Bauprozessen spielt eine immer wichtigere Rolle auf Baustellen. Automatisierung ermöglicht es, Arbeiten in kürzerer Zeit durchzuführen und gleichzeitig eine Erhöhung der Arbeitsqualität zu erreichen. Daneben kann auch die Arbeitssicherheit gesteigert werden. Der Baubetrieb ist im Allgemeinen in mannigfaltige und vielschichtige Prozesse unterteilt. Viele Prozesse werden von automatisierten Baumaschinen durchgeführt. Für den Bereich Erdbewegungen werden Rad- oder Raupenfahrzeuge mit entsprechenden Ladewerkzeugen eingesetzt, die jedoch zum jetzigen Zeitpunkt nicht automatisiert sind. Ziel dieser Arbeit ist es, ein System zu entwickeln, welches es ermöglicht, Belade- und Entladevorgänge vollautomatisch durchzuführen. Dies dient dazu, das Spektrum erhältlicher Systeme bei Erdbewegungsmaschinen, um semi-automatische und vollautomatische 3D Systeme zu erweitern. Die Funktionsweise des Systems wird anhand eines Laderaupenmodells im Massstab 1:14 demonstriert. Die Innovationen sind die bildbasierte Positionsbestimmung mit bildverarbeitenden Tachymetern und die Konzeption einer adaptiven Regelung zur automatischen Führung von Raupenfahrzeugen.Item Open Access Application of Copernicus data for climate-relevant urban planning using the example of water, heat, and vegetation(2021) Bühler, Michael Max; Sebald, Christoph; Rechid, Diana; Baier, Eberhard; Michalski, Alexander; Rothstein, Benno; Nübel, Konrad; Metzner, Martin; Schwieger, Volker; Harrs, Jan-Albrecht; Jacob, Daniela; Köhler, Lothar; In het Panhuis, Gunnar; Rodríguez Tejeda, Raymundo C.; Herrmann, Michael; Buziek, GerdSpecific climate adaptation and resilience measures can be efficiently designed and implemented at regional and local levels. Climate and environmental databases are critical for achieving the sustainable development goals (SDGs) and for efficiently planning and implementing appropriate adaptation measures. Available federated and distributed databases can serve as necessary starting points for municipalities to identify needs, prioritize resources, and allocate investments, taking into account often tight budget constraints. High-quality geospatial, climate, and environmental data are now broadly available and remote sensing data, e.g., Copernicus services, will be critical. There are forward-looking approaches to use these datasets to derive forecasts for optimizing urban planning processes for local governments. On the municipal level, however, the existing data have only been used to a limited extent. There are no adequate tools for urban planning with which remote sensing data can be merged and meaningfully combined with local data and further processed and applied in municipal planning and decision-making. Therefore, our project CoKLIMAx aims at the development of new digital products, advanced urban services, and procedures, such as the development of practical technical tools that capture different remote sensing and in-situ data sets for validation and further processing. CoKLIMAx will be used to develop a scalable toolbox for urban planning to increase climate resilience. Focus areas of the project will be water (e.g., soil sealing, stormwater drainage, retention, and flood protection), urban (micro)climate (e.g., heat islands and air flows), and vegetation (e.g., greening strategy, vegetation monitoring/vitality). To this end, new digital process structures will be embedded in local government to enable better policy decisions for the future.Item Open Access Method of development of a new regional ionosphere model (RIM) to improve static single-frequency precise point positioning (SF-PPP) for Egypt using Bernese GNSS software(2023) Abdallah, Ashraf; Agag, Tarek; Schwieger, VolkerDue to the lack of coverage of IGS in Africa, especially over North Africa, and the construction revolution of infrastructure in Egypt, a geodetic CORS stations network was established in 2012. These CORS stations are operated by the Egyptian Surveying Authority (Egy. SA) and cover the whole of Egypt. The paper presents a fully developed regional ionosphere model (RIM) depending on the Egyptian CORS stations. The new model and the PPP solution were obtained using Bernese GNSS V. 5.2 software. An observation data series of eight days (DOY 201-208)/2019 was used in this study. Eighteen stations were used to develop the RIM model for each day; fifteen stations were used to validate the new RIM model. A static SF-PPP solution was obtained using the CODE-GIM and RIM models. Comparing the outcomes to the reference network solution, based on the recently developed RIM model, the solution showed a mean error of 0.06 m in the East direction, 0.13 m in the North direction, and 0.21 m in the height direction. In the East, North, and height directions, this solution improves the SF-PPP result achieved by the Global Ionosphere Maps (CODE-GIM) model by 60%, 68%, and 77%, respectively.Item Open Access Modellgestützte Kostenprognose für den Aufbau qualitätsgesicherter Geodatenbestände(2005) Stark, Martin; Möhlenbrink, Wolfgang (Prof.Dr.-Ing.)Für moderne Verkehrs- und Telematikdienstleistungen spielen digitale, raumbezogene Daten eine entscheidende Rolle. Erst durch die Schaffung einer digitalen Straßenkarte erhielt z. B. die komplexe Aufgabe der Zielführung von Land-fahrzeugen unter Verwendung von Ortungs- und Navigationsverfahren den zur Markteinführung notwendigen Reife-grad. Diese Geodaten sind nicht nur unverzichtbare Grundlage solcher Anwendungen, sie verzehren bei ihrer Erfassung und Pflege auch die meisten Kosten. Mit der Datenalterung auf Grund mangelnden Aktualisierungen und fehlerhaften oder unvollständigen Inhalten geht ein hohes Maß an Akzeptanzverlust einher. Datenfehler können zudem zu erheblichen Mehraufwendungen und Folgekos-ten führen. Es liegt deshalb im unternehmenseigenen Interesse, die Investitions- und Folgekosten, welche durch den Einsatz von digitalen Geodaten entstehen, möglichst zuverlässig prognostizieren zu können. Diese Kostenprognose ist für die Un-ternehmensentwicklung in Form eines Geschäftsmodells von zentraler Bedeutung. In dieser Arbeit wird deshalb ein Konzept zur modellgestützten Kostenprognose für den Aufbau qualitätsgesicherter Geodatenbestände vorgestellt. Am Beispiel des im Rahmen des Forschungsprojekts MOBILIST in der Region Stuttgart geschaffenen Intermodalen Routenplaners wird gezeigt, mit welchen Arbeitsschritten und deren zeitlichen Umfängen es gelungen ist, von bereits vorhandenen digitalen raumbezogenen Daten zu einer digitalen Geodatengrundlage zu gelangen, die es gestattet, eine verkehrsnetzübergreifende Routenplanung durchzuführen. Hintergrund dieser Entwicklung ist das Bestreben nach ei-nem besseren Zusammenwirken der Verkehrsträger Straße und Schiene, um einen wichtigen Beitrag zu Sicherung der individuellen Mobilität bei stetig steigendem Verkehrsaufkommen zu leisten. Hierbei wird aufgezeigt, dass die Gesamtkosten zur Realisierung der Geodatengrundlage je nach Umfang der Qualitäts-sicherungsmaßnahmen stark variieren. Der Aufwand zur Qualitätssicherung durch Fehleridentifikation und –korrektur kann die Herstellkosten übersteigen. Hieraus motiviert sich die kostenmäßige Betrachtung von qualitätssichernden Maßnahmen sowie deren Einfluss auf die durchzuführende Strategie des Geodatenaufbaus. Mit der Integration dieser Betrachtung in das Kostenprognosemodell wird das Ziel verfolgt, nicht nur die reinen Aufbaukosten des Datenbestandes abschätzen zu können, sondern auch die richtige, kostengünstigere Fehleridentifikations- und -korrekturmaßnahme auszuwählen. Darüber hinaus werden Aussa-gen getroffen, von welchen Einflussfaktoren eine Auswahl unterschiedlicher Aufbaustrategien abhängig ist. Es wird anhand von Modellrechnungen nachgewiesen, dass es wirtschaftlich sinnvoll sein kann, statt der Nutzung des eigenen Datenbestandes einen kompletten fremden Datenbestand einzukaufen und nachträglich weitere Informationen hinzuzufügen. Ferner wird aufgezeigt, ab welchen Qualitätsforderungen eine vollständige Prüfung des gesamten Daten-bestandes einer Stichprobenprüfung vorzuziehen ist und welchen Einfluss dies auf die Gesamtkosten hat. Mit diesem praxistauglichen, anhand eines realen Geodatenaufbaus kalibrierten Kostenprognosemodells existiert eine Entscheidungsmethodik für den Aufbau von Geodatenbeständen. Zudem sind künftig die Qualitätssicherungsmaßnah-men systematisch planbar. Es ist weiterhin detailliert ausgearbeitet, welche Arbeitsschritte zur Projektion dieser mo-dellgestützten Kostenprognose auf andere Anforderungen zum Aufbau von Geodatenbeständen notwendig sind.Item Open Access Modulares System zur Automatisierung hochgenauer geometrischer Positionierung und Bahnführung im Bauwesen(2007) Gläser, Andreas; Möhlenbrink, Wolfgang (Prof. Dr.-Ing.)Die Planung größerer Bauvorhaben ist ohne eine Unterstützung durch CAD (Computer Aided Design) nicht mehr vorstellbar. Gleiches gilt auch für die industrielle Fertigung. Dort aber haben sich in den letzten Jahren die Produktionsprozesse dahingehend weiterentwickelt, dass der CAD gestützten Planung eine CAM (Computer Aided Manufacturing) gestützte Produktion folgt. Dies bedeutet, dass der Produktionsprozess auf Basis der digitalen Planungsdaten computergestützt und somit weitestgehend automatisiert abläuft. So kann eine hohe Qualität bei sinkenden Kosten erzielt werden. In der Bauindustrie kommt die Einführung von CAM gestützten Produktionsprozessen hingegen nur langsam voran. Dies liegt sicherlich u.a. besonders an der Individualität jeder einzelnen Baustelle. Abgesehen von einigen Beispielen im Tunnelbau und im japanischen Hochbau beschränkt sich der Einsatz von CAM-Techniken auf die Fertigung langgestreckter Geometrien im Verkehrswegebau oder flächenhafter Bodenbearbeitungen. In dieser Arbeit wird ein modulares system vorgestellt, dass neben der geometrischen Führung von Baumaschinen auch automatisierte Verfahren für Absteck-, Ausricht- und Positionierungsaufgaben von Bauteilen und Maschinen ermöglicht. Da die Anwendungen sehr individuell sind, besteht das System in erster Linie aus einem Basis-System und einer Toolbox mit Soft- und Hardwarekomponenten. Aufgrund definierter Schnittstellen lassen sich mit Hilfe der Toolbox sehr schnell und komfortabel verschiedene Automatisierungssysteme realisieren, um für die jeweilige Anwendung einsetzbar zu sein. Im Folgenden werden Anwendungen mit hohen Genauigkeitsanforderungen (Standardabweichung < 1cm) betrachtet, die einer Integration von Robot-Tachymetern als Positionssensoren in das Automatisierungssystem bedürfen. Dies hat aufgrund der relativ geringen Abtastrate und der vorhandenen Totzeit von Robot-Tachymetern Auswirkungen auf den Entwurf der Regelkreise eines automatischen Führungs-Systems. Dieser Aspekt wird in dieser Arbeit besonders betrachtet, da er eine Kernfunktionalität des Automatisierungssystems darstellt. Die erarbeiteten genauigkeitsbegrenzenden Faktoren beim Einsatz von Robot-Tachymetern im Bauprozess sind dabei genauso von entscheidender Bedeutung wie die Entwicklung einer vollautomatischen Stationierung des Tachymeters. So kann dieser komplexe Sensor optimal in den Baubetrieb integriert werden. Dies trägt zusammen mit dem breiten Anwendungsspektrum des modularen Positionierungs- und Führungssystems entscheidend dazu bei, dass die Akzeptanz dieser Automatisierungslösung auf der Baustelle erhöht wird. Zur Steigerung der Maschinenführungsqualität werden in dieser Arbeit Verfahren und Methoden erarbeitet, die der Zusammenführung von Fachwissen aus den Disziplinen der Systemtheorie, der Regelungstechnik und der geodätischen Messtechnik bedürfen. Das modulare Führungssystem wird prototypisch mit LabView® realisiert und im Experiment mit einem Modell-Lkw (Maßstab 1:14) erfolgreich getestet.
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