06 Fakultät Luft- und Raumfahrttechnik und Geodäsie
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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 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 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 An approach for automated detection and classification of pavement cracks(2017) Al-Mistarehi, Bara'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 A simulator for wrong-way driver detection(2025) Luz, Philipp; Metzner, Martin; Schwieger, VolkerModern Intelligent Transportation Systems (ITS) often require large amounts of data for their performance analysis. For instance, the Ghosthunter project aimed to utilize smartphone position data to detect and warn wrong-way drivers on German freeways. This was to be accomplished with assured integrity, which required the generation and evaluation of vehicle trajectories. It is challenging to assess this number with real trajectories and a straightforward simulation. Since recording real trajectories, as well as manually creating ground truth data with such a large number of required trajectories, would represent an unaffordable time expenditure, a graphics processing unit (GPU) accelerated simulator based on the Monte Carlo method was developed. In the course of this, based on OpenStreetMap road map data, a model for simulating vehicle behavior, and error models for map and global navigation satellite system (GNSS) errors, vehicle trajectories are generated. Subsequently, these are then used to automatically test and evaluate the algorithms for wrong-way driver detection, which encompasses a map matching algorithm and the algorithm for detecting the direction of travel. The simulator facilitated the generation and evaluation of the required trajectories within a three-day period.Item Open Access Driving environment inference from POI of navigation map : fuzzy logic and machine learning approaches(2023) Li, Yu; Metzner, Martin; Schwieger, VolkerTo adapt vehicle control and plan strategies in a predictive manner, it is usually desired to know the context of a driving environment. This paper aims at efficiently inferring the following five driving environments around vehicle’s vicinity: shopping zone, tourist zone, public station, motor service area, and security zone, whose existences are not necessarily mutually exclusive. To achieve that, we utilize the Point of Interest (POI) data from a navigation map as the semantic clue, and solve the inference task as a multilabel classification problem. Specifically, we first extract all relevant POI objects from a map, then transform these discrete POI objects into numerical POI features. Based on these POI features, we finally predict the occurrence of each driving environment via an inference engine. To calculate representative POI features, a statistical approach is introduced. To composite an inference engine, three inference systems are investigated: fuzzy inference system (FIS), support vector machine (SVM), and multilayer perceptron (MLP). In total, we implement 11 variants of inference engine following two inference strategies: independent and unified inference strategies, and conduct comprehensive evaluation on a manually collected dataset. The result shows that the proposed inference framework generalizes well on different inference systems, where the best overall F1 score 0.8699 is achieved by the MLP-based inference engine following the unified inference strategy, along with the fastest inference time of 0.0002 millisecond per sample. Hence, the generalization ability and efficiency of the proposed inference framework are proved.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 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 Elementary error model applied to terrestrial laser scanning measurements: study case arch dam Kops(2020) Kerekes, Gabriel; Schwieger, VolkerAll measurements are affected by systematic and random deviations. A huge challenge is to correctly consider these effects on the results. Terrestrial laser scanners deliver point clouds that usually precede surface modeling. Therefore, stochastic information of the measured points directly influences the modeled surface quality. The elementary error model (EEM) is one method used to determine error sources impact on variances-covariance matrices (VCM). This approach assumes linear models and normal distributed deviations, despite the non-linear nature of the observations. It has been proven that in 90% of the cases, linearity can be assumed. In previous publications on the topic, EEM results were shown on simulated data sets while focusing on panorama laser scanners. Within this paper an application of the EEM is presented on a real object and a functional model is introduced for hybrid laser scanners. The focus is set on instrumental and atmospheric error sources. A different approach is used to classify the atmospheric parameters as stochastic correlating elementary errors, thus expanding the currently available EEM. Former approaches considered atmospheric parameters functional correlating elementary errors. Results highlight existing spatial correlations for varying scanner positions and different atmospheric conditions at the arch dam Kops in Austria.
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