Universität Stuttgart
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Item Open Access Towards improved targetless registration and deformation analysis of TLS point clouds using patch-based segmentation(2023) Yang, Yihui; Schwieger, Volker (Prof. Dr.-Ing. habil. Dr. h.c.)The geometric changes in the real world can be captured by measuring and comparing the 3D coordinates of object surfaces. Traditional point-wise measurements with low spatial resolution may fail to detect inhomogeneous, anisotropic and unexpected deformations, and thus cannot reveal complex deformation processes. 3D point clouds generated from laser scanning or photogrammetric techniques have opened up opportunities for an area-wise acquisition of spatial information. In particular, terrestrial laser scanning (TLS) exhibits rapid development and wide application in areal geodetic monitoring owing to the high resolution and high quality of acquired point cloud data. However, several issues in the process chain of TLS-based deformation monitoring are still not solved satisfactorily. This thesis mainly focuses on the targetless registration and deformation analysis of TLS point clouds, aiming to develop novel data-driven methods to tackle the current challenges. For most deformation processes of natural scenes, in some local areas no shape deformations occur (i.e., these areas are rigid), and even the deformation directions show a certain level of consistency when these areas are small enough. Further point cloud processing, like stability and deformation analyses, could benefit from the assumptions of local rigidity and consistency of deformed point clouds. In this thesis, thereby, three typical types of locally rigid patches - small planar patches, geometric primitives, and quasi-rigid areas - can be generated from 3D point clouds by specific segmentation techniques. These patches, on the one hand, can preserve the boundaries between rigid and non-rigid areas and thus enable spatial separation with respect to surface stability. On the other hand, local geometric information and empirical stochastic models could be readily determined by the points in each patch. Based on these segmented rigid patches, targetless registration and deformation analysis of deformed TLS point clouds can be improved regarding accuracy and spatial resolution. Specifically, small planar patches like supervoxels are utilized to distinguish the stable and unstable areas in an iterative registration process, thus ensuring only relatively stable points are involved in estimating transformation parameters. The experimental results show that the proposed targetless registration method has significantly improved the registration accuracy. These small planar patches are also exploited to develop a novel variant of the multiscale model-to-model cloud comparison (M3C2) algorithm, which constructs prisms extending from planar patches instead of the cylinders in standard M3C2. This new method separates actual surface variations and measurement uncertainties, thus yielding lower-uncertainty and higher-resolution deformations. A coarse-to-fine segmentation framework is used to extract multiple geometric primitives from point clouds, and rigorous parameter estimations are performed individually to derive high-precision parametric deformations. Besides, a generalized local registration-based pipeline is proposed to derive dense displacement vectors based on segmented quasi-rigid areas that are corresponded by areal geometric feature descriptors. All proposed methods are successfully verified and evaluated by simulated and/or real point cloud data. The choice of proposed deformation analysis methods for specific scenarios or applications is also provided in this thesis.Item Open Access Modellbasierte Regelstrategien für adaptive Tragwerke(2023) Heidingsfeld, Julia L.; Sawodny, Oliver (Prof. Dr.-Ing. habil. Dr. h. c.)Bauwerke sind von zentraler Relevanz im Leben der Menschen, da diese einen Großteil ihrer Lebenszeit in Gebäuden verbringen. Zu deren Erstellung wendet der Bausektor einen großen Anteil der weltweiten Ressourcen auf und stößt große Mengen an Treibhausgasen aus. Mit Blick auf den prognostizierten Baubedarf dieses Jahrhunderts, um die Bedürfnisse der Menschen nach Wohnraum, Infrastruktur und Gewerbeflächen ressourcenschonend zu stillen, werden dringend neue Ansätze des Bauens gebraucht. Im Bauwesen ist die Notwendigkeit, aber auch das Potential gegeben, nachhaltiger zu agieren. Adaptive Gebäude bieten dafür einen vielversprechenden Lösungsansatz. Im Vergleich zu konventionellen Bauten, beinhalten adaptive Gebäude Sensoren, Aktoren und eine Steuereinheit im Tragwerk. Das Bauwerk ist dadurch in der Lage, sich aktiv an veränderliche Lasten anzupassen und das vorhandene Baumaterial effizient zu nutzen. So kann trotz des verringerten Materialeinsatzes die Gebrauchstauglichkeit und Standsicherheit uneingeschränkt gewährleistet werden. Adaptive Tragwerke stellen neue Herausforderungen an die Branche, die nur mit einem interdisziplinären Ansatz gelöst werden können. Um adaptive Tragwerke in der baupraktischen Realität zu verwirklichen, sind systemdynamische und regelungstechnische Ansätze unabdingbar. Diese Dissertation beschäftigt sich mit den in diesem Kontext auftretenden Fragestellungen und erprobt die Methoden an verschiedenen adaptiven Tragwerken und Komponenten - dem Demonstrator-Hochhaus, ein 37m hohes adaptives Hochhaus, dem Maßstabsmodell, eine 2m hohe maßstäbliche Version dieses Hochhauses und dem Balken mit integrierten Fluidaktoren, eine Tragwerkskomponente mit Adaptionsfähigkeit. Die Grundlage bildet die Modellierung der adaptiven Tragwerke, wobei Modelle mit dem für die Regelungstechnik relevanten Detaillierungsgrad hergeleitet werden. Aufbauend auf gängigen Methoden aus dem Bauingenieurwesen werden die notwendigen Modellgleichungen in geschlossener Form für die Reglersynthese erarbeitet. Darin integriert sind ebenfalls die Systemeingänge und -ausgänge. Insbesondere für druckschlaffe Elemente, die durch ihre Nichtlinearität unter Druck keine Kraft übertragen, werden Modellgleichungen in expliziter Form formuliert. Somit ist eine Abkehr von iterativen Lösungsmethoden möglich, wodurch die Modelle als Analyseund Synthesemodelle in der Regelungstechnik einsetzbar sind. Die Schwingungsanalyse von Tragwerken mit druckschlaffen Elementen gelingt durch die datenbasierte Methode der Hauptkomponentenanalyse, wobei sich starke Ähnlichkeiten zu den Eigenmoden des linearen Modells zeigen. Diese Ergebnisse werden zudem zur Modellordnungsreduktion genutzt. Hinsichtlich der statischen Analyse wird die disziplinübergreifende Verbindung der Methode der Redundanz aus dem Bauingenieurwesen mit der statischen Übertragungsfunktion aus der Systemdynamik herausgestellt. Die Aktorplatzierung ist bei adaptiven Tragwerken eine zentrale Frage in der Auslegung und Planung. Das Ziel hierbei ist die Auswahl von wenigen Aktorpositionen aus einer Vielzahl an möglichen Positionen, um die Systemkomplexität gering zu halten und gleichzeitig alle relevanten Verformungszustände beeinflussen zu können. Es werden Kriterien für die statische und dynamische Aktorplatzierung erarbeitet und diese hinsichtlich verschiedener Aktuierungsprinzipien untersucht. Anschließend steht ein Konzept zum Erhalt einer Aktormenge, die statische und dynamische Ansprüche vereint. Die statische Gramsche Kompensierbarkeitsmatrix wird für örtlich verteilte Systeme formuliert und eine Aktorplatzierung am Beispiel eines Balkens durchgeführt. Zum Betrieb adaptiver Tragwerke sind Regelungskonzepte zur Kompensation statischer Lasten und zur aktiven Dämpfung von Schwingungen notwendig. Die statische Lastkompensation setzt auf ein optimierungsbasiertes Verfahren zur Reduktion der Verformung von Tragwerken mit druckschlaffen Elementen unter Stellgrößenbeschränkungen. Eine Reduktion der mittleren Verformung von 87% wird experimentell am Maßstabsmodell bestätigt. Für die aktive Schwingungsdämpfung wird die Methode der approximativ linearisierenden Eingangstransformation entwickelt. Der nichtlinearen Systemdynamik wird dabei durch eine Eingangstransformation eine lineare Zieldynamik aufgeprägt. Anschließend wird die am linearen Zielmodell entworfene und dadurch effizient zu berechnende Schwingungsdämpfung als modellprädiktive Regelung ausgeführt. Diese Dissertation folgt einer interdisziplinären Perspektive und schafft eine Basis für zukünftige Arbeiten in der Regelungstechnik mit Bezug zu adaptiven Tragwerken.Item Open Access Membrane electrode assembly for water electrolysis(2023) Nguyen, Thi Hai Van; Friedrich, K. Andreas (Prof. Dr. rer. nat.)Maintaining a sufficient energy supply while minimizing the impact on the environment and climate is one of the greatest social and scientific challenges of our times. There are various fields of research and technological developments in the context of global warming and limitless growing energy demand, and the focus of this PhD programme is on artificial photosynthesis, more specifically on the assembly of Membrane electrode assembly for water electrolyzer part. Mimicking photosynthesis in a scheme to trap solar energy in chemical bonds (fuels) is a scientific and technological challenge. Having a cost-effective and reliable process stays one of the main limitations in order to achieving the long-term goal of this approach. In this work, within the European eSCALED project, the elaboration of Membrane Electrode Assembly (MEA) for water electrolysis by introducing new materials and low-cost fabrication methods was investigated.Item Open Access Forming a hybrid intelligence system by combining Active Learning and paid crowdsourcing for semantic 3D point cloud segmentation(2023) Kölle, Michael; Sörgel, Uwe (Prof. Dr.-Ing.)While in recent years tremendous advancements have been achieved in the development of supervised Machine Learning (ML) systems such as Convolutional Neural Networks (CNNs), still the most decisive factor for their performance is the quality of labeled training data from which the system is supposed to learn. This is why we advocate focusing more on methods to obtain such data, which we expect to be more sustainable than establishing ever new classifiers in the rapidly evolving ML field. In the geospatial domain, however, the generation process of training data for ML systems is still rather neglected in research, with typically experts ending up being occupied with such tedious labeling tasks. In our design of a system for the semantic interpretation of Airborne Laser Scanning (ALS) point clouds, we break with this convention and completely lift labeling obligations from experts. At the same time, human annotation is restricted to only those samples that actually justify manual inspection. This is accomplished by means of a hybrid intelligence system in which the machine, represented by an ML model, is actively and iteratively working together with the human component through Active Learning (AL), which acts as pointer to exactly such most decisive samples. Instead of having an expert label these samples, we propose to outsource this task to a large group of non-specialists, the crowd. But since it is rather unlikely that enough volunteers would participate in such crowdsourcing campaigns due to the tedious nature of labeling, we argue attracting workers by monetary incentives, i.e., we employ paid crowdsourcing. Relying on respective platforms, typically we have access to a vast pool of prospective workers, guaranteeing completion of jobs promptly. Thus, crowdworkers become human processing units that behave similarly to the electronic processing units of this hybrid intelligence system performing the tasks of the machine part. With respect to the latter, we do not only evaluate whether an AL-based pipeline works for the semantic segmentation of ALS point clouds, but also shed light on the question of why it works. As crucial components of our pipeline, we test and enhance different AL sampling strategies in conjunction with both a conventional feature-driven classifier as well as a data-driven CNN classification module. In this regard, we aim to select AL points in such a manner that samples are not only informative for the machine, but also feasible to be interpreted by non-experts. These theoretical formulations are verified by various experiments in which we replace the frequently assumed but highly unrealistic error-free oracle with simulated imperfect oracles we are always confronted with when working with humans. Furthermore, we find that the need for labeled data, which is already reduced through AL to a small fraction (typically ≪1 % of Passive Learning training points), can be even further minimized when we reuse information from a given source domain for the semantic enrichment of a specific target domain, i.e., we utilize AL as means for Domain Adaptation. As for the human component of our hybrid intelligence system, the special challenge we face is monetarily motivated workers with a wide variety of educational and cultural backgrounds as well as most different mindsets regarding the quality they are willing to deliver. Consequently, we are confronted with a great quality inhomogeneity in results received. Thus, when designing respective campaigns, special attention to quality control is required to be able to automatically reject submissions of low quality and to refine accepted contributions in the sense of the Wisdom of the Crowds principle. We further explore ways to support the crowd in labeling by experimenting with different data modalities (discretized point cloud vs. continuous textured 3D mesh surface), and also aim to shift the motivation from a purely extrinsic nature (i.e., payment) to a more intrinsic one, which we intend to trigger through gamification. Eventually, by casting these different concepts into the so-called CATEGORISE framework, we constitute the aspired hybrid intelligence system and employ it for the semantic enrichment of ALS point clouds of different characteristics, enabled through learning from the (paid) crowd.Item Open Access Multiscale and multiphase modeling and numerical simulation of function-perfusion processes in the liver(Stuttgart : Institut für Statik und Dynamik der Luft und Raumfahrtkonstruktionen, Universität Stuttgart, 2023) Lambers, Lena; Ricken, Tim (Prof. Dr.-Ing.)Item Open Access Passively mode-locked Tm-lasers for all-fiber high-energy nonlinear chirped pulse amplification(2023) Graf, Florian; Dekorsy, Thomas (Prof. Dr. rer. nat.)Item Open Access Linear stability investigations of three-dimensional disturbances in the boundary layer over anisotropic compliant walls(2023) Zengl, Marcus; Rist, Ulrich (apl. Prof. Dr.-Ing.)In dieser Arbeit werden dreidimensionale Störungen in der Grenzschicht über anisotropen nachgiebigen Wänden mit linearer Stabilitätstheorie untersucht. Ein oberflächenbasiertes Modell wird verwendet, um die nachgiebige Wand abzubilden. Hierbei wird das anisotrope Wandmodell von Carpenter erweitert, um einen zusätzlichen Schiebewinkel der Wand bezüglich der Strömungsrichtung einzubringen. Basierend auf diesem Wandmodell wird eine Randbedingung für die Lineare Stabilitätstheorie hergeleitet. Aufgrund der Tatsache, dass diese Randbedingung die Orr-Sommerfeld- und Squire-Gleichung koppelt, wurden zwei neuartige Lösungsverfahren, ein Schießverfahren und ein Matrixlöser, für diesen besonderen Umstand entwickelt. Der Schießlöser transformiert das zugrunde gelegte Eigenwertproblem in ein Randwertproblem und verwendet ein klassisches Schießverfahren zur Lösung des Problems. Um das numerisch steife Problem mit seinem parasitärem Fehlerwachstum zu berücksichtigen beinhaltet das Lösungsverfahren eine Gram-Schmid Orthonormierungsroutine. Durch eine neuartige Skalierung der Phase des zu minimierenden Residuums wird das zeitliche und räumliche Modell robust und performant für gegebene Eigenmoden gelöst. Das durch die gekoppelte Orr-Sommerfeld- and Squire-Gleichung entstehende Eigenwertproblem wird auch mit einer Matrix-basierenden Methode gelöst. Das durch die nachgiebige Wand entstehende zeitliche quadratische Eigenwertproblem wird dabei berücksichtigt. Hierbei wird eine pseudospektrale Diskretisierung mit Chebyshev-Kollokation verwendet. Besonders betrachtet wird die Formulierung des diskretisierten Problems auf seine numerischen Fehler. Die numerische Genauigkeit der Lösungsverfahren wird genau überprüft, um die Gitterunabhängigkeit der Ergebnisse sicherzustellen. Um das Potenzial der nachgiebigen Wände zur Verzögerung des laminar-turbulenten Umschlags zu untersuchen, wurde die Vorgehensweise von Carpenter [15] übernommen. Carpenter optimierte die Parameter der nachgiebigen Wand so, dass Tollmien-Schlichting (TS) Moden so weit wie möglich abgeschwächt werden, während Fluid-Struktur (FISI) Moden grenzwertig stabil bleiben. Dieses Vorgehen wurde ausgewählt, weil Fluid-Struktur Moden absolut instabil sein können, was zu sofortigem Strömungsumschlag führen kann. Stabilitätsrechnungen wurden ausgeführt für zwei Sätze von Wandparametern, die Carpenter mit seinem zweidimensionalen Rahmenwerk optimiert hat. Hierbei wurden nicht nur dreidimensionale Störungen betrachtet, sondern es wurde auch der Einfluss des neu eingebrachten Schiebewinkels der nachgiebigen Wand untersucht. Die Ergebnisse wurden bezüglich der zeitlichen Anfachung der TS- und FISI-Moden, und bezüglich des mit N-Faktoren vorhergesagten Umschlagspunkts beurteilt. Es wird gezeigt, dass dreidimensionale Störungen bestimmte N-Faktoren vor ihren zweidimensionalen Pendants erreichen. Die vorhergesagte laminare Länge ist etwas kürzer als mit zweidimensionalen Verfahren vorhergesagt. Es scheint als ob der eingebrachte Schiebewinkel für die untersuchten Parametersätze keinen Vorteil bezüglich Laminarhaltung bringt. Schließlich wurden optimale Störungen berechnet, um das Transiente Energiewachstum für die anisotrope nachgiebige Wand zu untersuchen. Hierbei wurden die Anfangsverteilungen von Eigenmoden so optimiert, dass deren Überlagerung ein maximales Energiewachstum für eine vorgegebene Zeit erfährt. Die Einhüllende dieser optimalen Störungen wird dann für variierende Wellenzahlen in Strömungs- und Spannweitenrichtung, und variierende Wachstumszeit berechnet. Die Ergebnisse zeigen kein durch die nachgiebige Wand hervorgerufenes relevantes transientes Wachstum. Es wird gezeigt, dass der klassische Mechanismus für transientes Wachstum, der bei der steifen Wand dominiert, nicht verändert wird.Item Open Access Feasibility of transient model tests in a closed-loop test rig with the example of a reversible pump turbine(Stuttgart : Universität Stuttgart, Institut für Strömungsmechanik und Hydraulische Strömungsmaschinen, 2023) Junginger, Johannes; Riedelbauch, Stefan (Prof. Dr.-Ing.)The growing share of renewable energies in power generation increases the risk of unintended exceedings of frequency limits in an interconnected grid. To counteract this, a so-called redispatch, a correction of the power balance in the grid, takes place. Due to their flexible operating capability, pumped storage power plants often perform this correction. However, the frequent change of the operating point of these power plants leads to an increase in transient events and thus raises the mechanical stress on the plant components. In addition to the known methods for analyzing fluid machinery, transient model tests are an important element for investigating the increasing demands on mechanical stress capacity and operating behavior. In this work, a method to implement transient model test in a closed-loop test rig is presented. For this propose, various transient load cases of a real pumped storage power plant with a reversible pump turbine are simulated. The time-dependent quantities of the machine are transferred to the scaled model using suitable laws of similarity. A special feature is the use of the Strouhal number to convert the time scale. These transferred data serve as setpoints for the model machine when simulating the test rig. An iterative optimization procedure is used to adapt the behavior of the test rig actuators until the setpoints are reached with the specified accuracy. With the knowledge about the entire control sequence, the transient experiment is carried out on the laboratory test rig. The use of a bypass increases the spectrum of transient load cases under investigation. This enables, for example, a fast change between pump and turbine operation of the model machine. In order to examine the developed method for its capability, various influencing factors were considered. By means of a parameter study, the speed of sound of the numerical test rig model was varied. Especially for load cases with modified guide vane opening, different values of the speed of sound have an influence on the simulation results. Therefore, the speed of sound must be modeled as close as possible to the same values as in the real test rig. Furthermore, it is shown that the readout procedure of the characteristic diagram of the hydraulic machines can influence the simulation results. Responsible is the linear interpolation between the grid points used by the simulation software during the transient process, which leads to discontinuities. The general applicability of the method was investigated with the help of various transient load cases, such as operating point changes and fast transitions. Due to the lack of automated guide vane adjustment on the test rig used, only the fast transitions were carried out experimentally. For this purpose, the model rotational speed was adjusted between pump and turbine operating point at constant guide vane opening. The findings were then transferred to the simulated load cases with active guide vane adjustment. The applied methodology is confirmed by the good agreement between setpoints and measurement results. Limitations of the transient model test are given by the electrical machines. To reduce the differences in dynamic similarity between model and prototype, high rotational speeds of the model are required. For load cases with ambitious speed changes, such as fast transitions or total load rejections, the drives reach their acceleration restrictions. Another challenge is the measurement of the transient discharge, which influences the results especially at high discharge gradients. It is revealed that the used indirect measurement of the model discharge in the pump branch in conjunction with the bypass branch using two sensors with too high delay times is insufficient. These challenges need to be addressed in future research.Item Unknown Optimierung eines Hochdruckelektrolysesystems für regenerative Brennstoffzellensysteme(2023) Fremdling, Fabian; Fasoulas, Stefanos (Prof. Dr.-Ing)Diese Dissertation fasst die Entwicklung eines Hochdruckelektrolysesystems mit einem Betriebsdruck von 100 bar als Teil eines regenerativen Brennstoffzellensystems (RFCS) für Luft- und Raumfahrtanwendungen zusammen. Die Entwicklung basiert auf den zuvor durchgeführten Optimierungsmaßnahmen eines alkalischen Wasserelektrolyseurs, dem ein Zelldesign mit immobilem Elektrolyt und direkter Wasserzufuhr in ein Doppeldiaphragma zugrunde liegt. Die Probleme bei diesem Elektrolyseur liegen in der Unterbrechung der ionischen Leitfähigkeit durch Inhomogenitäten in der Elektrolytkonzentration und Gasansammlungen im Elektrolytbereich, die im Betrieb auftreten, sowie in der Versorgung der Kathode mit Wasser. Dies wird experimentell abgebildet und theoretisch beschrieben. Verschiedene Maßnahmen zur Behebung der Probleme werden vorgestellt, jedoch kann kein zufriedenstellender Betrieb erreicht werden, was zu einer Änderung des Zelldesigns führt. Anstatt einer direkten Wasserversorgung ins Doppeldiaphragma wird eine Elektrolytzirkulation durch den Kathodenraum implementiert und ein Diaphragma entfernt. Diese Änderungen bringen eine Separationseinheit für Wasserstoff vom Elektrolyt sowie eine zusätzliche Pumpe mit sich, der Elektrolyt liegt nun mobil vor. Somit erhöht sich die Systemkomplexität, die uneingeschränkte Raumfahrttauglichkeit ist zunächst nicht gegeben. Dieses neue Elektrolysesystem wird anschließend in zahlreichen Testreihen charakterisiert. Erzielt werden auf Zellebene eine maximale Effizienz von 90.4 % bei 0.509 A/cm², ein möglicher Stromdichtebereich bis 0.76 A/cm², ein Betriebsdruck von 100 bar (Wasserstoff und Sauerstoff) und ein Temperaturbereich von 30-90 °C. Die so gewonnenen Versuchsdaten bilden, zusammen mit theoretischen Grundlagen und weiteren experimentellen Daten, die Basis für eine Modellierung des Systems. Diese Modellierung wird in Matlab/Simulink erstellt und bildet das gesamte Elektrolysesystem ab. Mithilfe der Modellierung können Betriebsparameter des Elektrolysesystems optimiert sowie das Verhalten des Systems in bestimmten Betriebspunkten vorhergesagt werden. Das Modell selbst kann in eine RFCS Gesamtsystemmodellierung implementiert werden. Des Weiteren werden in dieser Arbeit Untersuchungen zur Gasreinheit des Elektrolysesystems durchgeführt. Dies beinhaltet theoretische und experimentelle Untersuchungen zur Gasverunreinigung von Elektrolysegasen sowie Konzepte und Untersuchungen zur Reinigung dieser Gase. Für die für regenerative Brennstoffzellensysteme spezifische Anforderung der Passivphase des Elektrolysesystems wird ein Betriebskonzept erarbeitet. Das Elektrolysesystem ist so umfangreich theoretisch abgebildet, was eine akkurate Auslegung und Anpassung zulässt, auch für Anwendungen außerhalb regenerativer Brennstoffzellensysteme.Item Open Access Chemical design and probing of novel molecular 2-qubit systems(2023) Schäfter, Dennis; Slageren, Joris van (Prof. Dr.)