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Antriebsbasierte Rekonstruktion zeitvarianter externer Lasten für elektromechanische Achsen in Produktionsmaschinen
No full textIn dieser Arbeit wird ein modulares Verfahren zur Ermittlung zeitvarianter, extern einwirkender Lasten an elektromechanischen Achsen unter ausschließlicher Verwendung steuerungsinterner Signale entwickelt. Das Ziel besteht darin, eine möglichst allgemeingültige und automatisierbare Systematik unabhängig vom konkreten Lastfall zu erarbeiten. Grundlage bildet die Trennung des Motordrehmomentsignals des Servomotors in einen lastbezogenen sowie betriebs- und bewegungsbedingte Anteile. Unter Verwendung neu bzw. weiterentwickelter Korrekturmodule werden sämtliche Drehmomentanteile modelliert und subtrahiert, die nicht der externen Last zuzuordnen sind. Die Identifikation der zugrundeliegenden Modelle erfolgt automatisiert und ohne zusätzliche Messtechnik oder Anregungsquellen. An einem neu konzipierten einachsigen Antriebsversuchsstand, welcher einerseits typische Bewegungssituationen elektromechanischer Achsen abbilden und andererseits beliebige artifizielle Lastfälle emulieren kann, werden die einzelnen Verfahrensbestandteile systematisch erarbeitet und experimentell untersucht. Der Funktionsnachweis wird anhand eines repräsentativen Prüfwerk-stücks an einem Vertikal-Fräs-Bearbeitungszentrum erbracht.:Abbildungsverzeichnis
Tabellenverzeichnis
Verzeichnis der Abkürzungen
Verzeichnis der Formelzeichen
1 Einleitung
1.1 Ausgangssituation und Problemstellung
1.2 Zielstellung und Vorgehensweise
2 Struktureller Aufbau elektromechanischer Achsen
2.1 Steuerung und Informationskopplung
2.2 Antriebssystem und -regelung
2.3 Mechanik
2.3.1 Theoretische und experimentelle Modellbildung
2.3.2 Modellbildung für elektromechanische Achsen
2.4 Externe Lasten
2.5 Fazit
3 Antriebsbasierte Schätzung externer Lasten für elektromechanische Achsen
3.1 Begriffsdefinition und Klassifizierung
3.1.1 Begriffsdefinition
3.1.2 Klassifizierung
3.2 Signal- und merkmalsbasierte Verfahren
3.3 Modellbasierte Verfahren
3.3.1 Ansätze ohne Modellnachführung
3.3.2 Ansätze mit Modellnachführung
3.4 Wissensbasierte Verfahren
3.5 Vergleichende Betrachtung
3.6 Anforderungen und Besonderheiten
3.7 Potentieller Anwendungsbereich
3.8 Fazit
4 Systematik zur antriebsbasierten Rekonstruktion zeitvarianter externer Lasten
5 Experimentelle Untersuchung und Auswahl der Korrekturmodule
5.1 Beschreibung der Experimentieranordnung
5.2 Modulentwicklung und -parametrierung
5.2.1 Datengewinnung
5.2.2 Reibungskorrektur
5.2.3 Beschleunigungskorrektur
5.2.4 Stillstandskorrektur
5.2.5 Positionsbezogene Korrektur periodischer Stördrehmomente
5.2.6 Übertragungsverhalten von Antriebsregelung und Achsmechanik
5.3 Verknüpfung der Korrekturmodule zum Gesamtverfahren
5.3.1 Bewegungs- und Lastprofile
5.3.2 Experimentelle Untersuchung und Bewertung
5.4 Fazit
6 Anwendung auf ein Vertikal-Fräs-Bearbeitungszentrum
6.1 Beschreibung der Experimentieranordnung
6.2 Adaption der Korrekturmodule
6.2.1 Datengewinnung
6.2.2 Reibungskorrektur
6.2.3 Korrektur des Gravitationseinflusses
6.2.4 Beschleunigungskorrektur
6.2.5 Stillstandskorrektur
6.2.6 Positionsbezogene Korrektur periodischer Stördrehmomente
6.2.7 Übertragungsverhalten von Antriebsregelung und Achsmechanik
6.3 Anwendung des Gesamtverfahrens
6.3.1 Bewegungskontur und Prozessparameter
6.3.2 Experimentelle Untersuchung und Bewertung
6.4 Fazit
7 Zusammenfassung und Ausblick
Literaturverzeichnis
A. Anlagen
A.1 Einzelregelkreise der kaskadierten Lageregelung
A.1.1 Stromregelkreis
A.1.2 Drehzahlregelkreis
A.1.3 Lageregelkreis
A.2 Maschinendaten
A.3 Experimentelle Ergebnisse
A.3.1 Versuchsergebnisse für den Versuchsstand „Saltus“
A.3.2 Versuchsergebnisse für das Fräs-BAZ DMC 850
Developing a Multimodal Emotion Regulation Strategy to Mitigate Anger in Automated Driving
No full textCurrent research on driving anger regulation strategies primarily focuses on manual driving, despite evidence that anger also impairs takeover performance in automated driving. This study introduces a novel multimodal anger regulation strategy tailored for automated driving. Using a driving simulator, we implemented a protocol that combines calming, positive music, unconscious biofeedback using green ambient lighting, and personalized participant photos to mitigate drivers' anger during automated driving. Subjective data revealed that anger-induced participants returned to a baseline state with the proposed intervention, whereas unregulated individuals did not. Moreover, the combined regulation strategy was well-received and perceived as relaxing. Future analyses will examine its effects on driving performance and cardiac measurements, with implications for industrial applications
Highly automated public transport for everybody: Insights from Focus Groups
No full textOver one billion individuals globally live with some form of disability, and the implementation of highly automated public transport vehicles (APTVs) holds significant promise for enhancing their quality of life. The purpose of this qualitative study is to identify specific requirements by passengers with special needs (PwSNs) towards APTVs, identifying concerns and gathering solutions from PwSNs, their representatives, and public transport providers. Forty participants from Finland, Germany and Spain, including mobility-impaired and visually impaired users, elderly, tourists, and public transport stakeholders, engaged in 8 focus group discussions. Key findings highlight the importance of safety, accessibility, comfort, and responsiveness in APTVs. Safety concerns include the need for emergency systems and human assistance to handle emergencies and technical malfunctions. Specific requirements regarding e.g., abnormal situations detection, accessibility aids in snow and icy conditions, solutions for clearing occupied spaces, as well as the necessity of humans in selected cases were outlined. The study emphasizes the need for co-creating solutions to boost acceptance and reduce barriers to APTV adoption, ensuring inclusivity and accessibility for all passengers
Entwicklung und Validierung eines Tests zur Erfassung der körperlichen Leistungsfähigkeit bei Senioren
No full textDer präventive und therapeutische Nutzen von regelmäßiger Bewegung und körperlicher Aktivität, um Einschränkungen der körperlichen Leistungsfähigkeit bei Senioren zu verhindern, ist unbestritten. Vor allem der kardiorespiratorischen Leistungsfähigkeit fällt hierbei eine Schlüsselrolle zu. Die Grundlage zielgerichteter Trainingsinterventionen ist dabei eine korrekte Diagnostik der kardiorespiratorischen Leistungsfähigkeit. Die Bestimmung der kardiorespiratorischen Leistungsfähigkeit erfolgt dabei in der Regel mittels maximaler oder submaximaler Belastungstests. Hauptparameter ist dabei häufig die direkte oder indirekte Bestimmung der maximalen Sauerstoffaufnahme. Neben kosten- und zeitaufwändigen Tests auf dem Radergometer oder Laufband kommen dabei Steptests oder Stufensteigtests zur Anwendung. Die bisherigen Untersuchungen von Steptests fokussierten sich dabei vor allem auf die Anwendung bei jüngeren Probandenkollektiven. Nur wenige Publikationen betrachteten die speziellen Anforderungen an einen Steptest für Senioren. Dies betrifft vor allem die Belastungssteuerung und die Durchführung der Steigbewegung. Prinzipiell erfolgte die Belastungssteuerung bei Steptests über die Parameter Steighöhe, Schrittfrequenz und Stufendauer. Als Problemfeld bei Senioren können hier zu hohe kardiorespiratorische Einstiegsbelastungen bei hohen Steighöhen sowie defizitäre koordinative Fähigkeiten bei variablen Schrittfrequenzen ausgemacht werden. Die Diagnose und Quantifizierung einer alltagsrelevanten körperlichen Leistungsfähigkeit mittels Steptest beinhaltet somit neben Aussagen über die allgemeine Kraft- und Ausdauerfähigkeit auch Aussagen über koordinative Fähigkeiten.
Das Ziel der vorliegenden Arbeit bestand in der Entwicklung und Validierung eines geeigneten Steptests zur Quantifizierung der körperlichen Leistungsfähigkeit bei Senioren. Dazu wurden im ersten Schritt verschiedene Teilstudien durchgeführt, um die methodischen Aspekte bestehender Tests zu überprüfen und im Hinblick auf das spezielle Probandenkollektiv anzupassen. Wesentliche Ergebnisse aus den ersten Teilstudien lesen sich wie folgt:
Für die Durchführung eines Steptests, insbesondere bei Senioren, sollte die intuitive Schrittfolge „rechts-links-rechts-links“ ausgewählt werden. Bei abweichender Schrittfolge ist keine relevante Veränderung der kardiorespiratorischen Parameter zu erwarten. Bei Fehlern in der Schrittfolge ist kein Testabbruch notwendig. Die Belastungssteuerung eines Steptests für Senioren sollte über die Steigerung der Stufenhöhe erfolgen. Die Nutzung des linearen Zusammenhangs zwischen Herzfrequenz und Belastung zur Berechnung der maximalen Sauerstoffaufnahme ist unabhängig von der Belastungssteigerung möglich. Die Blutlaktatkonzentration stellt aufgrund der hohen Variabilität keinen geeigneten Ergebnisparameter dar.
Nach Auswahl einer für Senioren geeigneten Methodik erfolgten die Validierung der kardiorespiratorischen Leistungsfähigkeit und weitere Teilstudien zur Überprüfung von Einflussfaktoren sowie die Validierung alternativer Ergebnisparameter wie der Gleichgewichtsfähigkeit. Aus den Ergebnissen der einzelnen Teilstudien erfolgte abschließend die Beurteilung zur Durchführung eines Steptests zur Bestimmung der körperlichen Leistungsfähigkeit bei Senioren. Die wesentlichen Ergebnisse der abschließenden Teilstudien lauten wie folgt: Mehrstufige Steptests mit einer Belastungssteigerung über die Stufenhöhe eignen sich als reliable Testmethodik. Veränderungen der Herzfrequenz und der Sauerstoffaufnahme ab ±13 Schlägen bzw. ±6,5 ml min-1 kg-1 können als tatsächliche Veränderung angesehen werden. Mittels eines mehrstufigen Steptests lässt sich die maximale Sauerstoffaufnahme für ältere Probanden im Sinne eines einfachen Tests hinreichend genau bestimmen. Über die maximale Sauerstoffaufnahme als Bruttokriterium der kardiorespiratorischen Leistungsfähigkeit hinaus zeigen sich zusätzlich gute Übereinstimmungen mit etablierten submaximalen Ergebniskriterien der kardiorespiratorischen Leistungsfähigkeit wie der PWC130. Die Ausprägung der Muskelkraft der unteren Extremitäten hat bei älteren Probanden keinen Einfluss auf die kardiorespiratorische Leistung im Steptest. Die Höhe der bewältigten Stepstufe kann jedoch als Prädiktor der Kraftfähigkeit im Hinblick einer Alltagstauglichkeit dienen. Eine höhere Muskelkraft als die für die Stepbewegung notwendige Muskelkraft hat keine Auswirkung auf die Gleichgewichtsfähigkeit. Unterschiedliche Ausprägungen der koordinativen Leistungsfähigkeit haben keinen wesentlichen Einfluss auf die kardio-respiratorische Leistungsfähigkeit, wenn die grundsätzliche Fähigkeit besteht, die Bewegungsanforderung des Steptests zu bewältigen.:Inhaltsverzeichnis
Abbildungsverzeichnis IV
Tabellenverzeichnis IX
Abkürzungsverzeichnis XII
1 Einleitung 1
2 Theoretische Grundlagen 4
2.1. Steptests 4
2.1.1 Physiologische Beanspruchung im Steptest 4
2.1.2 Steptestvarianten 7
2.1.3 Einflussfaktoren auf die physiologische Beanspruchung bei Steigbewegungen 12
2.2. Körperliche Leistungsfähigkeit 15
2.2.1 Leistungsfähigkeit im Alter 16
2.2.2 Messgrößen der körperlichen Leistungsfähigkeit 17
2.2.3 Maximale Sauerstoffaufnahme 24
2.2.4 Kardiorespiratorische Leistungsfähigkeit im Alter 26
2.2.5 Koordinative Leistungsfähigkeit in Steptests 30
2.2.6 Koordinative Leistungsfähigkeit im Alter 33
2.2.7 Kraftfähigkeiten im Alter 35
2.3. Objektivität, Reliabilität und Validität von Steptestverfahren 37
3 Teilstudien Überblick 46
3.1. Ableitung der Zielstellungen 46
3.2. Überblick 48
4 Allgemeine Methodik 51
4.1. Ein- und Ausschlusskriterien 51
4.2. Apparaturbesprechung 52
4.2.1 Anthropometrische Daten 52
4.2.2 Herzfrequenzmessung 52
4.2.3 Laktatanalyse 52
4.2.4 Spiroergometrie 53
4.2.5 Stepstufen 53
4.2.6 Metronom 54
4.2.7 Fahrradergometer 54
4.2.8 Laufband 54
4.2.9 RPE-Skala 55
4.3. Statistik 56
4.3.1 Deskriptive Statistik 56
4.3.2 Interferenzstatistik 56
5 Teilstudien 57
5.1. Teilstudie 1: Der Einfluss der Aufstiegstechnik auf die kardio-respiratorische Beanspruchung im mehrstufigen Steptest 57
5.1.1 Zielstellung 58
5.1.2 Spezielle Methodik 58
5.1.3 Ergebnisse Teilstudie 1A 62
5.1.4 Ergebnisse Teilstudie 1B 68
5.1.5 Diskussion Teilstudie 1A und 1B 73
5.2. Teilstudie 2: Der Einfluss der Belastungssteigerung auf die kardiorespiratorische Beanspruchung im mehrstufigen Steptest 76
5.2.1 Zielstellung 77
5.2.2 Spezielle Methodik 77
5.2.3 Ergebnisse Teilstudie 2A 80
5.2.4 Ergebnisse Teilstudie 2B 87
5.2.5 Diskussion Teilstudie 2A und 2B 92
5.3. Teilstudie 3: Reliabilität der physiologischen Parameter
beim Steptest 94
5.3.1 Zielstellung 94
5.3.2 Spezielle Methodik 95
5.3.3 Ergebnisse Teilstudie 3 98
5.3.4 Diskussion Teilstudie 3 102
5.4. Teilstudie 4: Validierung der körperlichen Leistungsfähigkeit im mehrstufigen Steptest bei jungen Erwachsenen und Senioren 105
5.4.1 Zielstellung 106
5.4.2 Spezielle Methodik 107
5.4.3 Ergebnisse Teilstudie 4A 111
5.4.4 Ergebnisse Teilstudie 4B+C+D 113
5.4.5 Diskussion Teilstudie 4 118
5.5. Teilstudie 5: Bestimmung der koordinativen Leistungsfähigkeit
mittels Parameter der Schrittbreite im mehrstufigen Steptest 121
5.5.1 Zielstellung 121
5.5.2 Spezielle Methodik 122
5.5.3 Ergebnisse Teilstudie 5 124
5.5.4 Diskussion Teilstudie 5 132
5.6. Teilstudie 6: Einfluss der Kraftfähigkeiten der unteren Extremitäten
auf die Leistungsfähigkeit im Steptest 136
5.6.1 Zielstellung 136
5.6.2 Spezielle Methodik Teilstudie 6 137
5.6.3 Ergebnisse Teilstudie 6 139
5.6.4 Diskussion Teilstudie 6 144
5.7. Teilstudie 7: Bestimmung des maximalen Laktat-steady-state im Steptest 148
5.7.1 Zielstellung 149
5.7.2 Spezielle Methodik Teilstudie 7 149
5.7.3 Ergebnisse Teilstudie 7 151
5.7.4 Diskussion Teilstudie 7 157
6 Abschließende Diskussion 160
7 Zusammenfassung 165
8 Literaturverzeichnis 172
Danksagung 20
Quantitative Analyse der bedarfsgerechten Gestaltung sozialer Roboter im Pflegebereich – Nutzungsabsichten und Anforderungen aus Sicht von Auszubildenden
No full textVor dem Hintergrund des demografischen Wandels und des zunehmenden Fachkräftemangels gewinnt der Einsatz sozialer Roboter im Pflegebereich an Bedeutung. Ziel ist es, Pflegekräfte zu entlasten und Arbeitsbedingungen zu verbessern. Bislang fehlen jedoch fundierte Erkenntnisse darüber, welche Gestaltungs- und Funktionsmerkmale soziale Roboter aufweisen müssen, um den Anforderungen von Pflegefachpersonen gerecht zu werden. Insbesondere mangelt es an einer systematischen Einbindung zukünftiger Nutzender sowie an der Analyse nutzungsfördernder und -hemmender Faktoren. Diese Dissertation adressiert diese Forschungslücken auf Basis einer quantitativen Online-Befragung von 445 Auszubildenden im Pflegebereich. Im ersten Forschungsbereich werden präferierte Design- und Funktionsmerkmale sozialer Roboter untersucht. Die Ergebnisse zeigen eine klare Bevorzugung menschlicher Eigenschaften wie Empathie, Kommunikationsfähigkeit und emotionaler Responsivität sowie funktionaler Merkmale wie Sprachkompetenz, Autonomie und Anpassungsfähigkeit. Auf dieser Grundlage wurde ein 3D-Prototyp entwickelt, der diese Anforderungen berücksichtigt. Der zweite Forschungsbereich analysiert die Einflussfaktoren auf die Nutzungsabsicht sozialer Roboter. Hierfür wurde ein pflegespezifisches Modell entwickelt, das bestehende Akzeptanzmodelle erweitert, indem es die Nutzungsabsicht vor der Implementierung erfasst. Insgesamt verdeutlicht die Arbeit, dass sowohl eine nutzerorientierte Gestaltung als auch die Berücksichtigung zentraler Einflussfaktoren entscheidend für die erfolgreiche Integration sozialer Roboter in den Pflegealltag sind, und liefert hierfür wissenschaftliche wie praxisrelevante Grundlagen.:Abkürzungsverzeichnis IX
Abbildungsverzeichnis X
Tabellenverzeichnis XII
Einleitung 1
1 Grundlagen und Einordnung sozialer Roboter ins Forschungsfeld: Eine Klassifikationsperspektive 2
1.1 Pflegebedürftigkeit und demografische Herausforderungen 2
1.2 Soziale Roboter − Definition und Funktionsansätze in der Pflege 6
1.3 Soziale Roboter in Entwicklung und Anwendung 8
1.4 Klassifikation sozialer Roboter 20
1.4.1 Aufgaben und Anwendungsbereiche sozialer Roboter 25
1.4.2 Morphologie sozialer Roboter 31
1.4.3 Roboterpersönlichkeit vs. Persönlichkeit der Nutzenden 38
1.4.4 Autonomie sozialer Roboter 44
1.4.5 Soziale Kompetenzen und Empathie sozialer Roboter 47
1.4.6 Kommunikation sozialer Roboter 48
1.4.7 Fortbewegung sozialer Roboter 53
1.5 Befürchtungen gegenüber der Nutzung sozialer Roboter 54
1.6 Zusammenfassung Grundlagen und Klassifikation sozialer Roboter 57
2 Relevante Modelle zur Ermittlung der Nutzungsabsicht 58
2.1 Teilhabe an der Intention des anderen − Bedarfsermittlung in der Pflege 59
2.2 Nutzungsorientierte Designentwicklung 63
2.3 Akzeptanz 64
2.3.1 Innovations-Diffusionstheorie nach Rogers 66
2.3.2 Theorie des geplanten Verhaltens 70
2.3.3 Technikakzeptanzmodell (TAM) 72
2.3.4 Technikakzeptanzmodell II (TAM II) 73
2.3.5 Unified Theory of Acceptance and Use of Technology 75
2.3.6 Das Almere-Modell 77
2.3.7 Kurzskala zur Erfassung der Technikbereitschaft 78
2.3.8 Technology Usage Inventory (TUI) 79
2.4 Zusammenfassung relevanter Modelle zur Erfassung der Nutzungsabsicht 83
3 Zielsetzung und Methodik 88
3.1 Forschungsfragen 90
3.2 Hypothesen 94
3.3 Empirische Umsetzung 96
3.3.1 Fragebogenentwicklung 96
3.3.2 Operationalisierung der Variablen zur Nutzungsabsicht 98
3.3.3 Operationalisierung der Variablen zur Klassifikation sozialer Roboter 104
3.3.4 Pretest 110
3.3.5 Feldzugang und Stichprobenbeschreibung 111
3.3.6 Durchführung und Datenerhebung 112
3.3.7 Datenaufbereitung 112
3.3.8 Einschätzung der Datenqualität 113
3.3.9 Auswertungsverfahren 114
3.3.10 Voraussetzungsprüfung für multivariate Hypothesentests 115
4 Ergebnisse 115
4.1 Soziodemografische Angaben zu den Untersuchungsteilnehmenden 115
4.2 Deskriptive Analysen zur Klassifikation sozialer Roboter 119
4.2.1 Präferenzen bezüglich der Aufgaben und Anwendungsbereiche 119
4.2.2 Präferenzen bezüglich der Morphologie 122
4.2.3 Menschlichkeit, Unheimlichkeit und Attraktivität 127
4.2.4 Präferenzen bezüglich der Roboterpersönlichkeit 129
4.2.5 Präferenzen bezüglich der Autonomie 130
4.2.6 Präferenzen bezüglich emotionaler Fähigkeiten 132
4.2.7 Präferenzen bezüglich der Kommunikation 132
4.2.8 Präferenzen bezüglich der Fortbewegung 136
4.2.9 Prototypentwicklung des präferierten Roboters 137
4.3 Deskriptive Analysen zur Nutzungsabsicht sozialer Roboter 139
4.3.1 Nutzungsabsicht gegenüber sozialen Robotern 139
4.3.2 Technikkompetenz der Auszubildenden 141
4.3.3 Vorwissen der Auszubildenden zu sozialer Robotik 142
4.3.4 Interesse und Neugierde von Auszubildenden hinsichtlich sozialer Robotik 143
4.3.5 Angst vor Robotern 144
4.4 Bivariate Hypothesentests 147
4.5 Multivariate Hypothesentests 162
5 Diskussion 168
5.1 Diskussion der Ergebnisse zur Klassifikation sozialer Roboter 168
5.2 Diskussion der Ergebnisse zur Nutzungsabsicht sozialer Roboter 175
5.3 Implikation für die Praxis 183
5.3.1 Implikationen zur Klassifikation sozialer Roboter 183
5.3.2 Implikationen zur Nutzungsabsicht sozialer Roboter 184
5.4 Methodische Überlegungen 185
6 Fazit 188
7 Literaturverzeichnis 19
Exploring Deep Learning Approaches for 3D Deformation : Toward Finite Element Method Distillation
No full textThis thesis explores neural approaches for 3D deformation modeling with the objective of distilling FEM principles into efficient predictive frameworks. The study investigates both single-step and multi-step deformation modeling to enhance predictive accuracy and computational efficiency. In the single-step deformation approach, implicit representations and signed distance fields are employed as a meshless method to approximate FEM-based deformations on both synthetic data and industry datasets. This technique enables fast and efficient handling of high-resolution meshes while preserving predictive accuracy. Additionally, it significantly reduces processing time, making computation approximately 400 times faster than traditional FEM simulations for shell meshes. While the single-step approach focuses on immediate deformation effects, the multi-step deformation approach formulates deformation as a sequential decision-making process within a deep reinforcement learning framework. By encoding 3D shape variations into a latent space, it leverages two encoding strategies: a mesh encoder to capture geometric surface features and an image encoder to extract depth-based structural information. Optimization through PlaNet and CEM enhances accuracy and efficiency in predicting sequential deformations, improving both computational performance and predictive reliability. To address the lack of standard datasets in this domain, two custom datasets, DefBeam and DefCube, were created. DefBeam captures controlled, single-force deformations, providing insights into the immediate effects of applied forces. In contrast, DefCube records cumulative deformations under sequential forces, enabling the assessment of long-term predictive accuracy and generalization. The evaluation of these models demonstrates that deep learning and reinforcement learning effectively complement FEM simulations by improving prediction accuracy and computational efficiency. By integrating these AI-driven methods, the proposed framework assists experts in refining simulation workflows and advancing applications in material design, virtual prototyping, and industrial forming
On the Design of Synchronous Traffic Protocols for Intelligent Intersections
No full textIntelligent intersections aim to replace conventional traffic lights with traffic protocols that dynamically schedule connected and automated vehicles (CAVs) in all directions, as opposed to greatly static traffic lights that are currently in use. Traffic protocols can be synchronous or asynchronous in nature, with synchronous such traffic protocols enforcing efficient crossing patterns to achieve a higher throughput. However, due to the open-ended nature of realistic intersections, current synchronous traffic protocols are generally confined to specific types of traffic or infrastructure, which greatly restricts their applicability in the real world. To address this issue, this thesis proposes several design concepts to increase the real-world applicability of synchronous traffic protocols to a wider range of settings. More specifically, three points are covered. First, deterministic methods fail to provide meaningful estimates of the maximum number of vehicles at the intersection, which is paramount to assess communication reliability and, in the end, guarantee safety. In contrast, probabilistic estimates can greatly reduce pessimism and overdesign compared to deterministic approaches while still retaining safety. These and other benefits or the proposed approach are illustrated by means of a detailed case study and simulations using OMNeT++. Second, to guarantee safety, traffic protocols must enforce sufficiently large gaps between vehicles on different lanes, taking their dimensions into account. In particular, existing such protocols are designed for the longest possible vehicle resulting in space-hungry intersections, that require modifications in the infrastructure (in particular, broader roads/lanes). Moreover, these do not allow for vehicles that are exceptionally longer than the ones considered at design time (e.g., extra long trucks, or buses, etc.). In this thesis, to overcome this limitation, all proposed approaches handle overlength vehicles as exceptions to compensate for their low probability of occurrence, relaxing space requirements on the intersections. This is implemented in a single-crossing traffic protocol called SV-LTR (Single-Vehicle LTR) and further extended by a two-speed scheme to account for realistic driving and turning behavior and augmented with a platooning mode called PB-LTR (Platooning-Based LTR), where vehicles on opposing lanes cross with reduced inter-vehicle distances while considering the delay to perpendicular lanes. Finally, FleXS-TP (Flexible Synchronous Traffic Protocol) dynamically forms crossing patterns without requiring specific vehicle arrival orders. By maintaining a synchronous core while scheduling vehicles individually, FleXS-TP combines the efficiency of synchronous protocols under well-behaved traffic with the flexibility of asynchronous approaches under randomized traffic, achieving substantial throughput in both scenarios, as demonstrated by realistic SUMo simulations. These results illustrate the proposed techniques’ effectiveness in enhancing safety, throughput, and space efficiency, while broadening the applicability of synchronous traffic protocols todiverse and realistic traffic conditions.:1. Introduction
1.1. Scope and Motivation
1.2. Contributions
1.3. Thesis Structure
2. Related Work
2.1. Asynchronous Arrival Pattern
2.2. Synchronous Arrival Pattern
2.3. Adjacent Approaches
2.3.1. Platooning
2.3.2. Machine Learning
2.3.3. Game Theory
2.4. Summary
3. Fundamentals of Intelligent Intersections and Traffic Protocols
3.1. Models and Assumptions — Synchronization
3.1.1. Vehicle Lengths and Sectors
3.1.2. Overlength Penalty
3.1.3. Cycles and the Two-Speed Scheme
3.1.4. Synchronization Strategies
4. Probabilistic Reliability Modeling
4.1. Vehicle Length Distribution
4.1.1. Deterministic Approach
4.1.2. Probabilistic Approach
4.2. Traffic Density and Direction
4.2.1. Probabilities
4.2.2. Deriving Vehicle Count
4.3. Communication Protocol / Scheme
4.3.1. Medium Access Control
4.3.2. Physical Layer
4.4. Fallback Mechanisms
5. Space Efficiency
5.1. Ballroom Intersection Protocol (BRIP)
5.2. Single-Vehicle Left, Through, Right (SV-LTR) Protocol
5.2.1. Drive Through Only / Drive Through and Right Turns
5.2.2. Drive Through and Left Turns
5.2.3. Right and Left Turns
5.2.4. Considering Overlength Vehicles
5.2.5. Algorithm Performance
6. Platooning and Fairness
6.1. Platooning-Based Left, Through, Right (PB-LTR) Protocol
6.1.1. Drive-Through Platoon Crossing
6.1.2. Left-Turn Platoon Crossing
6.1.3. Considering Right Turns
6.1.4. Maximum Blocking Time
7. Flexible Synchronous Traffic Protocol (FleXS-TP)
7.1. Blocking Chart and Blocking Patterns
7.2. Square Sectors
7.2.1. Drive Through
7.2.2. Left Turns
7.2.3. Right Turns
7.2.4. Overlength Vehicles
7.3. Variable Sector Length
8. Simulations and Algorithms
8.1. Simulation of Urban Mobility (SUMo)
8.1.1. Generation of Well-Behaved and Randomized Traffic
8.1.2. Simulation of Unsorted Traffic without Contention
8.1.3. Conventional Traffic Lights
8.1.4. Simulation of BRIP
8.1.5. Simulation of SV-LTR
8.1.6. Simulation of FleXS-TP
8.2. Performance of Vehicle Count Estimation Algorithm
9. Evaluation
9.1. Probabilistic Vehicle Count Estimation and Communication Reliability
9.1.1. Probabilistic Vehicle Count Estimation
9.1.2. Impact on Communication Reliability
9.1.3. Fallback Mechanism — Examples
9.2. Space Efficiency
9.3. Throughput Part I: LTR vs. BRIP
9.3.1. SV-LTR vs. BRIP
9.3.2. PB-LTR vs. BRIP
9.3.3. Summary: LTR Versions vs. BRIP
9.4. Throughput Part II: SV-LTR vs. FleXS-TP
9.4.1. Well-Behaved Traffic
9.4.2. Randomly Generated Traffic
10. Discussion and Conclusion
10.1. Summary of Findings
10.1.1. Chapter 4 — Reducing Deterministic Pessimism
10.1.2. Chapter 5 — Infrastructure-Agnostic Design
10.1.3. Chapter 6 — Platooning for Well-Behaved Traffic
10.1.4. Chapter 7 — Increasing Flexibility towards Traffic Composition
10.2. Reflecting Design Choices / Limitations
10.2.1. Vehicle Reordering
10.2.2. Coping with System Accidents
10.2.3. System-Level Safety
10.2.4. Centralized vs. Distributed Protocols
10.3. Outlook
Bibliography
Appendix A. Code Samples and Extra Material
A.1. Example Route File
A.2. Randomized Traffic Route File Generation
A.3. BRIP Type I Route File Generation
A.4. Variable Vehicle Length Alon
In-Vehicle UX in Performance Vehicles: An Experience- and Need-Oriented HMI Design Approach for Enhancing Positive Emotional States
No full textThe automotive industry is currently undergoing a profound transformation towards autonomous, electrified, connected and shared mobility concepts, which require specifically designed user experiences (UX) evoking intense positive emotions. This thesis explores the potential for addressing relevant user needs through the in-vehicle UX in performance vehicles, with the aim of promoting a unique UX.
Despite the increasing relevance of experience-and need-oriented approaches in UX research, there is a paucity of studies transferring them to the specific context of performance vehicles or deriving concrete design aspects for human-machine interactions (HMI) to enhance positive emotional states. Performance manufacturers in particular rely on strong emotionalisation, aligning their vehicles specifically with the values and needs of their target group. This segment thus facilitates the empirical investigation of positive affective user responses, providing an accessible and insightful context representative of the broader automotive market. The upcoming PhD project employs a mixed-methods approach focused on HMI design that integrates user needs and emotional experience dimensions. The project is comprised of three research strands that build on each other and are based on psychological needs theories as well as experience-oriented design approaches to positive UX.
Appraisal-based emotion theories posit that emotions result as reactions to events that are relevant to personal well-being. Every emotion is based on a cognitive evaluation in which the experience is assessed in relation to personal values and needs (Lazarus, 1991). In the proposed research model (see Figure 1), it is assumed that values operate on a conceptually superordinate, transsituational level by determining which guiding principles individuals favour. Values are deeply rooted, culturally shared beliefs and ideals that do not exert a direct influence on individual interactions. Rather, they function as an internal compass by which behaviours and experiences are evaluated and interpreted. In contrast to values, psychological needs exert a direct influence on usage behaviour. The purpose of products is to satisfy basic human needs. These are regarded as universal, psychologically anchored drives that frequently operate subconsciously. Positive driving experiences can be evoked by hedonic UX aspects and the satisfaction of thirteen universal needs (Desmet & Fokkinga, 2020). Pragmatic product qualities, such as ease of use, facilitate the development of emotions, but do not represent an independent source of positive experiences. The following research model and empirical procedure in are derived for the planned project, based on the aforementioned theoretical thoughts. The colour selection of the constructs in the research model (left) corresponds to the associated research strands (right).
The research model is to be validated and further developed by three research strands, whereby personal values are only considered exploratory in relation to positive emotional states and are not the focus of the research interest.
In order to facilitate the targeted design of emotional driving experiences, existing positive experiences in and with performance vehicles are systematically analysed. Research strand 1a aims to identify relevant experience categories in the context of performance vehicles .This will be achieved by conducting a qualitative-explorative study based on experience interviews with performance drivers. The interview process is supported by emotion cards representing 16 of the 25 product emotions according to Desmet (2012). The subsequent categorisation of the obtained data is informed by positive emotional states that are triggered. The insights form the foundation for research strand 1b, in which HMI experts translate the identified experience categories into concrete usage scenarios. These are then evaluated by performance drivers in an online study using standardised needs questionnaires. The objective is to ascertain the statistical relationships between psychological needs and specific emotional experience categories, resulting in distinct needs-experience clusters. Research strand 2 focuses on the development of suitable HMI design aspects, which are grounded in the findings of the previous research strands. These aspects will be elaborated in focus groups and expert interviews with specialists in interaction design, human factors and the gaming industry. Subsequent creative workshops are utilised to progressively evolve emotional HMI concepts that are tailored to the identified experience categories and psychological needs. The resulting concepts are then implemented as prototypes in usability labs and evaluated by performance drivers using the valence method, laddering technique, and emotion scales to determine the emotional states triggered by specific design features.
The present work makes a significant contribution to UX research by integrating psychological models, emotion-driven design, and technological innovations, thus bridging the gap between design practice and scientific research in order to foster sustainable positive UX in performance vehicles
Real-World Road Crossing Decisions: Examining Pedestrian Gap Acceptance at the Mobility Innovation Campus Testbed
No full textPedestrians represent a particularly vulnerable road user-group (VRU), with their decision to cross a road having a significant impact on their own safety. To investigate and understand pedestrian behaviour, a study is designed at the Mobility Innovation Campus (MIC) testbed in Ottobrunn near Munich. This facility will allow for the execution of a field experiment in a realistic and safe environment. The study will analyse the gap acceptance (GA) of pedestrians as a function of vehicle size (e-scooter, car, semi-truck) and approach speed (10/20/30 km/h) under realistic conditions. It is to be expected that the GA values increase significantly with the vehicle size and the approach speed of the vehicles. The road crossing behaviour of pedestrians examined in this study could be compared to results of similar experiments involving other VRUs. This study will help improve automated vehicles (AV) behavioural models by incorporating VRU decision-making, leading to better AV control algorithms and safer interactions with pedestrians. Future research could evaluate different additional factors that influence road crossing behaviour such as road design, automation levels of vehicles and environmental conditions
Towards User Transparency of a Vehicle’s Driving Behavior Equipped with a Highly Automated Driving System during Minimal Risk Maneuvers: An Ecological Human-Machine Interface Design Approach
No full text1 THEORY
Individual transportation will traverse towards vehicles with automated driving systems (ADS) in the near future that will independently execute the driving task and presumably provide safe and inclusive transportation. Current concepts, developments, and even regulations often include a supporting remote assistant in the ADS (SAE L4; Aramrattana et al., 2024; Society of Automotive Engineers, 2021).These, remote assistants can support the ADS, e.g., by providing waypoints to the ADS helping to resolve situations that exceed the ADS’ own capabilities. By current German legislation, before an assistant intervenes, the ADS performs a minimal risk maneuver (MRM), meaning the vehicle comes to a safe stop. Since the ADS does neither inherently provide information to its users about its driving behavior nor its MRM resolution process, passengers might be exposed to an inconceivable driving situation (Skraaning et al., 2020; Vorm & Combs, 2022).This could lead to recurring similar situations potentially causing severe insecurities in passengers, especially when no information is given about the MRM and its resolution process. Recent research investigated ways to improve an ADS vehicle passenger’s understanding and predictability of the ADS and its MRM by providing information that increases the system’s transparency (Brandt et al., 2024). However, what still remains an open question in research is how an efficient way could be designed to provide this crucial and currently often needed information to passengers, not only to improve their experience, but also for satisfying experienced ones as well.
One design solution to communicate information in this case in an efficient and user-centered way, can provide the theory of ecological interface design (EID). According to EID, ecological presentation happens when information is depicted in a concise way that is still understandable. This can be achieved by presenting information through abstractions according to their underlying functionality (Rasmussen, 1999). When information is depicted unfiltered or unchanged, e.g., when for each sensor in a complex technical system the sensed values would be shown in detail, users would be overwhelmed. In contrast, fusing these types of information together instead and presenting them in an abstracted, but easy to understand way can provide the same information content in a more concise and thus more accessible way for users (Burns et al., 2008). So, this improved accessibility of the information about the ADS should improve understanding and predicting of the ADS’ behavior (Beggiato& Krems,2013;Carroll & Olson,1987).
Also, better accessibility should improve user experience as the information is presented in a way that needs no evaluation by the user and prevents them from information overload (Bawden & Robinson, 2020). Following this argumentation, the research question investigated in the presented study is: Does a vehicle with ADS’ communication of an MRM by an in-vehicle Human-Machine-Interface (iHMI) to its passengers using abstractions, based on an ecological interface design approach, lead to a better understanding, predictability, and user experience compared to an explicit communication only using semantic language?
2 METHODS
To investigate this effect of ecological designed iHMIs on the understanding and predictability of passengers of an ADS, an experimental simulator study was conducted. In a within factors design an iHMI providing transparent information about an ADS was shown to participants in virtual reality (VR). The participants experienced a ride through a virtual environment created in the game engine Unreal Engine 5 as passengers of an ADS that performed MRMs in different situations (Epic Games, Inc., 2022). To provide information to the participants during the MRMs, an iHMI was designed based on EID. The iHMI utilized systematically varied abstractions providing the passenger with information about the ADS and the MRM resolution process involving the remote assistant. The activity of the ADS was depicted with paths that provided additional information about the system via their coloring. Teal signaled active automation, yellow a detected problem within the path, and grey alternative paths that needed evaluation of the assistant. The iHMI also provided abstract information on the involvement of the remote assistant and the vehicle’s surrounding. A basic variant of the interface (baseline) presented the same information as plaintexts. In addition, a third variant was created that provided the information both via the aforementioned abstractions and the texts at the same time.
Each variant was evaluated over several scenarios, where the ADS of the vehicle performed an MRM and contacted a remote assistant for support. The scenarios varied between blocked roads, e.g. because of parked vehicles or construction sites, and rescue operations blocking the road. Additionally, dummy scenarios that did not pose the need for a remote assistant were shown to passengers, so that it was not always clear when an MRM would be performed by the vehicle. Depending on the variant, information was given about the situation and the MRM resolution process involving the assistant, via text, abstractions or both. To evaluate the different variants and their impact in each scenario, after each scenario, questionnaires regarding understanding, predictability and user experience were given to the participants.
3 RESULTS AND CONCLUSION
Study results provided insights into possibilities of ecological iHMI design for vehicles with ADS to account for the new situation for passengers of ADS, especially when performing an MRM. They present an answer to the question how ADS can communicate with their passengers to improve their understanding, predicting and user experience to provide a safe and inclusive design for vehicles with ADS