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Herstellung und Charakterisierung kontinuierlicher FePt-L10-Schichten auf MgO-Substraten
Get PDFDie vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit kontinuierlichen FePt-L10-Dünnschichten. Der Fokus liegt dabei auf den strukturellen Eigenschaften der FePt-Legierung in der chemisch geordneten L10-Phase und deren Auswirkungen auf magnetische Eigenschaften des Systems. Die Quantifizierung der chemischen Ordnung erfolgte durch Röntgenbeugung (XRD). Die magnetische Hysterese wurde durch SQUID-VSM untersucht. Die Analyse der Oberflächentopografie erfolgte mit der Rasterkraftmikroskopie (AFM).
Es konnte gezeigt werden, dass die Herstellung von L10-geordneten und gleichzeitig kontinuierlichen FePt-Schichten mittels Magnetronsputterdeposition bei hohen Temperaturen von 500°C bis 600°C möglich ist. Weiterhin wurde die Abhängigkeit der senkrechten magnetokristallinen Anisotropie von der chemischen Ordnung untersucht. Es konnte eine Anisotropieenergiedichte von 27 Merg/ccm erreicht werden.:1 Einleitung
2 Theorie
2.1 Magnetische Materialien
2.1.1 Grundlagen
2.1.2 Magnetische Hysterese
2.1.3 Magnetische Anisotropie
2.2 FePt-Legierungen
2.2.1 Strukturelle Eigenschaften und chemische Ordnung
2.2.2 Magnetische Eigenschaften
3 Experimentelle Methoden
3.1 Magnetronsputterdeposition
3.2 Röntgenbeugung und Röntgenreflektometrie
3.2.1 Röntgenbeugung
3.2.2 Röntgenreflektometrie
3.3 Rasterkraftmikroskopie
3.4 Magnetometrie
3.5 Transmissionselektronenmikroskopie
3.6 Rutherfordrückstreuspektrometrie
3.7 Röntgenphotoelektronenspektroskopie
4 Qualität der MgO-Substrate
5 Hergestellte FePt-Schichten
6 Ergebnisse
6.1 Chemische Ordnung von FePt
6.2 Kontinuität von dünnen FePt-Schichten
6.2.1 Oberflächenanalyse mit Rasterkraftmikroskopie
6.2.2 Hinweise auf kontinuierliche Schichten
6.2.3 Verunreinigungen der Probenoberfläche
6.3 Magnetische Eigenschaften von FePt
7 Zusammenfassung
8 Ausblick
Literatu
Molekulardynamische Simulation der Oxidation dünner Siliziumnanodrähte: Einfluss von Draht- und Prozessparametern auf die Struktur
Get PDFSiliziumnanodrähte (SiNWs) bieten aufgrund ihrer exzellenten elektrostatischen Kontrollierbarkeit eine gute Grundlage für die Entwicklung neuartiger Bauelemente, wie rekonfigurierbarer Feldeffekttransistoren (RFETs). Da SiNWs durch die Oxidation gezielt verzerrt werden können und diese Verzerrung die Bandstruktur des Siliziums verändert, bietet der Oxidationsprozess eine Möglichkeit, die Leitungseigenschaften der RFETs zu modulieren und eine symmetrische Transfercharakteristik zu erhalten. Die Untersuchung von SiNWs mit Durchmessern im einstelligen Nanometerbereich bedarf eines atomistischen Ansatzes.
In der vorliegenden Arbeit wird mit einem reaktiven Kraftfeld die initiale Phase der Oxidation dünner SiNWs molekulardynamisch simuliert. Gegenstand der Untersuchungen sind die Temperaturabhängigkeit der Oxidation von -SiNWs mit Anfangsradien von 10.2 Å sowie das Oxidationsverhalten von - und -SiNWs mit Anfangsradien von 5.1 Å. Dabei wird neben dem Sauerstoffanteil im Simulationssystem und der radial aufgelösten Dichte auch das radial aufgelöste Verhältnis zwischen Sauerstoff- und Siliziumatomen während der gesamten Simulationsdauer untersucht und ein Zusammenhang zur Dichte festgestellt. Darüber hinaus wird bei 300 K erstmals eine Analyse der Verzerrungsentwicklung während der initialen Oxidationsphase durchgeführt, bei der sich sowohl für -SiNWs als auch für -SiNWs eine tensile Verzerrung im unoxidierten Drahtkern einstellt. Wie eine Analyse der partiellen radialen Verteilungsfunktion zeigt, kommt es zu dieser Verzerrung, weil während der Oxidation die Grundstruktur des Siliziums im Oxid erhalten bleibt, durch die Einlagerung des Sauerstoffs allerdings der Bindungsabstand erhöht wird. Dieser erhöhte Bindungsabstand wird durch Bindungen zu Siliziumatomen im Oxid auch Siliziumatomen im unoxidierten Kern aufgezwungen.:Inhaltsverzeichnis
Abbildungsverzeichnis
Tabellenverzeichnis
Abkürzungsverzeichnis
Symbolverzeichnis
1. Einleitung
2. Theoretische Grundlagen
2.1. Molekulardynamik
2.2. Siliziumnanodrähte
2.3. Verzerrung und Verspannung
3. Modellsystem
3.1. Ausgangsstruktur
3.2. Vorrelaxation
3.3. Ablauf der Oxidation
4. Untersuchungsmethoden
4.1. Sauerstofffluenz, Oxidationsgrad und Oxidationsrate
4.2. Massendichte und Siliziumanteil
4.3. Radiale Verteilungsfunktion
4.4. Verzerrung
4.4.1. -Draht
4.4.2. -Draht
5. Ergebnisse und Diskussion
5.1. Festlegung des Einsetzintervalls
5.2. Temperaturvariation
5.2.1. Oxidationsgrad
5.2.2. Siliziumanteil
5.2.3. Massendichte
5.2.4. Radiale Verteilungsfunktion
5.3. Radius- und Orientierungsvariation
5.4. Verzerrung
6. Zusammenfassung und Ausblick
6.1. Zusammenfassung
6.2. Ausblick
A. Festlegung des Einsetzintervalls
Literaturverzeichni
Model Based Design of a Magnetoelectric Vibration Converter from Weak Kinetic Sources
Get PDFThe main challenge in the design of vibration energy harvesters is the optimization of energy outcome relative to the applied excitation to reach a higher efficiency in spite of the weakness of ambient energy sources. One promising principle of vibration converters is magnetoelectricity due to the outstanding properties of magnetostrictive and piezoelectric laminate composites, which provide interesting possibilities to harvest energy from low amplitude and low frequency vibration with relatively high energy outcome. For these devices, ensuring high deformations in the magnetostricive layers, improvement of the magnto-mechanical and the electro-mechanical couplings are highly required for the optimization of the energy outcome.
This thesis primarily aims to develop a model based harvester design for magnetoelectric (ME) converters. Based on a comprehensive understanding of the complex energy flow in magnetoelectric transducers, several design parameters are investigated. For instance, magnetostriction in a Terfenol-D plate is investigated by means of atomic force microscopy under similar conditions as within magnetoelectric transducers. A novel measurement approach was successfully developed to detect the evolution of magnetic domains and measure deformations in a Terfenol-D plate in response to externally non-uniform applied magnetic fields.
Furthermore, a finite element model is developed to predict the induced voltage in the ME transducer as a response to the magnet’s displacement, corrected based on atomic force microscopy measurements, and used for the design of the harvester. The presented three- dimensional model takes into consideration the nonlinear behaviour of the magnetostrictive and piezoelectric materials. Additionally, three novel converters having different magnetic circuits are designed and analysed analytically based on Lindstedt-Poincaré method. The effects of the structure parameters, such as the nonlinear magnetic forces, the magnetic field distribution and the resonance frequency are discussed, and the electric output performances of the three designed converters are evaluated.
In order to improve both mechanical and electrical coupling between the piezoelectric and the magnetostrictive layers, a bonding technique at room temperature is proposed which uses conductive polymer nanocomposites. Two magnetoelectric transducers are fabricated based on this technique having 1 wt.% and 2 wt.% concentration of multiwalled carbon nanotubes in epoxy resin. Another magnetoelectric transducer is fabricated by a classical technique for comparison purposes.
In order to validate the design, a series of demonstrators are designed and fabricated according to the simulation and optimization results. The proposed design is composed by a cantilever beam, a magnetic circuit with several magnet arrangements and a magnetoelectric transducer, which is formed by a piezoelectric PMNT plate bonded to two magnetostrictive Terfenol-D layers. In this design, external vibrations are converted to magnetic field changes acting on the magnetostrictive layers leading to deformations, which are transmitted directly to the piezoelectric layer.
The converters are tested under harmonic excitations and real vibration profiles reproduced by an artificial vibration source. Different parameters were investigated experimentally including the magnetic forces between the transducer and the magnetic circuit and the used bonding technique. Tuning the resonance frequency of the ME converter is also addressed using a simple screw/nut system, which allows to control the relative position and therefore the magnetic forces between the magnetic circuit and the transducer.
The magnetoelectric transducer bonded with 2 wt.% concentration of multiwalled carbon nanotubes shows better output performances than the two other ME transducers under similar excitations. A maximum power output of 2.42 mW is reached under 1 mm applied vibration at 40 Hz. This performance presents an improvement of minimum 20 % of the reached energy outcome by other magnetoelectric vibration converters using single ME transducer at comparable applied excitations.Die größte Herausforderung bei der Konstruktion von Vibrations-Energiewandlern ist die Optimierung der gewonnenen Energie im Verhältnis zur angewandten Anregung, um trotz schwacher Umgebungsenergiequellen einen hohen Wirkungsgrad zu erreichen. Ein vielversprechendes Prinzip von Vibrationswandlern ist die Magnetoelektrizität aufgrund der hervorragenden Eigenschaften von magnetostriktiven und piezoelektrischen Verbundwerkstoffen, die interessante Möglichkeiten bieten, Energie aus niederfrequenten Schwingungen mit kleinen Amplituden zu gewinnen. Bei diesen Wandlern ist die Sicherstellung hoher Verformungen in den magnetostriktiven Schichten, die Verbesserung der magnetisch-mechanischen und der elektromechanischen Kopplungen für die Optimierung des Energieertrages sehr wichtig.
Diese Arbeit zielt in erster Linie auf die Entwicklung eines modellbasierten Entwurfs für magnetoelektrische (ME) Wandler ab. Basierend auf einem umfassenden Verständnis des komplexen Energieflusses in magnetoelektrischen Wandlern werden mehrere Entwurfsparameter untersucht.
So wird beispielsweise die Magnetostriktion in einer Terfenol-D-Platte mittels Rasterkraftmikroskopie unter ähnlichen Bedingungen untersucht wie in magnetoelektrischen Wandlern. Dabei wurde eine neuartige Messmethode erfolgreich entwickelt, um die Entwicklung von magnetischen Domänen zu erfassen und die Deformation in einer Terfenol-D-Platte als Reaktion auf extern ungleichmäßig angelegte Magnetfelder zu messen. Darüber hinaus wird ein Finite-Elemente-Modell entwickelt, um die induzierte Spannung im ME-Wandler als Reaktion auf die Verschiebung des Magneten vorherzusagen, welches auf der Grundlage von Atomkraftmikroskopie Messungen korrigiert und für den Entwurf des Energiewandlers verwendet wird. Das vorgestellte dreidimensionale Modell berücksichtigt das nichtlineare Verhalten der magnetostriktiven und piezoelektrischen Materialien. Zusätzlich werden drei neuartige Wandler mit unterschiedlichen Magnetkreisen nach dem Lindstedt-Poincaré Verfahren konzipiert und analytisch analysiert. Die Auswirkungen der Strukturparameter, wie die nichtlinearen Magnetkräfte, die Magnetfeldverteilung und die Resonanzfrequenz, werden diskutiert und die elektrischen Ausgangsleistungen der drei ausgelegten Wandler ausgewertet.
Um die mechanische und elektrische Kopplung zwischen der piezoelektrischen und der magnetostriktiven Schicht zu verbessern, wird eine bei Raumtemperatur prozessierbare Verbindungstechnik vorgeschlagen, bei der leitfähige Nanokomposite verwendet werden. Zwei magnetoelektrische Wandler werden basierend auf dieser Technik mit einer Konzentration von 1 wt.% und 2 wt.% an mehrwandigen Kohlenstoff-Nanoröhren in Epoxidharz hergestellt. Ein weiterer magnetoelektrischer Wandler wurde zu Vergleichszwecken mit einer klassischen Technik hergestellt. Für die Validierung des Entwurfes wird eine Reihe von Demonstratoren entsprechend den Simulations- und Optimierungsergebnissen konstruiert und gefertigt. Der vorgeschlagene Entwurf besteht aus einem Trägerbalken, einem Magnetkreis mit mehreren Magnetanordnungen und einem magnetoelektrischen Wandler, der aus einer piezoelektrischen PMNT-Platte besteht, die mit zwei magnetostriktiven Terfenol-D-Schichten verbunden ist. Bei dieser Konstruktion werden externe Schwingungen in Magnetfeldänderungen umgewandelt, die auf die magnetostriktiven Schichten wirken und zu Verformungen führen, die direkt auf die piezoelektrische Schicht übertragen werden.
Die Wandler werden unter harmonischen Anregungen und mit realen Schwingungsprofilen getestet, die von einer künstlichen Schwingungsquelle reproduziert werden. Verschiedene Parameter wurden experimentell untersucht, darunter die magnetischen Kräfte zwischen dem Wandler und dem Magnetkreis sowie die verwendete Verbindungstechnik. Die Abstimmung der Resonanzfrequenz des ME-Wandlers erfolgt ebenfalls über ein einfaches Schrauben-Mutter-System, das es ermöglicht, die relative Position und damit die magnetischen Kräfte zwischen Magnetkreis und Wandler zu steuern.
Der magnetoelektrische Wandler, der mit einer Konzentration von 2 wt.% mehrwandiger Kohlenstoff-Nanoröhrchen verbunden ist, zeigt bessere Ausgangsleistungen als die beiden anderen ME-Wandler bei ähnlichen Anregungen. Eine maximale Ausgangsleistung von 2,42 mW wird bei 1 mm angelegter Vibration bei 40 Hz erreicht. Diese Leistung stellt eine Verbesserung von mindestens 20 % im Vergleich zu anderen magnetoelektrischen Schwingungsumrichtern dar, welche mit einem einzigen ME-Wandler bei vergleichbaren Anregungen getestet werden
Entwurf, Implementierung und Integration eines Applikationstools auf Basis von XCP on Ethernet
No full textIn dieser Arbeit wird ein Applikationstool auf Basis des Kommunikationsprotokolls XCP entwickelt. Dieses verwendet die Ethernet-Transportschicht, um den Test von Steuergerätesoftware zu optimieren. Hierzu bietet das Applikationstool eine Schnittstelle an, die es Testautomatisierungslösungen ermöglicht, Variablen des Steuergeräts zu kalibrieren und per Polling oder synchroner Messung abzurufen. Aufgrund der hohen Performance, den geringen Entwicklungskosten und der guten Anwendbarkeit in der Testautomatisierung hebt sich das entwickelte Applikationstool von anderen auf dem Markt verfügbaren Tools ab. Zudem kann das Tool flexibel erweitert und auf die individuellen Bedürfnisse der Anwender angepasst werden. Die Architektur wird auf Grundlage wichtiger Design-Patterns erstellt, wodurch verschiedene Protokoll- und Hardware-Komponenten in einer abstrakten Weise dargestellt und miteinander verbunden werden können. Zuvor werden alle benötigten Daten aus den sogenannten A2L-Dateien ausgelesen, indem reguläre Ausdrücke und
Grammatiken angewandt werden. Durch die entwickelte Architektur können ältere, aktuelle und auch zukünftige Steuergeräte zuverlässig ausgelesen werden. Des Weiteren erlaubt die Software-Struktur das flexible Hinzufügen verschiedener Hardware-Adapter und weiterer Kommunikationsprotokolle.
Zur Evaluierung werden die einzelnen Komponenten mit realen Steuergeräten getestet und bezüglich ihrer Geschwindigkeit überprüft. Bei der Messung mittels Polling wurde eine durchschnittliche Zeit von 0.3ms pro gemessenem Wert erreicht, wobei die Latenz des Steuergeräts ungefähr die Hälfte der Zeit beansprucht. Für die synchrone Messung konnte eine Verarbeitungsgeschwindigkeit von ca. 500 Bytes/ms erreicht werden, was selbst in kleinen Messrastern eine Verarbeitung vor dem Eintreffen des nächsten Wertes ermöglicht
Die Veränderung des Erzgebirgswaldes durch den Bergbau
Get PDFThomas Bauer beschreibt die Entwicklung des Waldbestands im Erzgebirge vom Mittelalter bis in die gegenwärtige Zeit
Schema-related cognitive load influences performance, speech, and physiology in a dual-task setting: A continuous multi-measure approach
Get PDFSchema acquisition processes comprise an essential source of cognitive demands in learning situations. To shed light on related mechanisms and influencing factors, this study applied a continuous multi-measure approach for cognitive load assessment. In a dual-task setting, a sample of 123 student participants learned visually presented symbol combinations with one of two levels of complexity while memorizing auditorily presented number sequences. Learners’ cognitive load during the learning task was addressed by secondary task performance, prosodic speech parameters (pauses, articulation rate), and physiological markers (heart rate, skin conductance response). While results revealed increasing primary and secondary task performance over the trials, decreases in speech and physiological parameters indicated a reduction in the overall level of cognitive load with task progression. In addition, the robustness of the acquired schemata was confirmed by a transfer task that required participants to apply the obtained symbol combinations. Taken together, the observed pattern of evidence supports the idea of a logarithmically decreasing progression of cognitive load with increasing schema acquisition, and further hints on robust and stable transfer performance, even under enhanced transfer demands. Finally, theoretical and practical consequences consider evidence on desirable difficulties in learning as well as the potential of multimodal cognitive load detection in learning applications
Effects of Exercise on the Resting Heart Rate: A Systematic Review and Meta-Analysis of Interventional Studies
Get PDFResting heart rate (RHR) is positively related with mortality. Regular exercise causes a reduction in RHR. The aim of the systematic review was to assess whether regular exercise or sports have an impact on the RHR in healthy subjects by taking different types of sports into account. A systematic literature research was conducted in six databases for the identification of controlled trials dealing with the effects of exercise or sports on the RHR in healthy subjects was performed. The studies were summarized by meta-analyses. The literature search analyzed 191 studies presenting 215 samples fitting the eligibility criteria. 121 trials examined the effects of endurance training, 43 strength training, 15 combined endurance and strength training, 5 additional school sport programs. 21 yoga, 5 tai chi, 3 qigong, and 2 unspecified types of sports. All types of sports decreased the RHR. However, only endurance training and yoga significantly decreased the RHR in both sexes. The exercise-induced decreases of RHR were positively related with the pre-interventional RHR and negatively with the average age of the participants. From this, we can conclude that exercise—especially endurance training and yoga—decreases RHR. This effect may contribute to a reduction in all-cause mortality due to regular exercise or sports
Analysing Pedestrian-Vehicle Interaction to Derive Implications for Automated Driving
Get PDFIn the near future, more vehicles will have automated functions. The traffic system will probably be a shared space of automated and manually driven vehicles for a long time. During this period of mixed traffic, communication between any types of road users will become an important demand for automated vehicles (AV). This PhD project focuses on vulnerable road users, namely pedestrians, in cooperative situations with AVs to establish comfortable interactions in the future. The first aim is to understand current pedestrian behaviour in cooperative negotiation situations with manual driven cars.
Therefore, an observational study was conducted to explore interaction types and parameters that can be used to derive implications for automated driving. In this study, 121 interaction sequences were annotated using the type-building content analyses to identify specific interaction types. Those interaction types were distinguished by means of the parameters head movement and walking behaviour. As a result, three types of interaction (sufficient visual assurance, frequent visual assurance and poor visual assurance) were found. As a conclusion, the role of the parameters head movement and walking behaviour as well as the interaction types were discussed regarding their applicability for communication technologies and algorithms. Further, the AV has to be capable of communicating with pedestrians and therefore has to establish a suitable compensation for current pedestrian-driver communication. The implementation of additional external communication interfaces is supposed to challenge this problem, which leads to the second aim of this thesis: pedestrian needs, and design and assessment criteria for communication interfaces.
A focus group discussion (n = 6) addressed the identification of pedestrian needs and concerns when interacting with Human-Machine Interfaces (HMI) in automated driving. Here, several communication interfaces were evaluated in order to implement smooth and comfortable communication. This qualitative approach was followed by an experimental video simulation study (n = 25) based on the results of the focus group discussion regarding design and assessment criteria. For the video simulation study, HMI designs were created with variations in position, type and coding of the message, and technology. These were assessed by 25 subjects according to evaluation criteria concluded from the focus discussion: recognisability, unambiguousness, interaction comfort and intuitive comprehensibility. The results showed that direct instructions to cross the street are preferred over status information about the vehicle, and that large-scale text-based messages from the vehicle to the pedestrian deliver better results. Design recommendations for HMIs for communication between automated vehicles are derived, and the extent to which external HMIs may supplement informal communication strategies such as vehicle movement or braking manoeuvres is discussed. As a conclusion, the third aim of this PhD project addressed whether informal communication cues in terms of vehicle movement could be suitable for pedestrian-AV communication. Therefore, the detection performance of different vehicle movements as well as several parameters such as deceleration rate were brought into focus.
To address the applicability of informal pedestrian-AV communication, three experimental studies were carried out within this PhD project. The first study focused on the detection of both vehicle acceleration and deceleration. A video simulation was conducted regarding the independent variables vehicle speed (20 and 40 km/h), daylight (morning, dusk, evening), onset time regarding the change of movement (early, late) and acceleration rate (positive, negative, none) were varied. The task of the participants (n = 33) was to indicate by pressing a button when they detected changes in the approaching car movement. Furthermore, they had to decide what kind of movement it was (deceleration/acceleration). Results showed a bad detection performance for vehicle acceleration, so there were no further inferential analyses on that variable. For vehicle decelerations, significant results were revealed for deceleration rate and vehicle speed. The higher the deceleration rate and the lower the speed, the shorter detection times. The variable daylight did not reveal a significant influence on detection performance. The onset of deceleration showed significant results regarding the 20 km/h speed condition, which is however confounded by the interaction with deceleration rate. The discussion addressed methodological limitations, as well as perceptional constructs, such as the “Tau-Hypothesis” to explain the results. As recommendation, accelerations are probably not a suitable informal communication cue. The detection of deceleration showed better results, thus the subsequent studies focused in more detail on deceleration.
The second video simulation study regarding informal communication cues addressed the detection of deceleration using only the lower speed condition (20 km/h). The deceleration rate was adjusted to a continuous variable ranging from -3.5 m/s² to -1.5 m/s². Further, the variable vehicle size (large, medium, and small) and the onset of deceleration (early, late) were varied. Participants (n = 25) had to indicate, when they perceived a deceleration. Results confirmed the significant influence of deceleration rate, as mentioned in the study before. Further, the onset of deceleration as well as an interaction of deceleration rate and onset of deceleration were again found to reveal significant results. Vehicle size also influenced the detection performance in a significant way. Nevertheless, this effect was mainly driven by the large vehicle. As a main conclusion, there is probably no “one-fits-all” solution for the AV deceleration algorithm that is always perceived properly. Limitations of the study as well as aspects of comfortable deceleration from the perspectives of both pedestrians and drivers were taken into account.
The third study regarding informal communication addressed a major limitation of the video simulations mentioned above, namely the lack of realism. Therefore, a realistic field study using a vehicle with automated longitudinal control was conducted. The variables vehicle speed (20 km/h, 30 km/h), deceleration rate (-0.7 m/s², -1.4 m/s², -2.1 m/s²) and onset of deceleration (early, late) were manipulated. The participants (n = 23) again had to indicate when they perceived a deceleration manœuvre. Compared to both video simulations, a clear reduction of detection time was revealed, almost regardless of deceleration rate, vehicle speed or onset of deceleration. This result supports the assumption that realistic environments provide more information sources which can be used to detect vehicle deceleration compared to the simulation. Further, the study showed that deceleration was detected reliably (even for very low deceleration rates) and supports the use of this form of vehicle movement as the recommended informal communication cue. For AV technology it can be confirmed that smooth and early deceleration would be suitable for the perception of deceleration which also supports the aim of comfortable interactions both for pedestrians and drivers/passengers.:LIST OF FIGURES 6
LIST OF TABLES 9
LIST OF ABBREVIATIONS 10
ACKNOWLEDGEMENTS 11
SUMMARY 12
ZUSAMMENFASSUNG 15
1 INTRODUCTION 19
2 THEORETICAL BACKGROUND 21
2.1 Pedestrian Behaviour Studies 21
2.1.1 Demographics and Personality 22
2.1.2 Expectations and Past Experiences 23
2.1.3 Abilities 23
2.1.4 Social Factors 26
2.1.5 Environmental Factors 26
2.2 Current Communication and Interaction between Pedestrians and Vehicles 27
2.2.1 Definition of Communication and Interaction in Road Traffic 27
2.2.2 Formal and Informal Communication in Road Traffic 28
2.2.3 Behavioural Characteristics of Informal Communication between Pedestrians and Vehicles 29
2.3 Levels of Vehicle Automation 34
2.4 Communication with Pedestrians in the Context of Automated Driving 35
2.4.1 Explicit Communication between Pedestrians and Automated Vehicles 36
2.4.2 Implicit Communication between Pedestrians and Automated Vehicles 42
3 OVERALL RESEARCH QUESTIONS 45
4 OVERALL METHODOLOGICAL CONSIDERATIONS 48
4.1 Video Recording Session 48
4.2 Simulation Software and Video Editing 50
5 STUDY I: Observation of Interaction between Pedestrians and Vehicles 52
5.1 Aims and Research Questions 52
5.2 Data Collection 52
5.3 Annotation Procedure and Analysis 53
5.4 Results 55
5.4.1 Type: “sufficient frequency of visual assurance” 57
5.4.2 Type: “frequent visual assurance” 57
5.4.3 Type: “poor visual assurance” 58
5.5 Discussion 59
6 STUDY II: HMI Development and Evaluation 62
6.1 Aims and Research Questions 62
6.2 Method Study IIa: Focus Group Discussion 63
6.2.1 Participants 63
6.2.2 Research Design 63
6.2.3 Procedure 64
6.2.4 Material 65
6.3 Results Study IIa: Focus Group Discussion 65
6.3.1 Benefits and Disadvantages for each HMI category 65
6.3.2 General Concerns, Benefits and Design Criteria 66
6.4 Method Study IIb: Video Simulation 67
6.4.1 Participants 67
6.4.2 Research Design 68
6.4.3 Procedure 70
6.4.4 Material 70
6.5 Results Study IIb: Video Simulation 71
6.5.1 HMI Technology 72
6.5.2 Type of Information 72
6.5.3 Position of Information 72
6.5.4 Coding of Information 73
6.5.5 Intuitive Comprehensibility 73
6.5.6 Recognisability 74
6.5.7 Unambiguousness 76
6.5.8 Interaction Comfort 78
6.6 Discussion 80
7 STUDY III: Vehicle Movement as Implicit Communication 85
7.1 Aims and Research Questions 85
7.2 Method 86
7.2.1 Participants 86
7.2.2 Research Design 86
7.2.3 Procedure 87
7.2.4 Material 90
7.3 Results 90
7.3.1 Detection of Deceleration and Acceleration 90
7.3.2 Daylight 91
7.3.3 Vehicle Speed 91
7.3.4 Deceleration Rate 92
7.3.5 Onset of Deceleration 92
7.3.6 Inferential Analyses regarding Vehicle Speed, Deceleration Rate and Onset of Deceleration 93
7.3.7 Exploration of perceived comfort and safety of different deceleration patterns 96
7.4 Discussion 98
8 STUDY IV: Parameter of Braking for Implicit Communication 101
8.1 Aims and Research Questions 101
8.2 Method 101
8.2.1 Participants 101
8.2.2 Research Design 102
8.2.3 Procedure 103
8.2.4 Material 103
8.3 Results 103
8.3.1 Inferential Analysis regarding Vehicle Size, Deceleration Rate and Onset of Deceleration 104
8.4 Discussion 106
9 STUDY V: Field Study 108
9.1 Aims and Research Questions 108
9.2 Method 108
9.2.1 Participants 109
9.2.2 Research Design 109
9.2.3 Procedure 111
9.2.4 Material 112
9.3 Results 114
9.3.1 Inferential Analysis regarding Vehicle Speed, Deceleration Rate and Onset of Deceleration 114
9.4 Discussion 116
10 GENERAL DISCUSSION AND CONCLUSION 118
10.1 Theoretical and Practical Considerations 118
10.2 Limitations and Directions for Future Research 123
REFERENCES 126
APPENDIX 140
CURRICULUM VITAE AND PUBLICATIONS 143Bereits heute verfügen Fahrzeuge über hoch entwickelte Technologien und automatisierte Funktionen, die den Fahrer in verschiedensten Verkehrssituationen unterstützen (z.B. Spurhalteassistent). Der Trend zur Fahrzeugautomatisierung wird sich höchstwahrscheinlich fortsetzen und Fahrzeuge mit höheren Automationsgraden bis hin zur vollständigen Automatisierung werden einen bedeutenden Teil des zukünftigen Verkehrssystems repräsentieren. Das Verkehrssystem wird für lange Zeit ein gemeinsamer Raum von automatisierten und nicht-automatisierten Fahrzeugen sein. Während dieser Zeit des gemischten Verkehrs, wird die Kommunikation zwischen allen Arten von Verkehrsteilnehmern eine wichtige Herausforderung für automatisierte Fahrzeuge darstellen. Diese Dissertation konzentriert sich daher auf Kommunikationsszenarien zwischen Fußgänger und zukünftig automatisierten Fahrzeugen, mit dem Anspruch Interaktionen komfortabel zu gestalten.
Das erste Ziel der Arbeit besteht darin, das aktuelle Fußgängerverhalten in kooperativen Verhandlungssituationen mit nicht-automatisierten Fahrzeugen zu analysieren. Daher wurde eine Beobachtungsstudie durchgeführt, um Interaktionstypen und Parameter zu untersuchen, die zur Ableitung von Implikationen für das automatisierte Fahren verwendet werden können. In dieser Studie wurden 121 Interaktionssequenzen annotiert und mittels typenbildender Inhaltsanalyse untersucht, um spezifische Interaktionstypen zu identifizieren. Diese Interaktionstypen wurden anhand der Parameter Kopfbewegung und Gehverhalten der Fußgänger unterschieden. Als Ergebnis wurden drei Arten der Interaktion gefunden (ausreichende visuelle Absicherung, häufige visuelle Absicherung und geringe visuelle Absicherung). Als Schlussfolgerung wurde die Rolle der Parameter Kopfbewegung und Gehverhalten sowie die Interaktionstypen bezüglich ihrer Implikationen für Kommunikationstechnologien (z.B. Sensoranforderungen) und Algorithmen für automatisierte Fahrzeuge diskutiert.
Ein automatisiertes Fahrzeug muss zukünftig in der Lage sein, Fußgänger nicht nur sicher zu detektieren sondern zudem mit Fußgängern zu kommunizieren. Hierfür muss eine geeignete Kommunikationsschnittstelle (HMI) vorhanden sein, welche Mechanismen der gegenwärtigen Fußgänger-Fahrzeug-Kommunikation adressiert. Die Gestaltung zusätzlicher HMIs zur expliziten Kommunikation stellt das zweite Ziel dieser Arbeit dar. In einer Kombination aus qualitativen und experimentellen Methoden wurden zuerst die Fußgängerbedürfnisse an HMIs exploriert um darauf aufbauend Gestaltungs- und Bewertungskriterien abzuleiten und zu prüfen. Eine Fokusgruppendiskussion (n = 6) befasste sich mit der Identifizierung von Fußgängerbedürfnissen und -problemen bei der Interaktion mit externen HMIs für automatisierte Fahrzeuge. Hier wurden mehrere Kommunikationsschnittstellen recherchiert und evaluiert. Diesem qualitativen Ansatz folgte eine experimentelle Videosimulationsstudie (n = 25), basierend auf den Ergebnissen der Fokusgruppendiskussion zu Design- und Bewertungskriterien. Für die Videosimulationsstudie wurden HMI-Designs mit Variationen in Position (Windschutzscheibe, Kühlergrill, Straße), Inhalt (Anweisung weiter zugehen vs. Statusinformation des Fahrzeugs) und Codierung (Text vs. Symbol) der Nachricht an den Fußgänger und Art des HMIs (LED Lichtleiste, LED Display, Projektionen) erstellt. Diese wurden von 25 Probanden anhand der Kriterien Erkennbarkeit, Eindeutigkeit, Interaktionskomfort und intuitive Verständlichkeit bewertet. Die Ergebnisse zeigten, dass direkte Anweisungen zum Überqueren der Straße den Statusinformationen über das Fahrzeug vorgezogen werden und dass großflächige textbasierte Nachrichten vom Fahrzeug zum Fußgänger bessere Ergebnisse liefern. Es werden Gestaltungsempfehlungen für HMIs zur Kommunikation zwischen automatisierten Fahrzeugen abgeleitet und diskutiert, inwieweit externe HMIs informelle Kommunikationsmechanismen wie das Erkennen von Fahrzeugbremsungen ergänzen.
Das dritte Ziel dieser Dissertation besteht darin, zu untersuchen, inwiefern informelle Kommunikationselemente wie Fahrzeugbewegungen für eine komfortable Interaktion zwischen Fußgängern und automatisierten Fahrzeugen genutzt werden könnten. Konkret wurde adressiert, welche Parameter einen Einfluss auf die Erkennung von verschiedenen Fahrzeugbewegungen haben. Dazu wurden im Rahmen dieses Promotionsvorhabens drei experimentelle Studien durchgeführt.
Die erste Studie konzentrierte sich auf die Erkennung von Fahrzeugbeschleunigung und – Verzögerungen im Rahmen einer Videosimulation. Es wurden die unabhängigen Variablen Fahrzeuggeschwindigkeit (20 und 40 km/h), Tageslicht (morgens, abends, abends), Initiierungszeitpunkt der Bewegungsänderung (früh, spät) und Beschleunigungsrate (positiv, negativ, keine) manipuliert. Die Aufgabe der Probanden (n = 33) bestand darin, anzuzeigen, wenn sie Veränderungen in der Bewegung eines sich nähernden Fahrzeuges feststellten. Außerdem mussten die Probanden entscheiden, welche Art von Bewegungsänderung sie wahrgenommen haben (Verzögerung/Beschleunigung). Die Ergebnisse zeigten eine schlechte Erkennungsleistung für die Fahrzeugbeschleunigung. Für Fahrzeugverzögerungen wurden signifikante Ergebnisse für die Verzögerungsrate und die Fahrzeuggeschwindigkeit aufgezeigt. Je stärker die Verzögerung und je niedriger die Geschwindigkeit, desto kürzer die Erkennungszeiten. In der Tageslichtlichtbedingung zeigte sich kein signifikanter Einfluss auf die Detektionsleistung. Der Initiierungszeitpunkt der Verzögerung zeigte signifikante Ergebnisse, jedoch nur für die geringere Geschwindigkeitsbedingung. Die Diskussion befasste sich mit methodischen Einschränkungen sowie mit Wahrnehmungskonstrukten wie der „Tau-Hypothese“ zur Erklärung der Ergebnisse. Als Empfehlung kann abgleitet werden, dass Beschleunigungen für die informelle Kommunikation zwischen automatisierten Fahrzeugen und Fußgängern eher ungeeignet sind. Die Detektion der Verzögerungen zeigte insgesamt zuverlässigere Ergebnisse; daher wurden die Folgestudien auf das Erkennen von Abbremsungen limitiert.
Die zweite Videosimulationsstudie zur informellen Kommunikation befasste sich mit der Erkennung von Bremsungen in der geringen Geschwindigkeitsbedingung (20 km/h). Die Verzögerungsrate wurde als kontinuierliche, unabhängige Variable im Bereich von -3,5 m/s² bis -1,5 m/s² implementiert. Zudem wurden die variable Fahrzeuggröße (groß, mittel, klein) und der Initiierungszeitpunkt der Verzögerung (früh, spät) als weitere unabhängige Variablen variiert. Die Probanden (n = 25) mussten angeben, wann sie eine Bremsung des Fahrzeugs wahrgenommen haben. Die Ergebnisse bestätigten den signifikanten Einfluss der Verzögerungsrate, wie bereits in der voran gegangenen Studie erwähnt. Die Fahrzeuggröße beeinflusste die Detektionsleistung ebenfalls in signifikanter Weise. Dieser Effekt wurde jedoch hauptsächlich durch das große Fahrzeug bedingt. Als eine zentrale Schlussfolgerung ist abzuleiten, dass es wahrscheinlich keine „one-fits-all“ -Lösung für Algorithmen zur Fahrzeugbewegung gibt. Im Umkehrschluss müssen die Variablen Fahrzeuggeschwindigkeit, -Größe und Verzögerungsrate, sowie deren Interaktionen in die Algorithmenentwicklung einbezogen werden, um zuverlässige Erkennungsleistungen und damit adäquate informelle Kommunikation zwischen Fußgängern und automatisierten Fahrzeugen zu gewährleisten.
Um die fehlende Realitätsnähe in den Videosimulationen zu adressieren, wurde ein Feldexperiment zur Erkennung von Abbremsungen durchgeführt. Hierbei kam ein Testfahrzeug mit automatisierter Längsführung auf einer Teststrecke zum Einsatz. Die Variablen Fahrzeuggeschwindigkeit (20 km/h, 30 km/h), Verzögerungsrate (-0,7 m/s², -1,4 m/s², -2,1 m/s²) und Initiierungszeitpunkt der Verzögerung (früh, spät) wurden manipuliert. Die Teilnehmer (n = 23) mussten erneut angeben, wann sie ein Verzögerungsmanöver wahrnahmen. Im Vergleich zu beiden Videosimulationen zeigte sich eine deutliche Reduzierung der Detektionszeit, nahezu unabhängig von der Verzögerungsrate, der Fahrzeuggeschwindigkeit oder dem Beginn der Verzögerung. Dieses Ergebnis deutet darauf hin, dass realistische Umgebungen mehrere Informationsquellen zur Verfügung stellen, anhand derer die Fahrzeugverzögerung im Vergleich zur Simulation ermittelt werden kann. Des Weiteren zeigte die Studie, dass die Verzögerung zuverlässig erkannt wurde (selbst bei sehr niedrigen Verzögerungsraten) und unterstützt die Empfehlung, Abbremsungen als informelle Kommunikationsmöglichkeit einzusetzen.:LIST OF FIGURES 6
LIST OF TABLES 9
LIST OF ABBREVIATIONS 10
ACKNOWLEDGEMENTS 11
SUMMARY 12
ZUSAMMENFASSUNG 15
1 INTRODUCTION 19
2 THEORETICAL BACKGROUND 21
2.1 Pedestrian Behaviour Studies 21
2.1.1 Demographics and Personality 22
2.1.2 Expectations and Past Experiences 23
2.1.3 Abilities 23
2.1.4 Social Factors 26
2.1.5 Environmental Factors 26
2.2 Current Communication and Interaction between Pedestrians and Vehicles 27
2.2.1 Definition of Communication and Interaction in Road Traffic 27
2.2.2 Formal and Informal Communication in Road Traffic 28
2.2.3 Behavioural Characteristics of Informal Communication between Pedestrians and Vehicles 29
2.3 Levels of Vehicle Automation 34
2.4 Communication with Pedestrians in the Context of Automated Driving 35
2.4.1 Explicit Communication between Pedestrians and Automated Vehicles 36
2.4.2 Implicit Communication between Pedestrians and Automated Vehicles 42
3 OVERALL RESEARCH QUESTIONS 45
4 OVERALL METHODOLOGICAL CONSIDERATIONS 48
4.1 Video Recording Session 48
4.2 Simulation Software and Video Editing 50
5 STUDY I: Observation of Interaction between Pedestrians and Vehicles 52
5.1 Aims and Research Questions 52
5.2 Data Collection 52
5.3 Annotation Procedure and Analysis 53
5.4 Results 55
5.4.1 Type: “sufficient frequency of visual assurance” 57
5.4.2 Type: “frequent visual assurance” 57
5.4.3 Type: “poor visual assurance” 58
5.5 Discussion 59
6 STUDY II: HMI Development and Evaluation 62
6.1 Aims and Research Questions 62
6.2 Method Study IIa: Focus Group Discussion 63
6.2.1 Participants 63
6.2.2 Research Design 63
6.2.3 Procedure 64
6.2.4 Material 65
6.3 Results Study IIa: Focus Group Discussion 65
6.3.1 Benefits and Disadvantages for each HMI category 65
6.3.2 General Concerns, Benefits and Design Criteria 66
6.4 Method Study IIb: Video Simulation 67
6.4.1 Participants 67
6.4.2 Research Design 68
6.4.3 Procedure 70
6.4.4 Material 70
6.5 Results Study IIb: Video Sim
Simulation thermischer Kurzzeit-Multispeichersysteme
Get PDFDer Einsatz von Kurzzeit-Multi-Wasserspeichern mit mehreren Temperaturniveaus unter der Einbindung von Solarthermie und anderen Wärmequellen für unterschiedliche Temperaturanforderungen der Verbraucher ist heute noch wenig verbreitet. Bisher wurden kaum größere Kurzzeit-Multiwasserspeicher für eine industrielle Anwendung in Kombination mit einer solarthermischen Anlage, Wärmerückgewinnung und weiteren Wärmequellen untersucht.
In dieser Arbeit wird eine Simulation der Einsatzmöglichkeiten von mehreren heißen bzw. warmen Wasserspeichern, in denen die Wassermengen variabel sind, für verschiedene Anwendungen durchgeführt. Dabei kommt das Kurzzeit-Multispeichersystem nicht nur als Wasserspeicher, sondern auch zur Wärmeverteilung von mehreren Wärmequellen und Wärmeverbrauchern in Betracht.
Mit den Berechnungen wird das Kurzzeit-Multispeichersystem aus energetischer Sicht bewertet. Dabei werden die Betrachtungen durch mehrere Fallstudien für die Stadt Chemnitz, Deutschland und die Stadt Homs, Syrien durchgeführt. Die Anordnungen und die Wärmedämmungen von Speicherelementen sowie die Verbindungen zwischen den Behältern im Speichersystem werden auch untersucht.
Den Simulationen liegt ein selbst geschriebenes Programm in MATLAB, das aus mehreren Unterprogrammen besteht, zugrunde. Dabei werden ein- und zweidimensionale Matrizen benutzt.
Die Ergebnisse der energetischen Untersuchungen zeigen Potenziale für die Erhöhung des solaren Energieertrags und der anderen verfügbaren Wärmequellen sowie Einsparungen des konventionellen Energieverbrauchs.The application of short-term multi-water storage of different temperature levels with the integration of solar thermal and other heat sources for different temperature consumers is still not widely used today. So far, hardly any short-term multi-water storage has been studied for industrial applications in combination with a solar thermal system and a heat recovery as well as other heat sources.
In this thesis, a simulation for possible implementation of several hot and/or warm water reservoirs, in which the water quantities are variable, is carried out for different applications. The shortterm multi-storage system is not only considered as water storage but also as heat distribution of several heat sources and heat consumers.
The calculations assess the short-term multi-storage system from an energy point of view. Thereby, the considerations for several case studies for comparison with the city of Chemnitz, Germany and the city Homs, Syria will be carried out exemplarily. The arrangements and thermal insulation of storage elements as well as the connections between the containers in the storage system have also been investigated.
The simulations are based on a program in MATLAB, which consists of several subroutines to simplify the calculation. One and two-dimensional matrices are used.
The results of the energetic investigations show a potential increase of the solar energy yield and other available heat sources as well as savings of conventional energy consumption
The Meaningfulness of Effect Sizes in Psychological Research: Differences Between Sub-Disciplines and the Impact of Potential Biases
Get PDFEffect sizes are the currency of psychological research. They quantify the results of a study to answer the research question and are used to calculate statistical power. The interpretation of effect sizes—when is an effect small, medium, or large?—has been guided by the recommendations Jacob Cohen gave in his pioneering writings starting in 1962: Either compare an effect with the effects found in past research or use certain conventional benchmarks. The present analysis shows that neither of these recommendations is currently applicable. From past publications without pre-registration, 900 effects were randomly drawn and compared with 93 effects from publications with pre-registration, revealing a large difference: Effects from the former (median r = 0.36) were much larger than effects from the latter (median r = 0.16). That is, certain biases, such as publication bias or questionable research practices, have caused a dramatic inflation in published effects, making it difficult to compare an actual effect with the real population effects (as these are unknown). In addition, there were very large differences in the mean effects between psychological sub-disciplines and between different study designs, making it impossible to apply any global benchmarks. Many more pre-registered studies are needed in the future to derive a reliable picture of real population effects