Universität der Bundeswehr München: AtheneForschung
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Dynamische Kompensation von nichtlinearen Verzerrungen mit genetischer Programmierung
Get PDFIn der vorliegenden Arbeit werden zwei Identifikations- bzw. Kompensationsverfahren von nichtlinearen Systemen unter der Anwendung der Genetischen Programmierung (GP) vorgestellt, nämlich das rekursive GP-Verfahren und der Kombinationsalgorithmus. Diese Arbeit konzentriert auf die Entwicklung und die Simulation des Kombinationsalgorithmus, der auf dem Wiener-Modell basiert
Zur aggregierten Abbildung elementarer Gefechtsprozesse in hochauflösenden Gefechtssimulationssystemen
Get PDFDie vorliegende Arbeit befasst sich mit dem Problem der Aggregation in hochauflösenden Gefechtssimulationssystemen und dabei insbesondere mit Möglichkeiten zur aggregierten Abbildung der elementaren Gefechtsprozesse Bewegung, Zielaufklärung sowie aktive- und passive Abnutzung durch Flachfeuerwaffensysteme. In einem ersten Teil werden vor dem Hintergrund des veränderten Aufgabenspektrums moderner Streitkräfte Vorteile aggregierter und nicht aggregierter Simulationssysteme verglichen und theoretische Ansätze zur Kopplung entsprechender Modelle erläutert. Im Anschluss daran wird eine Auswahl existierender Aggregationsansätze vorgestellt und ihre Vor- sowie Nachteile dargelegt. Betrachtet werden die bekannten Modelle von Lanchester mit einigen ihrer wichtigsten Erweiterungen, die Verwendung zellulärer Automaten und Markov-Prozesse sowie sogenannte Netzwerke stochastischer Kleingefechte. Als Ergebnis der Betrachtung wird festgestellt, dass diese Ansätze aus bestimmten Gründen in hohem Maß szenarabhängig sind und deshalb die geforderte Flexibilität in der Abbildung und Verarbeitung wechselnder militärischer Szenarien nicht erbringen können. Aufgrund dieser Feststellung wird im zweiten Teil der Arbeit das Leitschützenprinzip als neuer, alternativer Aggregationsansatz vorgestellt. Dieser fasst Gruppen homogener Einzelsysteme in aggregierten Gefechtselementen zusammen und bildet die elementaren Gefechtsprozesse mit Hilfe geringfügig modifizierter Algorithmen nicht aggregierter Modelle ab. Auf eine Verwendung aggregierter Modellparameter wird im Rahmen des Leitschützenprinzips bewusst verzichtet, da diese in den vorgestellten herkömmlichen Aggregationsansätzen als Ursache für die festgestellte Szenarabhängigkeit identifiziert werden können. Am Beispiel des neu entwickelten Experimentalsystems SAMBA (Simple Attrition Model for variably Aggregated Forces) wird eine prototypische Umsetzung des Leitschützenprinzips für das Flachfeuergefecht von Infanteriekräften vorgestellt und anschließend im Rahmen einer Vielzahl unterschiedlicher Szenarien systematisch das Rechenzeitverhalten sowie die Abbildungsgüte des Ansatzes untersucht. Die Ergebnisse dieser Rechenexperimente zeigen, dass das Leitschützenprinzip grundsätzlich in der Lage ist, bei deutlich verbessertem Rechenzeitverhalten eine flexible Aggregation zu ermöglichen. Bei sinnvoller Bildung der aggregierten Gefechtselemente kommt es zu keinen signifikanten Verfälschungen, so dass Konsistenz zwischen den Ergebnissen der aggregierten und nicht aggregierten Abbildung herrscht. Das Leitschützenprinzip erweist sich somit gegenüber bisherigen Ansätzen als besser geeignet zur aggregierten Abbildung - besonders von Infanteriekräften - in hochauflösenden Gefechtssimulationssystemen.This theses reflects on the general problem of aggregation and deaggregation in high resolution combat simulation systems and presents a new method for the aggregated modelling of dismounted infantry in such systems. Preceded by an introductory description of the changed relevance of modelling and simulation tools for the planning and execution of operations other than war, different methods for multi-variable-resolution modelling including their specific advantages and limits are presented. The subsequent chapter describes existing methods for the aggregated modelling of dismounted infantry forces in high resolution combat simulation systems. For various methods - like for example the well known Lanchestrian Model of Warfare and Markov-Processes - the use of aggregated model parameters, without a directly measurable equivalent in military reality, can be identified as their main shortcoming. In case of even small variations in the modelled scenario, these aggregated model parameters usually have to be redetermined by time costly analytical processes or the use of non-aggregated simulation systems. Therefore existing methods for aggregation have to be judged as lacking in the flexibility needed to adequately support military personal. As an result of this conclusion, a new method for the aggregated modelling of dismounted infantry forces is developed. The so called "Leitschützenprinzip" combines homogenous individual combat systems into aggregated combat elements. To model the basic combat processes, like movement, target acquisition and shooting, of this aggregated combat elements, normally non-aggregated algorithms are slightly modified and used in a event-discrete simulation - without the need for aggregated model parameters. The experimental combat simulation system SAMBA (Simple Attrition Model for variably Aggregated Forces) serves as an example for the implementation of this new aggregation method and is used to systematically examine a large number of different scenarios. As a result of these tests it can be concluded, that the newly developed "Leitschützenprinzip" is able to provide a method for variable aggregation and the flexible modelling of frequently changing infantry scenarios. While distinctly reducing the time needed to simulate a given scenario, the new aggregation method is at the same time able to preserve consistence between the results of aggregated and deaggregated simulation
GIS-gestützte Verfolgung von Lokomotiven im Werkbahnverkehr
Get PDFDie Kenntnis der Position von Lokomotiven und Waggons ist für die Logistik von zentraler Bedeutung. Eine reine GPS/DGPS Lösung ist aufgrund der schwierigen Empfangsverhältnisse für eine gleisgenaue Positionsbestimmung bei Werkbahnen nicht ausreichend. Durch die Integration zusätzlicher Sensoren sowie eines digitalen Gleisnetzes und unter Zuhilfenahme von Methoden der Geoinformatik ist es gelungen, ein System (Hard- und Software) zu entwickeln, das die Position von Lokomotiven gleisgenau und zuverlässig ermittelt. Die Praxistauglichkeit des Gesamtsystems wurde in zahlreichen Testfahrten nachgewiesen. Der vorgestellte Ansatz der GIS-basierten Ortung führt aktuelle Entwicklungen aus den Bereichen Geoinformatik, Navigation, Ingenieurgeodäsie und Kommunikationstechnologie in einem System zusammen. Durch die schwierigen Empfangsverhältnisse des GPS-Signals bei Industriebahnen wird der Schwerpunkt der Ortung auf das geometrisch/topologische Modell der Gleise gelegt. Dies bedeutet, dass alle Messungen direkt auf die Position der Lokomotive auf dem digitalen Gleisnetz bezogen werden. Dadurch lässt sich der langzeitige Fehlereinfluss der Sensorik vermindern und es eröffnen sich neue Korrektionsmöglichkeiten der Sensorik mit Hilfe des hochgenauen Verkehrsnetzes. Ein wichtiger Teil ist hierbei das vorgestellte Verfahren zur Korrektion des Wegfehlers durch die Erkennung von Weichenüberfahrten. Voraussetzung zur GIS-basierten Ortung ist ein qualitativ hochwertiger Datenbestand der Gleisdaten. Die Erfahrung beim Aufbau konsistenter Datenbestände aus CAD-Daten zeigen deutlich die Notwendigkeit eines durchgängigen Qualitätsmanagements. Dies bedeutet, dass während Erfassung und Fortführung stets die Qualitätskriterien Konsistenz, Genauigkeit, Richtigkeit, Vollständigkeit im Hinblick auf die spätere Topologiebildung berücksichtigt werden müssen. Es wurden Verfahren erläutert, die den Aufbau topologischer Strukturen aus Geometriedaten ermöglichen. Die Umsetzung des Konzepts der GIS-basierten Ortung wurde anhand zweier Prototypen realisiert. Daneben wurden auch die Kommunikation zwischen mehreren Lokomotiven und einer Leitstelle sowie ein Auskunftssystem entwickelt. Dabei wurde eine Client/Server-Architektur für die Beauskunftung der Positionsdaten der Lokomotive sowie eine Anbindung an ein Dispositionssystem bewerkstelligt. In einer umfangreichen Testkampagne konnte die Praxistauglichkeit des Systems unter Beweis gestellt werden. Dabei wurde die Anforderung der gleisgenauen Ortung in Bereichen ohne GPS über mehrere Tage erfüllt. Mehrere Weiterentwicklungen während der Testphasen sind heute zur Erkennung und Beseitigung von Datenfehlern in den Geodaten sowie zur Korrektion verschiedener Sensorfehler im Einsatz
Modeling and Simulating GNSS Signal Structures and Receivers
Get PDFIn this thesis an end-to-end simulation was implemented encompassing the important effects from the user segments point of view. The modeling and implementation aimed to take all the relevant features into account that have a direct and significant impact on the performance of a GNSS receiver. In particular, emphasis was on the effects that are hard to formulate and treat theoretically, such as non-linearities, stochastic processes and the highly complex boundary conditions generated by the interaction of the signal with the environment. The three most important parts of the model development are the signal model, the signal propagation model and the receiver model. The signal model is an extension of the well-known signal modeling used to describe GPS signals. The present model was extended to include any sort of signal structure The most important part of the signal propagation model is essentially a ray-tracing algorithm together with the application of the Fresnel equations. This is a 3-D exact specular ray-tracing, which was derived and implemented during the work accompanying this thesis. Beside the signal model the receiver model constitutes a major part of this work. Essentially, it is a dynamic modeling of the tracking process (DLL and PLL). As the model is based on continuous calculus it was a challenge to incorporate the effects of the noise processes. However, this was solved by using the Îto calculus to extend the ordinary differential equations to stochastic differential equations. The implementation was verified by comparing the results to known theoretical expressions and an indirect experimental verification was performed in the sense that some of the theoretical formulas have been compared with experimental data.In dieser Artbeit wurde ein end-to-end Simulator entwickelt, der die wichtigsten Effekte aus der Sicht des Empfängernutzers berücksichtigt. Bei der Modellierung und der Implementierung wurde versucht die Faktoren zu berücksichtigen, die einen wesentlichen Einfluss auf die Performance eines GNSS Empfängers haben. Die drei wichtigsten Modellkomponenten sind das Signalmodell, das Signalausbreitungsmodell und das Empfängermodell. Das Signalmodell ist eine Verallgemeinerung des bekannten Signalmodells, das für die Modellierung von GPS C/A-code Signalen verwendet wird. Dieses Modell wurde für beliebige Signalstrukturen erweitert. Der Kern des Signalausbreitungsmodells ist ein Ray-tracing Algorithmus zusammen mit der Anwendung der Fresnel Gleichungen. Dabei handelt es sich um ein exaktes, dreidimensionales Ray-tracing Modell, das während der Arbeit entwickelt und implementiert wurde. Das Empfängermodell stellt ebenfalls einen wichtigen Teil der Arbeit dar. Im Wesentlichen werden die Regelkreise (DLL und PLL) als dynamischer Prozess modelliert. Das Modell basiert auf einem kontinuierlichen Ansatz, was die Einbindung von Rauschprozessen erschwerte. Durch die Interpretation der gewöhnlichen Differentialgleichungen als stochastiche Differentialgleichungen und Verwendung des Îto Kalküls konnten verrauschte Signale berücksichtigt werden. Die Implementierung wurde durch den Vergleich bekannter theoretischer Ergebnisse verifiziert. Da die meisten theoretischen Ausdrücke schon mit Experimenten verglichen worden sind, kann dies als indirekter Vergleich mit Experimenten gesehen werden
Uncertainty and Managerial Decisions for New Technology-based Ventures
Get PDFUncertainty is inherently related to the process of venturing new technologies. Understanding this uncertainty is thus crucial for managerial decisions. Whereas a lot has been written about dealing with uncertainty and decision-making, such as decision theory approaches, in cases of new technologies high levels of uncertainty are still apparent. This is illustrated by such events as the technology boom-bust on the stock exchange in 2000. Alternative methods are called for, and hence is the topic of this thesis. This thesis proposes an alternative way of dealing with the specific uncertainties surrounding new technology-based ventures with the aim to support decision-making. The thesis builds on an extensive literature study in the topic of uncertainty and establishes a conceptual method that uses three elements to approach this uncertainty. Firstly, define uncertainty in a duality. Secondly, applying probabilities instead of causality arguments to understand this uncertainty. Thirdly, exploring such probabilities through experimentation. For practitioners, the result from the experimentation is a process based performance measurement system that allows decision-makers to better predict performance for new technology-based ventures. For academia, this thesis contributes a new conceptual understanding of uncertainty as well as the introduction of a method that combines system engineering with case study research
Prädiktion von chaotischen Zeitreihen mit rekursiver genetischer Programmierung und Konstantenoptimierung
Get PDFIn dieser Arbeit wird ein Prädiktionsverfahren für chaotische Zeitreihen vorgestellt. Das Prädiktionsverfahren arbeitet rekursiv. Die Trainingsdaten in jeder Rekursionsstufe sind die Prädiktionsfehler der vorherigen Rekursionsstufe. Jede Rekursionsstufe besteht aus einer Kombination von genetischer Programmierung und Konstantenoptimierung. Durch das Lernen mit den Trainingsdaten entwickelt die genetische Programmierung Strukturen der nichtlinearen Funktion, die so genannte Sub-Prädiktionsfunktion. Anschließend werden alle Konstanten und Koeffizienten der durch die genetische Programmierung entwickelten nichtlinearen Sub-Prädiktionsfunktion optimiert, um ihre Effizienz zu erhöhen. Am Ende des Prädiktionsprozesses bildet die Summe aller Sub-Prädiktionsfunktionen aus allen Rekursionsstufen gemeinsam die Prädiktionsfunktion
Development of an image based paticle diagnostics for the examination of Thermal Spraying processes
Get PDFIn der vorliegenden Arbeit ist die Entwicklung der Partikeldiagnostik Particle Shape Imaging (PSI) dargestellt. Dieses bildgebende Verfahren wurde speziell für die Untersuchung eines Industrieprozesses zur Oberflächenbeschichtung ausgelegt, der allgemein unter dem Namen Thermisches Spritzen bekannt ist. Die Prinzipien könne aber auch auf Partikeluntersuchungen in anderen technischen Bereichen übertragen werden. Mit PSI werden am individuellen Partikel im Spritzstrahl die relevanten Eigenschaften Form, Größe und Geschwindigkeit berührungslos, simultan und mit hoher Ortsauflösung bestimmt. Hierbei sind folgende extreme Bedingungen, die speziell beim Plasmaspritzen auftreten zu berücksichtigen: Eigenleuchten des Plasmas (optische Störquelle), Mindestabstand (10cm) des Diagnostiksystems zum Meßvolumen im Plasmaspritzstrahl (thermische Belastung), Kleinheit der Partikel (Durchmesserbereich von 5µm bis 100µm) und geringe Partikeldichten (namp;quot;0,03mm-3). Um diesen Anforderungen zu begegnen, wird bei der PSI Diagnostik eine extrem sensitive Bildverstärkerkamera (ICCD-Kamera) mit Belichtungszeiten im Nanosekundenbereich, ein hochauflösendes Fernmikroskopie-System und ein Dauerstrichlaser hoher Intensität eingesetzt. Verfahrenstechnisch ist die PSI-Diagnostik durch folgende Eigenschaften charakterisiert: - Auf der Grundlage einer stereoskopischen Durchlichtbeleuchtung können die Partikel mit hoher Ortsauflösung in einem eng begrenzten Meßvolumen lokalisiert werden. Diese Technik löst auch das "Problem der Tiefenschärfe". - Durch die Kombination mit einem System zur Triggerung der Bildaufnahmen kann die PSI-Meßtechnik auch bei niedrigen Partikeldichten erfolgreich eingesetzt werden. Die Triggerung ermöglicht zusätzlich eine elektronische Vorauswahl von Partikeln, die wegen ihrer Nähe zur Gegenstandsebene der abbildenden Optik in den aufgenommenen Bildern mit hoher Schärfe und gutem Kontrast erscheinen. Als Folge ergeben sich gesteigerte Genauigkeit und Effizienz der Bildauswertung. - Eine speziell auf das PSI-Verfahren abgestimmte Bildverarbeitungstechnik identifiziert die Partikel in den aufgenommenen Bildern. Durch die Anwendung eines Klassifizierungsverfahrens, das auf einem Ellipsenvergleich basiert, werden trotz der Formenvielfalt der Partikel statistisch auswertbare Ergebnisse erzielt. - In PSI wurde ein vollständiges Laser Doppler Anemometrie Meßverfahren integriert, das die Sendeseite der PSI-Diagnostik zur Objektbeleuchtung verwendet. Dadurch wird der Vergleich mit einem bereits etablierten Meßverfahren möglich. Darüber hinaus kann experimentell eine Zuordnung zwischen den Streulichtsignalen und den Form- und Größenmerkmalen der Partikel hergestellt werden. - Die an unterschiedlichen Meßorten (scannender Meßmodus) aufgenommenen statistischen Partikeldaten werden für PSI und LDA nach einem einheitlichen Prinzip ausgewertet und graphisch dargestellt. - Die komplexe optische Abbildungstechnik des Particle Shape Imaging Verfahrens wird über ein Modell auf Basis der skalaren Wellentheorie in ihren wesentlichen Eigenschaften beschrieben. Über die Umsetzung dieses Modells in eine Computersimulation gelingt eine Verbindung zwischen den Systemkenngrößen und den zu erwartenden Bildergebnissen.In this work the development of an image based particle diagnostics called Particle Shape Imaging (PSI) is described. Its application is focused on the examination of an industrial coating technology well-known as thermal spraying. The underlying principles can be used for particle diagnostics in other technical fields, too. With PSI it is possible to determine important particle properties like shape, size and velocity in-flight and within a plasma spray jet. The results are obtained with high spatial resolution on a statistically representative number of individual particles. In the development of PSI typical conditions of plasma spraying technology had to be taken into account: strong radiation of the plasma in the visible range (optical distortions), necessary safety distance (10cm) to the plasma spray jet (thermal load), particle diameter range (5µm to 100µm) and low particle density (namp;quot;0,03mm-3). To meet these requirements for PSI a sensitive, intensified Camera (ICCD) with exposure times in the nanosecond range, a high resolution long-distance-microscope and a high intensity cw-laser are used. The PSI principle can be characterized by the following properties: - Based on a stereoscopic laser-beam-illumination, particles can be localized with high resolution in a well defined measuring volume. This helps to avoid problems arising from the small depth of focus of high resolution optics. - The combination with a trigger-system extends the application range of PSI towards low particle densities. Additionally an electronic preselection is provided which allows to acquire only those particles which are near the focal plane. Thus particles are imaged sharply with high contrast. The subsequent image processing can be performed efficiently and with high accuracy . - The image processing is aligned to the particularities (stereoscopic illumination) of PSI. The identified particles of arbitrary shape are classified by corresponding ellipses. This leads to a quantitative description of particle properties which can be used for a statistical representation of the obtained measuring data. - A Laser-Doppler-Anemometry (LDA) system is integrated into the PSI diagnostics. It is using the PSI sender module for particle illumination. Thus PSI results can be directly compared to a well established technique and additionally it is possible to associate experimentally obtained stray light signals to size and shape information. - Particle properties are measured at different spatial locations (scanning mode). For PSI and LDA a common principle was found to visualize the statistically reprocessed data. - A mathematical model of the PSI imaging technique was found on the basis of scalar waves. With the help of this description a computer simulation was realized to predict the obtainable imaging results for various experimental set-ups
Zentrale, objektorientierte Situationsrepräsentation angewandt auf die Handlungsziele eines Cockpitassistenzsystems
Get PDFDas Situationsverständnis kognitiver Systeme zum Zwecke einer Verbesserung der Kooperationsfähigkeit zwischen dem Menschen und der Maschine weiter zu steigern, ist Ziel der Arbeit. Beschrieben ist ein neuartigen Systemansatz, der wesentlich dazu beiträgt, eine konsistente, zielorientierte Funktionsweise der kognitiven Teilfunktionen eines kognitiven Assistenzsystems sicherzustellen. Das Situationswissen des Assistenzsystems ist hierfür in symbolischer Form als dessen amp;quot;mentaler Zustandamp;quot; repräsentiert. Dies ist eine wichtige Voraussetzung für die Fähigkeit des Assistenzsystems, seine Handlungsziele für eine effektive Kooperation mit der Cockpitbesatzung und die daraus abgeleiteten Handlungen selbst zu erläutern, d.h. erklären zu können. Für den Aufbau der Arbeit wurde eine Struktur gewählt, die dem Entwurfsprozess objektorientierter Systeme entspricht. Die entwickelten Konzepte werden frühzeitig im Standard der Unified Modelling Language (UML) dargestellt. Es werden zunächst im Rahmen der Analyse der Anforderungen die Leistungsmerkmale an eine zentrale, objektorientierte Situationsrepräsentation definiert. Die Voraussetzung für die Umsetzung dieser Anforderungen, insbesondere für eine effektive Mensch-Maschine-Kooperation, ist die maschinelle Analyse der Situation. Im Rahmen der Systemanalyse wird die Funktionsweise der maschinellen Situationsanalyse aus den Erkenntnissen der menschlichen Informationsverarbeitung abgeleitet. Die Grundlagen der Kognition werden zur Analyse des Gesamtsystems erörtert. Auf Basis des gewonnenen Systemansatzes wird ein Entwurf erstellt, welcher den gestellten Anforderungen an eine zentrale, objektorientierte Situationsrepräsentation genügt. Die für die Modellbildung entscheidende Aufgabe der Wissenserhebung wird behandelt und es wird die Frage beantwortet, welche Repräsentationsform für das gewonnene Wissen herangezogen werden kann, die für Mensch wie Maschine verständlich ist. Die Umsetzung der zentralen, objektorientierten Situationsrepräsentation in eine geeignete Software-Architektur erfolgt mit Hilfe standardisierter Entwicklungsverfahren unter Berücksichtigung von etablierten Ansätzen, die dem Fachgebiet der künstlichen Intelligenz entnommen werden. Die Modellbildung zielt hier auf den Anwendungsfall eines militärischen Transportfluges. Basierend auf den erarbeiteten Methoden zu Wissensakquisition und Wissensrepräsentation erfolgt die Erstellung entsprechender expliziter amp;quot;mentaleramp;quot; Modelle. Die Erprobung der zentrale, objektorientierte Situationsrepräsentation erfolgt hinsichtlich des Modells der Handlungsziele unter Laborbedingungen anhand aufgezeichneter Daten, die während der Flugversuchserprobung eines kognitiven Cockpitassistenzsystems gewonnen wurden. Die Bewertung der Kompliziertheit der Situation und die auftretende Situationskomplexität sind Teil der quantitativen Untersuchungen. Ziel der qualitativen Untersuchung ist es, die in den Systementwurf eingeflossenen Anforderungen anhand möglichst realitätsnaher Belastungen zu bestätigen