OPUS Online Publikationen der Universität Stuttgart
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Analyse von Strompreisen in Strommärkten mit hohen Anteilen an erneuerbaren Energien und Speichern mit Hilfe eines Strommarktmodells
No full textObwohl sich die Strommärkte zu Märkten mit einem hohen Anteil erneuerbarer Energien entwickeln, führen typische Optimierungsmodelle, die für thermische Strommärkte entwickelt wurden, zu Preisen mit geringer Volatilität, wenn sie auf den norwegischen Markt angewendet werden.
Ziel dieser Arbeit ist es, typische Optimierungs- modelle so anzupassen, dass sie Preisstrukturen in Märkten mit hohen Anteilen erneuerbarer Energien und Flexibilitäten gut abbilden können. Zusätzlich wird die Sensitivität der Preise auf Parametervariationen der Einflussfaktoren herausgestellt.
Zu diesem Zweck werden die in der Literatur qualitativ untersuchten Schlüsselfaktoren ausgewählt. Diese werden in ein Standard-Strommarktmodell implementiert und anschließend quantitativ analysiert. Es wird gezeigt, dass die Hinzunahme von Unsicherheit und Speicherrestriktionen ausreicht, um typische Preisstrukturen in Norwegen adäquat abzubilden. Saisonalität sowie Preisspitzen und -täler werden abgebildet. Darüber hinaus wird gezeigt, dass die Preisstrukturen in hohem Maße von den Parametern abhängig sind. So führt z.B. die Begrenzung der maximalen Verfügbarkeit von Speicherkraftwerken auf 63% - 69% zu signifikanten Preisspitzen, die zu einem maximalen Preisanstieg von bis zu 160€/MWh führen.
Dies deutet darauf hin, dass die hier identifizierten Einflussfaktoren bei der Modellierung zukünftiger Stromsysteme berücksichtigt werden sollten, wobei große Sorgfalt bei der Parametrisierung dieser Faktoren erforderlich ist
Studies on the influence of loop structures on the selective hydroxylation of sesquiterpenes in Rieske Dioxygenases
No full textOxyfunktionalisierte Verbindungen spielen eine zentrale Rolle in der synthetischen Chemie, sei es als Geschmacks- und Duftstoffe, in der Pharmaindustrie oder als Basischemikalien. Besonders bei den Duftstoffen und Pharmazeutika ist die Kontrolle der Selektivität in Oxyfunktionalisierungsreaktionen von großer Relevanz. Jedoch bleibt die selektive Monohydroxylierung und cis-Dihydroxylierung von Arenen ein ungelöstes Problem. Besonders bei Verbindungen mit mehreren ungesättigten Doppelbindungen, wie Sesquiterpenen, ist die Kontrolle der Regioselektivität eine Herausforderung. Wenn die synthetische Chemie an ihre Grenzen stößt, kann die Natur als Vorbild dienen, da Enzyme für ihre hervorragende Selektivitätskontrolle und nachhaltigen Reaktionsbedingungen bekannt sind.
Eine vielversprechende Enzymfamilie für Oxyfunktionalisierungen sind die Rieske-non-Häm-Eisen-Dioxygenasen (ROs), die cis-Dihydroxylierungsreaktionen an Aromaten und anderen Substraten sowie allylische Monohydroxylierungen mit hoher Regio- und Stereoselektivität durchführen können. ROs waren das Ziel einiger Enzym-Engineering-Studien, und sind deshalb vielversprechende Mutageneseziele.
Ziel dieser Studie war es, das Substratspektrum von ROs auf die sterisch anspruchsvolleren Sesquiterpene auszuweiten, da diese Moleküle und ihre oxyfunktionalisierten Derivate von großem industriellem Interesse sind, beispielsweise als Sandelholzduftstoff Santalol oder Bisabolol-Derivate, die als Pheromone für den Pflanzenschutz eingesetzt werden. Um das Verständnis gegenüber der eingangs erwähnten, hochflexiblen und dynamischen Loop-Strukturen zu verbessern sollten zusätzlich die Loop-Studien von Peter Heinemann aufgegriffen werden, seinen initialen Mutationsansatz für Loops vertiefen und zur besseren Aufklärung molekulardynamische Simulationen einsetzen.
Im ersten Teil wurden RO-Wildtypen aus der IBTB-internen Mutantenbibliothek mit den Sesquiterpensubstraten β-Bisabolen 1 und α-Farnesen 2 getestet, wobei die Cumol Dioxygenase aus Pseudomonas fluorescens IP01 als einziges Enzym eine Startaktivität für Bisabolen aufwies. Da die Startaktivität sehr gering war, wurden die Expressionsbedingungen und das Reaktionssystem optimiert, was zu einer 4-fachen Erhöhung der Produktbildung mit β-Bisabolen als Screening-Substrat führte. Im nächsten Schritt wurde der Einfluss von Loop-insertionen und -deletionen auf die Substratspezifität mittels InDel-Scans untersucht, einem in dieser Arbeit entwickelten Screeningverfahren, bei dem alle Aminosäuren eines Loops separat deletiert bzw. ein Glycyl-Prolyl-Fragment zwischen jede Aminosäure eingefügt wird, um eine Screening-Bibliothek zu generieren. Das Screening führte mit β-Bisabolen zu einer interessanten Verschiebung der Regioselektivität, vom Ring-hydroxylierungsprodukt 1a im WT zum terminalen Hydroxylierungs-produktes 1b (Selektivität: 81%) in der Variante I288del. Zur Identifizierung der Produkte durch präparative Biotransformationen wurden verschiedene Bedingungen getestet, die Produkte isoliert und mittels NMR-Analyse charakterisiert (1a: 17 mg, 0.77 mmol, 38,5%; 1b: 24 mg, 0.11 mmol, 54.5%). Um ein tieferes Verständnis der zugrunde liegenden enzymatischen Mechanismen der Selektivitätsverschiebung zu erlangen, wurden molekulardynamische Simulationen in Zusammenarbeit mit den Loschmidt Laboratories in Brünn, Tschechische Republik, durchgeführt. Für den Wildtypen und die Variante I288del wurden molekulardynamische Simulationen mit dem freien Enzym und mit Enzym-Ligand-Komplexen simuliert. Die Simulationen lieferten wertvolle Einblicke in die enzymatischen Eigenschaften: Die B-Faktoren des freien Enzyms und der Enzym-Ligand-Komplexe zeigten, dass die Variante I288del ein rigideres aktives Zentrum besitzt, was den Liganden potenziell besser stabilisieren kann. Zusätzlich ergab die CAVER-Analyse des Substratzugangstunnels, dass der Tunnel jetzt häufiger offen ist, so dass das Substrat leichter in das Enzym eindringen kann, was zu einer höheren Produktbildung führt. Die Analyse der Abstände zwischen dem katalytischen Eisen und den reaktiven Kohlenstoffen im Substrat zeigte, dass der reaktive Schwanzkohlenstoff in der Variante näher am Eisen liegt, was potenziell zu reaktiverenKonformationen führt. Über abschließende adaptive steered molecular dynamics Simulationen, wurden Einblicke in den energetischen Ligandentransport entlang des Substratzugangstunnels erhalten. Diese Simulationen zeigten, dass das Substrat im Wildtyp bevorzugt mit dem Ring zuerst in das Enzym eindringt, was zu einer Ringkonformation im aktiven Zentrum führt. In der Variante I288del ändert sich dies, da der Ligand stark bevorzugt mit dem terminalen Kohlenstoff zuerst in das Enzym eindringt, was zu tail-Konformationen im Enzym und einer starken Präferenz für das terminale Hydroxylierungsprodukt führt.
In einem zweiten experimentellen Teil sollte die Produktbildung des terminalen-Hydroxylierungsprodukts 1b durch gezielte Modifikation des aktiven Zentrums mittels Sättigungsmutagenese weiter gesteigert werden, um die Positionierung des Substrats in der aktiven Tasche zu optimieren. Dies führte zu zwei neuen Varianten, I288del_A321T (V1) und N279T_I288del_A321T (V2), mit hoher Selektivität und Produktbildungen von 1,35 mM bzw. 1,58 mM, während die Variante I288del 1,25 mM umsetzte. Weitere Runden der Sättigungsmutagenese führten jedoch weder zu einer Steigerung der Produktbildung noch der Selektivität.
Zudem wurden die Sesquiterpene Santalen, Bergamoten, Valencen und Germacren D, welche ursprünglich vom Wildtyp nicht umgesetzt wurden, mit den neu generierten Sättigungsvarianten I288del, V1 und V2 untersucht. Mit diesen Varianten gelang es, drei der vier Substrate umzusetzen. Besonders bemerkenswert war, dass Santalen zu dem industriell relevanten Santalol mit einer GC-Konversion von 0,74 mM umgesetzt werden konnte, was in Zusammenarbeit mit der Firma Isobionics (Geleen, NL) zu einem Patent führte. Im nächsten Teil wurde der InDel-Scan weiter ausgebaut, indem die CDO InDel-Bibliothek mit zwei weiteren Substraten, (R)-Limonen und 2-Phenylpyridin, gescreent wurde. Hierbei lagen Selektivitätsverschiebungen, Generalistenvarianten und erhöhte Produktbildung im Fokus. Mit beiden Substraten wurden Varianten mit erhöhter Selektivität, Aktivität oder neuen Produkten gefunden. Um die Anwendbarkeit nicht nur auf Substratebene, sondern auch auf Enzymebene zu untersuchen, wurde ein weiteres Enzym, die Naphthalin-Dioxygenase aus Pseudomonas sp. NCIB 9816-4, getestet. Vier active site-Loops wurden ausgewählt und mit dem InDel-Scan mutiert, was zu einer Bibliothek von 56 Varianten für das Screening mit (R)-Limonen und 2-Phenylpyridin führte. Die Ergebnisse ähnelten den Ergebnissen des Screenings mit dem CDO, zeigten jedoch mehr inaktive Varianten und nur wenige starke Selektivitätsverschiebungen. Einige Varianten zeigten ein komplett verändertes Produktspektrum oder starke Zunahmen in der Produktbildung, und bei 2-Phenylpyridin als Substrat trat mit den InDel-Varianten sogar ein völlig neues, unbekanntes Produkt auf.
In einem abschließenden Abschnitt sollte ein direkter Vergleich zu einer computerbasierten Loopmutagenese durchgeführt werden. In Zusammenarbeit mit den Loschmidt Laboratories wurde ein Looptransplantationsansatz unter Verwendung des LoopGrafter-Webtools getestet, welches Loops verschiedener Enzyme vergleicht und Positionen für die Transplantation vorschlägt. Vier verschiedene Designs wurden kloniert und getestet, wobei keine Produktbildung beobachtet wurde. Die Designs wurden überarbeitet, um ihre Stabilität zu erhöhen. Die Expression des Proteins war erfolgreich, aber erneut konnte keine Aktivität festgestellt werden.
Zusammenfassend gelang es, im Rahmen dieser Arbeit, Sesquiterpene mit ROs in angemessenen Ausbeuten umzusetzen, wobei sogar Milligramm-Mengen zur Produktidentifizierung erreicht wurden. Eine vollständige Selektivitätsverschiebung in der Hydroxylierung von β-Bisabolen von Ring- zu Terminal-Hydroxylierung wurde erzielt. Die computergestützte Studie lieferte wertvolle Einblicke in den Ligandentransport in ROs und die durch die Loop-Mutation I288del vermittelten Mechanismen, welche zum Selektivitätsshift führten
Digital interactive experience- and game-based fall interventions for community-dwelling healthy older adults : a cross-disciplinary systematic review
No full textIntroduction: Falls pose significant health risks to older adults, impacting their quality of life. Preventive strategies are crucial, as research shows that fall prevention interventions can effectively reduce fall risks. However, these interventions often suffer from low adherence and uptake. Digital, interactive interventions, incorporating experience-, and game-related aspects, offer a promising solution, making this topic inherently cross-disciplinary. Objective: This review aims to assess the current landscape of digital interactive experience and game-based fall interventions for community-dwelling, healthy older adults. It focuses on integrating Human Movement Science and User Experience & Game Design perspectives, emphasizing the cross-disciplinary nature of this research.
Methods: We employed a cross-disciplinary literature search framework, searching the databases ACM-DL, IEEE-Xplore, ScienceDirect, PubMed, Scopus, and Web of Science. The review focused on healthy community-dwelling older adults (50+), including those at risk of falling. Excluded were studies involving chronic diseases, non-age-related impairments, other age groups, or individuals receiving care. Only digital, interactive fall prevention interventions without commercial software were considered. Studies published between 2000–2024 were included. A qualitative thematic synthesis was conducted, focusing on four categories: Objectives (O), Design and Development (D), Types of Intervention (T), and Evaluation Methods (E).
Results: The search yielded 2,747 results, with 59 articles included in the final synthesis. Objectives were mainly driven by a combination of HMS and UXG rather than a single aspect. In Design and Development it was observed that concept-based design was scarce, with most being procedure-based. Descriptions of interventions frequently lacked specificity, particularly in-depth experience-related terminology and exercise descriptions. Evaluation methods were found to be more frequently informed by both HMS and UXG, although only four studies used a mixed-method approach to explore their interplay. Among included articles, most aspects incorporated both HMS and UXG across all four categories: O( n = 37), D( n = 37), T( n = 54), and E( n = 21).
Conclusion: The review underscores the importance of digital interactive experience- and game-based fall prevention interventions. It highlights the need for enhanced cross-disciplinary collaboration between HMS and UXG to address gaps, such as the lack of a shared thesaurus and standardized guidelines, which are vital for improving transparency, reproducibility, and the refinement of these interventions
Analytical development of the Variational Sensitivity Analysis for the Theory of Porous Media as extension for a Gradient-Enhanced Gaussian Process Regression
No full textIn-process approach for editing the subsurface properties during single-lip deep hole drilling using a sensor-integrated tool
No full textSingle-lip deep-hole drilling (SLD) is characterized by high surface quality and compressive residual stress in the subsurface of the drill hole. These properties depend significantly on the thermomechanical conditions in the machining process. The desired subsurface properties can be adjusted in-process via process monitoring near the cutting zone with a sensor-integrated tool and closed loop control when the thermomechanical conditions are maintained in the optimum range. In this paper, a method is presented to control the thermomechanical conditions to adjust the properties in the subsurface. The process model integrated in the controller is implemented as a soft sensor and takes into account the residual stresses, the roughness, the hardness and the grain size in the surface as well as in the subsurface depending on the process control variables, such as the feed rate and cutting speed. The correlation between the process variables, the thermomechanical conditions of the cutting process and the subsurface properties are investigated both experimentally and by finite element (FE) simulations. Within a justified process parameter range, characteristic fields for the soft sensor were established for each property. In addition, the procedure of controller design and the employed hardware and interfaces are presented.Projekt DEALDeutsche ForschungsgemeinschaftUniversität Stuttgar
Deep learning for coherent nonlinear optical communications
No full textCommunication, in general, is the transport or exchange of information between two geographically distant points. The higher this distance the more sophisticated methods and materials have to be applied to overcome the same. Current state of the art for long-haul communication are optical fibers, that form the crucial backbone of our global, interlinked and digital society, connecting data-centers, factories and homes. Nevertheless, like all other physical media also the optical fiber induces the ever-present attenuation to the information carrying electromagnetic wave what, finally, limits the achievable throughput. This results in the need for higher input powers provided by (laser) diodes. Over the past decades physical and computational limitations led to an operation of the optical fiber in the linear regime, where attenuation as well as dispersion, and, thus, their compensation, constituted the major challenges. As this has changed recently, the investigation of nonlinearity gained more attraction.
This work focuses on the pre-distortion and post-equalization of such nonlinear effects that limit the overall efficiency. Thereby, methods from deep-learning are applied and compared to conventional methods. As those, in general, lack of interpretability, here, the concept of so-called architectural templates is proposed that combines well-known, and, from theory derived, concepts with the ones provided by native deep-learning. This way, the results can be analyzed with proven methods from the field of signal processing. While learning of the receiver is a straight-forward, but still complex, task, even more challenging is learning the transmitter as the optimization, i.e., gradient flow, has to be conducted (backwards) through the optical fiber channel. Here, all learnings and evaluations are performed on an accurate simulation of the optical fiber, what enables an isolation of the investigated nonlinear effects.
It results that learning over such accurate nonlinear models is possible as the gradient is preserved and the error can be back-propagated. Further, conventional linear filters for dispersion compensation can be outperformed, when being trained in the nonlinear regime. The extension to a nonlinear architectural template revealed the need for a more sophisticated training procedure proposed in this work. When considering a multi-carrier system the trainable nonlinear template for the transmitter was able to exploit additional information from the neighboring channels.Kommunikation ist im Allgemeinen der Transport oder Austausch von Informationen zwischen zwei geografisch entfernten Punkten. Je größer dieser Abstand, desto ausgefeiltere Methoden und Materialien müssen eingesetzt werden, um diesen zu überwinden. Aktueller Stand der Technik für Langstrecken sind Glasfasern, die das entscheidende Rückgrat unserer globalen, vernetzten und digitalen Gesellschaft bilden indem sie Rechenzentren, Fabriken und Privathäuser miteinander verbinden. Dennoch bewirkt auch die optische Faser, wie alle anderen physikalischen Medien, eine stets vorhandene Dämpfung der informationstragenden elektromagnetischen Welle, was letztendlich den erreichbaren Datendurchsatz begrenzt. Genau dies macht höhere Eingangsleistungen von (Laser-)Dioden erforderlich. Physikalische und rechenleistungsbezogene Einschränkungen führten in den vergangenen Jahrzehnten dazu, dass optische Fasern in nahezu ausschließlich linearen Arbeitspunkten betrieben wurden, wobei sowohl Dämpfung als auch Dispersion und deren Kompensationen die größten Herausforderungen darstellten. Aufgrund der voranschreitenden Technik und der Realisierbarkeit höherer Leistungen, hat die Untersuchung nichtlinearer Phänomene signifikant an Bedeutung gewonnen.
Der Fokus der vorliegenden Arbeit liegt auf der Vorverzerrung und Nachentzerrung solcher nichtlinearer Effekte, welche heute die Gesamteffizienz einschränken. Dabei werden Methoden aus dem maschinellen Lernen angewendet und mit herkömmlichen Verfahren verglichen. Da erstere im Allgemeinen nicht interpretierbar sind, wird hier das Konzept sogenannter Architekturvorlagen vorgeschlagen, die bekannte und aus der Theorie abgeleitete Konzepte mit jenen kombinieren, die durch natives, maschinelles Lernen bereitgestellt werden. So können die Ergebnisse unter Anderem mit bewährten Methoden aus der Signalverarbeitung analysiert werden. Während das Erlernen des Empfängers noch vergleichsweise einfach ist, stellt das Erlernen des Senders eine wesentlich anspruchsvollere Aufgabe dar. Hierbei muss die Optimierung (rückwärts) über den Glasfaserkanal durchgeführt werden. In dieser Arbeit werden alle Lernvorgänge und Auswertungen auf Basis einer genauen Simulation der optischen Faser durchgeführt, was eine Isolierung der untersuchten nichtlinearen Effekte ermöglicht.
Es konnte gezeigt werden, dass das Lernen über solch genaue nichtlineare Modelle möglich ist, und, darüber hinaus, die Entzerrleistung herkömmlicher linearer Filter zur Kompensation von Dispersionseffekten übertroffen wird, wenn sie im nichtlinearen Bereich betrieben und trainiert werden. Die Erweiterung auf eine nichtlineare Architekturvorlage zeigte die Notwendigkeit eines komplexeren Trainingsverfahrens, das in dieser Arbeit vorgeschlagen wird. Bei Betrachtung eines Mehrträgersystems konnte die trainierbare nichtlineare Vorlage des Senders zusätzliche Informationen aus den Nachbarkanälen nutzen
Modellanalytische Untersuchungen des Einsatzes dezentraler Energiesysteme durch einen intelligenten Steuerungsansatz
No full textDie Transformation des Energiesystems unter Zielsetzung der Klimaneutralität bis zum Jahr 2045 geht mit einer Dezentralisierung und Elektrifizierung der Erzeugungs- und Verbrauchsstruktur einher. Durch den Einsatz von PV-Anlagen, Batteriespeichern, Wärmepumpen und Elektrofahrzeugen wandeln sich bisherig reine Endnutzer elektrischer Energie hin zu leistungsstärkeren dezentralen Energiesystemen (DES), deren zukünftige Anzahl und Bedeutung im ganzheitlichen Energiesystem zunehmen wird.
Durch die elektrischen Komponenten weisen DES ein hohes Flexibilitätspotenzial auf, welches im gegenwärtigen Einsatz nur unzureichend erschlossen ist. Bestehende Systeme fokussieren überwiegend die heuristische Eigenverbrauchsmaximierung von lokalem PV-Strom und vernachlässigen weitere Zielgrößen. Auch im wissenschaftlichen Kontext ist das Potenzial im Einsatz der DES noch unzureichend analysiert und nicht ausreichend hinsichtlich des realitätsnahen Einsatz der Systeme untersucht. Diese Arbeit beschäftigt sich daher mit einem intelligenten Steuerungsansatz für dezentrale Energiesysteme und untersucht resultierende Potenziale.
In dieser Arbeit wird zunächst ein intelligenter Steuerungsansatz für DES entwickelt, um deren Potenziale zu erschließen und zu analysieren. Der Steuerungsansatz, basierend auf dem Optimierungsmodell E2M2_DES, umfasst unterschiedliche Zielgrößen im DES-Betrieb unter Berücksichtigung externer Anreize. Die Arbeit fokussiert drei zentrale Zielgrößen: einen kostenoptimalen Einsatz für den Endnutzer, einen Verteilnetzdienlichen DES-Einsatz sowie minimale Treibhausgasemission im DES-Betrieb.
Die Ergebnisse zeigen, dass der Einsatz des entwickelten Steuerungsansatzes zu einer Einsparung der Energieversorgungskosten von 24 % im Vergleich zum heuristischen Ansatz führt. Unter Gültigkeit eines dynamischen Stromtarifs resultiert eine weitere Reduzierung um 18 %. Hinsichtlich des netzdienlichen DES-Betriebs empfiehlt die Arbeit den Einsatz der Maßnahme Spitzenglättung, um Netzbezugsspitzen effizient zu verhindern und kritische Verteilnetzsituationen zu vermeiden. Bezüglich der Reduktion von THG-Emissionen kommt die vorliegende Arbeit zu dem Schluss, dass THG-Reduktionen durch die Ausrichtung des Steuerungsansatzes ausgewiesen werden können, unter Gültigkeit der aktuellen Regulatorik, insbesondere des EU-ETS, real jedoch nicht erreicht werden.
Abschließend wird die Umsetzbarkeit der Fahrpläne, die durch den intelligenten Steuerungsansatz berechnet wurden, in einem realitätsnahen Umfeld untersucht. Im Fallbeispiel zeigt sich, dass der rein modellbasierte Ansatz die jährlichen Energieversorgungskosten um 11 % im Vergleich zum intelligenten Steuerungsansatz unterschätzt. In der Folge wird verdeutlicht, Steuerungsansätze in diesem praxisnahen Forschungsfeld nicht nur anhand theoretisch ausgewiesener Vorteile, sondern auch anhand ihrer tatsächlichen Ergebnisse im Betrieb zu überprüfen und zu bewerten.
Zusammenfassend weisen dezentrale Energiesysteme bereits heute eine hohe Durchdringung des ganzheitlichen Energiesystems durch die große Anzahl vorhandener Komponenten wie kleinerer PV-Anlagen, Wärmepumpensystemen sowie Elektrofahrzeuge mit jeweils über einer Million Anlagen auf. Die vorliegende Arbeit empfiehlt die Erschließung dieser dezentralen Energiesysteme durch einen intelligenten Steuerungsansatz, um das bisher ungenutzte Flexibilitätspotenzial zu heben und somit einen positiven Beitrag für den Endnutzer sowie für das ganzheitliche Energiesystem zu erzielen
Reinforcement learning based autonomous multi-rotor landing on moving platforms
No full textMulti-rotor UAVs suffer from a restricted range and flight duration due to limited battery capacity. Autonomous landing on a 2D moving platform offers the possibility to replenish batteries and offload data, thus increasing the utility of the vehicle. Classical approaches rely on accurate, complex and difficult-to-derive models of the vehicle and the environment. Reinforcement learning (RL) provides an attractive alternative due to its ability to learn a suitable control policy exclusively from data during a training procedure. However, current methods require several hours to train, have limited success rates and depend on hyperparameters that need to be tuned by trial-and-error. We address all these issues in this work. First, we decompose the landing procedure into a sequence of simpler, but similar learning tasks. This is enabled by applying two instances of the same RL based controller trained for 1D motion for controlling the multi-rotor’s movement in both the longitudinal and the lateral directions. Second, we introduce a powerful state space discretization technique that is based on i) kinematic modeling of the moving platform to derive information about the state space topology and ii) structuring the training as a sequential curriculum using transfer learning. Third, we leverage the kinematics model of the moving platform to also derive interpretable hyperparameters for the training process that ensure sufficient maneuverability of the multi-rotor vehicle. The training is performed using the tabular RL method Double Q-Learning . Through extensive simulations we show that the presented method significantly increases the rate of successful landings, while requiring less training time compared to other deep RL approaches. Furthermore, for two comparison scenarios it achieves comparable performance than a cascaded PI controller. Finally, we deploy and demonstrate our algorithm on real hardware. For all evaluation scenarios we provide statistics on the agent’s performance. Source code is openly available at https://github.com/robot-perception-group/rl_multi_rotor_landing .Projekt DEALUniversität Stuttgar
Lightweight machine parts with high damping through layer-by-layer inner structural optimization
No full textLeichtbau und Strukturoptimierung bieten auch im Maschinenbau großes Potenzial für Ressourcen- und Energieeffizienz sowie zur Dynamiksteigerung. Die hohe Bauteilkomplexität, der entsprechende Fertigungsaufwand und die mangelnde Skalierbarkeit auf große metallische Strukturbauteile verhindern jedoch den verbreiteten Einsatz im Maschinenbau.
Diese Arbeit stellt daher einen Ansatz zur automatisierten Modellierung und zur schichtweisen Fertigung von strukturoptimierten Leichtbaukomponenten vor, der für diesen Anwendungsfall einen pragmatischen Kompromiss bietet. Dazu wird die numerisch optimale Dichteverteilung einer Topologieoptimierung durch Hohlräume im Bauteilinnern approximiert. Die Fertigung erfolgt durch das Verkleben von vorab strukturierten Blechschichten im Layer Laminated Manufacturing Verfahren. Die experimentelle Validierung an zwei realen Bauteilen einer Vorschubachse bestätigt die industrielle Anwendbarkeit und zeigt das Potenzial der Methodik: eine signifikant erhöhte Bauteildämpfung trotz hohem Grad an Leichtbau
Mitigating the amorphization of perovskite layers by using atomic layer deposition of alumina
No full textAtomic layer deposition of aluminum oxide (ALD-Al2O3) layers has recently been studied for stabilizing perovskite solar cells (PSCs) against environmental stressors, such as humidity and oxygen. In addition, the ALD-Al2O3 layer acts as a protective barrier, mitigating pernicious halide ion migration from the perovskite towards the hole transport interface. However, its effectiveness in preventing the infiltration of ions and additives from the hole-transport layer into perovskites remains insufficiently understood. Herein, we demonstrate the deposition of a compact ultrathin (∼0.75 nm) ALD-Al2O3 layer that conformally coats the morphology of a triple-cation perovskite layer. This promotes an effective contact of the hole transporter layer on top of the perovskite, thereby improving the charge carrier collection between these two layers. Upon systematically investigating the layer-by-layer structure of the PSC, we discovered that ALD-Al2O3 also acts as a diffusion barrier for the degraded species from the adjacent transport layer into the perovskite. In addition to these protective considerations, ALD-Al2O3 impedes the transition of crystalline perovskites to an undesired amorphous phase. Consequently, the dual functionality (i.e., enhanced contact and diffusion barrier) of the ALD-Al2O3 protection enhanced the device performance from 19.1% to 20.5%, while retaining 98% of its initial performance compared to <10% for pristine devices after 1500 h of outdoor testing under ambient conditions. Finally, this study deepens our understanding of the mechanism of ALD-Al2O3 as a two-way diffusion barrier, highlighting the multifaceted role of buffer layers in interfacial engineering for the long-term stability of PSCs.Deutsche ForschungsgemeinschaftBundesministerium für Bildung und ForschungEuropean UnionMinisterstvo Školství, Mládeže a TělovýchovyBundesministerium für Wirtschaft und Klimaschut