Zugl.: Darmstadt, Techn. Universiẗat, Diss., 2008.

Stuttgart, Univ., Diss., 2004.

Zugl.: Ilmenau, Techn. Univ., Diss., 2009

Universiẗat, Diss., 2002--Bremen.

Gegenstand dieses Beitrags ist eine Methode zur kinetischen Berechnung antriebsentlastender Vorgaben für Rast-in-Rast-Bewegungen bei Mechanismen mit dem Laufgrad 1. Dabei werden die Vorteile der Vorgabe eines Antriebsmomentenprofils über dem Weg aufgezeigt und die numerischen Herausforderungen bei der Anwendung dieser Methode diskutiert. Anhand eines Praxisbeispiels wird diese Methode mit anderen aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren verglichen und die entsprechenden Lösungen werden gegenübergestellt. / The subject of this paper is a method for the kinetic calculation of drive relieving rise to dwell motions for mechanisms with the degree of freedom of 1. The advantages of specifying a drive torque profile over the path2 are pointed out. Furthermore the numerical challenges in the application of this approach are discussed. By means of a practical example, both the new method as well as known methods and their corresponding solutions are compared.

Das automatische Erstellen einer Fahrbahn ist eine wichtige Voraussetzung für verschiedene Anwendungen der Robotik, wie z. B. autonome Fahrzeuge oder fahrerlose Transportsysteme. In dieser Arbeit werden verschiedene bekannte Verfahren der Bahnplanung vorgestellt und miteinander verglichen. Die Berücksichtigung mechanischer Zwangsbedingungen ist dabei ein Schwerpunkt der Betrachtungen. Anschließend wird die konkrete Implementierung eines abtastbasierten Verfahrens beschrieben und der Einfluss verschiedener Parameter auf dessen Funktionalität untersucht. Der Planungsalgorithmus wird außerdem um die Möglichkeit einer dynamischen Umplanung der aktuellen Bahn erweitert. Zahlreiche Simulationen belegen, dass das umgesetzte Verfahren auch komplexe Bahnplanungsprobleme unter verschiedenen Bedingungen in vergleichsweise kurzer Zeit lösen kann. Schwächen zeigen sich vor allem bei sehr engen Manövrierräumen und extrem dynamischen Umgebungen. / Automatic path planning is an important prerequisite for various applications in robotics, such as autonomous vehicles or automatic guided vehicle systems. In this thesis, different approaches for path planning are presented. The methods are compared and evaluated, especially considering their ability to handle differential constraints. Then, the concrete implementation of a sampling-based approach using motion primitives is explained. This algorithm is finally expanded to allow dynamic replanning in reaction of unexpected environmental changes. In numerous simulations, the implemented method proves its ability to solve path planning problems under a variety of conditions in a relatively short amount of time. It is only in extremely narrow spaces and highly dynamic environments when the approach fails to generate a solution.

Gegenstand dieses Beitrags ist eine Methode zur kinetischen Berechnung antriebsentlastender Vorgaben für Rast-in-Rast-Bewegungen bei Mechanismen mit dem Laufgrad 1. Dabei werden die Vorteile der Vorgabe eines Antriebsmomentenprofils über dem Weg aufgezeigt und die numerischen Herausforderungen bei der Anwendung dieser Methode diskutiert. Anhand eines Praxisbeispiels wird diese Methode mit anderen aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren verglichen und die entsprechenden Lösungen werden gegenübergestellt. / The subject of this paper is a method for the kinetic calculation of drive relieving rise to dwell motions for mechanisms with the degree of freedom of 1. The advantages of specifying a drive torque profile over the path2 are pointed out. Furthermore the numerical challenges in the application of this approach are discussed. By means of a practical example, both the new method as well as known methods and their corresponding solutions are compared.

Die Auswahl an Hardware und Software auf dem Drohnen-Markt nimmt stetig zu. Autopilot-Software wie z. B. ArduCopter bietet bereits die Möglichkeit eine vor dem Flug definierte Liste von Wegpunkten automatisiert abzufliegen. Im Rahmen dieser Arbeit wird eine Software entwickelt, die dynamische Flugroutenplanung ermöglicht. Befindet sich beispielsweise ein Hindernis auf der aktuellen Flugbahn, berechnet ein Pfadplanungsalgorithmus eine neue Route ohne Kollision um dieses Hindernis herum.

Recently, mobile robots with visual perception working in dynamic environments have been extensively investigated because this method of perception offers a large amount of environmental information. Optical flow perception is an important class of visual perception because it offers powerful perception methods and it offers both egomotion and structure from motion estimation. Especially advantageous is the fact that optical flow perception does not require a priori knowledge of the working environment and can work with minimum hardware, i.e. a mono-camera as the main navigation sensor. In this thesis, a new approach of optical flow-based perception through qualitative interpretations is developed. Compared to the classical metric approaches for optical flow perception, this approach uses much simpler arithmetic and requires less computation time because of the use of qualitative optical flow interpretations. The qualitative optical flow interpretations provide mobile robots with visual perception a more detailed image of their 3D working environment, e.g. obstacle positions and indoor object types. By using fuzzy logic for the interpretations, the optical flow perception becomes simple and intelligent in a bioinspired manner and moreover gains robustness under noisy conditions in the working environment. On the other hand, this thesis develops a generic modular structure of a behavior-based control system with three clearly separate modules for perception, motion control, and path planning. These modules are connected by simple IO interfaces. The system concept is independent of the specific type of perception. The designed behaviors are functionally classified into two separated modules, concerning collision-free motion control and goal oriented path planning. The hierarchical organization of these behaviors makes the operation of the control system more efficient and enables an easy adjustment of behaviors. Some of the behaviors use fuzzy logic concepts, which result in flexible and smooth robotic motion. Furthermore a new scheme for topological path planning in combination with fuzzy-based behaviors is developed for the goal-oriented navigation of a mobile robot. This combination allows a mobile robot to perform topological path planning in a real environment without metric information regarding its global and local positions. This enables an easy adjustment of topological path planning for different sensor perceptions or landmarks by just changing the topological map data. The performance of the optical flow-based perception embedded in the behavior-based control system with the topological path planning has been successfully tested through experiments in a real environment under most realistic conditions including relevant noise effects, e.g. unfavorable lightning conditions, non-standard objects, image processing limitations, image noise, etc. / Heutzutage werden mobile Roboter zunehmend mit Kameras ausgestattet, da diese eine Vielzahl von Informationen über die Umgebung bereitstellen. Die Perzeption mit Hilfe des optischen Flusses ist eine wichtige Methode der Bildverarbeitung, da sie eine leistungsfähige Umgebungserfassung und die Nachahmung biologisch-inspirierter Prozesse erlaubt. Dabei können sowohl Informationen zur Eigenbewegung als auch Daten über die Struktur der Umgebung gewonnen werden. Besonders vorteilhaft ist hierbei einerseits die Tatsache, dass keinerlei a-priori-Informationen über die Umwelt benötigt werden und anderseits die geringen Hardwareansprüche von Kamerasystemen. So kann beispielsweise eine einfache Monokamera als Hauptsensor zur Navigation für den mobilen Roboter verwendet werden. In der vorliegenden Arbeit wird ein neuer Ansatz zur optischen Fluss basierten Perzeption mittels qualitativer Interpretation entwickelt. Verglichen mit klassischen metrischen Methoden, arbeitet der vorgestellte Ansatz dabei mit einer simpleren Arithmetik und benötigt weniger Rechenzeit. Die qualitative Verarbeitung des optischen Flusses bietet dem Roboter ein detaillierteres Bild der dreidimensionalen Arbeitsumgebung. So können beispielsweise Hindernispositionen ermittelt und Objekttypen im Innenraum erfasst werden. Durch die Verwendung von Fuzzy-Logik bei der Interpretation der visuellen Information gestaltet sich die Umgebungserfassung mit Hilfe des optischen Flusses sehr einfach und erlaubt eine bioinspirierte intelligente Entscheidungsfindung, die auch robust gegenüber realen gestörten Umgebungsbedingungen ist. Weiterhin wird in der vorliegenden Arbeit eine generische modulare Struktur für eine verhaltensbasierte Steuerung mit drei klar getrennten Modulen für Perzeption, Bewegungssteuerung und Pfadplanung vorgestellt. Diese Module werden über einfache Schnittstellen miteinander verbunden. Dadurch ist das entstandene System auch auf andere Perzeptionsmethoden mobiler Roboter anwendbar. Die realisierten Verhaltensmuster werden dabei funktionsorientiert in zwei Module eingeordnet: Ein Modul sichert hierbei die kollisionsfreie Bewegungssteuerung, ein weiteres realisiert die zielorientierte Pfadplanung. Die hierarchische Organisation dieser Verhaltensmuster ermöglicht ein effizientes und einfaches Vorgehen bei der Modifikation der hinterlegten Eigenschaften. Dabei nutzen manche dieser Verhaltensmuster wiederum Konzepte der Fuzzy-Logik, um die Roboterbewegung so flexibel und leichtgängig zu realisieren, wie es bei biologischen Systemen der Fall ist. Für die zielorientierte Navigation eines mobilen Roboters wurde in einem dritten Schwerpunkt eine neue Methode für die topologische Pfadplanung in Kombination mit Fuzzy-Logik-basierten Verhalten entwickelt. Diese Kombination ermöglicht dem Roboter die topologische Pfadplanung in einer realen Umgebung ohne jegliche Verwendung von metrischen Informationen in Bezug auf seine Position und Orientierung. Dadurch kann die Pfadplanung durch einfache Modifikationen der topologischen Kartendaten für verschiedene Perzeptionssensoren oder Landmarkenrepräsentationen angepasst werden. Die Leistungsfähigkeit der Perzeption mittels des optischen Flusses innerhalb der verhaltensbasierten Steuerung zusammen mit der topologischen Pfadplanung wird anhand von Experimenten mit einem mobilen Roboter in einer realen Umgebung gezeigt. Dabei werden auch unterschiedlichste Bedingungen, wie sich ändernden Lichtverhältnissen, unbekannten Objekten, Einschränkungen bei der Bildverarbeitung sowie Bildrauschen berücksichtigt.

New automated vehicles have the chance of high improvements to road safety. Nevertheless, from today's perspective, accidents will always be a part of future mobility. Following the “Vision Zero”, this thesis proposes the quantification of the driving situation's criticality as the basis to intervene by newly integrated safety systems. In the example application of trajectory planning, a continuous, real-time, risk-based criticality measure is used to consider uncertainties by collision probabilities as well as technical accident severities. As result, a smooth transition between preventative driving, collision avoidance, and collision mitigation including impact point localization is enabled and shown in fleet data analyses, simulations, and real test drives. The feasibility in automated driving is shown with currently available test equipment on the testing ground. Systematic analyses show an improvement of 20-30 % technical accident severity with respect to the underlying scenarios. That means up to one-third less injury probability for the vehicle occupants. In conclusion, predicting the risk preventively has a high chance to increase the road safety and thus to take the “Vision Zero” one step further.:Abstract Acknowledgements Contents Nomenclature 1.1 Background 1.2 Problem statement and research question 1.3 Contribution 2 Fundamentals and relatedWork 2.1 Integral safety 2.1.1 Integral applications 2.1.2 Accident Severity 2.1.2.1 Severity measures 2.1.2.2 Severity data bases 2.1.2.3 Severity estimation 2.1.3 Risk assessment in the driving process 2.1.3.1 Uncertainty consideration 2.1.3.2 Risk as a measure 2.1.3.3 Criticality measures in automated driving functions 2.2 Operational motion planning 2.2.1 Performance of a driving function 2.2.1.1 Terms related to scenarios 2.2.1.2 Evaluation and approval of an automated driving function 2.2.2 Driving function architecture 2.2.2.1 Architecture 2.2.2.2 Planner 2.2.2.3 Reference planner 2.2.3 Ethical issues 3 Risk assessment 3.1 Environment model 3.2 Risk as expected value 3.3 Collision probability and most probable collision configuration 4 Accident severity prediction 4.1 Mathematical preliminaries 4.1.1 Methodical approach 4.1.2 Output definition for pedestrian collisions 4.1.3 Output definition for vehicle collisions 4.2 Prediction models 4.2.1 Eccentric impact model 4.2.2 Centric impact model 4.2.3 Multi-body system 4.2.4 Feedforward neural network 4.2.5 Random forest regression 4.3 Parameterisation 4.3.1 Reference database 4.3.2 Training strategy 4.3.3 Model evaluation 5 Risk based motion planning 5.1 Ego vehicle dynamic 5.2 Reward function 5.3 Tuning of the driving function 5.3.1 Tuning strategy 5.3.2 Tuning scenarios 5.3.3 Tuning results 6 Evaluation of the risk based driving function 6.1 Evaluation strategy 6.2 Evaluation scenarios 6.3 Test setup and simulation environment 6.4 Subsequent risk assessment of fleet data 6.4.1 GIDAS accident database 6.4.2 Fleet data Hamburg 6.5 Uncertainty-adaptive driving 6.6 Mitigation application 6.6.1 Real test drives on proving ground 6.6.2 Driving performance in simulation 7 Conclusion and Prospects References List of Tables List of Figures A Extension to the tuning process