Die Kartierung und Lokalisierung eines mobilen Roboters in seiner Umgebung ist eine wichtige Voraussetzung für dessen Autonomie. In dieser Arbeit wird der Einsatz eines 3D-Laserscanners zur Erfüllung dieser Aufgaben untersucht. Durch die optimierte Anordnung eines rotierenden 2D-Laserscanners werden hochauflösende Bereiche vorgegeben. Zudem wird mit Hilfe von ICP die Kartierung und Lokalisierung im Stillstand durchgeführt. Bei der Betrachtung zur Verbesserung der Bewegungsschätzung wird auch eine Möglichkeit zur Lokalisierung während der Bewegung mit 3D-Scans vorgestellt. Die vorgestellten Algorithmen werden durch Experimente mit realer Hardware evaluiert.

Classical partial transport barriers govern both classical and quantum dynamics of generic Hamiltonian systems. Chaotic eigenstates of quantum systems are known to localize on either side of a partial barrier if the flux connecting the two sides is not resolved by means of Heisenberg's uncertainty. Surprisingly, in open systems, in which orbits can escape, chaotic resonance states exhibit such a localization even if the flux across the partial barrier is quantum mechanically resolved. We explain this using the concept of conditionally invariant measures by introducing a new quantum mechanically relevant class of such fractal measures. We numerically find quantum-to-classical correspondence for localization transitions depending on the openness of the system and on the decay rate of resonance states. Moreover, we show that the number of long-lived chaotic resonance states that localize on one particular side of the partial barrier is described by an individual fractal Weyl law. For a generic phase space, this implies a hierarchy of fractal Weyl laws, one for each region of the hierarchical decomposition of phase space.

Für mobile autonome Roboter ist ein solides Modell der Umwelt eine wichtige Voraussetzung um die richtigen Entscheidungen zu treffen. Die gängigen existierenden Verfahren zur Weltmodellierung basieren auf dem Bayes-Filter und verarbeiten Informationen mit Hidden Markov Modellen. Dabei wird der geschätzte Zustand der Welt (Belief) iterativ aktualisiert, indem abwechselnd Sensordaten und das Wissen über die ausgeführten Aktionen des Roboters integriert werden; alle Informationen aus der Vergangenheit sind im Belief integriert. Wenn Sensordaten nur einen geringen Informationsgehalt haben, wie zum Beispiel Peilungsmessungen, kommen sowohl parametrische Filter (z.B. Kalman-Filter) als auch nicht-parametrische Filter (z.B. Partikel-Filter) schnell an ihre Grenzen. Das Problem ist dabei die Repräsentation des Beliefs. Es kann zum Beispiel sein, dass die gaußschen Modelle beim Kalman-Filter nicht ausreichen oder Partikel-Filter so viele Partikel benötigen, dass die Rechendauer zu groß wird. In dieser Dissertation stelle ich ein neues Verfahren zur Weltmodellierung vor, das Informationen nicht sofort integriert, sondern erst bei Bedarf kombiniert. Das Verfahren wird exemplarisch auf verschiedene Anwendungsfälle aus dem RoboCup (autonome Roboter spielen Fußball) angewendet. Es wird gezeigt, wie vierbeinige und humanoide Roboter ihre Position und Ausrichtung auf einem Spielfeld sehr präzise bestimmen können. Grundlage für die Lokalisierung sind bildbasierte Peilungsmessungen zu Objekten. Für die Roboter-Ausrichtung sind dabei Feldlinien eine wichtige Informationsquelle. In dieser Dissertation wird ein Verfahren zur Erkennung von Feldlinien in Kamerabildern vorgestellt, das ohne Kalibrierung auskommt und sehr gute Resultate liefert, auch wenn es starke Schatten und Verdeckungen im Bild gibt. / For autonomous mobile robots, a solid world model is an important prerequisite for decision making. Current state estimation techniques are based on Hidden Markov Models and Bayesian filtering. These methods estimate the state of the world (belief) in an iterative manner. Data obtained from perceptions and actions is accumulated in the belief which can be represented parametrically (like in Kalman filters) or non-parametrically (like in particle filters). When the sensor''s information gain is low, as in the case of bearing-only measurements, the representation of the belief can be challenging. For instance, a Kalman filter''s Gaussian models might not be sufficient or a particle filter might need an unreasonable number of particles. In this thesis, I introduce a new state estimation method which doesn''t accumulate information in a belief. Instead, perceptions and actions are stored in a memory. Based on this, the state is calculated when needed. The system has a particular advantage when processing sparse information. This thesis presents how the memory-based technique can be applied to examples from RoboCup (autonomous robots play soccer). In experiments, it is shown how four-legged and humanoid robots can localize themselves very precisely on a soccer field. The localization is based on bearings to objects obtained from digital images. This thesis presents a new technique to recognize field lines which doesn''t need any pre-run calibration and also works when the field lines are partly concealed and affected by shadows.

Die Fahrzeuglokalisierung ist im Bereich der Fahrerassistenzsysteme von entscheidender Bedeutung und Voraussetzung fur verschiedene Anwendungen der Robotik, wie z.B. Navigation oder Kollisionsvermeidung fur fahrerlose Transportsysteme (FTS). In dieser Arbeit wird ein Verfahren zur Lokalisierung mittels Landmarken vorgestellt, die eine Orientierung bezuglich einer Karte ermoglichen. Dabei werden der Erweiterte- Kalman-Filter und der Partikel-Filter fur diese Aufgabe untersucht und verglichen. Ein Schwerpunkt dieser Betrachtungen stellt dabei der Partikel-Filter dar. Die besondere Problematik der Initialisierung wird ausfuhrlich fur beide Filter dargestellt. Simulationen und Versuche zeigen, dass sich der Partikel-Filter fur eine robuste Lokalisierung der Fahrzeugposition verwenden lasst. Im Vergleich dazu kann der Erweiterte-Kalman-Filter nur im begrenzten Maße eingesetzt werden. / The localization of vehicles is of vital importance in the field of driver assistance systems and a requirement of different applications for robotics, i.e. navigation or collision avoidance for automatic guided vehicle systems. In this thesis an approach for localization by means of landmarks is introduced, which enables an orientation regarding a map. The extended Kalman filter and the particle filter are analyzed and compared. The main focus for this consideration is on the particle filter. The problematic for initialization is discussed in detail for both filters. Simulations and tests prove that the particle filter is suitable for robust localization of the vehicle position. Compared to this, the extended Kalman filter can only be used to a certain extend.

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In large and complex systems, failures can have dramatic consequences, such as black-outs, pandemics or the loss of entire classes of an ecosystem. Nevertheless, it is a centuries-old intuition that by using networks to capture the core of the complexity of such systems, one might understand in which part of a system a phenomenon originates. I investigate this intuition using spectral methods to decouple the dynamics of complex systems near stationary states into independent dynamical modes. In this description, phenomena are tied to a specific part of a system through localized eigenvectors which have large amplitudes only on a few nodes of the system's network. Studying the occurrence of localized eigenvectors, I find that such localization occurs exactly for a few small network structures, and approximately for the dynamical modes associated with the most prominent failures in complex systems. My findings confirm that understanding the functioning of complex systems generally requires to treat them as complex entities, rather than collections of interwoven small parts. Exceptions to this are only few structures carrying exact localization, whose functioning is tied to the meso-scale, between the size of individual elements and the size of the global network. However, while understanding the functioning of a complex system is hampered by the necessary global analysis, the prominent failures, due to their localization, allow an understanding on a manageable local scale. Intriguingly, food webs might exploit this localization of failures to stabilize by causing the break-off of small problematic parts, whereas typical attempts to optimize technological systems for stability lead to delocalization and large-scale failures. Thus, this thesis provides insights into the interplay of complexity and localization, which is paramount to ascertain the functioning of the ever-growing networks on which we humans depend.

Der stetig anwachsende Bedarf und die innovative Weiterentwicklung im Bereich der Großdieselmotoren als Antrieb für Schiffe und Generatoranlagen erfordert ebenfalls die Weiterentwicklung der Abgasturbolader. Hohe Leistungsfähigkeit und Wirtschaftlichkeit ist nur durch moderne Fertigungsverfahren und einer optimalen Ausnutzung der eingesetzten, hochwertigen Werkstoffe zu erreichen. Dies gilt insbesondere für die integralen Radialturbinenräder in Abgasturboladern, die aufgrund der hohen Betriebsbelastungen einen zentralen Punkt bei der Auslegung darstellen. Lebensdauerbegrenzend ist die hochzyklische Ermüdung aufgrund Resonanzschwingungen an der Beschaufelung der Turbinenräder. Die vorliegende Arbeit soll die Auslegungsmethodik zur Berechnung und Beurteilung der zu erwartenden Schwingbeanspruchungen der Turbinenräder im Hinblick der realen Geometrie verbessern. Dazu wird ein einfaches Berechnungsmodell zur Identifizierung der kritischen Schaufelmoden und Bestimmung der Schwingbeanspruchungen im integralen Turbinenrad erarbeitet. Das Modell wird auf vorhandene Turbinenräder angewendet und aus den Ergebnissen werden Hinweise für eine systematische Beurteilung der Schaufelmoden, Knotendurchmesser und Schaufelgestaltung bezüglich der kritischen Schwingbeanspruchungen angegeben. Desweiteren wird der Einfluss der Verstimmung (engl. Mistuning) des Schwingverhaltens realer, integraler Turbinenräder ausführlich im Hinblick auf die Schwingbeanspruchungen untersucht. Die wesentlichen Ursachen für die Verstimmung sind die innerhalb der Fertigungstoleranzen auftretenden Geometrieabweichungen der Schaufeln. Dabei wird ein Überblick über die typischen Geometrie- und Frequenzabweichungen Radialturbinen gegeben und Auswirkungen auf das Schwingverhalten des Rades wie Lokalisierung der Schwingformen und Amplitudenüberhöhungen ermittelt und in einen systematischen Zusammenhang mit den geometrischen Ursachen, der Komplexität der Schaufelschwingformen und Knotendurchmesser gestellt. Es zeigt sich, dass unter gewissen Voraussetzungen bei Radialturbinen KD0 und KD1 Schwingformen weniger sensibel auf die Verstimmung reagieren. Hieraus können Hinweise für die Verbesserung des Auslegungsprozess abgeleitet werden. Die Kenntnis über das reale Schwingverhalten verstimmter Turbinenräder ermöglicht die korrekte Auswahl geeigneter Schaufeln zur Applikation von Dehnmessstreifen, wodurch eine sichere Beurteilung der Betriebsbeanspruchungen erst möglich wird.

In Attention Deficit Hyperactivity Disorder (AD(H)D), treatments using methylphenidate (MPH) and behavioralinterventions like neurofeedback (NF) reflect major therapeutic options. These treatments also ameliorate ex-ecutive dysfunctions in AD(H)D. However, the mechanisms underlying effects of MPH and NF on executivefunctions in AD(H)D (e.g. the ability to inhibit prepotent responses) are far from understood. It is particularlyunclear whether these interventions affect similar or dissociable neural mechanisms and associated functionalneuroanatomical structures. This, however, is important when aiming to further improve these treatments. Wecompared the neurophysiological mechanisms of MPH and theta/beta NF treatments on inhibitory control on the basis of EEG recordings and source localization analyses. The data show that MPH and theta/beta NF bothincrease the ability to inhibit pre-potent responses to a similar extent. However, the data suggest that MPH andNF target different neurophysiological mechanisms, especially when it comes to functional neuroanatomicalstructures associated with these effects. Both treatments seem to affect neurophysiological correlates of a‘braking function’ in medial frontal areas. However, in case of the NF intervention, inferior parietal areas are alsoinvolved. This likely reflects the updating and stabilisation of efficient internal representations in order to in-itiate appropriate actions. No effects were seen in correlates of perceptual and attentional selection processes.Notably, reliable effects were only obtained after accounting for intra-individual variability in the neurophy-siological data, which may also explain the diversity of findings in studies on treatment effects in AD(H)D,especially concerning neurofeedback.

Thema der Dissertation ist die Untersuchung von asymptotischen Eigenschaften im Wechselspiel von Diffusion und Wellenausbreitung. Es geht um diskrete, zufällige Schrödingeroperatoren, die in die diskrete Wärmeleitungsgleichung eingefügt werden. Das Ensemble der Lösungen kann mit der vom diskreten Laplace erzeugten Irrfahrt in kontinuierlicher Zeit und der Feynman-Kac-Formel stochastisch interpretiert werden. So werden Methoden aus der Theorie der großen Abweichungen anwendbar. Neben dem stochastischen Zugang können die Schrödingeroperatoren auch spektraltheoretisch untersucht werden. In der Dissertation wird das Wechselspiel dieser beiden Herangehensweisen im Hinblick auf die asymptotischen Eigenschaften der Momente, der integrierten Zustandsdichte und der Korrelationsfunktion betrachtet.