Abstract Impact cratering is a fundamental geomorphic process on planetary surfaces. More than 60% of known hypervelocity impact craters on Earth are either partially or completely buried beneath post-impact sediments and one-third have been discovered with geophysical methods. In this thesis, geophysical surveys (gravity, magnetics, seismic, bathymetric mapping) were conducted at the deeply buried (>400 m) Holleford impact crater (~2.35 km) and two probable impact structures (Charity Shoal, Skeleton Lake) in southern Ontario, Canada. 3-D potential field models were constructed to determine the subsurface geology and buried crater morphology, and to evaluate evidence for possible impact versus endogenic origins. Holleford Crater is a deeply buried, Late Proterozoic-Early Cambrian (ca. 550 ±100 Ma) simple impact crater (~2.4 km) in southeastern Ontario, Canada. Land-based magnetic and gravity surveys and modelling were conducted in this study, recorded a ~ -3 mGal Bouguer anomaly and small (~30 nT) magnetic anomaly over the crater basin. 3-D gravity modelling revealed a deeply buried simple impact basin in Mesoproterozoic basement with an estimated rim-to-rim diameter (D) of 1.8-2 km, a residual rim height of ~20-30 m and true depth (dt) >400 m. The southeast crater rim is dissected by a 150 m deep, 400 m wide erosional channel produced by fluvial rim dissection. The outflow is infilled by >50 m of Late Cambrian clastic sediments, indicating a probable Late Proterozoic to Early Paleozoic impact event. Charity Shoal is a 1.2-km-diameter, 20 m deep, circular bedrock shoal in eastern Lake Ontario. Marine seismic profiling and total field magnetic surveys (140-line km) were conducted over a 9-km2 area and combined with available multi-beam bathymetric data to evaluate the subsurface geology and structure origin. Seismic surveys revealed ~30 m of Quaternary sediments overlying Middle Ordovician (Trenton Group) carbonates in the central basin and evidence for folding and faulting of the structure rim. Magnetic surveys recorded an annular magnetic high (> 600 nT) and a central magnetic low (~500-600 nT) coincident with a ~-1.7 mGal Bouguer gravity anomaly. The continuity of Middle Ordovician bedrock below the structure rules out a post-Paleozoic intrusion and a pre-Paleozoic intrusion is ruled out with the gravity anomaly. A deeply-buried (> 450 m) impact crater is the only scenario consistent with geophysical evidence. The crater has a rim-to-rim diameter of ~1.2 km, and rim height of ~15-20 m. A 100-m wide breach in the southwestern rim records a possible outflow channel. Skeleton Lake is a suspected (~4.0 km) Paleozoic-age impact structure in Muskoka, Ontario. The lakebed morphology, subsurface structure and possible impact origin were investigated with high-resolution geophysical surveys (magnetics, bathymetry; ~140 line-km) and 3-D magnetic modelling. Bathymetric data reveal a deep (>65 m) central basin with arcuate (Paleozoic?) bedrock ridges that rise >30 m above the southwestern lakebed. Magnetic surveys recorded a >700 nT magnetic low, which truncates northwest-southeast regional magnetic trends. Low-amplitude, northwest-trending magnetic lineaments delineate basement shear zones below the basin centre. Through-going magnetic lineaments and lack of thermal alteration (e.g., dikes, fenitization) in Mesoproterozoic rocks indicate a volcanic origin is unlikely. A 1.2 km diameter volcanic plug with an Early Cambrian remanence (D = 82.2°, I = 82.7°) can reproduce some aspects of the magnetic anomaly but is at odds with the Bouguer gravity anomaly (~ -3 mGal). Forward modelling of a crater-form basin with induction and remanence magnetization yielded an estimated structure depth of ~1200 m. The basement surface model shows a complex basement topography with no apparent rim structure and elevated ‘pinnacles’ that may represent eroded remnants of a central uplift or a highly-dissected basement topography. The structure apparent diameter (> 4.2 km) and complex basement topography suggest a heavily-modified transitional crater, similar with the Gow (Saskatchewan, Canada) and Kärdla (Estonia) impact structures. This thesis demonstrates the subsurface exploration of confirmed and suspected impact structures, integrating seismic, potential field (magnetics, gravity) and digital elevation data within a 3-D geophysical modelling workflow. The approach provides important new insights into the surface and subsurface geology, morphology, and post-emplacement modification of the Holleford impact crater, and new geophysical constraints for evaluating two suspected impact structures. Geophysical data confirm that Charity Shoal and Skeleton Lake are deep-seated, crater-form depressions in Mesoproterozoic basement rocks. The weight of geophysical and geological evidence points to impact cratering processes as opposed to an endogenic (volcanic) origin for both structures. / Thesis / Doctor of Science (PhD)

L’objectif de ce travail est d’améliorer la caractérisation des sources à l’origine d’anomalies magnétiques, par le biais de développements théoriques et expérimentaux. Pour des structures invariantes dans une direction horizontale (structures à 2D), l’idée de Nabighian (1972) a été généralisée, ce qui implique une nouvelle façon d’étudier les méthodes potentielles à 2D. Ces développements ont permis de proposer une nouvelle approche théorique et de nouvelles représentations dans le plan complexe des fonctions magnétiques. La deuxième approche de ce travail est expérimentale. Une étude y est faite par le biais de données et de cas synthétiques, afin d’estimer l’apport d’acquisitions magnétiques à différentes altitudes pour caractériser une source. Dans un troisième temps, les développements théoriques et expérimentaux sont mis en œuvre pour deux exemples : des anomalies magnétiques en domaine océanique de type Vine et Mathews et une cartographie pour l’archéologie. / Magnetic anomalies recorded outside bodies provide high quality information relative to buried structures. By using theoretical and experimental developments, this thesis aims to improve the characterization of the source inducing the magnetic anomaly. Firstly, some properties of three dimensional magnetic functions are presented, for example the presence of several maxima of the analytic signal operator (3D) is demonstrated. The Nabighian (1972) equation is generalized, which imply a new process to study potential method in two dimensions. These developments enable a new visualization of the anomaly in the complex field. The second approach is experimental. Synthetic cases are used to estimate the contribution of different configurations of magnetic data acquisitions at different altitudes to characterize the magnetic source. Theoretical and experimental developments are finally applied to two field examples: oceanic magnetic anomalies and archaeological magnetic prospection

Den Kern der vorliegenden Arbeit bilden sog. sensorgeführte Roboterbewegungen, d. h. die Nutzung von Informationen externer Sensoren zur Regelung des Roboters. Da gängige Industrierobotersysteme üblicherweise positionsgeregelt sind und seitens der Robotersteuerung lediglich der Zugriff zu den Sollwerten der Lageregelkreise erlaubt wird, kann auch der Regelkreis der sensorgeführten Roboterbewegung nur über den Lageregelkreis geschlossen werden. Aus diesem Grunde werden hier nur positionsbasierte Regelungsansätze verfolgt. Die Kraft-/ Momentregelung gilt als eine der wichtigsten Varianten sensorgeführter Roboterbewegungen. Dementsprechend widmet sich auch ein großer Teil dieser Arbeit dem Thema, mit dem Ziel durch innovative und übersichtliche Regelalgorithmen die Akzeptanz der Kraft-/ Momentregelung in industriellen Produktionsprozessen zu erhöhen. Beginnend mit der eindimensionalen Kraftregelung führt der Weg dabei über Konzepte zur Konturenverfolgung und kraft-/ momentgeregelten Montageaufgaben hin zur Kooperation von Robotern. In einem weiteren Teil wird ein Konzept zur Kollisionsvermeidung zwischen Robotern und Hindernissen präsentiert. Es basiert auf dem Ansatz der virtuellen Potential- bzw. Kraftfelder. Dabei ruft das künstliche Feld eine Bewegung des Roboters hervor, die vom Hindernis weg führt. Um das Feld zu erzeugen, wird die Methode der künstlichen Punktladungen entwickelt. Diese werden auf der Oberfläche eines Hindernisses platziert und generieren dann das virtuelle Kraftfeld. Die Platzierung kann z. B. mithilfe der CAD-Daten des Hindernisses erfolgen. Bei bewegten Objekten müssen alle Ladungspositionen ständig aktualisiert werden. Für Lehr- und Präsentationszwecke ist das sog. inverse Pendel eine oft genutzte Regelstrecke. Sein Aufrichten und Stabilisieren ist auch mit Hilfe eines Industrieroboters möglich. Dazu beschäftigt sich ein Kapitel dieser Arbeit mit Fragen zur Modellbildung der Kombination inverses Pendel und Industrieroboter und mit Regelungskonzepten für das Aufschwingen und Balancieren. Letztendlichen wird in diesem Zusammenhang noch ein Visual-Servoing System präsentiert, dass den Neigungswinkel des Pendels mit einer Kamera bestimmt. Alle hier vorgestellten Konzepte und Algorithmen werden Anhand von praktischen Experimenten verifiziert. / This work deals with so-called sensor guided robot motions, which means using the data of external sensors to control the robot. The control loop of the sensor guided robot motion can be only closed around the position control loop, because industrial robot systems usually work position controlled and only access to the desired positions is enabled. For this reason here only position based control approaches are regarded. Force/torque control is a very important type of sensor guided robot motions. According to this, a good portion of this work deals with the subject of force/torque control. Thus, the acceptance of force/torque control in industrial production processes should be increased, by using innovative and clear control algorithms. For this purpose force control in one degree of freedom, contour-following, force/torque controlled assembling tasks and the cooperation between robots are discussed here in different chapters. Thereafter, a concept to collision avoidance between robots and obstacles is presented. It uses the approach of virtual potential/force fields. In this case the artificial field induces a robot motion away from the obstacle. The method of artificial charges is developed to generate this field. For this purpose virtual charges are placed on the surface of the obstacles. Placing of the charges can be performed using e.g. CAD data of the obstacles. Having moving obstacles charge positions must be updated continuously. The inverted pendulum is commonly used teaching students in control theory. The swinging up and the stabilization of the pendulum also can be performed by an industrial robot. One chapter of this work deals with modelling of the robot mounted inverted pendulum and control algorithms for its swinging up and its stabilization. Finally, in combination with the inverted pendulum a visual-servoing system is presented, which measures the pendulum inclination angle by camera. All concepts introduced in this work are verified by practical experiments.

Den Kern der vorliegenden Arbeit bilden sog. sensorgeführte Roboterbewegungen, d. h. die Nutzung von Informationen externer Sensoren zur Regelung des Roboters. Da gängige Industrierobotersysteme üblicherweise positionsgeregelt sind und seitens der Robotersteuerung lediglich der Zugriff zu den Sollwerten der Lageregelkreise erlaubt wird, kann auch der Regelkreis der sensorgeführten Roboterbewegung nur über den Lageregelkreis geschlossen werden. Aus diesem Grunde werden hier nur positionsbasierte Regelungsansätze verfolgt. Die Kraft-/ Momentregelung gilt als eine der wichtigsten Varianten sensorgeführter Roboterbewegungen. Dementsprechend widmet sich auch ein großer Teil dieser Arbeit dem Thema, mit dem Ziel durch innovative und übersichtliche Regelalgorithmen die Akzeptanz der Kraft-/ Momentregelung in industriellen Produktionsprozessen zu erhöhen. Beginnend mit der eindimensionalen Kraftregelung führt der Weg dabei über Konzepte zur Konturenverfolgung und kraft-/ momentgeregelten Montageaufgaben hin zur Kooperation von Robotern. In einem weiteren Teil wird ein Konzept zur Kollisionsvermeidung zwischen Robotern und Hindernissen präsentiert. Es basiert auf dem Ansatz der virtuellen Potential- bzw. Kraftfelder. Dabei ruft das künstliche Feld eine Bewegung des Roboters hervor, die vom Hindernis weg führt. Um das Feld zu erzeugen, wird die Methode der künstlichen Punktladungen entwickelt. Diese werden auf der Oberfläche eines Hindernisses platziert und generieren dann das virtuelle Kraftfeld. Die Platzierung kann z. B. mithilfe der CAD-Daten des Hindernisses erfolgen. Bei bewegten Objekten müssen alle Ladungspositionen ständig aktualisiert werden. Für Lehr- und Präsentationszwecke ist das sog. inverse Pendel eine oft genutzte Regelstrecke. Sein Aufrichten und Stabilisieren ist auch mit Hilfe eines Industrieroboters möglich. Dazu beschäftigt sich ein Kapitel dieser Arbeit mit Fragen zur Modellbildung der Kombination inverses Pendel und Industrieroboter und mit Regelungskonzepten für das Aufschwingen und Balancieren. Letztendlichen wird in diesem Zusammenhang noch ein Visual-Servoing System präsentiert, dass den Neigungswinkel des Pendels mit einer Kamera bestimmt. Alle hier vorgestellten Konzepte und Algorithmen werden Anhand von praktischen Experimenten verifiziert. / This work deals with so-called sensor guided robot motions, which means using the data of external sensors to control the robot. The control loop of the sensor guided robot motion can be only closed around the position control loop, because industrial robot systems usually work position controlled and only access to the desired positions is enabled. For this reason here only position based control approaches are regarded. Force/torque control is a very important type of sensor guided robot motions. According to this, a good portion of this work deals with the subject of force/torque control. Thus, the acceptance of force/torque control in industrial production processes should be increased, by using innovative and clear control algorithms. For this purpose force control in one degree of freedom, contour-following, force/torque controlled assembling tasks and the cooperation between robots are discussed here in different chapters. Thereafter, a concept to collision avoidance between robots and obstacles is presented. It uses the approach of virtual potential/force fields. In this case the artificial field induces a robot motion away from the obstacle. The method of artificial charges is developed to generate this field. For this purpose virtual charges are placed on the surface of the obstacles. Placing of the charges can be performed using e.g. CAD data of the obstacles. Having moving obstacles charge positions must be updated continuously. The inverted pendulum is commonly used teaching students in control theory. The swinging up and the stabilization of the pendulum also can be performed by an industrial robot. One chapter of this work deals with modelling of the robot mounted inverted pendulum and control algorithms for its swinging up and its stabilization. Finally, in combination with the inverted pendulum a visual-servoing system is presented, which measures the pendulum inclination angle by camera. All concepts introduced in this work are verified by practical experiments.