This thesis describes the functional principle of FARN, a novel flight controller for Unmanned Aerial Vehicles (UAVs) designed for mission scenarios that require highly accurate and reliable navigation. The required precision is achieved by combining low-cost inertial sensors and Ultra-Wide Band (UWB) radio ranging with raw and carrier phase observations from the Global Navigation Satellite System (GNSS). The flight controller is developed within the scope of this work regarding the mission requirements of two research projects, and successfully applied under real conditions. FARN includes a GNSS compass that allows a precise heading estimation even in environments where the conventional heading estimation based on a magnetic compass is not reliable. The GNSS compass combines the raw observations of two GNSS receivers with FARN’s real-time capable attitude determination. Thus, especially the deployment of UAVs in Arctic environments within the project for ROBEX is possible despite the weak horizontal component of the Earth’s magnetic field. Additionally, FARN allows centimeter-accurate relative positioning of multiple UAVs in real-time. This enables precise flight maneuvers within a swarm, but also the execution of cooperative tasks in which several UAVs have a common goal or are physically coupled. A drone defense system based on two cooperative drones that act in a coordinated manner and carry a commonly suspended net to capture a potentially dangerous drone in mid-air was developed in conjunction with the project MIDRAS. Within this thesis, both theoretical and practical aspects are covered regarding UAV development with an emphasis on the fields of signal processing, guidance and control, electrical engineering, robotics, computer science, and programming of embedded systems. Furthermore, this work aims to provide a condensed reference for further research in the field of UAVs. The work describes and models the utilized UAV platform, the propulsion system, the electronic design, and the utilized sensors. After establishing mathematical conventions for attitude representation, the actual core of the flight controller, namely the embedded ego-motion estimation and the principle control architecture are outlined. Subsequently, based on basic GNSS navigation algorithms, advanced carrier phase-based methods and their coupling to the ego-motion estimation framework are derived. Additionally, various implementation details and optimization steps of the system are described. The system is successfully deployed and tested within the two projects. After a critical examination and evaluation of the developed system, existing limitations and possible improvements are outlined. / Diese Arbeit beschreibt das Funktionsprinzip von FARN, einer neuartigen Flugsteuerung für unbemannte Luftfahrzeuge (UAVs), die für Missionsszenarien entwickelt wurde, die eine hochgenaue und zuverlässige Navigation erfordern. Die erforderliche Präzision wird erreicht, indem kostengünstige Inertialsensoren und Ultra-Breitband (UWB) basierte Funkreichweitenmessungen mit Roh- und Trägerphasenbeobachtungen des globalen Navigationssatellitensystems (GNSS) kombiniert werden. Die Flugsteuerung wird im Rahmen dieser Arbeit unter Berücksichtigung der Missionsanforderungen zweier Forschungsprojekte entwickelt und unter realen Bedingungen erfolgreich eingesetzt. FARN verfügt über einen GNSS-Kompass, der eine präzise Schätzung des Steuerkurses auch in Umgebungen erlaubt, in denen eine konventionelle Schätzung mit Hilfe eines Magnetkompasses nicht zuverlässig ist. Der GNSS-Kompass kombiniert die Messungen von zwei GNSS-Empfängern mit der echtzeitfähigen Lagebestimmung von FARN. Damit ist insbesondere der Einsatz von UAVs in arktischen Umgebungen im Rahmen des Projektes ROBEX trotz der schwachen horizontalen Komponente des Erdmagnetfeldes möglich. Zusätzlich erlaubt FARN eine zentimetergenaue relative Positionierung mehrerer UAVs in Echtzeit. Dies ermöglicht präzise Flugmanöver innerhalb eines Schwarms, aber auch die Ausführung kooperativer Aufgaben, bei denen mehrere UAVs ein gemeinsames Ziel haben oder physikalisch gekoppelt sind. In Verbindung mit dem Projekt MIDRAS wurde ein Drohnenabwehrsystem entwickelt, das auf zwei kooperativen Drohnen basiert, die koordiniert agieren und ein gemeinsam aufgehängtes Netz tragen, um eine potenziell gefährliche Drohne in der Luft einzufangen. Im Rahmen dieser Arbeit werden sowohl theoretische als auch praktische Aspekte der UAV-Entwicklung behandelt, wobei der Schwerpunkt auf den Bereichen der Signalverarbeitung, der Navigation und der Steuerung, der Elektrotechnik, der Robotik sowie der Informatik und der Programmierung eingebetteter Systeme liegt. Darüber hinaus soll diese Arbeit eine zusammengefasste Referenz für die weitere Drohnenforschung darstellen. Die Arbeit erläutert und modelliert die verwendete UAV-Plattform, das Antriebssystem, das elektronische Design und die eingesetzten Sensoren. Nach der Ausarbeitung mathematischer Konventionen zur Lagedarstellung, wird der eigentliche Kern des Flugreglers erläutert, nämlich die eingebettete Schätzung der Eigenbewegung und die prinzipielle Regelungsarchitektur. Anschließend werden, basierend auf grundlegenden Navigationsalgorithmen, fortgeschrittene trägerphasenbasierte Methoden und deren Zusammenhang mit der Schätzung der Eigenbewegung abgeleitet. Zusätzlich werden verschiedene Implementierungsdetails und Optimierungsschritte des Systems beschrieben. Das System wird innerhalb der beiden Projekte erfolgreich verwendet und getestet. Nach einer kritischen Untersuchung und Bewertung des entwickelten Systems werden bestehende Einschränkungen und mögliche Verbesserungen aufgezeigt.

Wireless communication networks already comprise an integral part of both the private and industrial sectors and are successfully replacing existing wired networks. They enable the development of novel applications and offer greater flexibility and efficiency. Although some efforts are already underway in the aerospace sector to deploy wireless communication networks on board spacecraft, none of these projects have yet succeeded in replacing the hard-wired state-of-the-art architecture for intra-spacecraft communication. The advantages are evident as the reduction of the wiring harness saves time, mass, and costs, and makes the whole integration process more flexible. It also allows for easier scaling when interconnecting different systems. This dissertation deals with the design and implementation of a wireless network architecture to enhance intra-spacecraft communications by breaking with the state-of-the-art standards that have existed in the space industry for decades. The potential and benefits of this novel wireless network architecture are evaluated, an innovative design using ultra-wideband technology is presented. It is combined with a Medium Access Control (MAC) layer tailored for low-latency and deterministic networks supporting even mission-critical applications. As demonstrated by the Wireless Compose experiment on the International Space Station (ISS), this technology is not limited to communications but also enables novel positioning applications. To adress the technological challenges, extensive studies have been carried out on electromagnetic compatibility, space radiation, and data robustness. The architecture was evaluated from various perspectives and successfully demonstrated in space. Overall, this research highlights how a wireless network can improve and potentially replace existing state-of-the-art communication systems on board spacecraft in future missions. And it will help to adapt and ultimately accelerate the implementation of wireless networks in space systems. / Drahtlose Kommunikationsnetzwerke sind sowohl im privaten als auch im industriellen Bereich bereits ein fester Bestandteil und ersetzen erfolgreich bestehende drahtgebundene Netzwerke. Sie ermöglichen die Entwicklung neuer Anwendungen und bieten mehr Flexibilität und Effizienz. Obwohl in der Raumfahrt bereits einige Anstrengungen unternommen wurden, um drahtlose Kommunikationsnetzwerke an Bord von Raumfahrzeugen einzusetzen, ist es bisher noch keinem dieser Projekte gelungen, die moderne drahtgebundene Architektur für die Kommunikation innerhalb von Raumfahrzeugen zu ersetzen. Die Vorteile liegen auf der Hand: Die Reduzierung des Kabelbaums spart Zeit, Masse und Kosten und macht den gesamten Integrationsprozess flexibler. Außerdem ist eine einfachere Skalierung möglich, wenn verschiedene Systeme miteinander verbunden werden. Diese Dissertation befasst sich mit dem Entwurf und der Implementierung einer drahtlosen Netzwerkarchitektur zur Verbesserung der Kommunikation innerhalb von Raumfahrzeugen, indem mit den seit Jahrzehnten in der Raumfahrtindustrie bestehenden Standards gebrochen wird. Das Potential und die Vorteile dieser neuartigen drahtlosen Netzwerkarchitektur werden bewertet und ein innovatives Design mit Ultrabreitbandtechnologie wird vorgestellt. Es wird mit einer Medium Access Control (MAC) Schicht kombiniert, die für Netzwerke mit niedriger Latenz und Determinismus ausgelegt ist und sogar missionskritische Anwendungen unterstützt. Wie das Wireless Compose-Experiment auf der Internationalen Raumstation ISS gezeigt hat, ist diese Technologie nicht auf Kommunikation beschränkt, sondern ermöglicht auch neuartige Positionierungsanwendung. Um die technologischen Herausforderungen zu meistern, wurden umfangreiche Studien zur elektromagnetischen Verträglichkeit, Weltraumstrahlung und Robustheit der Daten durchgeführt. Die Architektur wurde aus verschiedenen Blickwinkeln bewertet und erfolgreich im Weltraum demonstriert. Insgesamt zeigt diese Forschung, wie ein drahtloses Netzwerk die bestehenden hochmodernen Kommunikationssysteme an Bord von Raumfahrzeugen bei zukünftigen Missionen verbessern und möglicherweise ersetzen kann. Darüber hinaus wird sie dazu beitragen, die Implementierung von drahtlosen Netzwerken in Raumfahrtsystemen an die jeweiligen Gegebenheiten anzupassen und damit letztlich die Integration dieser Systeme zu beschleunigen.

Enterprise Wikis werden nach und nach zum alltäglichen Bestandteil der Toollandschaft moderner Wissensarbeiter. Das Aufkommen der flexibel einsetzbaren Intranet-Plattformen geht einher mit der Forderung nach organisationalen Veränderungen wie flache Hierarchien, autonome Projetteams sowie einer dezentralen Selbststeuerung. Neben der reinen Technologiesicht werden damit auch Aspekte der Organisationsstruktur und -kultur unter dem Schlagwort „Enterprise 2.0“ adressiert. Der vorliegende Beitrag widmet sich der Erforschung der Einsatzszenarien und Einführungsbedingungen von Enterprise Wikis hinsichtlich unterschiedlicher organisationaler Strukturtypen. Hierfür wurden auf Basis eines Grounded Theory-Ansatzes Enterprise Wikis von 15 Organisationen mittels semi-strukturierter Interviews untersucht. Entlang der von Henry Mintzberg entwickelten Klassifikation organisationaler Strukturtypen (Konfigurationen) werden die Erkenntnisse der durchgeführten Unter-suchung beschrieben. Weiterhin wird auch die Rolle von Enterprise Wikis für interorganisationale Beziehungen und Netzwerke diskutiert. Es konnten abhängig vom organisationalen Strukturtyp unterschiedliche Einsatzszenarien für Enterprise Wikis gefunden werden. Die Mehrheit der Einsatzszenarien liegt dabei in der Unterstützung planerischer und konzeptioneller Tätigkeiten. Vor allen Dingen die Entwicklung von innovativen Lösungen sowie die Zusammenarbeit von Teams können effektiv durch Enterprise Wikis begleitet werden. Nicht in jedem organisationalen Strukturtyp können sich die Potentiale von Enterprise Wikis voll entfalten. Es wurde festgestellt, dass die Einführungsbedingungen für Enterprise Wikis sich ebenfalls je nach vorliegendem organisationalen Strukturtyp unterscheidet. So können starre Richtlinien und strikt definierte Arbeitsprozesse die Einführung und Nutzung von Enterprise Wikis behindern, z.B. bei der Maschinenbürokratie.:1 Einleitung 1.1 Motivation und Zielstellung 1.2 Stand der Forschung 1.3 Aufbau der Arbeit 2 Organisationale Strukturtypen 2.1 Zum Organisationsbegriff 2.2 Der Situative Ansatz in der Organisationstheorie 2.3 Die fünf Strukturtypen nach Mintzberg 2.4 Kritische Würdigung 2.5 Interorganisationale Beziehungen und Netzwerke 3 Die Rolle von Enterprise Wikis in verschiedenen Strukturtypen 3.1 Vorgehen und Methodik 3.2 Einfachstruktur 3.3 Professionelle Bürokratie 3.4 Maschinenbürokratie 3.5 Spartenstruktur 3.6 Adhokratie 3.7 Interorganisationale Beziehungen und Netzwerke 4 Zusammenfassung und Ausblick 4.1 Diskussion der Ergebnisse 4.2 Weitere Forschungspotentiale

In der heutigen Zeit spielt die Automatisierung eine immer bedeutendere Rolle, speziell im Bereich der Robotik entwickeln sich immer neue Einsatzgebiete, in denen der Mensch durch autonome Fahrzeuge ersetzt wird. Dabei orientiert sich der Großteil der eingesetzten Roboter an Streckenmarkierungen, die in den Einsatzumgebungen installiert sind. Bei diesen Systemen gibt es jedoch einen hohen Installationsaufwand, was die Entwicklung von Robotersystemen, die sich mithilfe ihrer verbauten Sensorik orientieren, vorantreibt. Es existiert zwar eine Vielzahl an Robotern die dafür verwendet werden können. Die Entwicklung der Steuerungssoftware ist aber immer noch Teil der Forschung. Für die Steuerung wird eine Umgebungskarte benötigt, an der sich der Roboter orientieren kann. Hierfür eignen sich besonders SLAM-Verfahren, die simultanes Lokalisieren und Kartographieren durchführen. Dabei baut der Roboter während seiner Bewegung durch den Raum mithilfe seiner Sensordaten eine Umgebungskarte auf und lokalisiert sich daran, um seine Position auf der Karte exakt zu bestimmen. Im Laufe dieser Arbeit wurden über 30 verschiedene SLAM Implementierungen bzw. Umsetzungen gefunden die das SLAM Problem lösen. Diese sind jedoch größtenteils an spezielle Systembzw. Umgebungsvoraussetzungen angepasste eigenständige Implementierungen. Es existiert keine öffentlich zugängliche Übersicht, die einen Vergleich aller bzw. des Großteils der Verfahren, z.B. in Bezug auf ihre Funktionsweise, Systemvoraussetzungen (Sensorik, Roboterplattform), Umgebungsvoraussetzungen (Indoor, Outdoor, ...), Genauigkeit oder Geschwindigkeit, gibt. Viele dieser SLAMs besitzen Implementierungen und Dokumentationen in denen ihre Einsatzgebiete, Testvoraussetzungen oder Weiterentwicklungen im Vergleich zu anderen SLAMVerfahren beschrieben werden, was aber bei der großen Anzahl an Veröffentlichungen das Finden eines passenden SLAM-Verfahrens nicht erleichtert. Bei einer solchen Menge an SLAM-Verfahren und Implementierungen stellen sich aus softwaretechnologischer Sicht folgende Fragen: 1. Besteht die Möglichkeit einzelne Teile des SLAM wiederzuverwenden? 2. Besteht die Möglichkeit einzelne Teile des SLAM dynamisch auszutauschen? Mit dieser Arbeit wird das Ziel verfolgt, diese beiden Fragen zu beantworten. Hierfür wird zu Beginn eine Übersicht über alle gefundenen SLAMs aufgebaut um diese in ihren grundlegenden Eigenschaften zu unterscheiden. Aus der Vielzahl von Verfahren werden die rasterbasierten Verfahren, welche Laserscanner bzw. Tiefenbildkamera als Sensorik verwenden, als zu untersuchende Menge ausgewählt. Diese Teilmenge an SLAM-Verfahren wird hinsichtlich ihrer nichtfunktionalen Eigenschaften genauer untersucht und versucht in Komponenten zu unterteilen, welche in mehreren verschiedenen Implementierungen wiederverwendet werden können. Anhand der extrahierten Komponenten soll ein Featurebaum aufgebaut werden, der dem Anwender einen Überblick und die Möglichkeit bereitstellt SLAM-Verfahren nach speziellen Kriterien (Systemvoraussetzungen, Umgebungen, ...) zusammenzusetzen bzw. zur Laufzeit anzupassen. Dafür müssen die verfügbaren SLAM Implementierungen und dazugehörigen Dokumentationen in Bezug auf ihre Gemeinsamkeiten und Unterschiede analysiert werden.

Mit steigender Komplexität heterogener, verteilter Systeme nehmen auch die Anforderungen an deren Validierung zu. In dieser Arbeit wird ein Konzept vorgestellt, mit dem eine bestimmte Klasse komplexer Systeme, so genannte Dienstbereitstellende Systeme, durch automatisiertes Testen validiert werden kann. Mit Hilfe heterogener Klienten, bspw. eingebetteter Systeme, wird die Systemfunktionalität getestet. Hierzu wird das zu testende System auf die nach außen zur Verfügung gestellten Dienste reduziert und die Nutzung dieser Dienste durch Klienten mit einer Last quantifiziert. Eine Validierung wird durch die Vorgabe zeitlich veränderlicher Lasten für jeden Dienst definiert. Diese Lasten werden zielgerichtet den verfügbaren Klienten zugeteilt und durch diese im zu testenden System erzeugt. Zur praktikablen Anwendung dieses Konzeptes ist eine Automatisierung des Validierungsprozesses notwendig. In der Arbeit wird die Architektur einer Testbench vorgestellt, die zum einen die Heterogenität der Klienten berücksichtigt und zum anderen Einflüsse durch die Dynamik der Klienten während der Laufzeit der Validierung ausgleicht. Das hierbei zu lösende algorithmische Problem der Dynamischen Testpartitionierung wird ebenso definiert, wie ein Modell zur Beschreibung aller notwendigen Parameter. Die Testpartitionierung kann mittels einer eigens entwickelten Heuristik in Polynomialzeit gelöst werden. Zur Bestimmung der Leistungsfähigkeit des entwickelten Verfahrens wird die Heuristik aufwendigen Untersuchungen unterzogen. Am Beispiel eines zu testenden Mobilfunknetzwerkes wird die beschriebene Testbench umgesetzt und Kernparameter mittels Simulation ermittelt. Das Ergebnis dieser Arbeit ist ein Konzept zur Systemvalidierung, das generisch auf jede Art von dienstbereitstellenden Systemen angewandt werden kann und damit zur Verbesserung des Entwicklungsprozesses von komplexen verteilten Systemen beiträgt.

This technical report publishes the proceedings of the 21th Prague Workshop, which was held from 25th to 26th December 2017. The workshop offers a possibility for young scientists to present their current research work in the fields of computer graphics, human-computer-interaction, robotics and usability. The works is meant as a platform to bring together researchers from both the Czech Technical University in Prague (CTU) and the University of Applied Sciences Dresden (HTW). The German Academic Exchange Service offers its financial support to allow student participants the bilateral exchange between Prague and Dresden.

This technical report publishes the proceedings of the 19th Prague Workshop, which was held from 27th to 28. November 2015. The workshop offers a possibility for young scientists to present their current research work in the fields of computer graphics, human-computer-interaction, robotics and usability. The works is meant as a platform to bring together researchers from both the Czech Technical University in Prague (CTU) and the University of Applied Sciences Dresden (HTW). The German Academic Exchange Service offers its financial support to allow student participants the bilateral exchange between Prague and Dresden.

This technical report publishes the proceedings of the 20th Prague Workshop, which was held from 25th to 26th November 2016 The workshop offers a possibility for young scientists to present their current research work in the fields of computer graphics, human-computer-interaction, robotics and usability. The works is meant as a platform to bring together researchers from both the Czech Technical University in Prague (CTU) and the University of Applied Sciences Dresden (HTW). The German Academic Exchange Service offers its financial support to allow student participants the bilateral exchange between Prague and Dresden.

Mit steigender Komplexität heterogener, verteilter Systeme nehmen auch die Anforderungen an deren Validierung zu. In dieser Arbeit wird ein Konzept vorgestellt, mit dem eine bestimmte Klasse komplexer Systeme, so genannte Dienstbereitstellende Systeme, durch automatisiertes Testen validiert werden kann. Mit Hilfe heterogener Klienten, bspw. eingebetteter Systeme, wird die Systemfunktionalität getestet. Hierzu wird das zu testende System auf die nach außen zur Verfügung gestellten Dienste reduziert und die Nutzung dieser Dienste durch Klienten mit einer Last quantifiziert. Eine Validierung wird durch die Vorgabe zeitlich veränderlicher Lasten für jeden Dienst definiert. Diese Lasten werden zielgerichtet den verfügbaren Klienten zugeteilt und durch diese im zu testenden System erzeugt. Zur praktikablen Anwendung dieses Konzeptes ist eine Automatisierung des Validierungsprozesses notwendig. In der Arbeit wird die Architektur einer Testbench vorgestellt, die zum einen die Heterogenität der Klienten berücksichtigt und zum anderen Einflüsse durch die Dynamik der Klienten während der Laufzeit der Validierung ausgleicht. Das hierbei zu lösende algorithmische Problem der Dynamischen Testpartitionierung wird ebenso definiert, wie ein Modell zur Beschreibung aller notwendigen Parameter. Die Testpartitionierung kann mittels einer eigens entwickelten Heuristik in Polynomialzeit gelöst werden. Zur Bestimmung der Leistungsfähigkeit des entwickelten Verfahrens wird die Heuristik aufwendigen Untersuchungen unterzogen. Am Beispiel eines zu testenden Mobilfunknetzwerkes wird die beschriebene Testbench umgesetzt und Kernparameter mittels Simulation ermittelt. Das Ergebnis dieser Arbeit ist ein Konzept zur Systemvalidierung, das generisch auf jede Art von dienstbereitstellenden Systemen angewandt werden kann und damit zur Verbesserung des Entwicklungsprozesses von komplexen verteilten Systemen beiträgt.

Ausgehend von einer modularen Plattform zur Erfassung und Verarbeitung von Sensordaten bereichert die vorliegende Dissertationsschrift den Systementwurf eingebetteter Systeme um neue Facetten. Ihr besonderer Fokus liegt dabei auf rekonfigurierbaren Architekturen und Linux-basierten Systemen. Ein wesentlicher Beitrag ist die Darstellung und Diskussion von Konzepten und Architekturen vorgenannter Systeme durch ihre Betrachtung auf einer hohen Abstraktionsebene. Dazu schafft die Arbeit ein umfassendes Verständnis für Kommunikation und Konfiguration in heterogenen rekonfigurierbaren Systemen und überträgt die Erkenntnisse auf das Linux-Betriebssystem. Es erfolgt außerdem eine systematische Darstellung der etablierten Zusammenhänge und Abläufe beim Software-, Paket- und Versionsmanagement im Linux-Umfeld. Zur Verbesserung des Entwurfsflusses werden Konzepte und ein geeignetes Werkzeug zur High-Level Spezifikation von Linux-Systemen dargestellt. Die in der Arbeit gewonnenen wissenschaftlichen Erkenntnisse werden hinsichtlich praktischer Relevanz evaluiert und durch prototypische Implementierungen verifiziert. / Based on a modular platform for recording and processing of sensor data the present thesis enriches the field of system design of embedded systems with new facets. Its particular focus is on reconfigurable architectures and Linux-based systems. A major contribution is the presentation and discussion of concepts and architectures of aforementioned systems by investigating them on a high level of abstraction. To achieve this, the work creates a comprehensive understanding of communication and configuration in heterogeneous reconfigurable systems. This knowledge is transferred on the Linux operating system. In addition, a systematic presentation of the established relationships and processes in software, package and version management in the Linux environment takes place. To improve the design flow of Linux systems, the thesis presents appropriate concepts as well as a tool for high-level specification of embedded Linux systems. The gained scientific findings are evaluated in terms of practical relevance and verified by prototype implementations.