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Adaptive Echtzeit-Bildverarbeitung in der Teamrobotik

Dort wo Roboter mit der Umwelt interagieren ist nicht nur die Korrektheit von Berechnungsergebnissen, sondern auch das rechtzeitige Vorliegen dieser notwendig. Nur so können richtige Entscheidungen getroffen werden. Lässt sich für eine Berechnung die maximale Ausführungszeit (worst-case-Laufzeit) bestimmen, kann diese als Grundlage für eine zeitliche Planung der Berechnungsaufgaben herangezogen werden. Viele Algorithmen hängen aber in ihrer Laufzeit stark von den Eingabedaten ab und die übliche Ausführungsdauer ist deutlich geringer als die worst-case-Laufzeit. Oft ist es überhaupt nur eingeschränkt möglich, Aussagen über die worst-case-Laufzeit zu treffen. Ziel dieses Projektes ist es, auch solche Algorithmen für Anwendungen mit Echtzeitanforderungen nutzbar zu machen. 
Üblicherweise liefert ein Algorithmus erst am Ende seiner Laufzeit ein Ergebnis. Unter der Annahme, dass ein ungenaues Ergebnis besser ist als gar kein Ergebnis, werden im Rahmen dieses Projekts Algorithmen angepasst und entwickelt, so dass sie bereits nach kurzer Zeit ein erstes gültiges Ergebnis liefern und dieses dann immer weiter verbessern. Droht eine Überschreitung der Zeitschranke bevor der Algorithmus beendet ist, erfolgt ein Abbruch wobei dennoch ein gültiges Ergebnis bereit gestellt wird. Zusätzliche Rechenzeit wird gegen eine höhere Qualität des Ergebnisses getauscht. Der Fokus liegt auf Anwendungen der mobilen Robotik. Es wird daher insbesondere untersucht, wie sich der Ansatz auf besonders rechenintensive Aufgaben mit großer Laufzeitvarianz, wie die Bildverarbeitung, anwenden lässt.

ADOORATA

Das deutsch-brasilianische Kooperationsprojekt ADOORATA, an dem eine Reihe von Firmen, Forschungseinrichtungen und Universitäten beider Länder beteiligt sind, behandelt die Probleme bei der Entwicklung großer und komplexer Echtzeitsysteme im Bereich der industriellen Automatisierung. Ziel ist dabei die Bereitstellung eines echtzeitfähigen, verteilten Basissystems, das sich durch eine durchgängige Unterstützung des objektorientierten Paradigmas vom Entwurf über die Implementierung bis hin zur Debugging- und Testphase auszeichnet. Die Arbeitsgruppe Echtzeitsysteme und Kommunikation konzentriert sich dabei auf Methoden und Werkzeuge zur Spezifikation der zeitlichen Randbedingungen im Rahmen des objektorientierten Entwurfs und ihrer Durchsetzung zur Laufzeit mit Hilfe des Time-Aware Fault-Tolerant (TAFT) Scheduling-Verfahrens. Es entstand eine Laufzeitumgebung für Echtzeitanwendungen, die auf dem Paradigma der aktiven Objekte basiert und die TAFT-Scheduling mit den bisherigen Implementierungen des ADOORATA-Projektes in einer gemeinsamen Systemplattform integriert.

Anwendungsanpassbare deterministische Ausführungsplattform für parallele/verteilte mechatronische Programme / LIST

Eine im LIST-Verbundprojekt (Landesinnovationsstrategie) betrachtete Werkzeugmaschine basiert auf einer Kombination von Magnetschwebe- und Direktantriebstechnik. Sie realisiert die feste oder angepasste kontinuierliche Positionierung von Werkstücken zu Bearbeitungssystemen (Fräsen, Bohren, Lasern usw.).Die Steuerungs- und Regelprogramme dieser Werkzeugmaschine werden über mehrere Rechner verteilt. Dabei muss die Kommunikation echtzeitfähig zwischen den Prozessen der Anwendungsprogramme bewerkstelligt werden. Das DAME-Vorhaben bildet ein Teilprojektdes LIST-Verbundprojektes. Die Aufgabe des DAME-Vorhabens ist es, eine portable deterministische Laufzeitplattform zu entwickeln.Die Interprozesskommunikation soll auf Basis von Fernaufrufen erfolgen. Die client- und server-seitigen Fernaufrufstümpfe sollen automatisch von einem Generator erzeugt werden. Hierzu soll die Stumpfgenerierung durch einen Aspektweber (PUMA) auf Basis von Aspektprogrammen erfolgen und nicht, wie sonst üblich, durch Stumpfgeneratoren wie sie etwa für CORBA oder DCOM bekannt sind.

Application Engineering

Das von der Firma Henkel betriebene Datennetz zur Verbindung ihrer weltweit ca. 500 Standorte bildet das Rückrat für kritische verteilte Applikationen, wie etwa SAP oder Lotus Notes. Des weiteren werden aber auch in zunehmendem Maße verteilte web-basierte Applikationen eingesetzt, um interne Geschäftsprozesse zu optimieren. Aufgrund der großen Wichtigkeit und der hohen Kosten des Datennetzes ist es essentiell, die Auswirkungen von Veränderungen vorherzusagen, zu bewerten und ggf. Maßnahmen zu ergreifen, um Probleme im laufenden Betrieb sowie unvorhergesehene Kosten zu vermeiden. Zur Vorhersage der Auswirkungen wird dabei auf eine Kombination aus Applikationsvermessung, Simulation und Emulation gesetzt. In Zusammenarbeit mit der Firma rt-solutions.de werden in diesem projekt Verfahren entwickelt, die den aktuellen Netzzustand sowie das Verhalten die verschiedenen Applikationen in einer Simulation abbilden können. Auf dieser Basis können dann die Veränderungen studiert werden, die sich durch das Ausrollen einer zuvor vermessenen Applikation ergeben, um daraus netzadministrative oder Investitionsentscheidungen ableiten zu können.

Demonstrator Telerobotik

Viele Projekte des Lehrstuhls beschäftigen sich mit der Zuverlässigkeit und der Bereitstellung von QoS-Garantien in verteilten Systemen, insbesondere in drahtlosen Netzen. Die Notwendigkeit solcher Forschungsarbeiten ergibt sich aus verschiedenen Anwendungsszenarien. Ein Beispiel eines solchen Szenarios ist die Telerobotik: Um einen mobilen Roboter innerhalb eines großen Gebietes fernsteuern zu können, ist ein zuverlässiges Funknetz erforderlich, das eine Kommunikation in Echtzeit ermöglicht.

Durch die Realiesierung dieses Szenarios als Demonstrator, sind wir zum einen in der Lage, die Notwendigkeit unserer Forschungsarbeit anschaulich zu motivieren und können zum anderen die erzielten Erfolge ausdrucksvoll präsentieren. Besonders auf Messen wirkt die Umsetzung dieses Szenarios anziehend und überzeugend auf das Publikum. Auch in diversen Veröffentlichungen kann eine auf diesen Demonstrator basierende Fallstudie die quantitativen Evaluierungsergebnisse qualitativ ergänzen.

Dienstgütegarantien für darahtlose Mesh-Netzwerke

Drahlose Mesh-Netzwerke erlauben die einfache und kostengünstige Vernetzung. Grundlage bildet der Wireless LAN Standard (WiFi) mit entsprechenden Modifikationen. Die existierenden Lösungen bieten eine Kommunikation auf Best-Effort-Basis an, d.h. es gibt keine Zusicherungen für die Auslieferung von Daten. Dies ist insbesondere problematisch für Anwendungen wie Internet-Telefonie oder Multimedia-Übertragung. Durch Bereitstellung von Dienstgütegarantien sollen die Verwendbarkeit derartiger Applikationen verbessert werden.

Double step - ein 2-Stufen-Mentoring-Programm zur Motivation von Mädchen und jungen Frauen für technisch-naturwissenschaftliche Studiengänge und Berufe

In der Projektstufe double step 1 wird Motivation von Mädchen und jungen Frauen für zukunftsorientierte Berufe durch einen Mentoringansatz realisiert. Landesweit wird die Bildung von Girls-Technik-Clubs initiiert und konzeptionell sowie fachdidaktisch begleitet. In den Girls-Technik-Clubs wird über einen Zeitraum von 4 Monaten eine Gesprächsbeziehung zwischen Schülerinnen und Studentinnen bzw. Azubis aufgebaut. Mentees und Mentorinnen können Technik gemeinsam erleben und gestalten, die Mentees können vom Erfahrungswissen der Mentorinnen profitieren und darüber ihre eigene Berufs- und Lebenswegplanung voranbringen. Über die Veränderung des eigenen Selbstkonzepts und die Vorbildwirkung der Studentinnen und Azubis werden Anregung und Ermutigung für die Wahl zukunftsorientierter Berufe erreicht. Weiterhin wird im Projekt "double step" die zielgruppengerechte Neugestaltung und Erweiterung der Internetplattform "Perspektiven für Mädchen und junge Frauen in Sachsen-Anhalt" (www.fujogi.de) realisiert. Projektstufe 2 richtet sich an Absolventinnen und junge Berufsanfängerinnen, die über Mentoring, Coaching, Networking und Praktika Einblicke in die reale Berufs- und Führungspraxis und berufliche Perspektiven in Sachsen-Anhalt erhalten.

Drahtlose Mesh-Infrastruktur für QoS-Anwendungen

Vernetzte Computer erlauben immer größere Verbesserungen in den Bereichen Logistik und Automatisierung. Insbesondere drahtlose Kommunikation ermöglicht neben gesteigerter Effizienz auch die Anbindung von mobilen Teilnehmern wie Laptops oder Robotern. Um jedoch die von vielen industriellen Anwendungen geforderten Dienstgüteansprüche umzusetzen, muss die Infrastruktur geeignet ausgestaltet sein. Im Rahmen dieses Projektes werden Maßnahmen ergriffen, um die Anwendungsanforderungen an die Infrastruktur zu kommunizieren, diese Anforderungen umzusetzen und für unterbrechungsfreie Zustellung der Daten zu sorgen. Dazu wird eine Anwendungsschnittstelle definiert, die die Spezifikation von QoS-Attributen erlaubt und Rückmeldung über die Erfüllbarkeit der Attribute gibt. Weiterhin werden Verfahren entwickelt, die überprüfen ob die Anforderungen in einer dynamischen Umgebung mit mobilen Teilnehmern erfüllt werden können. Um Überlast auf dem Kommunikationkanal zu vermeiden, wird ein Reservierungsverfahren eingesetzt. Schließlich sorgen spezielle Verfahren dafür, dass Teilnehmer sich im Abdeckungsbereich der Anlage bewegen können, ohne ihre Verbindung zum Netz zu verlieren.

ego-tech-on - Technologieorientierte Unternehmensgründung als Zukunftsperspektive

Der Fokus des beantragten Projektes "ego tech on" liegt in der Motivierung und Sensibilisierung von Jugendlichen für Unternehmensgründungen im MINT-Bereich und hier besonders im Bereich Informatik und Technik. Das Projekt setzt im schulischen Bereich an, um bereits während der Schulphase unternehmerische Leitbilder zu vermitteln. Technikinteressierten Schülerinnen und Schülern soll als persönliche Zukunftsperspektive die Gründung eines eigenen technologie-orientierten Unternehmens nahe gebracht werden, damit sie es von vornherein in ihrer Berufsorientierungsphase als Perspektive berücksichtigen können. Die im Projekt ego-tech-on zu entwickelnden Module und Konzepte finden Anwendung in Entrepreneur Workshops, Technologie Camps und einem projektbegleitenden Internet-Portal. Mit diesem Qualifizierungsprogramm, einer kontinuierlichen Beratung und Wettbewerbsteilnahmen sollen die Teilnehmer an ego-tech-on nachhaltig für eine zukünftige unternehmerische Tätigkeit in Sachsen-Anhalt gewonnen werden.

Eine Publisher/Subscriber-basierte Middleware mit Dienstgüte-Garantien zur Unterstützung kooperativer Anwendungen

Mobile Geräte mit ihren Nahbereichsfunktechniken, sogenannte WPANs (Wireless Personal Area Networks) und WLANs (Wireless Local Area Networks), wie sie beispielsweise Bluetooth mit 1 Mbit/s, IEEE 802.11 und HIPERLAN mit bis zu 54 Mbit/s darstellen, bieten schon heute eine größere Gesamtkapazität als die bestehenden (GSM-) Mobilfunknetze. Dieser Vorsprung wird sich in der Zukunft, trotz UMTS, eher ausbauen. Allerdings sind die einzelnen Netze lokal eng begrenzt, hochdynamisch und unstrukturiert. Um sie als Teil einer größeren Infrastruktur benutzen zu können, müssen sie als dynamische Multihop-Netzwerke betrieben werden. Ziel des Projektes ist es , eine Umgebung zur Verfügung zu stellen, die in der Lage ist, für Anwendungen nicht-funktionale Eigenschaften wie Rechtzeitigkeit und Fehlertoleranz in heterogenen Multihop-Funknetzwerken garantieren zu können. Dabei kann die Heterogenität sowohl darin bestehen, dass verschiedene Funknetzwerktypen (beispielsweise Bluetooth und IEEE 802.11b "WiFi") benutzt werden, als auch darin, dass die einzelnen Teilnehmer bezüglich Gerätetyp und Rechenleistung stark differieren. Eine wesentliche Herausforderung besteht darin, dass durch die eingeschränkten Sendebereiche Teilnetze entstehen, so dass sich einzelne Paare von Knoten ohne Routing nicht erreichen könnten.

Entwicklung eines interaktiven Präsentationsszenarios mit ferngesteuerten Robotern

Für Präsentationszwecke zu verschiedenen Events oder Fachmessen soll ein interaktives Szenario mit mobilen Robotern entwickelt werden. Auf einer Aktionsfläche sollen die Besucher per Fernsteuerung in das Roboterszenario eingreifen können. Über einen PC erfolgt außerdem eine Kommunikation mit Robotern und Sensoren, um ereignisgesteuert Sound- oder Lichteffekte zu erzeugen. Das Szenario kann sowohl autonom ablaufen als auch in Form eines Zuschauerwettbewerbs durch Fernbedienung eines oder mehrerer Roboter (wireless via Bluetooth).

Großgeräteantrag MoCoRo Plattform für Mobile kooperative Robotik

Das Projekt wurde gemeinsam mit Prof. Dr. J. Kaiser beantragt.
Flexible Produktionssysteme, kooperative Exploration und das koordinierte autonome Fahren  erfordern Forschungsarbeiten auf den dafür zentralen Gebieten der zuverlässigen drahtlosen Kommunikation, der adaptiven und echtzeitfähigen Bildverarbeitung und Sensorfusion, der modellbasierte Regelung aufgrund einer geeigneten Umgebungsmodellierung  und der entsprechenden Systemsoftware (Middleware), die eine einfache Programmierung dieser Anwendungen und Definition nicht-funktionaler Qualitätseigenschaften unterstützt. Um die Forschungen experimentell untermauern zu können und eine realitätsnahe Bewertung und Validierung der Forschungsergebnisse zu ermöglichen, ist eine modular und kooperativ aufgebaute Roboterplattform, notwendig, in der sich mobile Komponenten mit unterschiedlichen Fähigkeiten  zu einer Einheit konfigurieren, die auf das jeweilige Applikationsszenario speziell zugeschnitten ist. Anpassbarkeit und Ausfallsicherheit sind dabei primäre Ziele. Die Aufgaben sollen durch eine mit Sensorik instrumentierte Umgebung unterstützt werden, wie sie in der industriellen Automatisierung oder zukünftig auch in automotiven Anwendungen erwartet werden kann.

Isochrones WLAN für Echtzeit-Anwendungen in der industriellen Automation

Drahtlose Technologien werden zunehmend in dem Bereich der industriellen Automation eingesetzt. Hierfür verantwortlich sind Anwendungen, die ein großes Maß an Mobilität erfordern, aber auch eine gesteigerte Flexibilität und die damit einhergehende Kostenersparnis. Eine Vielzahl von Anwendungen, wie z.B. drahtlose Antriebssteuerungen, können jedoch aufgrund ihrer hohen Anforderungen an die Echtzeitfähigkeit der Datenkommunikation noch nicht realisiert werden. In diesem Projekt wird daher ein isochrones WLAN für echtzeit-kritische Kommunikation in Anwendungen der industriellen Automation realisiert, welches sich u.a. durch die erforderliche Zuverlässigkeit und den notwendigen Determinismus auszeichnet. Um die geforderten Eigenschaften zu erfüllen, werden neue Verfahren und Protokolle für den Medienzugriff erforscht, entwickelt und bewertet. Außerdem werden verschiedene Aspekte der Bereiche Uhrensynchronisation in drahtlosen Netzen und effektive Planungsalgorithmen für WLANs betrachtet.

Isochrones WLAN für Echtzeit-Kommunikation in der industriellen Automation

Drahtlose Technologien werden zunehmend in dem Bereich der industriellen Automation eingesetzt. Hierfür verantwortlich sind Anwendungen, die ein großes Maß an Mobilität erfordern, aber auch eine gesteigerte Flexibilität und die damit einhergehende Kostenersparnis. Eine Vielzahl von Anwendungen, wie z.B. drahtlose Antriebssteuerungen, können jedoch aufgrund ihrer hohen Anforderungen an die Echtzeitfähigkeit der Datenkommunikation noch nicht oder nur mit erheblichen Einschränkungen realisiert werden.

In diesem Projekt wird daher ein isochrones drahtloses Kommunikationssystem für echtzeit-kritische regelungstechnische Anwendungen der industriellen Automation realisiert. Hierbei wird insbesondere die Integration des drahtlosen Systems in bestehende Echtzeit-Ethernet Netzwerke berücksichtigt. Um die geforderten Eigenschaften zu erfüllen, werden neue Verfahren und Protokolle für den Medienzugriff erforscht und bewertet. Weiterhin wird die Ressourcenzuweisung in drahtlosen Netzen und die Etablierung einer globalen Zeitbasis im drahtlosen und drahtgebundenen Netz betrachtet.

Kommunikation von Sicherheitsrisiken in eingebetteten Systemen

Heutzutage werden immer mehr technische Systeme mit "Intelligenz", realisiert durch verbaute Mikrocontroller, ausgestattet. Das erlaubt die Realisierung von Funktionalitäten, die vor einigen Jahren nicht umsetzbar waren. Ein Beispiel sind moderne mobile Serviceroboter, die selbstständig in unbekannten Umgebungen navigieren können. Diese sogenannten "cyber-physischen Systeme" bestehen aus einem Echtzeitsystemteil und einem informationstechnischen Teil (IT).  Eine Herausforderung für die Gewährleistung der Systemsafety sind potentielle IT-Security-Risiken. Ein Beispiel ist die Manipulation von mobilen Robotern (z.B. Haushaltsrobotern) durch Schadcodes.  Dabei kann nicht nur die Funktion des Roboters beeinträchtigt werden, sondern auch Menschen in der näheren Umgebung durch Fehlfunktion des Roboters gefährdet sein.

Im Projekt werden Konzepte und Methoden zur Kommunikation von Sicherheitsrisiken ("Risikokommunikation") für Menschen in der Umgebung von cyber-physischen Systemen erforscht. Der Lösungansatz des Forschungsprojects soll dazu beitragen, Gefahren für den Menschen, ausgelöst durch Fehlfunktionen von cyber-physischen Systemen aufgrund von IT-Security-Angriffen, abzumildern oder zu verhindern.

Lernen und Forschen mit Robotern

Die informationstechnischen Systeme werden täglich komplexer und dem muss auch die Technikausbildung mit neuen anwendungsorientierten Ansätzen Rechnung tragen. Roboter besitzen offenbar eine besondere Attraktivität, um an Themen aus  Informatik und Mechatronik heranzuführen. Ausgangspunkt des Forschungsprojektes  ist die Hypothese : Roboter als Lernmittel machen Programmierung ¿begreifbar¿, erfordern interdisziplinäres Arbeiten und fördern die Sozialkompetenz. Ziel des Projektes ist die Entwicklung und Erprobung von Konzepten und Didaktikmaterialien für das innovative Lehrmittel ¿mobile autonome Roboter¿.  Ein Schwerpunkt liegt in der Identifikation spezifischer Inhalte für verschiedene Zielgruppen. Die Evaluation und Qualitätssicherung der Lehrkonzepte erfolgt  in enger Kooperation und Vernetzung mit Multiplikatoren und Partnern in der Praxis. In Zusammenarbeit mit den Projektpartnern werden vor allem Lehr-Lern-Arrangements erprobt, die gleichzeitig die Vermittlung fachlicher und sozialer Kompetenzen ermöglichen. Das Projekt richtet sich auch an engagierte Lehrende und Multiplikatoren in der technischen Ausbildung, die  Roboter als innovatives Lehrmittel für fächerübergreifende Technikbildung in Schule, beruflicher Lehre und Hochschule nachhaltig etablieren möchten.

Middleware für kooperierende mobile Roboter

In diesem Projekt, das im Rahmen des DFG-Schwerpunkprogramms "Kooperierende Teams mobiler Roboter in dynamischen Umgebungen" gefördert ist, wird eine speziell für die Anforderungen von kooperierenden mobilen Robotern zugeschnittene Middleware zur Verfügung gestellt. Dahinter steht im einzelnen eine Schicht, die die zur Kooperation erforderliche Kommunikation durchführt, die heterogenen Komponenten des Gesamtsystems integriert und dabei die notwendigen Voraussetzungen an Rechtzeitigkeit und Fehlertoleranz berücksichtigt. Da es sich um mobile Einheiten handelt, muss der erste Schritt zu einer solchen Middleware eine effiziente Kommunikation über ein drahtloses Medium sein. Der Ansatz ist dabei, basierend auf ersten erfolgversprechenden Ergebnissen mit Technologie nach dem Standard IEEE 802.11b, durch die Bereitstellung fehlertoleranter Echtzeit-Gruppenkommunikations-Protokolle diese Probleme zu überwinden. Zur Evaluierung der verwendeten Methoden und ihrer Implementierung ist als repräsentative Applikation eine verteilte Sensor-Fusion vorgesehen. Dazu werden die Signale der einzelnen Sensoren, wie Laserscanner, Kamera und Odometriesensoren der verschiedenen Roboter, möglicherweise nach einer Vorverarbeitung, im Team kommuniziert und zu höherwertigen Informationen fusioniert. Weitere Schritte auf dem Weg zu einer geeigneten Middleware sind dann die Berücksichtigung von Quality-of-Service Parametern (Echtzeitfähigkeit und Fehlertoleranz) in der Spezifikation von Komponenten, die Durchsetzung dieser nichtfunktionalen Eigenschaften in der konkreten Laufzeitumgebung und basierend darauf die Entwicklung eines allgemeinen Frameworks zur Modellierung und Integration der Komponenten mobiler Roboter.

Mobilität in industriellen drahtlosen Mesh-Netzwerken

Die vierte industrielle Revolution vollzieht einen Paradigmenwechsel von zentral koordinierten Fertigunssystemen hin zu dezentralen Systemen intelligenter, vernetzter Komponenten. Statt starrer Anlagen werden zunehmend mobile Teilsysteme kombiniert um einen flexiblen, adaptiven und selbst-optimierenden Produktionsprozess zu gewährleisten.  Die angestrebte Flexibilität erfordert den Einsatz von Kommunikationssystemen, die sich den Bedingungen und Anforderungen der jeweiligen industriellen Anwendung anpassen und dabei die für diese Anwendungsklasse typischen hohen Dienstgüte-Anforderungen einhalten. Insbesondere die Mobilität einzelner Stationen stellt dabei hohe Herausforderungen an das Kommunikationssystem.


In diesem Projekt werden drahtlose Mesh-Netzwerke verwendet und Konzepte und Mechanismen entwickelt und umgesetzt, die im speziellen für mobile Teilnehmer eine hohe Dienstgüte sicherstellen.  Dabei müssen auf allen Protokoll-Schichten des Netzwerks entsprechende Maßnahmen getroffen werden, um z.B. den Abbruch einzelner Verbindungen zu vermeiden oder den steigenden Ressourcenbedarf bei wachsender Entfernung zwischen mobilen Stationen vorherzusehen. Neben der Anwendung klassischer Verfahren der Fehlertoleranz werden dabei auch neuartige Ansätze verfolgt, wie die Generierung geeigneter Modelle durch Data-Mining.

Modellierung komplexer Prozesse in verteilten Systemen durch Methoden des Data-Minings

Die Zuverlässigkeit ist ein kritischer Aspekt bei dem Entwurf verteilter Systeme, der häufig über ihre Anwendbarkeit in verschiedenen Applikationsszenarien entscheidet. Aufgrund der vielschichtigen, komplexen Architektur sind einzelne Zusammenhänge in solchen Systemen nicht trivial zu erfassen. Selbst mit umfangreichem Expertenwissen ist die Zuordnung einer Ursache zu einem bestimmten Fehlerverhalten nicht immer möglich.
In diesem Projekt wird untersucht, in welcher Weise Methoden des Data-Minings verwendet werden können, um komplexe Prozesse in verteilten Systemen zu modellieren. Anhand der Modelle sollen bevorstehende Fehlerzustände und entsprechende Gegenmaßnahmen identifiziert werden, um so einen Systemausfall zu verhindern. In einem weiteren Schritt wird eine adaptive Anpassung der generierten Modelle an eine dynamische Umgebung angestrebt.

NEST - Networked Embedded Software Technology

Massiv verteilte Systeme mit bis zu Hunderten von eigenständigen CPUs werden schon in naher Zukunft kritische Steuerungs- und Kontrollfunktionen übernehmen. Die Grundlagen für solche Systeme sollen dabei in dem DARPA-Programm "NEST - Networked Embedded Software Technology" entwickelt werden. Wesentlich für ihren Einsatz ist dabei neben funktionaler und zeitlicher Korrektheit aber auch in zunehmendem Maße ihre Kosteneffizienz. Deshalb bietet es sich an, wo immer möglich, auf bestehende Standards zurückzugreifen und diese für die Randbedingungen der Anwendung anzupassen. Dabei ist es wesentlich, verifizieren zu können, dass diese teilweise sehr komplexen Systeme sich gemäß ihrer Spezifikation verhalten. Im Rahmen des Projektes werden mit den Werkzeugen der Arbeitsgruppe Echtzeitsysteme und Kommunikation Messungen an Prototypen der UCI Irvine durchgeführt, die zeigen sollen, inwieweit sich Standards wie Windows CE/NT embedded und TCP/IP in diesen Systemen einsetzen lassen. Ein wichtiger Aspekt sind dabei Untersuchungen zur Möglichkeit der Einbeziehung von Nahbereichsfunktechniken (insbesondere Bluetooth und WLAN). Ein weiteres Ziel ist die Entwicklung und Bereitstellung eines integrierten Top/Down-Monitoringkonzepts von der Applikationssoftware (entfernte Objektaufrufe) bis zur Systemebene für die massiv verteilte Systemumgebung. Damit wird dem Entwickler ein leistungsfähiges Werkzeug für das Verstehen und Tunen von verteilten Echtzeitanwendungen basierend auf objektorientierter Middleware an die Hand gegeben werden. Diese Arbeiten werden durchgeführt in Kooperation mit der University of California, Irvine und mit Mitteln des DARPA-Projektes "NEST" gefördert.

Planung von Funkabdeckung für Infrastrukturen drahtloser Netze

In diesem Projekt wird für einen großen Hersteller industrieller Netzwerkkomponenten ein Tool zur Planung von Funkausleuchtungen entwickelt. Die von diesem Hersteller produzierten Funkkomponenten werden für den Aufbau drahtloser IT-Infrastrukturen (WLAN und Bluetooth) für die Automatisierung und Logistik verwendet. Eine möglichst optimale Vorabplanung, die mit einem Minimum an Kosten eine qualitätsadäquate Kommunikationsinfrastruktur liefert, ist dabei von großer Bedeutung. In Zusammenarbeit mit der Firma rt-solutions.de werden deshalb in diesem Projekt Verfahren und Werkzeuge entwickelt, die für jede spezifisch vorgegebene Infrastrukturtopologie einen Einsatzplan für alle Funkkomponenten entwirft, der unter Berücksichtigung der einzuhaltenden Parameter (Qualitätsanforderung, Kosten) eine optimale Funkabdeckung gewährleistet. Dazu werden Verfahren für die Modellierung der Radiowellenausbreitung und für die Berücksichtigung von Referenzmessungen in der realen Umgebung eingesetzt. Auf dieser Basis wird es für einen Nutzer möglich, die erforderlichen Komponenten und deren Positionen so zu bestimmen, dass die Qualitätsanforderungen durch die simulierte Funkabdeckung und durch die reale Funkabdeckung erfüllt werden, sofern reale Umgebung und Modell der Umgebung hinreichend gut übereinstimmen.

ROBERTA - Mädchen erobern Roboter

Gegenwärtig arbeiten Wissenschaftler in aller Welt daran, Roboter vom Industriearbeiter zum persönlichen Begleiter des Menschen in allen Lebensbereichen weiter zu entwickeln. Unzählige unsichtbare Mikrocontroller erleichtern uns das Leben in allen Bereichen des täglichen Lebens. Doch immer weniger Jugendliche interessieren sich für ein technisches Studium. Die Folge ist ein akuter Nachwuchsmangel in technischen Berufen, wobei das Interesse bei Mädchen noch geringer ist als bei Jungen. Dementsprechend gering ist der Anteil von Frauen in technischen Studienfächern. Technikdistanz oder Technikabstinenz darf aber nicht als Zeichen fehlender Eignung und Qualifikation gewertet werden, sondern hat vielfältige Ursachen, wozu u.a. auch eine Verunsicherung angesichts fehlender Motivationshilfen durch Elternhaus, Schule und Gesellschaft gehört. Ziel des Projektes ist es deshalb, Roboterkurse, die auch für Mädchen attraktiv sind, als Teil des Bildungsangebots zu etablieren. Unter Leitung des Fraunhofer Institutes für Autonome Intelligente Systeme werden Lehr- und Lernmaterialien erarbeitet und bundesweit verfügbar gemacht, so dass KursleiterInnen Roboterkurse mit vertretbarem Aufwand selbständig durchführen können. Dazu wird u.a. in Magdeburg ein regionales Zentrum aufgebaut, dessen Aufgabe in der Unterstützung von Lehrkräften, AusbilderInnen und ErzieherInnen aber auch interessierten SchülerInnen und StudentInnen vor Ort durch Schulung, Beratung und Vernetzung liegt. Die Entwicklung, Durchführung und Evaluierung der Roboterkurse (Materialien, Baukästen, Experimente) im Rahmen des Roberta-Projektes wird zu Erkenntnissen darüber führen, wie die Kurse gestaltet sein müssen, damit sie nicht nur für Jungen sondern insbesondere für Mädchen interessant sind. Entsprechende Bewertungskriterien werden erarbeitet.

Testumgebung für Drahtlose Mesh-Netzwerke (WMN)

Drahtlose Mesh-Netzwerke erlauben die flexible Vernetzung großer Gelände und die Anbindung von Fabrikanlagen. Die Kommunikation der Teilnehmer wird dabei durch Mesh-Routing-Protokolle gesteuert. Bei der Entwicklung solcher Protokolle ist es unabdingbar, sie regelmäßig unter realistischen Bedingungen zu testen, Messungen durchzuführen und die Ergebnisse zu vergleichen. Hierzu wird am Lehrstuhl eine Testumgebung betrieben, die aus zahlreichen stationären und mobilen Mesh-Teilnehmern aufgebaut ist, die im Fakultätsgebäude positioniert werden können. In dieser Testumgebung werden neben den eigentlichen Routing-Protokollen auch Erweiterungen evaluiert, die zur Verbesserung der Dienstgüte-Eigenschaften dienen. Des Weiteren wird sie als Plattform für Vorführungen der entwickelten Protokolle verwendet.

Testumgebung für Drahtlose Mesh-Netzwerke (WMN)

Drahtlose Mesh-Netzwerke erlauben die flexible Vernetzung großer Gelände und die Anbindung von Fabrikanlagen. Die Kommunikation der Teilnehmer wird dabei durch Mesh-Routing-Protokolle gesteuert. Bei der Entwicklung solcher Protokolle ist es unabdingbar, sie regelmäßig unter realistischen Bedingungen zu testen, Messungen durchzuführen und die Ergebnisse zu vergleichen. Hierzu wird am Lehrstuhl eine Testumgebung betrieben, die aus zahlreichen stationären und mobilen Mesh-Teilnehmern aufgebaut ist, die im Fakultätsgebäude positioniert werden können. In dieser Testumgebung werden neben den eigentlichen Routing-Protokollen auch Erweiterungen evaluiert, die zur Verbesserung der Dienstgüte-Eigenschaften dienen. Des Weiteren wird sie als Plattform für Vorführungen der entwickelten Protokolle verwendet.

Verteilte Verlässliche Software-Infrastruktur zur Kontrolle von Micro Air Vehicle-Schwärmen

Schwärmen von Micro Air Vehicles - also Flugroboter mit einem Gesamtgewicht unter 5kg - stehen in Zukunft viele Anwendungsmöglichkeiten offen. Allerdings sind derzeit noch viele  Probleme zu lösen. Insbesondere in Indoor-Umgebungen sind diese Systme sehr feheranfällig.  Ihre Koordinierung untereinander wird dort gerade aufgrund der Tatsache, dass sie ihre Position nur sehr schwer ohne externe Sensoren selbst bestimmen können, zur Zeit fast unmöglich gemacht. State-Of-The-Art-Lokalisierungssysteme, die dieses Problem mittels Onboard-Sensorik zu lösen versuchen, stützen sich auf Laserscanner oder Kameras; wobei letztere als zukunftssicherer gelten, da sie leichter und auch kostengünstiger sind.


Diese kamerabasierten Systeme liefern zwar teils hinreichend genaue Ergebnisse, allerdings sind auch sie fehleranfällig: Für einen längerfristigen Betrieb fehlt einerseits eine Möglichkeit, Tracking-Fehler sicher tolerieren zu können. Sie können zum zeitweisen Verlust der Lokalisierung führen, sodass das MAV im Blindflug operieren muss - was jedoch einer produktiven Anwendung im Wege steht. Im Sinne der Echtzeitdatenverarbeitung müssen hierbei Zeitschranken eingehalten werden, innerhalb derer die Lokalisierung gültige Ergebnisse liefern muss. Dies schließt eine Anforderungsanalyse ein, um solche Zeitschranken aus einer gegebenen Anwendung heraus abzuleiten, sowie die Konzeption von Maßnahmen, um diese dann auch einzuhalten. Weiterhin soll daraus ein Framework zur verlässlichen Koordinierung zwischen mehreren MAVs abgeleitet werden.

Zuverlässige Funkabdeckung von Drahtlosen Netzen in Dynamischen Umgebungen

Drahtlose Mesh-Netze sind eine Art Infrastrukturnetze wo das Netzwerk-Backbone statt drahtgebunden drahtlos multi-hop ist, und die mobile Stationen statt eine Verbindung mehrere Verbindungen zum Netzwerk-Backbone haben. Damit bieten Mesh-Netze mehr Flexibilität und mehr Ausfallsicherheit im Vergleich zu klassischen Infrastrukturnetzen.

Wenn Mesh-Netze in dynamischen Umgebungen (z.B. Produktion, Logistik) eingesetzt werden, können Änderungen der Umgebung (z.B. neue Hindernisse) die Funkkommunikation stören. Dies betrifft nicht nur, wie in klassischen Infrastrukturnetzen, die Kommunikation zwischen mobile Station und Basis-Station, sondern auch die multi-hop Kommunikation innerhalb des Backbones und damit das gesamte Netzwerk.

In diesem Projekt werden Verfahren für zuverlässige Funkabdeckung in drahtlosen Mesh-Netzen entwickelt. Für die Entdeckung von Störfällen werden Verfahren für Modellierung der Radiowellenausbreitung und Anpassung an der Realität durch Referenzmessungen und Lokalisierung entwickelt. Für die Wiederherstellung der zuverlässigen Kommunikation werden Optimierungsverfahren entwickelt, die mit einem Minimum an Kosten eine qualitätsadäquate Kommunikationsinfrastruktur liefern. Teile der entwickelten Verfahren lösen jeweilige Probleme in klassischen Infrastrukturnetzen und werden in das EU-Forschungsprojekt flexWARE eingesetzt.