Diploma Thesis
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Faculty / Organisational entity
Im Projekt MAFoaM - Modular Algorithms for closed Foam Mechanics - des
Fraunhofer ITWM in Zusammenarbeit mit dem Fraunhofer IMWS wurde eine Methode zur Analyse und Simulation geschlossenzelliger PMI-Hartschäume entwickelt. Die Zellstruktur der Hartschäume wurde auf Basis von CT-Aufnahmen modelliert, um ihr Verformungs- und Versagensverhalten zu simulieren, d.h. wie sich die Schäume unter Belastungen bis hin zum totalen Defekt verhalten.
In der Diplomarbeit wird die
bildanalytische Zellrekonstruktion für PMI-Hartschäume automatisiert. Die Zellrekonstruktion dient der Bestimmung von Mikrostrukturgrößen,
also geometrischer Eigenschaften der Schaumzellen, wie z.B.
Mittelwert und Varianz des Zellvolumens oder der Zelloberfläche.
Eine grundlegende Voraussetzung für die Entwicklung von teilautonomer hydraulischen Maschinen ist die automatisierte Bewegung der notwendigen Strukturen. Die Anforderungen an diese Bewegungen sind hoch und aus diesem Grund sind einfache Reglerstrukturen ohne konkrete Streckenkenntnis nicht ausreichend. Die Beschreibung des Streckenkennmodells ist bei hydraulischen Maschinen sehr komplex und zeitaufwendig. Die Modellierung mit theoretischen auf physikalischen Ansätzen beruhenden Methoden ist daher unwirtschaftlich. Aufgrund dessen müssen für die Entwicklung von teilautonomen Maschinen alternative Strategien zur Beschreibung der Dynamik entwickelt werden. Im Rahmen der Diplomarbeit wurde die Machbarkeit von Neuronalen Netzen zur modellbasierten Geschwindigkeitsregelung von hydraulischen Zylindern an einem Bagger untersucht. Dabei wurden unterschiedliche Anregungssignale überprüft und das Regelverhalten des Neuronalen-Reglers auf einem realen Versuchsträger verifiziert. Es hat sich gezeigt, dass sich die datenbasierten Methoden zur Regelung von elektrohydraulischen Baggern eignen. Im Vergleich zu theoretischen Ansätzen konnte eine Steigerung der Regelgüte, bei gleichzeitiger Reduzierung des Arbeitsaufwandes von mehreren Monaten hinzu wenigen Tagen, erreicht werden.
Assistenzfunktionen stellen einen Meilenstein bei der Automatisierung hydraulischer Baumaschinen dar. Zur Regelung der Position des Tool Center Points von Hydraulikbaggern, den komplexesten Vertretern dieser Klasse, können inverse Modelle als Teil einer Vorsteuerung genutzt werden. In dieser Arbeit werden hierzu physikalische und datenbasierte Modellierungsansätze in Form von hybriden Modellen vereint. Die Zielanwendung stellt eine Assistenzfunktion zur automatisierten Durchführung von Planziehbewegungen dar. Es konnte gezeigt werden, dass durch hybride Modelle eine verbesserte Güte und höhere Robustheit gegenüber Schwingungen im Vergleich zu rein datenbasierten Ansätzen erzielt werden kann. Die untersuchten Ansätze lassen sich auf andere Maschinen übertragen. Die Validierung erfolgte an einem realen Versuchsträger, dem Mobilbagger JCB Hydradig. Zur Systemidentifikation generierte Daten wurden darüber hinaus mittels Methoden des unüberwachten Lernens auf Vollständigkeit untersucht. Hierbei konnte der Effekt der konzeptbedingten Datenlücken festgestellt und untersucht werden, welcher eine Genauigkeitsgrenze bezüglich der inversen Modellierung darstellt.
Im Rahmen dieser Diplomarbeit konnte das etablierte direkte Laserschreiben um einen zusätzlichen
abregenden Strahlengang ergänzt werden, dessen Einfluss im Hinblick auf das
Polymerisationsverhalten untersucht wurde.
Bei dem verwendeten (Negativ-) Photolack IP-L 780 konnte durch stimulierte Emission die
Generierung von Radikalen unterbunden werden, indem die an- und abregenden Laserfokusse
räumlich überlagert wurden. Dabei stellte sich heraus, dass ein relativ großer Intensitätsbereich
den erwünschten Effekt hervorruft.
Die in der Fluoreszenzmikroskopie seit langem verwendeten Abregungsmoden (doughnut und
bottleshape) konnten mithilfe von räumlichen Lichtmodulatoren und dem speziell für diesen
Zweck entwickelten Programm zur PSF-Darstellung sehr gut erzeugt werden. Dabei fanden
neben den Zernike-Polynomen auch inverse Gauß-Funktionen zur Aberrationskorrektur Anwendung.
Auch sogenannte Multifokusse (lateral und axial) konnten durch eine geeignete
Gewichtung der Zernike-Polynome zuverlässig generiert werden, wobei die dafür notwendigen
Phasen- und Amplitudenpattern mithilfe eines entsprechenden iterativen Algorithmus
(GSA3D) berechnet wurden.
Der laterale Polymerisationsdurchmesser konnte sowohl durch die doughnut-Mode, als auch
durch den lateralen Multifokus von 240 nm um ca. 50 % auf ungefähr 120 nm reduziert
werden. Der stimulierende Teil der doughnut-Mode, der entlang der Schreibrichtung dem
Polymerisationsfokus vorauseilt (oder hinterherläuft), führt zu keinerlei relevanten Unterschieden
im Vergleich zum Multifokus.
Dies konnte zudem durch ein Experiment verifiziert werden, bei dem die An- und Abregungsfokusse
entlang der Schreibrichtung um verschiedene Distanzen versetzt positioniert
wurden. Ob der stimulierende Laser den Photolack räumlich (und damit zeitlich) einige hundert
Nanometer (bzw. einige Millisekunden) vor oder nach dem anregenden beeinflusst, zeigt
dabei keinerlei Unterschiede. Je größer der Versatz, desto geringer die stimulierende Wirkung.
Demnach scheint der abregende Laser den Photoinitiator (DETC) zu stimulierter Emission
zu bringen, bevor dieser seine absorbierte Energie zur Spaltung und damit zum Polymerisationsbeginn
nutzen kann.
Der axiale Polymerisationsdurchmesser konnte sowohl mit der etablierten bottleshape-Mode,
als auch mit dem hier entwickelten axialen Multifokus von ca. 400 nm um 50% auf unge-
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5 Zusammenfassung und Ausblick Julian Hering
fähr 200 nm reduziert werden. Bei Letzterem war der Intensitätsring in der xy-Ebene bei
z = 0 deutlich stärker ausgeprägt als bei der bottleshape-Mode, was zu einer erhöhten
lateralen Polymerisationsunterdrückung und damit zu einem schlechteren Aspektverhältnis
führte. Nichtsdestotrotz konnte dadurch im Rahmen dieser Arbeit erstmals STED-DLW mittels
räumlicher Lichtmodulatoren betrieben werden.
Die mit starren Phasenmasken bereits erreichten Linienabmessungen von bis zu 65 nm lateral
und 180 nm axial konnten somit zwar nicht erreicht werden, jedoch ist in dieser Hinsicht eine
deutliche Verbesserung gegenüber dem zuvor verwendeten normalen DLW unverkennbar. Leider
zeigt die Kombination mit STED jedoch neue Herausforderungen auf. So wurde z.B. die
Strukturqualität beim Anfahren und Abbremsen des Piezos enorm verschlechtert. Auch die
Generierung mancher Abregungsmoden erwies sich als äußerst mühsam und zeitaufwendig.
Aus diesem Grund wird in Zukunft ein automatisiertes Vorgehen bei der Aberrationskorrektur
angestrebt, sowie eine aufeinander abgestimmte Ansteuerung der jeweiligen Laserleistungen.
Der Strukturierungszeitaufwand aufgrund der verwendeten Geschwindigkeit von 100 μm/s
kann in Zukunft ebenfalls verringert werden, da das Auslenkverhalten der beiden Fokusse in
einem Radius von 50 μm mittels Galvanospiegel-System weitestgehend gleich ist. Zu diesem
Zweck müssen allerdings je nach verwendeter Geschwindigkeit die nötigen Laserleistungen
ermittelt werden. Außerdem muss die räumliche Formkonstanz der An- und Abregungsmoden
bei einer Auslenkung um bis zu 50 μm untersucht werden. Durch den Verzicht auf das
Piezo-System würde sich das Problem der schlechten Qualität an den Strukturkanten eventuell
erübrigen.
Zudem lässt sich durch die Verwendung räumlicher Lichtmodulatoren der Einsatz verwendeter
Abregungsmoden weiter ausbauen. Axiale Multifokusse mit einer Halbwertslücke von
unter 300 nm und einem Intensitätsminimum von unter 30% sind theoretisch kein Problem.
Es gilt demnach, diese Moden zu generieren und auf deren Verbesserung hinsichtlich Linienbreite
und -länge zu untersuchen. Ein Test zur Ermittlung des Signal zu Rausch Verhältnisses
der jeweiligen Moden über den gesamten möglichen Bereich der stimulierten Emission würde
beispielsweise stark zur Charakterisierung der Multifokusse beitragen.
Zur Untersuchung der Zell-Topographie-Interaktionen werden im Rahmen dieser Arbeit zwei Arten von Mikrostrukturen mittels Direktem Laser Schreiben erzeugt, einerseits Pfosten unterschiedlicher Abstände und andererseits Pfosten-Steg-Strukturen mit unterschiedlicher Steghöhe. Auf diesen Topographien werden die untersuchten Zellen ausgesät und ihr Verhalten mit Zeitrafferaufnahmen über einen Zeitraum von 24 h beobachtet. Aus den Zellkoordinaten und den daraus erhaltenen Zellpfaden wird das Migrationsverhalten der Zellen im Hinblick auf den lenkenden Einfluss der betrachteten Topographie analysiert.
Konzeptionelle Studien der letzten Jahre deuten darauf hin, dass für eine Verwurzelung von Nachhaltigkeit in modernen Unternehmen eine Veränderung der Denkweise der Unternehmensentscheidungsträger notwendig ist. Dabei werden Verantwortung und nachhaltiges Handeln nicht ausschließlich als Instrumente zur Erreichung ökonomischer Ziele eingesetzt, sondern bilden, verankert in der persönlichen Spiritualität, fundamentale Prinzipien und eigenständige Werte. Ziel der vorliegenden Arbeit ist es deshalb, die Zusammenhänge zwischen Spiritualität und unternehmerischer Nachhaltigkeit zu beleuchten. Mit Hilfe von sechs halbstrukturierten Interviews mit GründerInnen und Un-ternehmensführerInnen kleiner und mittlerer Unternehmen des Dienstleistungssektors untersuchte die Autorin, inwiefern die Spiritualität der UnternehmerInnen einen Einfluss auf nachhaltige Entscheidungen in ihren Unternehmen hat. Sie konnte herausfinden, dass Werte und Ansichten, die die individuelle Spiritualität der UnternehmerInnen ausdrücken, als Motivation für nachhaltiges unternehmerisches Handeln dienen können. Überdies identifizierte sie einzelne Werte und Ansichten, die als Treiber für einzelne Dimensionen der Nachhaltigkeit fungieren. Weiterhin entwickelte sie ein Modell, das sowohl persönliche Werte und Ansichten als Teil der Spiritualität, als auch die in der Literatur diskutierten Konzepte Spiritualität am Arbeitsplatz und spirituelle Führung integriert. Dieses Modell kann als Grundlage für weitere Forschung im Kontext von Spiritualität und unternehmerische Nachhaltigkeit dienen. Die Ergebnisse implizieren, dass in Bildung und Gesellschaft verankerte Aktivitäten zur Unterstützung von Spiritualität eine nachhaltige Entwicklung innerhalb und außerhalb von Unternehmen vorantreiben können.
In der Arbeit sollen ausgewählte technische Indikatoren und deren Handelsstrategien hinsichtlich ihres Verhaltens bzw. ihrer Profitabilität in verschiedenen Marktphasen untersucht werden. Um das Argument, dass die Indikatoren selbst erfüllend sind, zu entkräften, werden Finanzzeitreihen simuliert und die Indikatoren auf diese angewendet und ausgewertet. Zu diesem Zweck wird zu gegebenen echten Kursdaten ein finanzzeitreihenanalytisches Modell angepasst. Dieses wird zur Simulation von Finanzzeitreihen und damit zur Auswertung der Indikatoren verwendet werden. Durch geeignete Auswahlverfahren sollen verschiedene Handelsstrategien zu Strategien kombiniert werden, um ein besseres Ertrag/Risikoverhältnis zu erreichen als dies bei einzelnen Strategien der Fall wäre.
Diese Diplomarbeit gibt eine kurze Einführung in das Gebiet der Diffusionsprozesse (beschrieben als Lösungen stochastischer Differentialgleichungen) und der großen Abweichungen. Mit Methoden aus dem Gebiet der großen Abweichungen wird dann das asymptotische Verhalten des Bayesrisikos für die unterscheidung zweier Diffusionsprozesse untersucht.
Zuerst einmal werden die Grundlagen der nichtparametrischen Regression sowie die der Kleinste-Quadrate-Schätzer behandelt und unser verwendetes Modell hergeleitet. Kapitel 3 führt dann in die Theorie der gewichteten Kernschätzer ein, wobei auch das asymptotische Verhalten genauer untersucht wird. Des Weiteren wird ein numerischer Algorithmus zur Berechnung der Kernschätzer angegeben. Die Simulationsstudie der gewichteten Kernschätzer anhand von Regressionsdaten und Zeitreihendaten sowie die praktische Beurteilung erfolgen in Kapitel 4 und 5. Reale Zeitreihendaten bilden danach im sechsten Kapitel die Grundlage für die praktische Betrachtung der neuen Schätzer. Im letzten Kapitel folgt dann ein Resümee und ein kleiner Ausblick auf die gewichteten Kernschätzer für allgemeinere Modelle.
Das TSP wird auf zeitabhängige Kosten und Wegelängen verallgemeinert, der Komplexitätstatus untersucht, verschiedene Formulierungen verglichen, Spezialfälle untersucht und ein auf Lagrange-Relaxation und Branch&Bound beruhendes exaktes Lösungsverfahren von Lucena erweitert, implementiert und getestet. Für das TDTSP wird die Dimension des ganzzahligen Polyeders bestimmt.