TY  - THES
A1  - Schmidt, Marco
T1  - Ground Station Networks for Efficient Operation of Distributed Small Satellite Systems
T1  - Effizienter Betrieb von Verteilten Kleinsatelliten-Systemen mit Bodenstationsnetzwerken
N2  - The field of small satellite formations and constellations attracted growing attention, based on recent advances in small satellite engineering. The utilization of distributed space systems allows the realization of innovative applications and will enable improved temporal and spatial resolution in observation scenarios. On the other side, this new paradigm imposes a variety of research challenges. In this monograph new networking concepts for space missions are presented, using networks of ground stations. The developed approaches combine ground station resources in a coordinated way to achieve more robust and efficient communication links. Within this thesis, the following topics were elaborated to improve the performance in distributed space missions: Appropriate scheduling of contact windows in a distributed ground system is a necessary process to avoid low utilization of ground stations. The theoretical basis for the novel concept of redundant scheduling was elaborated in detail. Additionally to the presented algorithm was a scheduling system implemented, its performance was tested extensively with real world scheduling problems. In the scope of data management, a system was developed which autonomously synchronizes data frames in ground station networks and uses this information to detect and correct transmission errors. The system was validated with hardware in the loop experiments, demonstrating the benefits of the developed approach.
N2  - Satellitenformationen und Konstellationen rücken immer mehr in den Fokus aktueller Forschung, ausgelöst durch die jüngsten Fortschritte in der Kleinsatelliten-Entwicklung. Der Einsatz von verteilten Weltraumsystemen ermöglicht die Realisierung von innovativen Anwendungen auf Basis von hoher zeitlicher und räumlicher Auflösung in Observationsszenarien. Allerdings bringt dieses neue Paradigma der Raumfahrttechnik auch Herausforderungen in verschiedenen Forschungsfeldern mit sich. In dieser Dissertation werden neue Netzwerk-Konzepte für Raumfahrtmissionen unter Einsatz von Bodenstationnetzwerken vorgestellt. Die präsentierten Verfahren koordinieren verfügbare Bodenstationsressourcen um einen robusten und effizienten Kommunikationslink zu ermöglichen. In dieser Arbeit werden dabei folgende Themenfelder behandelt um die Performance in verteilten Raumfahrtmissionen zu steigern: Das Verteilen von Kontaktfenster (sogenanntes Scheduling) in verteilten Bodenstationssystem ist ein notwendiger Prozess um eine niedrige Auslastung der Stationen zu vermeiden. Die theoretische Grundlage für das Konzept des redundanten Scheduling wurde erarbeitet. Zusätztlich wurde das Verfahren in Form eines Scheduling Systems implementiert und dessen Performance ausführlich an real-world Szenarien getestet. Im Rahmen des Themenfeldes Data Management wurde ein System entwickelt, welches autonom Datenframes in Bodenstationsnetzwerken synchronisieren kann. Die in den Datenframes enthaltene Information wird genutzt um Übertragungsfehler zu erkennen und zu korrigieren. Das System wurde mit Hardware-in-the-loop Experimenten validiert und die Vorteile des entwickelten Verfahrens wurden gezeigt.
T3  - Forschungsberichte in der Robotik = Research Notes in Robotics - 6 
KW  - Kleinsatellit
KW  - Bodenstation
KW  - Verteiltes System
KW  - Scheduling
KW  - Ground Station Networks
KW  - Small Satellites
KW  - Distributed Space Systems
Y1  - 2011
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-64999
SN  - 978-3-923959-77-8
ER  - 
TY  - THES
A1  - Duelli, Michael
T1  - Heuristic Design and Provisioning of Resilient Multi-Layer Networks
T1  - Heuristische Planung und Betrieb von ausfallsicheren Mehrschichtnetzen
N2  - To jointly provide different services/technologies, like IP and Ethernet or IP and SDH/SONET, in a single network, equipment of multiple technologies needs to be deployed to the sites/Points of Presence (PoP) and interconnected with each other. Therein, a technology may provide transport functionality to other technologies and increase the number of available resources by using multiplexing techniques. By providing its own switching functionality, each technology creates connections in a logical layer which leads to the notion of multi-layer networks. The design of such networks comprises the deployment and interconnection of components to suit to given traffic demands. To prevent traffic loss due to failures of networking equipment, protection mechanisms need to be established. In multi-layer networks, protection usually can be applied in any of the considered layers. In turn, the hierarchical structure of multi-layer networks also bears shared risk groups (SRG). To achieve a cost-optimal resilient network, an appropriate combination of multiplexing techniques, technologies, and their interconnections needs to be found. Thus, network design is a combinatorial problem with a large parameter and solution space. After the design stage, the resources of a multi-layer network can be provided to traffic demands. Especially, dynamic capacity provisioning requires interaction of sites and layers, as well as accurate retrieval of constraint information. In recent years, generalized multiprotocol label switching (GMPLS) and path computation elements (PCE) have emerged as possible approaches for these challenges. Like the design, the provisioning of multi-layer networks comprises a variety of optimization parameters, like blocking probability, resilience, and energy efficiency. In this work, we introduce several efficient heuristics to approach the considered optimization problems. We perform capital expenditure (CAPEX)-aware design of multi-layer networks from scratch, based on IST NOBEL phase 2 project's cost and equipment data. We comprise traffic and resilience requirements in different and multiple layers as well as different network architectures. On top of the designed networks, we consider the dynamic provisioning of multi-layer traffic based on the GMPLS and PCE architecture. We evaluate different PCE deployments, information retrieval strategies, and re-optimization. Finally, we show how information about provisioning utilization can be used to provide a feedback for network design.
N2  - Um in einem Netz verschiedene Dienste/Schichten, z.B. IP und Ethernet oder IP und SDH/SONET, parallel anbieten zu können, müssen Komponenten mehrerer Technologien an den Standorten verbaut und miteinander verbunden werden. Hierbei kann eine Technologie eine Transportschicht für andere Technologien fungieren und die Zahl der verfügbaren Ressourcen durch Multiplex Techniken erhöhen. Durch die Bereitstellung eigener Switching Funktionalität erzeugt jede Technologie Verbindungen in einer logischen Schicht. Dies führt zu der Bezeichnung Mehrschichtnetz (engl. multi-layer network). Die Planung solcher Netze hat das Verbauen und Verbinden von Komponenten zum Ziel, so dass gegebene Verkehrsströme realisiert werden können. Um Unterbrechungen der Verkehrsströme aufgrund von Fehlern in den Netzkomponenten zu verhinden, müssen Schutzmechanismen eingebaut werden. In Mehrschichtnetzen können solche Schutzmechanismen in jeder beliebigen Schicht betrachtet werden. Allerdings birgt die hierarchische Struktur von Mehrschichtnetzen das Risiko von shared risk groups (SRG). Um ein Kosten-optimales ausfallsicheres Netz zu erhalten, muss eine passende Kombination aus Multiplex Techniken, Technologien und deren Verbindungen gefunden werden. Die Netzplanung ist daher ein kombinatorisches Problem mit einem großen Parameter- und Lösungsraum. Nach der Planungsphase können die Ressourcen eines Mehrschichtnetzes für Verkehrsströme vorgehalten werden. Die Betrachtung von dynamischer Kapazitätsanforderungen erfordert die Interaktion von Knoten und Schichten sowie akkurate Gewinnung von Informationen zur Auslastung. In jüngster Zeit sind das Generalized Multiprotocol Label Switching (GMPLS) und das Path Computation Element (PCE) als mögliche Lösungsansätze für diese Herausforderungen entstanden. Wie in der Planung beinhaltet auch der Betrieb von Mehrschichtnetzen eine Vielzahl von Optimierungsparametern, wie die Blockierungswahrscheinlichkeit, Ausfallsicherheit und Energie-Effizienz. In dieser Arbeit, führen wir verschiedene effiziente Heuristiken ein, um die betrachteten Optimierungsprobleme anzugehen. Wir planen Mehrschichtnetze von Grund auf und minimieren hinsichtlich der Anschaffungskosten basierend auf den Kosten- und Komponenten-Daten des IST NOBEL Phase 2 Projekts. Wir berücksichtigen Anforderungen der Verkehrsströme und Ausfallsicherheit in verschiedenen Schichten und in mehreren Schichten gleichzeitig sowie verschiedene Netzarchitekturen. Aufsetzend auf dem geplanten Netz betrachten wir den Betrieb von Mehrschichtnetzen mit dynamischen Verkehr basiert auf der GMPLS und PCE Architektur. Wir bewerten verschiedene PCE Installationen, Strategien zur Informationsgewinnung und Re-Optimierung. Abschließend, zeigen wir wie Information über die Auslastung im Betrieb genutzt werden kann um Rückmeldung an die Netzplanung zu geben.
T3  - Würzburger Beiträge zur Leistungsbewertung Verteilter Systeme - 02/12 
KW  - Mehrschichtsystem
KW  - Planung
KW  - Ressourcenmanagement
KW  - Ausfallsicheres System
KW  - Mehrschichtnetze
KW  - Pfadberechnungselement
KW  - Ausfallsicherheit
KW  - Multi-Layer
KW  - Design
KW  - Resilience
KW  - Resource Management
KW  - Path Computation Element
Y1  - 2012
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-69433
ER  - 
TY  - THES
A1  - Aschenbrenner, Doris
T1  - Human Robot Interaction Concepts for Human Supervisory Control  and Telemaintenance Applications in an Industry 4.0 Environment
T1  - Mensch-Roboter-Interaktionskonzepte für Fernsteuerungs- und Fernwartungsanwendungen in einer Industrie 4.0 Umgebung
N2  - While teleoperation of technical highly sophisticated systems has already been a wide field of research, especially for space and robotics applications, the automation industry has not yet benefited from its results. Besides the established fields of application, also production lines with industrial robots and the surrounding plant components are in need of being remotely accessible. This is especially critical for maintenance or if an unexpected problem cannot be solved by the local specialists.

Special machine manufacturers, especially robotics companies, sell their technology worldwide. Some factories, for example in emerging economies, lack qualified personnel for repair and maintenance tasks. When a severe failure occurs, an expert of the manufacturer needs to fly there, which leads to long down times of the machine or even the whole production line. With the development of data networks, a huge part of those travels can be omitted, if appropriate teleoperation equipment is provided. 

This thesis describes the development of a telemaintenance system, which was established in an active production line for research purposes. The customer production site of Braun in Marktheidenfeld, a factory which belongs to Procter & Gamble, consists of a six-axis cartesian industrial robot by KUKA Industries, a two-component injection molding system and an assembly unit. The plant produces plastic parts for electric toothbrushes. 

In the research projects "MainTelRob" and "Bayern.digital", during which this plant was utilised, the Zentrum für Telematik e.V. (ZfT) and its project partners develop novel technical approaches and procedures for modern telemaintenance. The term "telemaintenance" hereby refers to the integration of computer science and communication technologies into the maintenance strategy. It is particularly interesting for high-grade capital-intensive goods like industrial robots. Typical telemaintenance tasks are for example the analysis of a robot failure or difficult repair operations. The service department of KUKA Industries is responsible for the worldwide distributed customers who own more than one robot. Currently such tasks are offered via phone support and service staff which travels abroad. They want to expand their service activities on telemaintenance and struggle with the high demands of teleoperation especially regarding security infrastructure. In addition, the facility in Marktheidenfeld has to keep up with the high international standards of Procter & Gamble and wants to minimize machine downtimes. Like 71.6 % of all German companies, P&G sees a huge potential for early information on their production system, but complains about the insufficient quality and the lack of currentness of data.

The main research focus of this work lies on the human machine interface for all human tasks in a telemaintenance setup. This thesis provides own work in the use of a mobile device in context of maintenance, describes new tools on asynchronous remote analysis and puts all parts together in an integrated telemaintenance infrastructure. With the help of Augmented Reality, the user performance and satisfaction could be raised. A special regard is put upon the situation awareness of the remote expert realized by different camera viewpoints. In detail the work consists of:

- Support of maintenance tasks with a mobile device
- Development and evaluation of a context-aware inspection tool 
- Comparison of a new touch-based mobile robot programming device to the former teach pendant
- Study on Augmented Reality support for repair tasks with a mobile device 
- Condition monitoring for a specific plant with industrial robot
- Human computer interaction for remote analysis of a single plant cycle
- A big data analysis tool for a multitude of cycles and similar plants
- 3D process visualization for a specific plant cycle with additional virtual information
- Network architecture in hardware, software and network infrastructure
- Mobile device computer supported collaborative work for telemaintenance
- Motor exchange telemaintenance example in running production environment
- Augmented reality supported remote plant visualization for better situation awareness
N2  - Die Fernsteuerung technisch hochentwickelter Systeme ist seit vielen Jahren ein breites Forschungsfeld, vor allem im Bereich von Weltraum- und Robotikanwendungen. Allerdings hat die Automatisierungsindustrie bislang zu wenig von den Ergebnissen dieses Forschungsgebiets profitiert. Auch Fertigungslinien mit Industrierobotern und weiterer Anlagenkomponenten müssen über die Ferne zugänglich sein, besonders bei Wartungsfällen oder wenn unvorhergesehene Probleme nicht von den lokalen Spezialisten gelöst werden können.
Hersteller von Sondermaschinen wie Robotikfirmen verkaufen ihre Technologie weltweit. Kunden dieser Firmen besitzen beispielsweise Fabriken in Schwellenländern, wo es an qualifizierten Personal für Reparatur und Wartung mangelt. Wenn ein ernster Fehler auftaucht, muss daher ein Experte des Sondermaschinenherstellers zum Kunden fliegen. Das führt zu langen Stillstandzeiten der Maschine. Durch die Weiterentwicklung der Datennetze könnte ein großer Teil dieser Reisen unterbleiben, wenn eine passende Fernwartungsinfrastruktur vorliegen würde.
Diese Arbeit beschreibt die Entwicklung eines Fernwartungssystems, welches in einer aktiven Produktionsumgebung für Forschungszwecke eingerichtet wurde. Die Fertigungsanlage des Kunden wurde von Procter & Gamble in Marktheidenfeld zur Verfügung gestellt und besteht aus einem sechsachsigen, kartesischen Industrieroboter von KUKA Industries, einer Zweikomponentenspritzgussanlage und einer Montageeinheit. Die Anlage produziert Plastikteile für elektrische Zahnbürsten. Diese Anlage wurde im Rahmen der Forschungsprojekte "MainTelRob" und "Bayern.digital" verwendet, in denen das Zentrum für Telematik e.V. (ZfT) und seine Projektpartner neue Ansätze und Prozeduren für moderne Fernwartungs-Technologien entwickeln. 
Fernwartung bedeutet für uns die umfassende Integration von Informatik und Kommunikationstechnologien in der Wartungsstrategie. Das ist vor allem für hochentwickelte, kapitalintensive Güter wie Industrierobotern interessant. Typische Fernwartungsaufgaben sind beispielsweise die Analyse von Roboterfehlermeldungen oder schwierige Reparaturmaßnahmen. Die Service-Abteilung von KUKA Industries ist für die weltweit verteilten Kunden zuständig, die teilweise auch mehr als einen Roboter besitzen. Aktuell werden derartige Aufgaben per Telefonauskunft oder mobilen Servicekräften, die zum Kunden reisen, erledigt. Will man diese komplizierten Aufgaben durch Fernwartung ersetzen um die Serviceaktivitäten auszuweiten muss man mit den hohen Anforderungen von Fernsteuerung zurechtkommen, besonders in Bezug auf Security Infrastruktur. 
Eine derartige umfassende Herangehensweise an Fernwartung bietet aber auch einen lokalen Mehrwert beim Kunden: Die Fabrik in Marktheidenfeld muss den hohen internationalen Standards von Procter & Gamble folgen und will daher die Stillstandzeiten weiter verringern. Wie 71,6 Prozent aller deutschen Unternehmen sieht auch P&G Marktheidenfeld ein großes Potential für frühe Informationen aus ihrem Produktionssystem, haben aber aktuell noch Probleme mit der Aktualität und Qualität dieser Daten.
Der Hauptfokus der hier vorgestellten Forschung liegt auf der Mensch-Maschine-Schnittstelle für alle Aufgaben eines umfassenden Fernwartungskontextes. Diese Arbeit stellt die eigene Arbeiten bei der Verwendung mobiler Endgeräte im Kontext der Wartung und neue Softwarewerkzeuge für die asynchrone Fernanalyse vor und integriert diese Aspekte in eine Fernwartungsinfrastruktur. In diesem Kontext kann gezeigt werden, dass der Einsatz von Augmented Reality die Nutzerleistung und gleichzeitig die Zufriedenheit steigern kann. Dabei wird auf das sogenannte "situative Bewusstsein" des entfernten Experten besonders Wert gelegt. 

Im Detail besteht die Arbeit aus:

- Unterstützung von Wartungsaufgaben mit mobilen Endgeräten
- Entwicklung und Evaluation kontextsensitiver Inspektionssoftware
- Vergleich von touch-basierten Roboterprogrammierung mit der Vorgängerversion des Programmierhandgeräts
- Studien über die Unterstützung von Reparaturaufgaben durch Augmented Reality
- Zustandsüberwachung für eine spezielle Anlage mit Industrieroboter
- Mensch-Maschine Interaktion für die Teleanalyse eines Produktionszyklus
- Grafische Big Data Analyse einer Vielzahl von Produktionszyklen
- 3D Prozess Visualisierung und Anreicherung mit virtuellen Informationen
- Hardware, Software und Netzwerkarchitektur für die Fernwartung
- Computerunterstützte Zusammenarbeit mit Verwendung mobiler Endgeräte für die Fernwartung
- Fernwartungsbeispiel: Durchführung eines Motortauschs in der laufenden Produktion
- Augmented Reality unterstütze Visualisierung des Anlagenkontextes für die Steigerung des situativen Bewusstseins
T3  - Forschungsberichte in der Robotik = Research Notes in Robotics - 13 
KW  - Fernwartung
KW  - Robotik
KW  - Mensch-Maschine-Schnittstelle
KW  - Erweiterte Realität
KW  - Situation Awareness
KW  - Industrie 4.0
KW  - Industrial internet
Y1  - 2017
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-150520
SN  - 978-3-945459-18-8
ER  - 
TY  - THES
A1  - Ostermayer, Ludwig
T1  - Integration of Prolog and Java with the Connector Architecture CAPJa
T1  - Integration von Prolog und Java mit Hilfe der Connector Architecture CAPJa
N2  - Modern software is often realized as a modular combination of subsystems for, e. g.,
knowledge management, visualization, verification, or the interaction with users. As
a result, software libraries from possibly different programming languages have to
work together. Even more complex the case is if different programming paradigms
have to be combined. This type of diversification of programming languages and
paradigms in just one software application can only be mastered by mechanisms
for a seamless integration of the involved programming languages. However, the
integration of the common logic programming language Prolog and the popular
object-oriented programming language Java is complicated by various interoperability
problems which stem on the one hand from the paradigmatic gap between the
programming languages, and on the other hand, from the diversity of the available
Prolog systems.
The subject of the thesis is the investigation of novel mechanisms for the integration
of logic programming in Prolog and object–oriented programming in Java. We are
particularly interested in an object–oriented, uniform approach which is not specific
to just one Prolog system. Therefore, we have first identified several important
criteria for the seamless integration of Prolog and Java from the object–oriented
perspective. The main contribution of the thesis is a novel integration framework
called the Connector Architecture for Prolog and Java (CAPJa). The framework is
completely implemented in Java and imposes no modifications to the Java Virtual
Machine or Prolog. CAPJa provides a semi–automated mechanism for the integration
of Prolog predicates into Java. For compact, readable, and object–oriented
queries to Prolog, CAPJa exploits lambda expressions with conditional and relational
operators in Java. The communication between Java and Prolog is based
on a fully automated mapping of Java objects to Prolog terms, and vice versa. In
Java, an extensible system of gateways provides connectivity with various Prolog
system and, moreover, makes any connected Prolog system easily interchangeable,
without major adaption in Java.
N2  - Moderne Software ist oft modular zusammengesetzt aus Subsystemen zur Wissensverwaltung,
Visualisierung, Verfikation oder Benutzerinteraktion. Dabei müssen
Programmbibliotheken aus möglicherweise verschiedenen Programmiersprachen miteinander
zusammenarbeiten. Noch komplizierter ist der Fall, wenn auch noch verschiedene
Programmierparadigmen miteinander kombiniert werden. Diese Art der
Diversifikation an Programmiersprachen und –paradigmen in nur einer Software
kann nur von nahtlosen Integrationsmechansimen für die beteiligten Programmiersprachen
gemeistert werden. Gerade die Einbindung der gängigen Logikprogrammiersprache
Prolog und der populären objektorientierten Programmiersprache
Java wird durch zahlreiche Kompatibilitätsprobleme erschwert, welche auf der einen
Seite von paradigmatischen Unterschieden der beiden Programmiersprachen herrühren
und auf der anderen Seite von der Vielfalt der erhältlichen Prologimplementierungen.
Gegenstand dieser Arbeit ist die Untersuchung von neuartigen Mechanismen für
die Zusammenführung von Logikprogrammierung in Prolog und objektorienter
Programmierung in Java. Besonders interessiert uns dabei ein objektorientierter,
einheitlicher Ansatz, der nicht auf eine konkrete Prologimplementierung festgelegt
ist. Aus diesem Grund haben wir zunächst wichtige Kriterien für die nahtlose Integration
von Prolog und Java aus der objetorientierten Sicht identifziert. Der
Hauptbeitrag dieser Arbeit ist ein neuartiges Integrationssystems, welches Connector
Architecture for Prolog and Java (CAPJa) heißt. Das System ist komplett in
Java implementiert und benötigt keine Anpassungen der Java Virtual Machine
oder Prolog. CAPJa stellt einen halbautomatischen Mechanismus zur Vernetzung
von Prolog Prädikaten mit Java zur Verfügung. Für kompakte, lesbare und objektorientierte
Anfragen an Prolog nutzt CAPJa Lambdaausdrücke mit logischen
und relationalen Operatoren in Java. Die Kommunikation zwischen Java und Prolog
basiert auf einer automatisierten Abbildung von Java Objekten auf Prolog
Terme, und umgekehrt. In Java bietet ein erweiterbares System von Schnittstellen
Konnektivität zu einer Vielzahl an Prologimplmentierung und macht darüber hinaus jede verbundene Prologimplementierung einfach austauschbar, und zwar ohne größere Anpassung in Java.
KW  - Logische Programmierung
KW  - Objektorientierte Programmierung
KW  - PROLOG <Programmiersprache>
KW  - Java <Programmiersprache>
KW  - Multi-Paradigm Programming
KW  - Logic Programming
KW  - Object-Oriented Programming
KW  - Multi-Paradigm Programming Framework
Y1  - 2017
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-150713
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TY  - THES
A1  - Zeiger, Florian
T1  - Internet Protocol based networking of mobile robots
T1  - Internet Protokoll basierte Vernetzung von mobilen Robotern
N2  - This work is composed of three main parts: remote control of mobile systems via Internet, ad-hoc networks of mobile robots, and remote control of mobile robots via 3G telecommunication technologies. The first part gives a detailed state of the art and a discussion of the problems to be solved in order to teleoperate mobile robots via the Internet. The focus of the application to be realized is set on a distributed tele-laboratory with remote experiments on mobile robots which can be accessed world-wide via the Internet. Therefore, analyses of the communication link are used in order to realize a robust system. The developed and implemented architecture of this distributed tele-laboratory allows for a smooth access also with a variable or low link quality. The second part covers the application of ad-hoc networks for mobile robots. The networking of mobile robots via mobile ad-hoc networks is a very promising approach to realize integrated telematic systems without relying on preexisting communication infrastructure. Relevant civilian application scenarios are for example in the area of search and rescue operations where first responders are supported by multi-robot systems. Here, mobile robots, humans, and also existing stationary sensors can be connected very fast and efficient. Therefore, this work investigates and analyses the performance of different ad-hoc routing protocols for IEEE 802.11 based wireless networks in relevant scenarios. The analysis of the different protocols allows for an optimization of the parameter settings in order to use these ad-hoc routing protocols for mobile robot teleoperation. Also guidelines for the realization of such telematics systems are given. Also traffic shaping mechanisms of application layer are presented which allow for a more efficient use of the communication link. An additional application scenario, the integration of a small size helicopter into an IP based ad-hoc network, is presented. The teleoperation of mobile robots via 3G telecommunication technologies is addressed in the third part of this work. The high availability, high mobility, and the high bandwidth provide a very interesting opportunity to realize scenarios for the teleoperation of mobile robots or industrial remote maintenance. This work analyses important parameters of the UMTS communication link and investigates also the characteristics for different data streams. These analyses are used to give guidelines which are necessary for the realization of or industrial remote maintenance or mobile robot teleoperation scenarios. All the results and guidelines for the design of telematic systems in this work were derived from analyses and experiments with real hardware.
N2  - Diese Arbeit gliedert sich in drei Hauptteile: Fernsteuerung mobiler Systeme über das Internet, ad-hoc Netzwerke mobiler Roboter und Fernsteuerung mobiler Roboter über Mobilfunktechnologien der 3. Generation. Im ersten Teil werden ein ausführlicher Stand der Technik und eine Diskussion der bei der Fernsteuerung mobiler Roboter über das Internet zu lösenden Probleme gegeben. Der Fokus der zu realisierenden Anwendung in diesem Teil der Arbeit liegt auf einem verteilten Tele-Labor mit Experimenten zu mobilen Robotern, welche über das Internet weltweit zugänglich sind. Hierzu werden Link-Analysen der zugrundeliegenden Kommunikationsinfrastruktur zu Hilfe genommen, um ein robustes System zu realisieren. Die entwickelte und implementierte Architektur des verteilten Tele-Labors erlaubt einen reibungslosen Zugang auch für Verbindungen mit variabler oder schlechter Linkqualität. Im zweiten Teil werden ad-hoc Netzwerke mobiler Roboter behandelt. Die Vernetzung mobiler Roboter über mobile ad-hoc Netzwerke ist eine vielversprechende Möglichkeit um integrierte Telematiksysteme zu realisieren ohne auf zuvor existierende Infrastruktur angewiesen zu sein. Relevante Einsatzszenarien im zivilen Bereich sind zum Beispiel Such- und Rettungsszenarien, in denen die Rettungskräfte vor Ort durch vernetzte Multi-Roboter Systeme unterstütz werden. Hier werden dann mobile Roboter, Menschen und gegebenenfalls auch vorhandene stationäre Sensoren schnell und effizient vernetzt. In dieser Arbeit werden dazu verschieden ad-hoc Routing-Protokolle für IEEE 802.11 basierte Drahtlosnetzwerke in relevanten Szenarien untersucht und deren Leistungsfähigkeit verglichen. Die Analyse der verschiedenen Protokolle erlaubt eine Optimierung der Parametereinstellung, um diese ad-hoc Routing-Protokolle zur Fernsteuerung mobiler Roboter nutzbar zu machen. Weiterhin werden Richtlinien zur Realisierung solcher Telematiksysteme erarbeitet und Mechanismen zur Verkehrsformung auf Applikationsebene präsentiert, die eine effizientere Nutzung der vorhandenen Kommunikationskanäle erlauben. Als weiteres Anwendungsbeispiel ist die Integration eines ferngesteuerten Kleinhubschraubers in ein IP basiertes ad-hoc Netz beschrieben. Der dritte Teil der Arbeit beschäftigt sich mit der Fernsteuerung mobiler Roboter über Mobilfunktechnologien der 3. Generation. Die hohe Verfügbarkeit der UMTS-Technologie mit der verbundenen Mobilität und der gleichzeitigen hohen Bandbreite bietet hier eine interessante Möglichkeit um die Fernsteuerung mobiler Roboter oder auch interaktive Fernwartungsszenarien zu realisieren. In der vorliegenden Arbeit werden wichtige Parameter der UMTS Verbindung analysiert und auch die Charakteristiken der Verbindung für verschiedene Verkehrsströme ermittelt. Diese dienen dann zur Erstellung von Richtlinien, die zur Umsetzung der interaktive Fernwartungsszenarien oder auch der Fernsteuerung mobiler Roboter nötig sind. Die in dieser Arbeit erstellten Richtlinien zum Entwurf von Telematiksystemen wurden aus Analysen und Experimenten mit realer Hardware abgeleitet.
T3  - Forschungsberichte in der Robotik = Research Notes in Robotics - 4 
KW  - Robotik
KW  - Mobiler Roboter
KW  - Fernsteuerung
KW  - vernetzte Roboter
KW  - Telematik
KW  - Fernsteuerung
KW  - Robotik
KW  - Internet Protokoll
KW  - networked robotics
KW  - telematics
KW  - remote control
KW  - robotics
KW  - internet protocol
Y1  - 2010
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-54776
SN  - 978-3-923959-59-4
ER  - 
TY  - THES
A1  - Atzmüller, Martin
T1  - Knowledge-Intensive Subgroup Mining - Techniques for Automatic and Interactive Discovery
T1  - Wissensintensive Subgruppenentdeckung – Automatische und Interaktive Entdeckungsmethoden
N2  - Data mining has proved its significance in various domains and applications. As an important subfield of the general data mining task, subgroup mining can be used, e.g., for marketing purposes in business domains, or for quality profiling and analysis in medical domains. The goal is to efficiently discover novel, potentially useful and ultimately interesting knowledge. However, in real-world situations these requirements often cannot be fulfilled, e.g., if the applied methods do not scale for large data sets, if too many results are presented to the user, or if many of the discovered patterns are already known to the user. This thesis proposes a combination of several techniques in order to cope with the sketched problems: We discuss automatic methods, including heuristic and exhaustive approaches, and especially present the novel SD-Map algorithm for exhaustive subgroup discovery that is fast and effective. For an interactive approach we describe techniques for subgroup introspection and analysis, and we present advanced visualization methods, e.g., the zoomtable that directly shows the most important parameters of a subgroup and that can be used for optimization and exploration. We also describe various visualizations for subgroup comparison and evaluation in order to support the user during these essential steps. Furthermore, we propose to include possibly available background knowledge that is easy to formalize into the mining process. We can utilize the knowledge in many ways: To focus the search process, to restrict the search space, and ultimately to increase the efficiency of the discovery method. We especially present background knowledge to be applied for filtering the elements of the problem domain, for constructing abstractions, for aggregating values of attributes, and for the post-processing of the discovered set of patterns. Finally, the techniques are combined into a knowledge-intensive process supporting both automatic and interactive methods for subgroup mining. The practical significance of the proposed approach strongly depends on the available tools. We introduce the VIKAMINE system as a highly-integrated environment for knowledge-intensive active subgroup mining. Also, we present an evaluation consisting of two parts: With respect to objective evaluation criteria, i.e., comparing the efficiency and the effectiveness of the subgroup discovery methods, we provide an experimental evaluation using generated data. For that task we present a novel data generator that allows a simple and intuitive specification of the data characteristics. The results of the experimental evaluation indicate that the novel SD-Map method outperforms the other described algorithms using data sets similar to the intended application concerning the efficiency, and also with respect to precision and recall for the heuristic methods. Subjective evaluation criteria include the user acceptance, the benefit of the approach, and the interestingness of the results. We present five case studies utilizing the presented techniques: The approach has been successfully implemented in medical and technical applications using real-world data sets. The method was very well accepted by the users that were able to discover novel, useful, and interesting knowledge.
N2  - Data Mining wird mit großem Erfolg in vielen Domänen angewandt. Subgruppenentdeckung als wichtiges Teilgebiet des Data Mining kann zum Beispiel gut im Marketing, oder zur Qualitätskontrolle und Analyse in medizinischen Domänen eingesetzt werden. Das allgemeine Ziel besteht darin, potentiell nützliches and letztendlich interessantes Wissen zu entdecken. Jedoch können diese Anforderungen im praktischen Einsatz oft nicht erfüllt werden, etwa falls die eingesetzten Methoden eine schlechte Skalierbarkeit für größere Datensätze aufweisen, falls dem Benutzer zu viele Ergebnisse präsentiert werden, oder falls der Anwender viele der gefundenen Subgruppen-Muster schon kennt. Diese Arbeit stellt eine Kombination von automatischen und interaktiven Techniken vor, um mit den genannten Problemen besser umgehen zu können: Es werden automatische heuristische und vollständige Subgruppenentdeckungs-Verfahren diskutiert, und insbesondere der neuartige SD-Map Algorithmus zur vollständigen Subgruppenentdeckung vorgestellt der sowohl schnell als auch effektiv ist. Bezüglich der interaktiven Techniken werden Methoden zur Subgruppen-Introspektion und Analyse, und fortgeschrittene Visualisierungstechniken vorgestellt, beispielsweise die Zoomtable, die die für die Subgruppenentdeckung wichtigsten Parameter direkt visualisiert und zur Optimierung und Exploration eingesetzt werden kann. Zusätzlich werden verschiedene Visualisierungen zum Vergleich und zur Evaluation von Subgruppen beschrieben um den Benutzer bei diesen essentiellen Schritten zu unterstützen. Weiterhin wird leicht zu formalisierendes Hintergrundwissen vorgestellt, das im Subgruppenentdeckungsprozess in vielfältiger Weise eingesetzt werden kann: Um den Entdeckungsprozess zu fokussieren, den Suchraum einzuschränken, und letztendlich die Effizienz der Entdeckungsmethode zu erhöhen. Insbesondere wird Hintergrundwissen eingeführt, um die Elemente der Anwendungsdomäne zu filtern, um geeignete Abstraktionen zu definieren, Werte zusammenzufassen, und die gefundenen Subgruppenmuster nachzubearbeiten. Schließlich werden diese Techniken in einen wissensintensiven Prozess integriert, der sowohl automatische als auch interaktive Methoden zur Subgruppenentdeckung einschließt. Die praktische Bedeutung des vorgestellten Ansatzes hängt stark von den verfügbaren Werkzeugen ab. Dazu wird das VIKAMINE System als hochintegrierte Umgebung für die wissensintensive aktive Subgruppenentdeckung präsentiert. Die Evaluation des Ansatzes besteht aus zwei Teilen: Hinsichtlich einer Evaluation von Effizienz und Effektivität der Verfahren wird eine experimentelle Evaluation mit synthetischen Daten vorgestellt. Für diesen Zweck wird ein neuartiger in der Arbeit entwickelter Datengenerator angewandt, der eine einfache und intuitive Spezifikation der Datencharakteristiken erlaubt. Für die Evaluation des Ansatzes wurden Daten erzeugt, die ähnliche Charakteristiken aufweisen wie die Daten des angestrebten Einsatzbereichs. Die Ergebnisse der Evaluation zeigen, dass der neuartige SD-Map Algorithmus den anderen in der Arbeit beschriebenen Standard-Algorithmen überlegen ist. Sowohl hinsichtlich der Effizienz, als auch von Precision/Recall bezogen auf die heuristischen Algorithmen bietet SD-Map deutliche Vorteile. Subjektive Evaluationskriterien sind durch die Benutzerakzeptanz, den Nutzen des Ansatzes, und die Interessantheit der Ergebnisse gegeben. Es werden fünf Fallstudien für den Einsatz der vorgestellten Techniken beschrieben: Der Ansatz wurde in medizinischen und technischen Anwendungen mit realen Daten eingesetzt. Dabei wurde er von den Benutzern sehr gut angenommen, und im praktischen Einsatz konnte neuartiges, nützliches, und interessantes Wissen entdeckt werden.
KW  - Data Mining
KW  - Algorithmus
KW  - Visualisierung
KW  - Subgruppenentdeckung
KW  - Hintergrundwissen
KW  - Wissensendeckung
KW  - Data Mining
KW  - Visualisierung
KW  - Subgroup Mining
KW  - Background Knowledge
KW  - Knowledge Discovery
KW  - Data Mining
KW  - Visualization
Y1  - 2006
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-21004
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TY  - THES
A1  - Somody, Joseph Christian Campbell
T1  - Leveraging deep learning for identification and structural determination of novel protein complexes from \(in\) \(situ\) electron cryotomography of \(Mycoplasma\) \(pneumoniae\)
T1  - Tiefenlernen als Werkzeug zur Identifizierung und Strukturbestimmung neuer Proteinkomplexe aus der \(in\)-\(situ\)-Elektronenkryotomographie von \(Mycoplasma\) \(pneumoniae\)
N2  - The holy grail of structural biology is to study a protein in situ, and this goal has been fast approaching since the resolution revolution and the achievement of atomic resolution. A cell's interior is not a dilute environment, and proteins have evolved to fold and function as needed in that environment; as such, an investigation of a cellular component should ideally include the full complexity of the cellular environment. Imaging whole cells in three dimensions using electron cryotomography is the best method to accomplish this goal, but it comes with a limitation on sample thickness and produces noisy data unamenable to direct analysis. This thesis establishes a novel workflow to systematically analyse whole-cell electron cryotomography data in three dimensions and to find and identify instances of protein complexes in the data to set up a determination of their structure and identity for success. Mycoplasma pneumoniae is a very small parasitic bacterium with fewer than 700 protein-coding genes, is thin enough and small enough to be imaged in large quantities by electron cryotomography, and can grow directly on the grids used for imaging, making it ideal for exploratory studies in structural proteomics. As part of the workflow, a methodology for training deep-learning-based particle-picking models is established.

As a proof of principle, a dataset of whole-cell Mycoplasma pneumoniae tomograms is used with this workflow to characterize a novel membrane-associated complex observed in the data. Ultimately, 25431 such particles are picked from 353 tomograms and refined to a density map with a resolution of 11 Å. Making good use of orthogonal datasets to filter search space and verify results, structures were predicted for candidate proteins and checked for suitable fit in the density map. In the end, with this approach, nine proteins were found to be part of the complex, which appears to be associated with chaperone activity and interact with translocon machinery.

Visual proteomics refers to the ultimate potential of in situ electron cryotomography: the comprehensive interpretation of tomograms. The workflow presented here is demonstrated to help in reaching that potential.
N2  - Der heilige Gral der Strukturbiologie ist die Untersuchung eines Proteins in situ, und dieses Ziel ist seit der Auflösungsrevolution und dem Erreichen der atomaren Auflösung in greifbare Nähe gerückt. Das Innere einer Zelle ist keine verdünnte Umgebung, und Proteine haben sich so entwickelt, dass sie sich falten und so funktionieren, wie es in dieser Umgebung erforderlich ist; daher sollte die Untersuchung einer zellulären Komponente idealerweise die gesamte Komplexität der zellulären Umgebung umfassen. Die Abbildung ganzer Zellen in drei Dimensionen mit Hilfe der Elektronenkryotomographie ist die beste Methode, um dieses Ziel zu erreichen, aber sie ist mit einer Beschränkung der Probendicke verbunden und erzeugt verrauschte Daten, die sich nicht für eine direkte Analyse eignen. In dieser Dissertation wird ein neuartiger Workflow zur systematischen dreidimensionalen Analyse von Ganzzell-Elektronenkryotomographiedaten und zur Auffindung und Identifizierung von Proteinkomplexen in diesen Daten entwickelt, um eine erfolgreiche Bestimmung ihrer Struktur und Identität zu ermöglichen. Mycoplasma pneumoniae ist ein sehr kleines parasitäres Bakterium mit weniger als 700 proteinkodierenden Genen. Es ist dünn und klein genug, um in grossen Mengen durch Elektronenkryotomographie abgebildet zu werden, und kann direkt auf den für die Abbildung verwendeten Gittern wachsen, was es ideal für Sondierungsstudien in der strukturellen Proteomik macht. Als Teil des Workflows wird eine Methodik für das Training von Deep-Learning-basierten Partikelpicken-Modellen entwickelt.

Als Proof-of-Principle wird ein Dataset von Ganzzell-Tomogrammen von Mycoplasma pneumoniae mit diesem Workflow verwendet, um einen neuartigen membranassoziierten Komplex zu charakterisieren, der in den Daten beobachtet wurde. Insgesamt wurden 25431 solcher Partikel aus 353 Tomogrammen gepickt und zu einer Dichtekarte mit einer Auflösung von 11 Å verfeinert. Unter Verwendung orthogonaler Datensätze zur Filterung des Suchraums und zur Überprüfung der Ergebnisse wurden Strukturen für Protein-Kandidaten vorhergesagt und auf ihre Eignung für die Dichtekarte überprüft. Letztendlich wurden mit diesem Ansatz neun Proteine als Bestandteile des Komplexes gefunden, der offenbar mit der Chaperonaktivität in Verbindung steht und mit der Translocon-Maschinerie interagiert.

Das ultimative Potenzial der In-situ-Elektronenkryotomographie – die umfassende Interpretation von Tomogrammen – wird als visuelle Proteomik bezeichnet. Der hier vorgestellte Workflow soll dabei helfen, dieses Potenzial auszuschöpfen.
KW  - Kryoelektronenmikroskopie
KW  - Tomografie
KW  - Mycoplasma pneumoniae
KW  - Deep learning
KW  - cryo-EM
KW  - cryo-ET
KW  - tomography
KW  - mycoplasma
KW  - pneumoniae
KW  - deep learning
KW  - particle picking
KW  - membrane protein
KW  - visual proteomics
Y1  - 2023
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-313447
ER  - 
TY  - THES
A1  - Krenzer, Adrian
T1  - Machine learning to support physicians in endoscopic examinations with a focus on automatic polyp detection in images and videos
T1  - Maschinelles Lernen zur Unterstützung von Ärzten bei endoskopischen Untersuchungen mit Schwerpunkt auf der automatisierten Polypenerkennung in Bildern und Videos
N2  - Deep learning enables enormous progress in many computer vision-related tasks. Artificial Intel- ligence (AI) steadily yields new state-of-the-art results in the field of detection and classification. Thereby AI performance equals or exceeds human performance. Those achievements impacted many domains, including medical applications.
One particular field of medical applications is gastroenterology. In gastroenterology, machine learning algorithms are used to assist examiners during interventions. One of the most critical concerns for gastroenterologists is the development of Colorectal Cancer (CRC), which is one of the leading causes of cancer-related deaths worldwide. Detecting polyps in screening colonoscopies is the essential procedure to prevent CRC. Thereby, the gastroenterologist uses an endoscope to screen the whole colon to find polyps during a colonoscopy. Polyps are mucosal growths that can vary in severity.
This thesis supports gastroenterologists in their examinations with automated detection and clas- sification systems for polyps. The main contribution is a real-time polyp detection system. This system is ready to be installed in any gastroenterology practice worldwide using open-source soft- ware. The system achieves state-of-the-art detection results and is currently evaluated in a clinical trial in four different centers in Germany.
The thesis presents two additional key contributions: One is a polyp detection system with ex- tended vision tested in an animal trial. Polyps often hide behind folds or in uninvestigated areas. Therefore, the polyp detection system with extended vision uses an endoscope assisted by two additional cameras to see behind those folds. If a polyp is detected, the endoscopist receives a vi- sual signal. While the detection system handles the additional two camera inputs, the endoscopist focuses on the main camera as usual.
The second one are two polyp classification models, one for the classification based on shape (Paris) and the other on surface and texture (NBI International Colorectal Endoscopic (NICE) classification). Both classifications help the endoscopist with the treatment of and the decisions about the detected polyp.
The key algorithms of the thesis achieve state-of-the-art performance. Outstandingly, the polyp detection system tested on a highly demanding video data set shows an F1 score of 90.25 % while working in real-time. The results exceed all real-time systems in the literature. Furthermore, the first preliminary results of the clinical trial of the polyp detection system suggest a high Adenoma Detection Rate (ADR). In the preliminary study, all polyps were detected by the polyp detection system, and the system achieved a high usability score of 96.3 (max 100). The Paris classification model achieved an F1 score of 89.35 % which is state-of-the-art. The NICE classification model achieved an F1 score of 81.13 %.
Furthermore, a large data set for polyp detection and classification was created during this thesis. Therefore a fast and robust annotation system called Fast Colonoscopy Annotation Tool (FastCAT) was developed. The system simplifies the annotation process for gastroenterologists. Thereby the
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gastroenterologists only annotate key parts of the endoscopic video. Afterward, those video parts are pre-labeled by a polyp detection AI to speed up the process. After the AI has pre-labeled the frames, non-experts correct and finish the annotation. This annotation process is fast and ensures high quality. FastCAT reduces the overall workload of the gastroenterologist on average by a factor of 20 compared to an open-source state-of-art annotation tool.
N2  - Deep Learning ermöglicht enorme Fortschritte bei vielen Aufgaben im Bereich der Computer Vision. Künstliche Intelligenz (KI) liefert ständig neue Spitzenergebnisse im Bereich der Erkennung und Klassifizierung. Dabei erreicht oder übertrifft die Leistung von KI teilweise die menschliche Leistung. Diese Errungenschaften wirken sich auf viele Bereiche aus, darunter auch auf medizinische Anwendungen.
Ein besonderer Bereich der medizinischen Anwendungen ist die Gastroenterologie. In der Gastroenterologie werden Algorithmen des maschinellen Lernens eingesetzt, um den Untersucher bei medizinischen Eingriffen zu unterstützen. Eines der größten Probleme für Gastroenterologen ist die Entwicklung von Darmkrebs, die weltweit eine der häufigsten krebsbedingten Todesursachen ist. Die Erkennung von Polypen bei Darmspiegelungen ist das wichtigste Verfahren zur Vorbeugung von Darmkrebs. Dabei untersucht der Gastroenterologe den Dickdarm im Rahmen einer Koloskopie, um z.B. Polypen zu finden. Polypen sind Schleimhautwucherungen, die unterschiedlich stark ausgeprägt sein können.
Diese Arbeit unterstützt Gastroenterologen bei ihren Untersuchungen mit automatischen Erkennungssystemen und Klassifizierungssystemen für Polypen. Der Hauptbeitrag ist ein Echtzeitpolypenerkennungssystem. Dieses System kann in jeder gastroenterologischen Praxis weltweit mit Open- Source-Software installiert werden. Das System erzielt Erkennungsergebnisse auf dem neusten Stand der Technik und wird derzeit in einer klinischen Studie in vier verschiedenen Praxen in Deutschland evaluiert.
In dieser Arbeit werden zwei weitere wichtige Beiträge vorgestellt: Zum einen ein Polypenerkennungssystem mit erweiterter Sicht, das in einem Tierversuch getestet wurde. Polypen verstecken sich oft hinter Falten oder in nicht untersuchten Bereichen. Daher verwendet das Polypenerkennungssystem mit erweiterter Sicht ein Endoskop, das von zwei zusätzlichen Kameras unterstützt wird, um hinter diese Falten zu sehen. Wenn ein Polyp entdeckt wird, erhält der Endoskopiker ein visuelles Signal. Während das Erkennungssystem die beiden zusätzlichen Kameraeingaben verarbeitet, konzentriert sich der Endoskopiker wie gewohnt auf die Hauptkamera.
Das zweite sind zwei Polypenklassifizierungsmodelle, eines für die Klassifizierung anhand der Form (Paris) und das andere anhand der Oberfläche und Textur (NICE-Klassifizierung). Beide Klassifizierungen helfen dem Endoskopiker bei der Behandlung und Entscheidung über den erkannten Polypen.
Die Schlüsselalgorithmen der Dissertation erreichen eine Leistung, die dem neuesten Stand der Technik entspricht. Herausragend ist, dass das auf einem anspruchsvollen Videodatensatz getestete Polypenerkennungssystem einen F1-Wert von 90,25 % aufweist, während es in Echtzeit arbeitet. Die Ergebnisse übertreffen alle Echtzeitsysteme für Polypenerkennung in der Literatur. Darüber hinaus deuten die ersten vorläufigen Ergebnisse einer klinischen Studie des Polypenerkennungssystems auf eine hohe Adenomdetektionsrate ADR hin. In dieser Studie wurden alle Polypen durch das Polypenerkennungssystem erkannt, und das System erreichte einen hohe Nutzerfreundlichkeit von 96,3 (maximal 100). Bei der automatischen Klassifikation von Polypen basierend auf der Paris Klassifikations erreichte das in dieser Arbeit entwickelte System einen F1-Wert von 89,35 %, was dem neuesten Stand der Technik entspricht. Das NICE-Klassifikationsmodell erreichte eine F1- Wert von 81,13 %.
Darüber hinaus wurde im Rahmen dieser Arbeit ein großer Datensatz zur Polypenerkennung und -klassifizierung erstellt. Dafür wurde ein schnelles und robustes Annotationssystem namens FastCAT entwickelt. Das System vereinfacht den Annotationsprozess für Gastroenterologen. Die Gastroenterologen annotieren dabei nur die wichtigsten Teile des endoskopischen Videos. Anschließend werden diese Videoteile von einer Polypenerkennungs-KI vorverarbeitet, um den Prozess zu beschleunigen. Nachdem die KI die Bilder vorbeschriftet hat, korrigieren und vervollständigen Nicht-Experten die Annotationen. Dieser Annotationsprozess ist schnell und gewährleistet eine hohe Qualität. FastCAT reduziert die Gesamtarbeitsbelastung des Gastroenterologen im Durchschnitt um den Faktor 20 im Vergleich zu einem Open-Source-Annotationstool auf dem neuesten Stand der Technik.
KW  - Deep Learning
KW  - Maschinelles Lernen
KW  - Maschinelles Sehen
KW  - Machine Learning
KW  - Object Detection
KW  - Medical Image Analysis
KW  - Computer Vision
KW  - Gastroenterologische Endoskopie
KW  - Polypektomie
Y1  - 2023
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-319119
ER  - 
TY  - THES
A1  - Sauer, Markus
T1  - Mixed-Reality for Enhanced Robot Teleoperation
T1  - Mixed-Reality zur verbesserten Fernbedienung von Robotern
N2  - In den letzten Jahren ist die Forschung in der Robotik soweit fortgeschritten, dass die Mensch-Maschine Schnittstelle zunehmend die kritischste Komponente für eine hohe Gesamtperformanz von Systemen zur Navigation und Koordination von Robotern wird. In dieser Dissertation wird untersucht wie Mixed-Reality Technologien für Nutzerschnittstellen genutzt werden können, um diese Gesamtperformanz zu erhöhen. Hierzu werden Konzepte und Technologien entwickelt, die durch Evaluierung mit Nutzertest ein optimiertes und anwenderbezogenes Design von Mixed-Reality Nutzerschnittstellen ermöglichen. Er werden somit sowohl die technische Anforderungen als auch die menschlichen Faktoren für ein konsistentes Systemdesign berücksichtigt. Nach einer detaillierten Problemanalyse und der Erstellung eines Systemmodels, das den Menschen als Schlüsselkomponente mit einbezieht, wird zunächst die Anwendung der neuartigen 3D-Time-of-Flight Kamera zur Navigation von Robotern, aber auch für den Einsatz in Mixed-Reality Schnittstellen analysiert und optimiert. Weiterhin wird gezeigt, wie sich der Netzwerkverkehr des Videostroms als wichtigstes Informationselement der meisten Nutzerschnittstellen für die Navigationsaufgabe auf der Netzwerk Applikationsebene in typischen Multi-Roboter Netzwerken mit dynamischen Topologien und Lastsituation optimieren lässt. Hierdurch ist es möglich in sonst in sonst typischen Ausfallszenarien den Videostrom zu erhalten und die Bildrate zu stabilisieren. Diese fortgeschrittenen Technologien werden dann auch dem entwickelten Konzept der generischen 3D Mixed Reality Schnittselle eingesetzt. Dieses Konzept ermöglicht eine integrierte 3D Darstellung der verfügbaren Information, so dass räumliche Beziehungen von Informationen aufrechterhalten werden und somit die Anzahl der mentalen Transformationen beim menschlichen Bediener reduziert wird. Gleichzeitig werden durch diesen Ansatz auch immersive Stereo Anzeigetechnologien unterstützt, welche zusätzlich das räumliche Verständnis der entfernten Situation fördern. Die in der Dissertation vorgestellten und evaluierten Ansätze nutzen auch die Tatsache, dass sich eine lokale Autonomie von Robotern heute sehr robust realisieren lässt. Dies wird zum Beispiel zur Realisierung eines Assistenzsystems mit variabler Autonomie eingesetzt. Hierbei erhält der Fernbediener über eine Kraftrückkopplung kombiniert mit einer integrierten Augmented Reality Schnittstelle, einen Eindruck über die Situation am entfernten Arbeitsbereich, aber auch über die aktuelle Navigationsintention des Roboters. Die durchgeführten Nutzertests belegen die signifikante Steigerung der Navigationsperformanz durch den entwickelten Ansatz. Die robuste lokale Autonomie ermöglicht auch den in der Dissertation eingeführten Ansatz der prädiktiven Mixed-Reality Schnittstelle. Die durch diesen Ansatz entkoppelte Regelschleife über den Menschen ermöglicht es die Sichtbarkeit von unvermeidbaren Systemverzögerungen signifikant zu reduzieren. Zusätzlich können durch diesen Ansatz beide für die Navigation hilfreichen Blickwinkel in einer 3D-Nutzerschnittstelle kombiniert werden – der exozentrische Blickwinkel und der egozentrische Blickwinkel als Augmented Reality Sicht.
N2  - With the progress in robotics research the human machine interfaces reach more and more the status of being the major limiting factor for the overall system performance of a system for remote navigation and coordination of robots. In this monograph it is elaborated how mixed reality technologies can be applied for the user interfaces in order to increase the overall system performance. Concepts, technologies, and frameworks are developed and evaluated in user studies which enable for novel user-centered approaches to the design of mixed-reality user interfaces for remote robot operation. Both the technological requirements and the human factors are considered to achieve a consistent system design. Novel technologies like 3D time-of-flight cameras are investigated for the application in the navigation tasks and for the application in the developed concept of a generic mixed reality user interface. In addition it is shown how the network traffic of a video stream can be shaped on application layer in order to reach a stable frame rate in dynamic networks. The elaborated generic mixed reality framework enables an integrated 3D graphical user interface. The realized spatial integration and visualization of available information reduces the demand for mental transformations for the human operator and supports the use of immersive stereo devices. The developed concepts make also use of the fact that local robust autonomy components can be realized and thus can be incorporated as assistance systems for the human operators. A sliding autonomy concept is introduced combining force and visual augmented reality feedback. The force feedback component allows rendering the robot's current navigation intention to the human operator, such that a real sliding autonomy with seamless transitions is achieved. The user-studies prove the significant increase in navigation performance by application of this concept. The generic mixed reality user interface together with robust local autonomy enables a further extension of the teleoperation system to a short-term predictive mixed reality user interface. With the presented concept of operation, it is possible to significantly reduce the visibility of system delays for the human operator. In addition, both advantageous characteristics of a 3D graphical user interface for robot teleoperation- an exocentric view and an augmented reality view – can be combined.
T3  - Forschungsberichte in der Robotik = Research Notes in Robotics - 5 
KW  - Mobiler Roboter
KW  - Autonomer Roboter
KW  - Mensch-Maschine-Schnittstelle
KW  - Mixed Reality
KW  - Mensch-Roboter-Interaktion
KW  - Teleoperation
KW  - Benutzerschnittstelle
KW  - Robotik
KW  - Mensch-Maschine-System
KW  - Human-Robot-Interaction
KW  - Teleoperation
KW  - User Interface
Y1  - 2010
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-55083
SN  - 978-3-923959-67-9
ER  - 
TY  - THES
A1  - Staehle, Barbara
T1  - Modeling and Optimization Methods for Wireless Sensor and Mesh Networks
T1  - Modellierungs- und Optimierungs-Methoden für drahtlose Sensor- und Mesh-Netze
N2  - Im Internet der Zukunft werden Menschen nicht nur mit Menschen, sondern auch mit „Dingen“, und sogar „Dinge“ mit „Dingen“ kommunizieren. Zusätzlich wird das Bedürfnis steigen, immer und überall Zugang zum Internet zu haben. Folglich gewinnen drahtlose Sensornetze (WSNs) und drahtlose Mesh-Netze (WMNs) an Bedeutung, da sie Daten über die Umwelt ins Internet liefern, beziehungsweise einfache Internet-Zugangsmöglichkeiten schaffen. In den vier Teilen dieser Arbeit werden unterschiedliche Modellierungs- und Optimierungsmethoden für WSNs und WMNs vorgestellt. Der Energieverbrauch ist die wichtigste Metrik, wenn es darum geht die Kommunikation in einem WSN zu optimieren. Da sich in der Literatur sehr viele unterschiedliche Energiemodelle finden, untersucht der erste Teil der Arbeit welchen Einfluss unterschiedliche Energiemodelle auf die Optimierung von WSNs haben. Aufbauend auf diesen Überlegungen beschäftigt sich der zweite Teil der Arbeit mit drei Problemen, die überwunden werden müssen um eine standardisierte energieeffiziente Kommunikations-Lösung für WSNs basierend auf IEEE 802.15.4 und ZigBee zu realisieren. Für WMNs sind beide Probleme von geringem Interesse, die Leistung des Netzes jedoch umso mehr. Der dritte Teil der Arbeit führt daher Algorithmen für die Berechnung des Max-Min fairen (MMF) Netzwerk-Durchsatzes in WMNs mit mehreren Linkraten und Internet-Gateways ein. Der letzte Teil der Arbeit untersucht die Auswirkungen des LRA-Konzeptes. Dessen grundlegende Idee ist die folgende. Falls für einen Link eine niedrigere Datenrate als theoretisch möglich verwendet wird, sinkt zwar der Link-Durchsatz, jedoch ist unter Umständen eine größere Anzahl von gleichzeitigen Übertragungen möglich und der Gesamt-Durchsatz des Netzes kann sich erhöhen. Mithilfe einer analytischen LRA Formulierung und einer systematischen Studie kann gezeigt werden, dass eine netzwerkweite Zuordnung robusterer Datenraten als nötig zu einer Erhöhung des MMF Netzwerk-Durchsatzes führt. Desweitern kann gezeigt werden, dass sich LRA positiv auf die Leistungsfähigkeit eines IEEE 802.11 WMNs auswirkt und für die Optimierung des Netzes genutzt werden kann.
N2  - In the future Internet, the people-centric communication paradigm will be complemented by a ubiquitous communication among people and devices, or even a communication between devices. This comes along with the need for a more flexible, cheap, widely available Internet access. Two types of wireless networks are considered most appropriate for attaining those goals. While wireless sensor networks (WSNs) enhance the Internet’s reach by providing data about the properties of the environment, wireless mesh networks (WMNs) extend the Internet access possibilities beyond the wired backbone. This monograph contains four chapters which present modeling and optimization methods for WSNs and WMNs. Minimizing energy consumptions is the most important goal of WSN optimization and the literature consequently provides countless energy consumption models. The first part of the monograph studies to what extent the used energy consumption model influences the outcome of analytical WSN optimizations. These considerations enable the second contribution, namely overcoming the problems on the way to a standardized energy-efficient WSN communication stack based on IEEE 802.15.4 and ZigBee. For WMNs both problems are of minor interest whereas the network performance has a higher weight. The third part of the work, therefore, presents algorithms for calculating the max-min fair network throughput in WMNs with multiple link rates and Internet gateway. The last contribution of the monograph investigates the impact of the LRA concept which proposes to systematically assign more robust link rates than actually necessary, thereby allowing to exploit the trade-off between spatial reuse and per-link throughput. A systematical study shows that a network-wide slightly more conservative LRA than necessary increases the throughput of a WMN where max-min fairness is guaranteed. It moreover turns out that LRA is suitable for increasing the performance of a contention-based WMN and is a valuable optimization tool.
T3  - Würzburger Beiträge zur Leistungsbewertung Verteilter Systeme - 01/11 
KW  - Drahtloses Sensorsystem
KW  - Drahtloses vermaschtes Netz
KW  - Modellierung
KW  - Optimierung
KW  - IEEE 802.11
KW  - IEEE 802.15.4
KW  - Energieeffizienz
KW  - Fairness
KW  - Linkratenanpassung
KW  - Energy efficiency
KW  - Fairness
KW  - Link rate adaptation
Y1  - 2011
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-64884
ER  -