@phdthesis{Ali2017,
  author    = {Ali, Qasim},
  title     = {Distributed Control of Cooperating Mini UAVs},
  url       = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bvb:20-opus-140686},
  school      = {Universit{\"a}t W{\"u}rzburg},
  year      = {2017},
  abstract  = {Mini Unmanned Aerial Vehicles (MUAVs) werden immer beliebtere Forschungsplattformen. Vor allem in den letzten Jahren ziehen sie aufgrund ihrer Erschwinglichkeit und ihrer Flexibilit{\"a}t, die es erlaubt sie in fast allen Lebensbereichen einzusetzen, betr{\"a}chtliche Aufmerksamkeit auf sich. MUAVs haben offensichtliche Vorteile gegen{\"u}ber bemannten Plattformen einschließlich ihrer viel geringeren Herstellungs- und Betriebskosten, Risikovermeidung f{\"u}r den menschlichen Piloten, der M{\"o}glichkeit sicher niedrig und langsam fliegen zu k{\"o}nnen, und Realisierung von Operationen, die {\"u}ber die inh{\"a}renten Grenzen des menschlichen K{\"o}rpers hinausgehen. Der Fortschritt in der Micro Electro-Mechanical System (MEMS) Technologie, Avionik und Miniaturisierung von Sensoren spielte auch eine bedeutende Rolle bei der Entwicklung der MUAVs. Diese Flugger{\"a}te reichen von einfachem Spielzeug aus dem Elektrofachhandel bis zu hoch entwickelten, kommerziellen Plattformen, die die Durchf{\"u}hrung neuer Aufgaben wie Offshore-Windkraftwerk Inspektionen, 3D-Modellierung von Geb{\"a}uden usw. erlauben. MUAVs sind auch umweltfreundlich, da sie weniger Luftverschmutzung und L{\"a}rm verursachen. Unbemannt ist daher un{\"u}bertroffen. Aktuelle Forschung konzentriert sich auf die M{\"o}glichkeit mehrere kosteng{\"u}nstige Flugger{\"a}te zusammen fliegen zu lassen, w{\"a}hrend die erforderliche relative r{\"a}umliche Trennungen beibehalten wird. Dies erm{\"o}glicht es effizient Aufgaben zu erf{\"u}llen im Vergleich zu einem einzigen sehr teuren Flugger{\"a}t. Durch die Redundanz entf{\"a}llt auch das Risiko des Scheiterns der Mission durch den Verlust eines einzigen Flugger{\"a}ts. Wertvolle Aufgaben, die kooperative Flugger{\"a}te ausf{\"u}hren k{\"o}nnen, sind beispielsweise gemeinsame Lasttransporte, Such- und Rettungsmissionen, mobile Kommunikationsrelais, Spr{\"u}hen von Pestiziden und Wetterbeobachtung. Obwohl die Realisierung von Fl{\"u}gen mit mehreren, gekoppelten UAVs komplex ist, rechtfertigen dennoch offensichtliche Vorteile diese m{\"u}hsame und aufw{\"a}ndige Entwicklungsarbeit. Verteilte Steuerung von kooperierenden Einheiten ist ein multidisziplin{\"a}res Thema, das es erfordert in diversifizierten Bereichen zu arbeiten. Dazu geh{\"o}ren MUAV Hardware und Software, Kommunikationstechniken f{\"u}r den notwendigen Informationsaustausch, Flugdynamik, Regelungstechnik, insbesondere f{\"u}r verteilte / kooperative Steuerungstechniken, Graphentheorie f{\"u}r Kommunikationstopologie Modellierung und Sensoren-Technologie wie Differential GPS (DGPS). F{\"u}r eine Flotte von Agenten, die in unmittelbarer N{\"a}he fliegen, ist eine genaue Positionsbestimmung zwingend n{\"o}tig um Kollisionen zu vermeiden und die Anforderungen f{\"u}r die meisten Missionen wie Georeferenzierung zu erf{\"u}llen. F{\"u}r solche Szenarien ist DGPS ein potenzieller Kandidat. Ein Teil der Forschung konzentriert sich daher auf die Entwicklung von DGPS Code. Eines der Module dieser Forschung war Hardware-Implementierung. Ein einfacher Test-Aufbau zur Realisierung von Basisfunktionalit{\"a}ten f{\"u}r Formationsflug von Quadrocoptern wurde am Lehrstuhl f{\"u}r Informationstechnik in der Luft- und Raumfahrt der Universit{\"a}t W{\"u}rzburg entwickelt. Diese Testumgebung kann nicht nur zur Pr{\"u}fung und Validierung von Algorithmen f{\"u}r Formationsflug in realer Umgebung genutzt werden, sondern dient auch zur Ausbildung von Studenten. Ein bereits vorhandener Pr{\"u}fstand f{\"u}r einzelne Quadrocopter wurde mit den notwendigen Kommunikation und verteilten Steuerung erweitert, um Algorithmen f{\"u}r Formationsfl{\"u}ge in drei Freiheitsgraden (Roll / Nick / Gier) zu testen. Diese Studie umfasst die Bereiche der Kommunikation, Steuerungstechnik und Embedded-System-Programmierung. Das Bluetooth-Protokoll wurde f{\"u}r die gegenseitige Kommunikation zwischen zwei Quadrocoptern verwendet. Eine einfache Technik der Proportional-Integral-Differential (PID) Steuerung in Kombination mit Kalman-Filter wurde genutzt. Die MATLAB Instrument Control Toolbox wurde f{\"u}r die Datenanzeige, die Analyse und das Plotten verwendet. Plots k{\"o}nnen in Echtzeit gezeichnet werden und empfangene Daten k{\"o}nnen auch in Form von Dateien zur sp{\"a}teren Verwendung und Analyse gespeichert werden. Das System wurde preisg{\"u}nstig, unter Ber{\"u}cksichtigung eines einfachen Aufbaus, entwickelt. Der vorgeschlagene Aufbau ist sehr flexibel und kann einfach an ver{\"a}nderte Anforderungen angepasst werden. Als verteiltes Steuerungsschema wurde ein zentralisierter, heterogener Formationsflug Positionsregler formuliert, der einen „explicit model following Linear Quadratic Regulator Proportional Integral (LQR PI)" Regler verwendet. Der Anf{\"u}hrer Quadrocopter ist ein stabiles Referenzmodell mit der gew{\"u}nschten Dynamik, deren Ausgang vollkommen von den beiden Wingmen Quadrocopter verfolgt wird. Der Anf{\"u}hrer selbst wird durch Pole Placement Steuerverfahren mit den gew{\"u}nschten Stabilit{\"a}tseigenschaften gesteuert, w{\"a}hrend die beiden Anh{\"a}nger durch robuste und adaptive LQR PI Steuerverfahren geregelt werden. F{\"u}r diese Studie wird ein Vollzustandsvektor der Quadrocopter betrachtet w{\"a}hrend nur die resultierende Leistung verfolgt wird. Die ausgew{\"a}hlte 3D Formationsgeometrie und die statische Stabilit{\"a}t bleibt unter einer Vielzahl von m{\"o}glichen St{\"o}rungen erhalten. Bei Kommunikationsverlust zwischen Anf{\"u}hrer und einem der Anh{\"a}nger, leitet der andere Anh{\"a}nger die Daten, die er vom Anf{\"u}hrer erhalten hat, an den betroffenen Anh{\"a}nger weiter. Die Stabilit{\"a}t des Regelsystems wurde unter Verwendung von Singul{\"a}rwerten analysiert. Der vorgeschlagene Ansatz f{\"u}r eng gekoppelten Formationsflug von MUAVs wurde mit Hilfe von umfangreichen Simulationen unter MATLAB® / Simulink® validiert und ergab viel versprechende Ergebnisse. Auch die Tracking-Leistung wurde f{\"u}r zeitlich ver{\"a}nderliche Befehle gezeigt. Die vorgeschlagene Architektur ist skalierbar und kann problemlos erweitert werden. Dieser Ansatz ist f{\"u}r die Szenarien geeignet, die eng gekoppelte Formationsflug ben{\"o}tigen, wie kooperatives Greifen oder gemeinsame Lasttransporte. Ein innovatives Framework f{\"u}r die Teamarbeit von zwei Quadrocopter Flotten wurde entwickelt. Als Beispielmission wurde ein Szenario gew{\"a}hlt, bei dem ein Feuer auf einer gr{\"o}ßeren Fl{\"a}che gel{\"o}scht werden muss. Jede Formation hat ihre angegebene Formationsgeometrie und eine zugewiesene Aufgabe. Die Lageregelung f{\"u}r die Quadrocopter in einer der Formationen wurde durch ein LQR PI-Regelschema, das auf „explicit model following" basiert, umgesetzt. Die Quadrocopter in anderen Formation werden durch ein LQR PI Servomechanismus Regelsystem gesteuert. Die beiden Steuersysteme werden in Bezug auf ihre Leistung und ihren Steuerungsaufwand verglichen. Beide Formationen werden durch entsprechende Bodenstationen durch virtuelle Anf{\"u}hrer kommandiert. Die Bodenstationen tauschen die befohlene H{\"o}heninformation aus, um gegenseitig eine sichere Trennung zwischen den Formationen zu gew{\"a}hrleisten. Die Quadrocopter k{\"o}nnen kommandierte Solltrajektorien folgen und {\"u}ber erw{\"u}nschten Punkten f{\"u}r eine vorgegebene Zeit schweben. Bei Kommunikationsverlust zwischen Bodenstation und einem der Quadcopter leitet der benachbarte Quadrocopter die Befehlsdaten, die er von der Bodenstation erhalten hat, an die betroffene Einheit weiter. Das vorgeschlagene Framework wurde durch umfangreiche Simulationen mit Hilfe von MATLAB® / Simulink® validiert und liefert sehr brauchbare Ergebnisse. Cluster-Rekonfiguration von Agenten wird in unserer Arbeit ebenfalls gezeigt. Dies erlaubt es die Formationsgeometrie w{\"a}hrend des Fluges auf eine beliebige neue Form umzuschalten. F{\"u}r die genannten Anwendungen sind Konsens Algorithmen nicht erw{\"u}nscht, da wir von den Quadrocopter Flotten fordern, dass sie dem von uns gew{\"a}hlten Weg folgen, und nicht ihren Weg selbst w{\"a}hlen. Eine Reihe der praktischen Probleme von Kommunikationsnetzen kann in geeigneter Weise durch Graphen dargestellt werden. Dies erleichtert die Problemformulierung und den Analyseprozess. Kommunikationstopologien f{\"u}r Netzwerke mit einer großen Anzahl von Einheiten, wie zum Beispiel Schw{\"a}rme von Luftfahrzeugen, k{\"o}nnen durch einen graphentheoretischen Ansatz untersucht werden. Um die Bildung solcher Probleme zu erleichtern, wird der Graph mit Hilfe der Laplace-Matrix dargestellt. Eigenwerte der Laplace-Matrix wurden in unserer Studie angemessene Ber{\"u}cksichtigung gegeben einen Einblick in die Graphen / Subgraphen Eigenschaften zu verleihen. Der gleiche wurden genutzt um die bekannte Euler Formel zu verallgemeinern und somit auf Graphen und Subgraphen anwendbar zu machen. Eine modifizierte Euler-Formel wird ebenfalls vorgestellt. Die Verwendung der Graphentheorie in verteilten / kooperativen Regelsystemen wird auch durch Simulationen gezeigt. Kooperative Kontrolschemas, die auf auf Konsens-Algorithmen beruhenden, wurden f{\"u}r die Lageregelung von Quadrocopter-Flotten, in denen kein expliziter Anf{\"u}hrer existiert, verwendet. Konsens-Algorithmen wurden in Kombination mit verschiedenen Steuersystemen verwendet, was zur Autonomie von Quadrocoptern beitr{\"a}gt. Die Steuersysteme, die f{\"u}r diesen Zweck verwendet werden, umfassen LQR PI-Regelung basierend auf „model following" und LQR PI Servo-Mechanismus. Die Regelungen wurden unter verschiedenen Kommunikationstopologien untersucht, darunter voll verbundene ungerichtete Graphen, gerichteten Graphen und Zyklus-Topologie. Der Informationsfluss unter den Agenten in einem Cluster wurde durch Laplace-Matrix modelliert. Die Auswirkungen von Eingangs Verzerrungen auf Konsens Werte wurden ebenfalls untersucht. Quadrocopter k{\"o}nnen durch gegenseitigen Konsens Flugbahnen verfolgen und die Zielpunkte erreichen. Die vorgeschlagenen Regelungssysteme wurden unter verschiedenen Kommunikationstopologien in Matlab / Simulink-Umgebung durch umfangreiche Simulationen validiert. Die Ergebnisse bescheinigen die Wirksamkeit der pr{\"a}sentierten Schemata mit dem zus{\"a}tzlichen Vorteil der Einfachheit der Umsetzung. Das vorgeschlagene Regelungssystem ist skalierbar f{\"u}r große Gruppen von MUAVs. F{\"u}r Formationsflug sind die Anforderungen an die Positionsgenauigkeit sehr hoch. GPS-Signale allein bieten keine ausreichend hohe Positionsgenauigkeit um die Anforderung zu erf{\"u}llen; eine Technik f{\"u}r die genauere Positionsbestimmung ist daher erforderlich, beispielsweise DGPS. Es existiert eine Anzahl von {\"o}ffentlichen Codes f{\"u}r die GPS-Positionsbestimmung und Baseline-Bestimmung im Offline-Modus. Es existiert jedoch keine Software f{\"u}r DGPS, die Korrekturfaktoren der Basisstationen nutzt, ohne auf Doppel Differenz Informationen zu vertrauen. Um dies zu erreichen, wurde eine Methodik in MATLAB-Umgebung f{\"u}r DGPS mit C/A Pseudoranges nur auf einzelne Frequenz L1 eingef{\"u}hrt es machbar f{\"u}r Empf{\"a}nger kosteng{\"u}nstig GPS zu nutzen. Unsere Basisstation wird an einem genau vermessen Referenzpunkt aufgestellt. Pseudoranges und geometrische Abst{\"a}nde werden an der Basisstation verglichen, um die Korrekturfaktoren zu berechnen. Diese Korrekturfaktoren, f{\"u}r aller g{\"u}ltigen Satelliten w{\"a}hrend einer Epoche, werden dann an einen Rover {\"u}bergeben. Das Rover ber{\"u}cksichtigt innerhalb der entsprechenden Epoche diese f{\"u}r seine eigene wahre Positionsbestimmung. Zur Validierung der vorgeschlagenen Algorithmen wird unsere Rover ebenfalls an einer vorbestimmten Stelle platziert. Der vorgeschlagene Code ist ein geeignetes und einfaches Werkzeug f{\"u}r die Nachbearbeitung von GPS-Rohdaten f{\"u}r eine genaue Positionsbestimmung eines Rover, z.B. eines UAV w{\"a}hrend der Post-Missionsanalyse.},
  subject      = {Micro Air Vehicle},
  language  = {en}
}
@phdthesis{Flederer2021,
  author    = {Flederer, Frank},
  title     = {CORFU - An Extended Model-Driven Framework for Small Satellite Software with Code Feedback},
  doi       = {10.25972/OPUS-24981},
  url       = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bvb:20-opus-249817},
  school      = {Universit{\"a}t W{\"u}rzburg},
  year      = {2021},
  abstract  = {Corfu is a framework for satellite software, not only for the onboard part but also for the ground. Developing software with Corfu follows an iterative model-driven approach. The basis of the process is an engineering model. Engineers formally describe the basic structure of the onboard software in configuration files, which build the engineering model. In the first step, Corfu verifies the model at different levels. Not only syntactically and semantically but also on a higher level such as the scheduling. Based on the model, Corfu generates a software scaffold, which follows an application-centric approach. Software images onboard consist of a list of applications connected through communication channels called topics. Corfu's generic and generated code covers this fundamental communication, telecommand, and telemetry handling. All users have to do is inheriting from a generated class and implement the behavior in overridden methods. For each application, the generator creates an abstract class with pure virtual methods. Those methods are callback functions, e.g., for handling telecommands or executing code in threads. However, from the model, one can not foresee the software implementation by users. Therefore, as an innovation compared to other frameworks, Corfu introduces feedback from the user code back to the model. In this way, we extend the engineering model with information about functions/methods, their invocations, their stack usage, and information about events and telemetry emission. Indeed, it would be possible to add further information extraction for additional use cases. We extract the information in two ways: assembly and source code analysis. The assembly analysis collects information about the stack usage of functions and methods. On the one side, Corfu uses the gathered information to accomplished additional verification steps, e.g., checking if stack usages exceed stack sizes of threads. On the other side, we use the gathered information to improve the performance of onboard software. In a use case, we show how the compiled binary and bandwidth towards the ground is reducible by exploiting source code information at run-time.},
  subject      = {FRAMEWORK <Programm>},
  language  = {en}
}
@phdthesis{Dombrovski2022,
  author    = {Dombrovski, Veaceslav},
  title     = {Software Framework to Support Operations of Nanosatellite Formations},
  isbn      = {978-3-945459-38-6},
  doi       = {10.25972/OPUS-24931},
  url       = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bvb:20-opus-249314},
  school      = {Universit{\"a}t W{\"u}rzburg},
  year      = {2022},
  abstract  = {Since the first CubeSat launch in 2003, the hardware and software complexity of the nanosatellites was continuosly increasing. To keep up with the continuously increasing mission complexity and to retain the primary advantages of a CubeSat mission, a new approach for the overall space and ground software architecture and protocol configuration is elaborated in this work. The aim of this thesis is to propose a uniform software and protocol architecture as a basis for software development, test, simulation and operation of multiple pico-/nanosatellites based on ultra-low power components. In contrast to single-CubeSat missions, current and upcoming nanosatellite formation missions require faster and more straightforward development, pre-flight testing and calibration procedures as well as simultaneous operation of multiple satellites. A dynamic and decentral Compass mission network was established in multiple active CubeSat missions, consisting of uniformly accessible nodes. Compass middleware was elaborated to unify the communication and functional interfaces between all involved mission-related software and hardware components. All systems can access each other via dynamic routes to perform service-based M2M communication. With the proposed model-based communication approach, all states, abilities and functionalities of a system are accessed in a uniform way. The Tiny scripting language was designed to allow dynamic code execution on ultra-low power components as a basis for constraint-based in-orbit scheduler and experiment execution. The implemented Compass Operations front-end enables far-reaching monitoring and control capabilities of all ground and space systems. Its integrated constraint-based operations task scheduler allows the recording of complex satellite operations, which are conducted automatically during the overpasses. The outcome of this thesis became an enabling technology for UWE-3, UWE-4 and NetSat CubeSat missions.},
  subject      = {Kleinsatellit},
  language  = {en}
}
@phdthesis{Kramer2021,
  author    = {Kramer, Alexander},
  title     = {Orbit control of a very small satellite using electric propulsion},
  isbn      = {978-3-945459-34-8 (online)},
  doi       = {10.25972/OPUS-24155},
  url       = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bvb:20-opus-241552},
  school      = {Universit{\"a}t W{\"u}rzburg},
  year      = {2021},
  abstract  = {Miniaturized satellites on a nanosatellite scale below 10kg of total mass contribute most to the number of launched satellites into Low Earth Orbit today. This results from the potential to design, integrate and launch these space missions within months at very low costs. In the past decade, the reliability in the fields of system design, communication, and attitude control have matured to allow for competitive applications in Earth observation, communication services, and science missions. The capability of orbit control is an important next step in this development, enabling operators to adjust orbits according to current mission needs and small satellite formation flight, which promotes new measurements in various fields of space science. Moreover, this ability makes missions with altitudes above the ISS comply with planned regulations regarding collision avoidance maneuvering. This dissertation presents the successful implementation of orbit control capabilities on the pico-satellite class for the first time. This pioneering achievement is demonstrated on the 1U CubeSat UWE-4. A focus is on the integration and operation of an electric propulsion system on miniaturized satellites. Besides limitations in size, mass, and power of a pico-satellite, the choice of a suitable electric propulsion system was driven by electromagnetic cleanliness and the use as a combined attitude and orbit control system. Moreover, the integration of the propulsion system leaves the valuable space at the outer faces of the CubeSat structure unoccupied for future use by payloads. The used NanoFEEP propulsion system consists of four thruster heads, two neutralizers and two Power Processing Units (PPUs). The thrusters can be used continuously for 50 minutes per orbit after the liquefaction of the propellant by dedicated heaters. The power consumption of a PPU with one activated thruster, its heater and a neutralizer at emitter current levels of 30-60μA or thrust levels of 2.6-5.5μN, respectively, is in the range of 430-1050mW. Two thruster heads were activated within the scope of in-orbit experiments. The thrust direction was determined using a novel algorithm within 15.7° and 13.2° of the mounting direction. Despite limited controllability of the remaining thrusters, thrust vector pointing was achieved using the magnetic actuators of the Attitude and Orbit Control System. In mid 2020, several orbit control maneuvers changed the altitude of UWE-4, a first for pico-satellites. During the orbit lowering scenario with a duration of ten days, a single thruster head was activated in 78 orbits for 5:40 minutes per orbit. This resulted in a reduction of the orbit altitude by about 98.3m and applied a Delta v of 5.4cm/s to UWE-4. The same thruster was activated in another experiment during 44 orbits within five days for an average duration of 7:00 minutes per orbit. The altitude of UWE-4 was increased by about 81.2m and a Delta v of 4.4cm/s was applied. Additionally, a collision avoidance maneuver was executed in July 2020, which increased the distance of closest approach to the object by more than 5000m.},
  subject      = {Kleinsatellit},
  language  = {en}
}
@phdthesis{Gageik2015,
  author    = {Gageik, Nils},
  title     = {Autonome Quadrokopter zur Innenraumerkundung : AQopterI8, Forschung und Entwicklung},
  url       = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bvb:20-opus-130240},
  school      = {Universit{\"a}t W{\"u}rzburg},
  year      = {2015},
  abstract  = {Diese Forschungsarbeit beschreibt alle Aspekte der Entwicklung eines neuartigen, autonomen Quadrokopters, genannt AQopterI8, zur Innenraumerkundung. Dank seiner einzigartigen modularen Komposition von Soft- und Hardware ist der AQopterI8 in der Lage auch unter widrigen Umweltbedingungen autonom zu agieren und unterschiedliche Anforderungen zu erf{\"u}llen. Die Arbeit behandelt sowohl theoretische Fragestellungen unter dem Schwerpunkt der einfachen Realisierbarkeit als auch Aspekte der praktischen Umsetzung, womit sie Themen aus den Gebieten Signalverarbeitung, Regelungstechnik, Elektrotechnik, Modellbau, Robotik und Informatik behandelt. Kernaspekt der Arbeit sind L{\"o}sungen zur Autonomie, Hinderniserkennung und Kollisionsvermeidung. Das System verwendet IMUs (Inertial Measurement Unit, inertiale Messeinheit) zur Orientierungsbestimmung und Lageregelung und kann unterschiedliche Sensormodelle automatisch detektieren. Ultraschall-, Infrarot- und Luftdrucksensoren in Kombination mit der IMU werden zur H{\"o}henbestimmung und H{\"o}henregelung eingesetzt. Dar{\"u}ber hinaus werden bildgebende Sensoren (Videokamera, PMD), ein Laser-Scanner sowie Ultraschall- und Infrarotsensoren zur Hindernis-erkennung und Kollisionsvermeidung (Abstandsregelung) verwendet. Mit Hilfe optischer Sensoren kann der Quadrokopter basierend auf Prinzipien der Bildverarbeitung Objekte erkennen sowie seine Position im Raum bestimmen. Die genannten Subsysteme im Zusammenspiel erlauben es dem AQopterI8 ein Objekt in einem unbekannten Raum autonom, d.h. v{\"o}llig ohne jedes externe Hilfsmittel, zu suchen und dessen Position auf einer Karte anzugeben. Das System kann Kollisionen mit W{\"a}nden vermeiden und Personen autonom ausweichen. Dabei verwendet der AQopterI8 Hardware, die deutlich g{\"u}nstiger und Dank der Redundanz gleichzeitig erheblich verl{\"a}sslicher ist als vergleichbare Mono-Sensor-Systeme (z.B. Kamera- oder Laser-Scanner-basierte Systeme). Neben dem Zweck als Forschungsarbeit (Dissertation) dient die vorliegende Arbeit auch als Dokumentation des Gesamtprojektes AQopterI8, dessen Ziel die Erforschung und Entwicklung neuartiger autonomer Quadrokopter zur Innenraumerkundung ist. Dar{\"u}ber hinaus wird das System zum Zweck der Lehre und Forschung an der Universit{\"a}t W{\"u}rzburg, der Fachhochschule Brandenburg sowie der Fachhochschule W{\"u}rzburg-Schweinfurt eingesetzt. Darunter fallen Labor{\"u}bungen und 31 vom Autor dieser Arbeit betreute studentische Bachelor- und Masterarbeiten. Das Projekt wurde ausgezeichnet vom Universit{\"a}tsbund und der IHK W{\"u}rzburg-Mainfranken mit dem Universit{\"a}tsf{\"o}rderpreis der Mainfr{\"a}nkischen Wirtschaft und wird gef{\"o}rdert unter den Bezeichnungen „Lebensretter mit Propellern" und „Rettungshelfer mit Propellern". Außerdem wurde die Arbeit f{\"u}r den Gips-Sch{\"u}le-Preis nominiert. Absicht dieser Projekte ist die Entwicklung einer Rettungsdrohne. In den Medien Zeitung, Fernsehen und Radio wurde {\"u}ber den AQopterI8 schon mehrfach berichtet. Die Evaluierung zeigt, dass das System in der Lage ist, voll autonom in Innenr{\"a}umen zu fliegen, Kollisionen mit Objekten zu vermeiden (Abstandsregelung), eine Suche durchzuf{\"u}hren, Objekte zu erkennen, zu lokalisieren und zu z{\"a}hlen. Da nur wenige Forschungsarbeiten diesen Grad an Autonomie erreichen, gleichzeitig aber keine Arbeit die gestellten Anforderungen vergleichbar erf{\"u}llt, erweitert die Arbeit den Stand der Forschung.},
  subject      = {Quadrokopter},
  language  = {de}
}
@phdthesis{Dannemann2015,
  author    = {Dannemann, Frank},
  title     = {Unified Monitoring of Spacecrafts},
  url       = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bvb:20-opus-115934},
  school      = {Universit{\"a}t W{\"u}rzburg},
  year      = {2015},
  abstract  = {Within this thesis a new philosophy in monitoring spacecrafts is presented: the unification of the various kinds of monitoring techniques used during the different lifecylce phases of a spacecraft. The challenging requirements being set for this monitoring framework are: - "separation of concerns" as a design principle (dividing the steps of logging from registered sources, sending to connected sinks and displaying of information), - usage during all mission phases, - usage by all actors (EGSE engineers, groundstation operators, etc.), - configurable at runtime, especially regarding the level of detail of logging information, and - very low resource consumption. First a prototype of the monitoring framework was developed as a support library for the real-time operating system RODOS. This prototype was tested on dedicated hardware platforms relevant for space, and also on a satellite demonstrator used for educational purposes. As a second step, the results and lessons learned from the development and usage of this prototype were transfered to a real space mission: the first satellite of the DLR compact satellite series - a space based platform for DLR's own research activities. Within this project, the software of the avionic subsystem was supplemented by a powerful logging component, which enhances the traditional housekeeping capabilities and offers extensive filtering and debugging techniques for monitoring and FDIR needs. This logging component is the major part of the flight version of the monitoring framework. It is completed by counterparts running on the development computers and as well as the EGSE hardware in the integration room, making it most valuable already in the earliest stages of traditional spacecraft development. Future plans in terms of adding support from the groundstation as well will lead to a seamless integration of the monitoring framework not only into to the spacecraft itself, but into the whole space system.},
  subject      = {Raumfahrzeug},
  language  = {en}
}
@phdthesis{Strohmeier2021,
  author    = {Strohmeier, Michael},
  title     = {FARN - A Novel UAV Flight Controller for Highly Accurate and Reliable Navigation},
  doi       = {10.25972/OPUS-22313},
  url       = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bvb:20-opus-223136},
  school      = {Universit{\"a}t W{\"u}rzburg},
  year      = {2021},
  abstract  = {This thesis describes the functional principle of FARN, a novel flight controller for Unmanned Aerial Vehicles (UAVs) designed for mission scenarios that require highly accurate and reliable navigation. The required precision is achieved by combining low-cost inertial sensors and Ultra-Wide Band (UWB) radio ranging with raw and carrier phase observations from the Global Navigation Satellite System (GNSS). The flight controller is developed within the scope of this work regarding the mission requirements of two research projects, and successfully applied under real conditions. FARN includes a GNSS compass that allows a precise heading estimation even in environments where the conventional heading estimation based on a magnetic compass is not reliable. The GNSS compass combines the raw observations of two GNSS receivers with FARN's real-time capable attitude determination. Thus, especially the deployment of UAVs in Arctic environments within the project for ROBEX is possible despite the weak horizontal component of the Earth's magnetic field. Additionally, FARN allows centimeter-accurate relative positioning of multiple UAVs in real-time. This enables precise flight maneuvers within a swarm, but also the execution of cooperative tasks in which several UAVs have a common goal or are physically coupled. A drone defense system based on two cooperative drones that act in a coordinated manner and carry a commonly suspended net to capture a potentially dangerous drone in mid-air was developed in conjunction with the project MIDRAS. Within this thesis, both theoretical and practical aspects are covered regarding UAV development with an emphasis on the fields of signal processing, guidance and control, electrical engineering, robotics, computer science, and programming of embedded systems. Furthermore, this work aims to provide a condensed reference for further research in the field of UAVs. The work describes and models the utilized UAV platform, the propulsion system, the electronic design, and the utilized sensors. After establishing mathematical conventions for attitude representation, the actual core of the flight controller, namely the embedded ego-motion estimation and the principle control architecture are outlined. Subsequently, based on basic GNSS navigation algorithms, advanced carrier phase-based methods and their coupling to the ego-motion estimation framework are derived. Additionally, various implementation details and optimization steps of the system are described. The system is successfully deployed and tested within the two projects. After a critical examination and evaluation of the developed system, existing limitations and possible improvements are outlined.},
  subject      = {Drohne <Flugk{\"o}rper>},
  language  = {en}
}
@masterthesis{Busch2022,
  type      = {Bachelor Thesis},
  author    = {Busch, Marlene Corinna},
  title     = {Developing a virtual Control Room for future satellite missions},
  doi       = {10.25972/OPUS-25826},
  url       = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bvb:20-opus-258261},
  school      = {Universit{\"a}t W{\"u}rzburg},
  year      = {2022},
  abstract  = {This thesis deals with the first part of a larger project that follows the ultimate goal of implementing a software tool that creates a Mission Control Room in Virtual Reality. The software is to be used for the operation of spacecrafts and is specially developed for the unique real-time requirements of unmanned satellite missions. Beginning from launch, throughout the whole mission up to the recovery or disposal of the satellite, all systems need to be monitored and controlled in continuous intervals, to ensure the mission's success. Mission Operation is an essential part of every space mission and has been undertaken for decades. Recent technological advancements in the realm of immersive technologies pave the way for innovative methods to operate spacecrafts. Virtual Reality has the capability to resolve the physical constraints set by traditional Mission Control Rooms and thereby delivers novel opportunities. The paper highlights underlying theoretical aspects of Virtual Reality, Mission Control and IP Communication. However, the focus lies upon the practical part of this thesis which revolves around the first steps of the implementation of the virtual Mission Control Room in the Unity Game Engine. Overall, this paper serves as a demonstration of Virtual Reality technology and shows its possibilities with respect to the operation of spacecrafts.},
  subject      = {Control room},
  language  = {en}
}
@phdthesis{Scharnagl2022,
  author    = {Scharnagl, Julian},
  title     = {Distributed Guidance, Navigation and Control for Satellite Formation Flying Missions},
  isbn      = {978-3-945459-42-3},
  doi       = {10.25972/OPUS-28753},
  url       = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bvb:20-opus-287530},
  school      = {Universit{\"a}t W{\"u}rzburg},
  year      = {2022},
  abstract  = {Ongoing changes in spaceflight - continuing miniaturization, declining costs of rocket launches and satellite components, and improved satellite computing and control capabilities - are advancing Satellite Formation Flying (SFF) as a research and application area. SFF enables new applications that cannot be realized (or cannot be realized at a reasonable cost) with conventional single-satellite missions. In particular, distributed Earth observation applications such as photogrammetry and tomography or distributed space telescopes require precisely placed and controlled satellites in orbit. Several enabling technologies are required for SFF, such as inter-satellite communication, precise attitude control, and in-orbit maneuverability. However, one of the most important requirements is a reliable distributed Guidance, Navigation and Control (GNC) strategy. This work addresses the issue of distributed GNC for SFF in 3D with a focus on Continuous Low-Thrust (CLT) propulsion satellites (e.g., with electric thrusters) and concentrates on circular low Earth orbits. However, the focus of this work is not only on control theory, but control is considered as part of the system engineering process of typical small satellite missions. Thus, common sensor and actuator systems are analyzed to derive their characteristics and their impacts on formation control. This serves as the basis for the design, implementation, and evaluation of the following control approaches: First, a Model Predictive Control (MPC) method with specific adaptations to SFF and its requirements and constraints; second, a distributed robust controller that combines consensus methods for distributed system control and \$H_{\infty}\$ robust control; and finally, a controller that uses plant inversion for control and combines it with a reference governor to steer the controller to the target on an optimal trajectory considering several constraints. The developed controllers are validated and compared based on extensive software simulations. Realistic 3D formation flight scenarios were taken from the Networked Pico-Satellite Distributed System Control (NetSat) cubesat formation flight mission. The three compared methods show different advantages and disadvantages in the different application scenarios. The distributed robust consensus-based controller for example lacks the ability to limit the maximum thrust, so it is not suitable for satellites with CLT. But both the MPC-based approach and the plant inversionbased controller are suitable for CLT SFF applications, while showing again distinct advantages and disadvantages in different scenarios. The scientific contribution of this work may be summarized as the creation of novel and specific control approaches for the class of CLT SFF applications, which is still lacking methods withstanding the application in real space missions, as well as the scientific evaluation and comparison of the developed methods.},
  subject      = {Kleinsatellit},
  language  = {en}
}
@phdthesis{Dorin2022,
  author    = {Dorin, Michael},
  title     = {The Relationship Between Software Complicacy and Software Reliability},
  doi       = {10.25972/OPUS-28308},
  url       = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bvb:20-opus-283085},
  school      = {Universit{\"a}t W{\"u}rzburg},
  year      = {2022},
  abstract  = {An enduring engineering problem is the creation of unreliable software leading to unreliable systems. One reason for this is source code is written in a complicated manner making it too hard for humans to review and understand. Complicated code leads to other issues beyond dependability, such as expanded development efforts and ongoing difficulties with maintenance, ultimately costing developers and users more money. There are many ideas regarding where blame lies in the reation of buggy and unreliable systems. One prevalent idea is the selected life cycle model is to blame. The oft-maligned "waterfall" life cycle model is a particularly popular recipient of blame. In response, many organizations changed their life cycle model in hopes of addressing these issues. Agile life cycle models have become very popular, and they promote communication between team members and end users. In theory, this communication leads to fewer misunderstandings and should lead to less complicated and more reliable code. Changing the life cycle model can indeed address communications ssues, which can resolve many problems with understanding requirements. However, most life cycle models do not specifically address coding practices or software architecture. Since lifecycle models do not address the structure of the code, they are often ineffective at addressing problems related to code complicacy. This dissertation answers several research questions concerning software complicacy, beginning with an investigation of traditional metrics and static analysis to evaluate their usefulness as measurement tools. This dissertation also establishes a new concept in applied linguistics by creating a measurement of software complicacy based on linguistic economy. Linguistic economy describes the efficiencies of speech, and this thesis shows the applicability of linguistic economy to software. Embedded in each topic is a discussion of the ramifications of overly complicated software, including the relationship of complicacy to software faults. Image recognition using machine learning is also investigated as a potential method of identifying problematic source code. The central part of the work focuses on analyzing the source code of hundreds of different projects from different areas. A static analysis was performed on the source code of each project, and traditional software metrics were calculated. Programs were also analyzed using techniques developed by linguists to measure expression and statement complicacy and identifier complicacy. Professional software engineers were also directly surveyed to understand mainstream perspectives. This work shows it is possible to use traditional metrics as indicators of potential project bugginess. This work also discovered it is possible to use image recognition to identify problematic pieces of source code. Finally, this work discovered it is possible to use linguistic methods to determine which statements and expressions are least desirable and more complicated for programmers. This work's principle conclusion is that there are multiple ways to discover traits indicating a project or a piece of source code has characteristics of being buggy. Traditional metrics and static analysis can be used to gain some understanding of software complicacy and bugginess potential. Linguistic economy demonstrates a new tool for measuring software complicacy, and machine learning can predict where bugs may lie in source code. The significant implication of this work is developers can recognize when a project is becoming buggy and take practical steps to avoid creating buggy projects.},
  subject      = {Softwareentwicklung},
  language  = {en}
}