Fundamental kinematics of rigid body systems

Newton-Euler equations for manipulators

Trajectory generation

Linear and nonlinear control of robots

Craig, John J.: Introduction to Robotics Mechanics and Control, Third Edition, Prentice Hall. ISBN 0201-54361-3

- General overview on modern engineering
- Displacement method
- Hybrid formulation
- Isoparametric elements
- Numerical integration
- Solving systems of equations (statics, dynamics)
- Eigenvalue problems
- Non-linear systems
- Applications

- Programming of elements (Matlab, hands-on sessions)
- Applications

Bathe, K.-J. (2000): Finite-Elemente-Methoden. Springer Verlag, Berlin

State space methods (single-input single-output)

• State space models and transfer functions, state feedback 
• Coordinate basis, similarity transformations 
• Solutions of state equations, matrix exponentials, Caley-Hamilton Theorem
• Controllability and pole placement 
• State estimation, observability, Kalman decomposition 
• Observer-based state feedback control, reference tracking 
• Transmission zeros
• Optimal pole placement, symmetric root locus 
Multi-input multi-output systems
• Transfer function matrices, state space models of multivariable systems, Gilbert realization 
• Poles and zeros of multivariable systems, minimal realization 
• Closed-loop stability
• Pole placement for multivariable systems, LQR design, Kalman filter 

Digital Control
• Discrete-time systems: difference equations and z-transform 
• Discrete-time state space models, sampled data systems, poles and zeros 
• Frequency response of sampled data systems, choice of sampling rate 

System identification and model order reduction 
• Least squares estimation, ARX models, persistent excitation 
• Identification of state space models, subspace identification 
• Balanced realization and model order reduction 

Case study
• Modelling and multivariable control of a process evaporator using Matlab and Simulink 
Software tools
• Matlab/Simulink

• Werner, H., Lecture Notes „Control Systems Theory and Design“
• T. Kailath "Linear Systems", Prentice Hall, 1980
• K.J. Astrom, B. Wittenmark "Computer Controlled Systems" Prentice Hall, 1997
• L. Ljung "System Identification - Theory for the User", Prentice Hall, 1999

Content:

• Introduction to software techniques
• Procedural Programming
• Object oriented software design
• Java
• Event based programming
• Formal methods

• “The Pragmatic Programmer: From Journeyman to Master”Andrew Hunt, David Thomas, Ward Cunningham
• “Core LEGO MINDSTORMS Programming: Unleash the Power of the Java Platform” Brian Bagnall Prentice Hall PTR, 1st edition (March, 2002) ISBN 0130093645
• “Objects First with Java: A Practical Introduction using BlueJ” David J. Barnes & Michael Kölling Prentice Hall/ Pearson Education; 2003, ISBN 0-13-044929-6

Es geht um die Lösung folgender Grundprobleme der linearen Algebra

• lineare Gleichungssysteme,
• lineare Ausgleichsprobleme,
• Eigenwertprobleme

in Funktionenräumen (d.h. in Vektorräumen mit unendlicher Dimension) durch stabile Approximation des Problems in einem Raum mit endlicher Dimension.

Ablauf:

• Crashkurs Hilbertraum: Metrik, Norm, Skalarprodukt, Vollständigkeit
• Crashkurs Operatoren: Beschränktheit, Norm, Kompaktheit, Projektoren
• gleichmäßige vs. starke Konvergenz, Approximationsverfahren
• Anwendbarkeit / Stabilität von Approx.verfahren, Satz von Polski
• Galerkinverfahren, Kollokation, Splineinterpolation, Abschneideverfahren
• Faltungs- und Toeplitzoperatoren
• Crashkurs C*-Algebren
• Konvergenz von Konditionszahlen
• Konvergenz spektraler Größen: Spektrum, Eigenwerte, Singulärwerte, Pseudospektrum
• Regularisierungsverfahren (truncated SVD, Tichonov)

• R. Hagen, S. Roch, B. Silbermann: C*-Algebras in Numerical Analysis
• H. W. Alt: Lineare Funktionalanalysis
• M. Lindner: Infinite matrices and their finite sections
  

• Optimal regulator problem with finite time horizon, Riccati differential equation
• Time-varying and steady state solutions, algebraic Riccati equation, Hamiltonian system
• Kalman’s identity, phase margin of LQR controllers, spectral factorization
• Optimal state estimation, Kalman filter, LQG control
• Generalized plant, review of LQG control
• Signal and system norms, computing H2 and H∞ norms
• Singular value plots, input and output directions
• Mixed sensitivity design, H∞ loop shaping, choice of weighting filters

• Case study: design example flight control
• Linear matrix inequalities, design specifications as LMI constraints (H2, H∞ and pole region)
• Controller synthesis by solving LMI problems, multi-objective design
• Robust control of uncertain systems, small gain theorem, representation of parameter uncertainty

• Werner, H., Lecture Notes: "Optimale und Robuste Regelung"
• Boyd, S., L. El Ghaoui, E. Feron and V. Balakrishnan "Linear Matrix Inequalities in Systems and Control", SIAM, Philadelphia, PA, 1994
• Skogestad, S. and I. Postlewhaite "Multivariable Feedback Control", John Wiley, Chichester, England, 1996
• Strang, G. "Linear Algebra and its Applications", Harcourt Brace Jovanovic, Orlando, FA, 1988
• Zhou, K. and J. Doyle "Essentials of Robust Control", Prentice Hall International, Upper Saddle River, NJ, 1998

Numerische Verfahren für Anfangswertprobleme

• Einschrittverfahren
  
• Mehrschrittverfahren
• Steife Probleme
• Differentiell-algebraische Gleichungen vom Index 1

Numerische Verfahren für Randwertaufgaben

• Mehrzielmethode
• Differenzenverfahren
• Variationsmethoden
  

• E. Hairer, S. Noersett, G. Wanner: Solving Ordinary Differential Equations I: Nonstiff Problems
• E. Hairer, G. Wanner: Solving Ordinary Differential Equations II: Stiff and Differential-Algebraic Problems
  

Ziel der Vorlesung mit der zugehörigen Übung ist die Schaffung von Voraussetzungen für die Entwicklung und Integration von komplexen Systemen am Beispiel von Verkehrsflugzeugen und  Kabinensystemen. Es soll Prozess-, Werkzeug- und Methodenkompetenz erreicht werden. Vorschriften, Richtlinien und Zulassungsaspekte sollen bekannt sein.

Schwerpunkte der Vorlesung bilden die Prozesse beim Innovations- und Technologiemanagement, der Systementwicklung, Systemintegration und der Zulassung sowie Werkzeuge und Methoden für das Systems Engineering:
• Innovationsprozesse
• IP-Schutz
• Technologiemanagement
• Systems Engineering
• Flugzeug-Entwicklungsprozess
• Themen der Zulassung
• System-Entwicklungsprozess
• Sicherheitsziele und Fehlertoleranz
• Umgebungs- und Einsatzbedingungen
• Werkzeuge und Methoden für das Systems Engineering
• Requirements-Based Engineering (RBE)
• Model-Based Requirements Engineering (MBRE)

- Skript zur Vorlesung
- diverse Normen und Richtlinien (EASA, FAA, RTCA, SAE)
- Hauschildt, J., Salomo, S.: Innovationsmanagement. Vahlen, 5. Auflage, 2010
- NASA Systems Engineering Handbook, National Aeronautics and Space Administration, 2007
- Hinsch, M.: Industrielles Luftfahrtmanagement: Technik und Organisation luftfahrttechnischer Betriebe. Springer, 2010
- De Florio, P.: Airworthiness: An Introduction to Aircraft Certification. Elsevier Ltd., 2010
- Pohl, K.: Requirements Engineering. Grundlagen, Prinzipien, Techniken. 2. korrigierte Auflage, dpunkt.Verlag, 2008

-Project Based Learning
-Robot Operating System
-Roboteraufbau- und Beschreibung
-Bewegungsbeschreibung
-Kalibrierung
-Genauigkeit

John J. Craig
Introduction to Robotics - Mechanics and Control 
ISBN: 0131236296
 Pearson Education, Inc., 2005

Stefan Hesse
Grundlagen der Handhabungstechnik
ISBN: 3446418725
 München Hanser, 2010

K. Thulasiraman and M. N. S. Swamy
Graphs: Theory and Algorithms
ISBN: 9781118033104  %CITAVIPICKER£9781118033104£Titel anhand dieser ISBN in Citavi-Projekt übernehmen£%
John Wüey & Sons, Inc., 1992

Inhalt

- Arbeitswissenschaftliche Konzepte, Belastung und Beanspruchung

- Körpermaße, Muskel- und Montagearbeit, Anzeigen und Stellteile

- Sitzen, Stehen, Heben und Tragen

- Licht, Sehen, Beleuchtung und Lichtmessung

- Lärm, Lärmmessung, Lärmschutz und mechanische Schwingungen

- Klima und Strahlung; Gefahrstoffe

- Gesetzlicher Arbeitsschutz, betriebliche Arbeitsschutzkonzepte, Gefährdungsbeurteilung

- Gefährliche Arbeiten: Strom, Leitern, Kräne, Gerüste, Stapler, Alleinarbeit …

- Persönliche Schutzausrüstungen: Gehörschutz, Handschuhe, Schuhe, Atemschutz …

- Gestaltung von Bildschirmarbeit und ergonomischer Software

- Psychische Belastungen, Motivation, Arbeitszufriedenheit und Ermüdung

- Betriebliche Gesundheitsförderung, Demographie, Humanisierung der Arbeit

- Entgeltgestaltung: Eingruppierung, Leistungsbeurteilung, Zielvereinbarung, Prämienlohn

- Arbeitszeitgestaltung: Gleitende Arbeitszeit, Flexible Arbeitszeit, Vertrauensarbeitszeit

- Gestaltung von Schichtarbeit

Qualifikationsziele

Die Teilnehmer erhalten einen Überblick über die ergonomische und menschengerechte Gestaltung von Arbeit und Technik. Ausgehend von den menschlichen Körperfunktionen wird vermittelt, wie Arbeitssysteme analysiert, Belastungen erkannt und Gefährdungen bewertet werden können. Die Teilnehmer erhalten praxisbezogene Kenntnisse zur ganzheitlichen Gestaltung von Arbeitsbedingungen in Produktions- und Dienstleistungsbetrieben sowie von Schnittstellen von Mensch und Technik. Diese Veranstaltung befähigt sie, Verantwortung zu übernehmen und technische Veränderungsprozesse personenbezogen auszulegen.

Das SE-ZERT® Programm (vgl. https://www.sezert.de/de/anwaerter-de.html) ist eine Weiterbildung zum „Certified Systems Engineer (GfSE)®“. An der TUHH baut diese Weiterbildung auf der Vorlesung und Übung Systems Engineering auf. Es wurde von der GfSE e.V. zusammen mit dem TÜV Rheinland als Personenzertifikat entwickelt. Das Programm orientiert sich an der EN ISO/IEC 17024 zur Personenzertifizierung.

Trainingsinhalte sind:

- Grundlagen des Systems Engineering (inkl. Einführung)

- Projektübergreifende Schnittstellen

- Schnittstellen des Systems Engineering zu Projekt Management

- Systems Engineering Management

- Anforderungsmanagement und Validierung & Verifikation

- Realisationsprozesse

- Querschnittsfunktionen innerhalb von Entwicklungsprojekten

- Berücksichtigung von operationellen Aspekten und der Stilllegung im Design

- Konfliktmanagement und soziale Kompetenz

Als Trainingsanbieter ist das TUHH-Institut für Flugzeug-Kabinensysteme korporatives Mitglied der GfSE und bereitet als akkreditierte Trainingsstelle die Studierenden optimal und unabhängig auf die Zertifizierung vor, die von einem Prüfungsausschuss der SE-ZERT® Assessorengruppe der GfSE e.V. auf SE Wissen geprüft werden. Somit soll und wird eine hohe Qualität dieser Weiterbildung sichergestellt. Mit einem SE-ZERT® Zertifikat sind Absolventen branchenübergreifend für Ihre Arbeit als Systems Engineer in der Industrie qualifiziert. Die Weiterbildung wird an der TUHH in deutscher, sonst aber vielfach auch in englischer Sprache weltweit angeboten. SE-ZERT® an der TUHH richtet sich an Studierende im Masterstudiengang. Das SE-ZERT® Programm unterscheidet vier Qualifikationsebenen, die aufeinander aufbauen. Für Absolventen der TUHH erfolgt der Einstieg nach Wissensvermittlung und erfolgreich abgelegter Prüfung über die Ebene D. Aufbauend können Ingenieure mit Berufserfahrung die Ebene C mit dem Ziel der Mitarbeit im Team anstreben, gefolgt von der Ebene B mit dem Ziel „Anwenden“ und u.U. dem Führen von kleinen Projekten. Die höchste Qualifikationsebene ist die Ebene A mit dem Ziel zu eigenen Problemformulierungen, Lösungen, Begründungen, Folgerungen, Interpretationen oder Wertungen zu gelangen und diese anderen auch vermitteln zu können.

Das Ziel des Zertifikats ist die Etablierung eines branchenübergreifenden Standards für Systems Engineering mit praktischen Übungen und praxisnahen Inhalten. Basis hierzu ist das INCOSE Systems Engineering Handbuch (in dt. oder engl. Ausgabe) als auch die Norm ISO/IEC 15288 und angrenzende Normen des Systems Engineering.

INCOSE Systems Engineering Handbuch - Ein Leitfaden für Systemlebenszyklus-Prozesse und -Aktivitäten, GfSE (Hrsg. der deutschen Übersetzung), ISBN 978-3-9818805-0-2.

ISO/IEC 15288 System- und Software-Engineering - System-Lebenszyklus-Prozesse (Systems and Software Engineering - System Life Cycle Processes).

• Prozesse und Methoden der Produktentwicklung - von der Idee bis zur Markteinführung 
  • Identifikation von Markt- und Technologiepotenzialen
  • Erarbeitung einer gemeinsamen Produktarchitektur
  • Synchronisierte Produktentwicklung über alle ingenieurwissenschaftlichen Fachdisziplinen
  • Produktabsicherung aus Kundensicht
• Steuerung und Optimierung der Produktentwicklung
  • Gestaltung von Arbeitsabläufen in der Entwicklung
  • IT-Systeme in der Entwicklung
  • Etablierung von Management Standards
  • Typische Organisationsformen

• Bender: Embedded Systems - qualitätsorientierte Entwicklung 
• Ehrlenspiel: Integrierte Produktentwicklung: Denkabläufe, Methodeneinsatz, Zusammenarbeit 
• Gausemeier/Ebbesmeyer/Kallmeyer: Produktinnovation - Strategische Planung und Entwicklung der Produkte von morgen
• Haberfellner/de Weck/Fricke/Vössner: Systems Engineering: Grundlagen und Anwendung
• Lindemann: Methodische Entwicklung technischer Produkte: Methoden flexibel und situationsgerecht anwenden
• Pahl/Beitz: Konstruktionslehre: Grundlagen erfolgreicher Produktentwicklung. Methoden und Anwendung 
• VDI-Richtlinie 2206: Entwicklungsmethodik für mechatronische Systeme

Im Rahmen dieses Seminars soll zunächst eine Hardwareumgebung für einen gängigen 8-bit Microcontroller (ATMEL ATmega-Serie) erstellt werden, die sowohl den Betrieb des Controllers als auch die Programmierung desselben von einem Standard-PC aus unterstützt. Die Schaltung soll mit Programmen in Assembler- und Hochsprache in Betrieb genommen werden.

Prüfungsleistung: schriftliche Ausarbeitung und Vortrag

ATmega16A 8-bit  Microcontroller with 16K Bytes In-System Programmable Flash - DATASHEET, Atmel Corporation 2014

Atmel AVR 8-bit Instruction Set Instruction Set Manual, Atmel Corporation 2016

• Introduction (historical view, scientific and economic relevance, scaling laws)
• Semiconductor Technology Basics, Lithography (wafer fabrication, photolithography, improving resolution, next-generation lithography, nano-imprinting, molecular imprinting)
• Deposition Techniques (thermal oxidation, epitaxy, electroplating, PVD techniques: evaporation and sputtering; CVD techniques: APCVD, LPCVD, PECVD and LECVD; screen printing)
• Etching and Bulk Micromachining (definitions, wet chemical etching, isotropic etch with HNA, electrochemical etching, anisotropic etching with KOH/TMAH: theory, corner undercutting, measures for compensation and etch-stop techniques; plasma processes, dry etching: back sputtering, plasma etching, RIE, Bosch process, cryo process, XeF2 etching)
• Surface Micromachining and alternative Techniques (sacrificial etching, film stress, stiction: theory and counter measures; Origami microstructures, Epi-Poly, porous silicon, SOI, SCREAM process, LIGA, SU8, rapid prototyping)
• Thermal and Radiation Sensors (temperature measurement, self-generating sensors: Seebeck effect and thermopile; modulating sensors: thermo resistor, Pt-100, spreading resistance sensor, pn junction, NTC and PTC; thermal anemometer, mass flow sensor, photometry, radiometry, IR sensor: thermopile and bolometer)
• Mechanical Sensors (strain based and stress based principle, capacitive readout, piezoresistivity,  pressure sensor: piezoresistive, capacitive and fabrication process; accelerometer: piezoresistive, piezoelectric and capacitive; angular rate sensor: operating principle and fabrication process)
• Magnetic Sensors (galvanomagnetic sensors: spinning current Hall sensor and magneto-transistor; magnetoresistive sensors: magneto resistance, AMR and GMR, fluxgate magnetometer)
• Chemical and Bio Sensors (thermal gas sensors: pellistor and thermal conductivity sensor; metal oxide semiconductor gas sensor, organic semiconductor gas sensor, Lambda probe, MOSFET gas sensor, pH-FET, SAW sensor, principle of biosensor, Clark electrode, enzyme electrode, DNA chip)
• Micro Actuators, Microfluidics and TAS (drives: thermal, electrostatic, piezo electric and electromagnetic; light modulators, DMD, adaptive optics, microscanner, microvalves: passive and active, micropumps, valveless micropump, electrokinetic micropumps, micromixer, filter, inkjet printhead, microdispenser, microfluidic switching elements, microreactor, lab-on-a-chip, microanalytics)
• MEMS in medical Engineering (wireless energy and data transmission, smart pill, implantable drug delivery system, stimulators: microelectrodes, cochlear and retinal implant; implantable pressure sensors, intelligent osteosynthesis, implant for spinal cord regeneration)
• Design, Simulation, Test (development and design flows, bottom-up approach, top-down approach, testability, modelling: multiphysics, FEM and equivalent circuit simulation; reliability test, physics-of-failure, Arrhenius equation, bath-tub relationship)
• System Integration (monolithic and hybrid integration, assembly and packaging, dicing, electrical contact: wire bonding, TAB and flip chip bonding; packages, chip-on-board, wafer-level-package, 3D integration, wafer bonding: anodic bonding and silicon fusion bonding; micro electroplating, 3D-MID)

M. Madou: Fundamentals of Microfabrication, CRC Press, 2002

N. Schwesinger: Lehrbuch Mikrosystemtechnik, Oldenbourg Verlag, 2009

T. M. Adams, R. A. Layton:Introductory MEMS, Springer, 2010

G. Gerlach; W. Dötzel: Introduction to microsystem technology, Wiley, 2008

Ziele der problemorientierten Lehrveranstaltung sind der Erwerb von Kenntnissen zum Vorgehen beim Systementwurf mittels der formalen Sprachen SysML/UML, das Kennenlernen von Werkzeugen zur Modellierung und schließlich die Durchführung eines Projekts mit Methoden und Werkzeugen des Model-Based Systems Engineering (MBSE) auf einer realistischen Hardwareplattform (z.B. Arduino®, Raspberry Pi®):
• Was ist ein Modell?
• Was ist Systems Engineering?
• Überblick zu MBSE Methodiken
• Die Modellierungssprachen SysML/UML
• Werkzeuge für das MBSE
• Vorgehensweisen beim MBSE 
• Anforderungsspezifikation, funktionale Architektur, Lösungsspezifikation
• Vom Modell zum Softwarecode
• Validierung und Verifikation: XiL-Methoden
• Begleitendes MBSE-Projekt

- Skript zur Vorlesung
- Weilkiens, T.: Systems Engineering mit SysML/UML: Modellierung, Analyse, Design. 2. Auflage, dpunkt.Verlag, 2008
- Holt, J., Perry, S.A., Brownsword, M.: Model-Based Requirements Engineering. Institution Engineering & Tech, 2011

Die industrielle Produktion befasst sich mit der Herstellung physischer Produkte zur Befriedigung menschlicher Bedürfnisse unter Einsatz verschiedener Fertigungsprozesse, die die Form und die physikalischen Eigenschaften der Ausgangsmaterialien verändern. Das produzierende Gewerbe ist zentraler Treiber der wirtschaftlichen Entwicklung und hat großen Einfluss auf das Wohlergehen der Menschheit. Das Ausmaß der gegenwärtigen Produktionsaktivitäten führt jedoch zu einem enormen globalen Energie- und Materialbedarf, der sowohl der Umwelt als auch den Menschen schadet. Historisch gesehen orientierten sich industrielle Aktivitäten meist an ökonomischen Randbedingungen, während soziale und ökologische Folgen kaum berücksichtigt wurden. Infolgedessen liegen die heutigen globalen Verbrauchsraten vieler Ressourcen und damit verbundene Emissionen häufig über der natürlichen Regenerationsrate unseres Planeten. Insofern ist ein Großteil der derzeitigen industriellen Produktion als nicht nachhaltig zu bezeichnen. Dies wird jedes Jahr durch den “Earth Overshoot Day” unterstrichen, der den Tag markiert, an dem der ökologische Fußabdruck der Menschheit die jährliche Regenerationsfähigkeit der Erde übersteigt. 

Die vorliegende Vorlesung soll die Motivation, Analysemethoden sowie Ansätze für eine nachhaltige industrielle Produktion vermitteln und verdeutlichen, welchen Einfluss die Produktionsphase im Verhältnis zur Rohstoff-, Nutzungs- und Recyclingphase im gesamten Lebenszyklus von Produkten hat. Hierzu werden die folgenden Themen beleuchtet:

- Motivation für eine nachhaltige Produktion, die 17 Ziele für nachhaltige Entwicklung (SDGs) der Vereinten Nationen und ihre Bedeutung für die Fertigung von morgen;

- Ausgangsstoffe vs. Produktionsphase vs. Nutzungsphase vs. Recycling/End-of-Life-Phase: Bedeutung der Produktionsphase für die Umweltauswirkungen gefertigter Produkte;

- Typische energie- und ressourcenintensive Prozesse in der industriellen Produktion und innovative Ansätze zur Steigerung der Energie- und Ressourceneffizienz;

- Methodik zur Optimierung der Energie- und Ressourceneffizienz von industriellen Fertigungsketten mit den drei Schritten Modellieren (1), Bewerten (2) und Verbessern (3);

- Ressourceneffizienz von Wertschöpfungsketten der industriellen Produktion und ihre Beurteilung mittels Lebenszyklusanalyse (LCA);

- Übung: Ökobilanztechnische Betrachtung eines Fertigungsprozesses (Thermoplastisches Fügen eines Flugzeugrumpfsegments) als Teil eines Produkt-Life-Cycle-Assessments.

Literatur:

- Stefan Alexander (2020): Resource efficiency in manufacturing value chains. Cham: Springer International Publishing.

- Hauschild, Michael Z.; Rosenbaum, Ralph K.; Olsen, Stig Irving (Hg.) (2018): Life Cycle Assessment. Theory and Practice. Cham: Springer International Publishing.

- Kishita, Yusuke; Matsumoto, Mitsutaka; Inoue, Masato; Fukushige, Shinichi (2021): EcoDesign and sustainability. Singapore: Springer.

- Schebek, Liselotte; Herrmann, Christoph; Cerdas, Felipe (2019): Progress in Life Cycle Assessment. Cham: Springer International Publishing.

- Thiede, Sebastian; Hermann, Christoph (2019): Eco-factories of the future. Cham: Springer Nature Switzerland AG.

- Vorlesungsskript.

• Prozessmesstechnik im Rahmen der Prozessleittechnik
  • Aufgaben der Prozessmesstechnik
  • Instrumentierung von Prozessen
  • Klassifizierung der Aufnehmer
• Systemtheorie in der Prozessmesstechnik
  • Allgemeine lineare Beschreibung der Aufnehmer
  • Mathematische Beschreibung von allgemeinen Zweitoren
  • Fourier- und Laplace-Transformation
• Korrelationsmesstechnik
  • Bedeutung von Breitbandsignalen für die Korrelationsmesstechnik
  • Auto- und Kreuzkorrelationsfunktion, sowie Anwendungen
  • Störfestigkeit von Korrelationsverfahren
• Übertragung von analogen und digitalen Messsignalen in der Prozessmesstechnik
  • Modulationsverfahren (Amplituden-/Frequenzmodulation)
  • Multiplexverfahren zur Datenübertragung
  • Analog-Digital-Wandler

- Färber: „Prozeßrechentechnik“, Springer-Verlag 1994

- Kiencke, Kronmüller: „Meßtechnik“, Springer Verlag Berlin Heidelberg, 1995

- A. Ambardar: „Analog and Digital Signal Processing“ (1), PWS Publishing Company, 1995, NTC 339

- A. Papoulis: „Signal Analysis“ (1), McGraw-Hill, 1987, NTC 312 (LB)

- M. Schwartz: „Information Transmission, Modulation and Noise“ (3,4), McGraw-Hill, 1980, 2402095

- S. Haykin: „Communication Systems“ (1,3), Wiley&Sons, 1983, 2419072

- H. Sheingold: „Analog-Digital Conversion Handbook“ (5), Prentice-Hall, 1986, 2440072

- J. Fraden: „AIP Handbook of Modern Sensors“ (5,6), American Institute of Physics, 1993, MTB 346

Immer aus dem Blickwinkel des Ingenieurs betrachtet, gliedert sich die Vorlesung wie folgt:

• Einleitung in die Thematik
• Grundlagen der physiologischen Modellbildung
• Einführung in die Atmung und Beatmung
• Physiologie und Pathologie in die Kardiologie
• Einführung in die Regelung des Blutzuckers
• Funktion der Niere und Nierenersatztherapie
• Darstellung der Regelungstechnik am konkreten Beatmungsgerät
• Exkursion zu einem Medizintechnik-Unternehmen

Es werden Techniken der Modellierung, Simulation und Reglerentwicklung besprochen. Bei den Modellen werden einfache Ersatzschaltbilder für physiologische Abläufe hergeleitet und erklärt wie damit Sensoren, Regler und Aktoren gesteuert werden. MATLAB und SIMULINK sind die eingesetzten Entwicklungswerkzeuge.

• Leonhardt, S., & Walter, M. (2016). Medizintechnische Systeme. Berlin, Heidelberg: Springer Vieweg.
• Werner, J. (2005). Kooperative und autonome Systeme der Medizintechnik. München: Oldenbourg.
• Oczenski, W. (2017). Atmen : Atemhilfen ; Atemphysiologie und Beatmungstechnik: Georg Thieme Verlag KG.

1. Modellierung von Mehrkörpersystemen
2. Kinematische und kinetische Grundlagen
3. Bindungen
4. Mehrkörpersysteme in Minimalkoordinaten
5. Zustandsraum, Linearisierung und Modalanalyse
   
6. Mehrkörpersysteme mit kinematischen Schleifen
7. Mehrkörpersysteme in DAE-Form
8. Nichtholonome Mehrkörpersysteme
9. Experimentelle Methoden in der Dynamik
   

Schiehlen, W.; Eberhard, P.: Technische Dynamik, 4. Auflage, Vieweg+Teubner: Wiesbaden, 2014.

Woernle, C.: Mehrkörpersysteme, Springer: Heidelberg, 2011.

Seifried, R.: Dynamics of Underactuated Multibody Systems, Springer, 2014.

-Project Based Learning
-Robot Operating System
-Roboteraufbau- und Beschreibung
-Bewegungsbeschreibung
-Kalibrierung
-Genauigkeit

John J. Craig
Introduction to Robotics - Mechanics and Control 
ISBN: 0131236296
 Pearson Education, Inc., 2005

Stefan Hesse
Grundlagen der Handhabungstechnik
ISBN: 3446418725
 München Hanser, 2010

K. Thulasiraman and M. N. S. Swamy
Graphs: Theory and Algorithms
ISBN: 9781118033104  %CITAVIPICKER£9781118033104£Titel anhand dieser ISBN in Citavi-Projekt übernehmen£%
John Wüey & Sons, Inc., 1992

Inhalt

- Arbeitswissenschaftliche Konzepte, Belastung und Beanspruchung

- Körpermaße, Muskel- und Montagearbeit, Anzeigen und Stellteile

- Sitzen, Stehen, Heben und Tragen

- Licht, Sehen, Beleuchtung und Lichtmessung

- Lärm, Lärmmessung, Lärmschutz und mechanische Schwingungen

- Klima und Strahlung; Gefahrstoffe

- Gesetzlicher Arbeitsschutz, betriebliche Arbeitsschutzkonzepte, Gefährdungsbeurteilung

- Gefährliche Arbeiten: Strom, Leitern, Kräne, Gerüste, Stapler, Alleinarbeit …

- Persönliche Schutzausrüstungen: Gehörschutz, Handschuhe, Schuhe, Atemschutz …

- Gestaltung von Bildschirmarbeit und ergonomischer Software

- Psychische Belastungen, Motivation, Arbeitszufriedenheit und Ermüdung

- Betriebliche Gesundheitsförderung, Demographie, Humanisierung der Arbeit

- Entgeltgestaltung: Eingruppierung, Leistungsbeurteilung, Zielvereinbarung, Prämienlohn

- Arbeitszeitgestaltung: Gleitende Arbeitszeit, Flexible Arbeitszeit, Vertrauensarbeitszeit

- Gestaltung von Schichtarbeit

Qualifikationsziele

Die Teilnehmer erhalten einen Überblick über die ergonomische und menschengerechte Gestaltung von Arbeit und Technik. Ausgehend von den menschlichen Körperfunktionen wird vermittelt, wie Arbeitssysteme analysiert, Belastungen erkannt und Gefährdungen bewertet werden können. Die Teilnehmer erhalten praxisbezogene Kenntnisse zur ganzheitlichen Gestaltung von Arbeitsbedingungen in Produktions- und Dienstleistungsbetrieben sowie von Schnittstellen von Mensch und Technik. Diese Veranstaltung befähigt sie, Verantwortung zu übernehmen und technische Veränderungsprozesse personenbezogen auszulegen.

Das SE-ZERT® Programm (vgl. https://www.sezert.de/de/anwaerter-de.html) ist eine Weiterbildung zum „Certified Systems Engineer (GfSE)®“. An der TUHH baut diese Weiterbildung auf der Vorlesung und Übung Systems Engineering auf. Es wurde von der GfSE e.V. zusammen mit dem TÜV Rheinland als Personenzertifikat entwickelt. Das Programm orientiert sich an der EN ISO/IEC 17024 zur Personenzertifizierung.

Trainingsinhalte sind:

- Grundlagen des Systems Engineering (inkl. Einführung)

- Projektübergreifende Schnittstellen

- Schnittstellen des Systems Engineering zu Projekt Management

- Systems Engineering Management

- Anforderungsmanagement und Validierung & Verifikation

- Realisationsprozesse

- Querschnittsfunktionen innerhalb von Entwicklungsprojekten

- Berücksichtigung von operationellen Aspekten und der Stilllegung im Design

- Konfliktmanagement und soziale Kompetenz

Als Trainingsanbieter ist das TUHH-Institut für Flugzeug-Kabinensysteme korporatives Mitglied der GfSE und bereitet als akkreditierte Trainingsstelle die Studierenden optimal und unabhängig auf die Zertifizierung vor, die von einem Prüfungsausschuss der SE-ZERT® Assessorengruppe der GfSE e.V. auf SE Wissen geprüft werden. Somit soll und wird eine hohe Qualität dieser Weiterbildung sichergestellt. Mit einem SE-ZERT® Zertifikat sind Absolventen branchenübergreifend für Ihre Arbeit als Systems Engineer in der Industrie qualifiziert. Die Weiterbildung wird an der TUHH in deutscher, sonst aber vielfach auch in englischer Sprache weltweit angeboten. SE-ZERT® an der TUHH richtet sich an Studierende im Masterstudiengang. Das SE-ZERT® Programm unterscheidet vier Qualifikationsebenen, die aufeinander aufbauen. Für Absolventen der TUHH erfolgt der Einstieg nach Wissensvermittlung und erfolgreich abgelegter Prüfung über die Ebene D. Aufbauend können Ingenieure mit Berufserfahrung die Ebene C mit dem Ziel der Mitarbeit im Team anstreben, gefolgt von der Ebene B mit dem Ziel „Anwenden“ und u.U. dem Führen von kleinen Projekten. Die höchste Qualifikationsebene ist die Ebene A mit dem Ziel zu eigenen Problemformulierungen, Lösungen, Begründungen, Folgerungen, Interpretationen oder Wertungen zu gelangen und diese anderen auch vermitteln zu können.

Das Ziel des Zertifikats ist die Etablierung eines branchenübergreifenden Standards für Systems Engineering mit praktischen Übungen und praxisnahen Inhalten. Basis hierzu ist das INCOSE Systems Engineering Handbuch (in dt. oder engl. Ausgabe) als auch die Norm ISO/IEC 15288 und angrenzende Normen des Systems Engineering.

INCOSE Systems Engineering Handbuch - Ein Leitfaden für Systemlebenszyklus-Prozesse und -Aktivitäten, GfSE (Hrsg. der deutschen Übersetzung), ISBN 978-3-9818805-0-2.

ISO/IEC 15288 System- und Software-Engineering - System-Lebenszyklus-Prozesse (Systems and Software Engineering - System Life Cycle Processes).

• Prozesse und Methoden der Produktentwicklung - von der Idee bis zur Markteinführung 
  • Identifikation von Markt- und Technologiepotenzialen
  • Erarbeitung einer gemeinsamen Produktarchitektur
  • Synchronisierte Produktentwicklung über alle ingenieurwissenschaftlichen Fachdisziplinen
  • Produktabsicherung aus Kundensicht
• Steuerung und Optimierung der Produktentwicklung
  • Gestaltung von Arbeitsabläufen in der Entwicklung
  • IT-Systeme in der Entwicklung
  • Etablierung von Management Standards
  • Typische Organisationsformen

• Bender: Embedded Systems - qualitätsorientierte Entwicklung 
• Ehrlenspiel: Integrierte Produktentwicklung: Denkabläufe, Methodeneinsatz, Zusammenarbeit 
• Gausemeier/Ebbesmeyer/Kallmeyer: Produktinnovation - Strategische Planung und Entwicklung der Produkte von morgen
• Haberfellner/de Weck/Fricke/Vössner: Systems Engineering: Grundlagen und Anwendung
• Lindemann: Methodische Entwicklung technischer Produkte: Methoden flexibel und situationsgerecht anwenden
• Pahl/Beitz: Konstruktionslehre: Grundlagen erfolgreicher Produktentwicklung. Methoden und Anwendung 
• VDI-Richtlinie 2206: Entwicklungsmethodik für mechatronische Systeme

Im Rahmen dieses Seminars soll zunächst eine Hardwareumgebung für einen gängigen 8-bit Microcontroller (ATMEL ATmega-Serie) erstellt werden, die sowohl den Betrieb des Controllers als auch die Programmierung desselben von einem Standard-PC aus unterstützt. Die Schaltung soll mit Programmen in Assembler- und Hochsprache in Betrieb genommen werden.

Prüfungsleistung: schriftliche Ausarbeitung und Vortrag

ATmega16A 8-bit  Microcontroller with 16K Bytes In-System Programmable Flash - DATASHEET, Atmel Corporation 2014

Atmel AVR 8-bit Instruction Set Instruction Set Manual, Atmel Corporation 2016

• Introduction (historical view, scientific and economic relevance, scaling laws)
• Semiconductor Technology Basics, Lithography (wafer fabrication, photolithography, improving resolution, next-generation lithography, nano-imprinting, molecular imprinting)
• Deposition Techniques (thermal oxidation, epitaxy, electroplating, PVD techniques: evaporation and sputtering; CVD techniques: APCVD, LPCVD, PECVD and LECVD; screen printing)
• Etching and Bulk Micromachining (definitions, wet chemical etching, isotropic etch with HNA, electrochemical etching, anisotropic etching with KOH/TMAH: theory, corner undercutting, measures for compensation and etch-stop techniques; plasma processes, dry etching: back sputtering, plasma etching, RIE, Bosch process, cryo process, XeF2 etching)
• Surface Micromachining and alternative Techniques (sacrificial etching, film stress, stiction: theory and counter measures; Origami microstructures, Epi-Poly, porous silicon, SOI, SCREAM process, LIGA, SU8, rapid prototyping)
• Thermal and Radiation Sensors (temperature measurement, self-generating sensors: Seebeck effect and thermopile; modulating sensors: thermo resistor, Pt-100, spreading resistance sensor, pn junction, NTC and PTC; thermal anemometer, mass flow sensor, photometry, radiometry, IR sensor: thermopile and bolometer)
• Mechanical Sensors (strain based and stress based principle, capacitive readout, piezoresistivity,  pressure sensor: piezoresistive, capacitive and fabrication process; accelerometer: piezoresistive, piezoelectric and capacitive; angular rate sensor: operating principle and fabrication process)
• Magnetic Sensors (galvanomagnetic sensors: spinning current Hall sensor and magneto-transistor; magnetoresistive sensors: magneto resistance, AMR and GMR, fluxgate magnetometer)
• Chemical and Bio Sensors (thermal gas sensors: pellistor and thermal conductivity sensor; metal oxide semiconductor gas sensor, organic semiconductor gas sensor, Lambda probe, MOSFET gas sensor, pH-FET, SAW sensor, principle of biosensor, Clark electrode, enzyme electrode, DNA chip)
• Micro Actuators, Microfluidics and TAS (drives: thermal, electrostatic, piezo electric and electromagnetic; light modulators, DMD, adaptive optics, microscanner, microvalves: passive and active, micropumps, valveless micropump, electrokinetic micropumps, micromixer, filter, inkjet printhead, microdispenser, microfluidic switching elements, microreactor, lab-on-a-chip, microanalytics)
• MEMS in medical Engineering (wireless energy and data transmission, smart pill, implantable drug delivery system, stimulators: microelectrodes, cochlear and retinal implant; implantable pressure sensors, intelligent osteosynthesis, implant for spinal cord regeneration)
• Design, Simulation, Test (development and design flows, bottom-up approach, top-down approach, testability, modelling: multiphysics, FEM and equivalent circuit simulation; reliability test, physics-of-failure, Arrhenius equation, bath-tub relationship)
• System Integration (monolithic and hybrid integration, assembly and packaging, dicing, electrical contact: wire bonding, TAB and flip chip bonding; packages, chip-on-board, wafer-level-package, 3D integration, wafer bonding: anodic bonding and silicon fusion bonding; micro electroplating, 3D-MID)

M. Madou: Fundamentals of Microfabrication, CRC Press, 2002

N. Schwesinger: Lehrbuch Mikrosystemtechnik, Oldenbourg Verlag, 2009

T. M. Adams, R. A. Layton:Introductory MEMS, Springer, 2010

G. Gerlach; W. Dötzel: Introduction to microsystem technology, Wiley, 2008

Ziele der problemorientierten Lehrveranstaltung sind der Erwerb von Kenntnissen zum Vorgehen beim Systementwurf mittels der formalen Sprachen SysML/UML, das Kennenlernen von Werkzeugen zur Modellierung und schließlich die Durchführung eines Projekts mit Methoden und Werkzeugen des Model-Based Systems Engineering (MBSE) auf einer realistischen Hardwareplattform (z.B. Arduino®, Raspberry Pi®):
• Was ist ein Modell?
• Was ist Systems Engineering?
• Überblick zu MBSE Methodiken
• Die Modellierungssprachen SysML/UML
• Werkzeuge für das MBSE
• Vorgehensweisen beim MBSE 
• Anforderungsspezifikation, funktionale Architektur, Lösungsspezifikation
• Vom Modell zum Softwarecode
• Validierung und Verifikation: XiL-Methoden
• Begleitendes MBSE-Projekt

- Skript zur Vorlesung
- Weilkiens, T.: Systems Engineering mit SysML/UML: Modellierung, Analyse, Design. 2. Auflage, dpunkt.Verlag, 2008
- Holt, J., Perry, S.A., Brownsword, M.: Model-Based Requirements Engineering. Institution Engineering & Tech, 2011

Die industrielle Produktion befasst sich mit der Herstellung physischer Produkte zur Befriedigung menschlicher Bedürfnisse unter Einsatz verschiedener Fertigungsprozesse, die die Form und die physikalischen Eigenschaften der Ausgangsmaterialien verändern. Das produzierende Gewerbe ist zentraler Treiber der wirtschaftlichen Entwicklung und hat großen Einfluss auf das Wohlergehen der Menschheit. Das Ausmaß der gegenwärtigen Produktionsaktivitäten führt jedoch zu einem enormen globalen Energie- und Materialbedarf, der sowohl der Umwelt als auch den Menschen schadet. Historisch gesehen orientierten sich industrielle Aktivitäten meist an ökonomischen Randbedingungen, während soziale und ökologische Folgen kaum berücksichtigt wurden. Infolgedessen liegen die heutigen globalen Verbrauchsraten vieler Ressourcen und damit verbundene Emissionen häufig über der natürlichen Regenerationsrate unseres Planeten. Insofern ist ein Großteil der derzeitigen industriellen Produktion als nicht nachhaltig zu bezeichnen. Dies wird jedes Jahr durch den “Earth Overshoot Day” unterstrichen, der den Tag markiert, an dem der ökologische Fußabdruck der Menschheit die jährliche Regenerationsfähigkeit der Erde übersteigt. 

Die vorliegende Vorlesung soll die Motivation, Analysemethoden sowie Ansätze für eine nachhaltige industrielle Produktion vermitteln und verdeutlichen, welchen Einfluss die Produktionsphase im Verhältnis zur Rohstoff-, Nutzungs- und Recyclingphase im gesamten Lebenszyklus von Produkten hat. Hierzu werden die folgenden Themen beleuchtet:

- Motivation für eine nachhaltige Produktion, die 17 Ziele für nachhaltige Entwicklung (SDGs) der Vereinten Nationen und ihre Bedeutung für die Fertigung von morgen;

- Ausgangsstoffe vs. Produktionsphase vs. Nutzungsphase vs. Recycling/End-of-Life-Phase: Bedeutung der Produktionsphase für die Umweltauswirkungen gefertigter Produkte;

- Typische energie- und ressourcenintensive Prozesse in der industriellen Produktion und innovative Ansätze zur Steigerung der Energie- und Ressourceneffizienz;

- Methodik zur Optimierung der Energie- und Ressourceneffizienz von industriellen Fertigungsketten mit den drei Schritten Modellieren (1), Bewerten (2) und Verbessern (3);

- Ressourceneffizienz von Wertschöpfungsketten der industriellen Produktion und ihre Beurteilung mittels Lebenszyklusanalyse (LCA);

- Übung: Ökobilanztechnische Betrachtung eines Fertigungsprozesses (Thermoplastisches Fügen eines Flugzeugrumpfsegments) als Teil eines Produkt-Life-Cycle-Assessments.

Literatur:

- Stefan Alexander (2020): Resource efficiency in manufacturing value chains. Cham: Springer International Publishing.

- Hauschild, Michael Z.; Rosenbaum, Ralph K.; Olsen, Stig Irving (Hg.) (2018): Life Cycle Assessment. Theory and Practice. Cham: Springer International Publishing.

- Kishita, Yusuke; Matsumoto, Mitsutaka; Inoue, Masato; Fukushige, Shinichi (2021): EcoDesign and sustainability. Singapore: Springer.

- Schebek, Liselotte; Herrmann, Christoph; Cerdas, Felipe (2019): Progress in Life Cycle Assessment. Cham: Springer International Publishing.

- Thiede, Sebastian; Hermann, Christoph (2019): Eco-factories of the future. Cham: Springer Nature Switzerland AG.

- Vorlesungsskript.

• Prozessmesstechnik im Rahmen der Prozessleittechnik
  • Aufgaben der Prozessmesstechnik
  • Instrumentierung von Prozessen
  • Klassifizierung der Aufnehmer
• Systemtheorie in der Prozessmesstechnik
  • Allgemeine lineare Beschreibung der Aufnehmer
  • Mathematische Beschreibung von allgemeinen Zweitoren
  • Fourier- und Laplace-Transformation
• Korrelationsmesstechnik
  • Bedeutung von Breitbandsignalen für die Korrelationsmesstechnik
  • Auto- und Kreuzkorrelationsfunktion, sowie Anwendungen
  • Störfestigkeit von Korrelationsverfahren
• Übertragung von analogen und digitalen Messsignalen in der Prozessmesstechnik
  • Modulationsverfahren (Amplituden-/Frequenzmodulation)
  • Multiplexverfahren zur Datenübertragung
  • Analog-Digital-Wandler

- Färber: „Prozeßrechentechnik“, Springer-Verlag 1994

- Kiencke, Kronmüller: „Meßtechnik“, Springer Verlag Berlin Heidelberg, 1995

- A. Ambardar: „Analog and Digital Signal Processing“ (1), PWS Publishing Company, 1995, NTC 339

- A. Papoulis: „Signal Analysis“ (1), McGraw-Hill, 1987, NTC 312 (LB)

- M. Schwartz: „Information Transmission, Modulation and Noise“ (3,4), McGraw-Hill, 1980, 2402095

- S. Haykin: „Communication Systems“ (1,3), Wiley&Sons, 1983, 2419072

- H. Sheingold: „Analog-Digital Conversion Handbook“ (5), Prentice-Hall, 1986, 2440072

- J. Fraden: „AIP Handbook of Modern Sensors“ (5,6), American Institute of Physics, 1993, MTB 346

Immer aus dem Blickwinkel des Ingenieurs betrachtet, gliedert sich die Vorlesung wie folgt:

• Einleitung in die Thematik
• Grundlagen der physiologischen Modellbildung
• Einführung in die Atmung und Beatmung
• Physiologie und Pathologie in die Kardiologie
• Einführung in die Regelung des Blutzuckers
• Funktion der Niere und Nierenersatztherapie
• Darstellung der Regelungstechnik am konkreten Beatmungsgerät
• Exkursion zu einem Medizintechnik-Unternehmen

Es werden Techniken der Modellierung, Simulation und Reglerentwicklung besprochen. Bei den Modellen werden einfache Ersatzschaltbilder für physiologische Abläufe hergeleitet und erklärt wie damit Sensoren, Regler und Aktoren gesteuert werden. MATLAB und SIMULINK sind die eingesetzten Entwicklungswerkzeuge.

• Leonhardt, S., & Walter, M. (2016). Medizintechnische Systeme. Berlin, Heidelberg: Springer Vieweg.
• Werner, J. (2005). Kooperative und autonome Systeme der Medizintechnik. München: Oldenbourg.
• Oczenski, W. (2017). Atmen : Atemhilfen ; Atemphysiologie und Beatmungstechnik: Georg Thieme Verlag KG.

1. Modellierung von Mehrkörpersystemen
2. Kinematische und kinetische Grundlagen
3. Bindungen
4. Mehrkörpersysteme in Minimalkoordinaten
5. Zustandsraum, Linearisierung und Modalanalyse
   
6. Mehrkörpersysteme mit kinematischen Schleifen
7. Mehrkörpersysteme in DAE-Form
8. Nichtholonome Mehrkörpersysteme
9. Experimentelle Methoden in der Dynamik
   

Schiehlen, W.; Eberhard, P.: Technische Dynamik, 4. Auflage, Vieweg+Teubner: Wiesbaden, 2014.

Woernle, C.: Mehrkörpersysteme, Springer: Heidelberg, 2011.

Seifried, R.: Dynamics of Underactuated Multibody Systems, Springer, 2014.

• Grundlagen der Kinematik
• Grundlagen der statischen und dynamischen Stabilität humanoider Robotersysteme
• Verknüpfung verschiedener Entwicklungsumgebungen (Matlab, C++, etc.)
• Einarbeitung in die notwendigen Frameworks
• Bearbeitung einer Projektaufgabe im Team
• Präsentation und Demonstration von Zwischen- und Endergebnissen

• B. Siciliano, O. Khatib. "Handbook of Robotics. Part A: Robotics Foundations", Springer (2008)

• Versuch 1: Programmieren in NXC
• Versuch 2: Programmierung des Roboters mit Matlab/Simulink
• Programmierung des Roboters in LabVIEW
  

• Peter Marwedel. Embedded System Design - Embedded System Foundations of Cyber-Physical Systems. 2^nd Edition, Springer, 2012.
• Begleitende Foliensätze
  

One of the offered experiments in control theory.

Experiment Guides

One of the offered experiments in control theory.

Experiment Guides

One of the offered experiments in control theory.

Experiment Guides

• Grundlagen der Regelungstechnik
• Control systems theory and design

- B. Siciliano, O. Khatib. "Handbook of Robotics. Part A: Robotics Foundations",

Springer (2008).

• Prediction error method
  
• Linear and nonlinear model structures
• Nonlinear model structure based on multilayer perceptron network
• Approximate predictive control based on multilayer perceptron network model
• Subspace identification

• Lennart Ljung, System Identification - Theory for the User, Prentice Hall 1999
• M. Norgaard, O. Ravn, N.K. Poulsen and L.K. Hansen, Neural Networks for Modeling and Control of Dynamic Systems, Springer Verlag, London 2003
• T. Kailath, A.H. Sayed and B. Hassibi, Linear Estimation, Prentice Hall 2000

Experiment Guides

Experiment Guides

Experiment Guides

Experiment Guides

• General-Purpose Processors
• Programming the Atmel AVR
• Interrupts
• C für Embedded Systems
• Standard Single Purpose Processors: Peripherals
• Finite-State Machines
• Speicher
• Betriebssystem für Eingebettete Systeme
• Echtzeit Eingebettete Systeme
  

1. Embedded System Design,  F. Vahid and T. Givargis,  John Wiley

2. Programming Embedded Systems: With C and Gnu Development Tools, M. Barr and A. Massa, O'Reilly

3. C und C++ für Embedded Systems,  F. Bollow, M. Homann, K. Köhn,  MITP
   

4. The Art of Designing  Embedded Systems, J. Ganssle, Newnses

5. Mikrocomputertechnik mit Controllern der Atmel AVR-RISC-Familie,  G. Schmitt, Oldenbourg
   

6. Making Embedded Systems: Design Patterns for Great Software, E. White, O'Reilly

• Einleitung und Motivation
• Compiler für Eingebettete Systeme - Anforderungen und Abhängigkeiten
• Interne Struktur von Compilern
• Pre-Pass Optimierungen
• HIR Optimierungen und Transformationen
• Code-Generierung
• LIR Optimierungen und Transformationen
• Register-Allokation
• WCET-bewusste Code-Generierung
• Ausblick
  

• Peter Marwedel. Embedded System Design - Embedded Systems Foundations of Cyber-Physical Systems. 2^nd Edition, Springer, 2012.
• Steven S. Muchnick. Advanced Compiler Design and Implementation. Morgan Kaufmann, 1997.
• Andrew W. Appel. Modern compiler implementation in C. Oxford University Press, 1998.
  

- kinematics
- calibration
- tracking systems
- navigation and image guidance
- motion compensation
The seminar extends and complements the contents of the lecture with respect to recent research results.

Spong et al.: Robot Modeling and Control, 2005
Troccaz: Medical Robotics, 2012
Further literature will be given in the lecture.

• Introduction
• Specifications and Modeling
• Embedded/Cyber-Physical Systems Hardware
• System Software
• Evaluation and Validation
• Mapping of Applications to Execution Platforms
• Optimization
  

• Peter Marwedel. Embedded System Design - Embedded Systems Foundations of Cyber-Physical Systems. 2^nd Edition, Springer, 2012., Springer, 2012.
  

Introduction to methodical design of mechatronic systems:

• Modelling
• System identification
• Simulation
• Optimization
  

Denny Miu: Mechatronics, Springer 1992

Modellierung in MATLAB^® und Simulink^®

Reglerentwurf (Linear, Nichtlinear, Beobachter)

Parameteridentifikation

Regelung eines realen Systems mittels Echtzeitboard und Simulink^® RTW

- Abhängig vom Versuchsaufbau

- Depends on the experiment

• Decision trees
• First-order inductive learning
• Incremental learning: Version spaces
• Uncertainty
• Bayesian networks
• Learning parameters of Bayesian networks
  BME, MAP, ML, EM algorithm
• Learning structures of Bayesian networks
• Gaussian Mixture Models
• kNN classifier, neural network classifier, support vector machine (SVM) classifier
  
• Clustering
  Distance measures, k-means clustering, nearest neighbor clustering
• Kernel Density Estimation
• Ensemble Learning
• Reinforcement Learning
• Computational Learning Theory

1. Artificial Intelligence: A Modern Approach (Third Edition), Stuart Russel, Peter Norvig, Prentice Hall, 2010, Chapters 13, 14, 18-21
2. Machine Learning: A Probabilistic Perspective, Kevin Murphy, MIT Press 2012

- methods for search, optimization,  planning,  classification, regression and prediction in a clinical context
- representation of medical knowledge
- understanding challenges due to clinical and patient related data and data acquisition
The students will work in groups to apply the methods introduced during the lecture using problem based learning.

Russel & Norvig: Artificial Intelligence: a Modern Approach, 2012
Berner: Clinical Decision Support Systems: Theory and Practice, 2007
Greenes: Clinical Decision Support: The Road Ahead, 2007
Further literature will be given in the lecture

- foundations of problem solving and system modeling, discrete event systems
- properties of processes, modeling using automata and Petri-nets
- design considerations for processes (mutex, deadlock avoidance, liveness)
- optimal scheduling for processes
- optimal decisions when planning manufacturing systems, decisions under uncertainty
- software design and software architectures for automation, PLCs

J. Lunze: „Automatisierungstechnik“, Oldenbourg Verlag, 2012
Reisig: Petrinetze: Modellierungstechnik, Analysemethoden, Fallstudien; Vieweg+Teubner 2010
Hrúz, Zhou: Modeling and Control of Discrete-event Dynamic Systems; Springer 2007
Li, Zhou: Deadlock Resolution in Automated Manufacturing Systems, Springer 2009
Pinedo: Planning and Scheduling in Manufacturing and Services, Springer 2009

• Transforms of discrete-time signals:

  • Discrete-time Fourier Transform (DTFT)

  • Discrete Fourier-Transform (DFT), Fast Fourier Transform (FFT)

  • Z-Transform

• Correspondence of continuous-time and discrete-time signals, sampling, sampling theorem

• Fast convolution, Overlap-Add-Method, Overlap-Save-Method

• Fundamental structures and basic types of digital filters

• Characterization of digital filters using pole-zero plots, important properties of digital filters

• Quantization effects

• Design of linear-phase filters

• Fundamentals of stochastic signal processing and adaptive filters

  • MMSE criterion

  • Wiener Filter

  • LMS- and RLS-algorithm

• Traditional and parametric methods of spectrum estimation

K.-D. Kammeyer, K. Kroschel: Digitale Signalverarbeitung. Vieweg Teubner.

V. Oppenheim, R. W. Schafer, J. R. Buck: Zeitdiskrete Signalverarbeitung. Pearson StudiumA. V.

W. Hess: Digitale Filter. Teubner.

Oppenheim, R. W. Schafer: Digital signal processing. Prentice Hall.

S. Haykin:  Adaptive flter theory.

L. B. Jackson: Digital filters and signal processing. Kluwer.

T.W. Parks, C.S. Burrus: Digital filter design. Wiley.

• Linear Parameter-Varying (LPV) Gain Scheduling
  
  - Linearizing gain scheduling, hidden coupling
  - Jacobian linearization vs. quasi-LPV models
  - Stability and induced L2 norm of LPV systems
  - Synthesis of LPV controllers based on the two-sided projection lemma
  - Simplifications: controller synthesis for polytopic and LFT models
  - Experimental identification of LPV models
  - Controller synthesis based on input/output models
  - Applications: LPV torque vectoring for electric vehicles, LPV control of a robotic manipulator

• Control of Multi-Agent Systems
  
  - Communication graphs
  - Spectral properties of the graph Laplacian
  - First and second order consensus protocols
  - Formation control, stability and performance
  - LPV models for agents subject to nonholonomic constraints
  - Application: formation control for a team of quadrotor helicopters
  
  
• Linear and Nonlinear Model Predictive Control based on LMIs
  

• Werner, H., Lecture Notes "Advanced Topics in Control"
• Selection of relevant research papers made available as pdf documents via StudIP

Inhalt (deutsch)

Lösung statistischer Fragestellungen unter Anwendung eines gebräuchlichen Statistikprogrammes. Die vermittelten statistischen Tests und Vorgehensweisen beinhalten:

•          Wahl des statistischen Verfahrens

•          Einfluss der Gruppengröße auf die Ergebnisse

•          Chi quadrat test

•          Regression und Korrelation mit einer unabhängigen Variablen

•          Regression und Korrelation mit mehreren unabhängigen Variablen

•          Varianzanalyse mit eine unabhängigen Variablen

•          Varianzanalyse mit mehreren unabhängigen Variablen

•          Diskriminantenanalyse

•          Analyse kategorischer Daten

•          Nichtparametrische Statistik

•          Überlebensanalysen

Applied Regression Analysis and Multivariable Methods, 3rd Edition, David G. Kleinbaum Emory University, Lawrence L. Kupper University of North Carolina at Chapel Hill, Keith E. Muller University of North Carolina at Chapel Hill, Azhar Nizam Emory University, Published by Duxbury Press, CB © 1998, ISBN/ISSN: 0-534-20910-6

Die Studenten bekommen in Kleingruppen (n=5) eine Fragestellung, zu deren Beantwortung sie sowohl die Datenerhebung als auch die Analyse durchführen und die Ergebnisse in Form eines executive summaries in der letzten Vorlesung vorstellen müssen.

Selbst zu finden

Anhand von praktischen Fragestellungen werden die wichtigsten statistischen Verfahren angewendet und gleichzeitig in die Benutzung der kommerziell am häufigsten eingesetzten Software eingeführt und deren Benutzung geübt.

Student Solutions Manual for Kleinbaum/Kupper/Muller/Nizam's Applied Regression Analysis and Multivariable Methods, 3rd Edition, David G. Kleinbaum Emory University Lawrence L. Kupper University of North Carolina at Chapel Hill, Keith E. Muller University of North Carolina at Chapel Hill, Azhar Nizam Emory University, Published by Duxbury Press, Paperbound © 1998, ISBN/ISSN: 0-534-20913-0

1. Grundlagen von Mehrkörpersystemen
2. Kontinuumsmechanische Grundlagen
3. Lineare finite Elemente Modelle und Modellreduktion
4. Nichtlineare finite Elemente Modelle: Absolute Nodal Coordinate Formulation
   
5. Kinematik eines elastischen Körpers
   
6. Kinetik eines elastischen Körpers
7. Zusammenbau des Gesamtsystems
   

Schwertassek, R. und Wallrapp, O.: Dynamik flexibler Mehrkörpersysteme. Braunschweig, Vieweg, 1999.

Seifried, R.: Dynamics of Underactuated Multibody Systems, Springer, 2014.

Shabana, A.A.: Dynamics of Multibody Systems. Cambridge Univ. Press, Cambridge, 2004, 3. Auflage.

1. Formulierung des Optimierungsproblems und Klassifikation
   
2. Skalare Optimierung
3. Sensitivitätsanalyse
4. Parameteroptimierung ohne Nebenbedingungen
5. Parameteroptimierung mit Nebenbedingungen
6. Stochastische Optimierungsverfahren
7. Mehrkriterienoptimierung
8. Topologieoptimierung
   

Bestle, D.: Analyse und Optimierung von Mehrkörpersystemen. Springer, Berlin, 1994.

Nocedal, J. , Wright , S.J. : Numerical Optimization. New York: Springer, 2006.

Experiment Guides

Experiment Guides

• Seminar on selected topics in modern control

• To be specified