Das Sommersemester 2021 findet bis auf Weiteres im Online-Format statt. Die vom Institut für Eingebettete Systeme/Echtzeitsysteme angebotenen studentischen Arbeiten (Projekte, Bachelor- und Masterarbeiten) werden davon aber nicht beeinflusst und sind so gestaltet, dass diese auch von zu Hause durchgeführt werden können. Wir stellen unseren Studierenden die benötigten Ressourcen (FPGAs, Software etc.) bei Bedarf entsprechend zur Verfügung.
Im Rahmen des Projektes U-Wave wird am Institut für Eingebettete Systeme/Echtzeitsysteme eine Lehr- und Forschungsplattform für Eingebettete Systeme in Form eines autonomen Unterwasserroboters (Autonomous Underwater Vehicle, AUV) entwickelt. Dieser Unterwasserroboter soll später als Plattform für Tests und Experimente dienen. Dabei ist der Schwerpunkt meiner Forschung, auf den modellbasierten Ansatz zur Entwicklung von Systemen zur Datenübertragung in Wasser gelegt. Diese zu übertragenden Daten variieren dabei in ihrer Größe und Wichtigkeit. Bei der Unterwasserkommunikation werden zwar zum Teil elektromagnetische Wellen zur Informationsübertragung genutzt, allerdings ist dies mit einem erheblichen Aufwand in Form der genutzten Hardware und der benötigter Leistung Verbunden. Daher wird für das AUV der Einsatz von Schall als Informationsträger bevorzugt. Doch auch diese Übertragung ist durch die Diffusion, der Reflexion, dem Doppler-Effekt, der Zeitverzögerungen, der Temperatur, dem Wasserdruck, dem Umgebungsrauschen und schlussendlich dem Übertragungsverlust komplex. Derzeit existiert ein Modell eines funktionierenden QPSK-Modems. Dieses verfügt über eine Kanalcodierung, zur Korrektur von Störungen des Übertragungskanals, die den Reed-Solomon-Codierer und den Faltungscodierer kombiniert. Des Weiteren wurde ein Workflow entwickelt um den digitalisierbaren Bereich des Modems (Hardware) automatisch zu generieren und auf einen FPGA zu testen. Dieses Modell soll nun in Folgearbeiten in den Bereichen der Software- und Hardwareentwicklung weiterentwickelt werden.
Die Navigation unter Wasser gestaltet sich durch die Bewegung und die sich ständig verändernde Umgebung als schwierig, dadurch ist der Aufbau von Unterwasser-Netzwerken eine der größten Herausforderungen in diesem Bereich. Im Rahmen dieser Arbeit soll ein Algorithmus zur relativen Positionsbestimmung der Netzwerkteilnehmer unter Wasser konzipiert und Simuliert werden.
Die Zeitsynchronisation ist eine schwierige aber notwendige Aufgabe. Bei der Unterwasserkommunikation stellt sie uns aber vor ein große Herausforderung. Eine grundsätzliche Idee ist hierbei das nutzen einer virtuellen Clock über die jeder Teilnehmer verfügt. Im Rahmen dieser Arbeit soll ein Konzept zur Entwicklung und Austausch (Kommunikations-Protokoll) der Notwendigen Daten zur erstellen der virtuellen Clock erstellt und simuliert werden.
Die Kommunikation unter Wasser ist durch die sich ständig ändernden Umgebungsparameter immer noch eine sehr große Herausforderung. Um Systeme, welche mittels des Modellbasierten Ansatzes Entwickelt werden, zu testen muss auch der der Kanal als solches Simuliert werden. Die derzeit verfügbaren Kanalsimulatoren für die Unterwasserkommunikation sind aber nicht in der Lage das Realistische verhalten zu simulieren und führen dazu das System mittels Prototyping sehr teuer unter echten Bedingungen getestet und verifiziert werden müssen. In dieser Arbeit soll dazu eine Basisstation (Boje) zur Unterwasserkanal-Ausmessung konzipiert werden. Damit die Umweltdaten und das Signal-Verhalten speichert um diese für eine später Simulation zu nutzen. Die Boje soll hierbei Schwimmtauglich und adaptiv programmierbar entwickelt werden.
Die Kommunikation unter Wasser ist durch die sich ständig ändernden Umgebungsparameter immer noch eine sehr große Herausforderung. Um Systeme, welche mittels des Modellbasierten Ansatzes Entwickelt werden, zu testen muss auch der der Kanal als solches Simuliert werden. Die derzeit verfügbaren Kanalsimulatoren für die Unterwasserkommunikation sind aber nicht in der Lage das Realistische verhalten zu simulieren und führen dazu das System mittels Prototyping sehr teuer unter echten Bedingungen getestet und verifiziert werden müssen. In dieser Arbeit soll dazu ein günstiger Sensor-Node konzipiert werden, der die Umweltdaten und das Signal-Verhalten speichert um diese für eine später Simulation nutzbar macht. Dieser Sensor-Node soll dabei mit allen benötigten Sensoren sowie einen Impulsgeber für Bewegungen beinhalten.
Nützlich, aber nicht zwingend notwendig, wären hierfür Vorkenntnisse aus dem Bereich der Nachrichtentechnik, HDL, Matlab/Simulink und C oder C++
Im Rahmen des Projektes U-Wave wird am Institut für Eingebettete Systeme/Echtzeitsysteme eine Lehr- und Forschungsplattform für Eingebettete Systeme in Form eines autonomen Unterwasserroboters (Autonomous Underwater Vehicle, AUV) entwickelt. Dieser Unterwasserroboter soll später als Plattform für Tests und Experimente dienen. Dabei ist der Schwerpunkt meiner Forschung, auf den modellbasierten Ansatz zur Entwicklung von Systemen zur Datenübertragung in Wasser gelegt. Diese zu übertragenden Daten variieren dabei in ihrer Größe und Wichtigkeit. Bei der Unterwasserkommunikation werden zwar zum Teil elektromagnetische Wellen zur Informationsübertragung genutzt, allerdings ist dies mit einem erheblichen Aufwand in Form der genutzten Hardware und der benötigter Leistung Verbunden. Daher wird für das AUV der Einsatz von Schall als Informationsträger bevorzugt. Doch auch diese Übertragung ist durch die Diffusion, der Reflexion, dem Doppler-Effekt, der Zeitverzögerungen, der Temperatur, dem Wasserdruck, dem Umgebungsrauschen und schlussendlich dem Übertragungsverlust komplex. Derzeit existiert ein Modell eines funktionierenden QPSK-Modems. Dieses verfügt über eine Kanalcodierung, zur Korrektur von Störungen des Übertragungskanals, die den Reed-Solomon-Codierer und den Faltungscodierer kombiniert. Des Weiteren wurde ein Workflow entwickelt um den digitalisierbaren Bereich des Modems (Hardware) automatisch zu generieren und auf einen FPGA zu testen. Dieses Modell soll nun in Folgearbeiten in den Bereichen der Software- und Hardwareentwicklung weiterentwickelt werden.
Ihre Aufgabe im Rahmen dieser Arbeit ist das Konzipieren und implementieren einer modelbasierten und modularisierten Orthogonal Frequency-Division Multiplexing (OFDM) Modulation und der Erweiterung[3] zur Coded Orthogonal Frequency-Division Multiplexing (COFDM) Modulation, welche zusätzlich eine Vorwärtskorrektur auf Symbolebene enthält.
[1] Rieß, Marcel; Moser, Steffen; Slomka, Frank, Efficient Underwater Communication Modem for Harsh and Highly Non-Stationary Channel Conditions - A Fully Model-Based Approach
Milcom 2017 Track 1 - Waveforms and Signal Processing (Milcom 2017 Track 1) , Universität Ulm, Oktober 2017, DOI: 10.1109/MILCOM.2017.8170724
[2] Rieß, Marcel; Moser, Steffen; Slomka, Frank, Energy-Efficient Implementation of an Acoustic Modem for Underwater Communication With a Model-Based Design Approach (WIP)
[3] Masterarbeit
Nützlich, aber nicht zwingend notwendig, wären hierfür Vorkenntnisse aus dem Bereich der Nachrichtentechnik, HDL, Matlab/Simulink und C oder C++
Im Rahmen des Projektes U-Wave wird am Institut für Eingebettete Systeme/Echtzeitsysteme eine Lehr- und Forschungsplattform für Eingebettete Systeme in Form eines autonomen Unterwasserroboters (Autonomous Underwater Vehicle, AUV) entwickelt. Dieser Unterwasserroboter soll später als Plattform für Tests und Experimente dienen. Dabei ist der Schwerpunkt meiner Forschung, auf den modellbasierten Ansatz zur Entwicklung von Systemen zur Datenübertragung in Wasser gelegt. Diese zu übertragenden Daten variieren dabei in ihrer Größe und Wichtigkeit. Bei der Unterwasserkommunikation werden zwar zum Teil elektromagnetische Wellen zur Informationsübertragung genutzt, allerdings ist dies mit einem erheblichen Aufwand in Form der genutzten Hardware und der benötigter Leistung Verbunden. Daher wird für das AUV der Einsatz von Schall als Informationsträger bevorzugt. Doch auch diese Übertragung ist durch die Diffusion, der Reflexion, dem Doppler-Effekt, der Zeitverzögerungen, der Temperatur, dem Wasserdruck, dem Umgebungsrauschen und schlussendlich dem Übertragungsverlust komplex. Derzeit existiert ein Modell eines funktionierenden QPSK-Modems. Dieses verfügt über eine Kanalcodierung, zur Korrektur von Störungen des Übertragungskanals, die den Reed-Solomon-Codierer und den Faltungscodierer kombiniert. Des Weiteren wurde ein Workflow entwickelt um den digitalisierbaren Bereich des Modems (Hardware) automatisch zu generieren und auf einen FPGA zu testen. Dieses Modell soll nun in Folgearbeiten in den Bereichen der Software- und Hardwareentwicklung weiterentwickelt werden.
Die Navigation unter Wasser gestaltet sich durch die Bewegung und die sich ständig verändernde Umgebung als schwierig, dadurch ist der Aufbau von Unterwasser-Netzwerken eine der größten Herausforderungen in diesem Bereich. Im Rahmen dieser Arbeit soll ein Algorithmus zur relativen Positionsbestimmung der Netzwerkteilnehmer unter Wasser konzipiert und Simuliert werden.
Nützlich, aber nicht zwingend notwendig, wären hierfür Vorkenntnisse aus dem Bereich der Nachrichtentechnik, HDL, Matlab/Simulink und C oder C++
Zur Navigation bzw. Relativen Standortbestimmung von Unterwasserfahrzeugen werden Systeme der Inertialnavigation (IMU, Inertial Management Unit) eingesetzt. Allerdings weissen diese Systeme, insbesondere wenn sie kostengünstig sind eine relativ hohe Drift auf. Diese kann zwar durch weitere Sensoren reduziert werden, aber nach einer vorgegebenen Zeit ist meist eine absolute Standortbestimmung notwendig. Diese kann zum Beispiel mit satellitengestützten Funknavigationssystemen (GPS) erfolgen. Dazu muss das Unterwasserfahrzeug jedoch auftauchen. Eine andere Möglichkeit besteht die Standlinienbestimmung Unterwasser mithilfe eines Sonars vorzunehmen und so ein schallbasiertes Unterwassertriangulationsystem aufzubauen. In dieser Masterarbeit soll ein derartiges Konzept erarbeitet werden. Dabei sollen verschiedene Verfahren untersucht und verglichen werden. Zum einen aktives Pingen des gedachten Fahrzeugs und zum anderen aktives Dingen der Referenzfahrzeuge. Für beide Fälle ist aufbauend auf einem vorhandenen System zur Unterwasserkommunikation ein geeignetes Protokoll zu spezifizieren. Unter der Annahme einer vorgegebenen Qualität einer IMU sind die entwickelten Verfahren in Matlab/Simulink zu modellieren und anschliessend zu simulieren.
Nützlich, aber nicht zwingend notwendig, wären hierfür Vorkenntnisse aus dem Bereich der Nachrichtentechnik, HDL, Matlab/Simulink und C oder C++
In dieser Masterarbeit ist zu untersuchen, durch Literaturrecherche und modellbasierten Entwurf, welche Eigenschaften eine Einheit zur Inertialnavigation (IMU, Inertial Management Unit) eines Autonomen Unterwasser Fahrzeugs (AUV, Autonomous Underwater Vehicle) aufweisen muss. Dazu sind geeignete Sensoren auszuwählen und im Hinblick auf ihre spezifizierten Eigenschaften zu kategorisieren. Betrachtet werden sollen Sensoren von Vectornav, Honeywell, InertialSense und InertialLabs. Die Kategorisierung soll auf den Ebenen taktischer und industrieller Sensoren erfolgen. Insbesondere ist für die Sensoren eine Kosten-Nutzen-Analyse nach dem Pareto-Prinzip durchzuführen. Neben der Auswahl des Sensors ist ein für die Zustandsschätzung notwendiges Kalmanfilter zu entwicklen. Es ist zu untersuchen in wie weit die Sensorqualität den Aufwand für das Kalmanfilter beeinflusst und ob es notwendig ist, eine lineare oder nichtlineare Zustandsschätzung durchzuführen. Zusätzlich soll untersucht werden ob weitere Sensoren wie Tiefen- und Geschwindigkeitssensoren die Zustandsschätzung des Kalmanfilters verbessern können. Die möglichen Systemkonfigurationen sind für drei verschiedene Fahrzeugvarianten zu diskutieren: Torpedofom mit X-Ruder, Torpedoform mit X-Ruder und zusätzlichem vertikalen Antrieb und eine Version ohne X-Ruder. Nach Auswahl des Sensors und der Konzeption des Filters ist der physische Aufbau der elektronischen Plattform zu skizzieren und ein Aussenmass festzulegen.
Nützlich, aber nicht zwingend notwendig, wären hierfür Vorkenntnisse aus dem Bereich der Nachrichtentechnik, HDL, Matlab/Simulink und C oder C++
Marcel Wolfgang Rieß
Raum O27/317
Institut für Eingebettete Systeme/ Echtzeitsysteme
Albert-Einstein-Allee 11
89081 Ulm
Tel.: +497315024192
Fax: +497315024182
