Studentische Arbeiten während Corona

Das Wintersemester 20/21 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.

Offene Themen

Aus den vorgeschlagenen Themen ergeben sich eine Reihe möglicher konkreter Arbeiten. Die genaue Themenstellung wird gemeinsam von Student und Betreuer vor der Arbeit abhängig von der Neigung, dem Interesse, dem Vorwissen und dem erforderlichen Umfang der Arbeit individuell festgelegt. Für andere Themen sind wir, sofern sie ins Spektrum des Instituts passen, jederzeit offen.

Drohnen und Modelflugzeuge

Software Defined Radio

Masterarbeit-/Projektarbeit

Moderne Funkfernsteuerungen für Drohnen oder Modellflugzeuge verfügen über integrierte Telemetrie-Lösungen und entsprechende ­Sensoren. So können Daten von On-Board Sensoren zu dem Sender am Boden übertragen werden. Das macht diese Fernsteuerungen interessant für autonome Drohnen und Flugzeuge, um diese während Tests und Missionen manuell übersteuern zu können und um Daten von den Flugzeugen in Echtzeit auszuwerten.

Auf der Grundlage frei definierbarer Hardware für Hochfrequenzübertragungen (Software Defined Radio), soll modellbasiert mithilfe von MATLAB/Simulink ein PC basierter, telemetriefähiger Sender und Empfänger entwickelt werden. Diese sollen in der Lage sein, Signale an das Modell zu senden und Telemetriedaten von dem Model zu empfangen und zu verarbeiten. Dazu soll im Rahmen der Master-/Projektarbeit ein geeignetes kommerzielles Protokoll ausgesucht und ein Software-Defined-Radio umgesetzt werden.

Im Modellbau kommen häufig FSK modulierte Signale mit Frequenzhopping (FHSS, Frequency Hopping Signal Spread) zum Einsatz. Die Protokolle sind einfach aufgebaut und mit einem SDR leicht zu implementieren. In der Arbeit soll ein geeignetes SDR-Kit ausgewählt werden und auf einem Notebook oder Tabletcomputer betrieben werden können. Dabei ist darauf zu achten, dass das resultierende System echtzeitfähig ist. Ziel ist es System- und Flugparameter eines Flugzeugs oder einer Drohne in Echtzeit auswerten und das Luftfahrzeug ggf. auch über diese Schnittstelle steuern zu können.

Nützliche Vorkenntnisse:

Kenntnisse in der Regelungstechnik, sowie Erfahrungen im Umgang mit Matlab/Simulink und SDR sind erwünscht.

Ansprechpartner:

Mohammadreza Sadeghi

FPGA-basierter Autopilot

Bachelor-/Projektarbeit

Drohnen und Modellflugzeuge können mit digitalen Fernsteuerungen genau kontrolliert werden. Im Rahmen des Labors Eingebettete Systeme soll in Zukunft ein Autopilot für ferngesteuerte Luftfahrzeuge modellbasiert entwickelt werden. Dazu ist es erforderlich einen Mikrocontroller oder besser noch ein FPGA zwischen Funkempfänger und den Sensoren und Autoren wie den Servos, zu schalten, sodass dieser eine vollständige Regelung des Luftfahrzeugs übernehmen kann. In dieser Arbeit soll für ein gängiges Protokoll digitaler Fernsteuerungen eine Hardwareplattform entwickelt und gebaut werden. Neben der reinen Hardwareentwicklung ist ggf. auch eine geeignete Firmware zu schreiben.


Empfohlen werden Kenntnisse in VHDL, der Regelungstechnik sowie Grundlagen der Echtzeitsysteme.

Ansprechpartner:

Marco Philippi

Echtzeitkernel

Masterarbeit

Es gibt zahlreiche kommerzielle Echtzeitbetriebssysteme am Markt. Auch existieren eine Reihe Open-Source Projekte. Leider unterstützen die vorhandenen Systeme moderne Scheduler wie Earliest-Deadline-First (EDF, dynamic priority scheduling, DPS) und FPGA-Plattformen nicht oder nur schlecht. In der Regel arbeiten die bekannten Betriebssysteme mit statischen, also festen Prioritäten (fixed priority scheduling, FPS). Daher soll in dieser Arbeit ein schlanker Echtzeitkernel für FPGA-Boards konzipiert und programmiert werden. Dabei soll es möglich sein spezielle Dienste auch durch Hardware ausführen zu lassen. Konzeptionell soll also ein Mikrokernel entworfen werden, der unterschiedliche Tasks sowohl statisch (FPS) als auch dynamisch (DPS) ausführen kann und bei dem es möglich ist, Scheduler und andere Funktionen des Betriebssystems direkt in Hardware umzusetzen. Neben der Verwaltung der Rechenzeit soll eine elegante Intertaskkommunikation implementiert werden. Als Plattform stehen FPGAs von Altera/Intel zur Verfügung.

Nützliche Vorkenntnisse:

Nützlich, aber nicht zwingend notwendig, wären hierfür Vorkenntnisse aus dem Bereich der Echtezeittheorie, HDL und C oder C++

Ansprechpartner:

Marcel RießProf. Dr. Frank Slomka

Modellierung von Modellflugzeugen

In dieser Arbeit soll ein Verfahren zur Bestimmung der Regelparameter eines Modellflugzeugs entworfen und entwickelt werden. Dazu sind zunächst die regelungstechnischen Grundlagen für Flugzeuge zu erarbeiten und zu bestimmen, welche Parameter eines Modellflugzeugs wie zu bestimmen sind. Anhand zweier Flugmodelle soll die Parameterextraktion exemplarisch evaluiert werden. Für beide Modelle sind anschließend einfache Regler, die als Autopiloten arbeiten sollen zu entwerfen. In einer Simulationsumgebung soll dann das Verhalten der Flugzeuge simuliert werden. Plattform für die Masterarbeit ist MATLAB/Simulink mit den entsprechenden Toolboxen.

Nützliche Vorkenntnisse:

Nützlich, aber nicht zwingend notwendig, wären hierfür Vorkenntnisse aus dem Bereich der Regelungstechnik und Matlab/Simulink

Ansprechpartner:

Marco Philippi

Entwurfsmethodik

Hardwaremonitor zur Laufzeit- und Energiemessung von Mikrokontrollern

Masterarbeit

Eingebettete Systeme sollen optimiert entworfen werden. Das heißt, die geforderte Funktion muss erfüllt werden und dabei soll die erforderliche Hardware so kostengünstig wie möglich sein. Das bedeutet, die Rechenleistung und der Energieverbrauch eines Prozessors müssen exakt an die Anforderungen des zu entwickelnden Systems angepasst sein. Beim Entwurf eines derartigen Systems schätzt man daher die Laufzeiten von Programmen und Programmteilen ab. Das gleiche gilt für den Energieverbrauch. Diese Abschätzungen müssen dann mit Hilfe von Messungen verifiziert werden. Die elektrische Leistung eines Prozessors bei der Programmausführung zu messen, erfordert ein Messsystem, das kleine elektrische Ströme und Spannungen gleichzeitig in kurzer Zeit messen kann. Daher ist die Anforderung sowohl an die digitale als auch an die analoge Hardware hoch. Die analoge Messschaltung soll mit Hilfe einer applikationsspezifischen digitalen Schaltung auf einem FPGAs angesteuert werden, dabei soll die digitale Schaltung in der Lage sein, die Programmausführung zu monitoren und Messungen in Abhängigkeit der jeweiligen Programmausführung automatisch zu starten oder zu beenden. Die Ergebnisse sollen gespeichert werden und statistisch ausgewertet werden können. In dieser Masterarbeit soll ein FPGA-basierter Hardwaremonitor realisiert werden. Dazu soll das FPGA die bereits digitalisierten Werte von der analogen Messschaltung einlesen. Um die Messungen aber gezielt auswerten zu können, soll der Hardwaremonitor den Adress- und den Datenbus des Mikrokontrollers auswerten. Zum einen, um die gemessenen elektrischen Parameter gezielt Befehlen zuordnen zu können, zum anderen, um später ein spezifikationsgesteuertes Monitoring mit Hilfe von SystemC aufzubauen. Neben der Verwaltung einer Tabelle zur Messwertauswertung soll im FPGA eine schnelle Hardware zur Vorauswertung der Daten aufgebaut werden, um Mittelwerte und Standardabweichungen in Echtzeit bestimmen zu können. Dazu müssen unterschiedliche Konzepte zur Anbindung schneller Speicherbausteine untersucht werden. Ziel ist es, vollständige Programmsequenzen zu monitoren und dann den Energie- und Zeitverbrauch eines Programms in unterschiedlicher Granularität zu bestimmen.
Ansprechpartner: Prof. Frank Slomka

Analoge Strom und Spannungsmessung zur Laufzeit- und Energiemessung von Mikrokontrollern

Masterarbeit

Eingebettete Systeme sollen optimiert entworfen werden. Das heißt, die geforderte Funktion muss erfüllt werden und dabei soll die erforderliche Hardware so kostengünstig wie möglich sein. Das bedeutet, die Rechenleistung und der Energieverbrauch eines Prozessors müssen exakt an die Anforderungen des zu entwickelnden Systems angepasst sein. Beim Entwurf eines derartigen Systems schätzt man daher die Laufzeiten von Programmen und Programmteilen ab. Das gleiche gilt für den Energieverbrauch. Diese Abschätzungen müssen dann mit Hilfe von Messungen verifiziert werden. Die elektrische Leistung eines Prozessors bei der Programmausführung zu messen, erfordert ein Messsystem, das kleine elektrische Ströme und Spannungen gleichzeitig in kurzer Zeit messen kann. Daher ist die Anforderung sowohl an die digitale als auch an die analoge Hardware hoch. Die analoge Messschaltung soll mit Hilfe einer applikationsspezifischen digitalen Schaltung auf einem FPGAs angesteuert werden, dabei soll die digitale Schaltung in der Lage sein, die Programmausführung zu monitoren und Messungen in Abhängigkeit der jeweiligen Programmausführung automatisch zu starten oder zu beenden. Die Ergebnisse sollen gespeichert werden und statistisch ausgewertet werden können. Insbesondere auf der analogen Seite des Messystems ist die Schaltung sorgfältig aufzubauen. In dieser Masterarbeit sollen mehrere unterschiedliche Schaltungskonzepte zur Messung kleiner Ströme untersucht werden. Dabei sollen verschiedene analoge Standard-ICs ausgewählt werden und im Hinblick auf die Messgenauigkeit und Messgeschwindigkeit untersucht werden. Ausgehend von diesen Bausteinen sollen verschiedene Messkonzepte entwickelt und die resultierenden Schaltungen untersucht werden. Dazu sollen die Schaltungen simuliert werden. Die Simulation kann mit Spice oder auch Matlab/Simscape erfolgen. ggf. können die unterschiedlichen Simulationsprogramme verglichen werden. Ziel der Arbeit ist es, am Ende ein analoges Schaltungskonzept auszuwählen, das in der Lage ist, mehrere Messungen pro Taktzyklus eines Mikrokontrollers zu Messen. Die Realisierung der Schaltung soll dann in einer nachfolgenden Arbeit erfolgen.
Ansprechpartner: Prof. Frank Slomka

Automatische Ableitung einer Rechnerarchitektur aus einem Modell

Bachelorarbeit

Die Modellierung zum Entwurf eingebetteter Echtzeitsysteme erfolgt zur Zeit hauptsächlich mit den Methoden der UML (Unified Modelling Language). Allerdings ist diese Modellierungssprache ehr für reine Softwaresysteme geeeignet. Zwar existieren Erweiterungen, wie MARTE und SysML, diese sind aber kaum ausgereift. Am Institut wurde eine neue graphische Beschreibungssprache entwickelt, die insbesondere auch den Hardwareentwurf unterstützt. Da die Sprache es explizit erlaubt die Funktionen des Betriebssystems bzw. die Softwarearchitektur abstrakt zu beschreiben, ist in dieser Bachelorarbeit zu untersuchen, wie die Hardwarestruktur des Systems automatisch aus einer vorhandenen Architekturbeschreibung abgeleitet werden kann. Um derartige Algorithmen oder Transformationen angeben zu können, sind zunächst di dafür notwendigen Datenstrukturen zu spezifizieren. Auf diesen sind dann die Transformationen zu programmieren. Anhand einer vorhandenen Entwurfsstudie (Sonar-System) sind die Ergebnisse der Arbeit dann zu validieren. Ansprechpartner: Prof. Frank Slomka

Entwurfsraumexploration eingebetteter Systeme

Masterarbeit

Jedes eingebettete System kann unterschiedlich implementiert werden. So ist es denkbar die kompletten Funktionen auf einem starken und schnellen Rechner komplett in Software zu bauen oder aber eine Hardware zu entwerfen, die alle Funktionen durchführt. Heutzutage bestehen eingebettete Systeme aus eine eng verzahnten Hardware/Software-Architektur. Die optimale Hardware/Softwarearchitektur ist schwer zu finden, so sollen die Kosten der Hardware minimiert aber die Funktionen in vorgegebene Zeitfristen ausgeführt werden. Um automatisch eine derartige Hardware/Software-Partitionierung zu finden kann man Optimierungsverfahren einsetzten, die dann eine Entwurfsraumexploration durchführen. Auf der Grundlage der am Institut entwickelten Modellierungssprache zum Entwurf eingebetteter Systeme sollen Datenstrukturen für die Anwendung mit exakten und/oder heuristischen Optimierungsverfahren spezifiziert werden und mit ihrer Hilfe soll ein Verfahren zur Exploration eingebetteter Echtzeitsysteme implementiert und bezüglich seine Leitungsfähigkeit untersucht werden. Ansprechpartner: Prof. Frank Slomka

Graphisches Entwurfswerkzeug für eingebettete Systeme

Masterarbeit

Auf der Grundlage von iOS und Cocoa/OS-X wurde am Institut ein Werkzeug zur graphischen Modellierung eingebetteter Systeme entwickelt. Mit diesem CASE-Werkzeug (Computer Aided Software Engineering) lassen sich eingebettete Systeme elegant graphisch modellieren. Dabei kommt ein neues Entwurfsparadigma zum Einsatz: Die Entwurfskarte. In der Masterarbeit sollen neue Bedienkonzepte für CASE-Werkzeuge entwickelt und untersucht werden. Insbesondere Handgesten wie sie bei Tablet-Computern zum Einsatz kommen stehen dabei im Fokus. In der Arbeit soll das vorhandene Werkzeug um neue Funktionen für den Hardwareentwurf und die Spezifikation extrafunktionaler Anforderungen erweitert werden. Dabei sollen insbesondere neue interaktive Konzepte der Benutzerführung erforscht werden. Die Programmierung erfolgt in Objective-C unter iOS oder OS-X u.a. auch auf dem iPad. Ansprechpartner: Prof. Frank Slomka

Entwurfsautomatisierung Eingebetteter Systeme

Automatische Suchraumzerlegung bei der Entwurfsraumexploration eingebetteter Mehr- und Vielkernsysteme

Projekt- / Bachelor- / Masterarbeit

Thema

Zukünftige Mehr- und Vielkernplattformen werden es erlauben, eine Vielzahl von Anwendungen parallel auszuführen. Um die Einbettung einer Anwendung auf eine Architektur zu bestimmen, muss das NP-vollständige Systemsynthese-Problem (bestehend aus Allokation, Bindung, Routing und Ablaufplanung) gelöst werden. Durch die hohe Anzahl an Ressourcen in Mehr- und Vielkernarchitekturen ergibt sich für jede Anwendung eine Vielzahl an Einbettungsmöglichkeiten, die sich in Qualitätsmerkmalen wie Durchsatz, Zuverlässigkeit oder Sicherheit der Anwendungsausführung unterscheiden.
Aus diesem Grund sollen bereits zur Entwurfszeit Einbettungen durch eine sogenannte Entwurfsraumexploration untersucht und im Hinblick auf Zielgrößen wie Energieverbrauch, Latenz, etc. optimiert werden. Zur Laufzeit kann dann eine geeignete Einbettung aus einer Menge Pareto-optimaler Implementierungen ausgewählt werden. Ein Problem klassischer Ansätze zur Entwurfsraumexploration liegt in der Größe des Suchraums, die von der Anzahl der Tasks in der Anwendung sowie der Größe der Architektur abhängt.
Weiterhin führen Symmetrien in der Architektur dazu, dass große Teile des Suchraums nur redundante Lösungen enthalten.

Ziele

In dieser Arbeit sollen daher Verfahren zur Verkleinerung des Suchraums für bestehende Entwurfsraumexplorationen (wie z.B. [1], [2]) entwickelt werden. Der Suchraum des Optimierungsproblems soll dabei auf Architektur- und Anwendungsebene zerlegt werden, um zuerst in weniger komplexen Subsystemen nach Lösungen suchen zu können. Diese Lösungen sollen dann als Ausgangspunkt für weiterführende Optimierung auf iterativ vergrößerten Subsystemen (bis hin zum Gesamtsystem) genutzt werden.

Hierbei können verschiedene Strategien zur Suchraumzerlegung untersucht werden, z.B. mit Hilfe von Techniken aus Bereichen des Machine Learnings oder der Nachrichtentechnik.
Die Arbeit soll dabei untersuchen, inwiefern sich die Entwurfsraumexploration durch Suchraumzerlegung beschleunigen sowie in Bezug auf Optimierungsqualität verbessern lässt. Vor- und Nachteile der untersuchten Verfahren sollen experimentell analysiert werden. Für die Implementierung verwenden wir das open-source Explorationsframework OpenDSE [3], sodass entwickelte Methoden auch weiterverwendet und evtl. veröffentlicht werden können.

Kontakt

Valentina Richthammer Michael Glaß

Quellen

[1] Andreas Weichslgartner, Deepak Gangadharan, Stefan Wildermann, Michael Glaß, Jürgen Teich. DAARM: Design-Time Application Analysis and Run-Time Mapping for Predictable Execution in Many-Core Systems, 2014. [2] Tobias Schwarzer, Andreas Weichslgartner, Michael Glaß, Stefan Wildermann, Peter Brand, Jürgen Teich. Symmetry-eliminating Design Space Exploration for Hybrid Application Mapping on Many-Core Architectures, 2018. [2] OpenDSE, open-source Explorationsframework: https://github.com/felixreimann/opendse

Integration einer Answer-Set-Programming-basierten Entwurfsraumexploration in OpenDSE

Projekt- / Bachelor- / Masterarbeit

Thema

Zukünftige Mehr- und Vielkernplattformen werden es erlauben, eine Vielzahl von Anwendungen parallel auszuführen. Um die Einbettung einer Anwendung auf eine Architektur zu bestimmen, muss das NP-vollständige Systemsynthese-Problem (bestehend aus Allokation, Bindung, Routing und Ablaufplanung) gelöst werden. Durch die hohe Anzahl an Ressourcen in Mehr- und Vielkernarchitekturen ergibt sich für jede Anwendung eine Vielzahl an Einbettungsmöglichkeiten, die sich in Qualitätsmerkmalen wie Durchsatz, Zuverlässigkeit oder Sicherheit der Anwendungsausführung unterscheiden. Aus diesem Grund sollen bereits zur Entwurfszeit Einbettungen durch eine sogenannte Entwurfsraumexploration untersucht und im Hinblick auf Zielgrößen wie Energieverbrauch, Latenz, etc. optimiert werden. Zur Laufzeit kann dann eine geeignete Einbettung aus einer Menge Pareto-optimaler Implementierungen ausgewählt werden.

Ziele

Ziel der Arbeit ist die Integration eines auf Answer-Set-Programming basierenden Explorationsansatzes [1] in das open-source Explorationsframework OpenDSE [2], sowie der Vergleich mit weiteren aktuellen Ansätzen [3], [4].

Kontakt

Valentina Richthammer Michael Glaß

Quellen

[1] Christian Haubelt, Kai Neubauer, Torsten Schaub, Philipp Wanko. Design Space Exploration with Answer Set Programming, 2018. [2] OpenDSE, open-source Explorationsframework: https://github.com/felixreimann/opendse [3] Andreas Weichslgartner, Deepak Gangadharan, Stefan Wildermann, Michael Glaß, Jürgen Teich. DAARM: Design-Time Application Analysis and Run-Time Mapping for Predictable Execution in Many-Core Systems, 2014. [4] Tobias Schwarzer, Andreas Weichslgartner, Michael Glaß, Stefan Wildermann, Peter Brand, Jürgen Teich. Symmetry-eliminating Design Space Exploration for Hybrid Application Mapping on Many-Core Architectures, 2018.

Echtzeitanalyse

Fallbeispiel Motorsteuerung

Bachelorarbeit / Projektarbeit

In einer Motorsteuerung gibt es Aufgaben (Tasks) dessen Aufrufhäufigkeit, Berechnungsdauer und Zeitfristen von der Motordrehzahl abhängt. Diese Tasks und damit die Motorsteuerung als ganzes stellt deswegen eine große Herausforderung bezüglich seiner Echtzeitanalyse dar. Im Institut für Eingebettete System wurden mehrere Echtzeitanalysen [Feld et al.] für solche ratenabhängigen Tasks entwickelt.

Um die verschiedenen Analysen zu vergleichen soll daher in einer Bachelorarbeit ein Fallbeispiel (case-study) konstruiert werden, welches möglichst realistisch eine Motorsteuerung darstellt. Dabei müssen lediglich die für eine Echtzeitanalyse notwendige (also das Zeitverhalten beschreibende) Parameter generiert werden.

Der Umfang der Arbeit kann auf eine Projektarbeit angepasst werden.

Ansprechpartner: Prof. Frank Slomka

Ereignisabhängigkeiten in verteilten Systemen

Masterarbeit

Um ein System analytisch auf seine Echtzeitfähigkeit zu untersuchen werden im wesentlichen drei Parameter benötigt: die Berechnungsdauern (Worst Case Execution Times), die Perioden und die Fristen der einzelnen Tasks. Bei einigen Systemen können diese Parameter dynamisch durch äußere Einflüsse variieren. Dieses Verhalten tritt insbesondere bei Motorsteuergeräten auf, bei denen die Drehzahl die genannten Parameter beeinflusst. Zusätzlich zu der Abhängigkeit von einer Drehzahl, gibt es weitere Beziehungen zwischen den Tasks, die vorgeben, dass die jeweiligen Ereignisse nur in einem minimalen Abstand zueinander auftreten können.

Der Real-Time Calculus ist ein mathematisch fundiertes Modell zur Analyse und Synthese verteilter Echtzeitsysteme. Bei diesem Modell des Task-Graphen wird durch Ankunftskurven die Anregung des Systems beschrieben. Jede Task modifiziert diese und es verbleibt die ausgehende Ereignisdichte und die verbleibende Rechenzeitkapazität.

Im Rahmen der Masterarbeit soll eine Analyse entwickelt und implementiert werden, welche sowohl die Abhängigkeiten zur Drehzahl als auch die Abhängigkeiten zwischen den Tasks berücksichtigt. Diese Analyse soll auf den Real-Time Calculus aufbauen, so dass verteilte Systeme analysiert werden können.

Ansprechpartner: Prof. Frank Slomka

Echtzeitanalyse für ratenabhängige Tasks

Masterarbeit

Um ein System analytisch auf seine Echtzeitfähigkeit zu untersuchen werden im wesentlichen drei Parameter benötigt: die Berechnungsdauern (Worst Case Execution Times), die Perioden und die Fristen der einzelnen Tasks. Bei einigen Systemen können diese Parameter dynamisch durch äußere Einflüsse variieren. Dieses Verhalten tritt insbesondere bei Motorsteuergeräten auf, bei denen die Drehzahl die genannten Parameter beeinflusst. Im Institut wurde bereits eine Analyse für solche raten-abhängigen Tasks verwendet. Dabei wird allerdings von einem identischen Wert für die Beschleunigung und dem Abbremsen ausgegangen.

Ziel dieser Arbeit ist es, vorhandene Analysen so zu erweitern, dass unterschiedliche Werte für Beschleunigung und Bremsen angenommen werden können.

Ansprechpartner: Prof. Frank Slomka

Echtzeitanalyse verteilter Systeme mit Berücksichtigung variabler Fristen

Masterarbeit

Um ein System analytisch auf seine Echtzeitfähigkeit zu untersuchen werden im wesentlichen drei Parameter benötigt: die Berechnungsdauern (Worst Case Execution Times), die Perioden und die Fristen der einzelnen Tasks. Bei einigen Systemen können diese Parameter dynamisch durch äußere Einflüsse variieren. Dieses Verhalten tritt insbesondere bei Motorsteuergeräten auf, bei denen die Drehzahl die genannten Parameter beeinflusst.  [Pollex et al]

Der Real-Time-Calculus ist ein mathematisch fundiertes Modell zur Analyse und Synthese verteilter Echtzeitsysteme. Bei diesem Modell des Task-Graphen wird durch Ankunftskurven die Anregung des Systems beschrieben. Jede Task modifiziert diese und es verbleibt die ausgehende Ereignisdichte und die verbleibende Rechenzeitkapazität.

Im Institut für Eingebettete Systeme/Echtzeitsysteme wurden bereits aufbauend auf dem Real-Time Calculus Analysen für variable Parameter entwickelt. Bei diesen Analysen wird allerdings bei jeder Tasks von der minimalen Frist ausgegangen was die Analyse pessimistischer macht.

Ziel dieser Masterarbeit ist der Entwurf und die Implementierung einer neuen (oder die Erweiterung einer vorhandenen) Analyse für verteilte Systeme, welche variable Fristen berücksichtigt und die Genauigkeit verbessert.

Ansprechpartner: Prof. Frank Slomka

Simulation eines Motorsteuergerätes mit ChronSim

Masterarbeit

Um ein System analytisch auf seine Echtzeitfähigkeit zu untersuchen werden im wesentlichen drei Parameter benötigt: die Berechnungsdauern (Worst Case Execution Times), die Perioden und die Fristen der einzelnen Tasks. Bei Motorsteuergeräten variieren diese Parameter dynamisch in Abhängigkeit der Motordrehzahl.

Chronsim ist ein Simulationstool mit dem man das Zeitverhalten eines eingebetteten Systems simulieren kann. Im rahmen einer Masterarbeit soll ein Motorsteuergerät mit ChronSim simuliert werden. Dabei sollen die Auswirkungen der variierenden Parameter in Abhängigkeit der Motordrehzahl untersucht werden.

Ansprechpartner: Prof. Frank Slomka

Implementierung eines Echtzeitanalysepakets für Mathematica

In der Abschlussarbeit soll ein Paket für Mathematica implementiert werden. Das Packet soll dem Nutzer die Möglichkeit geben eine Echtzeitanalyse auf symbolischer Ebene durchführen zu können.

Ansprechpartner: Prof. Frank Slomka

Optimierung der Ausführungszeiten von eingebetteten Echtzeitsystemen mit Ereignisströmen

Masterarbeit

Um bei eingebetteten Echtzeitsystemen Energie zu sparen, probiert man unter anderem, die Prozessorleistung herabzusetzen. Damit das System noch funktioniert, müssen bestimmte Anforderungen weiterhin gültig sein. Bei Echtzeitsystemen handelt es sich hierbei in erster Linie um die fristgerechte Abarbeitung von Teilaufgaben. Für einen ideellen Prozessor bestimmte Ausführungszeiten werden mit vorgegebenen Zeitschranken verglichen und damit die Echtzeitfähigkeit des Geräts geprüft. Eine Methodik, diesen Test möglichst schnell durchzuführen und Garantien abgeben zu können, sind Ereignisströme. Aus ihnen generiert man eine Rechenzeitanforderungsfunktion, um die benötigte Rechenzeit nach oben abzuschätzen und diese mit der tatsächlich verfügbaren zu vergleichen. Aufgabe dieser Arbeit ist es, in diesen Vergleich eine Optimierung einzubauen, die die einzelnen Ausführungszeiten maximiert und die Fristen optimiert. Aufgrund der Struktur dieses Problems eignet sich hierfür eine lineare Optimierung. Sicher ist dies nicht der erste Ansatz, dieses Problem anzugehen und so ist es Teil der Aufgabenstellung, bekannte Arbeiten zu studieren und die eigene Optimierung mit den Ergebnissen der bekannten Arbeiten zu vergleichen.

Ansprechpartner: Prof. Frank Slomka

Untersuchung des Laufzeitverhaltens effizienter Echtzeitanalysen mit Mathematik-Systemen

Masterarbeit

Am Institut wurde eine neue Methode zur Analyse von Echtzeitsystemen entwickelt. Das neue Verfahren erlaubt eine elegantere Modellierung dieser Systeme. Die Analyse wurde prototypisch mit einem Computeralgebra-System (CAS) implementiert. In dieser Masterarbeit soll untersucht werden wie die Implementierung bezüglich der Rechenzeit effizienter gestaltet werden kann. Dazu sollen Parallelisierungen des CAS und bereits vorhandene Compiler genutzt werden. Ggf. ist zu untersuchen ob auch auf GPUs gerechnet werden kann. Zusätzlich kann das neue Verfahren in MATLAB implementiert werden. Die unterschiedlichen Umsetzungen sind dann bezüglich ihres Laufzeitverhaltens zu vergleichen. Ansprechpartnern: Mohammadreza Sadeghi, Marco Philippi

Echtzeitkommunikation

Echtzeitkommunikationsprotokoll für verteilte Regelungen

Masterarbeit

In dieser Masterarbeit soll eine Kommunikationshard- und ggf. Software für eine Echtzeitkommunikation entworfen werden. In der Bürokommunikation und bei Computernetzwerken ist das Protokoll TCP/IP und die physikalische Schnittstelle Ethernet Standard. In zunehmenden Maße sollen diese Technologien auch auf der Feldbus-Ebene in Fabriken und in Kraftfahrzeugen eingesetzt werden, um verteilte Regelungen zu ermöglichen bzw. Die Kosten für eine vernetzte Steuergeräte-Infrastruktur zu senken. In dieser Masterarbeit soll zunächst untersucht werden, wie das Echtzeitverhalten von Ethernet mittels moderner Kanalkodierungsverfahren echtzeitfähig gemacht werden kann. Im Anschluss ist eine entsprechende Hardware zu entwickeln und diese auf einem FPGA zu implementieren. Sind die eingeführten Methoden effektiv ist weiterhin zu untersuchen, ob diese auch bereits auf Protokollebene eingesetzt werden können, um kommerzielle Ethernetbausteine nutzen zu können.

Nützliche Vorkenntnisse:

Hilfreich, aber nicht zwingend erforderlich, sind Vorkenntnisse in den Grundlagen der Rechnernetze oder der Nachrichtentechnik. 

Ansprechpartner: 

Marcel Rieß, Marco Phillipi

Verbesserungen und Erweiterungen von Netzwerk-Simulatoren

Bachelorarbeit

Das Institut für Eingebettete Systeme/Echtzeitsysteme beschäftigt sich unter anderem mit der Fragestellung, wie Kommunikationsnetze echtzeitfähig realisiert werden können. Um verschiedene Ansätze zu erproben zu können, wird häufig auf Simulationen zurückgegriffen, da diese in einem frühen Stadium der Forschung Vorteile gegenüber aufwendigen Feldtests bieten.

Leider zeigen sich jedoch bei der Nutzung von Simulatoren verschiedene Defizite, die im Rahmen der folgenden Praktika beseitigt werden sollen:
  1. Auf dem Markt verfügbare Simulatoren für Netze liefern oft Routinen mit, mit denen gebräuchliche Systeme und weit verbreitete Standards (z.B. Ethernet, WLAN, usw.) simuliert werden können. Eigene Verfahren, etwa im Bereich des Medienzugriffs, lassen sich jedoch nur mit größerem Aufwand realisieren.

    Ziel des Praktikums ist es, eine Schnittstelle zu definieren, die das Einbauen eigener Verfahren nach dem Plugin-Prinzip ermöglicht.

  2. Die verfügbaren Simulationsplattformen bieten im Bereich der Eingabe von Simulationsszenarien Defizite. Insbesondere ist es beispielsweise in Fahrzeug-/Fahrzeug-Netz-Simulatoren bisher nicht üblich, eine Datenrepräsentation (eine Art Landkarte) als Eingabe zu verwenden, die sowohl Geländetopologien als auch Straßenzüge enthält. Diese Informationen wären dann an die Stellen des Simulators durchzureichen, die sie benötigen - etwa die Geländetopologie an die Funkkanal-Simulation und die Straßeninformation zusätzlich an das Bewegungsmodell.

    Ziel des Praktikums ist es, ein Eingabeformat zu definieren und zu implementieren, das es, idealerweise ergänzt um einen grafischen Editor, ermöglicht, eine umfassende Umgebungsbeschreibung (Topologie, Bebauung, Straßenkarte, usw.) in den Simulator zu geben, um so mit möglichst geringem Aufwand möglichst realitätsnah simulieren zu können.

Nützliche Vorkenntnisse:

Java und Grundlagenwissen im Bereich von Rechnernetzen oder in der Nachrichtentechnik sind von Vorteil.

Ansprechpartner:

Steffen Moser

Echtzeitkommunikation in Eingebetteten Systemen

Masterarbeit

Echtzeitkommunikation bedeutet, dass Nachrichten von einer Komponente zu einer weiteren Komponente übertragen werden, wobei von vorne herein feststeht, wie lange die Kommunikation maximal dauert. D.h. das Kommunikationssystem gibt harte Garantien bzgl. Latenz und Durchsatz. Weit verbreitete lokale Kommunikationsnetze wie Ethernet, Wireless LAN oder auch Weitverkehrsnetze wie das Internet geben solche Garantien nicht. Es gibt jedoch Anwendungen, bei denen solche harten Garantien notwendig sind, um technische Prozesse aufrecht erhalten zu können. Beispiele hierfür sind etwa steuergeräteübergreifende Regelungen im Automobil oder Leistungsregelungen in Stromnetzen. Diese Master-Arbeit beinhaltet die Grundlagen von Echtzeitkommunikation sowie den Aufbau von Komponenten eines Systems, in dem mit harten Zeitgarantien kommuniziert wird.

Ansprechpartner:

Steffen Moser

Quality of Service in Ad-hoc-Netzwerken

Masterarbeit

Mobile Ad-hoc-Netzwerke sind vermaschte drahtlose Kommunikationsnetze, zu denen sich einzelne Knoten spontan und unter Selbstkonfiguration zusammenfinden. Meist werden Datenpakete in solchen Netzen mit Hilfe von Multihop-Routing-Verfahren zugestellt, indem beispielsweise jeder Knoten Router-Funktionalitäten für die anderen Knoten übernehmen kann. Mögliche Einsatzgebiete sind Kommunikationssysteme, die ohne Infrastruktur (wie z.B. Mobilfunk-Basisstationen) auskommen müssen - wie etwa Netze für Helfer nach Naturkatastrophen oder für militärische Anwendungen. Ein weiteres Einsatzgebiet sind Fahrzeug-/Fahrzeug-Netze, sogenannte Vehicular Ad-hoc Networks (VANETs), die durch miteinander kommunizierende Fahrzeuge und mit Hilfe von Sensoren auf der Straße den Verkehr sicherer machen sollen.

Häufig wird zur Erforschung und Entwicklung solcher Ad-hoc-Netze auf vorhandene Technologien, wie etwa WLAN aufgesetzt. WLAN bietet aber zunächst keinerlei Quality-of-Service-Unterstützung an, d.h. zeitkritische Anwendungen bekommen etwa keine obere Schranke für die Zustellung einer Nachricht zugesichert. Das ist eine Eigenschaft des verwendeten Medienzugriffsverfahrens "Carrier Sense, Multiple Access with Collision Avoidance" (CSMA/CA). Wir erforschen am Institut für Eingebettete Systeme/Echtzeitsysteme Möglichkeiten, solche Kommunikationssysteme echtzeitfähig zu realisieren. Im Rahmen dieser Arbeit sollen hierzu verschiedene neue Ansätze theoretisch analysiert und in Simulationen oder ggf. Feldtests praktisch erprobt werden.

Nützliche Vorkenntnisse:

Hilfreich sind gute Kenntnisse im Bereich der Rechnernetze bzw. des Ubiquitous Computing oder in den Grundlagen der Nachrichtentechnik. 

Ansprechpartner:

Steffen Moser

Verbesserung der Simulation der physikalischen Schicht von Kommunikationsnetzen

Masterarbeit

Für die Erforschung neuartiger komplexer Kommunikationsnetze ist der Einsatz von Simulatoren unverzichtbar geworden. Eine Simulation bietet in einem frühen Entwicklungsstadium zwei wesentliche Vorteile: Sie ist in der Regel zum einen kostengünstiger als ein vergleichbar großes reales Experiment. Zum anderen können in Simulationsumgebungen die Umweltparameter vorgegeben und systematisch untersucht werden, während man in realen Experimenten stets mit einer nicht beeinflussbaren und sich veränderbaren Größen zu kämpfen hat. Andererseits nähert eine Simulation ein reales Experiment nur dann gut an, wenn die Simulation entsprechend implementiert wurde. Genau hier gibt es oftmals Defizite, wenn etwa zu stark vereinfachte Annahmen über die Realität gemacht werden.

Für die Erforschung von Kommunikationsnetzen ist es insbesondere erforderlich, dass die physikalische Schicht, also die elektromagnetischen oder akustischen Signale, sowie der Kommunikationskanal, mit hinreichender Realitätsnähe simuliert werden.

Wir erforschen am Institut für Eingebettete Systeme/Echtzeitsysteme das Echtzeitverhalten in Ad-hoc-Netzen - sowohl funkbasiert als auch unter Wasser auf Akustikbasis. Im Rahmen dieser Arbeit soll ein vorhandenes strahlenoptisches Kanalmodell in Hinsicht auf Genauigkeit und Rechengeschwindigkeit, ggf. unter Hinzuzug von Hardware-Unterstützung, optimiert werden.

Nützliche Vorkenntnisse:

Hilfreich, aber nicht zwingend erforderlich, sind Vorkenntnisse in den Bereichen der Computergrafik (hier insbesondere im Bereich des Raytracing) und den Grundlagen der Nachrichtentechnik.

Ansprechpartner:

Steffen Moser

Fehlertolerante On-Chip-Kommunikation

Masterarbeit

Auf Grund der Tatsache, dass die Strukturgrößen in der Herstellung von Mikrochips immer kleiner werden, lassen sich nicht nur immer leistungsstärkere Prozessoren aufbauen. Vielmehr ergeben sich neuartige Anwendungen, wie beispielsweise die Integration kompletter Rechnersysteme auf einem Chip. Die Komponenten eines solchen System-on-a-Chip müssen dazu in der Lage sein, untereinander Nachrichten auszutauschen.

Wegen der Komplexität und der asynchronen Taktung der einzelnen Komponenten eines solchen Systems sind herkömmliche On-Chip-Busse nur bedingt als Kommunikationsstruktur geeignet. Stattdessen wird untersucht, inwiefern Technologien, die aus klassischen Rechnernetzen bekannt sind, für die On-Chip-Kommunikation verwendet werden können. Man spricht in diesem Zusammenhang auch von "Network-on-a-Chip" (NoC). Eine Technologie wären beispielsweise paketvermittelnde Netze, die mit einer geeigneten Switching- bzw. Routingstrategie die Nachrichten von der Quelle zur Senke leiten.

In diesem Zusammenhang ergeben sich interessante Fragestellungen, beispielsweise hinsichtlich der Fehlertoleranz und der Echtzeitfähigkeit.

Wir erforschen am Institut für Eingebettete Systeme fehlertolerante Echtzeitsysteme. Im Rahmen dieser Arbeit soll theoretisch und simulativ untersucht werden, inwiefern sich bestimmte Medienzugriffsverfahren und Routing-Strategien dazu eignen, Datenpakete in einem möglicherweise fehleranfälligen On-Chip-Netzwerk zu leiten. Eventuell wird der Aufbau einer Simulationsinfrastruktur notwendig sein. 

Nützliche Vorkenntnisse:

Hilfreich, aber keine zwingende Voraussetzung, sind gute Kenntnisse der Rechnernetze.

Ansprechpartner:

Steffen Moser

Echtzeitfähiges Ethernet

Masterarbeit

Ethernet nach IEEE 802.3 und seine Erweiterungen, wie Fast-Ethernet und Gigabit-Ethernet, sind aus der Welt der Kommunikationsnetze nicht mehr wegzudenken. Allerdings haben diese Verfahren einen Nachteil: Der Medienzugriff erfolgt mittels des Verfahrens "Carrier Sense, Multiple Access, Collision Detection" (CSMA/CD), das den Netzknoten keinerlei oberen zeitlichen Schranken gewährt. Das Problem ist zwar durch die heute üblichen Sterntopologien (gegenüber der früher üblichen Bustopologie) entschärft, dennoch gibt Ethernet auch heute keinerlei Garantien bei der Zustellung von Frames über (puffernde) Switches.

Im Rahmen dieser Arbeit soll untersucht werden, in wie fern sich andere Medienzugriffsverfahren für lokale Kommunikationsnetze eignen bzw. Kommunikationssysteme mit einem anderen Medienzugriffsverfahren  in einem Line-Sharing-Verfahren mit Ethernet kombinieren lassen.

Nützliche Vorkenntnisse:

Hilfreich, aber nicht zwingend erforderlich, sind Vorkenntnisse in den Grundlagen der Rechnernetze oder der Nachrichtentechnik.

Ansprechpartner:

Steffen Moser

Smart Systems

Display des Apollo Bordcomputers (DSKY)

Bachelorarbeit

In zukünftigen Laboren des Instituts für eingebettete Echtzeitsysteme soll ein Hardware-In-The-Loop Prüfstand aufgebaut werden. Die Studierenden sollen am praktischen Beispiel lernen, wie ein typischer Entwicklungsprozess für eingebettete Systeme abläuft. Als praxisnahes Beispiel soll der historische Bordcomputer aus dem Apolloraumschiff betrachtet werden. Um einen derartigen Computer zu betreiben wird ein Benutzerinterface benötigt. Im Apollo-Projekt hiess diese Schnittstelle DSKY (DiSplayKeYbord). In dem Labor wird der Computer in einem FPGA (Field Programmable Gate Array) implementiert. In der Bachelorabeit soll nun die Hardware für eine dem originalen DSKY nachempfundene Hardware aufgebaut werden. Dazu ist ein Mikrokontroller zu programmieren, der die Informationen auf dem Display darstellt und die Tastendrücke entgegen nimmt. Dieser Mikrokontroller soll dann über eine zu wählende Schnittstelle (USB, Ethernet) mit dem Computer auf dem FPGA kommunizieren. Ansprechpartner: Prof. Frank Slomka

Energiemanagement in autonomen Unterwasserrobotern

Masterarbeit

In autonomen, computergestützten Fahrzeugen, setzt man normalerweise konventionelle Regelungen ein. Dabei versucht man einen Kurs und eine konstante Geschwindigkeit beizubehalten. Bei der Erkundung einer Umgebung hängt die Einsatzbereitschaft aber auch von der zur Verfügung stehenden Energie ab. Ist der Treibstoff aus oder die Batterie leer kann ein Roboter die Umgebung nicht mehr erkunden. Viel schlimmer noch, in bestimmten Anwendungen ist es möglich, dass der Roboter nicht mehr an einen Ort zurückkehren kann an dem er gewartet oder mit Energie versorgt werden kann. Das Fahrzeug würde also verloren gehen. In dieser Masterarbeit sollen Konzepte entwickelt werden, den Ladungszustand der Batterie in eine autonomen Unterwasserfahrzeug bei der Regelung und Missionsdurchführung zu berücksichtigen. Darauf aufbauend soll untersucht werden wie diese Eigenschaft der Roboters bei der Missionsplanung berücksichtigt werden kann. Ansprechpartner: Prof. Frank Slomka

Generische FPGA-Platine

Bachelorarbeit

Für den am Institut entstehenden Unterwasserroboter wurde bereits eine Rechner-Backplane aufgebaut. Diese Backplane ermöglicht es mehrerere Steuerplatinen zu einem verteilten eingebetteten System zusammen zuschalten. Für diese Backplane ist nun eine geeignete Platine für den Steuerrechner aufzubauen. Dabei sollen marktübliche FPGA-Module (Field Programmable Gate Array) verwendet wenden und unter den Vorgaben der Spezifikation der Backplane auf einer zuverlässigen Platine mit passenden I/O-Modulen integriert werden. Ansprechpartner: Florian Hock

Lernende Kalman-Filter für Inertialnavigation

Masterarbeit

Unterwasser funktioniert kein GPS. daher ist es eine Herausforderung die Position eines Unterwasserroboters zu bestimmen. In der Regel erfolgt die Positionsbestimmung von Unterwasserfahrzeugen mittels Inertial-Navigationssystemen. Laserkreisel oder mechanische Systeme, die die erforderliche Genauigkeit bereitstellen sind sehr teuer. In dieser Arbeit sollen kostengünstige Halbleitersensoren aus dem Automobilbau dahingehend untersucht werden, ob es möglich ist, mit einem lernenden Kalman-Filter die Drift der Sensoren soweit zu reduzieren, dass es möglich wird diese in einem Inertial-Navigationssystem zu verwenden. Ansprechpartner: Prof. Frank Slomka

Trajektorienberechnung zur Mondlandung mit Hilfe von Variationsrechnung und Deep-Learning-Verfahren

Masterarbeit

Eine der vielen Herausforderungen der Mondlandung von 1969 war die Berechnung einer geeigneten Trajektorie vom Orbit zur Mondoberfläche. Neben der eingeschränkten Steuerbarkeit der Mondlandefähre stellt vor allem die Gravitation sowie die zeitlich variable Masse des Landemoduls (Treibstoffverbrauch!) eine Herausforderungen dar, die es zu bewältigen gilt.

 

Im Rahmen einer Projekt- oder Masterarbeit sollen alternative Ansätze zum Bestimmen geeigneter Landetrajektorien untersucht werden, deren Einsatz erst durch die gesteigerte Rechenkapazitäten heutiger Desktop-PCs möglich geworden sind.

 

In jeweils einer eigenständigen Arbeit soll das Problem der Trajektorienberechnungeinmal als Optimalsteuerungsproblemaufgefasst werden und in einer weiteren Arbeit  mit Hilfe von Deep-Learning-Verfahrenuntersucht werden.

Ziel der Arbeit ist es, die mit Hilfe dieser Verfahren berechneten Trajektorien, mit den Ergebnissen von 1969 zu vergleichen und zu evaluieren.

Ansprechpartnern: Mohammadreza Sadeghi, Marco Philippi

Unterwasserkommunikation

Modellbasierte Untersuchung von positionsabhängigen Kanalparametern auf die akustische Unterwasserkommunikation

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

Nützliche Vorkenntnisse:

Nützlich, aber nicht zwingend notwendig, wären hierfür Vorkenntnisse aus dem Bereich der Nachrichtentechnik, HDL, Matlab/Simulink und C oder C++

Ansprechpartner:

Marcel Rieß

Unterwasserkommunikation

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.

Offene Bachelor-Themen:

Entwicklung und Evaluation einer Anbindung:

Der digitale Bereich des generierten Modems benötigt eine Anbindung an den Transducer (Schallwandler). Damit verbunden ist eine Filterung und Verstärkung der Signale. Die Herausforderung in diesem Bereich liegt darin das später unterschiedliche Frequenzbereiche getestet werden sollen und die entwickelte Hardware adaptiv eingesetzt werden kann. Des Weiteren beinhaltet sie einen Verstärker, dieser soll später so gesteuert werden das die Sendeleistung der Umgebung angepasst werden kann.

Entwicklung bzw. Erweiterung des bestehenden Kommunikations-Modelles:

Für das bereits entwickelte Modell gibt derzeit nur eine Modulationsart und eine Kombination aus zwei Codieren. In weiteren Arbeiten sollen diese zum einen Erweitert werden und zum anderen auch adaptiv integriert werden. Das wären im Bereich der Modulation zum Beispiel FH-FSK und OFDM und im Bereich der Kanalcodierung zum Beispiel TCM (Trellis-Code-Modulation) und LDPC (Low-Density-Parity-Check-Codes).

Entwicklung eines Controllers:

Das entwickelte Modell benötigt für einen praktischen Einsatz eine erweiterbare Steuerung. Dazu sollte das generierte Hardware-Modell an einen Soft- oder Hardcore angebunden und zusätzlich ein Grundlegendes Konzept zur Steuerung des Modems entworfen werden.

Entwicklung eines Modems basierend auf Software:

Für einen Vergleich der Hardware mit einer reinen Softwareimplementierung auf einem FPGA muss das existierende Modell umgesetzt und im Anschluss nach spezifizierten Kriterien analysiert und evaluiert werden. Entwicklung einer Kommunikationsbasierten Wegfindung:  Im Rahmen von studentischen arbeiten wurde/wird ein Algorithmus entwickelt welcher den unter den gegebenen Parametern und Randbedingungen den besten Weg findet. Dieser Algorithmus soll nun so angepasst werden, dass dieser zusätzlich die besten Kommunikationspunkte bezogen auf variable Parameter Weg identifiziert und in Form eines Kommunikationsprotokolls zur Verfügung stellt.

Offene Master-Themen(Abschlussarbeiten/Projekte):

Sphärische Unterwasser Navigation und Lokalisation:

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.  

Zeit-Synchronisation für Unterwasser-AdHoc-Netzwerk-Kommunikation:

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.     

Konzipierung einer Unterwasser-Boje (Bouye):

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. 

Konzipierung einer Unterwasser-Sensor-Node:

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.

Nützliche Vorkenntnisse:

Nützlich, aber nicht zwingend notwendig, wären hierfür Vorkenntnisse aus dem Bereich der Nachrichtentechnik, HDL, Matlab/Simulink und C oder C++

Ansprechpartner:

Marcel Rieß

Entwicklung eines Modems basierend auf Software (Bachelor)

Für einen Vergleich der Hardware mit einer reinen Softwareimplementierung auf einem FPGA muss das existierende Modell umgesetzt und im Anschluss nach spezifizierten Kriterien analysiert und evaluiert werden. Nützliche Vorkenntnisse: Nützlich, aber nicht zwingend notwendig, wären hierfür Vorkenntnisse aus dem Bereich der Nachrichtentechnik, HDL, Matlab/Simulink und C oder C++

Ansprechpartner:

Marcel Rieß

Unterwassernavigation

Konzept zur Navigation eines Unterwasserroboters (Masterarbeit)

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.

Nützliche Vorkenntnisse:

Nützlich, aber nicht zwingend notwendig, wären hierfür Vorkenntnisse aus dem Bereich der Nachrichtentechnik, HDL, Matlab/Simulink und C oder C++

Weiterführende Literatur:

Ansprechpartner:

Marcel Rieß

Konzeption und Entwurf einer IMU für einen Unterwasserroboter (Mastrarbeit)

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.

Nützliche Vorkenntnisse:

Nützlich, aber nicht zwingend notwendig, wären hierfür Vorkenntnisse aus dem Bereich der Nachrichtentechnik, HDL, Matlab/Simulink und C oder C++

Weiterführende Literatur:


Ansprechpartner:

Steffen Moser