Forschung

 

Institut für Systemdynamik - ISD

Promotion Michael Schuster

Die Promotionskommission, in der Mitte der erfolgreiche Promovend. vlnr: Dr. Schuber, Prof. Reuter, Dr. Schuster, Prof. Wanielik, Prof. Prof. Protzel; es fehlt Prof. Chandra

Das Institut für Systemdynamik (ISD) Konstanz und die Fakultät EI gratulieren Dr.-Ing. Michael Schuster ganz herzlich zur mit dem Prädikat Summa Cum Laude abgeschlossenen Promotion. Die Promotion wurde von Prof. Reuter in Kooperation mit Prof. Wanielik, Professur Nachrichtentechnik, an der TU-Chemnitz betreut. Herr Schuster ist damit der zweite Promovend der im Jahr 2010 gegründeten Arbeitsgruppe Regelungstechnik und Sensor Data Fusion des ISD.

Nach seinem Abitur in Überlingen und seinem Wehrdienst bei der Marine absolvierte er zunächst eine Ausbildung zum Kommunikationselektroniker im Bereich Radar-Technik. Danach studierte er Elektro- und Informationstechnik (Bachelor und Master) an der Hochschule Konstanz und gehörte zum ersten Bachelor- und Masterjahrgang der Fakultät EI. Seine Bachelorarbeit zum Thema „Digitale Filter“ schrieb Michael Schuster bei Prof. Reiß.

Parallel zu seinem Masterstudium arbeitete Michael Schuster in Teilzeit bereits am ISD mit. Nach einem kurzen Ausflug in mechatronische Fragestellungen wurde er für das vom BMBF geförderte Projekt „Neue Verfahren zur Vermeidung von Schiffskollisionen auf Binnenseen“ eingestellt und bearbeitete das Teilgebiet der Umfelderfassung und Kartierung basierend auf Radardaten, wobei seine Masterarbeit mit der Modellbildung und Simulation von Schiffen wiederum aus im Bereich der Hydrodynamik angesiedelt war. Nach dem Masterstudium entschied sich Herr Schuster weiter im Institut für Systemdynamik zu arbeiten und zu promovieren.
Thematisch konnte sich Herr Schuster weiterhin der Umfelderkennung mittels Radar widmen, wobei die Thematik „Sensor Datenfusion“ bedingt durch die im Institut für Systemdynamik anstehenden Projektaufgaben breiter gefasst wurde. So beschäftigte er sich u.a auch mit GNSS Navigationsverfahren, Schätzung von maritimen Störgrößen, wie Strömung, Wind, Wellen, etc.
Durch die Kooperation mit der TU-Chemnitz kamen neben maritimen Szenarien auch noch Fragestellungen zur Umfelderkennung im Bereich der automotive Fahrerassistenzsysteme hinzu. Im Laufe der Zeit kristallisierte sich die konkrete wissenschaftliche Fragestellung heraus, zu der Herr Schuster einen Beitrag leisten wollte. Multi-Sensor Datenfusion ist insbesondere durch die Anforderungen beim automatisierten Fahren aktuell ein Gebiet mit sehr hoher Forschungsaktivität. Das Finden des eigenen Beitrags innerhalb der Community, was ein wesentliches Element einer Promotion darstellt, ist daher durchaus schwierig.
Als zentrales wissenschaftliches Ergebnis kann die exakte Formulierung und Lösung der allgemeinen Filtergleichungen für das Tracken von ausgedehnten Mehrfachzielen basierend auf Random Matrices genannt werden, das sogenannte „Multiple-Detection Joint-Integrated-Probabiilistic-Data-Association Filter“ (MD-JIPDA). Hiermit gelingt es, neben der Zustandsschätzung von Mehrfachzielen unter Störbedingungen auch die Ausdehnung der getrackten Objekte basierend auf z.B. Radardaten zu schätzen. Michael Schuster hat neben der theoretischen Ausarbeitung in einer Vielzahl von simulatorischen und experimentellen Untersuchungen seinen Ansatz mit dem Stand der Forschung verglichen und konnte nachweisen, dass sein MD-JIPDA Filter in vielen Fällen bessere Ergebnisse liefert, als mit Verfahren, die derzeit den Stand der Forschung darstellen.

Während der Promotion hielt sich Herr Schuster auch für zwei Forschungssemester an der TU Chemnitz auf, um die dortige Infrastruktur zu nutzen, seine Algorithmen zu erproben sowie mit Fachkollegen zu kooperieren. Hier konnte wiederholt festgestellt werden, dass die Promotion in Kooperation mit einem Universitätslehrstuhl für alle Beteiligten Vorteile bringt.
Seit drei Jahren hält Dr. Schuster zusammen mit Prof. Reuter die englischsprachige Vorlesung Multi-Sensor-Data-Fusion (MSDF) im Studiengang EIM, seit September 2016 ist er bei der Continental AG in Lindau im Bereich „Automatisiertes Fahren“ beschäftigt. Dort arbeitet er im selben Themenkreis, in dem auch seine Dissertation entstanden ist.
Wir wüschen Dr. Schuster alles Gute für die private und berufliche Zukunft und freuen uns darüber, dass er auch im kommenden Wintersemester die Vorlesung MSDF wieder anbieten wird und somit der Kontakt erhalten bleibt.

Promotion Michael Blaich

Bild (von links): Prof. Dr.-Ing. Hahn, Dr. Fortmann, Dr. Blaich, Prof. Dr.-Ing. Reuter und Prof. Dr. Fränzle

Das ISD Konstanz gratuliert Dr.-Ing. Michael Blaich herzlich zur bestandenen Promotion.  Michael ist damit der erste Promovend der im Jahr 2010 gegründeten Arbeitsgruppe Regelungstechnik und Sensor Data Fusion des ISD. Er studierte technische Informatik (Dipl.-Ing. FH) und Informatik (M.Sc.) an der Hochschule Konstanz und unterstützte dort maßgeblich das Labor für mobile Roboter, bevor er im Januar 2011 in die AG Regelungstechnik und Sensor Data Fusion des ISD Konstanz eintrat.  Seine Dissertation mit dem Titel „Path Planning and Collision Avoidance for Safe Autonomous Vessel Navigation in Dynamic Environments“ wurde von Prof. Reuter vom ISD in Kooperation mit Prof. Hahn, Department für Informatik an der Universität Oldenburg betreut.

Die Ergebnisse der Dissertation entstanden in verschiedenen Forschungsprojekten rund um das Thema intelligente maritime Systeme. In seiner Dissertation entwickelte Michael, ausgehend von aus der mobilen Servicerobotik bekannten Ansätzen, neue Verfahren, um Kollisionen zwischen Schiffen zuverlässig und effizient zu vermeiden. Für das gitterbasierte Verfahren wurden neue Zell-Nachbarschaften eingeführt um die kinematischen Beschränkungen von Schiffsbewegungen direkt bei der Pfadsuche einfließen lassen zu können. Die Schifffahrtsregeln werden bei der Suche nach optimalen Ausweichmanövern ebenfalls berücksichtigt. Statische Hindernisse werden aus Seekarten entnommen, dynamische Hindernisse mit Hilfe geeigneter Sensoren (Radar) detektiert und in das Gitter eingetragen. Durch Einbeziehung von Mess- und Bewegungsunsicherheiten gelang die Erweiterung zu einer probabilistischen gitterbasierten Pfadplanung. Der Kollisionsvermeidungsprozess ist dadurch deutlich robuster, als herkömmliche Ansätze, da z.B. die Häufigkeit der Neuplanung von Pfaden deutlich reduziert werden konnte.

Da das Verhalten der anderen SchiffsführerInnen nicht exakt vorhergesagt werden kann, reicht eine kollisionsfreie Trajektorie nicht aus um eine Bewegungssicherheit für ein Schiff zu garantieren. Ein Schiff muss außerdem zu jedem Zeitpunkt in der Lage sein ein Ausweichmanöver durchführen zu können. Um dies zu erreichen wurde das aus dem Bereich autonomer Fahrzeuge bekannte Konzept der Inevitable Collision States (ICS) auf Schiffe übertragen. Die neu vorgeschlagenen ICS für Schiffe verwenden die Abstände und den Verlauf der Abstandsfunktion zu allen anderen Schiffen

um sicherzustellen, dass das eigene Schiff zu jeder Zeit ein Wendemanöver ausführen kann. Eine Bewegungssicherheit für ein Schiff kann genau dann garantiert werden, wenn eine Trajektorie existiert welche die Abstände zu allen anderen Schiffen konstant hält oder vergrößert ohne dabei einen Sicherheitsabstand zu unterschreiten.

Die implementierten Algorithmen wurden in ein Onboard-Kollisionsvermeidungssystem integriert und in zahlreichen Simulationstests und in der Realität mit dem Solarboot Korona der Fakultät EI auf Bodensee und Seerhein erprobt.

Seit Mai 2016 arbeitet Michael Blaich bei der Robert Bosch GmbH am Forschungscampus in Renningen im Bereich Robotik.