Dissertationen

Die Steuerung fahrzeugtechnischer und nicht-fahrzeugtechnischer Systeme wird mit zunehmender Vernetzung und Digitalisierung in ihrer Komplexität weiter zunehmen. Die an vielen Stellen manuelle Parametrierung dieser Systeme stößt dabei zunehmend bezüglich Zeit und Kosten an ihre Grenzen. Seit 2010, als der Grafikkartenhersteller NVIDIA mit dem CUDA Toolkit eine Möglichkeit erschuf, Matrixrechenopperationen schnell und effizient auf Graphic Processing Units (GPUs) durchführen zu können, erhielt das maschinelle Lernen (konkreter - Deep Learnings) neue Möglichkeiten sich zu entwickeln. Seitdem hat sich die Nutzung künstlicher neuronaler Netze als Funktionsapproximator für verschiedene Bereiche der Wissenschaft und Technik enorm weiterentwickelt. Dabei wird es möglich real gemessene Daten zu verwenden, um Systemabbildungen (Simulationen) zu erzeugen, ohne den Umweg über eine analytische und/oder numerische Methode gehen zu müssen (welche nach Modellbildung immer mit realen Messwerten validiert werden muss). Ziel ist es ein System ohne Zuhilfenahme menschlicher Arbeitskraft vollautomatisch Regeln zu können. So soll es möglich sein, neu entwickelte und produzierte Maschinen schnell und effizient mithilfe von Aktuatoren und elektronischen Steuerelementen nach spezifischen Vorgaben einsatzfähig zu bekommen. Die vorliegende Arbeit beschreibt eine Methodik, durch überwachtes Lernen (Supervised Learning) datenbasierte Modelle, sogenannte digitale Zwillinge zu entwickeln. Mithilfe künstlicher neuronaler Netze werden stationäre und instationäre Modelle entwickelt und es werden statistischen Methoden zur Datenaufbereitung erläutert. Digitale Zwillinge sind nötig, da reale Umgebungen wie Prüfstände oder Maschinen teuer im Betrieb und langsam bei der Zustandsraumdurchschreitung sind. Nach erfolgreicher Generierung eines digitalen Zwillings wird bestärkendes Lernen (Reinforcement Learning) genutzt, autonom komplexe und mehrdimensionale Zustandsräume zu untersuchen und selbstständig Regelstrategien zu entwickeln. In Summe werden also digitale Zwillinge des Supervised Learnings auf Basis real gemessener Daten als Simulationsumgebungen genutzt, um mithilfe der Algorithmen des Reinforcement Learnings, selbstständig arbeitende Agenten zu trainieren. Drei Systeme werden dabei abgebildet. Ein Rohrsystem, ein semiaktiver Stoßdämpfer und ein Abgasturbolader. Am Beispiel des Abgasturboladers wird gezeigt, wie gut Reinforcement Learning im Vergleich zum klassischen PID Regler performt, dass die Methodik prinzipiell funktioniert, es aber noch weiterer Entwicklung bedarf, um tatsächlich direkt Verwendbare Regelalgorithmen zu erhalten, die denen klassischer Vorgehensweisen von heute ebenbürtig (oder gar überlegen) sind.

Die Verbesserung der Metallurgie hält mit der Entwicklung der menschlichen Zivilisation Schritt. Aufstrebende Nanotechnologie-Industrien fördern kontinuierlich traditionelle metallurgische Untersuchungen bis hinunter in den Nanobereich. Daher wird ein neuer Begriff, Nanometallurgie, vorgeschlagen, um sich besser an die aufkommenden interdisziplinären Domänen anzupassen. Um die Mechanismen hinter verschiedenen nanometallurgischen Prozessen zu verstehen, sind zahlreiche Studien erforderlich, die für die maßgeschneiderte Herstellung von Nanostrukturen für unterschiedliche Anforderungen erforderlich sind. Die aktuelle Dissertation konzentriert sich auf das Wachstum zweier unterschiedlicher eindimensionaler Nanostrukturen: SiOx-Nanodrähte, katalysiert durch metallische Dünnfilme und CuO-Whisker, induziert durch thermische Oxidation. Die Bildung von SiOx-Nanodrähten basiert auf der Änderung des physikalischen Zustands der Si-Quelle ist gut etabliert. Es wurde jedoch nur wenig an der Existenz und Konkurenz mehrerer Si-Quellen geforscht. Nach dem schnellen hermischen Prozessieren von SiO2/Si-Systemen, die mit metallischen Einzel- oder Doppelschichten in einer reduzierenden Atmosphäre abgeschieden wurden, werden drei Si-Quellen, erstens Si-Diffusion aus dem Substrat, zweitens SiO-Gas aus der SiO2-Zersetzung und drittens aus der Si-Aktivoxidation identifiziert. Ihre relative Beteiligung und Einfluß hängt von dem Dicken der SiO2-Schichten ab. Zunehmende Dicke der SiO2-Schicht behindert die Si-Diffusion und die Zersetzung der SiO2-Schicht, was die Konzentrationen der zersetzten Bereiche verringert und wiederum die aktive Si-Oxidation schwächt. Außerdem werden die Einflüße verschiedener Si-Quellen durch die Glühzeit, Temperatur und Atmosphäre gesteuert. Daher wird eine kontrollierbare Bildung verschiedener Au-SiOx-Nanostrukturen erreicht, indem unterschiedliche Dicken der SiO2-Schicht und Temperparameter entworfen werden. Zwei nanometallurgische Prozesse, der Kirkendall-Effekt im Nanomaßstab und das Wachstum von Oxid-Nanodrähten während der Oxidation von Metallen, haben große Aufmerksamkeit erhalten. Ihre Entwicklung hängt stark von der Oxidationsgeschwindigkeit ab. In Anbetracht der Tatsache, dass die Oxidation normalerweise ein diffusionskontrollierter Prozess ist und das Legieren ein üblicher Weg ist, um die Diffusion verschiedener Metalle zu kontrollieren, werden gemischte und facettierte Au-Cu-Nanopartikel durch die Festkörperentnetzung der Au/Cu-Doppelschicht gebildet. Die Existenz von Kirkendall-Hohlräumen und CuO-Whiskern kann durch Oxidation bei unterschiedlichen Temperaturen beobachtet werden, was zur Bildung von Au-CuO-Nanostrukturen führt. Darüber hinaus wird das Oxidationsverhalten von Cu auf verschiedenen Facetten von Au-Cu-Nanopartikeln überprüft und mit den Oxidationsraten von Kristallebenen in Beziehung gesetzt.

In den vergangenen Jahrzehnten haben drahtlose Kommunikationssysteme eine rasante Entwicklung durchgemacht und es wurden viele Untersuchungen durchgeführt, seit Maxwell die Existenz von elektromagnetischer Wellen vorausgesagt hat. In den letzten Jahren hat die Forschung im Bereich der vehicle to X (V2X)-Kommunikation stetig zugenommen. V2X beschreibt die Fähigkeit, Daten zwischen einem Fahrzeug oder vehicle (V) und “allem” zu übertragen. In Zukunft könnten Fahrzeuge mit ihrer Umgebung kommunizieren, um Verkehrsunfälle zu vermeiden und Staus zu verringern. Dazu werden sie ihr Geschwindigkeits- und Positionsdaten über Ad-hoc-Fahrzeugnetze senden und empfangen können. Um die Verkehrssicherheit zu erhöhen, ist eine zuverlässige Kommunikationsverbindung notwendig. Die größte Herausforderung bei der Fahrzeugkommunikation besteht darin, dass sich die Eigenschaften des Physical Layers aufgrund der inhärenten Mobilität innerhalb des Kanals, der hohen Fahrzeuggeschwindigkeiten, der unterschiedlichen Antennenpositionen und der vielen Handover aufgrund kleinerer Zellen schnell ändern. Dies bringt eine Reihe von Herausforderungen in Bezug auf die Kanalcharakterisierung mit sich. Es handelt sich um einen Kanal mit starker Zeitvarianz und es treten viele Übergänge auf. Somit handelt es sich um einen nicht-stationärer (non-stationary) Kanal. Das Hauptziel dieser Untersuchung ist es, eine Methode zu finden, mit der der Kanal einer komplexen Umgebung in einer einfachen Form mit weniger strengen Beziehungen zur Geometrie dargestellt werden kann. Dabei werden die statistischen Eigenschaften ähnlich der Messdaten beibehalten. In dieser Arbeit werden nichtstationäre tapped delay line (TDL)-Modelle verwendet, um vehicle to infrastructure (V2I)-Kanäle zu beschreiben. Es wird eine neue Strategie zur Extraktion von TDL-Kanalmodellparametern aus Messdaten vorgeschlagen. Dieser Ansatz basiert auf einer bestehenden Methode zur Ableitung von Parametern für ein TDLModell. Es wird gezeigt, dass mit einer anderen Methode zur Auswahl der Taps die Anzahl der Abgriffe, die zur Rekonstruktion der root mean square delay spread (RMS-DS) eines Kanals erforderlich sind, erheblich reduziert werden kann. Ein neuer Ansatz zur überprüfen der Korrektheit der Ableitung der Kanalmodellparameter wird aufgezeigt. Die Durchführbarkeit der Methode wird anhand von Channel Sounding Messungen bestätigt. In dieser Dissertation wird ein Generator zur Erzeugung von Kanalimpulsantworten entwickelt und das nichtstationäre Verhalten der Kanäle durch die Verwendung eines ON/OFF-Prozesses beschrieben. Es werden Markov-Ketten unterschiedlicher Ordnung modelliert, um das nicht-stationäre Verhalten besser zu erfassen. Die Untersuchung zeigt, dass Markov-Ketten erster Ordnung mit zwei Zuständen vorzuziehen sind, um das häufige ON/OFF-Verhalten von Mehrwegpfaden darzustellen, und dass die Markov-Modelle zweiter und dritter Ordnung keine großen Auswirkungen haben. Eine Methode zur Erweiterung eines single input single output (SISO)-TDL-Modells auf multiple input multiple output (MIMO) unter der non-wide sense stationary uncorrelated scattering (non-WSSUS)-Annahme wird eingeführt, um TDL-Kanalmodelle für V2I MIMO-Systeme zu entwickeln. Die Analyse bewertet die SISO- mit der MIMO-Konfiguration in Bezug auf die Kanalkapazität. Es werden verschiedene MIMO-Konfigurationen untersucht, und es wird gezeigt, dass die Position der Antennen eine wichtige Rolle spielt. Die Verwendung von nur vier Antennen am transmitter (Tx) und receiver (Rx), die in unterschiedliche Richtungen abstrahlen, führt zu einem qualitativen Sprung in der Leistungsfähigkeit des Systems.

Der Einsatz von herkömmlicher, infraroter Laserstrahlung für das Schweißen von Kupfer ist mit zahlreichen Herausforderungen, wie der Bildung von Prozessporen, Spritzern und Materialauswürfen verbunden. Ein Optimierungsansatz stellt diesbezüglich die Verwendung von grüner und blauer Laserstrahlung dar. Aufgrund der höheren Absorption von Laserstrahlung in diesem Wellenlängenbereich lassen sich geringe Aspektverhältnisse der Dampfkapillare beim Schweißen realisieren (Verhältnis Tiefe zu Breite: < 5), was zur Stabilisierung der Dampfkapillare und zur Reduzierung auftretender Prozessinstabilitäten und Nahtdefekte führt. Jedoch tritt in diesem Zusammenhang eine Art der Porenbildung auf, die bisher für das Laserstrahlschweißen von Kupferwerkstoffen nicht beobachtet wurde. Im Rahmen dieser Arbeit wurden die zugrunde liegenden Wirkmechanismen dieser sogenannten Gasporenbildung untersucht. Durch die Applizierung definierter Umgebungsgasatmosphären während des Schweißprozesses konnte experimentell nachgewiesen werden, dass die Gasporenbildung auf zwei unterschiedlichen Wirkmechanismen beruht, die der metallurgischen Porenbildung und der Reaktionsporenbildung. Es wurde gezeigt, dass die Gasporenbildung im Zusammenhang mit der Existenz von Stickstoff und Sauerstoff im Umgebungsgas steht. Während die Aufnahme von Stickstoff zur metallurgischen Porenbildung führt, ist die gleichzeitige Aufnahme von Stickstoff und Sauerstoff, beispielsweise beim Schweißen unter atmosphärischer Luft, mit der Bildung von Reaktionsporen verbunden. Mittels der Methode der Heißgasextraktion konnte die Existenz dieser Elemente im Schweißgut nachgewiesen, und damit deren Aufnahme während des Schweißens im schmelzflüssigen Kupfer gezeigt werden. Das Auftreten von metallurgischer Porenbildung und Reaktionsporenbildung wurde im Rahmen dieser Arbeit in einer modellhaften Vorstellung zusammengeführt, welche durch die Ergebnisse unterschiedlicher experimenteller Untersuchungen gestützt wird. Ferner konnte gezeigt werden, dass zudem ein werkstoffseitiger Einfluss auf die Gasporenbildung besteht, der auf den Restsauerstoffgehalt des Grundmaterials zurückzuführen ist. Aufbauend auf diesen Erkenntnissen wurden zahlreiche Maßnahmen zur Reduzierung oder Vermeidung der Porenbildung abgeleitet.

In dieser Arbeit werden drei grundlegende Probleme der Modellierung von Drahtloskanälen für die Anwendung bei der Funkkanalmodellierung im Millimeterwellenbereich (mmWave) untersucht, nämlich (i) die Frequenzabhängigkeit der Ausbreitung, (ii) der Einfluss der Antennenrichtwirkung auf die Definition des Kanalmodells und (iii) der Einfluss der Systembandbreite auf die Funkkanalmodellierung. Die detaillierte Beschreibung dieser Probleme lautet wie folgt: (i) Frequenzabhängigkeit der Ausbreitung. Mehrband-Messkampagnen werden mit Richtantennen durchgeführt, die eine omnidirektionale Abtastung der Ausbreitungsumgebung vornehmen. Während der Messungen werden die Tx-Rx-Systeme an festen Positionen platziert und die Ausbreitungsumgebung bleibt so statisch wie möglich. Mit Hilfe von synthetisierten omnidirektionalen Verzögerungs-Leistungsprofilen soll untersucht werden, ob es eine Frequenzabhängigkeit in der Mehrwegeausbreitungsstatistik gibt, z.B. in der Verzögerung und der Winkelspreizung. (ii) Einfluss der Antennenrichtwirkung auf die Definition des Kanalmodells. Es werden Messungen des schnellen Schwunds durchgeführt, die ein Szenario emulieren, bei dem eine Funkverbindung über ein einzelnes Mehrwege-Cluster aufgebaut wird, das mit Antennen mit unterschiedlichen Strahlbreiten ausgeleuchtet wird. Das Hauptziel ist hier die Untersuchung des Einflusses der räumlichen Filterung auf den schnellen Schwund aufgrund der hohen Antennenrichtwirkung. Insbesondere wird die Auswirkung auf Variationen der Empfangssignalstärke und die Gültigkeit der Annahme der schmalbandigen Stationarität im weiteren Sinne (sowohl im Zeit- als auch im Frequenzbereich) untersucht. (iii) Einfluss der Systembandbreite auf die Funkkanalmodellierung. Messungen des schnellen Schwunds werden verwendet, um Mehrwege-Cluster in einem Hörsaal-Szenario auszuleuchten. Das primäre Ziel ist es, den Einfluss einer hohen Systembandbreite auf die Variationen der Empfangssignalstärke, die Zufälligkeit des Kreuzpolarisationsverhältnisses und die Reichhaltigkeit der Mehrwegstreuung zu untersuchen. Basierend auf der Charakterisierung realistischer Funkkanäle führen die in dieser Dissertation vorgestellten Ergebnisse zu dem Verständnis, dass beim Übergang zu höheren Frequenzen die Frequenz x selbst keine signifikante Rolle bei der Definition der Kanalmodellierungsmethodik spielt. Vielmehr ist es von grundlegender Bedeutung, wie ein Ausbreitungskanal ausgeleuchtet wird. Daher zeigt sich, dass mmWave-Systemeigenschaften wie eine hohe Antennenrichtcharakteristik und Systembandbreite einen hohen Einfluss auf die Definition des Kanalmodells haben. Im Allgemeinen ist die Skalierung der Schwundtiefe als Funktion der Systembandbreite ziemlich gut verstanden. Wir zeigen, dass die hohe Antennenrichtwirkung von mmWave-Systemen zu einer weiteren Reduzierung der Schwundtiefe führt. Zusätzlich erforschen wir einige neue Richtungen in diesem Forschungsbereich, die auf der Analyse der Statistik zweiter Ordnung des Kanalimpulsantwort-Vektors basieren. Unsere Ergebnisse unterstreichen, dass die Schwund-Statistiken der auflösbaren Kanalabgriffe in einem mmWave-Funkkanal nicht als Rayleigh-Rice-verteilte Zufallsvariablen modelliert werden können. Dies liegt vor allem daran, dass durch die hohe Antennenrichtwirkung und Bandbreite von mmWave-Systemen Kanäle mit spärlichen Streubedingungen ausgeleuchtet werden. Folglich ist die Annahme komplexer Gaus’scher Zufallsvariablen, die mit Rayleigh-Rice Schwundverteilungen verbunden ist, nicht mehr gültig. Des Weiteren wird gezeigt, dass die hohe Antennenrichtwirkung und Bandbreite von mmWave-Systemen auch die Gültigkeit der Annahme von Stationarität im weiteren Sinne im Slow-Time-Bereich von mmWave-Funkkanälen in Frage stellt. Die in diesem Beitrag vorgestellten Ergebnisse sind neuartig und bieten theoretisch konsistente Einblicke in den gemessenen Funkkanal.