Resiliente Regelung und dezentrale Zustandssch?tzung dynamischer Systeme in echtzeitf?higen Sensor-/Aktornetzwerken

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Moderne Kommunikationsarchitekturen zeichnen sich durch eine hohe Flexibilit?t aus und erm?glichen eine weitgehende Dezentralisierung der Systemkomponenten. Sensoren und Aktoren k?nnen nahezu ortsunabh?ngig innerhalb des technischen Systems Informationen austauschen, wodurch variable Arbeitsr?ume und skalierbare Systemkonfigurationen entstehen. Gleichzeitig ergeben sich hieraus neue Herausforderungen für die Regelungstechnik: Etablierte Verfahren zur Zustandssch?tzung, Regelung und Sensordatenfusion – die traditionell von einer zentralisierten Datenverarbeitung ausgehen – müssen für den Einsatz in dezentralen und verteilten Sensor-/Aktornetzwerken grundlegend weiterentwickelt und angepasst werden.

Am unserem Lehrstuhl wurde hierzu ein dezentrales, verteiltes Multi-Lasertracker-System (DDMLTS) entwickelt, das die berührungslose 6-DoF-Verfolgung dynamisch bewegter Ziele (v > 1 m/s) erm?glicht. Die hochpr?zise Positionsbestimmung im euklidischen Raum erfolgt triangulationsbasiert unter Nutzung der hochaufl?senden Encoder der eingesetzten Galvanometer-Scanner. Jeder Lasertracker fungiert als autarker Messknoten mit lokaler CPU (Zykluszeiten von 50 ?s) und ist über eine feldbusbasierte Kommunikation (?bertragungsrate 20 kHz) mit den übrigen Knoten verbunden. Durch diese Architektur lassen sich die globale Messaufgabe und der globale Zustandsvektor systematisch auf die einzelnen Knoten aufteilen. Jeder lokale Knoten sch?tzt dabei nur einen Unterraum des globalen Zustandsraums, so dass auch bei hoher Systemordnung rechenintensive Algorithmen – etwa Erweiterte Kalman-Filter (EKF) oder modellpr?diktive Regelungsans?tze – unter harten Echtzeitanforderungen ausgeführt werden k?nnen. Die Feldbus-Kommunikation erm?glicht darüber hinaus die dynamische Integration zus?tzlicher Sensoren und Aktoren, wodurch sich das Netzwerk zur Laufzeit adaptiv erweitern l?sst.

Der Forschungsschwerpunkt umfasst drei eng verzahnte Themenfelder: (i) die systematische Aufteilung globaler Systemmodelle und die dezentrale Fusion lokaler Zustandssch?tzungen unter Einhaltung harter Echtzeitanforderungen; (ii) die Entwicklung von Selbstkalibrierungs- und Lokalisierungsalgorithmen zur Reduktion systematischer und stochastischer Unsicherheiten – insbesondere im Hinblick auf eine DOP?-minimierende Knotenanordnung sowie zielpunktbasierte Kalibrierstrategien, die ohne externe Referenzmesssysteme auskommen; sowie (iii) die Entwicklung resilienter Algorithmen, die Unsicherheiten infolge von Kommunikationsschwankungen, Paketverlusten oder kurzzeitigen Netzwerkausf?llen abfangen und die Erfüllung der Messaufgabe auch unter degradierten Netzwerkbedingungen sicherstellen.

Aus dem skizzierten Forschungsprogramm ergeben sich mehrere vielversprechende Anknüpfungspunkte für weiterführende Arbeiten. Die hohe Mess- und Datenrate des DDMLTS bietet eine geeignete Grundlage, um datengetriebene Methoden – etwa Physics-Informed Neural Networks (PINNs), Gau?-Prozess-Regression oder neuronale Systemidentifikation – mit der bestehenden modellbasierten Systemstruktur zu verschr?nken.?Auf diese Weise lie?en sich schwer modellierbare Effekte wie Reibung oder bislang unbekannte Anteile der zu verfolgenden Systemdynamik – unabh?ngig davon, ob es sich um eine kinematische Kette, einen Roboter oder ein anderes optisch verfolgbares mechatronisches System handelt – unmittelbar aus den Messdaten lernen und die identifizierten Strukturen in einer hybriden, physikalisch konsistenten Modellbasis konsolidieren.?Eine derart erweiterte Modellgrundlage verspricht eine weitere Steigerung der Genauigkeit und Robustheit der berührungslosen Regelung. Einen zweiten natürlichen Anknüpfungspunkt bildet die EtherCAT-basierte Netzwerkstruktur des DDMLTS im Hinblick auf Fragen der Cyber-Resilienz: Mit der zunehmenden Bedeutung normativer Anforderungen (IEC 62443, EU Cyber Resilience Act) sowie der wachsenden Angriffsfl?che industrieller Echtzeitnetzwerke gewinnen modellbasierte Anomalieerkennung und die kryptografische Integrit?tssicherung sicherheitskritischer Mess- und Steuerdaten auch im hier betrachteten Anwendungskontext an Relevanz – und lassen sich konzeptionell unmittelbar mit den oben genannten resilienten Sch?tz- und Regelungsalgorithmen verknüpfen.

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Forschungsschwerpunkte

• Verteilte Systeme: Dezentrale Zustandssch?tzung, Sensordatenfusion
• Resiliente Regelung in Netzwerken
• Kalibration, Lokalisierung und Optimierung
• Optische 6-DoF-Messtechnik
• Modellordnungsreduktion