Agrar-, Ernährungs- und Ingenieurwissenschaftliche Fakultät

Pose Uncertainty Aware Mobile Robot Navigation

2026-07-03T12:40:28Z

Pose Uncertainty Aware Mobile Robot Navigation Schirmer, Robert Alexander In recent years, robotics has emerged as a transformative force, changing how we approach everyday activities to improve our comfort and productivity. Robotics technologies continuously push the boundaries of what can be solved autonomously, thereby improving our lives. Service robots such as autonomous vacuum cleaners and lawn mowers are well established in the market, while the automation of factory logistics and automated driving are up-and-coming areas with significant robotics impact. To be a successful product, a robot must solve a real-world problem autonomously and efficiently. For mobile robots that primarily interact with the world by moving, the main task is often navigation, which encompasses the technologies required to drive robustly and solve a problem for the user. Robot navigation in real-world applications is challenging because robustness and performance requirements conflict with the cost-minimization imperative. Thus, to perform a real service to the user, a robot must perform its task in potentially adverse conditions without compromising safety or requiring constant human intervention.
In this thesis, we address the problem of robot navigation in real-world scenarios motivated by the Bosch Indego autonomous lawn mower. Our goal is to enable robots with cheaper sensor sets to navigate effectively in challenging garden environments despite significant sensing and actuation noise. These uncertainties are particularly pronounced in the lawn-mowing scenario due to uneven terrain, featureless areas, and the need for the robot to operate cost-effectively. We handle those uncertainties in three fundamental building blocks of robot navigation. First, we consider the localization problem. Localization is particularly important for mobile robots, as it allows the use of a single coordinate frame to represent the robot's position and the environment, enabling the robot to move with a purpose. Our localization method generates accurate pose estimates in diverse environments recorded with different sensors, while requiring only little compute. Nevertheless, robots with cheap sensors operating in complex conditions, such as autonomous lawn mowers, cannot always precisely know where they are. Their ability to remain well-localized varies significantly across different regions of their workspace. Accounting for this variation in localization quality directly motivates our second contribution, which addresses how robots should plan their motion in such situations to ensure safety and robustness. Our method estimates which areas of the workspace are particularly informative or feature-poor, and exploits this information during the path planning process. Our point-to-point path planning method is fast, computationally lightweight, and efficiently accounts for the uncertainty in sensing and actuation. Beyond point-to-point path planning, we also introduce a method that leverages the localizability information for coverage path planning. This problem is central to autonomous lawn mowers as it computes a trajectory to cover the entire workspace with the end effector. Our approach leverages the expected localization accuracy in the environment to plan paths where the robot can localize well, thus improving the robustness of the coverage path and overall system performance.
Taken together, the contributions outlined in this thesis provide novel solutions to localization and planning under uncertainty. All parts of this thesis have been published in peer-reviewed proceedings of international conferences. We have implemented our approaches in efficient C++ and deployed them on robots.; Die Robotik hat sich in den letzten Jahren als transformative Technologie etabliert und unser Leben spürbar verändert. Die Verbesserung der Lebensqualität durch autonome Staubsauger oder Rasenmäher ist nicht mehr aus unserem Alltag wegzudenken. Die Produktivitätsgewinne durch Intralogistikroboter und autonome Fahrzeuge prägen unsere Produktionsstätten und unsere Produktionsweise. Um als Produkt erfolgreich zu sein, müssen Roboter reale Probleme autonom und effizient lösen. Mobile Roboter interagieren mit der Welt hauptsächlich mittels ihrer eigenen Bewegung, auch Navigation genannt. Sie ist eine besondere Herausforderung für reale Anwendungen da Verlässlichkeit, Autonomie und Leistung oft im Gegensatz zur Kosteneffizienz stehen. Ein brauchbarer Roboter darf auch unter widrigen Bedingungen die Sicherheit nicht gefährden oder ständige menschliche Eingriffe erfordern und muss dennoch seine Aufgabe zuverlässig erledigen.
In dieser Arbeit behandeln wir das Problem der Roboternavigation in realen Szenarien, die wir durch den Anwendungsfall des Bosch Indego Rasenmähers illustrieren. Unser Ziel ist es, Roboter mit kostengünstigen Sensorsätzen zu befähigen, effektiv in herausfordernden Umgebungen zu navigieren. Bewegungsunsicherheiten treten im Rasenmähszenario besonders deutlich in Form von unebenem Gelände, merkmalsarmen Bereichen und dem allgemeinen Zwang zur Kosteneffizienz auf. Wir behandeln diese Unsicherheiten im Rahmen von drei grundlegenden Bausteinen der Roboternavigation: Lokalisierung, Punkt-zu-Punkt-Pfadplanung und flächendeckende Pfadplanung. Lokalisierung ist für Navigation besonders bedeutsam, da sie ein spezifisches Koordinatensystem für den Roboter und seiner Umgebung berechnet und somit zielgerichtete Bewegungen ermöglicht. Unsere Lokalisierungsmethode erzielt genaue Positionsschätzungen in diversen Umgebungen und benötigt dafür nur wenig Rechenleistung. Dennoch können Roboter, die mit günstigen Sensoren unter komplexen Bedingungen agieren, nicht überall sicher und genau wissen, wo sie sich befinden. Die Berücksichtigung der räumlichen Veränderung der Lokalisierungsqualität ist die direkte Motivation für unseren zweiten Beitrag, der sich damit befasst, wie Roboter ihre Bewegung in solchen Umgebungen planen sollten um Sicherheit und Robustheit zu gewährleisten. Unsere Methode plant Pfade, die die erwartete Unsicherheit in der Lokalisierung explizit berücksichtigen und verbessert somit die Navigation des Roboters. Hierfür schätzen wir ab, welche Teile des Arbeitsbereichs besonders informativ oder merkmalsarm sind und nutzen diese Informationen für den Pfadplanungsprozess. Unsere Punkt-zu-Punkt-Pfadplanungsmethode ist schnell, recheneffizient und generiert sicherheitsbewusste Pfade für den Roboter. Über die Punkt-zu-Punkt-Pfadplanung hinaus führen wir eine Methode ein, die die Lokalisierbarkeitsinformation für das flächendeckende Bahnplanungsproblem nutzt. Dieses Problem ist für den Rasenmäher zentral, da es eine Trajektorie berechnet, die den gesamten Arbeitsbereich mit dem Endeffektor abdeckt. Unser Ansatz nutzt auch hier die erwartete Lokalisierungsgenauigkeit in der Umgebung, um Pfade zu planen, auf denen sich der Roboter gut lokalisieren kann, und verbessert somit die Robustheit der flächendeckenden Bahnplanung.
Zusammengenommen bieten die in dieser Dissertation skizzierten Beiträge neuartige Lösungen für Lokalisierung und Planung unter Unsicherheit. Alle Teile dieser Arbeit wurden in begutachteten Berichten auf internationalen Konferenzen veröffentlicht. Wir haben unsere Ansätze in effizientem C++ implementiert und auch auf Robotern eingesetzt.

Effect of the combined application of copper-tolerant Trichoderma spp. and chitosan for sustainable control of fungal grapevine diseases

2026-06-17T14:44:09Z

Effect of the combined application of copper-tolerant Trichoderma spp. and chitosan for sustainable control of fungal grapevine diseases Küpper, Verena The ongoing challenge for viticulture is to effectively and sustainably combat diseases like downy mildew and Esca trunk disease. In organic viticulture, the use of copper-based fungicides to control downy mildew is of crucial importance. However, this practice is increasingly criticized due to its ecotoxicological consequences. Furthermore, there is an absence of effective alternatives for the control of Esca pathogens. The development of novel plant protection strategies that incorporate eco-friendly combinations of agents to combat economically relevant pathogens is therefore urgently needed.
The present study aims to develop a sustainable plant protection tool based on a synergistic combination of Trichoderma, chitosan and the application of a reduced copper rate for the control of Plasmopara viticola and the Esca pathogens Phaeomoniella chlamydospora, Fomitiporia mediterranea and Phaeoacremonium minimum. This tool is intended to reduce the need for copper fungicides. Therefore, Trichoderma species isolated from grapevine wood were characterized and tested for copper tolerance. A high degree of compatibility to copper hydroxide was demonstrated. High copper tolerance was particularly shown and increased for T. koningiopsis and T. harzianum. The copper-tolerant Trichoderma isolates were also found to demonstrate a high tolerance to chitosan, confirming the compatibility of Trichoderma with chitosan. To provide a detailed description of the agents' effect against P. viticola, the effect of T. koningiopsis, chitosan, and a reduced copper rate was tested on the upper and lower sides of grapevine leaves inoculated with the pathogen. Both a direct and an indirect effect against downy mildew have been demonstrated. Furthermore, microscopic analysis revealed the successful establishment of T. koningiopsis and uniform distribution of chitosan on the grapevine leaves. The indirect effect of the complex was verified for different grapevine cultivars in greenhouse experiments. The present work demonstrated increased pathogen-related gene expression after the simultaneous application of the agents. An increased accumulation of reactive oxygen species was observed in resistant grapevine cultivars following treatment. Furthermore, the agents reduced the number of haustoria, key structures of P. viticola. Ensuring the efficacy of the synergistic tool in counteracting Esca pathogens required establishing Trichoderma in the grapevine. Grapevine wood colonization capacity was confirmed for all tested Trichoderma isolates. Moreover, the direct effect of Trichoderma candidates in confrontation tests against Esca pathogens, as well as the indirect effect through released volatile organic compounds, were investigated. A high direct effect on the mycelial growth of P. chlamydospora was observed, while an indirect effect on the growth of P. minimums could be demonstrated. In addition, the combined field application of tolerant T. koningiopsis, chitosan and a reduced copper rate against P. chlamydospora resulted in a reduction in pathogen disease severity of infected shoots.
This work shows the potential of a sustainable plant protection tool for controlling relevant grapevine diseases and simultaneously contributes to the reduction of ecotoxic copper fungicides in viticulture.; Die effektive und nachhaltige Bekämpfung von Krankheiten wie Falscher Mehltau und die Esca-Holzkrankheit stellt eine kontinuierliche Herausforderung für den Weinbau dar. Im ökologischen Weinbau ist der Einsatz von Kupferfungiziden zur Kontrolle des Falschen Mehltaus unerlässlich, wird aber aufgrund ökotoxikologischer Bedenken zunehmend kritisiert. Darüber hinaus mangelt es an effektiven Alternativen zur Bekämpfung von Esca-Pathogenen. Daher ist die Entwicklung neuartiger Pflanzenschutzstrategien, welche umweltfreundliche Wirkstoffkombinationen zur Bekämpfung wirtschaftlich relevanter Pathogene beinhalten, dringend erforderlich.
Die vorliegende Arbeit befasst sich mit der Entwicklung einer nachhaltigen Pflanzenschutzstrategie, welche auf einer synergistischen Kombination aus Trichoderma, Chitosan und dem Einsatz eines reduzierten Kupferaufwands zur Bekämpfung von Plasmopara viticola und den Esca-Pathogenen Phaeomoniella chlamydospora, Fomitiporia mediterranea und Phaeoacremonium minimum beruht. Das Ziel dieses Tools besteht darin, den Einsatz Kupferfungizide zu reduzieren. Zu diesem Zweck wurden aus Rebholz isolierte Trichoderma-Arten charakterisiert und hinsichtlich ihrer Kupfertoleranz untersucht. Es wurde eine hohe Verträglichkeit gegenüber Kupferhydroxid nachgewiesen. Hierbei zeigten insbesondere T. koningiopsisa und T. harzianum eine hohe Kupfertoleranz, welche im Folgenden weiter gesteigert werden konnte. Für das kupfertolerante Trichoderma-Isolat T. koningiopsisa wurde zudem eine hohe Chitosantoleranz nachgewiesen, sodass ebenfalls die Kompatibilität von Trichoderma mit Chitosan sichergestellt wurde. Um die Wirkung der Agentien gegen P. viticola näher zu beschreiben, wurde der Effekt von T. koningiopsisa, Chitosan und einem reduzierten Kupferaufwand auf erregerinokulierten Weinblattober- und -unterseiten getestet. Es wurde sowohl eine direkte als auch eine indirekte Wirkungsweise gegen den Falschen Mehltau demonstriert. Darüber hinaus belegten mikroskopische Analysen die erfolgreiche Etablierung von T. koningiopsisa sowie eine gleichmäßige Verteilung von Chitosan auf den Rebblättern. Der indirekte Effekt des Wirkkomplexes konnte für unterschiedliche Rebsorten in Gewächshausuntersuchungen verifiziert werden. Hierbei zeigten die durchgeführten Untersuchungen eine gesteigerte pathogenbezogene Genexpression nach gleichzeitiger Applikation der Agentien. Bei resistenten Rebsorten wurde nach Behandlung eine erhöhte Akkumulation reaktiver Sauerstoffspezies beobachtet. Des Weiteren konnte durch die Applikation der Agentien die Anzahl an Haustorien, Schlüsselstrukturen von P. viticola, reduziert werden. Um die Wirksamkeit des synergistischen Pflanzenschutztools bei der Bekämpfung von Esca-Pathogenen zu gewährleisten, musste eine Etablierung von Trichoderma in der Weinrebe sichergestellt werden. Für alle getesteten Trichoderma-Isolate wurde die Fähigkeit zur Besiedlung von Rebholz bestätigt. Außerdem wurde die direkte Wirkung von Trichoderma-Kandidaten in Konfrontationstests gegen Esca-Erreger und der indirekte Effekt durch freigesetzte flüchtige organische Verbindungen untersucht. Es wurde eine hohe, direkte Wirksamkeit auf das Myzelwachstum von P. chlamydospora beobachtet, während zusätzlich eine indirekte Auswirkung auf das Wachstum von P. minimum nachgewiesen wurde. Darüber hinaus führte die Freilandapplikation einer Kombination aus tolerantem T. koningiopsisa, Chitosan und einem reduzierten Kupferaufwand gegen P. chlamydospora zu einer Verringerung des Pathogenbefalls an infizierten Trieben.
Die vorliegende Arbeit demonstriert das Potential eines nachhaltigen Pflanzenschutztools zur Kontrolle bedeutender Rebkrankheiten und leistet zeitgleich einen Beitrag zur Reduzierung ökotoxikologisch bedenklicher Kupferfungizide im Weinbau.

Establishment of phenotyping routines for assessing tolerance levels to syndrome "Basses Richesses" of different Beta vulgaris varieties

2026-06-17T14:43:44Z

Establishment of phenotyping routines for assessing tolerance levels to syndrome "Basses Richesses" of different Beta vulgaris varieties Detring, Justus Syndrome "Basses Richesses" (SBR) is a severe, fast spreading bacterial disease in sugar beet. The predominant causal agent of SBR is Candidatus Arsenophonus phytopathogenicus (ARSEPH), a y-3 proteobacterium. This agent is mainly transmitted to sugar beet plants via the plant hopper species Pentastiridius leporinus (reed glass-winged cicada). An outbreak of SBR reduces the sugar content and fresh mass of the taproot profoundly, causing sugar beet cultivation to be non-profitable for growers. The absence of effective control measures against SBR poses a significant threat to the entire sugar beet value chain in Europe. Sugar beet varieties which present a mitigation to the substantial yield loss have been discovered but robust screening methods for such varieties are needed. This thesis presents a set of phenotyping routines that facilitate the assessment of different sugar beet varieties' levels of tolerance to SBR. The creation of diseased plant material was achieved by subjecting sugar beets to inoculation with infective P. leporinus adults under controlled conditions. The ARSEPH-infected sugar beets were subjected to investigation through the application of non-invasive, invasive, time series and endpoint digital phenotyping methods. A comprehensive hyperspectral imaging (HSI) data quality assurance pipeline has been developed. This pipeline served as the basis for a HSI time series investigation of the SBR pathogenesis to identify the most important wavelengths and canopy parts for disease classification via machine learning (ML). The morphological alterations of the canopy and taproot were parametrized using two- and three-dimensional measurements. To provide a contextual framework of the SBR-induced canopy and taproot alterations for the host-pathogen interaction, an analysis of selected physiological parameters was conducted on ARSEPH-infected taproots. The analysis of alcohol insoluble residues and marc content indicates an increase of structural components in tolerant varieties induced by SBR, a finding corroborated by increased tissue strength. This thesis demonstrates the applicability of digital phenotyping methods to comprehensively parameterize and characterize the pathogenesis of systemic plant diseases, such as SBR. The findings of this thesis lay the basis for the establishment of a high-throughput screening method for the assessing of SBR-tolerance levels of different sugar beet varieties under controlled conditions.; Etablierung von Phänotypisierungsverfahren zur Bewertung der Toleranz gegenüber dem Syndrom "Basses Richesses" bei verschiedenen Beta vulgaris Sorten
Das Syndrom "Basses Richesses" (SBR) ist eine schwerwiegende, sich stark ausbreitende Zuckerrübenkrankheit. Syndrom "Basses Richesses" wird vorwiegend durch das y-3 Proteobakterium Candidatus Arsenophonus phytopathogenicus (ARS-EPH) ausgelöst. Dieser Erreger wird hauptsächlich durch die Zikadenspezies Pentastiridius leporinus (Schilf-Glasflügelzikade) übertragen. Ein SBR-Befall reduziert den Zuckergehalt und die Frischmasse der Rüben erheblich, wodurch der Anbau von Zuckerrüben unprofitabel wird. Durch fehlende effektive Kontrollmaßnahmen ist SBR somit eine Bedrohung für die gesamte Zuckerrübenwertschöpfungskette in Europa. Erste Sorten mit geringerem Ertragsverlust wurden bereits entdeckt, jedoch fehlen robuste Methoden zur Selektion auf dieses Merkmal. Ziel dieser Dissertation ist es, Phänotypisierungsroutinen zu etablieren, um das SBR-Toleranzniveau verschiedener Zuckerrübensorten zu bewerten. Zu diesem Zweck wurde krankes Pflanzenmaterial durch die Inokulation von Zuckerrüben mit infektiösen P. leporinus Adulten unter kontrollierten Bedingungen generiert. Das kranke Pflanzenmaterial wurde mit digitalen nicht-invasiven, invasiven, Zeitreihen- und Endpunktphänotypisierungsmethoden untersucht. Es wurde eine ausführliche Datenqualitätsevaluierung von bildgebenden hyperspektralen Messungen entwickelt. Diese bildet die Basis für eine bildgebende hyperspektrale Zeitreihenanalyse der SBR-Pathogenese. Die relevantesten Wellenlängen wurden identifiziert und Teile des Blattapparats mit hoher Bedeutung zur Klassifizierung von SBR mittels maschinellen Lernens bestimmt. Die morphologischen Veränderungen des Blattapparats und der Rübe konnten mittels zwei- und drei-dimensionaler Messung parametrisiert werden. Um die Veränderung des Blattapparats und der Rübe in den Kontext der Wirt-Pathogen-Beziehung einzuordnen, erfolgte eine Untersuchung ausgewählter physiologischer Parameter unter ARSEPH-Infektion. Die Analyse von Alkoholunlöslichen Reststoffen und des Markgehalts zeigt eine SBR-induzierte Erhöhung von strukturellen Inhaltsstoffen bei toleranten Sorten, was durch eine erhöhte Bruchfestigkeit unterstützt wird. Diese Dissertation demonstriert die Anwendbarkeit von digitalen Phänotypisierungsmethoden zur umfassenden Parametrisierung und Charakterisierung der Pathogenese von systemischen Pflanzenkrankheiten wie SBR. Die Ergebnisse dieser Dissertation legen einen wichtigen Grundstein für die Etablierung einer "high-throughput" Selektion zur Beurteilung des SBR-Toleranzniveaus von verschiedenen Zuckerrüben Sorten unter kontrollierten Bedingungen.

The impact of short-term incomplete milking on dairy cows in peak to mid-lactation

2026-06-17T14:41:08Z

The impact of short-term incomplete milking on dairy cows in peak to mid-lactation Joest, Robin The evolutionary-based genetic predisposition of dairy cows for milk production has been further enhanced by genetic selection and modern breeding programs. Resulting high milk production requires considerable energy supply, leading to a high lactation-induced metabolic load. Despite the fact that a high production level is only possible in healthy dairy cows, the vast need for energy and nutrients can be a burden to the cow, and high-yielding cows are more susceptible to certain diseases. In fact, in later lactation stages, dairy cows remain vulnerable to metabolic stress, especially when challenged by stressors, such as heat stress or insufficient feed supply. In this context, incomplete milking (IM) may be used to temporarily reduce milk production and mitigate the metabolic load of individual dairy cows.
In order to establish IM as a potential management strategy in peak- to mid-lactation dairy cows, comprehensive knowledge of its effects and potential limitations is essential. Therefore, the main aim of this dissertation was to implement an IM protocol and to investigate and characterize the effects on the lactation-induced metabolic load and the animal welfare of clinical healthy dairy cows. The experimental design included incompletely milked (INCL; n = 23,93 ± 46 DIM) and completely milked (COMP; n = 23, 95 ± 49 DIM) multiparous dairy cows. For the INCL cows, IM was implemented using a software module, enabling earlier cluster removal after a predefined amount of milk (kg) has been collected, rather than based on the milk flow rate (kg/min). The IM protocol included a gradual reduction phase (first IM phase: 9% daily reduction to ~40% over 5.5 d), followed by 3 complete milkings, and a constant reduction phase (second IM phase: 40% reduction over 5.5 d). Concentrate allocation was based on the feed-to-yield system (depending on the milk yield). Blood samples were collected on d -9, -2, 6, 13, 20, 27 relative to the start of IM. The present study demonstrates that the IM protocol was successfully implemented and that the reduction in milk yield increased with the duration and intensity of IM. Consequently, INCL cows received less concentrate, reflecting lower energy requirements. The milk yield remained reduced shortly after IM but increased again with the resumption of continuous complete milking. The reduced milk yield affected the concentration of two metabolic indicators in serum: Free fatty acids decreased during both IM phases in INCL cows pointing to a lesser mobilization of body fat reserves, and insulin-like growth factor-1 concentrations were elevated during both phases, indicating a reduced lactation-induced metabolic load. At the same time, consistently good udder health and no evidence of impaired animal welfare were observed according to the evaluated indicators.
This dissertation provides initial insights into the application of an IM protocol and its effects on milk production, metabolic indicators, and animal welfare parameters in dairy cows during peak- to mid-lactation. In order to establish IM as a potential management strategy for these lactation stages, it should be further evaluated under actual stress conditions such as heat stress or insufficient feed supply in future studies.