Seminarthemen (1) Thema 1: Komponentenbasierte Anwendungsentwicklung in der Robotik

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1 Seminarthemen (1) Thema 1: Komponentenbasierte Anwendungsentwicklung in der Robotik Eingebettete Systeme sind integraler Bestandteil des sie umschließenden Systems und eng mit Sensoren und Aktoren verbunden. Bei der Realisierung mobiler Robotersysteme entstehen schnell komplexe Systeme, die sich mit komponentenbasierten und modellgetriebenen Architekturen beherrschen lassen. Geben Sie einen vergleichenden Überblick über Frameworks zur komponentenbasierten Anwendungsentwicklung für mobile Roboter. : Webseiten, aktuelle Bücher und Artikel beispielsweise zu Robot Operating System (ROS), SmartSoft, MCA2, MRDS, Roblets etc.

2 Seminarthemen (2) Thema 2: Robot Operating System (ROS) Eingebettete Systeme sind integraler Bestandteil des sie umschließenden Systems und eng mit Sensoren und Aktoren verbunden. Bei der Realisierung mobiler Robotersysteme entstehen schnell komplexe Systeme, die sich mit komponentenbasierten und modellgetriebenen Architekturen (Methoden des Software-Engineering) beherrschen lassen. Geben Sie einen überblick über das Framework Robot Operating System (ROS). Gehen Sie dabei auf die Architektur und die Methodik der Entwicklung von Robotik-Anwendungen ein. : Martinez, A.; Fernández, E.: Learning ROS for Robotics Programming Goebel, P.: ROS by Example

3 Seminarthemen (3) Thema 3: Das SLAM-Problem Roboter bewegen sich in einer ihnen zunächst unbekannten Umgebung. Zur Navigation müssen sie diese kartieren und später ggf. aktualisieren. Gleichzeitig müssen die bereits vorhandenen Karten zur Navigation genutzt werden. Diese Technik ist unter Simultaneous Localization and Mapping (SLAM) bekannt. Geben Sie eine Einführung in die hierfür verwendeten Methoden. Gehen Sie insbesondere auf Partikel-Filter (Monte-Carlo-Lokalisierung), Scan-Matching bzw. Probabilistische Ansätze ein (mehre Themen). Sebastian Thrun, Wolfram Burgard, Dieter Fox: Probabilistic Robotics (Intelligent Robotics and Autonomous Agents). The Mit Press, 2005 Siciliano, Khatib: Handbook of Robotics, Springer Verlag, 2008

4 Seminarthemen (4) Thema 4: Sprachverarbeitung als Bedieninterface Autonome mobile Roboter sind komplexe Maschinen, deren Funktion sich zunächst nur Experten erschließt. Zur Vereinfachung der Bedienung kann eine Sprachsteuerung dienen. Geben Sie hierzu einen Überblick zur Arbeitsweise von Sprachverarbeitungssystemen und vergleichen Sie existierende Lösungen. Gehen Sie insbesondere auf die in im Institut genutzte Variante ein. : E.-G. Schukat-Talamazzini: Automatische Spracherkennung Beispiele für Spracherkenner und generatoren: Sphinx, Festival, Loquendo Hegenbart S.: Spracherkennung im Kontext Robocup

5 Seminarthemen (5) Thema 5: Gestensteuerung zur Mensch-Maschine-Kommunikation Autonome mobile Roboter sind komplexe Maschinen, deren Funktion sich zunächst nur Experten erschließt. Zur Vereinfachung der Bedienung kann eine Touch- oder Gestensteuterung in der Art von Tablet-PC s dienen. dienen. Andere Varianten nutzen möglicherweise Gestensteuerung (z.b. Kinect). Recherchieren Sie den State of the art und entwerfen Sie Szenarien, wie eine Lösung für Serviceroboter der Fakultät aussehen könnte. Gehen Sie hierbei insbesondere auf die Modellierung von Gesten ein. Stützen Sie sich insbesondere auf bereits existierende Ansätze in der Fakultät. : Kemmerle, B.: Realisierung einer Gestensteuerung für einen Serviceroboter

6 Seminarthemen (6) Thema 6: Bewegungsplanung mit OpenRave Autonome Mobile Roboter müssen in komplexen Umgebungen agieren. Erschwerend kommt hinzu, dass die Umgebung eines Roboters Veränderungen unterliegt (Menschen, andere Roboter). Es ist daher notwendig, beispielsweise einen Manipulator so zu bewegen, dass eine Greifaufgabe ohne Kollision mit Hindernissen in der Umgebung ausgeführt werden kann. Hierzu existieren bereits Planungswerkzeuge, die auch für schwierige Situationen Lösungen finden. Geben Sie einen Überblick und stellen Sie die Möglichkeiten am Beispiel von OpenRAVE dar. : Rosen Diankov and James Kuffner: OpenRAVE: A Planning Architecture for Autonomous Robotics, tech. report CMU-RI-TR-08-34, Robotics Institute, Carnegie Mellon University, July, 2008.

7 Seminarthemen (7) Thema 7: Point Cloud Library (PCL) 3D-Bildsensoren wie Kinect, Stereokamaeras und Laserscanner liefern Bildpunkte mit 3D-Koordinaten. Mit deren Hilfe kann man Objekte im Raum klassifizieren. Um mit den Punktwolken zu arbeiten, benötigt man entsprechende Datenformate, auf die sich Bibliotheksfunktionen Datenbereitsteller und nutzer beziehen können. Stellen Sie das Konzept der Point Cloud Library vor sowie einige darauf basierende Anwendungen. Gehen Sie dabei auch auf NARF und ORB Features ein. Rusu, R. B.; Cousins, S.: 3D is here: Point Cloud Library (PCL). Aaron Klein: Feature based 3D Object Recognition and Localization in Point Clouds Neri Marschik: Recognition of basic shapes in 3D point clouds using a Kinect sensor

8 Seminarthemen (8) Thema 8: Objekterkennung mittels PCL 3D-Bildsensoren wie Kinect, Stereokamaeras und Laserscanner liefern Bildpunkte mit 3D-Koordinaten. Mit deren Hilfe kann man Objekte im Raum klassifizieren. Um mit den Punktwolken zu arbeiten, benötigt man entsprechende Datenformate, auf die sich Bibliotheksfunktionen Datenbereitsteller und nutzer beziehen können. Stellen Sie die Methodik der Objekterkennung mittels FPFH im Detail vor und diskutieren Sie mögliche Ansätze zur Beschleunigung der verfahren. Rusu, R. B.; Cousins, S.: 3D is here: Point Cloud Library (PCL). Aaron Klein: Feature based 3D Object Recognition and Localization in Point Clouds Neri Marschik: Recognition of basic shapes in 3D point clouds using a Kinect sensor

9 Seminarthemen (9) Thema 9: Rekonstruktion dreidimensionaler Umgebungsmerkmale mittels Stereobildverarbeitung und anderer Verfahren Zur Planung von Wegen und Bewegungen sind oft räumliche Informationen über die Umgebung erforderlich. Eine Möglichkeit zur Gewinnung solcher Informationen besteht darin, mit Hilfe von zwei oder mehr Kameras räumliche Koordinaten von Objekten zu ermitteln, während andere Methoden beispielsweise Lichtschnittverfahren nutzen. Geben Sie einen Überblick über Verfahren, die für mobile Roboter eingesetzt werden können. Klette, R.; Schlüns, K. Computer Vision Räumliche Information aus digitalen Bildern ; Vieweg Technik Verlag; 1996

10 Seminarthemen (10) Thema 10: Die ZMP-Steuerung Bei der Steuerung zweibeinigen Laufrobotern ist es wichtig, in gewissem Maße eine Balance herzustellen, die das Umfallen des Roboters verhindert. Beim Gehen sind jedoch auch Beschleunigungen notwendig, die das System aus dem Gleichgewicht bringen können. Um eine Laufsteuerung unter diesen Bedingungen zu ermöglichen, wurde des Konzept des Nullmomentpunktes (Zero Moment Point) entwickelt. Geben Sie eine Einführung zu diesem Verfahren. Human and Machine Locomotion. Morecki, A., Waldron, K.J. Modeling, Simulation and Optimization of Bipedal Walking. Mombaur, K., Berns, K. Myronov, O.: Konstruktion eines zweibeinigen Laufroboters mit Sensor-, Aktor- und Steuerungskomponenten. Diplomarbeit. Hochschule Mannheim, 2006

11 Seminarthemen (11) Thema 10: Brain-Computer-Interface (BCI) ist eine spezielle Mensch-Maschine-Schnittstelle, die ohne Aktivierung des peripheren Nervensystems, wie z. B. die Nutzung der Extremitäten, eine Verbindung zwischen dem Gehirn und einem Computer ermöglicht. Stellen Sie den aktuellen stand der Forschung vor. Wikipedia-Einträge zu Neuroprothese bzw. zu Brain-Computer-Interface

12 Seminarthemen (12) Navigation und Kartierung Thema 11: Sichtbasierte Navigation Sichtbasierte Navigation ist eine dem Menschen sehr vertraute Methode. Jedoch stößt die Komplexität der auszuwertenden Daten an die Grenzen verfügbarer Rechenkapazität. Es sind deshalb effiziente Algorithmen zur Extraktion von Merkmalen aus der Umgebung gefragt. Die Algorithmen SIFT und SURF sind in der Lage, markante Features in Bilddaten zu finden. Stellen Sie die zugrundeliegenden Funktionsprinzipien dar und stellen Sie diese Verfahren vergleichend gegenüber. : David G. Lowe: Distinctive Image Features from Scale-Invariant Keypoints In: International Journal of Computer Vision. Band 60, Nr. 2, Seiten , 2004 Herbert Bay, Andreas Ess, Tinne Tuytelaars, Luc Van Gool, SURF: Speeded-Up Robust Features, Proceedings of the 9th European Conference on Computer Vision, Springer Verlag, 2006

13 Seminarthemen (13) Navigation und Kartierung Thema 12: Inertialnavigation Nicht immer stehen für die Navigation von Robotern Sensorinformationen in Bezug auf externe Referenzpunkte zur Verfügung, die für die Navigation genutzt werden können, z.b. bei Flug- oder Tauchrobotern. Dann kann die Inertialnavigation (Trägheitsnavigation) genutzt werden, die, vereinfacht formuliert, alle Beschleunigungen misst und durch doppelte Integration aktuelle Positionsinformationen bereitstellt. Geben Sie einen überblick über hierzu verwendete Verfahren. Borenstein, Everett, Feng: Where am I? Sensors and Methods for Mobile Robot Positioning. University of Michigan, 1996

14 Seminarthemen (14) Echtzeitsysteme Thema 14: Echtzeitsysteme Zur Steuerung von technischen Prozessen ist es wichtig, dass der steuernde Rechner innerhalb einer definierten Zeit basierend auf Sensorinformationen Steuerbefehle bereitstellt. Diese Notwendigkeit wird durch sogenannte Echtzeitsysteme erfüllt. Geben Sie einen vergleichenden Überblick über aktuelle Entwicklungen zu Echtzeit-Systemen, insbesondere Echtzeit-Erweiterungen für Linux. Gehen sie besonders auf die Echtzeit-Erweiterung Xenomai ein. Zöbel, D.: Echtzeirtsysteme: Grundlagen der Planung. Springer, 2008 Liu, J. W. S.: Real-Time Systems.

15 Seminarthemen (15) Echtzeitsysteme Thema 15: Systemarchitektur unter Berücksichtigung harter Echtzeitbedingungen Mittels der Unified Modeling Language lassen sich Standardaufgaben in der Informatik geschickt lösen. Hierfür stehen eine Vielzahl an Design Patterns zur Verfügung. In Bezug auf Echtzeitanforderungen stößt die Unified Modeling Language schnell an ihre Grenzen. Arbeiten Sie in Bezug auf Verteilte Systeme und Sicherheitskritischen Anwendungen geeignete Design Patterns heraus. Weiterhin sollen harte Echtzeitschranken berücksichtigt werden. Douglass, B. Real-Time Design Patterns Robust Scalable Architecture for Real-Time Systems ; Addison-Wesley Verlag, 7te Auflage; 2009

16 Seminarthemen (16) Echtzeitsysteme Thema 15: Kollisionsvermeidung mittels externem Trackingsystem Kollisionsvermeidung spielt in der Robotik eine große Rolle. Ein Roboterarm, welcher sich im Rahmen seines Freiheitsgrades im Raum bewegen kann, soll mittels eines externen Trackingsystems so gesteuert werden, dass es zu keinen Personen- oder Sachschäden kommt. Finden Sie Ansätze welches dieses Problem lösen können. Betrachten Sie das Thema unter dem Aspekt der Echtzeitfähigkeit. Bei manchen Algorithmen lässt sich auch Echtzeitfähigkeit mit Hilfe von modernen Schedulern nachrüsten. Rapidly-exploring random tree Ihme, T.; Wetzelsberger, K.; Speckert, M.: Fischer, J.: Real-time Image Processing based on a Task-pair Scheduling Concept IEEE International Conference on Robotics and Auto-mation (ICRA 2011). Shanghai International Conference Center, Shanghai, China, May 9-13, 2011, pp

17 Seminarthemen (17) Simulation, Grafik und Hochleistungsrechnen Thema 15: OpenCL, CUDA und Stream Bei Grafikprozessoren ist das Potenzial der Parallelisierung von Operationen zur Bildberechnung bereits intensiv genutzt worden. Diese sehr spezialisierten Lösungen werden zunehmend auch für allgemeine Nutzung geöffnet. OpenCL, CUDA und Stream sind Standards und Frameworks, die die Programmierung parallelen Algorithmen auf Grafikkarten und ggf. anderen Architekturen ermöglichen. Geben Sie einen vergleichenden Überblick über die zugrundeliegenden Konzepte und Spezifika. Zeigen Sie Vor- und Nachteile der jeweiligen Technologien auf. Tom R. Halfhill: Parallel Processing with CUDA. Microprocessor Report, January 28, 2008, pp. 1-8 OpenCL - The open standard for parallel programming of heterogeneous systems

18 Seminarthemen (18) Lernplattformen Thema 16: elektronische Übungssysteme Elektronische Lernplattformen bieten die Möglichkeit, neben der Bereitstellung von Material zur Lehrveranstaltung auch Tests anzubieten. Die einfachste Form ist ein Multiple-Choice-Test, der sehr einfach zu realisieren ist. Schwieriger realisierbar sind konkrete fachbezogene Übungen, die beispielsweise algebraische Umformungen prüfen und Erarbeiten Sie hierzu einen Überblick zur Integration von informatik-bezogenen Übungen in E-Learning-Lösungen. Technische Dokumentationen zu E-Learning-Systemen

19 Seminarthemen (19) Rechnerarchitektur Thema 17: Prozessorarchitekturen Lange Zeit dominerten Prozessoren der x86-klasse den PC-Markt, andere Prozessoren waren eher Servern und Nischenprodukten vorbehalten. Letztlich wechselte sogar Apple auf den x86-zweig. Set dem aufkommen von Netbooks wandelte sich die Anforderung an Prozessoren, Smartphones und Tablets brachten den ARM-basierten Prozessoren deutlichen Auftrieb. Nicht zuletzt ist aber auch der Markt für Embedded Systems sehr groß, so dass Prozessoren für diese Sparte nicht fehlen dürfen. Erarbeiten Sie einen Überblick über aktuell gebräuchliche Prozessoren, deren wichtige Architekturmerkmale und Eignung für bestimmte Aufgaben. aktuelle Zeitschriften-Reports, z.b. im c t Magazin für Computertechnik Prozessordokumentationen auf den Hersteller-Webseiten

20 Seminarthemen (20) Verfahren Thema 17: 3D-Druck 3D-Druck gibt es seit mehr als 20 Jahren, damals firmierte diese Technologie noch unter Rapid Prototyping. Ausgelaufene Patente und neue Konzepte führen zu immer Realisierungen. Geben Sie einen Überblick über aktuelle Technologien und verwendeten Materialien sowie über den Workflow bei der Erstellung von 3D-Druckobjekten. Andreas Gebhardt: Rapid Prototyping - Werkzeuge für die schnelle Produktentstehung. 2. Auflage. Hanser Verlag, München 2002 Petra Fastermann: 3D-Druck/Rapid Prototyping: Eine Zukunftstechnologie - kompakt erklärt. 1. Auflage. Springer Vieweg, Berlin, Heidelberg 2012 Wilhelm Meiners: Direktes Selektives Laser Sintern einkomponentiger metallischer Werkstoffe. RWTH, Aachen 1999.