Thema 2: Systemarchitekturen von Sensor-Aktor-Systemen von mobilem Robotern

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1 Überblick und Systemarchitektur allgemein Thema 1: Aktuelle Trends im Robocup Die Robocup-Initiative hat zum Ziel, Benchmark aktueller Entwicklungen auf dem Gebiet der Künstlichen Intelligenz und der Robotik zu sein. Geben Sie einen Überblick über das Thema Robocup und Regeln bzw, Randbedingungen. Gehen Sie insbesondere auf die Themen Rescue und kleiner humanoider Roboter ein. Robocup-Regularien Beiträge in den Begleitkonferenzen Thema 2: Systemarchitekturen von Sensor-Aktor-Systemen von mobilem Robotern Eingebettete Systeme sind integraler Bestandteil des sie umschließenden Systems und eng mit Sensoren und Aktoren verbunden. Geben Sie einen Überblick über typische Architekturen am Beispiel mobiler Roboter. Gehen Sie dabei insbesondere auf aktuelle Realisierungen im Rahmen der Robocup-Wettbewerbe ein. Artikel mit Systembeschreibung von Robotern Sensoren Thema 3: Überblick über Sensoren bei mobilen Robotern Mit Hilfe von Sensoren können Roboter eine Vielzahl von Informationen aus der Umwelt und über sich selbst gewinnen (äußere/innere Sensoren). Manche Sensoren nutzen aktive Verfahren, andere gewinnen nur passiv Informationen. Geben Sie einen Überblick über Sensoren für mobile Roboter und ihre grundlegenden Funktionsprinzipien und klassifizieren sie diese nach verschiedenen Kriterien. Gray, Caldwell: Advanced robotics and intelligent machines.

2 Thema 4: Ultraschallsensoren Ultraschallsensoren zählen zu den häufig verwendeten Sensoren für mobile Roboter, da sie spezifische Vorteile für die Erfassung von Umgebungsinformationen haben. Stellen Sie ausgehend von der Funktion dieser Sensoren dar, wie mit Hilfe von Ultraschall-Sensordaten Modelle von der Umgebung erzeugt und genutzt werden können. Demonstrieren Sie dies ggf. an einem Beispiel. Jörg, Puttkamer, Richstein: Heterogene Multisensorintegration zur geometrischen Weltmodellierung für einen autonomen, mobilen Roboter. In: Intelligente Steuerung und Regelung von Robotern. VDI-Berichte 1094 Corion, Desodt, Jolly: Using ultrasonic means for the recognition of a real space. In: 6th international symposium on Measurement and control in robotics. Brussels, 1996 Borenstein, Koren: Histogramic in-motion mapping for mobile robot obstacle avoidabnce. IEEE Journal of Robotics and Automation, Vol. 7, No. 4, 1991, pp Borenstein, Koren: Error Eliminating Rapid Ultrasonic Firing for Mobile Robot Obstacle Avoidance. IEEE Transactions on Robotics and Automation February 1995, Vol. 11, No. 1, pp Thema 5: Laserscanner Ultraschallsensoren zählen zu den häufig verwendeten Sensoren für mobile Roboter. Stellen Sie die spezifischen Vor- und Nachteile von Laserscannern sowie das Funktionsprinzip dar. Zeigen Sie Möglichkeiten, wie sich Laserscanner zu Navigationszwecken (z.b. Merkmalsextraktion) einsetzen lassen. Demonstrieren Sie dies ggf. an einem praktischen Beispiel. Arras u.a.: Echtzeitfähige Merkmalsextraktion und Situationsinterpretation aus Laserscannerdaten. In: Autonome mobile Systeme 1996 Knieriemen, T.: Autonome mobile Roboter: Sensordateninterpretation und Weltmodellierung zur Navigation in unbekannter Umgebung. In Reihe: Böhling, K. H.; Kulisch, U.; Maurer, H.: Reihe Informatik, Band 80. BI Wissenschaftsverlag, Mannheim (u.a.), 1991 Thema 6: Taktile Sensoren Taktile Sensoren werden zur Kontrolle der Interaktion von mobilen Robotern mit der Umgebung eingesetzt. Geben Sie einen Überblick über die Funktionsweise taktiler Sensoren. Gehen Sie insbesondere auf Aufbau und Funktionsweise von Kraftsensoren ein. Demonstrieren Sie dies ggf. an einem praktischen Beispiel. Gorinevskij, Formal'skij, Snejder: Force control of robotics systems. Boca Raton [u.a.]: CRC Press, 1997

3 Navigation und Kartierung Thema 7: Odometrie Mit Hilfe odometrischer Informationen ist es möglich, den gefahrenen Weg zurückzuverfolgen und somit die aktuelle Position zu bestimmen. Stellen Sie Funktionsprinzip, Vor- und Nachteile dieser Methode dar. Wie können Fehler abgeschätzt bzw. vermieden werden? Demonstrieren Sie die Funktion der Odometrie ggf. anhand einer Beispielimplementation. Thema 8: 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. Stellen Sie verschiedene Funktionsprinzipien dar und erläutern Sie Vor- und Nachteile. Gehen Sie dabei auch auf die optischen Probleme ein. Demonstrieren Sie sichtbasierte Navigation ggf. an einem Beispiel und erläutern Sie die Implementierung. Gehen Sie dabei auf Grenzen des Verfahrens ein. Thema 9: Navigation mit Landmarken Landmarken sind markante Punkte in der Umgebung des Roboters. Sie können helfen, charakteristische Merkmale eines zurückzulegenden Weges zu identifizieren. Zeigen Sie, wie die bisher vorgestellten Sensoren zur Landmarkenbasierten Navigation eingesetzt werden können. Zeigen Sie, wo sich spezifische Vorteile verschiedener Sensoren ergeben und wo es Nachteile gibt. Gehen Sie dabei auf verschiedene Arten von Landmarken ein und erläutern Sie Algorithmen zu deren Identifizierung.

4 Thema 10: Navigation mit Hilfe von Leuchtfeuern Im Gegensatz zu Landmarken können mit Leuchtfeuern zusätzlich Informationen transportiert werden und die Erkennbarkeit der Positionen kann durch die verwendeten aktiven Signale sehr stark verbessert werden. Zeigen Sie, wir durch Nutzung von Möglichkeiten, die über die von Landmarken hinausgehen, eine Positionsbestimmung vorgenommen werden kann. Thema 11: Techniken zur Kartierung Mobile Roboter müssen in einer unbekannten Umgebung erst durch Sensorinformationen ein Modell von der Umgebung generieren. Die laufend gewonnenen Umgebungsinformationen werden benutzt, um das bestehende Umweltmodell zu erweitern. Hierzu gibt es unterschiedliche Ansätze. In de Regel werden Karten benutzt, bei denen die Umgebung durch umnterschiedliche Modelle repräsentiert wird. Stellen Sie aktuell verwendete Lösungen dar und stellen Sie sie gegenüber. Knieriemen, T.: Autonome mobile Roboter: Sensordateninterpretation und Weltmodellierung zur Navigation in unbekannter Umgebung. In Reihe: Böhling, K. H.; Kulisch, U.; Maurer, H.: Reihe Informatik, Band 80. BI Wissenschaftsverlag, Mannheim (u.a.), 1992 Hoppen, P.: Autonome mobile Roboter: Echtzeitnavigation in bekannter und unbekannter Umgebung. In Reihe: Böhling, K. H.; Kulisch, U.; Maurer, H.: Reihe Informatik, Band 87. BI Wissenschaftsverlag, Mannheim (u.a.), 1992 Thema 12: Das SLAM-Problem Werden Karten für eine unbekannte Umgebung erzeugt, so sollen diese später für die Navigation benutzt werden. Im Prinzip werden sowohl für das Kartieren als auch für das Navigieren die gleichen sensorischen Techniken benutzt, so dass während des Navigierens auch Karten erweitert werden können. Diese Technik ist unter Simultaneous Localization and Mapping (SLAM) bekannt. Geben Sie eine Einführung in die hierfür verwendeten methoden. L. Matthies and Alonzo Kelly and T. Litwin and G. Tharp, "Obstacle Detection for Unmanned Ground Vehicles: A Progress Report", 7th International Symposium on Robotics Research 1995

5 Steuerung von Systemen und komplexe Sensoren Thema 13: Kopplung von Sensoren und Aktoren: dynamische Systeme Sensoren und Aktoren verbinden ein eingebettetes System mit seiner Umwelt. Werden durch das System in der Umwelt gezielt Aktionen ausgeführt, können deren Wirkungen wieder mit Hilfe der Sensoren erfasst werden. So entsteht eine geschlossene Wirkungskette, die eine eigene Dynamik aufreisen kann. Stellen Sie dazu Beispiele aus dem Bereich der mobilen Roboter dar und zeigen Sie, solche Systeme als Regler eingesetzt werden können. (Beispiele: Drehzahlregelung, Spurvervolgung) Systembeschreibung KURT einführende zum Thema Regelungstechnik Thema 14: Sensorfusion allgemein Mit Hilfe von mehreren Sensoren lässt sich die Qualität von Sensor-Informationen verbessern oder es lassen sich durch Kombination von verschiedenen Sensorinformationen neue Informationen gewinnen. Stellen Sie Prinzipien der Sensorfusion dar. Zeigen Sie, wie durch geeignete Verfahren die Nachteile verschiedener Sensoren ausgeglichen werden können. Luo, Kay: Multisensor integration and fusion in intelligent systems. IEEE transactions on systems, man and cybernetics, vol. 19 No. 5, 1989, pp Thema 15: Sensorfusion mittels Kalman-Filter Mit Hilfe von mehreren Sensoren lässt sich die Qualität von Sensor-Informationen verbessern oder es lassen sich durch Kombination von verschiedenen Sensorinformationen neue Informationen gewinnen. Eine oft werwendete Methode ist der Kalman-Filter. Stellen Sie das Konzept des Kalman-Filters dar und zeigen Sie, wie der Kalman-Filter bei der Fusion von Sensorsignalen mobiler Roboter genutzt wird. Welch, G.; Bishop, G.; An Introduction to the Kalman Filter. SIGGRAPH 2001 course 8. In Computer Graphics, Annual Conference on Computer Graphics & Interactive Techniques, Los Angeles, CA, Aug. 2001

6 Thema 16: 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 Intertialnavigation genutzt werden, die, vereinfacht formuliert, alle Beschleunigungen misst und durch doppelte Integration aktuelle Positionsinformationen bereitstellt. Geben Sie einen überblick über hierzu verwendete verfahren. Thema 17: Rekonstruktion dreidimensionaler Umgebungsmerkmale mittels Stereobildverarbeitung 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. 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 Thema 18: Die ZMP-Steuerung Bei der Steuerung zweibeinigen Laufrobotern ist es wichtig, in gewissem Maße eine Ballance 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. Myronov, O.: Konstruktion eines zweibeinigen Laufroboters mit Sensor-, Aktor- und Steuerungskomponenten. Diplomarbeit. Hochschule Mannheim, 2006

7 Thema 19: Simulation und Visualisierung von mobilen Robotern Steuerungen für mobile Roboter sind eingebettete Echtzeitsysteme. Das heißt einerseits, dass Entwicklungs- und Zielsystem nicht identisch sind. Aufgrund von Echtzeitanforderungen ist ein Test sehr schwierig, da die Korrektheit der Steuerungsalgorithmen erst bei der Interaktion mit der physikalischen Umgebung festgestellt werden können, wozu ein Echtzeitverhalten notwendig ist. Um einerseits definierte Umgebungsbedingungen zu schaffen und andererseits ein zeitfreies Testen zu ermöglichen, werden Simulationen eingesetzt. Geben Sie einen Überblick über den Stand der Forschung auf diesem Gebiet. Gehen Sie hierbei insbesondere auf die Simulationsumgebung der Hochschule Mannheim ein. Ruffler, U.: Laufplanung basierend auf realitätsnahen Umgebungsdaten für einen sechsbeinigen Laufroboter. Diplomarbeit. Hochschule Mannheim, 2006 Thema 20: Interpolation Die Bewegungsbahnen kinematischer Ketten (Manipulatoren bei Industrierobotern oder Beine bei Laufrobotern) werden meist durch eine Reihe von einzelnen Punkten im Raum beschrieben. Diese Punkte zeigen oft nur grob die gewünschte Bewegung an. Daher ist es notwendig diese Punkte zu interpolieren um ausreichend Zwischenschritte und damit eine flüssige Bewegung zu erhalten. Es gibt dabei zwei verschiedene Ebenen auf denen Interpoliert werden kann. Zum einen über die Punkte im Raum oder aber direkt über die Gelenkstellungen der kinematischen Kette. Erklären Sie die verschiedenen Methoden, die in der Robotik zur Interpolation verwendet werden. Zeigen Sie die Vor- und Nachteile und für welche Anwendung welche Methode besser geeignet ist. Weck, Manfred: Werkzeugmaschinen Fertigungssysteme Band 3, VDI-Verlag 1995 Werner, Jochen: Numerische Mathematik Band 1, Vieweg 1992 Allgemein Bücher über Industrieroboter Thema 21: Aktuelle Entwicklungen beim LeJOS Thema 22: Architektur und Programmierung mit dem BrickOS