Studien- und Abschlussarbeiten

Im Regelungstechniklabor der Fakultät Elektronik und Informatik gibt es ein Propellerarmexperiment („Halber Quadrocopter“). Durch die Ansteuerung der beiden Motoren mit Propellern soll der schwenkbare Arm auf jeden beliebigen Auslenkungswinkel regelbar sein. Zu Demonstrationszwecken soll diese Ansteuerung auch manuell mit einem Joystick möglich sein, um zu zeigen, welche anspruchsvolle Aufgabe der Regler zu bewältigen hat. Ein geeigneter Joystick wurde dazu bereits beschafft.

Im Rahmen dieser Arbeit soll die Anbindung des Joysticks an den Versuch vorgenommen werden. Die Steuerung erfolgt über einen Arduino, der wiederum über MATLAB/Simulink angesteuert wird. Es ist zu recherchieren, wie in diesem Fall eine Anbindung erfolgen kann (wahrscheinlich ist ein separates Shield für den Arduino notwendig). Neben den hardwarelastigen Umbauten soll auch eine Anpassung der MATLAB/Simulink-Dateien erfolgen. In diesem Zusammenhang soll auch die Nutzung des Joysticks im Simulationsmodus möglich sein.

Je nach verbleibender Zeit kann eine ähnliche Anbindung desselben Joysticks an ein anderes Experiment, das stehende Pendel, vorgenommen werden.

Durchführung:

• Einarbeitung in das Experimentiermodell und die vorhandene Literatur
• Recherche über mögliche Anbindungen eines USB-Joysticks an einen Arduino
• Vornahme der nötigen Umbauten
• Anpassen der Software
• Optional: Wiederholung der Vorgehensweise bei einem weiteren vorhandenen Experiment

Die Erforschung der Ozeane gewinnt zunehmend an Bedeutung. Da Menschen in großen Tiefen nur unter erschwerten Bedingungen bzw. gar nicht arbeiten können, wird besonders in diesem Bereich der Einsatz unbemannter Roboter angestrebt. Typische Aufgaben sind Kartographierung von Meeresböden, Untersuchung von künstlichen Bauten, wie Rohrleitungen oder Windkraftanlagen, Auffinden von gefährlichen Gegenständen wie Seeminen oder begrenzte Manipulationsaufgaben.

Die Unterwasserumgebung stellt dabei besondere Herausforderungen. So ist z.B. keine funkbasierte Kommunikation möglich, und damit auch keine globale Navigation, z.B. unter Verwendung von GPS. Dies erschwert möglicheMethoden zur Führung und Regelung entsprechender autonomer Systeme.

Die Atlas Elektronik GmbH ist das größte deutsche Unternehmen im Bereich maritimer Systeme und bereitet gegenwärtig die Markteinführung eines autonomen maritimen Roboters SeaCat vor. Dieser Roboter hat eine Länge von 2,5 – 3,5 Meter und ein Gewicht von 130 – 220 kg, abhängig von der jeweiligen Nutzlast, und kann in Tiefen von bis zu 600 Metern operieren. Dabei ist sowohl ein vollautonomer Einsatz als auch eine Fernsteuerung über Glasfaserkabel möglich. Im Zuge der Arbeiten wurde bei ATLAS Elektronik bereits ein Fahrzeugmodell unter MATLAB/ Simulink erstellt, welches den Fahrzeugzustand (Position, Orientierung, Geschwindigkeit) in Abhängigkeit der Steuersignaleder Aktoren (Propeller, Ruder, Thruster) berechnet.

Im Rahmen dieser Arbeit solldas vorhandene Simulationstoolin eine zu erstellende Simulationsumgebung eingebunden werden. Ein zentraler Bestandteil ist ein Visualisierungstool, welches das Fahrzeug in einer virtuellen Realität darstellt. Diese virtuelle Umgebung soll mit einem Umgebungseditor erstellt werden können. Eine wesentliche Forderung besteht darin, dass dieses Visualisierungstool auch in der Lage ist, Pseudomesswerte der wichtigsten Fahrzeugsensoren zu generieren, z.B. die Entfernung zum Meeresboden oder zu einer vertikalen Hafenwand, basierend auf Sonarmessungen. Entsprechende Tools sind im Open Source Bereich bereits verfügbar, z.B. UWSim (http://www.irs.uji.es/uwsim/). Daher soll zunächst eine Recherche über mögliche vorhandene Toolerfolgen, und dann nach Rücksprache mit den Betreuern entschieden werden, welcher davon zum Einsatz kommen soll.

Danach besteht die wesentliche Aufgabe darin, das vorhandene Simulationsmodell mit dem Visualisierungstool zu synchronisieren, sodass das Tool in Echtzeit den vom Modell berechneten Fahrzeugzustand anzeigt und entsprechende Messwerte zurückliefert. Diese Messwerte sollen im vorhandenen Missionsüberwachungsinterface angezeigt sowie den Reglern zur Steuerung des Fahrzeuges zur Verfügung gestellt werden. Wesentliches Ziel ist es, dass Simulationen eines Fahrzeugeinsatzes sowohl autonom basierend auf Missionsplänen aus dem zugehörigen Missionsplanungstool, als auch ferngesteuert durchgeführt werden können. Als mögliche Zusatzaufgabe kann die Hinzunahme kooperativen Verhaltens mehrerer Roboter erfolgen.

Wie bereits beschrieben sind dabei vom Bearbeiter nicht die einzelnen Blöcke selbst zu realisieren; diese existieren bereits bzw. können aus den im Open Source Bereich verfügbaren Angeboten übernommen und lediglich angepasst werden. Die wesentliche Aufgabe besteht darin, die einzelnen Tools miteinander zu koordinieren, so dass diese auf einfache Weise gestartet werden können und miteinander kommunizieren, um komplexe Fahrzeugmissionen zu simuliert und die Ergebnisse übersichtlich darzustellen.

Voraussetzung:

• Erfahrung im Umgang mit verschiedenen Betriebssystemen (Windows, Linux)
• Programmiererfahrung in geeigneten Hochsprache (wie C++ oder Python)
• Kenntnisse oder Einarbeitung indas Middlewaresystem „Robot Operating System“ (ROS),http://www.ros.org

Durchführung:

• Recherche über geeignete Visualisierungstools mit der Fähigkeit der Umgebungssimulation und der Erzeugung von Pseudomesswerten
• Aufbau einer Simulationsumgebung mit den von ATLAS Elektronik zu Verfügung gestellten Tools bzw. den neu hinzuzunehmenden Tools gemäß der Recherche
• Realisierung der Funktionalität der Simulationsumgebung, besonders des Informationsaustausches der einzelnen Tools untereinander
• Wenn erforderlich: Erweiterung des Visualisierungstools zur Erzeugung der Pseudomesswerte
• Anbindung sowohl des Missionsplanungstools von Atlas Elektronik für autonome Missionen als auch der Möglichkeit zur manuellen Steuerung;die Hinzunahme kooperativen Verhaltens steht als Option, falls noch Zeit verfügbar ist.
• ausführliche Dokumentation, besonders zur Installation und Inbetriebnahme der Simulationsumgebung

Literatur:

• Atlas Elektronik GmbH, Informationen zum SeaCat Roboter, Website, http://www.seacat-auv.com/
• Prats, M.; Perez, J.; Fernandez, J.J.; Sanz, P.J., "An open source tool for simulation and supervision of underwater intervention missions",2012 IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems (IROS), pp. 2577-2582, 7-12 Oct. 2012
• Glotzbach, Th.; Voigt, A.; Pfützenreuter, T.; Jacobi, M.; Rauschenbach, T., “CViewVR: A High-performance Visualization Tool for Team-oriented Missions of Unmanned Marine Vehicles”, 8th International Conference on Computer Applications and Information Technologyin the Maritime Industries (COMPIT), 2009, May 10-12, Budapest, Hungary, Conference Proceedings, pp. 150-164

Die Erforschung der Ozeane gewinnt zunehmend an Bedeutung. Da Menschen in großen Tiefen nur unter erschwerten Bedingungen bzw. gar nicht arbeiten können, wird besonders in diesem Bereich der Einsatz unbemannter Roboter angestrebt. Typische Aufgaben sind Kartographierung von Meeresböden, Untersuchung von künstlichen Bauten, wie Rohrleitungen oder Windkraftanlagen, Auffinden von gefährlichen Gegenständen wie Seeminen oder begrenzte Manipulationsaufgaben. Die Unterwasserumgebung stellt dabei besondere Herausforderungen. So ist z.B. keine funkbasierte Kommunikation möglich, und damit auch keine globale Navigation, z.B. unter Verwendung von GPS. Dies erschwert mögliche Methoden zur Führung und Regelung entsprechender autonomer Systeme.

Die Atlas Elektronik GmbH ist das größte deutsche Unternehmen im Bereich maritimer Systeme und bereitet gegenwärtig die Markteinführung eines autonomen maritimen Roboters SeaCat vor. Dieser Roboter hat eine Länge von 2,5 – 3,5 Meter und ein Gewicht von 130 – 220 kg, abhängig von der jeweiligen Nutzlast, und kann in Tiefen von bis zu 600 Metern operieren. Dabei ist sowohl ein vollautonomer Einsatz als auch eine Fernsteuerung über Glasfaserkabel möglich. Im Zuge der Arbeiten wurde bei ATLAS Elektronik bereits ein Fahrzeugmodell unter MATLAB/ Simulink erstellt, welches den Fahrzeugzustand (Position, Orientierung, Geschwindigkeit) in Abhängigkeit der Steuersignale der Aktoren (Propeller, Ruder, Thruster) berechnet.

Im Rahmen dieser Arbeit soll unter Nutzung des genannten Simulators ein Algorithmus mit Steuerungssoftware unter MATLAB/ Simulink erstellt werden, um die Bewältigung eines konkreten Szenarios zu ermöglichen. Das Szenario beinhaltet die Wandverfolgung unter Nutzung von Sensoren. Der genaue Ablauf des Szenarios wird in enger Absprache mit der Firma Atlas Elektronik GmbH festgelegt.

Voraussetzung:

• Erfahrung im Umgang mit MATLAB/Simulink
• Kenntnisse in Regelungstechnik

Durchführung:

• Recherche über geeignete Vorgehensweisen für die im Szenario zu bewältigenden Aufgaben
• Inbetriebnahme und Einarbeitung in das Simulationsmodell des maritimen Roboters
• Erstellung der nötigen Software unter MATLAB/ Simulink
• Ausgiebige Tests im Simulator