Jahresbericht 2009 / Institut für Angewandte Informatik (KIT Scientific Reports ; 7554)

Das Institut für Angewandte Informatik (IAI) ist eine Organisationseinheit der Forschungszentrum Karlsruhe GmbH (seit 01.Oktober 2009 Karlsruher Institut für Technologie "KIT", Campus Nord), die ihrerseits Mitglied der Hermann von Helmholtz-Gemeinschaft Deutscher Forschungszentren e. V. ist. Das Institut betreibt Forschung und Entwicklung auf dem Gebiet innovativer, anwendungsorientierter Informations-, Automatisierungs- und Systemtechnik

iWindow - Intelligentes Maschinenfenster

Das Verbundforschungsprojekt iWindow: Intelligentes Maschinenfenster beschäftigte sich mit der visuellen Unterstützung von Maschinenbedienern an Werkzeugmaschinen. Diese konnten bisher nur auf wenige bis keine Systeme, die sie bei ihren täglichen Aufgaben direkt an der Werkzeugmaschine unterstützen, zurückgreifen. Das Forschungsprojekt verbindet reale und virtuelle Welt in der Werkzeugmaschine durch Technologien wie Virtual und Augmented Reality, digitaler Zwilling, Simulation und Mehrwertdienste. Durch Nutzung jeweils für die aktuelle Arbeitssituation passender Dienste, werden Mitarbeiter befähigt, sich an die steigende Individualisierung der Produkte und die flexiblere Produktion anzupassen. Kunden und Geschäftspartner werden durch die Möglichkeit eigene mehrwertgenerierende Dienste zu entwickeln und anderen Anwendern zur Verfügung zu stellen in den Wertschöpfungsprozess eingebunden. Diese Publikation beleuchtet die im Rahmen des Forschungsprojekts erarbeiteten Ergebnisse hinsichtlich für ein intelligentes Maschinenfenster benötigter Technologien und Entwicklungen

Beiträge zur Lokalisation und zur modellbasierten Lageregelung mobiler Roboter

Auf dem Gebiet der autonomen Robotik haben Wettkämpfe im Roboterfußball Relevanz als Standardproblem gewonnen. Hierbei soll koordiniertes Verhalten technischer Systeme in einer dynamischen Umgebung demonstriert werden. Die vorliegende Arbeit leistet Beiträge zur Objektlokalisierung und zur Lageregelung für Roboter der RoboCup Small Size League. Im ersten Teil der Arbeit wird ein segmentorientiertes Bildverarbeitungssystem für die Objektlokalisierung vorgestellt. Das System zeichnet sich durch hohe Verarbeitungsgeschwindigkeit und Robustheit aus. Zur Interpretation der detektierten Segmente als Objektpositionen wird ein Regressionsverfahren genutzt. Im zweiten Teil der Arbeit werden die Begrenzungen der Stellgrößen des Roboters als lineares Optimierungsproblem modelliert. Hiermit wird ein Lageregeler realisiert. Um Kollisionen zu vermeiden, wird dieser in Kombination mit einem Pfadplaner eingesetzt. Als Funktionsnachweis des Gesamtsystems werden Torschüsse ausgeführt.In the field of autonomous robotics the competitions in robot soccer have gainedrelevance as benchmark. The key aspect of these competitions is theaccomplishment of coordinated behaviour of technical systems in a dynamicalenvironment. This thesis presents contributions to the object localisation andposition control of RoboCup Small Size League robots. The first part of this thesis covers implementation essentials of a segmentoriented image processing system for object localisation. The image processingsoftware yields high processing speed and robustness. The system utilises anexternally provided static classificator. The classificator is generalisingtraining data via approximated discrete voronoi decomposition of the RGB-colourspace. Labeled training data is required for the generation of thisclassificator. This data should be obtained by an algorithm which uses minimalprior knowledge. Therefore, the clustering algorithms DBSCAN and k-means and thefeature extraction algorithm RANSAC are applied. The evaluation of thesealgorithms results in the necessity of user labeled data. The Helmert transformis used for interpretation of the detected segments as object positions. In the second part of this thesis a position control loop is introduced. Thefocus of the issue are the limits of system input and state. The limits ofsystem input are caused by stiction/friction of rest and electrically producibletorques. They are described by means of a multibody model of the robot. Thisdescription is transferred into a linear optimisation problem. Thus as therobot's capability of acceleration as the appropriate configuration of driveforces is obtained. This model is utilised by velocity and position controllers.As the controlled robots must not collide, geometric constraints limit thesystem's state. This problem is coped by application of a path planner. Theplanner utilises the A*-algorithm to find the shortest path in a navigationgraph. Variants of the navigation graph are implemented by a visibility graphand an adaptive rasterisation based on quadtrees. For verification of the totalsystem, the path planner is used in a reactive behaviour framework which enablesthe robot to score

Jahresbericht 2016 / Institut für Angewandte Informatik (KIT Scientific Reports ; 7736)

Im Jahresbericht 2016 des Instituts für Angewandte Informatik werden, nach einem kurzen Überblick über die Arbeiten, die Forschungsergebnisse dieses Jahres vorgestellt. Die Einordnung erfolgt entsprechend der Zuordnung der Projekte zu den Helmholtz-Programmen SCI, EMR, RE, TIS, BIFTM, STN und SBD. Es schließt sich eine Verzeichnis der im Berichtszeitraum erschienen Publikationen des Instituts an

Textursynthese und -analyse für Anwendungen der Kartographie und Luftbildauswertung

[no abstract

Komponenten zur automatischen Fahrzeugführung in sehenden (semi-)autonomen Fahrzeugen

Damit ein Fahrerassistenzsystem als vertrauenswürdiger technischer Partner vom Führer eines Kraftfahrzeugs akzeptiert wird - sei es als reiner Assistent oder als selbständiger Agent in bestimmten Bereichen - muss es über annähernd die gleichen Wahrnehmungs- und Verhaltensfähigkeiten wie der menschliche Fahrzeuglenker verfügen. Eine explizite Repräsentation dieser Fähigkeiten ist dazu unerläßlich. Die Realisierung inertialer Wahrnehmungsfähigkeiten zur Erfassung des Fahrzeug-Eigenzustands und die Verhaltensgenerierung zum Zwecke der Fortbewegung sowie die Repräsentation all dieser Funktionalitäten in Form von Fähigkeiten sind Inhalte dieser Arbeit. Als Basis dient das im Rahmen der Entwicklung des EMS-Vision Systems (amp;quot;Erwartungsbasiertes Multifokales Sakkadisches - Sehenamp;quot;) entstandene Fähigkeitenkonzept, welches eine elementare Komponente einer Systemarchitektur für (semi-)autonome Agenten darstellt. Die entwickelten Ansätze und Konzepte wurden exemplarisch in den beiden Versuchsfahrzeugen für autonome Mobilität und Rechnersehen (VAMORS und VAMP) implementiert und erfolgreich getestet. Im Rahmen unterschiedlich komplexer autonomer Fahrmissionen konnten sowohl Wahrnehmungsfähigkeiten zur inertialen Bestimmung des Fahrzeug-Eigenzustands und zur Positionsbestimmung als auch Fortbewegungsfähigkeiten für den On- wie für den Offroad-Betrieb demonstriert werden

Nonlinear Adaptive Control with Neural Networks in Unmanned Flight Experiments

Die vorliegende Arbeit stellt einen Beitrag zur praktischen Anwendung adaptiver nichtlinearer Regler in unbemannten Flugzeugen dar. Dabei wird die erstmalige Flugerprobung eines nichtlinearen adaptiven Reglers in Form der dynamischen Inversion mit Sliding-Mode-Control trainierten neuronalen Netzen auf einem sequentiellen Smartphone-Prozessor betrachtet. Neben dem nichtlinearen Regler kommt ein Kalman Filter und ein Bahnregler zum Einsatz, um ein automatisches Abfliegen einer Flugbahn zu ermöglichen. Das wiederholte Abfliegen der Flugbahn ermöglicht den Vergleich zwischen einer konservativen, nichtlinearen und nichtlinearen adaptiven Regelungstechnik. Um einen Vergleich zwischen dem nichtlinearen Regler mit und ohne adaptive Elemente zu ermöglichen, wird zudem mit dem Reference-Control-Hedging eine Variation des bekannten Pseudo-Control-Hedging vorgestellt. Diese, auf einem Echtzeitbetriebssystem laufenden und mit Autocode-Verfahren programmierten Algorithmen, werden neben deren Verhalten im Flugversuch auch im Hinblick auf Ressourcenverbrauch und Verzögerungen untersucht. Die Verwendung von Autocode-Verfahren erlaubt eine schnelle Implementierung der Algorithmen direkt aus einem digitalen, auf Piktogrammen basierten Schaltplan. Die Vermutung, dass diese Implementierungstechnik die Entwicklungsgeschwindigkeiten im Rahmen von Regler- und Navigations-Prototypenversuchen beschleunigen können, wird durch die Betrachtung der Geschichte der Implementierung bekräftigt. Die Untersuchungen erlauben eine Abschätzung des Potenzials adaptiver Regler- Navigations-Strukturen und der nötigen bzw. verfügbaren Ressourcen moderner Smartphone-Prozessoren. Die Ergebnisse der Flugversuche bestätigen die in der Simulation vorhergesagten Fähigkeiten der adaptiven Strukturen. Gleichzeitig wird mit der Vielzahl an verfügbaren Algorithmen und deren Rekombinationsmöglichkeiten und der direkten Implementierbarkeit aus einem digitalen Schaltplan deutlich: Die Vereinheitlichung der Flugexperimente und der Paradigmenwechsel des Regelungstechnikers vom Programmierer hin zum Designer, kann die Vergleichbarkeit verbessern und bietet die Möglichkeit, das Potenzial der Rekombinationsmöglichkeiten auf einer neuen Implementierungsebene auszuschöpfen.The present work is a contribution to the practical application of an adaptive nonlinear controller in unmanned aircraft. In this case the first time flight testing of a nonlinear adaptive controller is considered in the form of dynamic inversion with Sliding-Mode-Control trained neural networks on a sequential smartphone processor. In addition to the nonlinear controller, a Kalman filter and a path controller is used to enable an automatic trajectory following. The repeated flying of the flight path allows the comparison between a conservative, a nonlinear and a nonlinear adaptive control technique. In order to allow a comparison between the nonlinear controller with and without adaptive elements, Reference-Control-Hedging as a variation of the well known Pseudo-Control-Hedging is presented. These algorithms, running on a real-time operating system and programmed with autocode, are studied alongside their behavior in flight tests, in terms of resource consumption and delays. The used autocode-method allows a fast implementation of the algorithms directly from a digital schematic diagram, which is based on pictograms. The assumption, that this implementation technique can accelerate the speed of development in the context of controller and navigation prototype testing, is strengthen by looking at the history of implementation. The studies allow an estimate of the potential of adaptive controller-navigation structures and the necessary and available resources of modern smartphone processors. The results of the flight tests confirm the capabilities of adaptive structures, which have been predicted in simulations. The number of available algorithms and their recombination possibilities and the possibility of direct implementability from a digital schematic diagram shows: The standardization of flight experiments can improve the comparability of the results. Combined with the paradigm shift of the control engineer, from a programmer to a designer, this new implementation level can make the recombination possibilities explorable

Informationsfusion in der Mess- und Sensortechnik

Die Entwicklung und Beherrschung der immer komplexer werdenden technischen Systeme führt in zunehmenden Maße zu Anforderungen an die Mess- und Sensortechnik, die mit dem Einsatz eines Einzelsensors oft nicht mehr erfüllt werden können. Dies hat in den letzten Jahren zu einem starken Entwicklungsschub für Multisensorsysteme und die Grundlagenforschung zur Fusion von Messdaten und Information aus unterschiedlichen Quellen geführt. Dieses Buch greift diese Entwicklung sowohl hinsichtlich ihrer theoretischen Grundlagen als auch wichtiger Anwendungsfelder auf