Praktikum Forschungsprojekt: Anthropomatik praktisch erfahren (SS 2014)

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Das Ziel des Praktikums Forschungsprojekt: Anthropomatik praktisch erfahren ist es, Studenten die Möglichkeit zu geben, in aktuelle Forschungsgebiete hineinzuschnuppern. Dabei sollen in Gruppen von jeweils zwei bis drei Studenten Soft- und/oder Hardware-Projekte erstellt werden. Die zu bearbeitenden Aufgaben kommen aus den Forschungsbereichen verteilte Messsysteme, Robotik, Mensch-Roboter-Kooperation, Telepräsenz- und Assistenzsysteme. Das Praktikum gibt interessierten Studenten die Möglichkeit, Erfahrungen sowohl im wissenschaftlichen Arbeiten als auch im Projektmanagement zu sammeln.

In dem Praktikum können folgende Fähigkeiten erlernt und vertieft werden:

  • Umsetzung von theoretischen Methoden in reale Systeme
  • Erstellung von technischen Spezifikationen
  • Projekt- und Zeitmanagement
  • Entwicklung von Lösungsstrategien im Team
  • Präsentation von Zwischen- und Endergebnissen (in Poster- und Folienvorträgen sowie einem Abschlussbericht)

Das Praktikum (4 SWS) besteht aus 2 Lehrveranstaltungen: einem praktischen Teil (mit 2 SWS), welcher die konkrete Implementierung der Aufgabenstellung des Praktikums durch die Studenten beinhaltet und einem theoretischen Teil (mit 2 SWS). In diesem Teil des Praktikums vermitteln die wissenschaftlichen Mitarbeiter den Studenten die Theorie für das jeweilige Projekt. Außerdem diskutieren die Mitarbeiter mit den Studenten in persönlichen Gesprächen mögliche Lösungen zu Problemen, die bei der Implementierung auftreten. Beide Teile sind nur in Kombination belegbar.


Am Tag der Informatik 2010 wurde das Praktikum Forschungsprojekt "Anthropomatik praktisch erfahren" als bestbeurteiltes Praktikum ausgezeichnet.

Weitere Informationen zum Praktikum Forschungsprojekt: Anthropomatik praktisch erfahren.

Themengebiete

Projekt 1: Herzphasenschätzung mittels Richtungsstatistik

Betreuer: Gerhard Kurz.

EKG-Signal
Wrapped Normal Verteilung aus der Richtungsstatistik.

Einleitung

Es soll ein robotergestütztes Chirurgiesystem entwickelt werden, das den Chirurgen bei Operationen am schlagenden Herzen unterstützt. Dabei werden eine Reihe von Sensoren benutzt, um das schlagende Herz zu erfassen. Um dem Arzt das Gefühl zu vermitteln, an einem stillstehenden Herzen zu operieren, ist das Ziel, ihm ein Herz in einer pseudo-stationären Form anzuzeigen und die Bewegung des Herzens mit dem Roboter automatisch auszugleichen. Dazu ist es erforderlich, die Bewegung der Herzoberfläche zu schätzen. Die Herzbewegung ist näherungsweise periodisch und in diesem Projekt soll zu jedem Zeitpunkt die aktuelle Phase des Herzens geschätzt werden. Da die Phase eine periodische Größe ist, kommen dazu Filter zum Einsatz, die auf der Richtungsstatistik basieren.

Aufgabenstellung

Das Ziel des Projektes besteht darin, einen Schätzer für die Herzphase mit Hilfe von Richtungsstatistik zu implementieren und an realen Daten zu evaluieren. Dazu sind folgende Aufgaben zu erfüllen

  • Einarbeitung in periodische Schätzverfahren
  • ggf. Vorverarbeitung der Sensordaten
  • Entwurf und Implementierung eines Herzphasenschätzers
  • Evaluation und Vergleich des zirkulären Schätzers mit klassischen Lösungen
  • Dokumentation der Ergebnisse und der entwickelten Software

Die Implementierung muss die oben aufgeführten Funktionalitäten erfüllen und gut dokumentiert werden.

Erfahrung mit MATLAB sowie Kenntnisse im Bereich stochastischer Schätzung (etwa aus der SI-Vorlesung) sind sehr hilfreich.

Was wird vom Lehrstuhl ISAS zur Verfügung gestellt?

  • umfangreicher Versuchsdatensatz mit realen Daten (Kamerabilder, Tiefendaten, Blutdruck, EKG, ...)
  • MATLAB-Code zur Verarbeitung der Datenformate der verschiedenen Sensoren
  • Bibliothek mit Implementierungen diverser Verfahren aus dem Bereich der Richtungsstatistik
  • Beratung und Hilfestellung


Projekt 2: Entwicklung eines Spiels zum Vergleich von Filterverfahren

Betreuer: Florian Pfaff.

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Einleitung

Am ISAS und anderen, über die Welt verteilten Institutionen entwickeln Forscher neue Techniken, die bessere Zustandsschätzungen ermöglichen sollen. Vergleiche finden sich meist jedoch nur in Form von Evaluation gegen Standardverfahren. Im Dschungel der Filtertechniken kennen sich meist nur eingearbeitete Forscher aus – nicht aber die Anwender. Selbst die Forscher können oftmals keine zuverlässige Vorhersage treffen, wie gut Filter gegeneinander abschneiden. Hier kommt ihr ins Spiel!

Aufgabenstellung

Ihr löst dieses Problem und helft der globalen Community näher zusammenzuwachsen: mit einem Spiel, anhand dem verschiedene Filter miteinander verglichen werden können. So können Teams rund um die Welt und andere Interessierte zeigen was ihre Algorithmen können – und vielleicht findet sich ja damit irgendwo ein Ramanujan der Filtertechnik?

Ihr müsst dabei keine Filter selbst implementieren, da diese über die CloudRunner Plattform des ISAS gesammelt werden. Konkret werdet ihr damit betraut, ein interessantes Spiel oder Szenario zu entwickeln, das mittels Simulationen einen Vergleich verschiedener Filter erlaubt. Die Wahl der Programmiersprache steht euch dabei frei. Falls eine andere Sprache als MATLAB dafür verwendet wird, ist die Implementierung eines Clients für ein einfaches TCP Protokoll notwendig, um die bestehenden Filter zu verwenden. Gerne dürfen sich in dem Team Studenten mit unterschiedlichen Stärken – Programmiererfahrung, Kreativität und Theorie – zusammentun um gemeinsam Großes zu erreichen.

Was wird vom Lehrstuhl ISAS zur Verfügung gestellt?

  • Sammlung von Filtern auf der CloudRunner Plattform und Infrastruktur zur Einreichung neuer Filter
  • Ein TCP Server, der die Filter mit einem einfachen Protokoll bereitstellt
  • Einen Referenzclient für das Protokoll, geschrieben in MATLAB
  • Fachlich kompetente Beratung und Hilfestellung für Theorie und Praxis (für gängige Programmiersprachen)

Projekt 3: Telepresence in 10.000 moving cities

Partner

Betreuer: Florian Faion, Antonio Zea, Jesús Muñoz Morcillo (jesus.morcillo@kit.edu)

Einleitung

Im Rahmen dieses Projekts soll eine Medienkunst-Installation als entfernte Umgebung aufgefasst, digitalisiert und telepräsent als e-Installation "reinszeniert" werden. Konkret handelt es sich dabei um das Netz-basierte Kunstwerk "10.000 moving cities" des schweizer Künstlers Marc Lee.

Aufgabenstellung

Dazu soll zunächst unter Anleitung des Künstlers und des "ZAK | Zentrum für Angewandte Kulturwissenschaft und Studium Generale" die abzubildenden Komponenten des Kunstwerks erfasst und dokumentiert werden. Von besonderem Interesse sind dabei die dynamischen Video-Elemente und die Interaktionsmechanismen. Das digitalisierte Kunstwerk soll anschließend als immersive Anwendung in die Telepräsenzumgebung des ISAS eingebettet werden. Zusätzlich soll die im Rahmen des Praktikums entstandene e-Installation für eine Ausstellung im ZKM | Zentrum für Kunst und Medientechnologie Karlsruhe vorbereitet und getestet werden.

Telepräsentes Erleben einer digitalisierten Medienkunst-Installation. Kunstmotiv: Tischtänzer (1988-1993), Stephan von Huene.

Das Projekt besteht somit aus folgenden Arbeitspaketen:

  • Erfassung und Dokumentation des Kunstwerks "10.000 moving cities"
  • Festlegung eines kuratorischen Konzepts für die digitale Reinszenierung
  • Modellierung aller relevanten Komponenten
  • Evaluierungsstudie am ISAS


Projekt 4: Bestimmung von Objektoberflächen aus farbigen Punktwolken

Betreuer: Jannik Steinbring, Antonio Zea

Einleitung

Die Idee der Telepräsenz ist es, eine Person (im folgenden Benutzer) virtuell an einen entfernten Ort zu versetzen, indem einerseits ihre Bewegungen am entfernten Ort von einem (mechanischen) Vertreter ausgeführt und ihr andererseits multimodale Sinneseindrücke des entfernten Ortes dargestellt werden. Auf diese Weise erlebt der Benutzer den entfernten Ort, oder eine digitale Kopie davon, als wäre er dort tatsächlich präsent (siehe Abbildung). Alternative kann eine Person auch in eine virtuelle Realität / 3D Landschaft eintauchen und sich dort frei bewegen.

Um das Eintauchen in die virtuelle Realität zu verbessern, soll in Zukunft ein möglichst genaues 3D Abbild des Benutzers erzeugt und in der virtuellen Realität dargestellt werden können. Hierzu ist, neben dem eigentlichen geometrischen Modell, auch die Farbverteilung von der Oberfläche des Benutzers (Haarfarbe, Farben der getragenen Kleidung, etc.) entscheidend.

Telepräsenzsystem
Scanner

Aufgabenstellung

Um eine möglichst gute Darstellung zu erreichen, soll in einem ersten Schritt, im Rahmen dieses Praktikums, die Farbverteilung von einfachen Objekten, dessen Formen vorab bekannt sind, (z.B. eine Kugel oder ein Rechteck) bestimmt werden. Hierfür soll zunächst von einem solchen Objekt ein 3D Modell am Rechner erstellen werden. Anschließend soll von diesem Objekt eine farbige 3D Punktwolke Mithilfe eines 3D Punktwolkenscanners, aufgebaut aus 8 Microsoft Kinect Kameras, erzeugt werden. Auf Basis dieser verrauschten Farbpunktwolke soll dann die Farbverteilung auf dem Objekt, unter Berücksichtigung des vorhandenen Rauschens, bestimmt werden, indem die Farben, auf geeignete Weise, auf die Oberfläche des 3D Modells projiziert werden.


Projekt 5: Mobile Sensornetzwerke

Crawler Sensorplatine

Betreuer: Christof Chlebek

Einleitung

Sensornetzwerke, als Zusammenschluss einer Vielzahl in die Umgebung eingebetteter und deshalb oft miniaturisierter Sensorknoten, bieten völlig neue Möglichkeiten, ihre Umgebung kooperativ zu beobachten. Statt eines passiven Blicks gestatten Sie die Durchdringung verschiedener Phänomene mit einer durch die Knotendichte wählbaren Auflösung. Sensornetzwerke können z. B. bei der Überwachung von Verkehrsflüssen und Bauwerken, in intelligenter Kleidung als auch bei der Umwelt- und Wetterbeobachtung eingesetzt werden. Mobile Sensornetzwerke bieten die Möglichkeit online Sensoreinsatzplanung durchzuführen und dadurch die Sensorposition adaptiv für die vorliegende Situationen zu optimieren.

Aufgabenstellung

Ziel des Projekts ist es den am ISAS entwickelten Crawler mit einer modularen Sensorplatine auszurüsten. Das Praktikum besteht dabei aus einem Hardware- und einem Softwareteil.

Hardware

Im Hardwareteil sollen drei neue Crawler gebaut werden, so dass ein Bestand von 5 Crawlern erreicht ist, welche alle durch die neuen Sensorplatinen ausgestattet werden sollen. Hauptbestandteil der Sensorplatine für sowohl Datenkommunikation als auch Informationsverarbeitung soll sind Carambola-2 Development-Boards (http://8devices.com/carambola-2). Diese sollen durch eine Sensorschnittstelle erweitert werden. Für verschiedene Anwendungsgebiete (Vibration, Akustik, Licht und Temperatur) sollen verschiedene Sensortypen ausgewählt, bestellt und auf der Platine implementiert werden.

Software

Im Softwareteil soll ein Verfahren zur Informationsverarbeitung in Sensornetzwerken für ein einfaches Szenario in Matlab implementiert werden. Es soll die Lichtverteilung auf einem Tisch geschätzt werden, also ein verteiltes statisches Phänomen, mit Hilfe der Crawler geschätzt werden. Dabei können sowohl zur Lokalisierung der Roboter bzgl. Landmarken Distanzsensoren emuliert werden, als auch die Ground-Truth durch eine Deckenkamera bestimmt werden. Hauptherausforderungen sind Lokalisierung, Sonsoreinsatzplanung und Schätzung.


Anrechenbarkeit

Vertiefungsgebiete

  • Theoretische Grundlagen
  • Robotik und Automation
  • Anthropomatik
  • Kognitive Systeme

Diplomstudiengang

Für die erbrachte Leistung wird entweder

  • ein benoteter Praktikumsschein vergeben

oder es besteht die Möglichkeit, das Praktikum (inkl. der zugehörigen Vorlesung)

  • als 4 SWS-Anteil in eine Vertiefungsfachprüfung einzubringen. Dabei sind diese Hinweise zu beachten:
    • Bei der Einbringung des Praktikums in eine Vertiefungsfachprüfung wird die Note für das Praktikum nicht bekannt gegeben.
    • Das Praktikum kann mit 4 SWS in die Vertiefungsfachprüfung eingebracht werden. Die Regelung, dass ein Praktikum nur mit 2 SWS angerechnet werden kann, greift hier nicht, weil das Praktikum auch die zugehörige Vorlesung mit 2 SWS enthält.
    • Um das Praktikum in die Vertiefungsfachprüfung einzubringen, ist es nicht erforderlich, weitere Vorlesungen des ISAS zu prüfen, da mit der integrierten formalen Vorlesung bereits eine Vorlesung des ISAS enthalten ist.
    • Wird das Praktikum in die Vertiefungsfachprüfung eingebracht, so wird das Praktikum im Rahmen der mündlichen Prüfung nicht noch einmal geprüft. Es werden also keine Fragen zum Praktikum gestellt, sondern nur die Note das Praktikums in die Note der Prüfung einbezogen.

Master- und Bachelorstudiengang

Die erbrachte Leistung wird mit 8 LP angerechnet.

Seminar zum Praktikum

Optional kann im Rahmen des Praktikums zusätzlich ein Seminarschein erworben werden.

Hierzu muss vertiefend zu dem bearbeiteten Praktikumsprojekt

  • ein eigenständiger Vortrag gehalten werden und
  • eine Seminar-Ausarbeitung erstellt werden.

Das Thema ist individuell mit dem betreuenden Mitarbeiter abzusprechen. Eine Teilnahme am Seminar ist nur in Kombination mit dem Praktikum möglich.

Termin und Ort

Die Einführungsveranstaltung findet am Dienstag, 22.4.2014 um 9:45 Uhr in Raum 148, Gebäude 50.20, statt.

Weitere Termine:

  • Projektvorstellung: Di. 29.4.2014 9:45 Uhr in Raum 148, Gebäude 50.20
  • Zwischenpräsentation: Di. 10.6.2014 9:45 Uhr in Raum 148, Gebäude 50.20
  • Endpräsentation: Fr. 18.7.2014 14:00 Uhr in Raum 148, Gebäude 50.20

Anmeldung

  • Die Anmeldung erfolgt per E-mail an Gerhard Kurz. Für die Anmeldung sind folgende Informationen erforderlich:
    • Name, Vorname
    • E-Mail-Adresse
    • Matrikelnummer
    • Studiengang und Typ (Bachelor/Master/Diplom)
    • Semester
    • gewünschtes Projekt
  • Jeder Student wählt bei der Anmeldung in einer Liste sein Wunschthema aus. Sollten alle Themen vergeben sein, gibt es für jedes Projekt Nachrückplätze.
  • Bei der Einführungsveranstaltung wird der Ablauf des Praktikums erläutert. Es müssen alle angemeldeten Studenten anwesend sein. Die Projekte, die nicht vergeben wurden, werden an diesem Termin nicht angemeldeten Studenten angeboten.

Koordination: Gerhard Kurz

Vorlagen für Vorträge und Ausarbeitung


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