Forschung

Die Forschung am ISAS befasst sich mit der Informationsverarbeitung in der Robotik, Telepräsenz, Medizintechnik und in verteilten Messsystemen. Forschungschwerpunkte sind allgemeine nichtlineare Schätzverfahren, die stochastische Modellbildung sowie dezentrale Schätz-, Regelungs- und Planungsverfahren. Anhand einer Vielzahl von technischen Anwendungen werden Anforderungen an solche Verfahren spezifiziert und erprobt.

Nichtlineare Zustandsschätzung

Die Zustandsschätzung ermöglicht das Schließen von fehlerbehafteten Messungen auf nicht direkt zugängliche Systemzustände. Typische Beispiele sind Ortungsaufgaben oder die Rekonstruktion verteilter Phänomene (z.B. Gasverteilungen). Für nichtlineare dynamische Systeme mit stochastischen Störeinflüssen ist dieses Problem noch nicht befriedigend gelöst, da im allgemeinen kein exaktes, analytisch geschlossen durchführbares Schätzverfahren existiert und bei rekursiver Verarbeitung die Komplexität der Dichtebeschreibung unbeschränkt wächst.

Um eine geschlossene Darstellung der Zustandsschätzung mit konstanter Komplexität zu erhalten, werden am ISAS Schätzverfahren entwickelt, die auf verschiedenen Approximationsansätzen basieren. Die auftretenden Wahrscheinlichkeitsdichten werden dabei durch verschiedene Dichteklassen mit universeller Approximationsfähigkeit, wie etwa Dirac- und Gaußmischdichten, hybride Dichten sowie Fourierdichten, repräsentiert. Ein Ansatz beruht dabei auf der Approximation bedingter Dichten, welche zur probabilistische Beschreibung von Systemen dienen.

Weiterhin werden Verfahren untersucht, die es erlauben, mit Mengen von Wahrscheinlichkeitsdichten zu arbeiten. Dies ist vor allem dann sinnvoll, wenn bestimmte Größen und Eigenschaften des Systems unbekannt sind. Dazu wird die Bestimmung des Systemzustands auf eine Menge von Schätzungen erweitert, die alle unbekannten Größen berücksichtigt.

Ansprechpartner: Vesa Klumpp, Marcus Baum, Benjamin Noack, Henning Eberhardt

Intentionserkennung

SFB 588 - Küchensimulation

Die Kooperation und Kommunikation von Menschen ist stark geprägt von der gegenseitigen Einschätzung der Partner, wie zum Beispiel der Erkennung der Intentionen des Gegenübers. Technische Systeme mit der Fähigkeit zur Intentionserkennung auszustatten, ermöglicht dem Menschen eine implizite Form der Kommunikation mit dem System. Dieser Ansatz wird im SFB 588 "Humanoide Roboter - Lernende und kooperierende multimodale Roboter" im Rahmen der Mensch-Roboter-Kooperation verfolgt.

Zur Intentionserkennung wird am ISAS ein stochastischer Ansatz mit hybriden dynamischen Bayesnetzen verfolgt. Bayesnetze sind kaskadierte stochastische Modelle, die explizit die Abhängigkeiten von Intentionen, Aktionen und Beobachtungen als kausale Zusammenhänge abbilden. Im Mittelpunkt der systemtheoretischen Betrachtungen steht hier die Behandlung nichtlinearer Abhängigkeiten zwischen Variablen sowie hybride Szenarien, die mit Hilfe von kontinuierlichen und diskreten Zufallsvariablen modelliert werden.

Es wurden Benutzerstudien in einem Küchenszenario durchgeführt, um die grundsätzlichen Fähigkeiten von Menschen zur Intentionserkennung zu quantifizieren. Aufgrund dieser Experimente wurde ein erster Intentionsschätzer implementiert, der innerhalb des betrachteten Szenarios Resultate erzielt, die mit denen eines Menschen vergleichbar sind.

Ansprechpartner: Peter Krauthausen

Bewegungskompensation des schlagenden Herzens

Um Chirurgen bei minimalinvasiven Operationen am schlagenden Herzen zu unterstützen, ist es erforderlich, ein robotergestütztes Chirurgiesystem zu entwickeln, das die Instrumente relativ zu der Herzbewegung am Interventionspunkt synchronisiert. Bei der visuellen Darstellung des Interventionsgebietes soll der Chirurg zudem den Eindruck bekommen, an einem stillstehenden Herz zu operieren.

Sowohl die Bewegungssynchronisation von Instrumenten als auch die virtuelle Bildstabilisierung basieren auf einer modellbasierten Zustands- und Parameterschätzung der Herzbewegung. Die Herzwand ist durch einen viskoelastischen physikalischen Körper modelliert, dessen Zustand und Materialparameter geschätzt werden. Ihre Bewegung ist mathematisch durch ein System aus stochastischen partiellen Differentialgleichungen beschrieben. Für die Konvertierung in die Zustandsform erfolgt die örtliche Diskretisierung des Systems mit einer elementfreien Methode, wobei für die Zeitdiskretisierung ein Zeitintegrationsverfahren angewendet wird. Dank der stochastischen und modellbasierten Vorgehensweise ist die Rekonstruktion der Herzbewegung robust gegen unbekannte Störungen wie z.B. Verdeckungen durch Instrumente oder Herzrhythmusstörungen.

Das Projekt wird im Rahmen des Graduiertenkollegs GRK 1126 "Intelligente Chirurgie" gefördert.

Ansprechpartner: Gerhard Kurz (seit Februar 2012), Evgeniya Ballmann (bis Februar 2012)

Multimodale Weiträumige Telepräsenz

Mobiler Teleoperator, bestehend aus OmniBase und beweglichem Kamerakopf.


Telepräsenz vermittelt dem Menschen den Eindruck, sich in einem entfernten realen oder virtuellen Ort zu befinden, in dem seine Anwesenheit unmöglich, gefährlich oder zumindest unerwünscht ist. Dort wird er von einem mobilen Roboter, dem Teleoperator, bzw. einem Avatar vertreten. Dieser nimmt visuelle und akustische Sinneseindrücke aus der Zielumgebung auf und überträgt diese in Echtzeit an den Benutzer. Die Bewegungen des Benutzers werden mit einem akustischen Ortungssystem erfasst, an den Teleoperator übertragen und von diesem imitiert. Damit kann der Benutzer die Zielumgebung durch natürliches Umhergehen erkunden. Durch den Einsatz der Bewegungskompression, ist eine weiträumige Bewegung am Einsatzort auch dann möglich, wenn die Benutzerumgebung kleiner als die Zielumgebung ist.

Sowohl für einen möglichst realistischen Eindruck beim Kontakt mit Begrenzungen der entfernten Umgebung als auch für die Assistenz des Benutzers mittels zusätzlicher haptischer Führung, wurde das entwickelte System zur weiträumigen Telepräsenz um eine haptische Komponente ergänzt. Dazu wurde eine neuartige semi-mobile haptische Schnittstelle entwickelt, welche eine weiträumige Bewegung bei gleichzeitiger Übertragung von Krafteindrücken aus der entfernten Umgebung erlaubt.

Ansprechpartner: Christian Tesch

Benutzerschnittstelle vom Telepräsenzsystem am ISAS.

Erfassung der Bewegung von Personen

Stereo Head-Mounted-Display, welches mit Mikrophonen und einem Gyroskopwürfel ausgestattet wurde

Für die weiträumige Telepräsenz ist die Lage des Benutzers in seiner lokalen Umgebung wichtig. Kommerzielle Produkte, welche die aktuelle Position und die Orientierung schätzen, sind entweder auf einen kleinen Arbeitsbereich beschränkt, ungenau oder sehr kostspielig. Daher wurde am ISAS ein System zur Erfassung der Körperhaltung eines Benutzers entwickelt, das auch in größeren Umgebungen schnell aufgebaut und eingesetzt werden kann, hochgenau ist und darüber hinaus preiswert zu fertigen ist.

Das System stellt Lageinformationen mit einer hohen Datenrate und einer hohen relativen Genauigkeit zur Verfügung, um einen möglichst realistischen Eindruck zu erreichen. Darüber hinaus wird gewährleistet, dass weitere Lokalisierungsmodule sehr einfach in das bestehende System integriert werden können, z.B. um die Hände eines Benutzers verfolgen zu können, damit dieser in der entfernten Umgebung interagieren kann. Bei der Ortung des Benutzers werden breitbandige akustische Signale verwendet, die als zeitabhängige, nichtlineare Messabbildung interpretiert werden können. So lassen sich zu jedem empfangenen Abtastwert rekursiv die Verteilungsdichten über die Lageinformation des Benutzers schätzen.

Video: Akustisches Trackingsystem

Ansprechpartner: Frederik Beutler

Informationsverarbeitung in Sensor-Aktor-Netzwerken

Die fortschreitende Miniaturisierung von Prozessoren, Sensoren und Aktoren gestattet es, kleine preiswerte, drahtlos kommunizierende Sensor-Aktor-Knoten in die Umwelt einzubetten. Selbstorganisierende Netzwerke, bestehend aus einer Vielzahl solcher Knoten, ermöglichen die Erschließung neuartiger Anwendungsgebiete, wie etwa die Echtzeit-Kartierung der Schadstoffkonzentration in Städten.

Am ISAS entwickelte, modellbasierte Verfahren für Sensor-Aktor-Netzwerke erlauben die Rekonstruktion und Identifizierung eines komplexen verteilten Phänomens (wie z.B. eine Schadstoffkonzentration) mittels einer geringen Anzahl von Sensormesswerten. Mit der systematischen Behandlung der auftretenden Unsicherheiten kann der Informationsgewinn zukünftiger Messungen prädiziert werden, wodurch eine optimale Einsatzplanung der Netzwerkknoten bezüglich eines geringen Energie- und Kommunikationsbedarfs sowie einer hohen Messgenauigkeit durchführbar ist.

Ein weiterer Aspekt zur Reduktion der Kommunikations- und Rechenkosten und zum effizienten Einsatz von Sensor-Aktor-Netzwerken betrifft die dezentrale, also auf den Knoten verteilte Ausführung der entwickelten Algorithmen. Hierbei gestaltet sich die Berücksichtigung stochastischer Abhängigkeiten als besondere Herausforderung. Am ISAS werden zu diesem Zweck robuste Verfahren entwickelt, die diese Abhängigkeiten explizit modellieren.

DFG Graduiertenkolleg 1194 "Selbstorganisiernde Sensor-Aktor-Netzwerke"

Ansprechpartner: Daniel Lyons, Benjamin Noack

Stochastische modell-prädiktive Regelung

Bei der modell-prädiktiven Regelung (MPC) wird nicht nur der aktuelle Zustand eines technischen Systems, z.B. die Position eines mobilen Roboters, sondern auch das von verschiedenen Stellgrößensequenzen abhängige zukünftige Verhalten des Systems in die Regelung miteinbezogen. Dies führt zu einer deutlich höherqualitativen Regelung. Die am ISAS entwickelten Verfahren zur stochastischen nichtlinearen modell-prädiktiven Regelung (SNMPC) zeichnen sich insbesondere durch die systematische Berücksichtigung von Unsicherheiten und Nichtlinearitäten aus, wobei hierzu die am Lehrstuhl entwickelten Techniken zur Zustandsschätzung zugrundegelegt werden. Die Verfahren finden Anwendung in den Bereichen Regelung über Netzwerke (Networked Control Systems) und Multi-Agenten Systemen. Die praktische Erprobung der Regelungsverfahren erfolgt u. a. mit einer Gruppe von miniaturisierten Laufrobotern.

Ansprechpartner: Florian Rosenthal, Jana Mayer

Miniaturisierte Laufroboter

Zur Durchführung verschiedenster Experimente aus den Bereichen Zustandsschätzung (z.B. kooperative Positionsschätzung), Einsatzplanung (z.B. Mess-Einsatzplanung) und modell-prädiktiver Regelung (z.B. Bahnplanung) wird am ISAS eine Gruppe von miniaturisierten Laufrobotern entwickelt. Diese Roboter verfügen über sechs voneinander unabhängige aktorische Freiheitsgrade, sodass Bewegungen mit unterschiedlichen Bewegungsmustern und somit auch mit unterschiedlichen kinematischen Modellen möglich sind. Neben den Grundbewegungsmustern "Drehung um die Hochachse" sowie Vorwärts- und Seitwärtsbewegung können auch beliebige Überlagerungen dieser Bewegungen ausgeführt werden. Für den autonomen Betrieb verfügen die Roboter über Funkkommunikation, einen Lithium-Polymer-Akkumulator zur Energieversorgung sowie einen Mikrocontroller zur Bewegungssteuerung. Die Roboter sind in eine Testumgebung integriert, in der die Positionen von Robotern und Hindernissen mit einer Deckenkamera ermittelt werden, wodurch sich eine Vielzahl verschiedener Sensoren, wie z.B. Ultraschallsensoren zur Abstandsmessung, emulieren lassen.

Ansprechpartner: Achim Hekler, Daniel Lyons


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