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Flugroboter

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#41159 / #2

SoSe 2025 - SoSe 2025

Deutsch, Englisch

Flying Robots
Flugroboter

9

Hönig, Wolfgang

Benotet

Portfolioprüfung

Englisch

Zugehörigkeit


Fakultät IV

Institut für Technische Informatik und Mikroelektronik

34342300 FG Multi-Roboter-Systeme

Keine Angabe

Kontakt


MAR 4-4

Hönig, Wolfgang

office@mrs.tu-berlin.de

https://imrclab.github.io/teaching.html

Lernergebnisse

Die Studierenden verfügen über ein detailliertes Verständnis über fliegende Roboter (insbesondere Multirotoren) aus theoretischer und praktischer Sicht, einschließlich: • Zugrunde liegende physikalische Modelle und Simulationen; • Nichtlineare Steuerung; • Nichtlineare Zustandsschätzung; • Bewegungsplanung. Die Studierenden können: • Die bei Flugrobotern verwendeten Algorithmen mathematisch verstehen; • Diese Algorithmen in einer Hochsprache (Python) implementieren; • Diese Algorithmen in einer Low-Level-Sprache (C) implementeiren, sodass sie in Echtzeit auf einem Mikrocontroller (STM32) ausgeführt werden; • Echte Flugroboter (Bitcraze Crazyflie 2.1) bedienen und optimale Parameter finden; sowie • Einen Software-in-the-Loop-Engineering-Ansatz (SITL) verwenden.

Lehrinhalte

Der Kurs ist weitgehend praxisorientiert und die Studierenden arbeiten daran, alle Komponenten zu implementieren, die für einen modernen Flugregler erforderlich sind. Die verschiedenen Aspekte sind: • Einführung in Flugroboter (Multirotoren und Varianten, Flugzeuge, Hybrid) • Zugrundeliegende physikalische Modelle der Dynamik • Regelungsansätze (Differenzielle Flachheit, geometrische Regler für Lage und Position) • Techniken zur Zustandsschätzung (Mahony-Filter, Erweiterter Kalman-Filter) • Bewegungsplanung für Flugroboter (Optimierung mittels Splines, suchbasierte Methoden, Sampling-basierte Ansätze) • Fortgeschrittene Themen können sein: • Anwendungen für Flugroboter • MPC und nichtlineare Steuerungstechniken • Aerodynamische Effekte wie Bodeneffekt und Downwash • Schätzung/Planung/Kontrolle für Teams mit mehreren Robotern • Maschinelles Lernen für fliegende Roboter Auf der praktischen Ebene haben die Studierenden folgende Meilensteine zu erreichen: • Physik: [Sim] Implementierung eines Multirotor-Simulators unter Verwendung von Newton-Euler-Gleichungen [Real] Vergleich mit real aufgezeichneten Daten • Regelung: [Sim] Implementierung eines geometrischen Controllers [Reale] Implementierung in C, Testen mit SITL im Simulator und mit einem echten Roboter per Joystick • Zustandsschätzung: [Sim] Implementierung einer EKF, die IMU und optischen Fluss vereint, getestet mit realen Daten [Real] Implementierung in C, Testen mit SITL, Verifizierung am realen Roboter • Bewegungsplanung: [Sim] Implementierung eines optimierungsbasierten Bewegungsplaners [Echte] Verifizierung am echten Roboter

Modulbestandteile

Pflichtbereich

Die folgenden Veranstaltungen sind für das Modul obligatorisch:

LehrveranstaltungenArtNummerTurnusSpracheSWS ISIS VVZ
Flying RobotsIVWiSeen6
ISIS-Kurssuche nach Veranstaltungen des Moduls

Arbeitsaufwand und Leistungspunkte

Flying Robots (IV):

AufwandbeschreibungMultiplikatorStundenGesamt
Praktikum15.016.0h240.0h
Vorlesung15.02.0h30.0h
270.0h(~9 LP)
Der Aufwand des Moduls summiert sich zu 270.0 Stunden. Damit umfasst das Modul 9 Leistungspunkte.

Beschreibung der Lehr- und Lernformen

Wöchentliche Vorlesungen in denen die wichtigsten Konzepte vorgestellt werden. Die verbleibende Zeit ist ein Praktikum, das für den Simulationsteil zu Hause und in einem Indoor-Flugraum zum Bedienen echter Roboter (Typ: Bitcraze Crazyflie 2.1) für Tests an der physischen Hardware vorgesehen ist. Diskussionen und Sprechstunden dienen dazu, die Interaktion mit anderen Studierenden und den Lehrkräften zu erleichtern. Für jeden praktischen Meilenstein ist die Einreichung des Codes und die Präsentation/Diskussion mit dem Lehrpersonal erforderlich.

Voraussetzungen für die Teilnahme / Prüfung

Wünschenswerte Voraussetzungen für die Teilnahme an den Lehrveranstaltungen:

• Gute mathematische Grundlagen (lineare Algebra, Analysis) • Gute Programmierkenntnisse in einer Hochsprache (Python) • Fundierte Kenntnisse in eingebetteten Systemen/Low-Level-Programmierung (z. B. Arduino, STM32, ATMEGA, PIC) in C

Verpflichtende Voraussetzungen für die Modulprüfungsanmeldung:

Dieses Modul hat keine Prüfungsvoraussetzungen.

Abschluss des Moduls

Benotung

Benotet

Prüfungsform

Portfolioprüfung

Art der Portfolioprüfung

100 Punkte insgesamt

Sprache(n)

Englisch

Prüfungselemente

NamePunkteKategorieDauer/Umfang
(Ergebnisprüfung) Praktikum: Simulation20praktischSimulationscode und mündliche Diskussion (10min)
(Ergebnisprüfung) Praktikum: Regelungstechnik20praktischSimulations- und Robotercode, Flugdemo und mündliche Diskussion (10 min)
(Ergebnisprüfung) Praktikum: Zustandsschätzung20praktischSimulations- und Robotercode, Flugdemo und mündliche Diskussion (10 min)
(Ergebnisprüfung) Praktikum: Bewegungsplanung20praktischSimulationscode, Flugdemo und mündliche Diskussion (10 min)
(Punktuelle Leistungsabfrage) Mündliche Prüfung20mündlich15 min

Notenschlüssel

Notenschlüssel »Notenschlüssel 2: Fak IV (2)«

Gesamtpunktzahl1.01.31.72.02.32.73.03.33.74.0
100.0pt95.0pt90.0pt85.0pt80.0pt75.0pt70.0pt65.0pt60.0pt55.0pt50.0pt

Prüfungsbeschreibung (Abschluss des Moduls)

Portfolioprüfung, so wie oben beschrieben.

Dauer des Moduls

Für Belegung und Abschluss des Moduls ist folgende Semesteranzahl veranschlagt:
1 Semester.

Dieses Modul kann in folgenden Semestern begonnen werden:
Wintersemester.

Maximale teilnehmende Personen

Die maximale Teilnehmerzahl beträgt 10.

Anmeldeformalitäten

Aktuelle Informationen sind in dem dazugehörigen ISIS Kurs.

Literaturhinweise, Skripte

Skript in Papierform

Verfügbarkeit:  nicht verfügbar

 

Skript in elektronischer Form

Verfügbarkeit:  nicht verfügbar

 

Literatur

Empfohlene Literatur
Planning and Decision Making for Aerial Robots, Yasmina Bestaoui Sebbane, 2014, Springer

Zugeordnete Studiengänge


Diese Modulversion wird in folgenden Studiengängen verwendet:

Studiengang / StuPOStuPOsVerwendungenErste VerwendungLetzte Verwendung
Computer Engineering (M. Sc.)17SoSe 2025SoSe 2025
Computer Science (Informatik) (M. Sc.)14SoSe 2025SoSe 2025
Elektrotechnik (M. Sc.)14SoSe 2025SoSe 2025

Sonstiges

Geeignet für Master- und Promotionsstudenten in Studienrichtungen welche autonome Systeme betrachten, einschließlich, aber nicht beschränkt auf Informatik, Elektrotechnik, Maschinenbau und Luft- und Raumfahrttechnik.