Mobile Robotertypen und Anwendungen

Autonomes Fahren: 2024

• Das Start-up ZOOX (USA) bietet ab 2023 erste Fahrten in eigens dafür gebauten autonomen Fahrzeugen (AVs) an
• ZOOX verwendet ein speziell und neu entwickeltes Fahrzeugkonzept (People Mover)
• Die Fahrzeuge kommen ohne Fahrer und Lenkrad aus.
• Die Fahrten finden auf öffentlichen Straßen statt

Vorstellung - Prof. Dr. Johannes Betz

• B. Eng. von der FH Coburg (2012) in Automotive Technology/Mechatronics
• M. Sc. von der Universität Bayreuth (2013) in Automotive Technology/Mechatronics
• Dr.-Ing. von der TU München (2019) in Electric Vehicles and Smart Grid
• M. A. von der TU München (2020) in Philosophie
• Postdoc an der TU München (2018-2020) im Bereich Autonomous Driving
• Postdoc an der University of Pennsylvania (2020-2022) im Bereich Autonomous Driving
• Seit Januar 2023: Professur an der TU München für Autonomous Vehicle Systems (AVS)

Vorstellung – TUM AVS Lab

• Neue Professur: Autonomous Vehicle Systems (AVS)
• Das TUM AVS Lab befasst sich mit:
• Grundlagen Autonomer Fahrzeuge
• Software Entwicklung (adaptive und dynamische Trajektorienplanung, Verhaltensplanung unter Unsicherheit, adaptive Regelungsalgorithmen, Ethik autonomer Systeme)
• Angewandte Softwareentwicklung (Anwendung auf verschiedene Fahrzeugsysteme, Simulation und Testing autonomer Systeme)
• Es gibt Möglichkeiten für Bachelor-, Semester- und Masterarbeiten, Praktika mit Industriepartnern, Hiwi-Tätigkeiten und Promotionen
• Die Webseite des TUM AVS Lab ist www.mos.ed.tum.de/avs

Informationen zur Vorlesung

• Vorlesungsunterlagen sind online verfügbar, die Anmeldung erfolgt über www.moodle.tum.de mit der Anmeldung zur Lehrveranstaltung in TUM-Online
• Ohne LRZ-Kennung ist die Nutzung von Moodle nicht möglich, die Prüfungsanmeldung erfolgt separat über TUM-Online
• Die Sprechstunde findet jeden Montag von 16:00-16:30 virtuell statt, E-Mail-Adresse für Fragen ist [email protected]
• Es werden auch persönliche Termine nach vorheriger Absprache angeboten

Videoaufzeichnungen und Prüfung

• Die Vorlesung wird auf Video aufgezeichnet und nach jedem Termin hochgeladen
• Eine Aufnahme beim Vorbeigehen vor dem Pult ist möglich, die Sitzreihen sind bei der aktuellen Kameraeinstellung davon nicht betroffen
• Die Prüfung umfasst 5 ECTS-Punkte und besteht aus einer schriftlichen Klausur (mit Hilfsmitteln Taschenrechner, analoges Wörterbuch)
• Die Prüfung findet am Montag, 05.08.2024, von 14:00 – 15:30 Uhr statt und dauert 90 Minuten
• Der Lernaufwand umfasst regelmäßigen Besuch der Vorlesung + ca. 1 Woche lernen, Skripte und Übungen sind ausreichend für sehr guten Erfolg
• Es gibt keine mündlichen- / keine Auslandsprüfungen, Altklausuren werden bereitgestellt

Vorlesungsübersicht

• Die Vorlesung umfasst Systemgrundlagen, Software und Entwicklung
• Einführung: Autonome Fahrzeuge (15.04.2024)
• Hardware: Sensoren, Aktuatoren, Berechnungsplattformen (22.04.2024)
• Koordinatensysteme und Koordinatentransformation (29.04.2024)
• Kinematik und Dynamik mobiler Fahrzeuge (06.05.2024)
• Softwarearchitekturen und Entwicklungsprozess (27.05.2024)
• Mapping und Lokalisierung (03.06.2024)
• Objektdetektion und Objektprädiktion (10.06.2024)
• Verhaltens- und Bewegungsplanung (17.06.2024)
• Pfad- und Geschwindigkeitsregelung (24.06.2024)
• Sicherheit und Absicherung (01.07.2024)
• Simulation: Tools, Szenarien & Testing (08.07.2024)
• Rechtliche Rahmenbedingungen und Ethik (15.07.2024)
• Es gibt 12 Termine für Vorlesung und Übung
• Am 13.05. und 20.05. findet keine Vorlesung statt

Ziele der Vorlesung

• Die Funktionen der Hardware können erläutert werden
• Die Probleme & Herausforderungen können verstanden werden
• Der Entwicklungsprozess kann erinnert werden
• Messdaten autonomer Fahrzeuge können analysiert werden
• Grundlagen der mobilen Robotik können angewendet werden
• Software für Autonome Fahrzeuge kann entwickelt werden

Nach der Vorlesung ist man in der Lage:

• Die Probleme und Herausforderungen autonomer Fahrzeuge zu verstehen
• Die wichtigsten Hardwarebausteine (Sensoren, Aktuatoren, Rechenplattformen) autonomer Fahrzeuge und deren Funktionsweise und Zusammenspiel zu erläutern
• Die Grundlagen der mobilen Robotik auf autonome Fahrzeuge anzuwenden
• Software für autonome Fahrzeuge zu entwickeln
• Messdaten autonomer Fahrzeuge zu analysieren
• Sich an den Entwicklungsprozess für autonome Fahrzeuge und dessen Komponenten zu erinnern
• Wichtige Informationen zum Lerninhalt Autonomer Fahrzeuge und deren Grundlagen
• Viele Themen Master mit Software vertieft werden
• Es wird gezeigt, mit welchen weiteren Vorlesungen dieses Wissen vertieft werden kann und mit welcher zusätzliche Literatur dieses Wissen vertieft werden kann

Was ist ein Roboter?

• Chinesische Legende: Yanashi (ein Kunsthandwerker) präsentierte eine Kreatur, die wie ein Mensch aussah und sich auch so bewegte

• Griechische Mythologie: Hephaistos (Gott des Feuers, der Schmiede, der Bildhauer usw.) baute goldene Diener, die den Menschen halfen

• Jüdische Legende: Golem künstliches anthropomorphes Wesen, das lebendig war (Loew, ein Rabbiner, "gab ihm Leben")

• Karel Čapek (1920): Science-Fiction-Theaterstück R.U.R. "Rossum's Universal Robots" ("Rossumovi Univerzální Roboti")

• Übersetzung des Wortes Robota (tschechisch) = Zwangsarbeiterin

• Menschen erschaffen Roboter, dann zerstören Roboter die Menschen

• Isaac Asimov (1920-1992) verwendete das Wort „Robotik" (in Science-Fiction-Stücken)

• Einige seiner Bücher: I, Robot (1950), Roboter und Empire (1985)

• Asimov entwarf die „Robotikgesetze" in seinem Science-Fiction Roman:

• Ein Roboter darf einen Menschen nicht verletzen oder durch Untätigkeit zulassen, dass ein Mensch zu Schaden kommt.

• Ein Roboter muss den Befehlen von Menschen gehorchen, es sei denn, diese Befehle stehen im Widerspruch zum ersten Gesetz.

• Ein Roboter muss seine eigene Existenz schützen, solange dieser Schutz nicht im Widerspruch zum 1. oder 2. steht

Was ist ein Roboter? - Industrieroboter

• Erster Industrieroboter entwickelt von George C. Devol und Joseph Engelberger
• Sie lernten sich 1956 bei einem Cocktail kennen und sprachen über Asimovs "Philosophien"
• Sie gründeten die Firma Unimation
• Sie bauten den ersten Industrieroboter: Unimate
• Joseph Engelberger (1925-2015) gilt als der: "Vater der Robotik"
• Robot Institute of America (RIA), 1979 : Ein Roboter ist ein umprogrammierbarer und multifunktionaler Manipulator, der dazu bestimmt ist, Materialien, Teile, Werkzeuge oder spezielle Geräte durch verschiedene programmierte Bewegungen zu bewegen, um eine Vielzahl von Aufgaben zu erfüllen
• Japanischer Industrieroboterverband (JIRA) : Ein Roboter ist ein Gerät mit Freiheitsgraden, das gesteuert werden kann
• Internationaler Verband für Robotik (IFR): ISO 8373:2012
• Ein Roboter ist ein in zwei oder mehr Achsen programmierbarer, angetriebener Mechanismus mit einem gewissen Grad an Autonomie, der sich mit seiner Umgebung bewegt, um bestimmte Aufgaben zu erfüllen
• Anmerkung 1: Zu einem Roboter gehören das Steuerungssystem und die Schnittstelle des Steuerungssystems.
• Anmerkung 2: Die Einteilung eines Roboters in Industrieroboter oder Serviceroboter erfolgt nach seinem Einsatzzweck.
• Eigenständigkeit: Fähigkeit, beabsichtigte Aufgaben auf der Grundlage des aktuellen Zustands und der Sensorik ohne menschliches Eingreifen durchzuführen
• Grad der Autonomie!
• Grad der Autonomie Menschlich Denken, Rationales Denken, Menschlich Handeln, Rationales Handeln

Varianten mobiler Roboter

• Stationäre Roboter ahmen die Funktionen der oberen Gliedmaßen des Menschen nach und versuchen, fortgeschrittene Manipulationsvorgänge und Greifvorgänge zu ermöglichen
• Mobile Roboter ahmen die Fortbewegung von Tieren oder menschengesteuerten Maschinen nach und versuchen, die Probleme, die sich aus den komplexen kinematischen Eigenschaften ergeben, zu lösen
• Definition mobiler Roboter: automatisierte Maschine, die sich in einer Umgebung bewegen kann, entweder vollautonom oder ferngesteuert
• Klassifikation:
• Nach Art des Einsatzes: Industrieroboter, Service Roboter
• Nach Art der Umgebung: Indoor, Outdoor
• Nach Art des Antriebs: Beine, Räder, Luftfahrzeug
• Industrieroboter - Automatic Guided Vehicle (AGV): eingesetzt in der industriellen Automatisierung (Fertigung, Kontrolle, Verpackung, Montage). Transport von Paletten zu Produktionslinien, für fertige Endprodukte, für leere Paletten und zum Anheben von Bauteilen.
• Service Roboter führen Aufgaben für Menschen oder andere Geräte aus. Privat: Verwendung für nichtkommerzielle Aufgaben durch ungeschulte Menschen (Haushaltsroboter, Roboter f. Unterhaltungszwecke etc.). Professionell: Für kommerzielle Aufgaben von geschulten Personen eingesetzt (Reinigung öffentlicher Orte, Lieferroboter).
• Indoor Roboter sind speziell für die Verwendung in Innenräumen konzipiert, klein und leicht, da sie nicht für raue Umgebungen oder schwieriges Gelände gebaut werden müssen. Indoor-Roboter können mit Smart-Home-Systemen kommunizieren, sind in der Lage zur schnellen Wiederaufladbarkeit und sind Geräuscharm
• Outdoor Roboter sind für die Verwendung im Freien konzipiert, müssen mit schwierigeren Umgebungen und Wetterbedingungen umgehen können, hohe Robustheit, Geländegängigkeit für unwegsames Gelände und benötigen zuverlässige Energieversorgung für längeren Betrieb
• Fokus der Vorlesung Autonome, bodengebundene, mobile Roboter die durch Räder angetrieben werden
• Mobile Roboter mit Rädern, die sich in Innenräumen und im Freien bewegen können
• Mobile Roboter mit Rädern, die sich bevorzugt auf (halb)öffentlichen Straßen bewegen

Roboter mit Beinen

• Roboter mit Beinen = mechatronische Beine (Bipedal Robot: Zwei Beine, Legged Robot: Mehrere Beine)
• Hohe Bewegungsfreiheit zb Treppen steigen, Menschliche Interaktion möglich, Anpassungsfähigkeit an Umgebung

Roboter als Luftfahrzeuge

• Unmanned Aerial Vehicle (UAV) nicht bodengebunden, hat Propeller und kann schweben und fliegen, kann sich in allen Dimensionen bewegen, können mit Sensoren ausgestattet werden, Hohe Vielseitigkeit und Einsatzmöglichkeiten

Weitere Roboter Arten

• Überwasser Roboter (Autonome Boote), Unterwasser Roboter (Autonomous underwater vehicles (AUV)), Weltraum Roboter (z.B. Mars Rover), Micro Robots, Soft Robots

Roboter mit Rädern

• Roboter mit Rädern = mechanische Räder die die Fortbewegung ermöglichen, Hohe Robustheit der mechanischen Räder, Hohe Traglasten durch Antrieb möglich, Hohe Stabilität,Hohe Geschwindigkeiten erreichbar,Kostengünstig Bewegungen auf unterschiedlichen Flächen
• Vorteile Räder = das Rollen ist das effizientere Prinzip für die Fortbewegung auf ebenen Flächen, das Rad ist aus mechanischer Sicht für viele Anwendungen die am besten geeignete Lösung, drei Räder sind ausreichend, um die statische Stabilität des Fahrzeugs zu gewährleisten

Warum sollten wir autonom Fahren?

• Auswirkungen des autonomen Fahrens: Sicherheit, Effizienz, Komfort, Neue Mobilitätskonzepte
• Sicherheit Problem: Verkehrsunfälle
• Die Zahl der Verkehrstoten und Schwerverletzten ist seit Jahren rückläufig,trotz rechtlichen Regelungen, verbesserter Fahrzeugtechnik und Straßenbauliche Maßnahmen
• ABER 90% aller Unfälle werden vom Menschen verursacht zb Unaufmerksamkeit, zu hohe Geschwindigkeit und Alkohol
• Verbessserungen durch autonome Fahrzeuge zb Bessere Reaktionszeit, Prävention von Fehlern, Sicherheitsmaßnahmen
• Effizienz Problem: Verkehrsaufkommen
• Status Quo Deutschland viel Staumeldung
• zu hohe Verkehrsdichte, Unfälle und Baustellen, Fehlende Straßenkapazität, Verkehrsbehinderungen als Gründe
• Folgen davon sind Erhöhte Luftverschmutzung und Erhöhter Energieverbrauch
• Verbesserungen durch autonome Fahrzeuge optimales Routing,optimale Verkehrssteuerung und Energienutzung
• Komfort Problem: Stress beim Fahren durch stundenlangen Stau
• Reduzierung der Stressfaktoren Kombination mit vorhandenen Fahrwerks- und Fahrdynamikregelsysteme, Prädiktive Wartung (Predictive Maintenance)
• Verbesserungen durch autonome Fahrzeuge = Mobiler Arbeitsplatz, verbesserter Fahrkomfort, Stressreduzierung und Personalisierung
• Neue MobilitätskonzepteProblem: Mobilität ermöglichen
• Minderjährige, ältere Menschen und Menschen mit Behinderungen erhalten Zugang zur individuellen Mobilität
• Transportwesen (Lkw):Fahrermangel im Transportgewerbe, Steigende Anzahl an Paketlieferungen, Steigende Anzahl an Transportfahrten
• Entlastung der Stadtzentren durch reduzierte Anzahl an Privatfahrzeugen
• Mobilitätsangebot erhöhen: Bedarfsorientierte Abholung und Ablieferung von Fahrgästen undMobilität für Menschen mit Einschränkungen und ältere Menschen durch autonome Fahrzeuge

Historie autonomer Straßenfahrzeuge

• Autonomes Fahren – Ein Menschheitstraum
• Erfolge Navlab 1 ,VaMoRs,VaMP und Autonome Racing
• Der Weg dorthin Darpa Grand Challenges, Bertha Benz Fahrt S500 Intelligent Drive und UBER ATG – Tödlicher Unfall
• In Anwendung Waymo Flotte und Tesla Full Self Driving Beta
• Rechtliche rechtliche Herausforderungen behindern die Autonomität
• Navlab 1 wurde 1986 auf der Grundlage eines Chevrolet-Kastenwagens gebaut, Fünf Racks mit Computerhardware, darunter drei Sun-Workstations, Videohardware und GPS-Empfänger, sowie einen Warp-Supercomputer. Das Fahrzeug litt unter Software- beschränkungen und war erst Ende der 80er Jahre voll funktionsfähig, als es seine Höchstgeschwindigkeit von 32 km/h erreichte.
• Fahrzeug VaMoRS : Versuchsfahrzeug für autonome Mobilität und Rechner-