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Orientierungsprojekt Informatik
Wintersemeser 2016/2017

1 Motivation

Das Orientierungsprojekt Informatik soll einen groben Überblick über das geben, was Informatik ausmacht, und dabei gleichzeitig einen Eindruck davon vermitteln, was die einzelnen Arbeitsgruppen der Informatik an der Universität Osnabrück tun. Das dient dazu, den im Studium gebotenen Stoff der Pflichtveranstaltungen in einen größeren Kontext einzuordnen und Wahlpflichtfächer bei Ihren individuellen Planungen gezielt nach Neigungen und Interessen auswählen zu können. 

Das dabei verwendete Beispiel soll einerseits als „Big Picture“ helfen, den Sinn von und die Zusammenhänge zwischen den angebotenen Lehrveranstaltungen zu identifizieren und deren Inhalte zu vernetzen. Andererseits soll es so früh wie möglich aufzeigen, wie es im Studium weitergehen kann, und einen Eindruck davon vermitteln, worauf es aber auch nach dem Studium ankommt. Ein Nebenziel davon ist, die Notwendigkeit von Projekt- und Teamarbeit zu erkennen. Ein Nichtziel ist das Schreiben von Software oder von Aufsätzen etc.

2 Das Big Picture

Als exemplarisches Beispiel möchte eine kleine Firma Serviceroboter bauen und verkaufen. Das erste Modell ist ein Reinigungsroboter, der autonom den Boden in Bürogebäuden, Fabrikhallen und/oder öffentlichen Gebäuden dann reinigen soll, wenn sich niemand mehr in den Räumen aufhält, z.B. nachts. Wenn das Produkt gut angelaufen sein sollte, plant die Firma die Palette an Servicerobotern weiter auszubauen.

Abb. 1: Reinigungsroboter HECTOR bei der Bodenreinigung

Als Reinigungsroboter werden ein oder mehrere kleinere autonome Roboter analog zu Abb. 1 eingesetzt, die von einem Zentralrechner aus koordiniert werden. Alle Reinigungsroboter sind dazu per Funk mit dem Zentralrechner verbunden (Abb. 2) und senden die aktuellen Roboterkoordinaten (in x und y sowie Ausrichtung j) mitsamt Zeitstempel, bspw. um sie für die Visualisierung und Abrechnungszwecke in einer Datenbank zu speichern. 

Abb. 2: Systemstruktur aus Zentralrechner und Reinigungsrobotern

Abb. 3: Typischer Grundriss eines Gebäudes

Abb. 3 zeigt den Grundriss eines öffentlichen Gebäudes mit den festen, vorbekannten Gebäudestrukturen wie Wänden und tragenden Säulen. Ein solcher Gebäudeplan liegt auch auf dem Zentralrechner. Möbel etc. (wie in Abb. 1) sind hier allerdings nicht eingetragen und können natürlich von Tag zu Tag ihre Position ändern. Weil die Position von Möbeln nicht vorbekannt und veränderlich ist und sich natürlich auch Roboter auf ihrem Weg begegnen können, ist eine autonome Anpassung des geplanten Weges an die lokalen Gegebenheiten für jeden einzelnen Roboter erforderlich.

Das Produktmarketing der Firma hat herausgefunden, dass folgende Kundenwünsche zu erfüllen sind:

• optimale Abdeckung der gesamten Gebäudefläche,
• in möglichst kurzer Zeit und mit minimalem Energieaufwand,
• Objekte der Umgebung dürfen nicht verschoben und sollten auch nicht berührt werden,
• Kollisionen der Roboter miteinander und mit Wänden sind zu vermeiden,
• alle Reinigungsroboter starten von einer Basisstation (in Abb. 3 rot markiert) und müssen zum Ende der Mission wieder sicher an diesem zentralen Ausgangspunkt angekommen sein. 

Abb. 4: Typische Abdeckung eines Raums mit Objekten mittels einer Zufallsstrategie (links) und einer deterministischen Wegplanung (rechts)

Zur Verdeutlichung dieser Anforderungen vermittelteln die Animationen auf dieser Webseite sowie Abb. 4 exemplarisch einen konkreteren Eindruck von der Reinigungsproblematik für die Reinigung eines Raums mit drei Hindernissen. Hier wird eine Zufallsstrategie (Abb. 4 links) einer deterministischen Strategie (Abb.4 rechts) gegenübergestellt. In beiden Fällen ändert der Roboter an Hindernissen die Bewegungsrichtung – und zwar einmal zufällig und einmal mäanderförmig im rechten Winkel.

Abb. 4 zeigt schon, wie wichtig die Wegplanung eines einzelnen Roboters besonders dann ist, wenn die Position von Hindernissen unbekannt bzw. veränderlich ist. Für eine komplette Etage wie in Abb. 3 ist die Frage einer Wegplanung und Koordination der Roboter zur optimalen Abdeckung noch spannender. 

Die folgenden Animationen dienen exemplarisch der Veranschaulichung der Problematik der Spurführung von Bodenreinigungsrobotern für einen Raum, also im Kleinen. Dazu sind folgende Fälle dargestellt:

3 Typische Fragestellungen der Informatik

Im Rahmen des Orientierungsprojekts Informatik werden in den einzelnen Arbeitsgruppen des Instituts für Informatik typische Fragestellungen näher beleuchtet. Diese können exemplarisch aus diesem Szenario resultieren und solche Themen betreffen wie: 

• In welcher Reihenfolge sollen die einzelnen Flure abgefahren werden? 
• In welcher Reihenfolge sollen die Räume gesäubert werden? 
• Wie sollte ggf. die Arbeit auf mehrere Roboter verteilt werden?
• Wie kann man die beste Position für die Basisstation bestimmen?
• Wie kann man die besten Positionen für verteilte Ladestationen bestimmen?
• Ist es leichter, eine optimale Position für die Basisstation zu bestimmen, als mehrere optimale Positionen für die Ladestationen?
• Wie kann die Kommunikation zwischen den Robotern realisiert werden?
• Wie kann man den zuverlässigen Betrieb der Kommunikation überprüfen?
• Wie kann man die Kommunikation gegen Hacker absichern? Ist dies nötig?
• Wie können die Koordinaten und Zeitstempel der Roboterbewegungen in einer relationalen Datenbank abgespeichert werden? 
• Und wie können diese Daten im Webbrowser abgerufen und visualisiert werden? 
• Wie kann sichergestellt werden, dass ein Roboter möglichst gut den Vorgaben der Wegplanung folgt, z.B. exakt geradeaus fährt und eine 90°-Drehung auf der Stelle macht, wie das bspw. in Abb. 4 rechts vorausgesetzt ist? 
• Wie wird aus den Radumdrehungen auf die Koordinaten und Ausrichtung sowie auf die Position des Roboters geschlossen und welche Probleme gibt es dabei? 
• Was muss getan werden, damit der Roboter rechtzeitig auf nicht vorbekannte Objekte reagiert, ohne mit diesen zu kollidieren? 
• Was könnte/würde es dem Roboter helfen, wenn er die Gegenstände in seiner Umgebung explizit erkennen und daraufhin seine nächsten Schritte planen könnte?
• Wie entwirft man ein derart komplexes Softwaresystem bestehend aus Software für den Zentralrechner und für die Roboter bis zur Visualisierung auf Smartphones, wenn die Entwicklungskosten und damit insbesondere auch die Entwicklungszeit nach oben hin beschränkt sind? 
• Welche Möglichkeiten gibt es, das Projekt zu organisieren, zu planen und gut durchzuführen, d.h. sicher im Kosten- und Zeitbudget zu bleiben?
• Wie ist beim Entwurf die spätere Produktpflege und der Ausbau der Produktpalette zu berücksichtigen (bspw. Weiterentwicklung zu einem autonomen Überwachungssystem)? 

4 Organisatorisches

Das Orientierungsprojekt Informatik wird in Gruppen von bis zu 20 Studierenden durchgeführt. Diese rotieren gemäß Zeitplan durch die Arbeitsgruppen und behandeln dort arbeitsgruppenspezifische Themen und Fragestellungen. Dabei lernen sie dort typische Lösungsansätze kennen bzw. erarbeiten diese. Darüber hinaus erhalten Sie auch Informationen zu spezifischen Lehrveranstaltungen und den Arbeitsgruppen selbst.

Start ist am Montag, dem 20. Februar 2016, um 9.00 Uhr (s.t.) im Raum 93/E06. Die Abschlussveranstaltung findet am Freitag, dem 24. Februar, um 16.00 Uhr (s.t.) ebenfalls im Raum 31/E06 statt.

Am Donnerstag, dem 23.Februar finden keine Workshops statt!

HINWEIS: Es können sich noch Raumänderungen ergeben!

Das Orientierungsprojekt Informatik richtet sich primär an Studierende der Informatik und kann im Professionalisierungsbereich des Bachelorstudiums eingebracht werden, bspw. als ein Schritt für 4-Schritte+. Dazu erhalten die Teilnehmer 2 ECTS-Punkte.

Studierende anderer Fachrichtungen können am Orientierungsprojekt Informatik teilnehmen, wenn noch Restplätze frei sind. Dazu bitte ggf. in die Warteliste im Stud.IP eintragen.

Falls Sie noch Fragen haben sollten, melden Sie sich bitte frühzeitig bei Herrn Michael Brinkmeier.

5 Links

Link zur Homepage des Orientierungsprojekts Informatik im STUD.IP