BIN424: Cyber-Physical Systems: Wahrnehmung, Interaktion und Kooperation

Wahlpflicht-Module

BIN424: Cyber-Physical Systems: Wahrnehmung, Interaktion und Kooperation

Kurzporträt BIN424: Cyber-Physical Systems: Wahrnehmung, Interaktion und Kooperation
Worum geht es? Cyber-Physical Systems verbinden Software, eingebettete Hardware, Sensorik, Aktorik und physische Umgebungen. Das Modul behandelt, wie solche Systeme ihre Umgebung wahrnehmen, Zustände verarbeiten, Entscheidungen treffen und physisch wirken. Mobile Robotik und vernetzte eingebettete Systeme dienen als anschauliche Beispiele.
Wofür braucht man es? Die Kompetenzen werden gebraucht, wenn Software reale Prozesse beeinflusst, etwa in Robotik, IoT, autonomen Systemen oder industriellen Assistenzsystemen. Studierende lernen, solche Systeme nicht nur zu programmieren, sondern ihre Architektur, Kopplung, Grenzen und Einsatzbedingungen informatisch zu beurteilen.
Wieso ist es interessant? Das Modul zeigt Informatik in Bewegung: Sensoren liefern unvollständige Daten, Software trifft Entscheidungen und Aktoren verändern die Umgebung. Dadurch entsteht ein unmittelbarer Zusammenhang zwischen Modell, Code, physischem Verhalten und Kooperation technischer Systeme.
Modulverantwortung

Prof. Dr. Benedikt Janßen

Lehrperson(en)
  • Prof. Dr. Benedikt Janßen
  • Prof. Dr. Matteo Zella
Verwendbarkeit

Bachelor Informatik

Fächergruppe

Informatik

Modultyp
Wahlpflicht
Sprache

Deutsch

Angebot

Wintersemester

Dauer

1 Semester

Credits

5 ECTS

Benotung

Deutsche Notenskala 1-5

SWS

2 V | 1 Ü | 1 P | - S

Workload
Präsenzstudium: 45 Std. Selbststudium: 90 Std.
Engl. Titel

Cyber-Physical Systems: Perception, Interaction, and Cooperation

Empfohlene Voraussetzungen
  • BIN421: Hardwarenahe Systementwicklung: Sensorik, Aktorik, Embedded-Softwarearchitektur.
  • BIN422: Echtzeitsysteme: Zustände, Tasks, Zeitverhalten, Synchronisation.
  • BIN423: Security and Safety for Embedded Systems: Risiken, Safety/Security, Nachweise.
Lernergebnisse / Kompetenzen
WAS

Mit erfolgreichem Abschluss des Moduls sind die Studierenden in der Lage, Cyber-Physical Systems als Sense-Compute-Act-Systeme zu modellieren, zu analysieren und prototypisch umzusetzen.

WOMIT

Die Studierenden erreichen dieses Lernergebnis, indem sie

  • Cyber-Physical Systems durch Systemgrenzen, Umweltmodelle, Betriebsmodi, Zustände und Datenflüsse beschreiben,
  • Sense-Compute-Act-Schleifen in funktionale und architektonische Modelle überführen,
  • einfache Sensor-, Signal- und Bilddaten auf eingebetteten oder ressourcenbeschränkten Systemen verarbeiten,
  • Verfahren zur Zustandsschätzung, Lokalisierung, Navigation, Kartenbezug und Planung einordnen,
  • Mensch-CPS-Interaktionen modellieren und anhand einfacher Kriterien untersuchen,
  • Embedded-Middleware, Robotik-Frameworks und verteilte CPS-Architekturen beurteilen,
  • mobile Roboter als exemplarische Cyber-Physical Systems kinematisch, funktional und architektonisch einordnen,
  • einfache Klassifikationsverfahren und Koordinationsprinzipien für Gesten, Umgebungszustände, Hindernisse oder vernetzte CPS prototypisch einsetzen und analysieren.
WOZU

Die Studierenden nutzen diese Kompetenzen, um informatische Lösungen für softwareintensive Systeme mit physischer Wirkung fachlich fundiert zu entwerfen und deren Möglichkeiten, Grenzen und Einsatzbedingungen beurteilen zu können. Die Kompetenzen unterstützen Tätigkeiten in Robotik, vernetzten eingebetteten Systemen, industriellen Assistenzsystemen, IoT-Anwendungen und autonomen Systemen.

Inhalte
  • Grundbegriffe und Eigenschaften von Cyber-Physical Systems
  • Sense-Compute-Act-Schleifen, Systemgrenzen, Umweltmodelle und physische Wirkung
  • Betriebsmodi, Zustände, Zustandsautomaten und einfache Kontrollarchitekturen
  • Funktionale und architektonische Modellierung von CPS
  • Datenflüsse, Schnittstellen und Kopplung zwischen Sensorik, Verarbeitung und Aktorik
  • Sensor-, Signal- und Bilddatenverarbeitung in CPS
  • Merkmalsextraktion und Klassifikation für Gesten, Umgebungszustände oder Hindernisse
  • Zustandsschätzung, Lokalisierung, Navigation und Planungsverfahren im Überblick
  • Mensch-CPS-Interaktion und einfache Evaluationskriterien
  • Mobile Roboter als exemplarische Cyber-Physical Systems
  • Verteilte CPS, Embedded-Middleware und Robotik-Frameworks
  • Koordination vernetzter CPS und Multi-Roboter-Systeme
Prüfungsvorleistung

Erfolgreiche Bearbeitung der Praktikumsaufgaben.

Prüfungsleistung

Computergestützte Klausurarbeit (90 Minuten). Im Rahmen des Prüfungskonzepts analysieren die Studierenden ein gegebenes Cyber-Physical System anhand einer fachlichen Problemstellung; Übungsartefakte können als Hilfsmittel vorgesehen werden.

Literatur
  • Edward A. Lee, Sanjit A. Seshia: Introduction to Embedded Systems: A Cyber-Physical Systems Approach. 2. Auflage, MIT Press, 2017.
  • Rajeev Alur: Principles of Cyber-Physical Systems. MIT Press, 2015.
  • Bruno Siciliano, Oussama Khatib: Springer Handbook of Robotics. 2. Auflage, Springer, 2016.
  • Roland Siegwart, Illah R. Nourbakhsh, Davide Scaramuzza: Introduction to Autonomous Mobile Robots. 2. Auflage, MIT Press, 2011.
  • Stuart Russell, Peter Norvig: Artificial Intelligence: A Modern Approach. 4. Auflage, Pearson, 2020.