1

Kybernetikk og robotikk

Valg av hovedprofil

for 4. klasse høsten 2020

Lars Imsland

Studieprogramleder

2

Covid-19 - situasjonen

• En utfordrende situasjon for alle!– Prøv å opprettholde sosial kontakt, dere imellom og mellom andre

– Strukturer hverdagen!

– Ta gjerne kontakt med studieveileder Ellen Hove om dere vil ha

noen å diskutere med

• Digital hjemmeeksamen og bestått/ikke-bestått i de

aller fleste emner i vår-semesteret– Følg med på Blackboard i de enkelte emner

• Fortsatt ikke avklart hvordan høst-semesteret blir– Vi må være forberedt på at det er tiltak som vil påvirke

undervisningsgjennomføring i høst også

3

Hva skal du velge• En av hovedprofilene

– https://www.ntnu.no/studier/mttk/hovedprofiler

• Komplementært emne (K-emne)– Noen velger teknologisk emne i stedet

– For noen kan tilleggsprofil være aktuelt

• https://innsida.ntnu.no/wiki/-/wiki/Norsk/Tilleggsprofiler+IKT-studier+IE

• Ta kontakt på studier@ie.ntnu.no om dette er interessant

• Få godkjent praksisen• https://innsida.ntnu.no/praksis

• Hovedprofil må velges før 15. mai

• Valgbare emner må velges før 15. mai– Kan endres til 15. september

• Studiestart 17. august

4

Prosjekt- og masteroppgave

• På våren i 4. årskurs skal du velge prosjekt- og

masteroppgave

• Lister med aktuelle oppgaver vil bli lagt ut

• Start likevel allerede nå og tenk på hva du vil skrive

om, og ta gjerne kontakt med aktuelle faglærere

• Det er også mulig å skrive prosjekt/master sammen

med bedrift– Dette gjelder mange av dem som blir lagt ut på lista

– Du kan også ordne oppgave selv. Husk at en faglærer må

godkjenne og være ansvarlig faglærer for oppgaven

5

Presentasjon av hovedprofilene

Hovedprofil Presenteres av Ansvarlig

Prosessregulering Lars Imsland Lars Imsland

Styring av smarte nett og fornybar

energiLars Imsland Morten Hovd

Biomedisinsk Kybernetikk Øyvind Stavdahl Øyvind Stavdahl

Fiskeri- og havbrukskybernetikk Morten Alver Jo Arve Alfredsen

Medisinsk billeddannelse Lasse Løvstakken Hans Torp

Autonome systemer Anastasios Lekkas Tor Arne Johansen

Navigasjon og fartøystyring Thor Inge Fossen Thor Inge Fossen

Robotsystemer Anton Shiriaev Anton Shiriaev

Innvevde datasystemer Geir Mathisen Geir Mathisen

Sanntidssystemer Sverre Hendseth Sverre Hendseth

Systemteknikk og sikkerhet Mary Ann Lundteigen Mary Ann Lundteigen

6

Navigasjon og fartøystyring

Thor Inge Fossen

7

Navigasjon og fartøystyringHovedprofil – Professor Thor I. Fossen

8

Navigasjon og fartøystyring

Den første autopiloten ble funnet av Lawrence Sperry i 1912. Han er også

oppfinner av “kunstig horisont” og som kuriositet grunnleggeren av “Mile High

Club”, som kanskje forklarer hvorfor han trengte en autopilot til flyet sitt ☺

• Matematisk modellering og simulering av fartøybevegelse i6 frihetsgrader

• Hydrodynamikk og aerodynamikk

• Modeller for treningssimulatorer og beslutningsstøttesystemer

• Design av autopiloter, posisjonerings- og navigasjonssystemer

• Metoder for styring av fly, droner, ubemannede farkoster, skip, flytende plattformer og undervannsfartøy

Noen valgfag• Metoder i kunstig intelligens

• Sensorfusjon

• Menneskemaskin-interaksjon

• Robotsyn

• Navigasjonssystemer

• Marine reguleringssystemer I

• Modellering og regulering av roboter

• Estimering, deteksjon og klassifisering

9

Pensumlitteratur

Fossen, T. I. (2020). Handbook of Marine

Craft Hydrodynamics and Motion Control,

2nd edition, Wiley.

Beard, R. W. and T. W. McLain (2012).

Small Unmanned Aircraft. Theory and Practice

Princeton University Press

10

Communication signals are much slower than feedback/control signals (slow encryption).

Different encryption techniques will be used for wireless communication and real-time signals (fast encryption).

Sensor fusion

State estimator MotionControlSystem

ControlAllocation

Marinecraft

Sensor fusion

Stateestimator

Real-time encryption of measurements

Path planner

Situational awareness

Risk assessment

Environmentalforces

Guidance system

Control system

Navigationsystem

Real-time encryption of feedback signals

Real-time encryption of feedback signals

Operator

Encryption of communication signals

Real-timeencryption of control inputs

Measurements

GNC arkitektur (med krypteringsopsjon)

11

ROV Minerva

Fleet of the NTNU Applied Underwater

Robotic Laboratory (AUR-Lab)

Hugin AUV

Remus 100 AUVLight AUV (LAUV)

https://www.ntnu.no/aur-lab

12

Fleet of the NTNU Unmanned Aerial

Laboratory (UAV-Lab) Procurement and operation license from Norwegian CAA (Civil Aviation Authority) for VLOS/BLOS operations since 2014

- Penguin B fixed-wing (VLOS/EVLOS/BLOS)

- 3D Robotics hexa-copters (VLOS)

- Microdrone quadro-copter(VLOS)

- X8 fixed-wing (VLOS)

13

NTNU Airfield at Agdenes

Located 94 km North-West of Trondheim

14

UAV Launch and Recovery Systems:

How to Avoid Collision and Explositions

when Landing on a Ship?

15

Automatic Launch of the Penguin UAV

16

Ship-Landing Concept: Two or more

Multicopters Catches the UAV

17

Eksempel på masteroppgaver

• Sea-State Estimator for Wave Buoy Systems• Autonomous Docking of Marine Vessels Using Reinforcement Learning• SLAM-Driven Localization and Registration• Vehicle Collision Avoidance System• Multicopter Attitude Estimation with North-Seeking Capabilities• Surface Assisted Autopilot for Remotely Operated Vehicle• Attitude Observer-Controller Design for the NTNU Test Satellite• UAV Net-Landing System for Marine Operations• Anti-Collision System for Multirotor Drones Operating Close to Obstacles using Radar Data• Unmanned Aerial Vehicle with Thermal Camera – System Integration• Indoor Navigation System and Suspended Load Control for Multirotors• X-drone UAV: Vertical Take off and Landing (VTOL) UAV• Automatic Ship Landing System for Fixed-Wing UAV • Modelling and Control of VTOL Flying Wing with Thrust Vectoring• Accurate Drop of Payload using the X8 Fixed-Wing UAV • High Angle of Attack Landing of an Unmanned Aerial Vehicle• Object Detection and Tracking Based on Optical Flow in Unmanned Aerial • A Vision-Aided Navigation System based on Optical Flow • Cooperative Control and RTK Navigation System for Multicopters• UAV Observer Design for Object Localization using IR Camera and GPS• Path Planning and Guidance for Marine Surface Vehicles• Fault-Tolerant UAV Flight Control System

18

Prosessregulering

Lars Imsland

19

Hovedprofil:

Prosessregulering• Analyse og applikasjonsutvikling for avanserte

styrings- og automatiseringssystemer– For eksempel MPC, men også mye annet

• Hva er prosessindustri: Foredling av vann, skog, mineraler, olje og gass til produkter

– Metallproduksjon, petrokjemi, treforedling, gjødsel, næringsmiddel, farmasøytisk, …

– Olje- og gassproduksjon «er» også prosessindustri

• Ekstremt viktig for Norge!– Olje- og gass er Norges største eksportindustri

– Prosessindustrien står for halvparten av eksporten fra fastlands-Norge

• Mange spennende arbeidsplasser, og vi samarbeider med mange av disse selskapene, bl.a. om prosjekt- og hovedoppgaver til dere.

20

Prosessregulering

Typiske jobbmuligheter

Forskning

Små teknologibedrifter Ingeniør/konsulent Industri- og oljeselskaper

21

Olje og gass trenger kybernetikere!

22

Styring av smarte nett og

fornybar energi

Morten Hovd

Kunnskap for en bedre verden 23

Hovedprofil:

Styring av smarte nett og fornybar energi• Behov for store investeringer i oppgradering og utbygging av

strømnettet det kommende tiåret

– Optimal nettdrift vil unngå unødige investeringer og redusere

miljøkonsekvenser

– Nye sensorer og kraftelektronikk gir helt nye muligheter for å overvåke

og regulere kraftnettet

• Produksjon fra vind og sol er ikke styrbar og høyst variabel

– Europa ønsker å bruke Norge som ‘‘batteri’’ p.g.a. mye styrbar

vannkraft.

Kunnskap for en bedre verden 24

Hovedprofil:

Styring av smarte nett og fornybar energi• Avanserte målere vil åpne for strømpriser til forbruker som varierer

over døgnet

– Batterier hos kunder for å kjøpe strøm når denne er billig?

– Solceller kan bli attraktivt også i Sør-Norge

• ‘‘Prosumers’’ vil gi en total endring av hvordan distribusjonsnettet

drives

– Strømmen kan flyte ‘‘begge veier’’. Utfordring for

feildeteksjon/feilhåndtering.

• Mikronett – utnyttelse av lokalt lager og lokal produksjon når

forsyning fra sentralnettet er utilstrekkelig/utilgjengelig

Kunnskap for en bedre verden 25

Aktører

• Kraftbransjen/nettselskaper finnes i hele landet!

• Kraftkrevende industri og transport, f.eks. Hydro, Ulstein Power &

Control,...

• Leverandørindustri, f.eks. ABB, Siemens, Eltek, Nexans, Voith

Hydro,...

• Tjenesteleverandører, f.eks. Powel, Telenor, eSmart Systems,...

• Konsulenter, DnV, Sintef, Enfo Consulting,...

Kraftbransjen står ovenfor et generasjonsskifte!

26

Biomedisinsk kybernetikk

Øyvind Stavdahl

Kunnskap for ei betre verd

Biomedisinsk kybernetikk

- lærerstaben

Øyvind Stavdahl Anders Fougner

- stipendiater

Hasti Khoshamadi Pallavi Patil

Karim Davari Benam

Kunnskap for ei betre verd 28

Biomedisinsk kybernetikk

- Idrett og helse går aldri av moten!

Kunnskap for ei betre verd 29

Biomedisinsk kybernetikk

- stor valgfrihet, men ekte kyb!

Biomedisinsk kybernetikk

Semester 7,5 stp 7,5 stp 7,5 stp 7,5 stp

10 Vår Masteroppgave

9 Høst Kyb/tekn. ValgbartFordypningstemaer

TTK26 Biomed.instr.reg. + TTKXXFordypningsprosjekt

8 Vår Kyb/tekn. Valgbart Eksperter i team Valg Valg

7 Høst Kyb/tekn. ValgbartMedisin for realfag- og

teknologistudenterValg Valg

Dette kan du f.eks. lære:

• Matematisk modellering og simulering av biomedisinske systemer(involverer f.eks. hormoner, medisiner, nerver, hjerne, muskler og ledd).

• Utvikle instrumentering og signalbehandling for biomedisinsk teknologi(f.eks. glukosesensorer, proteser, rullestoler eller idrettsrelatert).

• Utvikle reguleringssystemer (f.eks. styring av glukosenivå, proteser, oksygenmetning) og sikkerhet (feildeteksjon, adapsjon/læring).

* Perspektivemne/ikke-teknisk emne dekkes av Med. for realfag- &tek.stud.

Kunnskap for ei betre verd 30

Biomedisinsk kybernetikk

- marked, industri, samfunnsbehov

31

Havbiokybernetikk

Jo Arve Alfredsen / Morten Alver

HOVEDPROFIL: Havbiokybernetikk (Fiskeri- og havbrukskybernetikk)

Lakseoppdrett 1973.

Environment model

Cage, temperature, feed, light

Behavioural model

Energetic model

Assim-ilation

Feed intake

Energy budget

ReserveStructural

growth

Local temperature, swimming speed

Maintenance

Fish models

HOVEDPROFIL: Havbiokybernetikk (Fiskeri- og havbrukskybernetikk)

Læringsmål:

• Tilegne seg avansert kunnskap innen kybernetikk i kombinasjon med kunnskap om sentrale emner innen marin biologi og marin biologisk produksjon

• Kunne arbeide selvstendig med praktisk og teoretisk problemløsning innen havbruk/fiskeri/havforskning med kybernetikk som metodegrunnlag

Du kan f.eks. lære å:

• Utvikle instrumenter for å måle fysiske og biologiske variable i havet

• Modellere atferd, fysiologi og populasjonsdynamikk hos fisk og plankton

• Modellere/estimere havets fysikk og biologi

• Lage reguleringssystemer for produksjon av fisk og plankton

• Lage små ultralydsendere for sanntids observasjon av fisks atferd

ÅR SEMStudiepoeng

7.5 7.5 7.5 7.5

5

10V MASTER HB-kyb

9HKYB/TEKN*

ValgbartFORDYPNTK14/15/17

PROSJEKT HB-kyb

4

8VKYB/TEKN

Valgbart

KYB/TEKNValgbart

EiTBIO

Valgbart

7HKYB

Ind.dat.kon.KYB/TEKNMarin akust.

KYB/BIOAkvakultur

BIOOseanografi

TTK14: Precision Fish Farming (M. Føre)TTK15: Oseanografisk instrumentering og biotelemetri (J.A. Alfredsen)TTK17: Havdynamikk og havmodellering (M. Alver)* Komplementæremner dekkes av BIO

Ansvarlige:Jo Arve Alfredsen, Morten O. Alver og Martin Føre

Medisinsk billeddannelse

Hans Torp og Lasse Løvstakken

Info:

Medisinsk avbildning- Kybernetiske metoder for å ”redde bestemor”

Læringsmål

• Ultralyd og MR avbildnings-systemer

• Signalbehandling

• Estimering av bevegelse

• Stokastiske signaler

• Fysikk/matte:

• Bølger / fluiddynamikk, ...

• Lineær algebra, diff.ligninger

• Kliniske anvendelser:

Hjerte-kar, kreft, diagnose / behandling

Fagtilbud

• MFEL3010 Medisin for teknologer (høst)

• MEDT4160 Medisinske avbildningssystemer (høst)

• MEDT4165 Signalbehandling i ultralyd-avbildning (vår)

• TKT4150 Biomekanikk (høst)

Transducer & electronics

Acoustics & image formation

Signal processing & Doppler imaging

Image enhancement &

analysis

Info:

Siste-generasjons

ultralydavbildning

Sanntids 3D hjerteavbildning Fotorealistisk fosteravbildning

Olje & gass logging

Undervanns-SONAR

Miniatyrisering – ultralyd kan brukes overalt

Info:

Et senter for forskningsdrevet innovasjon

• 2016 – 2023

• Ca. 40 PhDs / postdocs totalt

• Totalbudsjett på 450 MNOK

• Nært samarbeid med industri

Eks. prosjekt / hovedoppgaver• AI bildeanalyse for automatisk hjertediagnostikk

• Estimering av lekkasje i hjerteklaff

• Sanntid billeddannnelse med GPU-teknologi

• Nettbrettbasert ultralyd for jordmødre i Afrika

• Deteksjon av kontrastmiddel i kreftsvulst

• Undertrykkelse av reverberasjoner (artefakter)

• Vevskarakterisering med to frekvens ultralyd

Eks. karrieremuligheterForskningskarriere / sykehussektor

• NTNU, UiO, USN, UiB, sykehus

Medisinsk industri

• GE vingmed, Medistim, Aurotech, sykehus

Olje & gass industri / non-destructive testing

• Equinor, Sclumberger, Archer, Halfwave, ...

Maritim industri

• Kongsberg Maritime, fiskeoppdrettsfirma

Info:

39

Autonome systemer

Tor Arne Johansen / Anastasios Lekkas

Autonomous Systems and Unmanned Vehicles

Oil and gas

Rolls-Royce Drone Ships Challenge $375 Billion Industry: Freight

Unmanned cargo ships could become a reality on our oceans within the decade, according to manufacturer Rolls-Royce. “Drone ships would be safer, cheaper and less polluting for

the $375 billion shipping industry that carries 90 percent of world trade” , Rolls-Royce says

Fisheries and

Aquaculture

“Taking current technology to the extreme, DNV GL has developed a revolutionary concept for an

unmanned, zero-emission, shortsea vessel. Named the ReVolt, this vessel is 60 metres long and

is fully battery powered and autonomous – it requires no crew.”

Digi.no: «Luftfartstilsynet har nå gitt tillatelse til bruk av droner til å foreta linjeinspeksjon av kraftlinjer.Dette er droner som vil fly rundt alene, som har topologien programmert inn og kan operere på egenhånd i fastlagte traséer.»

41

Autonome Systemer – 4.klasse• Navigasjon og fartøystyring for ubemannede farkoster (ubemannede undervannsfartøy

(AUV), ubemannede fly (UAV), ubemannede overflatefartøy (USV), små satelitter)• Automatisk tolking av sensordata, mønstergjenkjenning og estimering. Robotsyn,

navigasjon, avanserte kamera- og sensorsystemer. Kunstig intelligens, maskinlæring, autonomi, planlegging.

• Fordel om TTT4275 Estimering, deteksjon og klassifisering er valgt i 3. klasse

42

Autonome Systemer – 5.klasseSpesielt relevante fordypningsemner• TTK1 Innovasjon: Systemutvikling fra idé til produkt (Geir Hasnes)

• TTK2 Design og analyse for funksjonell sikkerhet (Mary Ann Lundteigen)

• TTK5 Kalman Filtering and Navigation (Nadezda Sokolova)

• TTK6 Robotteknikk (Anton Shiriaev)

• TTK14 Kybernetiske metoder i fiskeri og havbruk (Morten Omholt Alver)

• TTK15 Oseanografisk instrumentering og biotelemetri (Jo Arve Alfredsen)

• TTK17 Havdynamikk og havmodellering (Morten Omholt Alver)

• TTK21 Introduction to Visual Simultaneous Localization and Mapping - VSLAM (Annette Stahl)

• TTK22 Software tool chain for networked vehicle systems (João Tasso de FigueiredoBorges de Sousa)

• TTK23 Introduction to Autonomous Robotics Systems for Industry 4.0 (Anastasios Lekkas)

• TTK25 Computer Vision for Control (Annette Stahl)

43

Robotsystemer

Anton Shiriaev

44

Robotsystemer

45

• Matematisk modellering av robotsystemer

• Modellbasert bevegelsesplanlegging

• Kontroll og stabilisering

• Vision systemer og implementasjon

Hva vil du lære?

46

Obligatoriske fag:

• TTK4150 Ulineære systemer (høst)

• TTK4215 Adaptiv regulering (høst)

• TTK4195 Modellering og regulering av roboter

(vår)

Relevante emner:

• TTK4250 Sensorfusjon

• TTK4255 Robotsyn

• TK6 Robotteknikk

• TK8 Konstruksjon av innebygde systemer

• TK21 Introduction to VSLAM

• TK23 Introduction to Autonomous Robotics

Systems for Industry 4.0

• TK26 Biomedisinsk instrumentering og

regulering

• TK25 Computer vision for control

47

Innvevde datasystemer

Geir Mathisen

48

Innvevde datasystemer

Analyse og konstruksjon av

datamaskinsystemer som

er en innvevd del i annet

utstyr (Embedded systems).

En muliggjørende teknologi som

muliggjør smarte avanserte

produkter. E-S er den innebygde

hjernen.

Vi møter E-S over alt i dagliglivet!

49

Hovedprofilen har fokus på

• Analyse av det komplette systemet for

utarbeidelse av funksjonell og teknisk

spesifikasjon / løsning

• Distribuerte systemer• Fra datainnsamling via IoT til lagring i sky-

tjenester

• Avveining mellom lokal databehandling (edge

computing) versus sentralisert databehandling

• Krav til sammenkobling / kommunikasjon

mellom enheter i et system

• Sanntidssystemer, systemer som må

forholde seg til omgivelsene• Teori og praksis for analyse, design og

implementasjon av systemer med sanntidskrav

50

Innvevde datasystemer omfatter:

• Tilpassing og konstruksjon av maskinvare

• Lavnivå programvare og operativsystemer

for disse systemene.

• Utvikling av applikasjons-programvare

• Arkitektur og sammenkobling av

store distribuerte systemer

Disse systemene befinner seg ”overalt” i

samfunnet. Kunnskaper og ferdigheter

om innvevde systemer kan derfor brukes

mot et bredt spekter av anvendelser.

Våre studenter er populære i mange bransjer!

51

Sanntidssystemer

Sverre Hendseth

52

Sanntidssystemer

Hva er Sanntidssystemer ?(Fra Wikipedia)

… et datasystem som karakteriseres ved at riktigheten av dets

beregninger ikke bare avhenger av logisk korrekthet, men også av

om de ankommer tidsnok. Tidskravet skyldes sanntidssystemets

interaksjon med en dynamisk omverden.

• Programvareutvikling på Kyb: Hovedfokus på

embedded/industrielle datasystemer.

• Dere har gode grenseflater til applikasjonene.

• Dere har gode grenseflater til maskinvare og system.

• Dere skal kunne ta 4. klasse fag fra IDI

eller maskinvarefag fra IES.

53

SanntidssystemerHvorfor SS?

• Hvis du ønsker å utvikle "hjernen" / styre-enheten I et

system.

• Hvis du er tiltrukket av eller mestrer programmering

/ programvareutvikling.

• Hvis du tror du kanskje vil søke jobb innen

programmering / programvareutvikling.

• Og: Du kommer sikkert til å ende opp med å

programmere, eller ha med programvareutvikling å

gjøre uansett.

54

Sanntidssystemer

Hva kan du bli?

• Alle karrieretyper åpne.

• Alle typer bedrifter.

• Alle størrelser bedrifter.

55

Systemteknikk og sikkerhet

Mary Ann Lundteigen

Utgangspunkt

4/23/2020 56

Enhver komponent har en rolle i et større system

I noen tilfeller vil feil på systemene kunne medføre ulykker

Systemets oppførsel er avhengig av samspill mellom komponenter og omgivelser

Mary Ann Lundteigen - Systemteknikk og sikkerhet

I slike tilfeller stilles det strenge krav til analyser og systematikk som kan dokumentere at systemene er trygge.

Profilfokus: Systemteknikk og sikkerhet

4/23/2020 57

Regelverk Arkitektur/filosofi Pålitelighet og driftssikkerhet

IKT sikkerhetSikkerhet

Mary Ann Lundteigen - Systemteknikk og sikkerhet

Prosjekt/masteroppgave kan belyse en eller flere av disse

Bestemme krav

Realisere løsning Verifisere oppfyllelse krav

Identifisere rammeverk og lære analysemetoder innenfor disse

Opprett-holde ytelse

Systemteknikk: Forstå og kunne ivareta helheten i en systemutvikling. Læren om metoder og analyser som inngår i hvert steg.

Sikkerhet: Bygge inn egenskaper som hindrer skade på mennesker, miljø og kritiske samfunnsverdier

Obligatorisk og anbefalte fag

4/23/2020 Mary Ann Lundteigen - Systemteknikk og sikkerhet 58

TTK 4177 Sanntidssystemer

TTK 4155 Ind. og innebygde

datasystemers konstruksjon

Kompl.emne –mange muligheter

TTK 4175 Instrumenterings-

systemer

XXXSe liste for andre

kyb-fag eller eksterne

Valgbart emne: Annet kybfag

EIT – eksperter i team

Masteroppgaver

Fordypningsprosjekt

Fordypnings-emner

TPK 4120Ind. Sikkerhet og

pålitelighet

XXXSe liste for andre

kyb-fag eller eksterne

1 2

TTK2: Design og analyse for

funksjonell sikkerhet

59

Hva skal du velge• En av hovedprofilene:

– https://www.ntnu.no/studier/mttk/hovedprofiler

• Komplementært emne (K-emne)– Noen velger teknologisk emne i stedet

– For noen kan tilleggsprofil være aktuelt

• https://innsida.ntnu.no/wiki/-/wiki/Norsk/Tilleggsprofiler+IKT-studier+IE

• Ta kontakt på studier@ie.ntnu.no

• Få godkjent praksisen• https://innsida.ntnu.no/praksis

• Hovedprofil må velges før 15. mai

• Valgbare emner må velges før 15. mai– Kan endres til 15. september

• Studiestart 17. august

60

Andre spørsmål?