<p>Denne rapporten tar for seg arbeidet med å gå fra simulering av inverterte pendelsystemer, til fungerende oppsving og balansering på et fysisk system. Oppgaven omhandler mye av problematikken som man støter på i den forbindelse, blant annet forbedring av mekanikk, forbedring av sensor og målesystem, implementering av estimatorer, parameterestimering, tilpasning av regulatorer, implementering av sikkerhetsmekanismer og generell tuning. Ukjente parametre for motor og motorregulator er funnet ved parameterestimering, disse er så blitt kontrollert ved bruk av ulineært kalmanfilter på det fysiske systemet. Resultatene fra disse forsøk viser at filteret følger tilstandene bra selv når tilbakekoblingen fra det fysiske sytemet er lav. Siden sensorene på systemet kun måler vinkler må vinkelhastighet estimeres. Dette er gjort blandt annet ved ulineært kalmanfilter i programmvare og ved å måle tiden mellom to vinkelposisjoner ved bruk av mikrokontroller. Denne siste løsningen er implementert på mikrokontrolleren XMEGA. Disse estimatene er følsomme for vibrasjoner i systemet og gir derfor store oscillasjoner i påadraget under balansering. Det ulineære kalmanfilteret er det som fungerer best, men man har alikevel problemer med noe avvik i vinkelhastighetsestimatene. Det er blitt utført oppsving og balansering av enkelpendel, enkelpendel hver side og dobbelpendel på det fysiske systemet. Dette verifiserer langt på vei at arbeide som tidligere har vært utført i simulering fungerer i praksis. For å øke robustheten ved oppsving og balansering av multipendelsystem er det nødvendig med redesign av regulatorer for å minske nødvendig tilbakekobling fra vinkelhastighetene eller utvikle bedre hastighetsestimering.</p>

<p>For å kunne gi best mulig behandling av nevromotoriske sykdommer hos barn, er det viktig at diagnosen stilles så tidlig som mulig. Derfor pågår det et forskningsprosjekt der man studerer barns sporadiske bevegelser når de er to til fire måneder gamle. Disse bevegelsene har vist seg å kunne gi en indikasjon på om barnet er normalt eller avvikende. Det foreligger en database med videoopptak av barn som ligger på ryggen og kan bevege seg uten hindringer. Ved å studere disse opptakene kan en spesialist innen fysioterapi kunne gi en diagnose på Cerebral Parese med relativt god sikkerhet. Målet med forskningsprosjektet er derfor å erstatte fysioterapeuten med et dataprogram som kan analysere videostrømmen på samme måte. Denne masteroppgaven går ut på å kunne posisjonere hender, føtter, hode og bryst hos spedbarn i videosekvenser. Dette skal gjøres uten bruk av optiske markører festet på barnet. Posisjonsestimatene kan i videre arbeid brukes til å gjøre en analyse av barnets bevegelser, og kunne klassifisere de som normale eller avvikende. Det er utviklet og testet fire forskjellige måter å utføre målfølgingen på. Disse baserer seg på histogram, spatiogram, co-occurrence matriser og cosinusvinkelen mellom bildeutsnitt. Det er gjort tester som har resultert i vellykkede følginger av barnets hode, hender, føtter og bryst. De forskjellige representasjonsmetodene har vist seg å ha styrker og svakheter som gjør at de kan kombineres til å gi en mer robust algoritme. Direkte billedsammenligning med cosinusvinkel er best når objektet som skal følges ikke endrer form og farge i vesentlig stor grad. Dette gjelder for hodet og brystet. Spatiogram-metoden og co-occurrence metoden er gode når objektet varierer form og farge, og i kombinasjon med flere referansemodeller har de vist seg å danne et godt grunnlag for robust følging av hender og føtter. For å gjøre algoritmen mer robust er det foreslått alternative metoder som kan utvikles i framtiden. Ved å registrere kanter og konturer er det sannsynlig at følgingen vil fungere bedre.</p>

<p>I et sanntidssystem må tidsfristene nåes, hvis ikke degraderes eller feiler systemet. For at systemet skal håndtere tidsfristene må både maskinvaren og programvaren være deterministisk. Estimering av kjøretid for programvare er i utgangspunktet en vanskelig oppgave, og funksjoner i maskinvare som blant annet dype pipelines, cache og DMA gjør at en total vurdering av værste kjøretid er svært problematisk. Videre er et sanntidssystem ofte utsatt for ubegrenset ekstern stimuli, i form av asynkrone avbrudd (interrupts), som kan føre til at systemet blir overbelasted og mister tidsfrister. På bakgrunn av dette er det et behov for en dynamisk tilnærming av overvåking og kontroll av kjøretid for periodiske oppgaver og avbruddsrutiner. I dette prosjektet har schedulering i sanntidssystemer blitt studert og en maskinvareenhet kalt Time Management Unit (TMU) har blitt designet. TMUen måler og begrenser kjøretiden til periodiske og aperiodiske oppgaver ved å begrense hyppigheten av eksterne avbrudd. TMUen er simulert og implementert i en FPGA sammen med en LEON3 soft-prosessor som kjører eCos RTOS. Testapplikasjoner er skrevet for å verifisere TMUens funksjonalitet. Resultatet er at ved bruk av den nye TMUen vil kjøretiden for oppgaver og avbruddsrutiner bli dynamisk begrenset slik at ikke systemet blir overbelastet. Sanntidssystemet blir mer deterministisk, selv om både maskinvaren og programvaren i stor grad er ikke-deterministisk. TMUen krever svært lite ressurser fra prosessoren, men avhengig av implementeringsparametre vil ressursbruken av FPGAen variere fra liten til middels. Det kan dermed konkluderes med at TMUen kan sørge for at et sanntidssystem når sine tidsfrister ved å begrense kjøretiden til oppgavene til et definert nivå. TMUen krever lite til moderat mengde logikk-ressurser, og administrative kostnader (eng. processing overhead) ved bruk av TMUen er neglisjerbare.</p>

<p>Sammendrag Hensikten med denne masteroppgaven har vært å utvikle en autonom hydrofonbøye for PinPointsystemet. Hydrofonbøyen består av tre moduler; en kommunikasjonsmodul, en GPS-modul og en hydrofonmodul. PinPoint-systemet består av slike hydrofonbøyer som kommuniserer via integrerte radiosendere. Informasjon fra hydrofonbøyene skal brukes til å bestemme posisjonen til et fiskemerke med en akustisk transduser. I rapporten blir det gitt en beskrivelse av hydrofonbøyen på systemnivå som viser hvordan disse modulene sammen danner en komplett hydrofonbøye. Det blir også gitt en detaljert beskrivelse av hvordan interaksjonen mellom bøyene til sammen gir et komplett, dynamisk biotelemetrisystem. Det er i denne oppgaven ikke satt særlig fokus på utviklingen av brukergrensesnitt på basestasjonen. Det har tidligere vært jobbet en del på PinPoint-systemet. En prototyp av hydrofonmodulen ble utviklet av Jan Eyolf Bjørnsen i 2002. Hydrofonmodulen har siden blitt videreutviklet av Thelma AS. I 2004 ble det arbeidet med utviklingen av hovedprosesseringsenheten (Skarphedinsson 2004 [19]) og med GPS-modulen (Thorsen 2004 [21]). Denne Masteroppgaven har hatt som mål å kombinere disse arbeidene og deretter utvikle en ferdig prototyp av produktet. Slik systemet fremstår nå burde en full systemtest med flytende prototyper absolutt være mulig, innenfor en rimelig tidshorisont.</p>

<p>Hensikten med denne masteroppgaven er å utvikle en nettbasert MP3-spiller ved hjelp av v-modellen og vurdere hvordan bruken av denne modellen påvirker utviklingsarbeidet. V-modellen er en utviklings- og produksjonsmetodikk som tar for seg gangen i systemutvikling fra ideer og krav, til test og levering av et ferdig system. Det som ligger i at MP3-spilleren skal være nettbasert, er at den skal kunne spille av filer fra nettsted eller en nettdisk. Rapporten gir en gjennomgang av digital musikk og utstyr for avspilling. En ser spesielt på MP3 som er det mest utbredte formatet innen digital musikk, og tar for seg teknikker som blir brukt for å komprimere lyd som begrensninger i menneskelig hørsel og Huffman-koding. Andre vanlige musikkformater blir også presentert før en tar for seg en kort historikk i utviklingen av MP3-spillere fra den første MP3-spilleren MPMan F10 til iPod og musikkmobiltelefoner. V-modellen blir presentert og en kobler den opp mot utviklingen av en MP3-spiller. Første steget i V-modellen innebærer å sette opp produktkrav. Dette er funksjonelle krav fra kunde som for eksempel at MP3-spilleren skal kunne spille av musikk fra nettverk. I neste steg skal disse kravene omsettes til tekniske krav som tar for seg hvilke tekniske spesifikasjoner som må ligge til grunn for å tilfredsstille produktkravene. Produktkravene blir nummerert og referert til når en setter opp de tekniske kravene for å sikre sporbarhet. Sporbarhet vil si at krav som er satt på et lavt nivå i v-modellen, skal kunne spores tilbake til krav fra øverste nivå. Dette gjør at både utvikler og kunde har en forståelse for hva som skal leveres. Når de tekniske kravene er definert, blir det foretatt valg av komponenter. En presenterer to alternativer; et alternativ basert på utviklingskortet NGW100 fra Atmel og utvidingskortet RMT1 fra Mediama Technologies, og et alternativ basert på ettkortsdatamaskinen Beagle Board fra Texas Instruments. En sammenligning av disse basert på blant annet tekniske egenskaper, kjente problemer og pris ender opp i et valg av alternativet basert på NGW100 og RMT1. Ut fra valget av komponenter foretar en design av MP3-spilleren og prøver å dele opp designet i moduler. En testplan blir satt opp ut fra akseptansekravene. MP3-spilleren er satt opp med en Linux-distribusjon tilpasset RMT1, som er lastet ned fra Mediama Technologies sine hjemmesider. Selve MP3-spiller-applikasjonen er utviklet i QT Creator og samhandler med mediespilleren MPlayer. MP3-spilleren oppfyller de tekniske kravene som er definert, med unntak av trådløst nettverk og mulighet for å spille av musikk fra USB-minnepinne. MP3-spilleren kan blant annet spille av MP3-filer fra nettdisk og en har mulighet for å bygge opp og spille av musikk fra egne spillelister. Implementering av trådløst nettverk er foreslått som videre arbeid, sammen med blant annet å undersøke mulighetene for å lage et grensesnitt mot nye nettbaserte musikktjenester som Spotify og Wimp. Bruken av V-modellen i utviklingen av en MP3-spiller har fungert bra, men en kunne foretatt en bedre vurdering av bruken dersom det var flere enn en som arbeidet med oppgaven. I starten virket det som mye arbeid å utarbeide krav og dokumenter og en følte at en ikke kom ordentlig i gang. Dette endret seg da en begynte å implementere MP3-spilleren. God planlegging gjorde at implementering og testing gikk raskere enn antatt, da en hadde god oversikt over hva som skulle gjøres. En fikk også dokumentert arbeidet underveis i stedet for å gjøre dette i etterkant av implementeringen av MP3-spilleren.</p>

<p>Institutt for teknisk kybernetikk har interesse for å utvikle et autonomt fly (UAV) gjennom prosjekt- og diplom-oppgaver. Det er ønskelig å kunne gi kommandoer til og hente ned data live fra UAVen. I denne oppgaven legges det frem et rammeverk for slik kommunikasjon med flyet. Rammeverket kalles Robot Operating System og ble valgt etter først å ha utredet hva slags funksjonalitet og overordnet design som kreves for dette prosjektet. Robot Operating System (ROS) er åpen kildekode og er et veldig modulært rammeverk som det er enkelt å benytte seg av. Selve nettverksprotokollene abstraheres vekk av ROS slik at systemutvikleren kan konsentrere seg om hva han/hun vil at systemet skal gjøre, fremfor å gjenoppfinne og reimplementere nettverkskommunikasjonen. ROS har fungert veldig bra under utvikling og bruk av bakkestasjonen. Det er bygget videre på tidligere arbeid hvor et Gumstix hovedkort med Linux ble valgt som hovedprosesseringsenhet i UAVen. Det er blitt etset et kretskort som kobler Gumstixen opp til I²C-bussen. En gruppe studenter koblet Gumstixen til mobilt bredbånd. Det er bygget videre på resultatet deres slik at UAVen kobler automatisk til Internett med VPN og starter alle ROS-programmer. ROS kan inkluderes og kompileres inn i programmer både på stasjonære maskiner, og på Gumstix-plattformen. Det er produsert en tutorial som beskriver hvordan dette gjøres. I tidligere arbeid fikk Gumstixen installert støtte for webkameraer og dette er bygget videre på ved å lage et program som streamer bilder til bakkestasjonen. Det er laget en generell bakkestasjon der moduler enkelt kan byttes ut og legges til. Et terminalinterface til denne bakkestasjonen er produsert, sammen med klienter for mottak av video, IMU-data og GPS-data. Systemet er testet ved å sende testdata for IMU- og GPS-data fra UAV til bakkestasjonen hvor de ble plottet. Video fra webkameraet er også sendt fra flyet over mobilt bredbånd og ned til bakkestasjonen gjennom ROS. Oppsettet egner seg veldig godt til hardware-in-loop testing og utvikling.</p>

<p>Shell Eco-marathon er en årlig konkurranse for lag fra hele Europa. Denne rapporten følger arbeidet med å bygge et styresystemet i bilen for NTNUs deltagelse i 2009. Dette er NTNUs andre deltagelse. Bilens karosseri har blitt beholdt og det meste av innmaten er nytt. Den deltagende gruppen har bestått av ti studenter fra fem forskjellige institutter. Det har blitt laget et fremdriftsystem som sender hastighetsreferanser til en motorstyring. Dette systemet består av gasspedal, styrekort, skjerm og batterier. Fremdriftsystemet kan kjøres manuelt eller ved hjelp av en cruise control. Sjåføren får informasjon fra systemet på en skjerm og kommuniserer via mobil til hjelpemannskap ved banen. Det har vært fokusert på brukervennlighet gjennom utviklingsprosessen. I løpet av semesteret har bilen blitt designet og bygget. Alle komponenter har blitt forbedret og virkningsgraden på systemene har økt markant. Dette medførte at Shell Eco-marathon 2009 ble en stor suksess for NTNU.</p>

<p>Eurobot Open er en internasjonal robotkonkurranse for studenter og uavhengige organisasjoner, som arrangeres i Europa i mai hvert år. Institutt for teknisk kybernetikk har deltatt hvert år siden 2000, gjennom prosjekt- og diplomoppgaver i samarbeid med Eksperter i Team. I 2009 skal konkurransen foregå i La Ferté-Bernard, Frankrike, under tittelen ``Temples of Atlantis''. Robotens oppgave går i korte trekk ut på å plukke opp byggeklosser for å bruke disse til å bygge tempel, som senere kan plasseres på forskjellige poengområder med ulik høyde. Dette arbeidet har hatt til hensikt å fullføre roboten ved å utvikle og produsere de forskjellige systemene som trengs for å delta i konkurransen. Gjennom prosjektoppgaven høsten 2008 ble det det utviklet en del basisfunksjonalitet, både software og hardwaremessig, som det nå er bygget videre på. Det er utviklet et beaconbasert deteksjons- og posisjoneringssystem som gjør roboten i stand til å detektere motstanderrobotens posisjon til enhver tid, samt detektere vinkelen til tre posisjoneringstårn og en flyttbar dispenserbeacon med meget god oppløsning. Ved å kjenne til motstanderens posisjon er det tidligere utviklede antikollisjonssystemet tatt i bruk og gjør roboten i stand til å foreta meget smarte valg vedrørende kollisjonsunngåelse og rutevalg. Det er foretatt et omfattende arbeid i å utvikle en ny kombinert motordrivermodul for høyre og venstre motor- og odometrienhet. I tillegg til tidligere funksjonalitet innehar denne modulen hastighetsregulatorer til de respektive motorene ved hjelp av tilbakekobling fra motorakslingene. Dette har medført at robotens evne til å kjøre langs rette linjer har økt betrakelig da sideavvik fanges opp momentant. Det eksisterende rammeverket for kunstig intelligens er blitt brukt til å lage en ny implementasjon av strategisystemet som både har større funksjonalitet og er effektivt implementert. Ved å dele systemet inn i moduler og bruke høynivå funksjoner i strategiene er det enkelt å sette seg inn i virkemåten til systemet og videreutvikle dette. Det er også brukt en del ressurser på å vedlikeholde den generelle strukturen til programvaren og dokumentere eksisterende kode. Nytt konkurransebord har blitt produsert da tidligere versjon var av så dårlig forfatning at roboten stadig ble stående å spinne. På bakgrunn av tilstanden til det eksisterende bordet, ble det foretatt nødvendige designvalg som sørger for at det nyutviklede bordet kan brukes til formålet i mange år fremover. For å kunne teste navigasjonssystemet på et tidligere stadium enn foregående år, er det blitt tatt i bruk en tidligere utviklet testrobot. På denne måten har det vært mulig å bruke mer tid på utviklingen av konkurranseroboten uten at dette har medført tap av viktige og nødvendig testmuligheter. For å kunne sørge for at de utviklede modulene samt softwaren benyttet skal kunne forstås, reproduseres, samt videreutvikles, er det blitt nedlagt en del tid på å utvikle to dokumentasjonspermer, henholdsvis dokumentasjon av software og hardware. Dette er gjort siden dokumentasjonen fra tidligere utviklede system opp igjennom årene er av svært variabel art og spredd utover utallige prosjekt og diplomoppgaver. Det er lagt stor vekt på at alle moduler som er blitt utviklet skal være av god kvalitet, og at de skal kunne brukes videre i kommende eurobotkonkurranser. Dette gjelder både med tanke på håndtverk og design av modulene. Sett sammen med dokumentasjonsjobben som er gjort skal disse modulene kunne brukes videre slik de er, og være lett utskiftbare på grunn av den modulbaserte designen. Underveis har det vært en del administrativt arbeide, hovedsakelig koordinering av ti studenter fra faget Eksperter i Team, samt en fulltidsansatt mekanikerlærling. I tillegg kommer elementer som økonomi, reise, rekruttering, samt deltagelse på flere arrangementer for å promotere eurobot, samt bidra til å inspirere unge til å velge realfag. Det er også lagt ned en del arbeid i å integrere de ulike delene sammen på roboten på en god, robust og effektiv måte. Omfattende testing og resultater fra konkurransen viser at den utviklede roboten utfører de gitte oppgavene på en særdeles god måte. Roboten er i stand til å finne ledige poengområder og bygge templer som resulterer i svært høye poengsummer, samt unnvike motstanderroboten om denne skulle være i veien. Dette resulterte i at roboten, som den eneste med unntak av vinneren, gikk gjennom hele innledningsrunden uten å tape. Videre fortsatte den å seire både i åttendelsfinalen og kvartfinalen, slik at endelig plassering ble en meget sterk 4.plass av totalt 44 lag som hadde kvalifisert seg til den internasjonale finalen.</p>

<p>Det har blitt utviklet, produsert og testet et målesystem for måling av avstand mellom to enheter under vann basert på ultralyd, samt måling av dyp med trykksensorer. Enhetene er identiske og består av en piezotransduser og en trykksensor med tilhørende elektronikk og mikrokontroller. En av nodene konfigureres som sender og sender en akustisk puls gjennom sjøen samtidig med et spenningssignal via kabel. Den andre konfigureres som mottaker og vil da registrere tidsforskjellen mellom elektrisk og akustisk signal, og sender dette til en enhet på land. Ved hjelp av denne tidsforskjellen kan avstanden beregnes. Dybdemålingene og avstandsmålingene foregår syklisk og begge har vist å ha tilfredsstillende nøyaktighet, men før måleprinsippet kan tas i bruk, gjensår å lokalisere og eliminere en støykilde som detekterer for korte verdier i noen av målingene. Oppgaven er gjort som et steg på veien til å måle formen på en oppderttsmerd v.h.a. mange slike noder i et nettverk. Resultatene som er oppnådd tyder på at måleprinsippet kan brukes og at neste steg mot dette målet bør tas.</p>

<p>Denne oppgaven er gitt av Cyberlabs som er et firma som arbeider med å utvikle spill og programmer for å illustrere matematiske modeller av fysiske prinsipper. Når elever skal lære seg matematikk og fysikk kan de ofte ha vanskeligheter med å knytte det de lærer til virkeligheten. Ved å gi en grafisk fremstilling av hva ligningene de lærer om betyr i praksis, kan de lettere forstå sammenhengen mellom matematikken og virkeligheten. Cyberlabs har tidligere i hovedsak benyttet seg av 2-dimensjonale spill, men ønsker gjennom denne oppgaven å se på mulighetene for å utvikle 3-dimensjonale undervisningsspill som kan kjøres som en Java applet i en nettleser.Dataspill er i dag komplekse dataprogrammer som krever mye behandling av blant annet grafikk og nettrafikk. I og med at disse egenskapene er felles for dataspillene, kan denne funksjonaliteten samles i egne moduler. Disse modulene kalles spillmotorer. I denne oppgaven skal det velges ut en spillmotor som er tilgjengelig som åpen kildekode. Motoren skal kunne kjøre som en Java applet, og det velges derfor en Java-basert spillmotor. Forskjellige spillmotorer blir vurdert, og gjennom å sammenligne de mest aktuelle motorene har jeg kommet fram til at jMonkey Engine er best egnet. Dette er sammenfallende med hva Cyberlabs har antydet, men de ønsket en grundigere vurdering slik som er foretatt i denne oppgaven. For å vurdere spillmotoren videre blir det i denne oppgaven også utviklet et testspill. Cyberlabs har et ferdig modellsystem for en tank med innløp og utløp, der nivået i tanken kan styres. jMonkey Engine benyttes for å lage et spill rundt dette modellsystemet. Det ferdige spillet finnes på en cd som er vedlagt denne oppgaven. Spillet brukes også til å evaluere jMonkeys egnethet, og det konkluderes med at motoren kan benyttes, men at det fremdeles må jobbes med blant annet bedre integrasjon av fysikkmotoren.</p>