Kybernetika a Robotika Magisterský program Tabulka a státnicové okruhy Legenda a vysvětlivky: povinné předměty programu (PP) jsou žlutě, povinné předměty oboru (PO) jsou modře, volitelné předměty (V) zeleně povinně volitelný předmět je označen tmavomodře - student si ho může a musí vybrat z povinných předmětů jiného oboru KyR, než sám studuje student si může jako V předmět vybrat libovolný předmět jinde na fakultě a škole tvorba čistě volitelných předmětů bude omezena a řízena Radou programu mohou být nabízeny i doučovací/speciální kurzy bez kreditů a mimo rozvrh, zdarma nebo za úplatu Státnicové okruhy pro Magisterský KyR jsou rozděleny podle 4 oborů Systémy a řízení Robotika Senzory a přístrojová technika Letecké a kosmické systémy společnou část tvoří okruhy utvořené podle povinných předmětů programu (PP) oborovou část tvoří okruhy utvořené podle povinných předmětů oboru (PO) 1
Společné okruhy Lineární systémy (prof. V. Kučera, doc. P. Hušek) 1. Systémy a signály. Pojem stavu, stavové rovnice. Řešení stavových rovnic, módy systému. Ekvivalence systémů. Spojité, diskrétní a vzorkované systémy. Ljapunovská stabilita, vnitřní a vnější stabilita lineárního systému. 2. Dosažitelnost a řiditelnost systému. Pozorovatelnost a konstruovatelnost systému. Standardní tvary systémů, Kalmanova dekompozice. Vnitřní a vnější popis systému. Nuly a póly systému. Realizace systému, minimální realizace. 3. Stavová zpětná vazba, regulace stavu, změna pólů systému. Injekce výstupu do stavu, odhad stavu. Vazby mezi systémy, zpětnovazební řízení, stabilizující regulátory. Stavová realizace stabilizujících regulátorů, separace regulace a odhadu stavu. Panos J. Antsaklis, Anthony N. Michel: A Linear Systems Primer - Paperback - Birkhäuser; 2007 edition. ISBN-10: 0817644601, ISBN-13: 978-0817644604 Autonomní robotika (prof. V. Hlaváč, Dr. M. Reinštein) 1. Architektury autonomních robotů (přemýšlivá, reaktivní, hybridní) 2. Návrh trajektorie autonomního robotu (manipulátor, vozidlo) 3. Konfigurační prostor, plánování cesty autonomního robotu, 4. Současná lokalizace a mapování (SLAM) 5. Manipulace, silově poddajný robot Siciliano, Bruno and Sciavicco, Lorenzo and Villani, Luigi and Oriolo, Giuseppe: Robotics, Modelling, Planning and Control, Springer 2009 Fahimi, F.: Autonomous Robots: Modeling, Path Planning, and Control, Springer 2009 Diagnostika a testování (doc. R Šmíd) Modely poruch, detekce pomocí modelů signálů/objektů, Spolehlivost. Odolnost vůči poruchám, statická/dynamická/analytická redundance, FMEA/FMECA. Hodnocení diagnostických metod (POD) Zdroje a analýza diagnostických signálů (předzpracování, obálková, kepstrální, řádová analýza), diagnostika mechanických, elektrických a elektromechanických systémů. Diagnostika pomocí impulsní a spojité akustické emise. Nedestruktivní testování, detekce a lokalizace, metody ultrazvukové, vířivých proudů, aktivní termografie Testování analogových a číslicových obvodů, produkční diagnostika, In-circuit metody, Built-in Self Test, Design for Test, navrhování testů, maskování, komprese testů. Boundary Scan. R. Isermann, Fault-Diagnosis Systems, Springer Verlag, 2006. P. J. Shull: Nondestructive Evaluation: Theory, Techniques, and Applications, CRC Press 2002. M. L. Bushnell, V.D. Agrawal: Essentials of Electronic Testing for Digital, Memory, and Mixed- Signal VLSI Circuits, Kluwer Academic Publishers, Boston, 2000. 2
Oborově zaměřené tematické okruhy Obor Systémy a řízení Systémy diskrétních událostí (Dr. P. Burget) 1. Systémy diskrétních událostí, jejich modely a základní vlastnosti. Časové a stochastické modely. 2. Komunikační systémy jako systémy diskrétních událostí. Modelování, analýza vlastností. 3. Hybridní systémy 4. Výrobní systémy jako systémy diskrétních událostí. Modelování a ověřování vlastností výrobních systémů Cassandras, Lafortune. Introduction to Discrete Event Systems, 2nd edition, 2008. Jan Lunze, Françoise Lamnabhi-Lagarrigue: Handbook of Hybrid Systems Control: Theory, Tools, Applications. Cambridge, 2009 Nelineární systémy (prof. S. Čelikovský) 1. Definice a metody analýzy stability stavového modelu. Přibližná linearizace a metoda Ljapunovovy funkce. Invariantní množiny a princip LaSalle. Exponenciální stabilita. Analýza vlivu aditivních poruch na asymptoticky, resp. exponenciálně stabilní nelineární systém. Stabilizace nelineárních systémů zpětnou vazbou pomocí řízené Ljapunovské funkce. "Backstepping". 2. Strukturální metody a různé typy přesné linearizace. Nulová dynamika a minimalita ve fázi. Systémy s jedním vstupem a jedním výstupem: relativní stupeň, přesná linearizace typu vstupvýstup, zjišťování nulové dynamiky a minimality ve fázi. Systémy s více vstupy a výstupy: vektorový relativní stupeň, přesná linearizace typu vstup-výstup a odstranění vzájemných interakcí mezi vstupy, zjišťování nulové dynamiky a minimality ve fázi. 3
S. Čelikovský, Nelineární systémy, Vydavatelství FEL ČVUT, 2006. H.K. Khalil, Nonlinear Systems, Third Edition, Prentice Hall, 2002. Optimální a robustní řízení (Ing. Z. Hurák, Ph.D.) 1. Kritéria optimality pro řídicí systémy. Návrhové metody pro optimální regulátory (teoretické odvození i použití existujících výpočetních nástrojů). Popisy neurčitosti v modelech dynamických systémů. Kritéria robustní stability i kvality řízení při různých typech neurčitostí. 2. Návrhové metody pro zpětnovazební regulátory zajišťující robustní stabilitu a robustní kvalitu řízení (odvození teorie i použití nástrojů). Lineární maticové nerovnosti a semidefinitní programování a jejich použití v návrhu řízení. Snížení řádu modelu či regulátoru. Daniel Liberzon. Calculus of Variations and Optimal Control Theory: A Concise Introduction. Princeton University Press, 2012. Sigurd Skogestad a Ian Postlethwaite. Multivariable feedback control - Analysis and Design (2nd Edition), Wiley, 2005. Odhadování, filtrace a detekce (prof. V. Havlena) 1. Bayesovský přístup k popisu neurčitosti. Model dynamického systému, ARX, ARMAX a OE model, lineární a pseudolineární regrese, sledování časově proměnných parametrů. Stochastický systém, pravděpodobnostní definice stavu, Kalmanův filtr. Adaptivní řízení, princip ekvivalence určitosti, opatrné a důvěřivé strategie řízeni, duální řízení. 2. Pravděpodobnostní metody detekce a izolace poruch, využití vícenásobných modelů. Lokální a globální aproximace nelineárních/negaussovských filtrů, metoda Monte Carlo. Frank L. Lewis, Lihua Xie, and Dan Popa, Optimal and Robust Estimation: With an Introduction to Stochastic Control Theory. CRC Press, 2005. (ask seminar instructors for availability) Simon D., Optimal State Estimation: Kalman, H Infinity, and Nonlinear Approaches. New Jersey: John Wiley & Sons, Inc., 2006. Dynamika a řízení v sítích (Prof. M. Šebek, Dr. K. Hengster-Movric) 1. Analýza sítí: grafy, algebraická teorie grafů, typy sítí, centralita. 2. Technologické, sociální, informační, biologické a fyzikální sítě; epidemie; koherence. 3. Formace a kolony: stabilita, škálovatelnost. 4. Distribuované řízení (konsensus, synchronizace, kvalita řízení, řiditelnost a stability) a distribuované odhadování Mark Newman. Networks: An introduction. Oxford University Press, 2010. [Odkaz na stránky nakladatele]. Mehran Mesbahi and Magnus Egerstedt. Graph Theoretic Methods in Multiagent Networks [odkaz na stránky nakladatele]. 4
Oborově zaměřené tematické okruhy Obor Robotika Systémy reálného času (Dr. M. Sojka) 1. Rozvrhování v systémech reálného času: hodinami řízené, se statickými a s dynamickými prioritami; časová analýza těchto systémů; inverze priorit; protokoly pro správu sdílených zdrojů. Kombinování real-time úloh s běžnými úlohami. 2. Bezpečnostně kritický (safety-critical) software požadavky, technické prostředky pro zvýšení bezpečnosti, úroveň integrity bezpečnostní funkce (SIL), vývojový proces, kódovací standardy, verzovací systémy, certifikace, HAZOP analýza. Jane W.S. Liu, Real-Time Systems, Prentice Hall, 2000. Alan Burns and Andy Wellings, Real-Time Systems and Programming Languages, Addison Wesley, 2001 Redmill et al., System safety: HAZOP and Software HAZOP Průmyslové informační systémy (doc. P. Vrba) 1. Principy relačních databází, referenční integrita. Konceptuální a logický datový model v databázovém systému, ER diagramy. 2. Dotazovací jazyk SQL, indexace, transakce a její vlastnosti, zotavení z chyb, replikace 3. Průmyslové Informační systémy založené na architekturách SOA, Enterprise Service Bus, ontologie a sémantické zpracování informace teoretická východiska, SCADA systémy a jejich využití. 4. Distribuované informační systémy a chytré sítě, integrace průmyslových datových zdrojů včetně systémů typu MES a ERP, bezpečnost a zachování privátnosti dat v PIS. Wood, D. (ed.). Linking Enterprise Data. Springer US, 2010 5
Umělá inteligence (Dr. P.Pošík nebo výběrové řízení) 1. Lineární regrese. Logistická regrese. Rozhodovací stromy a jejich učení.sekvenční rozhodování (Waldův algoritmus, Adaboost). Neuronové sítě 2. Plánování jako prohledávání stavového prostoru. Nejkratší cesta. Obchodní cestující. Rozvrhování. Posilované učení. 3. Grafické modely. Bayesovské sítě. Markovské statistické modely. Řetězy. Pole. C.M. Bishop: Pattern Recognition and Machine Learning, 2006 Stuart J. Russell, Peter Norvig: Artificial Intelligence - A Modern Approach, 2010 Pokročilá robotika (Dr. T. Pajdla) 1. Reprezentace a parametrizace pohybu v prostoru, osa pohybu. 2. Algebraický popis kinematiky manipulátoru. 3. Soustavy algebraických rovnic a metody jejich řešení. 4. Algebraická formulace a řešení kinematických úloh obecného manipulátoru. 5. Analýza singulárních poloh manipulátoru. Reza N. Jazar: Theory of Applied Robotics: Kinematics, Dynamics, and Control, 2010 Mobilní a kolektivní robotika (Dr. L. Přeučil) 1. Reprezentace prostředí v mobilní robotice a její vytváření, plánování za neurčitosti (MDP, POMDP). 2. Pravděpodobnostní plánování (RRT). 3. Metody kontinuální lokalizace (ICP, IMRP, IDC). Pravděpodobnostní metody lokalizace, Bayesův filtr. Současná lokalizace a mapování. 4. Systémy více robotů (architektury, komunikace, plánování, lokalizace). 5. Alokace úloh v multi-robotických systémech. R. Siegwart, I. R. Nourbakhsh, D. Scaramuzza, Introduction to autonomous mobile robots, MIT press, 2011 S. Thrun, W. Burgard, and D. Fox. Probabilistic Robotics. MIT Press, Cambridge, MA, 2005. S. M. LaValle, Planning Algorithms, Cambridge University Press, 2006. 6
Oborově zaměřené tematické okruhy Obor Senzory a přístrojová technika Zpracování a digitalizace analogových signálů (doc. J. Vedral, doc. J. Holub) 1. Principy měřicích zesilovačů, metody potlačení souhlasného signálu, galvanické oddělení signálů, filtrace signálu a SC filtry, synchronní detektory a lock-in zesilovače, vzorkovače/ání a kvantování signálu, typy a vlastnosti A/Č převodníků, korekce jejich chyb a zvýšení rozlišitelnosti, potlačení sériového rušení. Aktivní stínění a zemnění. 2. Rekonstrukce signálu, aproximace průběhů, generace periodických a náhodných signálů, přímá digitální syntéza, typy a vlastnosti Č/A převodníků, referenční zdroje napětí a proudu. Pallas Areny, Webster: Sensor and signal conditioning. John Wiley Sons, 2001, ISBN 0-471- 3323-1 Videometrie a bezkontaktní měření (doc. J. Fischer, doc. R. Šmíd) 1. Základní principy bezkontaktního měření; vlnění a záření zprostředkující informaci o objektu, optické záření, jeho chování a vlastnosti. 2. Fotodiodové, CCD a CMOS senzory; kamery a jejich obvody, objektivy; metody zpracování signálu optoelektronických senzorů pro určení rozměru, tvaru a polohy objektů. Saleh, Bahaa E. A. / Teich, Malvin Carl: Fundamentals of Photonics, ISBN-10: 0-471-35832-0, Wiley, 2007 7
Virtuální instrumentace (doc. A. Platil, doc. J. Roztočil) 1. Spektrální a vektorový analyzátor, měřič impedance, osciloskop, logický analyzátor, digitizéry a generátory. Koherentní detekce. Analyzátory výkonu, elektronické zátěže, měřiče impedance. 2. Virtuální přístroje: modulární systémy, hardware, programování, spouštění a synchronizace. Synchronizace rozsáhlých systémů, distribuce časových značek. Etalony základních elektrických veličin. Etalonáž času. Kniha: J. Park, S. Mackay: Practical Data Acquisition for Instrumentation and Control Systems, Newnes 2003, ISBN: 978-0750657969 Sběr a přenos dat (doc. J. Novák, doc. P. Pačes) 1. Paralelní a sériová komunikační rozhraní, funkční principy, implementace. Programová podpora periferních zařízení v operačních systémech. Jitter a šum, synchronizace. EMC distribuovaných systémů. 2. Bezdrátové senzorové sítě, pole senzorů a metody zpracování dat, beamforming, synchronizace a lokalizace. 3. Zdroje energie pro senzorové sítě (elektromechanické, termoelektrické, fotoelektrické), principy a implementace. Hu, F., Cao, X.: Wireless Sensor Networks, Auerbach Publications 2010, ISBN: 978-1420092158 Priya, S., Inman, D.J.: Energy Harvesting Technologies, Springer 2009, ISBN: 978-0-387-76463-4 Moderní senzory (prof. Ripka, doc. Platil) 1. Fyzikální principy senzorů. Magnetické a kapacitní senzory. MEMS a další technologie výroby senzorů. Materiály pro senzory a jejich měření. Šum a jeho měření. Kalibrace a testování senzorů. 2. Zpracování informace ze senzorů: korelační metody, PSD, filtrace a fúze dat, tomografické metody. Senzory pro lékařskou diagnostiku. Senzory pro automobilovou, leteckou a kosmickou techniku. Bezpečnostní aplikace senzorů. Senzory pro inteligentní budovy a průmysl. Měření v geofyzice a archeologii. Fraden, Jacob:Handbook of modern sensors: physics, designs, and applications /Jacob Fraden.. New York : Springer, 2010. 8
Oborově zaměřené tematické okruhy Obor Letecké a kosmické systémy Přístrojové systémy letadel (doc. J. Roháč) 1. Přístrojové vybavení letadel, odolnost proti vnějším vlivům a EMC. Letadlové energetické sítě a zdroje elektrické energie. Přístroje a systémy pro měření a vyhodnocení motorových a aerometrických veličin. Měření množství paliva. Prostředky havarijní diagnostiky. 2. Využití magnetického pole Země v letectví. Inerciální navigační systémy, jejich architektura, prvky, fúze a validace dat, modelování. Moir I., Seabridge A.: Aircraft systems, Wiley 2008, ISBN:978-0-470-05996-8 Rogers R. M.: Applied mathematics in integrated navigation systems, 3rd edition, AIAA 2007, ISBN: 978-1-56347-927-4 Kosmické inženýrství (doc. R. Hudec, Dr. S. Vítek) 1. Kosmická fyzika. Podmínky kosmického prostředí a jeho specifika. Kosmické záření a částice a ochrana kosmických těles a přístrojů vůči nim. Přístrojové a systémové vybavení kosmických prostředků a jeho design. Zdroje elektrické energie. Kosmická optika. Optoelektronické systémy pro vesmír. Optické, rentgenové, infračervené, rádiové, a gama teleskopy, kamery a systémy. Detektory a detekční systémy. 2. Kosmické transportní prostředky, nosné rakety. Družice a kosmické sondy. Základní kategorie, aplikace. Návrh kosmických misí. Design družic a kosmických sond. Dynamika a stabilizace letu družice. Stabilizace a řízení orientace pomocí trysek, reakčních kol, rotací. Kooperativní řízení. Stabilizace orientace během translačních manévrů. 9
Maimi A. K., Agrawal V.: Satellite technology-principles and applications, Wiley 2007, ISBN: 978-0-470-03335-7 Fortescue P.,Stark J., Swinerd G.: Spacecraft systems engineering, 3rd edition, Wiley 2003, ISBN: 978-0-470-85102-9 Tribble, Alan C.: Space Environment Implications for Spacecraft Design. Princeton University Press 2003, ISBN: 978-0-69-110299-3 Integrovaná avionika (doc. P. Pačes) 1. Spolehlivost a bezpečnost integrovaných avionických systémů. Elektromagnetická kompatibilita, principy a systémy pro zajištění spolehlivosti avionických systémů. Prostředky a metody pro bezpečné programování avionických systémů. 2. Letadlové sběrnice. GPWS. Prostředky provozní diagnostiky avionických systémů. Certifikace avionických systémů a jejich programového vybavení. Management and Systems Design, Artech House, 2012, ISBN: 978-1-60807-151-7. Moir I., Seabridge A.: Aircraft systems, Wiley 2008, ISBN:978-0-470-05996-8 Systémy řízení letu (doc. M. Hromčík) 1. Systémy automatické stabilizace dynamiky letu letadla - autopiloty. Dynamické vlastnosti letadla v podélném a stranovém řízení. Model letadla, pohybové rovnice, soustavy souřadnic. Stabilizace podélného pohybu, stabilizace stranového pohybu. 2. Automatické vedení letadla po trati - systémy automatického řízení. Struktura, úkoly. Vedení letadla ve vertikální a v horizontální rovině, konečné přiblížení před přistáním. Plánování letu - optimální trajektorie, bezletové zóny, interakce s řízením letového provozu. Systémy a metody pro automatické řešení kolizních situací mezi letouny. Modelování a simulace letecké dopravy. Nolan M. S.: Fundamentals of Air Traffic Control, Cengage Learning, 2010, ISBN: 1435482727 Alam S.: Air Traffic Simulation and Modelling, VDM Verlag, 2009, ISBN: 3639022556 Letecké radiové systémy (doc. P. Kovář) 1. Definice navigace. Lety IFR, VFR, provozní kategorie ICAO, vybavení letadla. Země, geoid, referenční těleso, WGS 84. Vyjádření polohy. Rádiový zaměřovač. Automatický rádiový kompas a majáky NDB, indikace a využití pro pilotáž, budoucnost systému. Maják a přijímač systému VOR, způsoby indikace. Dálkoměrný systém DME. Systém majáků pro přiblížení na přistání ILS. Loran a jeho budoucnost jako systému záložního pro GNSS. Protisrážkové systémy TCAS. Rádiový výškoměr. Radarové systémy a jejich využití pro řízení letového provozu, palubní radar. 2. Družicové navigační systémy a principy jejich činnosti, dálkoměrná a dopplerovská metoda. Systémy GPS, Glonass, Galileo, Compass/BeiDou, IRNSS. Omnitracs. Srovnání jejich parametrů, kompatibilita. Nedostatky družicových navigačních systémů. Podpora systémů a diferenční měření - systémy WAAS, EGNOS, MSAS a QZSS. Letecké komunikační systémy. 10
Misra, P.; Enge, P.: Global Positioning System. Ganga Jamuna Press, Lincoln, Massachusetts, 2006. 2. vydání. Forssell, B.: Radionavigation systems. Artech, 2008. 11