Kaiserslautern - Fachbereich Informatik
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In robotics, information is often regarded as a means to an end. The question of how to structure information and how to bridge the semantic gap between different levels of abstraction in a uniform way is still widely regarded as a technical issue. Ignoring these challenges appears to lead robotics into a similar stasis as experienced in the software industry of the late 1960s. From the beginning of the software crisis until today, numerous methods, techniques, and tools for managing the increasing complexity of software systems have evolved. The attempt to transfer several of these ideas towards applications in robotics yielded various control architectures, frameworks, and process models. These attempts mainly provide modularisation schemata which suggest how to decompose a complex system into less complex subsystems. The schematisation of representation and information flow however is mostly ignored. In this work, a set of design schemata is proposed which is embedded into an action/perception-oriented design methodology to promote thorough abstractions between distinct levels of control. Action-oriented design decomposes control systems top-down and sensor data is extracted from the environment as required. This comes with the problem that information is often condensed in a premature fashion. That way, sensor processing is dependent on the control system design resulting in a monolithical system structure with limited options for reusability. In contrast, perception-oriented design constructs control systems bottom-up starting with the extraction of environment information from sensor data. The extracted entities are placed into structures which evolve with the development of the sensor processing algorithms. In consequence, the control system is strictly dependent on the sensor processing algorithms which again results in a monolithic system. In their particular domain, both design approaches have great advantages but fail to create inherently modular systems. The design approach proposed in this work combines the strengths of action orientation and perception orientation into one coherent methodology without inheriting their weaknesses. More precisely, design schemata for representation, translation, and fusion of environmental information are developed which establish thorough abstraction mechanisms between components. The explicit introduction of abstractions particularly supports extensibility and scalability of robot control systems by design.
In dieser Arbeit wird gezeigt, wie durch eine Automatisierung von Software-Entwicklungsaktivitäten sowohl Effizienz- als auch Qualitätsgewinne erzielt und komplexe Aktivitäten beherrschbar gemacht werden können. Dazu wird zunächst eine solide Basis für eine modellbasierte Software-Entwicklung geschaffen. Nach der Identifikation der Probleme der bisher üblicherweise eingesetzten Metamodellierung wird eine verbesserte Multiebenenmodellierung vorgeschlagen, welche die explizite Angabe der Instanziierbarkeit (Tiefe und Automatismus der Instanziierung) der Modellelemente erlaubt und damit eine deutliche Vereinfachung und bessere Verständlichkeit der Metamodelle ermöglicht. Zur operationalen Beschreibung von Modelltransformationen im Kontext dieser Multiebenenmodellierung wird sodann die Aktionssprache AL++ konzipiert. Insbesondere durch die Einführung von Sprachelementen für die Handhabung von Relationen und Attributen und die Aufnahme von Reflexionskonstrukten in die Sprache AL++ werden Transformationen kompakt und generisch beschreibbar. Anwendung finden diese Ansätze in der modellbasierten Entwicklung reaktiver Systeme. Dazu wird eine existierende Entwicklungsmethode erweitert, um eine durchgängige Automatisierung realisieren zu können. Die wichtigste Erweiterung ist dabei die modifizierte Automatenmodellierung, bei welcher erweiterte Endliche Automaten durch die Komposition getrennt modellierter Zustandsübergänge spezifiziert werden, was eine eindeutige Verfolgbarkeit zu den Anforderungen erlaubt. Eingesetzt werden obige Techniken für die statische Analyse von Spezifikationen, wobei insbesondere die automatische Detektion von Feature-Interaktionen (also die Feststellung kritischer Wechselwirkungen zwischen Produktmerkmalen) in dieser Form erstmalig für den Bereich der reaktiven Systeme durchgeführt wird. Daneben werden automatisierte dynamische Analysen auf der Basis generierter Prototypen betrachtet. Die Analyseergebnisse können automatisiert für die Modifikation und Neukonstruktion der Prototypen genutzt werden, womit Software-Entwicklungsexperimente vollständig in einem „virtuellen Labor“ durchgeführt werden können. Wichtigstes experimentelles Ergebnis ist, dass eine statische Parametrisierung einer „intelligenten“ Temperaturregelung möglich ist und daher eine Reduktion der notwendigen Produktmerkmale (und damit der Komplexität) erreicht werden kann. In Fallstudien wird am Ende der Arbeit nachgewiesen, dass alleine durch die automatische Erzeugung von Entwicklungsdokumenten und die konsistente Änderung vorhergehender Dokumente durch die in dieser Arbeit implementierten Werkzeuge ein Effizienzgewinn von 54 % erreicht werden kann. Die Erstellung der eingesetzten Werkzeuge hätte sich dabei bereits nach zwei ähnlichen Projekten bezahlt gemacht.