Forschung : Projekte : DFG Middleware

Middleware für kooperierende mobile Roboter

DFG SPP 1125 – Kooperierende Teams mobiler Roboter in dynamischen Umgebungen (RoboCup)

Im RoboCup, wie auch in vielen anderen mobilen, kooperativen Robotik-Anwendungen, sind die eingesetzten Roboter-Plattformen nicht homogen. Trotzdem sollte es möglich sein, Komponenten (Hard- und Software) zwischen diesen Plattformen austauschbar zu gestalten. Dazu bedarf es einer geeigneten Software-Schicht, die auf der einen Seite eine maximale Heterogenität unterstützt und auf der anderen Seite trotzdem eine effiziente Kommunikation der Komponenten ermöglicht. Eine gemeinsame Programmiersprache mit entsprechend portierbarer Laufzeitumgebung, wie Java sie darstellt, oder ein einheitliches Betriebssystem sind hier sicher zu begrüßen, in der Realität liegen aber viele der Komponenten (Hard- und Software) bereits in einer dazu nicht kompatiblen Form vor. Das Ziel muss es daher sein, eine möglichst sprach- und betriebssystemübergreifende Kommunikation zu ermöglichen. Genau diesem Ziel dient auch in anderen Anwendungsfeldern die Middleware. Wie bei allen bewegten physikalischen Systemen spielen aber Echtzeitanforderungen in mobilen, kooperativen Robotik-Anwendungen eine entscheidende Rolle. Die Interaktion der Komponenten und der einzelnen mobilen Roboter unterliegt Zeitanforderungen unterschiedlicher Granularität. Eine geeignete Middleware muss es ermöglichen solche Zeitanforderungen an den Schnittstellen explizit zu beschreiben und sie muss diese zur Laufzeit durchsetzen.

Ziel
Ziel des Projektes über die Gesamtlaufzeit ist es, eine speziell für die Anforderungen von kooperierenden mobilen Robotern zugeschnittene Middleware zur Verfügung zu stellen, d.h. eine Software-Schicht, die die zur Kooperation erforderliche Kommunikation durchführt, die heterogen Komponenten des Gesamtsystems integriert und dabei die notwendigen Voraussetzungen an Rechtzeitigkeit und Fehlertoleranz berücksichtigt.

Ansatz
Da es sich um mobile Einheiten handelt, muss der erste Schritt zu einer solchen Middleware eine effiziente Kommunikation über ein drahtloses Medium sein. Unser Ansatz ist dabei, aufbauend auf der akzeptierten IEEE 802.11b WLAN Technologie die noch fehlenden benötigten Eigenschaften zu ergänzen.

Um diese Eigenschaften zu realisiern, werden fehlertoleranter Echtzeit-Gruppen­kommu­ni­ka­tions­protokolle bereitgestellt. Diese Protokolle zeichnen sich für die betrachteten Anwendungen dadurch aus, dass sie semantisch wesentlich höhere Dienstleistungen bereitstellen als die TCP/IP Protokolle, dass sie parametrisierbar hinsichtlich ihrer Fehlertoleranz- und Echtzeiteigenschaften sind und außerdem die Charakteristika des unterliegenden Mediums kennen und ausnutzen.

Durchführung
Zur Evaluation der verwendeten Methoden und ihrer Implementierung wird als repräsentative Applikation eine verteilte Sensor-Fusion realisiert. Die Umsetzung findet auf der vorhandenen Plattform, einem Team von drei mobilen Robotern, statt. Die Sensor-Daten werden dazu über das Gruppen­kommu­ni­ka­tionsprotokoll an die beteiligten Roboter übermittelt, um dort mit Daten anderer Sensoren und Roboter fusioniert zu werden und damit zu einer genaueren dezentralen Welt-Modellierung beitragen zu können. Es ist offensichtlich, dass nur eine rechtzeitige und zuverlässige Übermittlung der Daten in dynamischen Umgebungen erfolgbringend sein kann. Daher werden die Daten mit globalen Zeitstempeln versehen und mit einer Deadline behaftet übertragen. Da es sich bei den vorgesehenen Sensoren um Laserscanner- bzw. Bilddaten handeln wird, ist auch offensichtlich, dass die Anforderungen an die Bandbreite erheblich sind und nur durch eine effiziente Ausnutzung der im WLAN immer noch vergleichs­weise beschränkten Bandbreite zu erreichen sind.



Zwei Roboter koordinieren sich an einer Auffahrt

Im Einzelnen werden dazu die folgenden Teilaufgaben bearbeitet:

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• Anforderungsanalyse für Middleware und Kommunikationsschicht
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• Vermessungen der WLAN Kommunikation
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• Design von Protokollen zur integrierten Behandlung von Nachrichten verschiedener Dringlichkeiten und Wichtigkeiten
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• Analyse und Simulation der Protokolle
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• Implementierung und Scheduling der Kommunikation
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• Design und Implementierung der Sensorfusion
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• System-Evaluation

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