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Middleware for Efficient Programming of Autonomous Mobile Robots

Thomas, Dirk :
Middleware for Efficient Programming of Autonomous Mobile Robots.
TU Darmstadt
[Ph.D. Thesis], (2010)

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Item Type: Ph.D. Thesis
Title: Middleware for Efficient Programming of Autonomous Mobile Robots
Language: English
Abstract:

Programming of autonomous mobile robots is subject to a set of unique requirements, which differ significantly from pure software projects and programming of stationary robots. Despite severe constraint on the payload and thereby limited available computational power, real-time constraints for physical interaction of the robot with its environment must be satisfied. Furthermore, the complexity of robots, the uncertainties in sensors and the interaction with the environment and the cooperation of multiple robots leads to especially difficult conditions regarding testing, debugging, monitoring and analysis. The present thesis discusses the specific requirements on runtime efficiency of middleware. The developed methodology reduces the overhead for local information exchange in a message-oriented middleware and is transparent for the involved endpoints. Additionally, the publish/subscribe messaging system is extended with filtering functionality, which is performed directly at the publisher-side in order to considerably reduce the utilized resources. Based on this further methods have been developed to distributed record data and replay them synchronized, which enable an efficient offline-analysis of intrinsic data of multiple robots as well as external reference data. The offline-analysis of voluminous data pools, which is commonly a very time-consuming and error-prone procedure, is significantly accelerated with automated analysis capabilities which enable an objective evaluation and analysis of autonomously operating teams of cooperating robots. The presented concepts have been implemented both in the robotics middleware RoboFrame and on-top of the open source project Robot Operating System (ROS). The developed software serves as the foundation for a set of real-world applications with wheeled, four-legged and humanoid robots.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage
Die Programmierung autonomer mobiler Robotiksysteme unterliegt einer Reihe einzigartiger Anforderungen, welche sich von denen der konventionellen Softwareentwicklung und der Programmierung stationärer Roboter deutlich unterscheiden. Trotz stark eingeschränkter Onboard-Kapazitäten und damit beschränkter Rechenleistung müssen Echtzeit-Bedingungen bei der zeitlichen und räumlichen Interaktion eines Roboters mit seiner Umgebung eingehalten werden. Darüber hinaus erschweren die hohe Komplexität der zahlreichen Hardware- und Software-Komponenten eines Roboters, die hohen Unsicherheiten in der sensorischen Wahrnehmung sowie in der Interaktion mit der Umwelt erheblich das Testen, die Fehlersuche, die Überwachung und die Analyse von Roboterprogrammen. Die vorliegende Dissertation behandelt die besonderen Anforderungen der Laufzeiteffizienz von Middleware für autonome Roboter. Die entwickelte Methodik reduziert den Overhead beim lokalen Austausch von Informationen in Nachrichten-basierter Kommunikation und ist transparent für die beteiligten Endpunkte. Außerdem wird die publish/subscribe-basierte Kommunikation um effiziente Filterungsmechanismen erweitert, welche bereits auf der Erstellerseite angewendet werden, wodurch eine erhebliche Reduzierung der notwendigen Ressourcen erreicht wird. Darauf aufbauend werden Methoden zur verteilten Aufzeichnung und synchronisierten Wiedergabe von Daten entwickelt, die eine nachträgliche effiziente Fehlersuche und Analyse unter Berücksichtigung sämtlicher intrinsischer Daten mehrerer Roboter sowie von externen Videos ermöglichen. Die Offline-Analyse von umfangreichen Datenbeständen, welche üblicherweise einen sehr zeitintensiven und fehleranfälligen Vorgang darstellt, wird durch automatisierte Analysemöglichkeiten erheblich beschleunigt und ermöglicht nachträglich eine objektive Bewertung und Auswertung autonom agierenden Teams kooperierender Roboter. Die entwickelten Konzepte wurden sowohl in der Robotik-Middleware RoboFrame als auch dem OpenSource-Projekt Robot Operating System (ROS) umgesetzt. Die dabei entstandene Software dient als Basis einer ganzen Reihe realer Anwendungen mit radgetriebenen, vierbeinigen und humanoiden, autonomen Robotern.German
Uncontrolled Keywords: Middleware, Efficient Programming, Autonomous Robots, Mobile Robots
Alternative keywords:
Alternative keywordsLanguage
Middleware, Efficient Programming, Autonomous Robots, Mobile RobotsEnglish
Classification DDC: 600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften > 620 Ingenieurwissenschaften
000 Allgemeines, Informatik, Informationswissenschaft > 004 Informatik
Divisions: Fachbereich Informatik > Simulation, Systemoptimierung und Robotik
Date Deposited: 16 Feb 2011 12:47
Last Modified: 07 Dec 2012 11:58
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-23437
License: Simple publication rights for ULB
Referees: von Stryk, Prof. Dr. Oskar and Reggiani, Prof. Dr. Monica
Refereed: 19 November 2010
URI: http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/2343
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