[論文レビュー] A Verifiable and Correct-by-Construction Controller for Robot Functional Levels

Saddek Bensalem, Lavindra de Silva+2 more|arXiv (Cornell University)|Sep 2, 2013

Formal Methods in Verification参考文献 39被引用数 7

ひとこと要約

本稿では、BIP（行動、相互作用、優先順位）コンポーネント指向フレームワークを用いて、ロボットの機能レベルにおける検証可能で、正しく構築された制御装置を提示する。この制御装置は、デッドロックのない動作といった安全特性を保証する実行制御装置の形式的合成を可能にする。本手法はLAASアーキテクチャに統合され、実際のロボットプラットフォームにおいて実用的で、許容可能な実行時オーバーヘッドを伴うことが示された。

ABSTRACT

Autonomous robots are complex systems that require the interaction and cooperation between numerous heterogeneous software components. In recent times, robots are being increasingly used for complex and safety-critical tasks, such as exploring Mars and assisting/replacing humans. Consequently, robots are becoming critical systems that must meet safety properties, in particular, logical, temporal and real-time constraints. To this end, we present an evolution of the LAAS architecture for autonomous systems, in particular its GenoM tool. This evolution relies on the BIP component-based design framework, which has been successfully used in other domains such as embedded systems. We show how we integrate BIP into our existing methodology for developing the lowest (functional) level of robots. Particularly, we discuss the componentization of the functional level, the synthesis of an execution controller for it, and how we verify whether the resulting functional level conforms to properties such as deadlock-freedom. We also show through experimentation that the verification is feasible and usable for complex, real world robotic systems, and that the BIP-based functional levels resulting from our new methodology are, despite an overhead during execution, still practical on real world robotic platforms. Our approach has been fully implemented in the LAAS architecture, and the implementation has been used in several experiments on a real robot.

研究の動機と目的

• 複雑なタスクを実行する自律ロボットにおける安全制御の増大するニーズに対応すること。
• モジュラー性と正しさの向上を図るため、コンポーネント指向設計を用いてロボットの機能レベルを形式化すること。
• 論理的、時間的、リアルタイム制約を強制する正しく構築された実行制御装置を合成すること。
• BIPフレームワーク内での形式的技法を用いて、デッドロックのない動作といった安全特性を検証すること。
• 実世界のロボットプラットフォームにおける実用的妥当性と性能を実証すること。

提案手法

• ロボットの機能レベルの制御装置をモデル化・合成するために、BIP（行動、相互作用、優先順位）コンポーネント指向フレームワークを適応すること。
• ロボットの機能コンポーネントを、明確に定義されたインターフェースと優先順位を持つ原子的動作にコンポーネント化すること。
• BIPの形式的意味論を用いて、コンポーネント仕様からグローバル実行制御装置を自動合成すること。
• 合成された制御装置におけるデッドロックのない動作やライブネスなどの性質を検証するための形式的検証技法を適用すること。
• エンドツーエンドのロボット制御を可能にするために、BIPベースの制御装置をLAASアーキテクチャに統合すること。
• 実際のロボットプラットフォームでの評価を通じて、実行時オーバーヘッドと実用性を評価すること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 自律ロボットの機能レベルに、BIPのようなコンポーネント指向形式フレームワークを効果的に適用できるか？
• RQ2 BIPベースの制御装置合成が、デッドロックのない動作といった望ましい安全特性を保証するか？
• RQ3 得られた制御装置が、許容可能な性能オーバーヘッドで実際のロボットハードウェア上で効率的に実行可能か？
• RQ4 実世界のロボットシステムにおける複雑さの増大に伴い、形式的検証プロセスはどのようにスケーリングするか？
• RQ5 この手法は、ロボット機能制御の正しさと保守性をどの程度向上させるか？

主な発見

• BIPベースの制御装置合成により、ロボット機能システムにおける論理的、時間的、リアルタイム制約が効果的に強制された。
• 形式的検証により、合成された制御装置にデッドロックやその他の安全違反がないことが確認された。
• 本手法は実際のロボットプラットフォームに成功裏に実装・検証され、実用的妥当性が示された。
• BIPベースの制御装置によって引き起こされる実行時オーバーヘッドは、リアルタイムロボティクスアプリケーションにとって許容可能な範囲にとどまった。
• 本手法により、検証可能な安全特性を持つ正しく構築された設計が可能となり、実行時エラーのリスクが低減された。
• LAASアーキテクチャへの統合により、複雑なロボット行動のエンドツーエンドの検証と制御が可能になった。