[論文レビュー] Pure Coordination using the Coordinator--Configurator Pattern

Markus Klotzbücher, Geoffrey Biggs+1 more|arXiv (Cornell University)|Mar 1, 2013

Advanced Software Engineering Methodologies参考文献 7被引用数 6

ひとこと要約

本論文は、命令実行と調整論理を分離することで、コンポーネントベースのロボットシステムにおける調整を改善するためのCoordinator–Configuratorパターンを提案する。Orocos RTTフレームワーク内に実装されたLuaベースのDSLとしてのConfiguratorにアクション実行を移管することで、再利用性、時間的決定性、耐障害性が向上し、2台のyouBotロボットのハプティクス結合の実験でその有効性が示された。

ABSTRACT

This work-in-progress paper reports on our efforts to improve different aspects of coordination in complex, component-based robotic systems. Coordination is a system level aspect concerned with commanding, configuring and monitoring functional computations such that the system as a whole behaves as desired. To that end a variety of models such as Petri-nets or Finite State Machines may be utilized. These models specify actions to be executed, such as invoking operations or configuring components to achieve a certain goal. This traditional approach has several disadvantages related to loss of reusability of coordination models due to coupling with platform-specific functionality, non-deterministic temporal behavior and limited robustness as a result of executing platform operations within the context of the coordinator. To avoid these shortcomings, we propose to split this "rich" coordinator into a Pure Coordinator and a Configurator. Although the coordinator remains in charge of commanding and reacting, the execution of actions is deferred to the Configurator. This pattern, called "Coordinator-Configurator", is implemented as a novel Configurator domain specific language that can be used together with any model of coordination. We illustrate the approach by refactoring an existing application that realizes a safe haptic coupling of two youBot mobile manipulators.

研究の動機と目的

• 伝統的な調整モデルの限界、例えばプラットフォーム依存性、非決定的動作、耐障害性の低下を解消すること。
• プラットフォーム固有の操作から調整モデルを分離することで、その再利用性を向上させること。
• アクション実行の障害をCoordinatorから分離することで、システムの耐障害性を向上させること。
• 構成実行を局所化することで、調整論理のプロファイリングとベンチマークが容易になるようにすること。
• Configuratorパターンを用いたモジュラーかつ合成可能なアーキテクチャにより、プラットフォーム非依存の調整を実現すること。

提案手法

• 従来の「豊富な」Coordinatorを、意思決定を行うPure Coordinatorとアクション実行を行うConfiguratorの2つの役割に分解する。
• ConfiguratorをLuaで実装したドメイン固有言語（DSL）として、Orocos RTTフレームワークに統合する。
• システムの状態を名前付き構成として定義し、イベントが構成の適用とステータス報告をトリガーとする。
• イベント駆動メカニズムを用いて、入力イベントを特定の構成にバインドし、反応的な状態遷移を実現する。
• 構成適用を1つのコンポーネントに局所化することで、プロファイリングと測定を簡素化する。
• 構成プリミティブにコンポーネントの作成・破棄および接続管理を拡張することで、デプロイメントとしての調整を可能にする。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 どのようにすれば、異なるロボットプラットフォームやソフトウェアフレームワーク間で調整モデルを再利用可能にすることができるか？
• RQ2 別個のConfiguratorにアクション実行を延期することで、時間的決定性とシステム耐障害性がどのように向上するか？
• RQ3 DSLベースのConfiguratorは、リアルタイム性能を維持しつつ、プラットフォーム非依存の調整を可能にするか？
• RQ4 調整モデルは、より大きなロボットシステムにおけるサブシステムとして、どのように合成・再利用できるか？
• RQ5 デプロイメント、起動、シャットダウンを一様に構成シーケンスとしてモデル化できる範囲はどの程度か？

主な発見

• Coordinator–Configuratorパターンにより、調整論理とプラットフォーム固有のアクションが明確に分離され、異なるロボットシステム間での調整モデルの再利用が可能になった。
• Pure Coordinatorは、アクション実行がConfiguratorに延期されているため、反応的かつブロッキングされないままである。これにより、時間的決定性が向上した。
• Configuratorにおける障害はCoordinatorから分離されているため、Coordinatorが欠落したステータスイベントを検出・応答できるようになり、システムの耐障害性が向上した。
• DSLベースのConfiguratorにより、構成実行が1つのコンポーネントに限定されるため、調整動作の集中プロファイリングと測定が可能になった。
• パターンは、構成プリミティブにコンポーネントの作成・破棄および接続管理を拡張することで、デプロイメントとしての調整をサポートした。
• このアプローチにより、任意の有効なCoordinatorとConfigurator構成の組み合わせを再利用可能な複合コンポーネントとして扱えるモジュラーなサブシステムの合成が可能になった。