[論文レビュー] Towards Quality of Service and Resource Aware Robotic Systems through Model-Driven Software Development

Andreas Steck, Christian Schlegel|arXiv (Cornell University)|Sep 24, 2010

Model-Driven Software Engineering Techniques参考文献 9被引用数 10

ひとこと要約

本稿では、ドメイン固有のメタモデルを用いてサービス品質（QoS）およびリソース制約を明示的にモデル化することで、ロボットシステム向けのモデル駆動ソフトウェア開発アプローチを提示する。Eclipseベースのツールチェーン（モデル変換、コード生成、設計時解析（スケジューラビリティのチェックを含む））を活用することで、非機能的特性の体系的管理が可能となり、再利用性、リソース認識、ランタイムでの適応性が向上する。サービスロボティクスにおけるシステム品質と再利用性の向上に寄与する。

ABSTRACT

Engineering the software development process in robotics is one of the basic necessities towards industrial-strength service robotic systems. A major challenge is to make the step from code-driven to model-driven systems. This is essential to replace hand-crafted single-unit systems by systems composed out of components with explicitly stated properties. Furthermore, this fosters reuse by separating robotics knowledge from short-cycled implementational technologies. Altogether, this is one but important step towards "able" robots. This paper reports on a model-driven development process for robotic systems. The process consists of a robotics metamodel with first explications of non-functional properties. A model-driven toolchain based on Eclipse provides the model transformation and code generation steps. It also provides design time analysis of resource parameters (e.g. schedulability analysis of realtime tasks) as a first step towards overall resource awareness in the development of integrated robotic systems. The overall approach is underpinned by several real world scenarios.

研究の動機と目的

• ロボットソフトウェア開発における応答時間やリソース使用量といった非機能的特性の体系的取り扱いの欠如に対処する。
• ロボティクスにおけるアドホックでコード駆動の開発を置き換えるモデル駆動工学（MDE）を可能にする。
• ロボティクスの論理を低レベルの実装詳細から分離することで、再利用性と保守性を向上させる。
• 設計時およびデプロイ時におけるQoSおよびリソースパラメータを明示的にすることで、ランタイムでの動的適応を可能にする。
• リアルタイムコンポonentのためのスケジューラビリティおよびリソース制約検証といった設計時解析機能を提供する。

提案手法

• Worst-Case Execution Time（WCET）や周期といった非機能的特性を明示的に含む、プラットフォームに依存しないモデル（PIM）を記述するロボティクス固有のメタモデル（SmartMARS）を定義する。
• EclipseおよびOAWフレームワークを基盤とするモデル駆動ツールチェーンを実装し、モデル変換、コード生成、検証を実現する。
• プラットフォームに依存するモデル（PSM）を用いて、特定の実行プラットフォーム（例：RTAI-Linux、CORBA）をターゲットとするコード生成を行い、実装の複雑さを抽象化する。
• isRealtime属性およびプラットフォームの能力に基づく条件付き変換ルールを用いて、リアルタイムおよび非リアルタイムタスクのマッピングをサポートする。
• 既存のライブラリ（例：OpenRAVE、Player/Stage、OpenCV）を、生成されたインターフェースとユーザー定義のコード制約を用いてコンポーネントハルに統合する。
• コンポーネントをプロセッサおよび通信バスにマッピングするデプロイメントモデリングをサポートし、リソース制約およびシステム動作の解析を可能にする。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 応答時間やリソース消費といった非機能的特性を、ロボットソフトウェアシステムにおいてどのように体系的にモデル化・管理できるか。
• RQ2 モデル駆動開発が、サービスロボティクスにおける再利用性、保守性、品質をどの程度向上できるか。
• RQ3 QoSおよびリソース制約（例：スケジューラビリティ）の設計時解析を、ロボットソフトウェア開発ライフサイクルに効果的に統合できるか。
• RQ4 明示的なQoSおよびリソースメタデータに基づいて、コンポーネントベースのロボットシステムをランタイムでどのように動的に適応できるか。
• RQ5 標準化されたモデリング言語（UML、MARTE）およびツールチェーンを用いて、埋め込みロボットシステムの体系的開発が可能か。

主な発見

• モデル駆動アプローチにより、メタモデル内で最悪実行時間（WCET）やタスク周期といった非機能的特性の明示的仕様化が成功裏に実現された。
• ツールチェーンは、PIMからPSMへの自動的コード生成および変換をサポートし、実装エラーの低減と開発の加速を実現した。
• デプロイメントモデルをCHEDDAR固有の解析モデルに変換することで、設計時におけるスケジューラビリティ解析が実現可能であることが示された。
• 既存のライブラリ（例：GMapping、MRPT、OpenCV）は変更なしにコンポーネントハルに統合され、再利用性が実証された。
• 本アプローチはランタイムでの動的適応をサポートする：ハードリアルタイム対応が欠落しているプラットフォームが検出され、その不足がツールチェーンで報告された。
• 実世界のシナリオ（例：RoboCup@Homeの「フォローミー」、「ショッピングモール」）が、モデル駆動コンポーネントフレームワークを用いて成功裏に実装された。