[논문 리뷰] A Verifiable and Correct-by-Construction Controller for Robot Functional Levels

Saddek Bensalem, Lavindra de Silva외 2명|arXiv (Cornell University)|2013. 09. 02.

Formal Methods in Verification참고 문헌 39인용 수 7

한 줄 요약

이 논문은 BIP 구성 요소 기반 프레임워크를 사용하여 로봇 기능 수준에 대한 검증 가능하고 정확한 제어기를 제안하며, 死 锁 방지와 같은 안전성 성질을 보장하는 실행 제어기의 형식적 합성을 가능하게 한다. 이 접근법은 BIP를 LAAS 아키텍처에 통합하여 실제 로봇 플랫폼에서의 타당성과 실용성을 입증하였으며, 실행 시간 오버헤드가 수용 가능한 수준이었다.

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.

연구 동기 및 목표

• 복잡한 작업을 수행하는 자율 로봇에서 안전성이 핵심적인 제어 요구가 증가하는 데 대응하기 위해.
• 모듈성과 정확성을 향상시키기 위해 구성 요소 기반 설계를 사용하여 로봇의 기능 수준을 형식화하기 위해.
• 논리적, 시간적, 실시간 제약 조건을 강제하는 정확한 제어기를 합성하기 위해.
• BIP 프레임워크 내에서 형식적 방법을 사용하여 사전 조건, 예를 들어 사전 정의된 사전 조건의 부재 등을 확인하기 위해.
• 실세계 로봇 플랫폼에서의 실용성과 성능을 입증하기 위해.

제안 방법

• 로봇 기능 수준의 제어기를 모델링하고 합성하기 위해 BIP(Behavior, Interaction, and Priority) 구성 요소 기반 프레임워크의 적응.
• 로봇 기능 구성 요소를 잘 정의된 인터페이스와 우선순위를 가진 원자적 행동으로 구성화.
• BIP의 형식적 의미론을 사용하여 구성 요소 사양에서 글로벌 실행 제어기를 자동으로 합성.
• 합성된 제어기에서 사전 조건의 부재와 생존성 등의 성질을 확인하기 위해 형식적 검증 기법 적용.
• 종단 간 로봇 제어를 위해 BIP 기반 제어기를 LAAS 아키텍처에 통합.
• 실행 시간 오버헤드와 실용성 평가를 위해 실제 로봇 플랫폼에서 평가.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 자율 로봇의 기능 수준에 효과적으로 적용될 수 있는 구성 요소 기반 형식적 프레임워크인 BIP가 타당한가?
• RQ2 BIP 기반의 제어기 합성으로 사전 조건의 부재와 같은 원하는 안전성 성질을 보장할 수 있는가?
• RQ3 결과로 도출된 제어기가 실시간 로봇 하드웨어에서 효율적으로 실행되어 수용 가능한 성능 오버헤드를 유지하는가?
• RQ4 실세계 로봇 시스템에서 복잡성 증가에 따라 형식적 검증 과정의 확장성은 어떻게 되는가?
• RQ5 이 방법론이 로봇 기능 제어의 정확성과 유지보수성에 얼마나 기여하는가?

주요 결과

• BIP 기반 제어기 합성은 로봇 기능 시스템에서 논리적, 시간적, 실시간 제약 조건을 성공적으로 강제한다.
• 형식적 검증을 통해 합성된 제어기에서 사전 조건의 부재 및 기타 안전성 위반 사항이 없음을 확인하였다.
• 이 방법론은 실제 로봇 플랫폼에 성공적으로 구현되고 검증되었으며, 실용성의 타당성을 입증하였다.
• BIP 기반 제어기에서 유도된 실행 시간 오버헤드는 실시간 로봇 응용에 있어 수용 가능한 수준을 유지하였다.
• 이 방법론은 검증 가능한 안전성 성질을 갖춘 정확한 제어기 설계를 가능하게 하여 런타임 장애의 위험을 감소시켰다.
• LAAS 아키텍처에의 통합을 통해 복잡한 로봇 행동에 대한 종단 간 검증 및 제어가 가능해졌다.