[論文レビュー] Model-driven engineering approach to design and implementation of robot control system

Piotr Trojanek|arXiv (Cornell University)|Feb 20, 2013

Model-Driven Software Engineering Techniques参考文献 10被引用数 13

ひとこと要約

本稿では、ドメイン固有のモデリング言語（DSML）を用いてサブスミッションアーキテクチャのためのロボット制御システムを設計・実装するモデル駆動工学（MDE）アプローチを提示する。Eclipse Modeling Framework（EMF）を用いてメタモデル、図形表記、コードジェネレータを定義することで、Lego Mindstorms NXTなどの組み込みプラットフォーム向けにコンパactsな効率的なAdaコードを自動生成することを実証し、最小限のオーバーヘッドで50kBの実行可能コードを達成した。

ABSTRACT

In this paper we apply a model-driven engineering approach to designing domain-specific solutions for robot control system development. We present a case study of the complete process, including identification of the domain meta-model, graphical notation definition and source code generation for subsumption architecture -- a well-known example of robot control architecture. Our goal is to show that both the definition of the robot-control architecture and its supporting tools fits well into the typical workflow of model-driven engineering development.

研究の動機と目的

• ロボット制御アーキテクチャ設計における体系的でないアプローチ、すなわち主に経験的で芸術的である状態の是正を目的とする。
• モデル駆動工学（MDE）の原則を適用し、形式的で再利用可能かつツール支援の整った開発プロセスをロボット制御システムに構築することを目的とする。
• ドメイン固有のモデリング言語（DSML）を用いた高水準な仕様記述と自動コード生成の実現可能性および利点を示すこと。
• モデル変換によるアーキテクチャ設計と低レベルコーディングの分離を通じて、実装の複雑さを軽減し、移植性を向上させること。
• EMFベースのツールを用いて、ロボット制御システムのための包括的で統合された開発環境（IDE）を提供すること。

提案手法

• EMFのコアモデリングフレームワークたるEcoreを用いて、サブスミッションアーキテクチャのためのドメイン固有のメタモデルを定義し、制御モジュールおよびその相互作用を形式化する。
• 開発者の読みやすさと使いやすさを向上させるために、UMLクラス図の慣習に基づく図形表記を設計する。
• モデルの整合性と意味的正しさを保証するため、オブジェクト制約言語（OCL）を用いて制約を指定する。
• リアルタイム組み込みシステムをターゲットとして、サブスミッションモジュールのAdaソースコードのスケルトンを生成するためのモデルからテキストへの変換を実装する。
• EMFのサテライトツールを用いて、1つのIDE内にエディタ、バリデータ、コードジェネレータを含む包括的なツールチェーンを構築する。
• Lego Mindstorms NXTプラットフォーム上でアプローチを評価し、50kBの実行可能コードサイズを達成し、最小限の実行時フットプリントを示した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 モデル駆動工学は、ロボット制御システムの設計および実装に効果的に適用可能か？
• RQ2 反応型ロボット制御アーキテクチャ（サブスミッションを含む）の意味を捉えるために、ドメイン固有のモデリング言語（DSML）をどのように構築できるか？
• RQ3 モデルからテキストへの変換は、組み込みロボティクスプラットフォーム向けに、どれほどコンパクトで効率的かつ正しい低レベルコードを生成できるか？
• RQ4 メタモデリング、表記法、検証、コード生成を1つのツールチェーンに統合することで、開発生産性の向上とエラー削減が図れるか？
• RQ5 Lego Mindstorms NXTのような実際の組み込みシステム上で、生成コードの実用的妥当性とパフォーマンスオーバーヘッドはどの程度か？

主な発見

• 提案されたMDEアプローチにより、リソース制限のあるLego Mindstorms NXTプラットフォーム上で、サブスミッションアーキテクチャ向けに50kBの実行可能Adaアプリケーションを自動生成することが成功した。
• 形式的なメタモデルとOCL制約の使用により、モデルの一貫性が保証され、設計段階でのエラーが削減された。
• UMLクラス図に基づく図形表記により、開発者が制御アーキテクチャの理解と読みやすさが向上した。
• EMFおよびそのサテライトプロジェクトを用いて、モデルエディタ、バリデータ、コードジェネレータを含む包括的なツールチェーンが実装され、エンドツーエンドのツール統合が実証された。
• 生成コードはコンパクトで効率的であり、リアルタイム組み込み実行に適した最小限のアーキテクチャ的フットプリントを達成した。
• ソースコードおよびモデリングアーティファクトはGitHub上で公開されており、フレームワークの再利用およびさらなる拡張が可能である。