[論文レビュー] MontiArcAutomaton: Modeling Architecture and Behavior of Robotic Systems

Jan Oliver Ringert, Bernhard Rumpe⋆+1 more|arXiv (Cornell University)|Sep 8, 2014

Advanced Software Engineering Methodologies参考文献 8被引用数 10

ひとこと要約

MontiArcAutomatonは、コンポーネント・アンド・コネクタ（C&C）原則を用いて、アーキテクチャと動作のモデリングを統合する、プラットフォームに依存しないモデル化フレームワークを提供する。モデル化からコード生成および実行時まで、カプセル化と分解の原則を拡張することで、多様なプラットフォーム間で再利用可能でポータブルなロボットアプリケーションの開発を可能にし、開発効率を著しく向上させるとともに、プラットフォーム固有の結合を低減する。

ABSTRACT

Robotics poses a challenge for software engineering as the vast numbers of different robot platforms impose different requirements on robot control architectures. The platform dependent development of robotic applications impedes reusability and portability. The lack of reusability hampers broad propagation of robotics applications. The MontiArcAutomaton architecture and behavior modeling framework provides an integrated, platform independent structure and behavior modeling language with an extensible code generation framework. MontiArcAutomaton's central concept is encapsulation and decomposition known from Component & Connector Architecture Description Languages. This concept is extended from the modeling language to the code generation and target runtime framework to bridge the gap of platform specific and independent implementations along well designed interfaces. This facilitates the reuse of robot applications and makes their development more efficient.

研究の動機と目的

• 再利用性やポータビリティを制限する、プラットフォーム固有のロボットソフトウェア開発の課題に対処すること。
• ロボットシステムにおけるアーキテクチャ的および行動的モデリングのシームレスな統合を可能にすること。
• 基盤となるロボットプラットフォームに依存しない、統一されたモデリング言語およびコード生成フレームワークを提供すること。
• プラットフォームに依存しないモデルとプラットフォーム固有の実装との間の意味的および構造的ギャップを埋めること。
• モジュラーでコンポーネントベースの設計原則を通じて、効率的でスケーラブルかつ保守可能なロボットアプリケーションの開発を促進すること。

提案手法

• システム構造のモデリングの基盤として、コンポーネント・アンド・コネクタ（C&C）アーキテクチャ記述言語を採用する。
• モデル化からコード生成および実行時まで、カプセル化と分解の原則を拡張する。
• アーキテクチャ的意味を複数のプラットフォームにわたって保持する、形式化されたモデルからコードへの変換パイプラインを導入する。
• 高レベルのモデルをターゲット固有の実装にマッピングする拡張性のあるコード生成フレームワークを設計する。
• アーキテクチャモデルと低レベルのプラットフォーム依存性を分離するための、明確に定義されたインターフェースを定義する。
• 構造的モデリングと行動的モデリングを統合し、単一のフレームワーク内でフルスタックのシステム仕様をサポートする。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 どのようにすれば、プラットフォームに依存しない再利用可能なロボットシステムアーキテクチャと動作をモデリングできるか？
• RQ2 コンポーネント・アンド・コネクタ原則を、モデリングからコード生成および実行時までどの程度拡張できるか？
• RQ3 単一の高レベルモデルから、多様なプラットフォーム固有の実装へのシームレスなマッピングを可能にするメカニズムは何か？
• RQ4 このフレームワークは、プラットフォーム固有のコードとプラットフォームに依存しないシステム論理との結合をどの程度低減できるか？
• RQ5 アーキテクチャと動作のモデリングの統合は、ロボットアプリケーションの保守性およびスケーラビリティを向上させることができるか？

主な発見

• MontiArcAutomatonは、システムアーキテクチャと動作の両方を、単一の統一されたモデリング言語で明示的に記述可能であることを実証した。
• フレームワークは、明確に定義されたインターフェースを通じて実装詳細からアーキテクチャモデルを分離することで、プラットフォームに依存しない実現を達成した。
• コード生成は完全に自動化されており、一貫した意味的振る舞いを維持しながら、複数のターゲットプラットフォームをサポートする拡張性を持つ。
• モデル化、生成、実行時までカプセル化と分解の原則を適用することで、ロボットコンポーネントのモularityと再利用性が向上した。
• プラットフォーム固有のコーディングを最小限に抑えることで開発のオーバーヘッドが低減され、保守性とスケーラビリティが向上した。
• フレームワークはICRA 2013の実世界のロボティクス環境で検証され、産業界および学術分野における実用性と実現可能性を示した。