[論文レビュー] Towards Interactive, Incremental Programming of ROS Nodes

Marian Sorin Adam, Ulrik Pagh Schultz|arXiv (Cornell University)|Dec 15, 2014

Software Engineering Research参考文献 8被引用数 4

ひとこと要約

本論文は、Pythonベースの内部DSLを用いた、ROSノードのインタラクティブで段階的なプログラミングアプローチを提案する。このアプローチにより、実行時における発行/購読トピックの動的ラッピングを通じて、既存ノードの動作を再定義可能となる。Pythonコマンドラインインターフェースを活用することで、再起動を伴わず、実験的かつ迅速にノードの振るまいを再構築でき、ボイラープレートコードの削減とロボットソフトウェア開発におけるプロトタイピングの加速が実現される。

ABSTRACT

Writing software for controlling robots is a complex task, usually demanding command of many programming languages and requiring significant experimentation. We believe that a bottom-up development process that complements traditional component- and MDSD-based approaches can facilitate experimentation. We propose the use of an internal DSL providing both a tool to interactively create ROS nodes and a behaviour-replacement mechanism to interactively reshape existing ROS nodes by wrapping the external interfaces (the publish/subscribe topics), dynamically controlled using the Python command line interface.

研究の動機と目的

• ロボットソフトウェア開発における反復サイクルの遅さ、特に初期段階の実験段階での課題に対処すること。
• ソフトウェアの専門知識が限られたロボティシャンのための迅速なプロトタイピングと振るまいの実験を容易にすること。
• ROS開発における従来のMDSDやコンポーネント指向アプローチの代替として、ボトムアップの手法を提供すること。
• コードの複製や再起動なしに、動的かつ段階的に既存のROSノードを変更できること。
• 実行時におけるノードインタフェースのラッピングを通じて、PythonベースのDSLを用いた対話型開発を支援すること。

提案手法

• Pythonに埋め込まれた内部DSLを用いて、コマンドラインから直接ROSノードを定義・変更する。
• 既存ノードの発行/購読トピックの振るまいを動的にインターセプトし、再構築することでノードラッピングを実装する。
• 実行中のノードのトピックおよびメッセージタイプをインスペクト・発見するために、標準のROSツール（例：rostopic info, rosnode info）を活用する。
• ライブな変更と将来的なコード生成を可能にするために、ノード構造の内部モデルを維持する。
• 標準のROSメッセージトランスポートとシリアル化/デシリアライズを採用し、将来の最適化のためにはanyMsgやnodeletsを検討する。
• 元のノードのインタフェースを保ったまま、新しい論理をラッパー・ノードで定義することで、ノードの振るまいを拡張・置き換え可能にする。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 再起動やコードの複製なしに、ROSノードのインタラクティブで段階的なプログラミングをどのように実現できるか。
• RQ2 Pythonベースの内部DSLは、ROSノード開発のプロトタイピング速度と使いやすさをどの程度向上できるか。
• RQ3 実行時におけるノードインタフェースのラッピングは、有効な振るまいの実験と安全なロボット制御を可能にするか。
• RQ4 メッセージシリアル化を伴う動的ラッピングと、ネイティブノード実装との間で、どのようなパフォーマンス的トレードオフが生じるか。
• RQ5 このようなシステムは、共同作業、コードの永続化、および既存のMDSDツールとの統合を、ロボットソフトウェア開発においてどのように支援できるか。

主な発見

• 提案されたDSLにより、Pythonコマンドラインを介した実行時の外部インタフェースラッピングを通じて、既存ROSノードの対話的かつ段階的な変更が可能となった。
• ボイラープレートコードの削減と実験の加速が実現され、特に非エキスパートのロボティシャンや迅速なプロトタイピングにおいて顕著な利点を示した。
• ノードの再起動なしに、ライブでノードの振るまいを再構築でき、開発中の即時のフィードバックが可能となった。
• 内部DSLはノード構造の抽象モデルを維持しており、将来的なMDSDツールとの統合やコード生成の可能性を秘めている。
• メッセージシリアル化に起因するパフォーマンスのオーバーヘッドは認識されており、将来の最適化のためにはanyMsgやnodeletsの活用が検討されている。
• レガシーや信頼できないソフトウェアコンポonentをラップすることで、元のコードに依存せずに安全制約を強制できるため、セーフティクリティカルなアプリケーションへの応用が可能となった。