[论文解读] A Verifiable and Correct-by-Construction Controller for Robot Functional Levels

Saddek Bensalem, Lavindra de Silva+2 more|arXiv (Cornell University)|Sep 2, 2013

Formal Methods in Verification参考文献 39被引用 7

一句话总结

本文提出了一种基于BIP组件化框架的可验证且构造正确性保证的控制器，用于机器人功能层级，实现了对死锁消除等安全属性的正式合成。该方法将BIP集成到LAAS架构中，在真实机器人平台上展示了其可行性与实用性，且运行时开销可接受。

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.

研究动机与目标

• 为应对自主机器人执行复杂任务时日益增长的安全关键控制需求。
• 通过组件化设计形式化机器人功能层级，以提升模块化与正确性。
• 合成一种构造正确性保证的执行控制器，以强制实施逻辑、时间与实时约束。
• 利用BIP框架内的形式化方法验证死锁消除等安全属性。
• 在真实世界机器人平台上展示方法的实际可行性与性能表现。

提出的方法

• 将BIP（行为、交互与优先级）组件化框架适配于机器人功能层级的建模与控制器合成。
• 将机器人功能组件划分为具有明确定义接口与优先级的原子行为。
• 利用BIP的形式语义，自动从组件规格中合成全局执行控制器。
• 应用形式化验证技术，检查合成控制器中死锁消除与活性等属性。
• 将基于BIP的控制器集成到LAAS架构中，实现端到端的机器人控制。
• 在真实机器人平台上进行评估，以衡量运行时开销与实际可用性。

实验结果

研究问题

• RQ1 像BIP这样的组件化形式化框架能否有效应用于自主机器人的功能层级？
• RQ2 基于BIP的控制器合成是否能保证所期望的安全属性，如死锁消除？
• RQ3 所生成的控制器能否在真实机器人硬件上高效执行，且性能开销可接受？
• RQ4 形式化验证过程在真实机器人系统复杂性增加时的可扩展性如何？
• RQ5 该方法在多大程度上提升了机器人功能控制的正确性与可维护性？

主要发现

• 基于BIP的控制器合成成功强制实施了机器人功能系统中的逻辑、时间与实时约束。
• 形式化验证确认了合成控制器中不存在死锁及其他安全违规。
• 该方法已在真实机器人平台上成功实现并验证，展示了实际可行性。
• 基于BIP的控制器引入的运行时开销对实时机器人应用而言仍可接受。
• 该方法实现了构造正确性设计，具备可验证的安全属性，显著降低了运行时故障风险。
• 与LAAS架构的集成实现了对复杂机器人行为的端到端验证与控制。