[论文解读] 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 4

一句话总结

本文提出一种基于 Python 内部领域特定语言（DSL）的交互式、增量式 ROS 节点编程方法，通过动态包装发布/订阅话题实现实时修改现有节点。借助 Python 命令行接口，开发者可在不重启的情况下实验性地调整节点行为，减少样板代码，加速机器人软件开发中的原型设计。

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.

研究动机与目标

• 解决机器人软件开发中迭代周期过长的问题，尤其是在初始实验阶段。
• 为软件经验有限的机器人研究人员提供快速原型设计与行为实验的支持。
• 为传统 MDSD 和基于组件的 ROS 开发方法提供一种自下而上的替代方案。
• 实现在不复制代码或重启节点的情况下，对现有 ROS 节点进行动态、增量式修改。
• 通过基于 Python 的 DSL 支持交互式开发，实现在运行时包装节点接口。

提出的方法

• 使用嵌入在 Python 中的内部 DSL，通过命令行交互式地定义和修改 ROS 节点。
• 通过动态拦截并重塑现有节点的发布/订阅话题行为，实现节点包装。
• 利用标准 ROS 工具（例如 rostopic info、rosnode info）进行内省和发现正在运行节点的话题与消息类型。
• 维护节点结构的内部模型，以支持实时修改，并可能实现代码生成。
• 使用标准 ROS 消息传输机制进行序列化/反序列化，未来工作可考虑通过 anyMsg 或 nodelets 进行优化。
• 允许开发者通过在包装节点中定义新逻辑来扩展或替换节点行为，同时保持原始节点的接口不变。

实验结果

研究问题

• RQ1 如何在不重启或复制代码的情况下实现 ROS 节点的交互式、增量式编程？
• RQ2 基于 Python 的内部 DSL 在多大程度上能提升 ROS 节点开发的原型设计速度与可用性？
• RQ3 运行时包装 ROS 节点接口是否能够实现有效的行为实验与安全的机器人控制？
• RQ4 与原生节点实现相比，使用动态包装结合消息序列化带来的性能权衡是什么？
• RQ5 此类系统如何支持协作、代码持久化，并与现有 MDSD 工具在机器人软件开发中集成？

主要发现

• 所提出的 DSL 通过 Python 命令行在运行时动态包装节点外部接口，实现了对现有 ROS 节点的交互式、增量式修改。
• 该方法减少了样板代码，加速了实验过程，尤其对非专业机器人研究人员和快速原型设计具有显著优势。
• 系统支持在不重启的情况下实时重塑节点行为，使开发过程中能够即时获得反馈。
• 内部 DSL 维护了节点结构的抽象模型，为未来与 MDSD 工具集成及代码生成提供了可能。
• 已承认消息序列化带来的性能开销，未来工作识别出可通过 anyMsg 或 nodelets 实现优化。
• 该方法通过包装遗留或不可信的软件组件，独立于原始代码强制实施安全约束，支持关键安全应用。