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Dissertation zugänglich unter
URN: urn:nbn:de:gbv:18-23349
URL: http://ediss.sub.uni-hamburg.de/volltexte/2005/2334/


Entwurf rekonfigurierbarer Systemarchitekturen für mobile Roboter

Design of reconfigurable system architectures for mobile robots

Bitterling, Johannes

pdf-Format:
 Dokument 1.pdf (8.971 KB) 


SWD-Schlagwörter: Autonomer Roboter , Mobiler Roboter , Architektur <Informatik> , Rekonfiguration
Basisklassifikation: 54.39
Institut: Informatik
DDC-Sachgruppe: Informatik
Dokumentart: Dissertation
Hauptberichter: Zhang, Jianwei (Prof. Dr.)
Sprache: Deutsch
Tag der mündlichen Prüfung: 07.02.2005
Erstellungsjahr: 2005
Publikationsdatum: 15.02.2005
Kurzfassung auf Deutsch: Diese Arbeit befasst sich mit der Konstruktion von Robotersystemen unter den Randbedingungen variierender Anwendungsprobleme und Einsatzumstände. Üblicherweise wird die Konstruktion unter Beachtung von Paradigmen vorgenommen, die strukturelle Regeln für den Systemaufbau implizieren. Aus der komparativen Systematisierung solcher Schemata geht der deskriptive Begriff der sog. Systemarchitektur hervor. Alle Architekturentwürfe weisen eine Verbindung zu Problemen bestimmter Klassen auf. Trotz einer nomothetischen Qualität innerhalb der jeweils beherrschten Problemdomäne sind solche Entwürfe in Bezug auf Allgemeinheit oder Adaptierbarkeit erheblichen Einschränkungen unterworfen. Es wird untersucht, wie diese aus dem problembezogenen Entwurf rührenden Einschrankungen durch Modifikation des Designprozesses aufgehoben werden können. Eine Aufteilung des Entwurfs auf vier softwarebezogene Ebenen wurde vorgenommen, um die unerwünschten Einflsse auf den Vorgang der Konstruktion zu eliminieren. Auf der ersten Ebene wird eine Abstraktion von der strukturellen Vernetzung der Hardware vorgenommen; die zweite Ebene dient der hierarchischen Modellierung von Hardwarekomponenten durch Softwarerepräsentationen. Die Implementierung von höherwertigen Fähigkeiten erfolgt bei Nutzung abstrakter Hardwarerepräsentationen auf generische Weise. Dieser Fähigkeiten bedienen sich auf der dritten Entwurfsebene unabhängige asynchrone Subsysteme, die wesentliche Merkmale konventioneller Architekturen aufweisen. Eine problemgerechte Kombination dieser Subsysteme erfolgt auf der vierten Ebene im Kontext flexibler Metaarchitekturen. Hier werden die Konfiguration von Robotersystemen und ihre angemessene Anpassung unterstützt. An einem Demonstrator wurde der Aufbau eines von Hardwarestruktur und Geräteeigenschaften abstrahierenden Basissystems gezeigt. Dieses wurde zur exemplarischen und in Bezug auf Anwendung und Plattform unspezifischen Formulierung von Systemfähigkeiten eingesetzt. Da auf die Frage nach deren Kombination wegen der paradigmenspezifischen Beschränkungen keine sinnvolle Antwort in Form einer statischen Architektur gegeben werden kann, wurde mit der Metaarchitektur eine Struktur entwickelt, die den dynamischen Architekturentwurf gestattet. Zur Verifikation der Vollständigkeit wurde die Subsumption der klassischen Anstze demonstriert. Neben der Vereinheitlichung treten so als neuartige Attribute von Systemarchitekturen dynamische Rekonfiguration, die Erweiterbarkeit, die Adaptierbarkeit, die Übertragbarkeit und die Austauschbarkeit von Komponenten auf. Dies ist ein wesentlicher Schritt in Richtung der Konstruktion allgemeiner Systeme.
Kurzfassung auf Englisch: This study investigated the construction of robotic systems in the presence of conditions, like variations of the field and the kind of application. Usually, construction is carried out while considering one of a list of available paradigms which imply certain structural rules for construction. The descriptive notion of system architectures is a result of comparing and systematizing schemes related to such systems. All architectural variants seem strongly related to both certain classes of robot application areas and specific design rules. Thus, such variants are severely limited as regards universality and adaptability. In this study it was attempted to derestrict the systems capabilities by altering the traditional design process. The process of design was divided into four software-related layers. This allows eliminating unwanted effects on the process of construction. The first layer deals with the abstraction from given hardware structures and communication links used; the second layer provides hierarchical access to available hardware components by providing appropriate software representations. All implementation of high-level capabilities is performed in a generic way utilizing abstract representational objects. On the third layer, independent and asynchronous subsystems make use of these capabilities, and thus may operate detached from hardware specifics. A single subsystem may show properties of a conventional robot architecture, but merely implements the solution of a single aspect of a robot application problem. Finally, the combination of subsystems into an operational system is dealt with on the fourth layer. A flexible meta-architecture permits configuring and revising arbitrary robot architectures. A demonstrator platform was utilized to show the construction of a basic system, which offers independence both from the hardware structure and the properties of specific sensor or effector devices. Using this system base, some high-level capabilities were designed which are still unrelated to both the robot's application area and the technical details of the platform. As the conceptual restrictions of architectures following classical paradigms still hold, a completely different mode was chosen to formulate the system superstructure. A meta-architecture allows the dynamic assembly of architectural schemes. To verify the functional completeness, the capability of subsuming the classical design variants was demonstrated. This study found that not only was a technical unification reached regardless of architectural decisions, but also novel attributes of robot architectures emerged: namely dynamic reconfiguration, extensibility, adaptability, exchangeability of components and an increased potential of transferability. This may be considered to be a significant step forward towards the construction of universal robotic systems.

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