Eine webbasierte Integrations- und Testplattform zur Unterstützung des verteilten Entwicklungsprozesses von komplexen Serviceroboter-Applikationen

Abstract

Die Entwicklung von Robotersystemen zeichnet sich aus durch einen immer größeren Anteil der Integration bestehender Technologien unter anderem aus den Bereichen Automatisierungstechnik, Maschinenbau und Informatik. Insbesondere für komplexe Serviceroboter, die in dynamischen und unstrukturierten Umgebungen eingesetzt werden und daher mit einer Vielzahl von Soft- und Hardwarekomponenten ausgestattet sind, werden Methoden zur Vereinfachung der Systemintegration benötigt. Der Bedarf an Abstraktion der Komplexität besteht umso mehr, als diese Systeme in der Regel in multi-disziplinären Teams an verteilten Standorten entwickelt werden. In der vorliegenden Arbeit werden Methoden und Konzepte zur Vereinfachung des Entwicklungs- und Integrationsprozesses von komponenten-basierten Applikationen auf komplexen Servicerobotern mit verteilten Rechnerarchitekturen vorgestellt. Zur Identifikation der Besonderheiten der Roboterentwicklung werden typische Entwicklungsszenarien in derServicerobotik- Forschung analysiert. Neben der Konzeption eines Vorgehensmodells für die verteilte Entwicklung und Integration stehen Technologien zur Abstraktion der Deployment-Aktivitäten im Fokus, die die werkzeuggestützte Installation und Aktualisierung, die Konfiguration für das Zielsystem, die Zielumgebung und eventuelle Nutzerpräferenzen sowie die Bedienung der Applikation umfassen. Durch diese Technologien und Konzepte soll eine Verbesserung der Rollentrennung von Komponentenentwicklern, Applikationsentwicklern und Systemintegratoren sowie die Effizienzsteigerung des Integrationsprozesses durch räumliche und zeitliche Entkopplung der Integrations- und Testaktivitäten erzielt werden. Als Basis für die Konzeption der abstrakten Deployment-Werkzeuge wird unter anderem eine erweiterbare domänenspezifische Sprache zur Ressourcenmodellierung des Zielsystems "komplexer Serviceroboter" und eine abstrakte Laufzeitumgebung zum hardwareunabhängigen Zugriff aufRobotersysteme entwickelt. Die einzelnen Deployment-Werkzeuge zur Planung, Installation, Konfiguration und Aktivierung werden in Form einer webbasierten Integrations- und Testplattform als geschlossene Deployment-Werkzeugkette integriert. Zur quantitativen Evaluierung der entwickelten Werkzeuge wird zunächst eine mathematische Formulierung des Integrationsaufwands auf der Basis von Kostenschätzmodellen der Softwaretechnik erstellt. Mit Hilfe dieser Evaluierungsmethodik wird am Beispiel eines großen Verbundforschungsprojektes die Effektivität der entwickelten Werkzeuge nachgewiesen. Die räumliche und zeitliche Entkopplung der Integrations- und Testaktivitäten sowie die damit einhergehende Verbesserung der Rollentrennung der einzelnen Entwickler wird durch graphische Auswertungen anschaulich belegt.

The development of robot systems depends more and more on the integration of existing technologies e.g., from automation, mechanical engineering and computer science. In particular, complex service robots that are applied outside of production halls in dynamic and unstructured environments consist of a multiplicity of software and hardware components, requiring methods to reduce system integration. The demand for the abstraction of this complexity is increased by the fact that these robot systems are typically developed in multi-disciplinary teams at different sites. In this thesis, methods and concepts are presented that simplify the distributed development and integration process of component based applications for complex service robots that perform computation on a distributed system. For the identification of the specialties of the robot development process, typical development scenarios in robotics research are analyzed. In addition to the conception of adedicated process model for distributed development and integration, this work focuses on the abstraction of the deployment activities, incorporating tool supported installation, update, configuration for target platform, target environment and possible user preferences, as well as activation and deactivation of the application. These measures aim at the separation of roles of component developers, application developers and system integrators, as well as a substantial increment in the efficiency of the robot development process through temporal and spacial decoupling of integration and test activities of the single developers. For the conception of the tools to abstract the deployment activities, an extensible domain specific language is introduced to model the available resources of the target system "complex service robot". Furthermore an abstract runtime environment for a hardware-agnostic system access is developed. All tools for the single deployment steps (planning,installation, update, configuration, activation / deactivation) are integrated in a web-based integration and test platform to provide a complete deployment tool-chain. In order to quantitatively evaluate the developed tools, a formal representation of the integration effort based on software cost estimation models is derived. Using this formal representation, the efficacy of the tools and methods developed in this thesis is evaluatedin the context of a joint robotics research project. The temporal and spacial decoupling of the integration and test activities as well as the coinciding improvement of the separation of roles is shown in graphical evaluation charts.