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R5-COP: Reconfigurable ROS-based Resilient Reasoning Robotic Co-operating Systems

Im Rahmen des im europäischen Forschungsprogramm ARTEMIS ("Advanced Research and Technology for Embedded Intelligence and Systems") geförderten Verbundprojekts R5-COP wird die im Vorgängerprojekt R3-COP bereits untersuchte Fragestellung “Verifikation kooperierender autonomer Roboter“ dahingehend erweitert, dass deren Fokus nunmehr auf der Zuverlässigkeitsbewertung dynamisch rekonfigurierbarer Robotiksysteme unter besonderer Berücksichtigung der Variabilität ihrer betrieblichen Bedingungen und ihrer Missionskritikalität liegt.

Zu diesem Zweck wurden zunächst folgende Teilaufgaben durchgeführt:

Identifikation von Fehlerklassen für interagierende Robotiksysteme. Zur Unterstützung der Verifikation rekonfigurierbarer kooperierender Robotiksysteme sowie zur späteren Entwicklung geeigneter on-line Rekonfigurationsstrategien wurde zunächst eine Fehlerklassifikation vorgenommen. Diese richtet sich nach den klassischen Verarbeitungsstufen heutiger Robotiksysteme, die die sensorielle Messdatenerfassung, die Informationsinterpretation, die Entscheidungsfindung und die Aktionsausführung umfassen. Zusätzlich konnten Fehlerklassen identifiziert werden, deren Ursprünge auf Kooperation mit anderen Roboterentitäten zurückzuführen sind.

Ermittlung von Rekonfigurationsstrategien. Um auf kontextuell veränderliche Betriebsbedingungen dynamisch adäquat reagieren zu können, müssen Roboter in der Lage sein, ihr Verhalten entsprechend vorher festgelegter Rekonfigurationsstrategien geeignet anzupassen. Im Rahmen einer studentischen Abschlussarbeit wurden zu diesem Zweck anhand realer Robotikanwendungen klassische und neuartige Konzepte zur Erkennung des Bedarfs einer Konfigurationsänderung, zur Identifikation geeigneter Rekonfigurationsstrategien sowie zu deren Umsetzung untersucht. Anschließend wurden die ermittelten Strategien in der zur Modellierung von Robotiksystemen erprobten Notation farbiger Petri-Netze mittels Muster erfasst, um dadurch deren Einbindung zur Erweiterung bestehender Modelle einfach zu ermöglichen.

Folgende Zielsetzungen wurden im Einzelnen verfolgt:

Analyse der kontextuellen Variabilität. Zur geplanten Ermittlung der Zuverlässigkeit kooperierender rekonfigurierbarer Robotiksysteme ist zunächst das zu erwartende Operationsprofil des betrachteten Systems formal zu definieren. Dies setzt eine Analyse der kontextuellen Vielfalt von Robotiksystemen voraus, die von den Eigenschaften einzelner Agenten (u. a. Position, Missionsziel, angebotene Funktionalitäten, Konfigurationsstatus, Energiestand), ihnen anvertrauter Missionen (u. a. Ziele, funktionale Anforderungen, Priorität, Fortschrittsgrad) sowie relevanter Umgebungsfaktoren (u. a. Vorhandensein von Hindernissen, Vorhandensein von Ladestationen, Gefahrenpotential) abhängen. Auf der Basis gefärbter Petri-Netze wurde ein Vorgehen zur Erfassung der Verhaltensvielfalt vorgeschlagen und an einem konkreten Beispiel aus dem Krankenhausbereich illustriert.

Testen rekonfigurierbarer Systeme. Unterschiedliche Rekonfigurationsstrategien (z. B. Route Re-Planning infolge von Hindernissen bzw. Ladebedarf, Formationsbildung mittels Platooning) wurden untersucht und modelliert. Bei Kombination mehrerer Rekonfigurationsstrategien wurde ein neuartiger Verifikationsansatz auf der Basis inkrementeller Testverfahren vorgestellt.

Zuverlässigkeitsanalyse für interagierende Robotiksysteme. Abschließend sind die gewonnenen Erkenntnisse in ein Verfahren eingeflossen, das die Bewertung der operationalen Zuverlässigkeit individueller Roboter bzw. ganzer kooperierender Robotersysteme anhand der erfassten Test- bzw. Betriebsbewährung zu ermitteln erlaubt.

Projektleitung:
Prof. Dr. rer. nat. habil. Francesca Saglietti

Beteiligte:
Dipl.-Inf. Raimar Lill, Stefan Winzinger, M. Sc., Dr.-Ing. Matthias Meitner, Dr.-Ing. Marc Spisländer, Dr. Yi Zhao

Laufzeit: 1.2.2014 - 31.3.2017

Förderer:
ARTEMIS JU
Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF)

Mitwirkende Institutionen:
Technische Universität Braunschweig
Alten Nederland B.V.
Budapest Institute of Technology and Economics
Brno University of Technology
Camea, spol. S.r.o.
DSI Informationstechnik GmbH
Danish Technological Institute
Emte S.A.U.
University of Applied Sciences Utrecht
University of Latvia
Lulea Tekniska Universitet
Mobile Industrial Robots
Norges Teknisk-naturvitenskapelige Universitet
Przemyslowy Instytut Automatyki i Pomiarów
Probot Oy
Profin Oy
Robomotive
Stichting Saxion
SINTEF
Siipotec Oy
Swedish Space Corporation
Statoil Petroleum AS
Synapticon GmbH
Teknosavo Oy
Fundaction Tecnalia Research & Innovation
Tellence Technologies SRL
TU Eindhoven
Universitatea Tehnica Cluj-Napoca
Technical Research Centre of Finland

Publikationen
Saglietti, Francesca ; Föhrweiser, David ; Winzinger, Stefan ; Lill, Raimar: Model-based Design and Testing of Decisional Autonomy and Cooperation in Cyber-physical Systems. In: EUROMICRO (Veranst.) : Proceedings EUROMICRO SEAA 2015 (EUROMICRO Conference on Software Engineering and Advanced Applications (SEAA) 2015). - : IEEE explore, 2015, S. -.
[doi>10.1109/SEAA.2015.68]
Saglietti, Francesca ; Winzinger, Stefan ; Lill, Raimar: Reconfiguration Testing for Cooperative Autonomous Agents. In: Koornneef, Floor ; van Gulijk, Coen (Hrsg.) : Computer Safety, Reliability, and Security (SAFECOMP 2015 Workshops Delft (NL) Sept. 2015). Heidelberg : Springer, 2015, S. 144-155. (Lecture Notes in Computer Science Bd. LNCS, Nr. 9338)
[doi>10.1007/978-3-319-24249-1_13]
Saglietti, Francesca ; Lill, Raimar ; Winzinger, Stefan ; Meitner, Matthias ; Zhao, Yi: Safety and Context Analysis for Interacting Agents. Project report, restricted access to : R5-COP Consortium. 2015. - Forschungsbericht. 36 Seiten
Saglietti, Francesca: Model-driven Structural and Statistical Testing of Robot Cooperation and Reconfiguration.Vortrag: Third Workshop on Model-Driven Robot Software Engineering (MORSE 2016), Technical University of Dresden, Leipzig, 1.7.2016
Saglietti, Francesca ; Spengler, Ralf ; Meitner, Matthias: Quantitative Reliability Assessment for Mobile Cooperative Systems. In: Skavhaug, Amund ; Guiochet, Jérémie ; Schoitsch, Erwin ; Bitsch, Friedemann (Hrsg.) : European Workshop on Industrial Computer Systems, Technical Committee on Reliability, Safety and Security (EWICS TC7) ; Norwegian University of Science and Technology (NTNU) (Veranst.) : Computer Safety, Reliability, and Security - SAFECOMP 2016 Workshops - ASSURE, DECSoS, SASSUR, and TIPS (ERCIM/EWICS/ARTEMIS Workshop on “Dependable Embedded and Cyber-physical Systems and Systems-of-Systems”, SAFECOMP Workshop DECSoS'16 Trondheim (NO) 20 - 23 September 2016). Heidelberg : Springer, 2016, S. 118-129. (Lecture Notes in Computer Science (LNCS) Bd. 9923) - ISBN 978-3-319-45479-5
[doi>10.1007/978-3-319-45480-1]
Saglietti, Francesca: Systematic and Probabilistic Testing of Autonomous Mobile Robots. In: Unger, Herwig ; Halang, Wolfgang A. (Hrsg.) : Autonomous Systems 2016 (Proceedings of the 9th GI Conference Oktober 2016). Düsseldorf : VDI Verlag, 2016, S. 40-45. (Fortschritt-Berichte VDI Bd. 848, Nr. 10 Informatik / Kommunikation)
Saglietti, Francesca ; Wu, Xiaochen ; Spisländer, Marc: Reliability Analysis for Interacting Agents. Project report : restricted access to : R5-COP Consortium. 2017 (D32.40). - Forschungsbericht. 35 Seiten

Institution: Lehrstuhl für Informatik 11 (Software Engineering)
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