Towards a generic framework for extending system architectures of autonomous vehicles with a self-managing functionality

Abstract

Eine zentrale Herausforderung im Bereich autonomer Fahrzeuge besteht darin, einen sicheren Betrieb in unterschiedlichen Kontexten zu gewährleisten. Solche Fahrzeuge müssen in der Lage sein, Kontextänderungen wie etwa Software- und Hardwarefehler sowie wechselnde Wetterbedingungen ohne menschliche Unterstützung zu bewältigen, d.h. autonome Fahrzeuge müssen autonom sein. Aufgrund der vielfältigen Kontextänderungen die bewältigt werden müssen, erhöhen Ansätze zur Selbstverwaltung die Komplexität in der Entwicklung autonomer Fahrzeuge. Eine Maßnahme gegen diese erhöhte Komplexität ist die Integration selbstverwaltender Fähigkeiten in die zugrunde liegende Designarchitektur autonomer Fahrzeuge. Derzeit fehlen jedoch solche selbstverwaltenden Ansätze für die Designarchitekturen autonomer Fahrzeuge. In dieser Arbeit gehen wir auf dieses Problem ein und stellen ein generisches selbstverwaltendes Framework für autonome Fahrzeuge vor. Unser Framework, genannt Aptus, ist generisch in dem Sinne, dass es keine spezifische zugrunde liegende Fahrzeugarchitektur erfordert. Insbesondere zielt Aptus darauf ab, beliebige Systemarchitekturen autonomer Fahrzeuge um eine selbstverwaltende Funktionalität zu erweitern. Aptus realisiert ein derzeit nicht existierendes, jedoch gewünschtes generisches selbstverwaltendes Framework für autonome Fahrzeuge. Aptus basiert auf der allgemeinen dreischichtigen Architektur, die Gat Ende der 1990er Jahre einführte und die in der Robotik weit verbreitet ist. Im Speziellen besteht Aptus aus (i) einem Kontextlayer, (ii) einen Rekonfigurationslayer und (iii) einem Komponentenlayer. Diese Schichten implementieren verschiedene Eigenschaften, die für ein selbstverwaltendes System erforderlich sind.

A significant challenge in the domain of autonomous vehicles is to ensure a safe operation in diverse contexts. These vehicles must be capable of handling context changes, such as software and hardware faults, as well as changing weather conditions, without human support, i.e., autonomous vehicles have to be self-managing. Due to manifold context changes that need to be handled, self-managing approaches induce an additional level of complexity in the development of autonomous vehicles. A countermeasure against this increased complexity is the incorporation of self-managing capabilities into the underlying design architecture of autonomous vehicles. However, there is currently a lack of such self-managing approaches for the design architectures of autonomous vehicles. In this thesis, we address this issue and introduce a generic self-managing framework for autonomous vehicles. Our framework, called Aptus, is generic in the sense that it does not require a specific underlying vehicle architecture. In particular, Aptus targets to extend arbitrary system architectures of autonomous vehicles with a self-managing functionality. With the introduction of Aptus, we provide a currently non-existent yet desired generic self-managing framework for autonomous vehicles. Aptus is realized by following the general three-layered architecture as introduced by Gat in the late 1990s that is widely applied in the field of robotics. In particular, Aptus comprises (i) a context layer, (ii) a reconfiguration layer, and (iii) a component layer. These layers implement various properties that are required for a system to be considered self-managing.