Intercommunication framework for autonomous real-time systems

Abstract

Fahrzeuge und autonome Systeme können stark vom Austausch von Informationen profitieren. Beispielsweise können Fahrzeuge einander über Unfälle informieren, so dass eine Umfahrung in Zeit gefunden werden kann. Die Herausforderung für den Informationsaustausch zwischen autonomen Systemen ist, dass Informationen zwischen unterschiedlichen Systemtypen ausgetauscht werden. Jeder Systemtyp hat spezifische Anforderungen an seine Informationen, d.h. ein System interessiert sich für eine bestimmte Art von Informationen, während sich andere Systeme für anderweitige Informationen interessieren. Eine weitere Herausforderung ist, dass die Informationen oft nach einer bestimmten Zeit oder aufgrund von einigen anderen Ungültigkeitskriterien (z.B. das Verlassen der Straße, auf der ein Unfall passiert ist) ungültig werden. Systeme sind an solch ungültigen Information nicht mehr interessiert, d.h. ungültige Informationen sollen nicht ausgetauscht werden. Deshalb ist es notwendig, nicht alle verfügbaren Informationen zwischen Systemen zu teilen. Vielmehr sollte jedes autonome System in der Lage sein selbst zu entscheiden welche Information ausgetauscht werden sollen. Diese Diplomarbeit arbeitet an einer Lösung dieser Herausforderungen, d.h. ein Software-Framework wird implementiert, welches es autonomen Systemen erlaubt verschiedene Arten von Informationen zu teilen und weiters diesen Datenaustausch zu beschränken (d.h. unnötige Kommunikation vermeiden). Die implementierte Software wird als Information Management Framework (IMF) bezeichnet und stellt Mechanismen zur Verfügung, um einen kontrollierten Datenaustausch zwischen diesen Systemen zu ermöglichen. Das Framework bietet dabei die Möglichkeit einer Kommunikation zwischen unterschiedlichen Systemtypen. Mobile Roboter, wie z.B. fahrende Rover, sind sehr oft mit dem Roboter-Betriebsystem (ROS) ausgestattet, welches als Hardware-Abstraktionsschicht dient und Daten von Hardware-Sensoren sammelt und aufbereitet. Daher unterstützt das IMF den Datenaustausch zu ROS durch implementierte Software-Module, welche die Funktionen der Interprozesskommunikation (IPC) nutzen. Informationen, welche von ROS Modulen generiert werden oder von ROS Modulen für Berechnungen oder das Betreiben von Aktuatoren benötigt werden, werden einerseits mit dem IMF ausgetauscht. Andererseits können diese Informationen mit den IMFs anderer autonomer Systeme geteilt werden, die an das Netzwerk angeschlossen sind. Informationen werden nach Generierung oder nach Empfang von anderen Systemen auf jedem Gerät nur solange gespeichert, solange sie gültig sind und vom System selbst benötigt werden. Das bedeutet, dass jede Art von Informationen eine eigene Gültigkeitszeit hat. Es ist für Systeme wesentlich nicht nur so viele Informationen wie möglich ständig im Netzwerk zu teilen und damit die Grenzen der Netzwerkkapazität zu erreichen, vielmehr bietet das Framework die Möglichkeit den Informationsfluss zu steuern, d.h. es werden nur Informationen ausgetauscht die für andere Systeme nützlich sein könnten. Schließlich werden verschiedene Experimente durchgeführt, um die Anwendbarkeit des IMF für reale Szenarien zu demonstrieren.

Vehicles and autonomous systems can strongly benefit from the exchange of information. For instance, vehicles can inform each other about accidents, such that a detour can be found in time. The challenge of information exchange between autonomous systems is that there are different types of systems which want to share information. Each system type has specific requirements for its information, i.e. one system is interested in a particular kind of information whereas other systems may be interested in different information. Another challenge is that information often gets invalid after a specific time or due to some other invalidation criteria (e.g. leaving the road on which an accident happened). Systems are not interested in such information any more, i.e. it is not necessary to share invalid information. So it is required to not share all information that is available between systems, instead autonomous systems should be able to decide which kind of information to exchange. This thesis is working towards a solution for these challenges, i.e. a software framework is implemented that allows autonomous systems to exchange different types of information and also to restrict that exchange (i.e. avoid unnecessary communication). The implemented software will be referred as Information Management Framework (IMF) and it provides mechanisms to control sharing of information between these systems. The framework enables communication between different types of autonomous systems. Moving robot systems like rovers are often equipped with the robot operating system (ROS) as hardware abstraction layer to gather data from hardware sensors. Therefore the IMF supports the exchange of data with ROS by implemented software modules using the functionality of inter-process communication (IPC). Information generated by ROS software modules or which is needed by ROS software modules for computation or the operation of actuators is exchanged with the IMF on the one hand. On the other hand, this information can be shared with the IMF of other autonomous systems connected to the network. Information is stored on each system after generating or after receiving from other systems as long as it is valid and needed by the system. This means that each kind of information has a dedicated lifetime. It is essential for systems to not only share as much information as possible and exhaust the network capacity, instead the framework provides a way to control the information flow (i.e. only exchange information that might be beneficial for other systems). Finally, different experiments have been conducted to demonstrate the applicability of the IMF for real usage scenarios.