A middleware for cooperating mobile embedded systems [Elektronische Ressource] / von: Stefan Schemmer

Stefan Schemmer

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• Informatik

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• Publié par: otto-von-guericke-universitat_magdeburg
• Publié le: 01 janvier 2004
• Nombre de lectures: 18
• Langue: Deutsch
• Poids de l'ouvrage: 2 Mo

Extrait

A Middleware for
Cooperating Mobile Embedded Systems


Dissertation

zur Erlangung des akademischen Grades

Doktoringenieur (Dr.-Ing.)

angenommen durch die Fakultät für Informatik
der Otto-von-Guericke-Universität Magdeburg

von: Diplom-Informatiker Stefan Schemmer
geb. am 8. Oktober 1973 in Koblenz
Gutachter:
Prof. Dr. Edgar Nett
Prof. Dr. Jörg Kaiser
Prof. Dr. Andrea Bondavalli

Ort und Datum des Promotionskolloquiums Magdeburg, 12. Oktober 2004

Zusammenfassung
Die Kooperation mobiler eingebetteter Systeme eröffnet ein Spektrum neuer, vielversprechender Anwen-
dungen in Gebieten wie der industriellen Automatisierung, Logistik, Telematik, und Team Robotik. Solche
Applikationen unterliegen aufgrund der physikalischen Interaktionen zwischen den mobilen Systemen und
ihrer Umwelt Echtzeitanforderungen. Eine zeitlich vorhersagbare Kooperation ist allerdings nicht ohne wei-
teres zu erreichen. Zum einen hängen die Ausführungszeiten lokaler Aufgaben und die Zuverlässigkeit des
Kommunikationsmediums von der dynamisch sich ändernden Umwelt ab und können daher kaum vorherge-
sagt werden. Zum anderen besteht ein inhärenter Tradeoff zwischen einer effizienten Kooperation einerseits
und der Autonomie der kooperierenden Systeme andererseits. Die Abhängigkeiten unter den Aktionen der
mobilen Systeme können zu komplexen Interaktionen zur Laufzeit und damit zu einem schwer analysier-
und vorhersagbaren Verhalten führen.
In dieser Arbeit wird eine Middleware vorgestellt, die Anwendungsentwickler bei der Lösung der oben ge-
nannten Probleme unterstützt. Auf den beiden unteren Schichten bietet sie Dienste zur zeitlich vorhersagba-
ren Multicast-Kommunikation und Ausführung lokaler Aufgaben. Beide Dienste greifen dabei nicht auf
Worst-Case-Annahmen zurück. Um den inhärenten Tradeoff zwischen Kooperation und Autonomie aufzulö-
sen und ein zeitlich vorhersagbares Verhalten auch auf der Ebene der kooperativen Anwendung zu erreichen,
stellen die beiden oberen Schichten der Middleware koordinierte, gemeinsame Sichten für die Applikation
zur Verfügung. Auf Grundlage dieser gemeinsamen Sichten entscheiden die mobilen Systeme lokal über ihr
Verhalten, so dass auf der Applikationsebene eine Koordinierung zur Laufzeit nicht erforderlich ist. Die
gemeinsamen Sichten beziehen sich auf applikationsunabhängige Aspekte des Kontrollsystems, wie etwa die
Gruppenmitgliedschaft, und eher applikationsspezifische Aspekte des kontrollierten Systems, wie etwa die
Position und Geschwindigkeit der mobilen Systeme. Zwei Applikationenszenarien dienten als Leitfaden des
Designs und wurden prototypisch realisiert. Im ersten Szenario koordiniert eine Gruppe mobiler Systeme
ihre Geschwindigkeiten, um einen kollisionsfreien und effizienten Zugriff auf eine räumliche Ressource zu
realisieren, im zweiten fusionieren die Systeme ihre Sensordaten, um eine vollständigere und genauere
Wahrnehmung ihrer Umgebung zu erreichen. Während der erste Prototyp demonstriert wie sich basierend
auf gemeinsamen Sichten ein koordiniertes Verhalten auch mit lokalen Entscheidungen auf der Applikati-
onsebene erreichen lässt, verdeutlicht der zweite Prototyp wie ein zeitlich vorhersagbares Verhalten auch
unter hohen und variable Lasten erreicht werden kann.
Abstract
The cooperation of mobile embedded systems gives rise to new and promising applications in fields such as
industrial automation, logistics, telematics, and team robotics. Such applications are subject to real-time
constraints due to the physical interactions between the mobile systems and their environment. Achieving a
timely predictable cooperation, however, is a challenging task. The execution times of the tasks and the reli-
ability of the communication links depend on the dynamically changing environment and are hence hard to
predict. Moreover, there is an inherent tradeoff between an efficient cooperation and the autonomy of the
mobile systems. Managing the interdependencies between the actions of the mobile systems may result in
complex runtime interactions, thus rendering the timing behavior of the application hard to analyze and pre-
dict, even if the underling services are timely.
In this thesis, we present a middleware supporting the application designers in overcoming the above-
mentioned challenges. On the two lower layers, it provides timely predictable multicast communication and
task execution. Both service are not based on worst-case assumptions. To resolve the cooperation / autonomy
tradeoff and achieve a timely predictable behavior on the level of the cooperative application too, the two
upper layers of the middleware provide common views to the application. Based on these common views, the
mobile systems decide about their actions locally so that runtime coordination in the application can be
avoided. Common views are available for application-independent aspects of the control system, like group
membership, as well as for more the application-specific aspects of the controlled system, such as position
and speed of the mobile systems. Two application scenarios guided the design of the middleware and have
been implemented as prototypes. In the first scenario, a group of mobile systems coordinate their velocities
i
to achieve collision-free and efficient access to a shared spatial resource; in the second, the systems fuse their
local sensor data to accomplish a more complete and accurate perception of their environment. While the
first prototype shows how a coordinated behavior can be achieved with local decisions on the application
level basing on the common views the middleware provides, the second demonstrates how a timely predict-
able behavior can be achieved even under a high and variable processing load.
ii
Acknowledgements
I am pleased to have the opportunity to say thank you to at least part of the people who
contributed so much the completion of this thesis. First of all, I would like to thank Prof.
Dr. Edgar Nett. In many fruitful and inspiring discussions, he not only significantly influ-
enced the work presented herein, but also my way of working and thinking. I would like to
thank the people in my working group “Real-Time Systems and Communication” for the
important and the humorous talks, for proofreading this thesis, and most of all for the
friendly atmosphere in our working group. A thankyou also to the students who did a great
job in implementing part of the middleware and the prototypes. I owe thanks to my par-
ents. Without their continuous support from my very first steps, this work would not even
have been started. Most of all, I owe thanks to my wife, Kerstin, and Mira, my little daugh-
ter. There are no words for their patience and their continuous encouriging and inspiring
support. They gave me the greatest gift I ever could wish for and the one thing that really
counts in my life – their love.
Part of the work presented herein was conducted in the project “Middleware für kooperier-
ende mobile Roboter” (Middleware for Cooperating Mobile Robots), which was supported
1by the Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) under grant NE 837/2-1.


1 German Research Foundation
iii
Table of Contents
ZUSAMMENFASSUNG ................................................................................................................................. I
ABSTRACT...................................................................................................................................................... I
ACKNOWLEDGEMENTS.......................................................................................................................... III
TABLE OF CONTENTS...............................................................................................................................IV
1 INTRODUCTION.................................................................................................................................. 1
1.1 MOTIVATION ................................................................................................................................... 1
1.2 PROBLEM EXPOSITION ..................................................................................................................... 2
1.3 APPROACH........ 4
1.4 OVERVIEW OF THE MIDDLEWARE.................................................................................................... 5
1.5 APPLICATION SCENARIOS AND PROTOTYPES ................................................................................... 7
1.6 STRUCTURE OF THE THESIS.............................................................................................................. 8
2 ARCHITECTURE OF THE MIDDLEWARE.................................................................................. 11
2.1 RESOURCE SCHEDULING................................................................................................................ 12
2.2 RELIABLE COMMUNICATION.......................................................................................................... 13
2.3 APPLICATION-INDEPENDENT COMMON VIEWS ...................................................