Table of Contents

Autonoomsete süsteemide võrdlusarhitektuurid

Võrdlusarhitektuurid on standardiseeritud mallid, mis juhivad konkreetsete süsteemide kavandamist. Need loovad ühise sõnavara, edendavad koostalitlusvõimet ja võimaldavad süstemaatilist valideerimist.

ROS ja ROS 2 raamistik

Robotioperatsioonisüsteem (ROS) pakub modulaarset avaldamise ja tellimise kommunikatsiooni infrastruktuuri, mida kasutatakse laialdaselt teadusuuringutes ja tööstuses. Selle järglane ROS 2 lisab reaalajas võimalused, turvafunktsioonid ja DDS-põhise suhtluse, muutes selle sobivaks tootmistaseme autonoomsete süsteemide jaoks 1)))

ROS 2 Layered Architecture
Figure 1: ROS 2 kihiline arhitektuur (lihtsustatud ROS 2 dokumentatsioonist)

ROS 2 arhitektuur pakub mitmeid eeliseid, sealhulgas komponenditaseme sõltumatus pakkujast, lihtsamat arendust võimaldav modulaarsus ning juurutamiseks mõeldud suur kogukond ja pakettide teegid. ROS 2 on nüüd suurte avatud lähtekoodiga projektide, nagu Autoware.AI (autonoomne sõit) ja PX4-Autopilot (UAV juhtimine) selgroog.

AUTOSAR-i kohanduv platvorm

Autotööstuses määratleb AUTOSAR (AUTomotive Open System ARchitecture) standard skaleeritava, teenusele orienteeritud arhitektuuri, mis toetab suure jõudlusega rakendusi, nagu automaatjuhtimine 2).

AUTOSAR Adaptive Platform Overview
Figure 2: AUTOSAR kohanduva platvormi ülevaade (lihtsustatud)

AUTOSAR Adaptive Platform on kontseptuaalselt vahevara. AUTOSAR Adaptive Platform pakub adaptiivsetele rakendustele teenuseid peale nende, mis on saadaval aluseks olevas operatsioonisüsteemis, draiverites ja laiendustes. Üks AUTOSTARi eristavaid omadusi on selle reaalajas ja ohutuskriitiline vastavus (ISO 26262), samuti SOME/IP ja DDS kasutamine teenusepõhiseks suhtluseks. AUTOSARi kasutatakse laialdaselt selliste tootjate nagu BMW, Volkswagen ja Toyota autonoomsetes sõidukites 3).

JAUS – mehitamata süsteemide ühisarhitektuur

JAUS (Joint Architecture for Unmanned Systems) on USA kaitseministeeriumi standard (SAE AS5669A), mis määratleb sõnumipõhise, modulaarse arhitektuuri mehitamata süsteemide koostalitlusvõimeks 4).

MOOS-IvP Architecture
Figure 4: Lihtsustatud MOOS-IvP arhitektuur

IvP (Interval Programming) Helm pakub arendajate pakutavate mudelite põhjal otsustamisvõimalusi, samas kui MOOS DB pakub juurdepääsu rakenduste kogutud andmetele ja otsustele. Kliendirakendused (või lihtsalt Rakendused on põhifunktsioonid ja modulaarsus annab võimaluse integreerida erinevaid funktsioone, eraldades need loogiliselt ja pakkudes juurdepääsu ühise suhtlusruumi kaudu. Side on võimaldatud pMOOSBridge vahevara abil. Kõik mainitud võimaldavad asünkroonselt käitumispõhist reageerimist muutuvale keskkonnale ning suuremat paindlikkust, lihtsamat hooldatavust ja mingil määral ka tulevikukindlaid lahendusi.

Viitearhitektuuride võrdlev kokkuvõte

Arhitektuur Domeen Põhifunktsioonid Suhtlusmudel
ROS / ROS 2 Üldine / Teadustöö Modulaarne, avatud lähtekoodiga, kogukonnapõhine Avalda–telli (DDS)
AUTOSAR Adaptive Autotööstus Ohutus, reaalajas, standardiseeritud Teenusele orienteeritud (SOME/IP, DDS)
JAUS Kaitse / Multi-domeen Koostalitlusvõime, hierarhiapõhine Sõnumipõhine
MOOS-IvP Mere Käitumispõhine, detsentraliseeritud Jagatud andmebaasi mudel

Hiljutised suundumused ühendavad oma tugevuste ärakasutamiseks mitut võrdlusarhitektuuri. Näiteks:

Selline hübridiseerimine peegeldab kasvavat vajadust paindlikkuse ja valdkonnaülese koostalitlusvõime järele kaasaegsetes autonoomsetes süsteemides.

1)
Maruyama, Y., Kato, S., & Azumi, T. (2016). Exploring the performance of ROS2. Proceedings of the 13th Embedded Workshop (.TERTimeS Systems2011
2)
AUTOSAR Consortium. (2023). AUTOSAR Adaptive Platform Specification. AUTOSAR
3)
Broy, M. et al. (2021). Automotive Software Architectures with AUTOSAR. Springer
4)
Gavrilets, V., et al. (2010). JAUS message-based architecture for unmanned vehicle interoperability., Conference) – Conferenceed A.8. See on domeeniagnostiline, toetades õhu-, maa- ja meresõidukeid. JAUS määratleb:
  • Komponendipõhine hierarhia (allsüsteem → sõlm → komponent → teenus)
  • Suhtlemiseks standardiseeritud sõnumikomplektid
  • Domeenidevaheline koostalitlusvõime
JAUS Component Hierarchy
Figure 3: JAUS-i komponentide hierarhia
JAUS on jätkuvalt mõjukas kaitse- ja uurimisprojektides, kus mitu mehitamata sõidukit peavad koordineerima ühtse raamistiku all. Tänu oma sirgjoonelisele ja hõlpsasti rakendatavale arhitektuurile on selle kasutusele võtnud erinevad süsteemid ja domeenid ===== MOOS-IvP arhitektuur meresüsteemidele ===== MOOS (Mission Oriented Operating Suite) koos IvP-ga (intervallide programmeerimine) moodustab tugeva mereautonoomia arhitektuuri, mis on välja töötatud MIT-is ja mida kasutatakse NATO ja USA mereväe programmides ((Benjamin, M. R., Curcio, J. A., & Leonard, J. J. (2012). MOOS-Journal Roboty Software for Marineel roboty autonomy). 29(6), 821–835
5)
Petillot, Y., et al. (2020). Underwater robotics: Hybrid autonomy and AI integration. Annual Reviews in Control, 50, 238–254