QoS-Based Optimization of Runtime Management of Sensing Cloud Applications

Die vorliegende Arbeit präsentiert Ansätze und Techniken zur qualitätsbewussten Verbesserung des Laufzeitmanagements von IoT-Anwendungen. IoT-Anwendungen nehmen über die Sensorik von Smart Devices ihre Umgebung wahr, um diese zu analysieren oder mit ihr zu interagieren. Smart Devices sind in der Rechen- und Speicherleistung begrenzt, weshalb viele IoT-Anwendungen über eine IoT Plattform mit elastischen und skalierbaren Cloud Services verbunden sind. Die Last auf dem Cloud Service entsteht durch die verbundenen Smart Devices, die kontinuierlich Nachrichten transferieren. Die Ressourcenkonfiguration des Cloud Services beeinflusst dessen Kapazität. Ein Service Operator, der eine IoT-Anwendung betreibt, ist mit der Herausforderung konfrontiert, die Smart Devices und den Cloud Service so zu konfigurieren, dass eine hohe Datenqualität bei niedrigen Betriebskosten erreicht wird. Um hierbei den Service Operator zur Design Time zu unterstützen, modellieren wir Kostenfunktionen für Datenqualitäten, die durch das Wechselspiel der Smart Device- und Cloud Service-Konfiguration beeinflusst werden. Mit Hilfe dieser Kostenfunktionen kann ein Service Operator nach einer kostenminimalen Konfiguration für bestimmte Szenarien suchen. Existierende Ansätze zur Optimierung von Anwendungen zur Design Time fokussieren sich auf traditionelle Software-Architekturen und bieten daher nicht die notwendigen Konzepte zur Kostenmodellierung von IoT-Anwendungen an. Des Weiteren unterstützen wir den Service Operator durch Lastkontrollverfahren, die auf Kapazitätsengpässe des Cloud Services durch eine kontrollierte Reduktion der Nachrichtenrate reagieren. Während sich das auf die Genauigkeit der Messungen nachteilig auswirken kann, stabilisieren sich zeitliche Verzögerungen und die IoT-Anwendung bleibt auch in starken Überlastszenarien verfügbar. Existierende Laufzeittechniken fokussieren sich auf die automatische Ressourcenprovisionierung von Cloud Services durch Auto-Scaler. Diese ermöglichen zwar, auf Kapazitätsengpässe und Lastschwankungen zu reagieren, doch die erreichte Quality-of-Service (QoS) kann dadurch mit hohen Betriebskosten verbunden sein. Daher ermöglichen wir durch die Lastkontrollverfahren eine weitere Technik, mit der einerseits dynamisch auf Kapazitätsengpässe reagiert werden und andererseits die zur Verfügung stehende Kapazität eines Cloud Services effizient genutzt werden kann. Außerdem präsentieren wir Kopplungstechniken, die Auto-Scaling und Lastkontrollverfahren kombinieren. Bestehende Ansätze zur Rekonfiguration von Smart Devices konzentrieren sich auf Qualitäten wie Genauigkeit oder Energie-Effizienz und sind daher ungeeignet, um auf Kapazitätsengpässe zu reagieren. Zusammenfassend liefert die Dissertation die folgenden Beiträge: 1. Untersuchung von Performance Metriken für Skalierentscheidungen: Wir haben Infrastuktur- und Anwendungsebenen-Metriken daraufhin evaluiert, wie geeignet sie für Skalierentscheidungen von Microservices sind, die variierende Charakteristiken aufweisen. Auf Basis der Ergebnisse kann ein Service Operator eine fundierte Entscheidung darüber treffen, welche Performance Metrik zur Skalierung eines bestimmten Microservices am geeignesten ist. 2. Design von QoS Kostenfunktionen für IoT-Anwendungen: Wir haben ein QoS Kostenmodell aufgestellt, dass das Wirken von Smart Device- und Cloud Service-Konfiguration auf die Qualitäten einer IoT-Anwendung erfasst. Auf Grundlage dieser Kostenmodelle kann die Konfiguration von IoT-Anwendungen zur Design Time optimiert werden. Des Weiteren können mit den Kostenfunktionen Laufzeitverfahren hinsichtlich ihrem Beitrag zur QoS für verschiedene Szenarien evaluiert werden. 3. Entwicklung von Lastkontrollverfahren für IoT-Anwendungen: Die präsentierten Verfahren bieten einen komplementären Mechanismus zu Auto-Scaling an, um bei Kapazitätsengpässen die QoS aufrechtzuerhalten. Hierbei wird die Gesamtlast auf dem Cloud Service durch Anpassungen der Nachrichtenrate der Smart Devices reduziert. Ein Service Operator hat hiermit die Möglichkeit, Kapazitätsengpässen über eine Degradierung der Datenqualität zu begegnen. 4. Kopplung von Lastkontrollverfahren mit Ressourcen-Provisionierung: Wir präsentieren regelbasierte Kopplungsmechanismen, die reaktiv Lastkontrollverfahren oder Auto-Scaler aktivieren und diese damit koppeln. Das ermöglicht, auf Kapazitätsengpässe über eine Kombination von Datenqualitätsreduzierungen und Ressourcekostenerhöhungen zu reagieren. 5. Design eines Frameworks zur Entwicklung selbst-adaptiver Systeme: Das selbst-adaptive Framework bietet ein Anwendungsmodell für IoT-Anwendungen und Konzepte für die Rekonfiguration von Microservices und Smart Devices an. Es kann in verschiedenen Cloud-Umgebungen aufgesetzt werden und beschleunigt die prototypische Entwicklung von Laufzeitverfahren. Wir validierten die Ansätze anhand zweier Case Study Systeme unterschiedlicher Komplexität. Das erste Case Study System besteht aus einem Cloud Service, welcher über eine IoT Plattform Nachrichten von virtuellen Smart Devices verarbeitet. Mit diesem System haben wir für unterschiedliche Anwendungsszenarien die Charakteristiken der vorgestellten Lastkontrollverfahren analysiert, um diese gegen Auto-Scaling und einer Kopplung der Ansätze zu vergleichen. Hierbei stellte sich heraus, dass die Lastkontrollverfahren ähnlich effizient wie Auto-Scaler Überlastszenarien addressieren können und sich die QoS in einem vergleichbaren Bereich bewegt. Im Schnitt erreichten die Lastkontrollverfahren in den untersuchten Szenarien etwa 50 % geringere QoS Gesamtkosten. Es zeigte sich auch, dass sowohl Auto-Scaling als auch die Lastkontrollverfahren in bestimmten Anwendungsszenarien deutliche Nachteile haben, so z. B. wenn die Datengenauigkeit oder Ressourcenkosten im Vordergrund stehen. Es hat sich gezeigt, dass eine Kopplung hierbei immer vorteilhaft ist, um die QoS beizubehalten. Im zweiten Case Study System haben wir eine intelligente Heizungslösung der Robert Bosch GmbH implementiert, um die Ansätze an einem komplexeren System zu validieren. Auch hier zeigte sich, dass eine Kombination von Lastkontrolle und Auto-Scaling am vorteilhaftesten ist und zu einer hohen Datenqualität bei geringen Ressourcenkosten beiträgt. Die Ergebnisse zeigen, dass die vorgestellten Lastkontrollverfahren geeignet sind, die QoS von IoT Anwendungen zu verbessern. Es bietet einem Service Operator damit ein weiteres Werkzeug für das Laufzeitmanagement von IoT Anwendungen, dass einen zum Auto-Scaling komplementären Mechanismus verwendet. Das hier vorgestellte Framework zur Entwicklung selbst-adaptiver IoT Systeme haben wir zur empirischen Beantwortung der Forschungsfragen instanziiert und damit dessen Eignung demonstriert. Wir zeigen außerdem eine exemplarische Verwendung der vorgestellten Kostenfunktionen für verschiedene Anwendungsszenarien und binden diese im Zuge der Validierung in einem Optimierungs-Framework ein

Aerial Vehicles

This book contains 35 chapters written by experts in developing techniques for making aerial vehicles more intelligent, more reliable, more flexible in use, and safer in operation.It will also serve as an inspiration for further improvement of the design and application of aeral vehicles. The advanced techniques and research described here may also be applicable to other high-tech areas such as robotics, avionics, vetronics, and space

Perception of the Body in Space: Mechanisms

The principal topic is the perception of body orientation and motion in space and the extent to which these perceptual abstraction can be related directly to the knowledge of sensory mechanisms, particularly for the vestibular apparatus. Spatial orientation is firmly based on the underlying sensory mechanisms and their central integration. For some of the simplest situations, like rotation about a vertical axis in darkness, the dynamic response of the semicircular canals furnishes almost enough information to explain the sensations of turning and stopping. For more complex conditions involving multiple sensory systems and possible conflicts among their messages, a mechanistic response requires significant speculative assumptions. The models that exist for multisensory spatial orientation are still largely of the non-rational parameter variety. They are capable of predicting relationships among input motions and output perceptions of motion, but they involve computational functions that do not now and perhaps never will have their counterpart in central nervous system machinery. The challenge continues to be in the iterative process of testing models by experiment, correcting them where necessary, and testing them again

An architectural framework for self-configuration and self-improvement at runtime

[no abstract

Individual and coordinated decision for the CAMBADA team

Mestrado em Engenharia de Computadores e TelemáticaA coordenação em sistemas multi-robô é um aspecto crucial no futebol robótico. A maneira como cada equipa coordena cada um dos seus robôs em acções cooperativas define a base da sua estratégia. Este trabalho tem como foco o desenvolvimento da coordenação e estratégia da equipa CAMBADA. CAMBADA é a equipa de futebol robótico da modalidade RoboCup Middle Size League da Universidade de Aveiro. Foi desenvolvida pelo grupo ATRI, pertencente µa unidade de investigação IEETA. O presente trabalho baseia-se em trabalho desenvolvido anteriormente, tentando melhorar o desempenho da equipa. Cada robô da equipa CAMBADA é um agente independente e autónomo capaz de coordenar as suas acções com os colegas de equipa através da comunicação e da partilha de informação. O comportamento de cada robô deverá ser integrado na estratégia global da equipa, resultando assim em acções cooperativas de todos os robôs. Isto é conseguido através do uso de papeis(roles) e comportamentos(behaviours) que definem a atitude de cada robô e as acções que daí resultam. Novos papeis foram desenvolvidos para complementar a estratégia de equipa, e alguns dos papeis existentes foram melhorados. Também foram efectuadas melhorias em alguns dos comportamentos existentes. É efectu- ada a descrição de cada um destes papeis e comportamentos, assim como as alterações efectuadas. O trabalho desenvolvido foi testado nas competições do Robótica 2008 (o desenvolvimento não estava ainda concluído) e por fim nas competições do RoboCup'2008. A participação da equipa no RoboCup'2008 é analisada e discutida. A equipa consagrou-se campeã mundial, vencendo a competição da Middle Size League do RoboCup'2008 em Suzhou, China. ABSTRACT: Multi-robot coordination is one crucial aspect in robotic soccer. The way each team coordinates its individual robots into cooperative global actions define the foundation of its strategy. CAMBADA is the RoboCup Middle Size League robotic soccer team of the University of Aveiro. It was created by the ATRI group, part of the IEETA research unit. This work is focused on coordination and strategy development for the CAMBADA team. It is built upon previous work and tries to improve the team performance further. In CAMBADA each robot is an independent agent, it coordinates its actions with its teammates through communication and information exchange. The resulting behaviour of the individual robot should be integrated into the global team strategy, thus resulting in cooperative actions by all the robots. This is done by the use of roles and behaviours that define each robot attitude in the field and resulting individual actions. In this work, new roles were created to add to the team strategy and some of the previous existing roles were improved. Some of the existing behaviours were also improved to better fit the desired goals. Each role and behaviour is described as well as the changes made. The resulting work was put to test in the portuguese Robotica 2008 competition (while still in progress) and finally in the RoboCup'2008 world competitions. The performance of the team in the latter is analysed and discussed. The team achieved the 1st place in the RoboCup'2008 MSL world competitions

Learning and Reacting with Inaccurate Prediction: Applications to Autonomous Excavation

Motivated by autonomous excavation, this work investigates solutions to a class of problem where disturbance prediction is critical to overcoming poor performance of a feedback controller, but where the disturbance prediction is intrinsically inaccurate. Poor feedback controller performance is related to a fundamental control problem: there is only a limited amount of disturbance rejection that feedback compensation can provide. It is known, however, that predictive action can improve the disturbance rejection of a control system beyond the limitations of feedback. While prediction is desirable, the problem in excavation is that disturbance predictions are prone to error due to the variability and complexity of soil-tool interaction forces. This work proposes the use of iterative learning control to map the repetitive components of excavation forces into feedforward commands. Although feedforward action shows useful to improve excavation performance, the non-repetitive nature of soil-tool interaction forces is a source of inaccurate predictions. To explicitly address the use of imperfect predictive compensation, a disturbance observer is used to estimate the prediction error. To quantify inaccuracy in prediction, a feedforward model of excavation disturbances is interpreted as a communication channel that transmits corrupted disturbance previews, for which metrics based on the sensitivity function exist. During field trials the proposed method demonstrated the ability to iteratively achieve a desired dig geometry, independent of the initial feasibility of the excavation passes in relation to actuator saturation. Predictive commands adapted to different soil conditions and passes were repeated autonomously until a pre-specified finish quality of the trench was achieved. Evidence of improvement in disturbance rejection is presented as a comparison of sensitivity functions of systems with and without the use of predictive disturbance compensation

Reliable Navigation for SUAS in Complex Indoor Environments

Indoor environments are a particular challenge for Unmanned Aerial Vehicles (UAVs). Effective navigation through these GPS-denied environments require alternative localization systems, as well as methods of sensing and avoiding obstacles while remaining on-task. Additionally, the relatively small clearances and human presence characteristic of indoor spaces necessitates a higher level of precision and adaptability than is common in traditional UAV flight planning and execution. This research blends the optimization of individual technologies, such as state estimation and environmental sensing, with system integration and high-level operational planning. The combination of AprilTag visual markers, multi-camera Visual Odometry, and IMU data can be used to create a robust state estimator that describes position, velocity, and rotation of a multicopter within an indoor environment. However these data sources have unique, nonlinear characteristics that should be understood to effectively plan for their usage in an automated environment. The research described herein begins by analyzing the unique characteristics of these data streams in order to create a highly-accurate, fault-tolerant state estimator. Upon this foundation, the system built, tested, and described herein uses Visual Markers as navigation anchors, visual odometry for motion estimation and control, and then uses depth sensors to maintain an up-to-date map of the UAV\u27s immediate surroundings. It develops and continually refines navigable routes through a novel combination of pre-defined and sensory environmental data. Emphasis is put on the real-world development and testing of the system, through discussion of computational resource management and risk reduction

Exploring space situational awareness using neuromorphic event-based cameras

The orbits around earth are a limited natural resource and one that hosts a vast range of vital space-based systems that support international systems use by both commercial industries, civil organisations, and national defence. The availability of this space resource is rapidly depleting due to the ever-growing presence of space debris and rampant overcrowding, especially in the limited and highly desirable slots in geosynchronous orbit. The field of Space Situational Awareness encompasses tasks aimed at mitigating these hazards to on-orbit systems through the monitoring of satellite traffic. Essential to this task is the collection of accurate and timely observation data. This thesis explores the use of a novel sensor paradigm to optically collect and process sensor data to enhance and improve space situational awareness tasks. Solving this issue is critical to ensure that we can continue to utilise the space environment in a sustainable way. However, these tasks pose significant engineering challenges that involve the detection and characterisation of faint, highly distant, and high-speed targets. Recent advances in neuromorphic engineering have led to the availability of high-quality neuromorphic event-based cameras that provide a promising alternative to the conventional cameras used in space imaging. These cameras offer the potential to improve the capabilities of existing space tracking systems and have been shown to detect and track satellites or ‘Resident Space Objects’ at low data rates, high temporal resolutions, and in conditions typically unsuitable for conventional optical cameras. This thesis presents a thorough exploration of neuromorphic event-based cameras for space situational awareness tasks and establishes a rigorous foundation for event-based space imaging. The work conducted in this project demonstrates how to enable event-based space imaging systems that serve the goals of space situational awareness by providing accurate and timely information on the space domain. By developing and implementing event-based processing techniques, the asynchronous operation, high temporal resolution, and dynamic range of these novel sensors are leveraged to provide low latency target acquisition and rapid reaction to challenging satellite tracking scenarios. The algorithms and experiments developed in this thesis successfully study the properties and trade-offs of event-based space imaging and provide comparisons with traditional observing methods and conventional frame-based sensors. The outcomes of this thesis demonstrate the viability of event-based cameras for use in tracking and space imaging tasks and therefore contribute to the growing efforts of the international space situational awareness community and the development of the event-based technology in astronomy and space science applications

Proceedings of the NASA Conference on Space Telerobotics, volume 5

Papers presented at the NASA Conference on Space Telerobotics are compiled. The theme of the conference was man-machine collaboration in space. The conference provided a forum for researchers and engineers to exchange ideas on the research and development required for the application of telerobotics technology to the space systems planned for the 1990's and beyond. Volume 5 contains papers related to the following subject areas: robot arm modeling and control, special topics in telerobotics, telerobotic space operations, manipulator control, flight experiment concepts, manipulator coordination, issues in artificial intelligence systems, and research activities at the Johnson Space Center