Coordinated Resource Management in Networked Embedded Systems

This dissertation shows that with simple programming abstractions, network-wide resource coordination is efficient and useful for programming embedded sensor networks. Existing systems have focused primarily on managing resources for individual nodes, but a sensor network is not merely a collection of nodes operating independently: it must coordinate behavior across multiple nodes to achieve high efficiency. We need tools that can enable system-wide coordination at a higher level of abstraction than what exists today. We present three core contributions. The first is a service called IDEA that enables networkwide energy management for sensor networks. It unites energy monitoring, load modeling, and distributed state sharing into a single service that facilitates distributed decision making. Using simulation and testbed results, we show that IDEA enables improvements in network lifetime of up to 35% over approaches that do not consider energy distribution. Our second contribution is Karma, a system for coordinating insect-sized robotic microaerial vehicle (MAV) swarms, an emerging class of mobile sensor networks. Karmas system architecture simplifies the functionality of an individual MAV to a sequence of sensing and actuation commands called behaviors. Each behavior has an associated progress function, a measure of how much of that behavior has been completed. Programming is done by composing behaviors which are coordinated using input from the progress functions. Through simulation and testbed experiments, we demonstrate Karma applications can run on limited resources, are robust to individual MAV failure, and adapt to changes in the environment. Our final contribution is Simbeeotic, a testbed for MAV coordination algorithms. MAV sensors must be codesigned with the software and coordination algorithms that depend on them. This requires a testbed capable of simulating sensors to evaluate them before actual hardware is available and the ability to test with real flight dynamics for accurate control evaluation. In addition, simulation should be able to scale to hundreds or thousands of MAVs at a reduced level of fidelity in order to test at scale. We demonstrate that Simbeeotic provides the appropriate level of fidelity to evaluate prototype systems while maintaining the ability to test at scale.Engineering and Applied Science

Swarm-Oriented Programming of Distributed Robot Networks

One challenge of programming soon-to-be-common large robotic teams is the definition of programming primitives that generate reusable and predictable behaviors. A new language construct allows developers to categorize robots using custom conditions and assign tasks to the groups created. The web extra at https://youtu.be/ddHXIef3nDo offers a real-life demonstration of a robot swarm programmed using Buzz, an extension language with dynamic typing

Team-level programming of drone sensor networks

Autonomous drones are a powerful new breed of mobile sensing platform that can greatly extend the capabilities of traditional sensing systems. Unfortunately, it is still non-trivial to coordinate multiple drones to perform a task collaboratively. We present a novel programming model called team-level programming that can express collaborative sensing tasks without exposing the complexity of managing multiple drones, such as concurrent programming, parallel execution, scaling, and failure recovering. We create the Voltron programming system to explore the concept of team-level programming in active sensing applications. Voltron offers programming constructs to create the illusion of a simple sequential execution model while still maximizing opportunities to dynamically re-task the drones as needed. We implement Voltron by targeting a popular aerial drone platform, and evaluate the resulting system using a combination of real deployments, user studies, and emulation. Our results indicate that Voltron enables simpler code and produces marginal overhead in terms of CPU, memory, and network utilization. In addition, it greatly facilitates implementing correct and complete collaborative drone applications, compared to existing drone programming systems

Development of Communication Link Perception for Decision Making in Mobile Agents

Examination and comparison of Packet Error Rate (PER), Error Burstiness (EB), and Receive Signal Strength Indicator (RSSI) as communication connectivity management metrics for multi-agent mobile robot networks are explored in this thesis. Assessment Accuracy (AA) and Time To Process (TTP) are used as parameters for the comparison of metrics given that mobile robots are required to make critical decisions rapidly. The initial investigations are done with a mobile unit making PER, EB, and RSSI measurements at an increasing distance from a base station. A relatively linear relationship between PER and EB was discovered with a R2 value of .967. Strong correlations between EB and PER were observed in areas between 0% and 50% PER. A communication aware algorithm was developed using both EB and PER to allow the mobile agent to assess the Link Quality (LQ) faster in scenarios of communication loss by scanning for error bursts

A tuple space for data sharing in robot swarms

In this paper, we present a system to allow a swarm of robots to agree on a set of (key,value) pairs. This system enables a form of information sharing that has the potential to be an asset for coordination in complex environments, such as globally optimized task allocation. Taking inspiration from the environment-mediated communication of social insects, we call the system virtual stigmergy. Experimental evaluation indicates that virtual stigmergy can work in a wide variety of running conditions including heavy packet loss, and can cope with random motion trajectories

협업 로봇을 위한 서비스 기반과 모델 기반의 소프트웨어 개발 방법론

학위논문(박사)--서울대학교 대학원 :공과대학 전기·컴퓨터공학부,2020. 2. 하순회.가까운 미래에는 다양한 로봇이 다양한 분야에서 하나의 임무를 협력하여 수행하는 모습은 흔히 볼 수 있게 될 것이다. 그러나 실제로 이러한 모습이 실현되기에는 두 가지의 어려움이 있다. 먼저 로봇을 운용하기 위한 소프트웨어를 명세하는 기존 연구들은 대부분 개발자가 로봇의 하드웨어와 소프트웨어에 대한 지식을 알고 있는 것을 가정하고 있다. 그래서 로봇이나 컴퓨터에 대한 지식이 없는 사용자들이 여러 대의 로봇이 협력하는 시나리오를 작성하기는 쉽지 않다. 또한, 로봇의 소프트웨어를 개발할 때 로봇의 하드웨어의 특성과 관련이 깊어서, 다양한 로봇의 소프트웨어를 개발하는 것도 간단하지 않다. 본 논문에서는 상위 수준의 미션 명세와 로봇의 행위 프로그래밍으로 나누어 새로운 소프트웨어 개발 프레임워크를 제안한다. 또한, 본 프레임워크는 크기가 작은 로봇부터 계산 능력이 충분한 로봇들이 서로 군집을 이루어 미션을 수행할 수 있도록 지원한다. 본 연구에서는 로봇의 하드웨어나 소프트웨어에 대한 지식이 부족한 사용자도 로봇의 동작을 상위 수준에서 명세할 수 있는 스크립트 언어를 제안한다. 제안하는 언어는 기존의 스크립트 언어에서는 지원하지 않는 네 가지의 기능인 팀의 구성, 각 팀의 서비스 기반 프로그래밍, 동적으로 모드 변경, 다중 작업(멀티 태스킹)을 지원한다. 우선 로봇은 팀으로 그룹 지을 수 있고, 로봇이 수행할 수 있는 기능을 서비스 단위로 추상화하여 새로운 복합 서비스를 명세할 수 있다. 또한 로봇의 멀티 태스킹을 위해 '플랜' 이라는 개념을 도입하였고, 복합 서비스 내에서 이벤트를 발생시켜서 동적으로 모드가 변환할 수 있도록 하였다. 나아가 여러 로봇의 협력이 더욱 견고하고, 유연하고, 확장성을 높이기 위해, 군집 로봇을 운용할 때 로봇이 임무를 수행하는 도중에 문제가 생길 수 있으며, 상황에 따라 로봇을 동적으로 다른 행위를 수행할 수 있다고 가정한다. 이를 위해 동적으로도 팀을 구성할 수 있고, 여러 대의 로봇이 하나의 서비스를 수행하는 그룹 서비스를 지원하고, 일대 다 통신과 같은 새로운 기능을 스크립트 언어에 반영하였다. 따라서 확장된 상위 수준의 스크립트 언어는 비전문가도 다양한 유형의 협력 임무를 쉽게 명세할 수 있다. 로봇의 행위를 프로그래밍하기 위해 다양한 소프트웨어 개발 프레임워크가 연구되고 있다. 특히 재사용성과 확장성을 중점으로 둔 연구들이 최근 많이 사용되고 있지만, 대부분의 이들 연구는 리눅스 운영체제와 같이 많은 하드웨어 자원을 필요로 하는 운영체제를 가정하고 있다. 또한, 프로그램의 분석 및 성능 예측 등을 고려하지 않기 때문에, 자원 제약이 심한 크기가 작은 로봇의 소프트웨어를 개발하기에는 어렵다. 그래서 본 연구에서는 임베디드 소프트웨어를 설계할 때 쓰이는 정형적인 모델을 이용한다. 이 모델은 정적 분석과 성능 예측이 가능하지만, 로봇의 행위를 표현하기에는 제약이 있다. 그래서 본 논문에서 외부의 이벤트에 의해 수행 중간에 행위를 변경하는 로봇을 위해 유한 상태 머신 모델과 데이터 플로우 모델이 결합하여 동적 행위를 명세할 수 있는 확장된 모델을 적용한다. 그리고 딥러닝과 같이 계산량을 많이 필요로 하는 응용을 분석하기 위해, 루프 구조를 명시적으로 표현할 수 있는 모델을 제안한다. 마지막으로 여러 로봇의 협업 운용을 위해 로봇 사이에 공유되는 정보를 나타내기 위해 두 가지 모델을 사용한다. 먼저 중앙에서 공유 정보를 관리하기 위해 라이브러리 태스크라는 특별한 태스크를 통해 공유 정보를 나타낸다. 또한, 로봇이 자신의 정보를 가까운 로봇들과 공유하기 위해 멀티캐스팅을 위한 새로운 포트를 추가한다. 이렇게 확장된 정형적인 모델은 실제 로봇 코드로 자동 생성되어, 소프트웨어 설계 생산성 및 개발 효율성에 이점을 가진다. 비전문가가 명세한 스크립트 언어는 정형적인 태스크 모델로 변환하기 위해 중간 단계인 전략 단계를 추가하였다. 제안하는 방법론의 타당성을 검증하기 위해, 시뮬레이션과 여러 대의 실제 로봇을 이용한 협업하는 시나리오에 대해 실험을 진행하였다.In the near future, it will be common that a variety of robots are cooperating to perform a mission in various fields. There are two software challenges when deploying collaborative robots: how to specify a cooperative mission and how to program each robot to accomplish its mission. In this paper, we propose a novel software development framework that separates mission specification and robot behavior programming, which is called service-oriented and model-based (SeMo) framework. Also, it can support distributed robot systems, swarm robots, and their hybrid. For mission specification, a novel scripting language is proposed with the expression capability. It involves team composition and service-oriented behavior specification of each team, allowing dynamic mode change of operation and multi-tasking. Robots are grouped into teams, and the behavior of each team is defined with a composite service. The internal behavior of a composite service is defined by a sequence of services that the robots will perform. The notion of plan is applied to express multi-tasking. And the robot may have various operating modes, so mode change is triggered by events generated in a composite service. Moreover, to improve the robustness, scalability, and flexibility of robot collaboration, the high-level mission scripting language is extended with new features such as team hierarchy, group service, one-to-many communication. We assume that any robot fails during the execution of scenarios, and the grouping of robots can be made at run-time dynamically. Therefore, the extended mission specification enables a casual user to specify various types of cooperative missions easily. For robot behavior programming, an extended dataflow model is used for task-level behavior specification that does not depend on the robot hardware platform. To specify the dynamic behavior of the robot, we apply an extended task model that supports a hybrid specification of dataflow and finite state machine models. Furthermore, we propose a novel extension to allow the explicit specification of loop structures. This extension helps the compute-intensive application, which contains a lot of loop structures, to specify explicitly and analyze at compile time. Two types of information sharing, global information sharing and local knowledge sharing, are supported for robot collaboration in the dataflow graph. For global information, we use the library task, which supports shared resource management and server-client interaction. On the other hand, to share information locally with near robots, we add another type of port for multicasting and use the knowledge sharing technique. The actual robot code per robot is automatically generated from the associated task graph, which minimizes the human efforts in low-level robot programming and improves the software design productivity significantly. By abstracting the tasks or algorithms as services and adding the strategy description layer in the design flow, the mission specification is refined into task-graph specification automatically. The viability of the proposed methodology is verified with preliminary experiments with three cooperative mission scenarios with heterogeneous robot platforms and robot simulator.Chapter 1. Introduction 1 1.1 Motivation 1 1.2 Contribution 7 1.3 Dissertation Organization 9 Chapter 2. Background and Existing Research 11 2.1 Terminologies 11 2.2 Robot Software Development Frameworks 25 2.3 Parallel Embedded Software Development Framework 31 Chapter 3. Overview of the SeMo Framework 41 3.1 Motivational Examples 45 Chapter 4. Robot Behavior Programming 47 4.1 Related works 48 4.2 Model-based Task Graph Specification for Individual Robots 56 4.3 Model-based Task Graph Specification for Cooperating Robots 70 4.4 Automatic Code Generation 74 4.5 Experiments 78 Chapter 5. High-level Mission Specification 81 5.1 Service-oriented Mission Specification 82 5.2 Strategy Description 93 5.3 Automatic Task Graph Generation 96 5.4 Related works 99 5.5 Experiments 104 Chapter 6. Conclusion 114 6.1 Future Research 116 Bibliography 118 Appendices 133 요약 158Docto