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Main Title: Programming and managing swarms of mobile robots
Subtitle: a systemic approach
Translated Title: Programmierung und Verwaltung von Schwärmen bestehend aus mobilen Robotern
Translated Subtitle: ein systemischer Ansatz
Author(s): Graff, Daniel
Advisor(s): Karnapke, Reinhardt
Richling, Jan
Rabaey, Jan
Referee(s): Heiß, Hans-Ulrich
Karnapke, Reinhardt
De Rose, César
Granting Institution: Technische Universität Berlin
Type: Doctoral Thesis
Language Code: en
Abstract: Numerous heterogeneous devices-including stationary as well as mobile devices-exist that are equipped with a variety of sensors and actuators. This enables new kinds of applications, e.g., applications for monitoring the environment and initiating early warnings in case of natural catastrophes, applications for exploration missions as well as applications for monitoring structural integrity of buildings. The design of the resulting cyber-physical systems is a challenging task. Distribution, concurrency and synchronization together with real space and time are challenging aspects that need to be addressed and carefully treated when implementing such systems. In order to relieve programmers from error-prone properties of cyber-physical systems and facilitate application development by enabling the programmer to solely focus on the program's intention, this thesis presents an approach of a cyber-physical operating system. The thesis addresses the following aspects: in order to program applications, a suitable programming abstraction is required that enables to incorporate real space and time into a programming language and allows to bind program code to space and time. Executing such applications requires a suitable runtime system. The design should follow a modular system architecture in order to achieve a simple mechanism to add new components or exchange active ones. This way, new devices featuring new capabilities can be integrated with less effort. Allowing programmers to access physical space and time requires a scheduling that considers-besides time-also physical space. The scheduling has to address both orthogonal dimensions inevitably resulting in a higher complexity. Coordinated movement for mobile devices becomes necessary.
Es existiert eine Vielzahl heterogener, stationärer sowie mobiler Geräte, die mit unterschiedlichen Sensoren und Aktuatoren bestückt sind. Neuartige Anwendungen wie Frühwarnsysteme für Naturkatastrophen, Erkundungsmissionen oder auch Überwachungen von strukturellen Veränderungen in Bauwerken werden dadurch ermöglicht. Das Design der daraus resultierenden cyber-physischen Systeme bringt eine Vielzahl an Forschungsfragen und Herausforderungen mit sich. Verteiltheit, Nebenläufigkeit und Synchronisation stellen zusammen mit der realen Raum-Zeit Herausforderungen dar, welche bei der Implementierung eines solchen Systems sorgsam behandelt werden müssen. Um den Programmierer von fehlerträchtigen Eigenschaften cyber-physischer Systeme zu entlasten und gleichzeitig die Anwendungsentwicklung zu vereinfachen, indem der Programmierer sich allein auf die Intention des Programms konzentrieren kann, wird in dieser Arbeit ein Betriebssystem für cyber-physische Systeme vorgestellt. In der Arbeit werden die folgenden Themen bearbeitet: Die Anwendungsentwicklung erfordert eine geeignete Programmierabstraktion, welche Raum-Zeit-Bezüge in Programmiersprachen ermöglicht und dadurch das Binden von Raum-Zeit-Parametern an Programmteile realisiert. Für die Ausführung solcher Programme wird die Entwicklung eines entsprechenden Laufzeitsystems notwendig. Das Design sollte einer modularen Systemarchitektur folgen, welche einfaches Hinzufügen von neuen Komponenten oder auch den Austausch von aktiven Komponenten auf einfacheWeise ermöglicht. So können neuartige Geräte, welche neue Features mit sich bringen, mit wenig Aufwand in das System integriert werden. Die Einführung von Raum-Zeit-Parametern ermöglicht auf einfache Weise das Programmverhalten zu steuern. Bei der Einplanung des Programms müssen sowohl Zeit als auch Raum, welche orthogonale Dimensionen darstellen, berücksichtigt werden. Dies führt unweigerlich zu einer Erhöhung der Komplexität. Zusätzlich wird eine Koordinierung der Bewegung mobiler Geräte notwendig.
URI: http://depositonce.tu-berlin.de/handle/11303/6117
http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-5692
Exam Date: 22-Feb-2016
Issue Date: 2017
Date Available: 20-Jan-2017
DDC Class: DDC::000 Informatik, Informationswissenschaft, allgemeine Werke::000 Informatik, Wissen, Systeme::000 Informatik, Informationswissenschaft, allgemeine Werke
Subject(s): swarm robotics
spatio-temporal scheduling
programming abstraction
distributed operating system
trajectory planning
Schwarmrobotik
Raum-Zeit Planung
Programmierabstraktion
verteiltes Betriebssystem
Trajektorienplanung
Creative Commons License: https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/
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