Informationsverarbeitungund Systemarchitekturin Robotikund Automobiltechnik

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1 Informationsverarbeitungund Systemarchitekturin Robotikund Automobiltechnik Prof. Dr.Ing. habil. AloisKnoll Robotics and Embedded Systems Department of Informatics TechnischeUniversitätMünchen InnotruckStartveranstaltung, IAS, 7Juni2011

2 Statement Überblick Eine kurze Geschichte der Informationsverarbeitung in der Robotik im Auto Anforderungen an eine (kognitive) Systemarchitektur aus Sicht der Informatik Ein integrierender Ansatz: CHROMOSOME 2

3 Erste Schritte 1954, reichtgeorge Devolda USPatent No. 2,988,237 Programmed Article Transfer Unimationwurde1956 gegründetund lieferte1961 den erstenroboteran General Motors "... Unimation... first turned a profit in 1975 after 19 years of research, developmentand market building,..." (N.Y. Times, Mar 21, 1982) UnimationPresident, Joe Engelberger in histrademarkbowtie, development engineer George Munson, and Unimation chief engineermaurice Dunne prepunimateserial#001 forshipmentto thefirstinstallation; GM sdie castingplant in Trenton, NJ. Circa Source: 3

4 Kurze Geschichte der IKT in der Robotik I Erster funktionsfähiger Roboter: Unimate1961 Kennzeichen: elektrisch/hydraulischer Antrieb Digitale Steuerung/Regelung, programmierbar, rechnerbasiert Nicht kommunizierende Einzelinstallation Keine externe Sensorik zur Umwelterfassung 4 Johnny Carson: TonightShow 1966

5 Kurze Geschichte der IKT in der Robotik II Vernetzte, kommunizierende Systeme ab ca Kooperierende Systeme ab ca Einfache externe Sensorik (Positionsschalter, etc.), z.t. bereits Kameras für Umwelterfassung (erstes System von ABB 1981) 5

6 Kurze Geschichte der IKT in der Robotik: 2000 Heute Vernetzte Systeme mit sehr großer Anzahl von Freiheitsgraden Vielzahl von Sensoren ermöglichen Adaptivität, (Teil)Autonomie, Programmieren durch Führen, etc. Mobil zum Arbeitsortwechsel Physische Kooperation mit dem Menschen Multimodalität zum Informationsaustausch mit Menschen Einbettung in größere Kontexte Justin, DLR, 2009 Leonardo, Uni Bielefeld, 2000/1 6 Biotech Automation using Mobile Manipulation

7 Zwischenbilanz Kennzeichen von Architekturen in der Robotik: Vielzahl von Sensoren unterschiedlicher Wirkungsprinzipien EchtzeitReaktion erforderlich, schnelle Rückkopplung Unterschiedliche Abstraktionsebenen: direkte Reaktion bis HighLevelPlanung P C A Environment/Work Space Wahrnehmung Kognition Handlung (Perception, Cognition, Action) Entscheidend ist der Informationsfluß, Energieflußspielt untergeordnete Rolle 7

8 Kurze Geschichte der IKT im Automobilbau I Bis in die 1990erJahre keine oder minimale IKT im Auto (bis auf Radio), Steuerung des Energieflusses durch Fahrer Drei Entwicklungsstränge: Steuerautomatenfür automatische Getriebe (& mech. Einspritzungen) Elektronische Benzineinspritzung AntiBlockierSystem ABS 8

9 Kurze Geschichte der IKT im Automobilbau II GM Hydramatic1939: Hydraulische Kupplung, Planetengetriebe GM Dynaflow1948: Drehmomentwandler und Planetengetriebe Chrysler TorqueFlite1956: Drucktastenbedienung Zunächst rein hydraulische Steuerung; stetige Weiterentwicklung bis hin zu mechatronischersteuerung Oldsmobile

10 Kurze Geschichte der IKT im Automobilbau III (Mechanische) Benzineinspritzung, Einführung im Flugzeugbau in den 30erJahren in Deutschland, durch Bendix in USA Anfang der 50er Jahre Erste Fahrzeuge mit elektronischer Benzineinspritzung: 1958 Chrysler ssportmodelsd300, Adventurer, D500 andfury mit BendixElectrojector Erstes deutsches Auto mit elektronischer Einspritzung (Bosch DJetronic): VW Typ 3 (1600 E), 1967, erstes Steuergerät (analog) 10

11 Kurze Geschichte der IKT im Automobilbau IV Erste Vorstellung von ABS durch MercedesBenz 1970 Serieneinführung 1978 in SKlasse Erstes digitales Steuergerät, Grundlage der Digitalisierung der IKT im Auto 11

12 Kurze Geschichte der IKT im Automobilbau: Heute Vielzahl von Funktionen über große Zahl von Steuergeräten verteilt Höchste Komplexität der Kommunikation und des Entwurfs 12 Data dependencies between all components; Functions are spread across ECUs (G. Spiegelberg, Siemens AG)

13 Stand der Kunst: festverdrahtete Architekturmit verteiltensteuergerätenund dediziertenbussystemen 13

14 Wesentliche Charakteristika heutiger IKT im Auto Historisch gewachsene Strukturen, abgebildet auf Entwicklungs prozesse in Automobilindustrie Weitgehend feste Kopplung von Funktion an HWAusführungs einheiten Hohe Komplexität bei Realisierung neuer oder übergreifenden Funktion Neue Architekturkonzepte spätestens dann erforderlich, wenn weitere komplexe Bedarfe der Informationsverarbeitung hinzukommen, wie bspw. im Energieund Thermomanagement 14

15 Interessante Analogie: Fernseherentwicklung

16 Zwischenbilanz Zukünftig mußsich die Systemarchitektur der Fahrzeuge an der Informationsverarbeitung ausrichten Diese Entwicklungen wurde größtenteils in der Robotik schon vorweggenommen (in jahrzehntelanger Arbeit) Abgegrenzte Fahrzeugarchitekturen als solche lösen sich auf und werden Teil rekursiver Architekturen für umgebende Systeme 16

17 Currentandfutureneeds: Programming, Systems Integration Devol(1954): Programming techniques havelong been known []. In spite of this, the routine job of transporting one article after another from a supply point to a delivery point has not heretofore been met with flexible programming. Today, in the whole system design/inte gration/lifecycle, several types of soft ware come into play: 17 Software for designing and integrating the systems (of systems), e.g., complex tool chains for architecture and model design, component configuration, version management Software to be used at runtime on the system level, e.g., operating systems for robots Software integrating and inventory control with production planning / ERP and robot system control Software engineering will account for 80% of the total cost Investment Costs for Control Systems in Automotive Production Systems The main trend in industrial automation is the increasing need for customized and individualized plants. The production lines have to be constructed and adapted to new production processes quickly. Such highly automated systems are mainly controlled by embedded hardand software which are heterogeneous in nature. Heterogeneous specification and heterogeneous architectures lead to a tremendous increase in the design complexity. The software engineering costs will increase up to 80% of the overall systems costs in the next 15 years (currently this ratio is about 55%). Source: WhitePaper ofthemedeia FP7Project Consortium,

18 Anforderungen an eine (kognitive) Systemarchitektur Umsetzung von PCAStrukturen (inspiriert durch Biologie) auf unterschiedlichen Zeitskalen (ms s) Statische und dynamische Modularitätbezüglich unterschied licheraspekte, u.a. Auswahl der Informationsquellen Fusionsund Assoziationsdienste, Redundanzverwaltung, Präzise Zeitdienste, unifizierte Kommunikation Volle Prozeßunterstützung 18

19 Implementingit: CHROMOSOME CROss domain, Modular Operating System or Middleware Datacentricandcomponent(service)driven Publish and subscribe model Realtime capablewithqosdrivencommunication Endtoend delay, jitter, precision, reliability System monitors Support offaulttolerancewithdebuggingandlogging Plug&Play capablewithselforganization Integration to WSSOA Resource manager 29

20 The innerworkingsofchromosome Application and QoS Model Service and Platform Repository Model Transformation and Code Generation Generated Application Generated Middleware Operating System Hardware Abstraction Layer (HAL) Target Platform Target Platform 30

21 Chromosome software layers Generated Application Generated Middleware XME Advanced (adv) Primitive (prim) data centric communication Project Advanced (adv) Primitive (prim) Core (core) function calls Generated HAL Hardware Abstraction Layer (hal) 31

22 Summary of CHROMOSOME It provides OS or middleware Qualityofservice driven communication infrastructure Platform support layer (HAL) Firmware generation Node management Data Centric Approach No direct communication Publish and subscribe model Topicbased content filtering (topic name, topic (data) type): publish(topic); subscribe(topic); Decentralized structure Plug& Play QoS Parameter Examples Bandwidth Endtoend delay, Jitter Precision, Reliability 32

23 Chromosome includes domainspecific tools Applicationspecific tailoring of middleware Glue code generation Development of software components / services Monitoring Configuration 33

24 CHROMOSOME Essence: Builditonce, useitoften Background: Domainspecifictoolswithfocuson extrafunctionalrequirements Domainspecificmiddleware/ runtimesystemarchitectures Different applicationprojects: ARTEMIS CROSS-Domain Architecture AutoPnP Plug&Playfor Automation Systems esoa embeddedservice orientedarchitecture FTOS Fault tolerant operating system OSCar easylab 34

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