Analyse der Datenkommunikation zur drahtlosen Steuerung eines NAO Roboters durch ein Android Gerät

Transkript

1 Analyse der Datenkommunikation zur drahtlosen Steuerung eines NAO Roboters durch ein Android Gerät Seminarvortrag am 17. Januar 2014 Gerrit Kieffer Rechen- und Kommunikationszentrum (RZ)

2 Gliederung Motivation Der NAO Programmierung Protokolle zur Datenkommunikation JavaScript Object Notation XML Data Binding Google Protocol Buffers Vergleich der Protokolle Testbedingungen und -kriterien Auswertung und Fazit Ausblick 2

3 Motivation 3

4 Motivation MATSE-Gruppe des Rechenzentrums vertritt das duale Studium Scientific Programming auf Berufsbildungs- und Studiumsmessen Verbesserung der Qualität und Effizienz durch gezielten Einsatz von vorhandenen Medien Idee: Interaktion mit einem NAO Roboter mithilfe eines Android Geräts 4

5 Der NAO 5

6 Der NAO Programmierbarer, humanoider Roboter von Aldebaran Robotics Motoren und Gelenke für 25 Freiheitsgrade Verschiedene Sensoren und Signalgeber Betriebssystem: OpenNAO OS, basierend auf Gentoo (Linux) 6

7 Der NAO Programmierung 7

8 Der NAO: Programmierung Grafische Entwicklungsumgebung Choregraphe 8

9 Der NAO: Programmierung Grafische Entwicklungsumgebung Choregraphe Pro Sehr einfach und intuitiv Automatische Netzwerkkommunikation mit dem Roboter Contra Starke Einschränkung der Programmiermöglichkeiten Keine komplexeren Programme realisierbar Verzögerung durch das Netzwerk 9

10 Der NAO: Programmierung NAO Software Development Kits Framework zur Ansteuerung der NAO Module Verfügbar in C++, Python,.NET-Sprachen, Java, MatLab und Urbi Konzipiert nach dem Proxy-Pattern 10

11 Der NAO: Programmierung NAO Software Development Kits Pro Wenig Einschränkungen bei der Programmierung Automatische Übertragung der Befehle mittels Proxy Contra Programmlogik wird extern ausgeführt Verzögerung durch das Netzwerk NAO-Java-SDK nicht mit Android kompatibel 11

12 Der NAO: Programmierung Cross-Compiling mit QiBuild OpenNAO beinhaltet keinen Compiler Programmierung weiterhin auf externem Rechner QiBuild (basierend auf Cmake) erzeugt daraus Maschinencode für OpenNAO Programm schreiben passende Toolchain auswählen mit QiBuild kompilieren Anwendungsdatei(en) mit scp auf den NAO kopieren Programm ausführen 12

13 Der NAO: Programmierung Cross-Compiling mit QiBuild Pro Wenig Einschränkungen bei der Programmierung Programmlogik wird auf dem Roboter selbst ausgeführt Auswertung in Echtzeit Contra Hoher Aufwand Netzwerkkommunikation muss selbst implementiert werden Externe Bibliotheken müssen ggf. neu kompiliert werden Eventuelle Kompatibilitätsprobleme 13

14 Der NAO: Programmierung Probleme für die Netzwerkprogrammierung: Choregraphe ist einfach aber unflexibel SDK wäre besser geeignet, ist aber nicht mit Android kompatibel Einzig mögliche Lösung: autonome Applikation durch Cross- Compiling 14

15 Protokolle zur Datenkommunikation 15

16 Protokolle zur Datenkommunikation Szenario: simple TCP-Server und -Clients, die Datenbytes austauschen können Syntax und Semantik der Daten muss durch Formate festgelegt werden Gewählte Protokolle: JavaScript Object Notation XML Data Binding Google Protocol Buffers 16

17 Protokolle zur Datenkommunikation JavaScript Object Notation 17

18 JavaScript Object Notation (JSON) Aus dem ECMAScript-Standard extrahiert und später als unabhängiges Datenformat spezifiziert Mittlerweile weit verbreitet und von vielen Sprachen nativ unterstützt Eigenschaften der Notation: Datenstrukturen: Array und Object Datentypen: String, Number, Boolean, Null Baumstruktur mit Array oder Object als Wurzel Beliebige Verschachtelung möglich 18

19 JavaScript Object Notation (JSON) Beispielnachricht: { } "HelloWorld": { "sender": "NAO", "content": "Hello Android!" } 19

20 JavaScript Object Notation (JSON) JSON als Format für die Datenkommunikation Verleiht Nachrichten eine leserliche Struktur Enthält Datentypen und -strukturen Legt die Syntax für die Daten, aber nicht die Semantik der Nachricht fest Der Aufbau einer Nachricht muss manuell festgelegt und an allen Endpunkten bekannt sein Verifikationsmechanismen müssen ebenfalls selbst implementiert werden 20

21 Protokolle zur Datenkommunikation XML Data Binding 21

22 XML Data Binding Grundlegende Aspekte: Serialisierung von Objekten in XML Dokumente (Marshalling) und Deserialisierung von XML Dokumenten in Objekte (Unmarshalling) Schema-Datei legt den Aufbau einer Nachricht fest Klassengenerierung aus Schema (nicht in allen Frameworks!) XML-typische Baumstruktur Datentypen: simpletypes: einwertige Datentypen wie boolean, decimal, string und viele weitere complextypes: zusammengesetzte Datentypen und auch Listen 22

23 XML Data Binding Beispielschema: <?xml version="1.0"?> <xs:schema xmlns:xs=" <xs:element name="helloworld"> <xs:complextype> <xs:sequence> <xs:element type="xs:string" name="sender"/> <xs:element type="xs:string" name="content"/> </xs:sequence> </xs:complextype> </xs:element> </xs:schema> Zugehörige Beispielnachricht: <HelloWorld> <sender>nao</sender> <content>hello Android!</content> </HelloWorld> 23

24 XML Data Binding XML Data Binding in der Datenkommunikation: Schema wird an alle Endpunkte verteilt Nachrichten sowie Datentypen und -strukturen sind dadurch festgelegt Verifikation über Schema ist möglich und meist schon implementiert 24

25 Protokolle zur Datenkommunikation Google Protocol Buffers 25

26 Google Protocol Buffers Googles internes Framework zur Datenübertragung Merkmale: Bitorientierte Formatierung Vereinfachtes Schema-Modell Klassengenerierung Auf- und abwärtskompatibel Datentypen: Einwertige Datentypen wie Ganzzahlen, Zeichenketten oder boolsche Werte Zusammengesetzte und verschachtelte Typen sowie Listen 26

27 Google Protocol Buffers Beispielschema: package mypackage; message HelloWorld { required string sender = 1; required string content = 2; } Zugehörige Beispielnachricht: 0A 03 4E 41 4F 12 0E C 6C 6F E F

28 Google Protocol Buffers In der Datenkommunikation: Schema definiert Datentypen und Struktur der Nachricht Automatische Verifikation Spätere Änderung des Schemas teilweise möglich 28

29 Vergleich der Protokolle 29

30 Vergleich der Protokolle Kriterien: Dauer der Serialisierung und Deserialisierung Größe des Overhead Aufwand der Implementierung Sonstige Funktionen 30

31 Vergleich der Protokolle Test 1: Integer-Matrix Dimension: 500 x 500 Gleiche Anzahl an positiven und negativen Werten Test 2: große Textnachricht 1024 identische Zeilen zu je 1023 Zeichen + Zeilenumbruch 1 MB Text 31

32 Vergleich der Protokolle Genereller Ablauf: 32

33 Zeit in Sekunden Vergleich der Protokolle Zeitmessung Test 1 (Integer-Matrix): JSON XML Data Binding Protocol Buffers 5 0 Serialisierung (Android) Deserialisierung (NAO) Serialisierung (NAO) Deserialisierung (Android) 33

34 Daten in MB Vergleich der Protokolle Datenmessung Test 1 (Integer-Matrix): JSON XML Data Binding Protocol Buffers 1 übertragene Bytes davon Overhead 34

35 Zeit in Sekunden Vergleich der Protokolle Zeitmessung Test 2 (Textnachricht): 1,8 1,6 1,4 1,2 1 0,8 0,6 JSON XML Data Binding Protocol Buffers 0,4 0,2 0 Serialisierung (Android) Deserialisierung (NAO) Serialisierung (NAO) Deserialisierung (Android) 35

36 Vergleich der Protokolle Datenmessung Test 2 (Textnachricht): JSON XML Data Binding Protocol Buffers übertragene Bytes davon Overhead

37 Vergleich der Protokolle Zusammenfassung mittlere Bearbeitungsdauer JSON XML Data Binding Protocol Buffers Overhead Aufwand der Implementierung Sonstiges + gute Lesbarkeit + sehr simpel gute Lesbarkeit + Validierung durch Schema + Komprimierungsmöglichkeiten + sehr viele Datentypen + automatische Klassengenerierung + Validierung durch Schema + Kompatibilität + automatische Klassengenerierung 37

38 Vergleich der Protokolle Fazit Jedes Protokoll hat Vor- und Nachteile je nach Anwendungsgebiet Kriterien wie Implementierungsaufwand ebenso wichtig wie Performance Empfehlung in diesem Fall: Google Protocol Buffers 38

39 Ausblick 39

40 Ausblick Gewonnene Kenntnisse ermöglichen komplexe Datenkommunikation zwischen Android und NAO Android App. zur spielerischen Interaktion mit dem Roboter Konkretisierung der Anforderungen an die Anwendung Implementierung im Rahmen der Bachelorarbeit Einsatz auf Marketingveranstaltungen 40

41 Fragen? 41

42 Quellen Aldebaran Robotics Offizielle JSON Homepage 2 W3C XML Schema Definition Language (XSD) 2 Google Protocol Buffers Urheber des NAO-Bildes und der abgebildeten Software Choregraphe 2 abgerufen am