Institut für Informatik
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Terrainklassifikation mit Markov Zufallsfeldern für autonome Roboter in unstrukturiertem Terrain
(2015)
Diese Doktorarbeit beschäftigt sich mit dem Problem der Terrainklassifikation im unstrukturierten Außengelände. Die Terrainklassifikation umfasst dabei das Erkennen von Hindernissen und flachen Bereichen mit der einhergehenden Analyse der Bodenoberfläche. Ein 3D Laser-Entfernungsmesser wurde als primärer Sensor verwendet, um das Umfeld des Roboters zu vermessen. Zunächst wird eine Gitterstruktur zur Reduktion der Daten eingeführt. Diese Datenrepräsentation ermöglicht die Integration mehrerer Sensoren, z.B. Kameras für Farb- und Texturinformationen oder weitere Laser-Entfernungsmesser, um die Datendichte zu erhöhen. Anschließend werden für alle Terrainzellen des Gitters Merkmale berechnet. Die Klassifikation erfolgt mithilfe eines Markov Zufallsfeldes für Kontextsensitivität um Sensorrauschen und variierender Datendichte entgegenzuwirken. Ein Gibbs-Sampling Ansatz wird zur Optimierung eingesetzt und auf der CPU sowie der auf GPU parallelisiert um Ergebnisse in Echtzeit zu berechnen. Weiterhin werden dynamische Hindernisse unter Verwendung verschiedener State-of-the-Art Techniken erkannt und über die Zeit verfolgt. Die berechneten Informationen, wohin sich andere Verkehrsteilnehmer bewegen und in Zukunft hinbewegen könnten, werden verwendet, um Rückschlüsse auf Bodenoberflächen zu ziehen die teilweise oder vollständig unsichtbar für die Sensoren sind. Die Algorithmen wurden auf unterschiedlichen autonomen Roboter-Plattformen getestet und eine Evaluation gegen von Menschen annotierte Grundwahrheiten von Karten aus mehreren Millionen Messungen wird präsentiert. Der in dieser Arbeit entwickelte Ansatz zur Terrainklassifikation hat sich in allen Anwendungsbereichen bewährt und neue Erkenntnisse geliefert. Kombiniert mit einem Pfadplanungsalgorithmus ermöglicht die Terrainklassifikation die vollständige Autonomie für radgetriebene Roboter in natürlichem Außengelände.
Die weltweite Vernetzung von semantischen Information schreitet stetig voran und erfährt mit der Linked Data Initiative immer mehr Aufmerksamkeit. Bei Linked Data werden verschiedene Datensätze aus unterschiedlichen Domänen und von diversen Anbietern in einem einheitlichen Format (RDF) zur Verfügung gestellt und miteinander verknüpft. Strukturell ist das schnell wachsende Linked Data Netzwerk sehr ähnlich zum klassischen World Wide Web mit seinen verlinkten HTML Seiten. Bei Linked Data handelt es sich jedoch um URI-referenzierte Entitäten, deren Eigenschaften und Links durch RDF-Triple ausgedrückt werden. Neben dem Dereferenzieren von URIs besteht mit SPARQL auch die Möglichkeit, ähnlich wie bei Datenbanken, komplexe algebraische Anfragen zu formulieren und über sogenannte SPARQL Endpoints auf einer Datenquelle auswerten zu lassen. Eine SPARQL Anfrage über mehrere Linked Data Quellen ist jedoch kompliziert und bedarf einer föderierten Infrastruktur in der mehrere verteilte Datenquellen integriert werden, so dass es nach außen wie eine einzige große Datenquelle erscheint. Die Föderation von Linked Data hat viele Ähnlichkeiten mit verteilten und föderierten Datenbanken. Es gibt aber wichtige Unterschiede, die eine direkte Adpation von bestehenden Datenbanktechnologien schwierig machen. Dazu gehört unter anderem die große Anzahl heterogener Datenquellen in der Linked Data Cloud, Beschränkungen von SPARQL Endpoints, und die teils starke Korrelation in den RDF Daten. Daher befasst sich die vorliegende Arbeit primär mit der Optimierung von verteilten SPARQL Anfragen auf föderierten RDF Datenquellen. Die Grundlage dafür ist SPLENDID, ein effizientes Optimierungverfahren für die Ausführung von verteilten SPARQL Anfragen in einer skalierbaren und flexiblen Linked Data Föderationsinfrastruktur. Zwei Aspekte sind dabei besonders wichtig: die automatische Auswahl von passenden Datenquellen für beliebige SPARQL Anfragen und die Berechnung des optimalen Ausführungsplans (Join Reihenfolge) basierend auf einem Kostenmodell. Die dafür erforderlichen statistischen Information werden mit Hilfe von VOID-basierten Datenquellenbeschreibungen zur Verfügung gestellt. Darüberhinaus wird auch des Management verteilter statistischer Daten untersucht und eine Benchmark-Methodologie
Geographisches Cluster-basiertes Routing ist ein aktueller Ansatz, wenn es um das Entwicklen von effizienten Routingalgorithmen für drahtlose ad-hoc Netzwerke geht. Es gibt bereits eine Anzahl an Algorithmen, die Nachrichten nur auf Basis von Positionsinformationen durch ein drahtloses ad-hoc Netzwerk routen können. Darunter befinden sich sowohl Algorithmen, die auf das klassische Beaconing setzen, als auch Algorithmen, die beaconlos arbeiten (keine Informationen über die Umgebung werden benötigt, außer der eigenen Position und der Position des Ziels). Geographisches Routing mit Auslieferungsgarantie kann auch auf Overlay-Graphen durchgeführt werden. Bisher werden die dafür benötigten Overlay-Graphen nicht reaktiv konstruiert.
In dieser Arbeit wird ein reaktiver Algorithmus, der Beaconless Cluster Based Planarization Algorithmus (BCBP), für die Konstruktion eines planaren Overlay-Graphen vorgestellt, der die benötigte Anzahl an Nachrichten für die Konstruktion eines planaren Overlay-Graphen, und demzufolge auch Cluster-basiertes geographishes Routing, deutlich reduziert. Basierend auf einem Algorithmus für Cluster-basierte Planarisierung, konstruiert er beaconlos einen planaren Overlay-Graphen in einem unit disk graph (UDG). Ein UDG ist ein Modell für ein drahtloses Netzwerk, bei dem alle Teilnehmer den gleichen Senderadius haben.
Die Evaluierung des Algorithmus zeigt, dass er wesentlich effizienter ist als die Baecon-basierte Variante. Ein weiteres Ergebnis dieser Arbeit ist ein weiterer beaconloser Algorithmus (Beaconless LLRAP (BLLRAP)), für\r\nden zwar die Planarität, aber nicht die Konnektivität nachgewiesen werden konnte.
Die automatische Identifikation von Experten in einer speziellen technologischen Domäne, wie einer Bibliothek, Framework oder generellen Technologie, schafft einen großen Mehrwert in der gemeinsamen Entwicklung von Softwareprojekten. Daher soll in dieser Arbeit ein Vorgehen sowie ein Programm zur automatischen Identifikation von Experten entwickelt werden, die gewissen Skills besitzen. Hierbei wird speziell das Django-Framework betrachtet. Jedoch kann durch hinzufügen von weiteren Regeln unser Tool leicht auf andere Technologien angepasst werden. Abschließend wird eine case study auf ein Open Source Projekt durchgeführt.
Wir analysieren versionsbasierte Softwareprojekte, um den Entwicklern API- und Domänen-Wissen zuzuordnen. Genauer gesagt analysieren wir die einzelnen Commits in einem Repository in Hinblick auf die API-Nutzung. Auf dieser Grundlage können wir APIs (oder Teile davon) den Entwicklern zuordnen und dadurch auf die API-Erfahrung der Entwickler schließen. Im transitiven Schluss können wir auf Domänen-Erfahrung schließen, da jeder API eine Programmierdomäne zugewiesen wird.
Im Rahmen dieser Arbeit soll eine Methodik erarbeitet werden, die englische, keyword-basierte Anfragen in SPARQL übersetzt und bewertet. Aus allen generierten SPARQL-Queries sollen die relevantesten ermittelt und ein Favorit bestimmt werden. Das Ergebnis soll in einer Nutzerevaluation bewertet werden.
Klassische Fahrerassistenzsysteme (FAS) wie beispielsweise der Spurassistent oder das weit verbreitete Elektronische Stabilitätsprogramm basieren auf statischen System- und Softwarearchitekturen. Dies bedeutet, dass weder die Anzahl oder Topologie der Steuergeräte noch das Vorhandensein oder die Funktionalität von Softwaremodulen Änderungen zur Laufzeit unterliegen. Es existieren allerdings zukünftige FAS, bei denen solche Veränderungen eintreten können. Hierzu gehören beispielsweise Assistenzsysteme für Fahrzeuge mit Anhänger, da deren Steuergeräte und Softwaremodule über beide Teile des Gespanns verteilt sind. Diese neue Herausforderung kann nicht durch Ansätze, die zum Stand der Technik gehören, bewältigt werden. Stattdessen muss ein neuartiges Verfahren für das Design von solch verteilten Fahrerassistenzsystemen entwickelt werden.
Der zentrale wissenschaftliche Beitrag dieser Arbeit liegt in der Entwicklung einer neuartigen Software- und Systemarchitektur für dynamisch veränderliche FAS am Beispiel der Assistenzsysteme für Fahrzeuge mit Anhänger. Diese Architektur muss in der Lage sein, Veränderungen in der Topologie eigenständig zu erkennen und darauf zu reagieren. Hierbei entscheidet das System, welcher Grad der Assistenz und welche Nutzerschnittstelle nach dem An- oder Abkoppeln eines Anhängers angeboten werden kann. Hierzu werden neben der verfügbaren Software und Hardware die ausführbaren Assistenzfunktionalitäten analysiert und eine entsprechende Re-Konfiguration durchgeführt. Eine solche Systemanpassung kann vorgenommen werden, indem man auf die Prinzipien der Service-orientierten Architektur zurückgreift. Hierbei wird alle vorhandene Funktionalität in abgeschlossene Einheiten, so genannte Services gegossen. Diese Services stellen ihre Funktionalität über klar definierte Schnittstellen zur Verfügung, deren Verhalten durch so genannte Contracts beschrieben wird. Größere Applikationen werden zur Laufzeit durch den Zusammenschluss von mehreren solcher Services gebildet und adaptiert.
Die Arbeit beschreibt die Forschung die geleistet wurde, um die oben genannten Ziele durch den Einsatz von Service-orientierten Architekturen im automotiven Umfeld zu erreichen. Hierbei wird dem hohen Grad an Verteilung, dem Wunsch nach Wiederverwendbarkeit sowie der Heterogenität der einzelnen Komponenten durch den Einsatz der Prinzipien einer SOA begegnet. Weiterhin führt das Service-orientierte System eine automatische Re-Konfiguration im Falle einer Systemänderung durch. Statt eines der vorhandenen SOA Frameworks an die Verhältnisse im automotiven Umfeld anzupassen werden die einzelnen in SOA enthaltenen Prinzipien auf die Problemstellung angepasst. Hierbei entsteht ein eigenständiges Framework namens "Service-oriented Driver Assistance" (SODA) welches die Vorteile einer SOA mit den Anforderungen, bewährten Methoden und Standards vereint. Im Rahmen dieser Arbeit werden verschiedene SOA Frameworks analysiert und miteinander vergleichen. Außerdem wird das SODA Framework sowie dessen Anpassungen bezüglich automotiver Systeme detailliert beschrieben. Hierzu zählt auch ein Referenzmodell, welches die Begrifflichkeiten und Konzepte einführt und zueinander in Beziehung setzt sowie eine Referenzarchitektur definiert. Einige der Module dieser Referenzarchitektur wie beispielsweise das Re-Konfigurations- und das Kommunikationsmodul werden sehr detailiert in eigenen Kapiteln beschrieben. Um die Kompatibilität des Frameworks sicherzustellen wird die Integration in einen bewährten Entwicklungsprozess sowie in den Architekturstandard AUTOSAR diskutiert. Abschließend wird der Aufbau eines Demonstrators und dessen Evaluation bezüglich der Leistungsfähigkeit und Effizienz des Frameworks beschrieben.
Um unterschiedliche Anforderungen zu erfüllen, werden Softwaresysteme oft in Form einer Menge von Varianten entwickelt. Zwei gebräuchliche Ansätze für eine solche Softwareentwicklung sind das clone-and-owning und die Produktlinienentwicklung. Beide Ansätze haben Vor- und Nachteile. In vorheriger Arbeit mit anderen haben wir eine Idee vorgestellt bei der beide Ansätze verknüpft werden um Varianten, Ähnlichkeiten und Softwareklone zu verwalten. Diese Idee basiert auf einer virtuellen Plattform und Operatoren für Softwareklone. In der vorliegenden Arbeit stellen wir einen Ansatz vor um essentielle Metadaten für die Realisierung eines propagate-Operators zu aggregieren. Dafür haben wir ein System entwickelt um Ähnlichkeiten mit Annotationen zu versehen, wobei die Ähnlichkeiten aus der Historie eines Repositories extrahiert werden. Die Annotationen drücken aus wie eine Ähnlichkeit zukünftig gewartet werden soll. Abhängig vom Annotationstyp kann diese Wartung automatisiert ausgeführt oder sie muss vom Benutzer manuell betrieben werden. In dieser Arbeit beschreiben wir die automatisierte Extraktion von Metadaten und das System zur Annotation von Ähnlichkeiten; wir erklären wie das System in den Arbeitsfluss eines bestehenden Programms zur Versionierungverwaltung (Git) integriert werden kann; und abschließend stellen wir eine Fallstudie vor, die das 101haskell-System benutzt.
Die Arbeitsgruppe Echtzeitsysteme an der Universität Koblenz beschäftigt sich seit mehreren Jahren mit der Thematik autonomes und assistiertes Fahren. Eine große Herausforderung stellen in diesem Zusammenhang mehrgliedrige Fahrzeuge dar, deren Steuerung für den Fahrer während der Rückwärtsfahrt sehr anspruchsvoll ist. Um präzise Manöver zu ermöglichen, können elektronische Fahrerassistenzsysteme zum Einsatz kommen. Im Rahmen vorhergehender Arbeiten sind bereits einige Prototypen entstanden, von denen jedoch keiner eine geeignete Lösung für moderne, zweiachsige Anhänger darstellt. Im Rahmen dieser Arbeit wurde ein prototypisches Fahrerassistenzsystem entwickelt, wobei es noch weiterer Forschungs- und Entwicklungsarbeit bedarf, um das System straßentauglich zu machen.