JP2005515903A - ロボット用センサおよびアクチュエータのハードウェア抽象化層内における抽象化および集合化 - Google Patents
ロボット用センサおよびアクチュエータのハードウェア抽象化層内における抽象化および集合化 Download PDFInfo
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Abstract
Description
(I) ハードウェアデバイスを抽象化するための柔軟性のあるフレームワークを提供すること、
(II) プラットフォームの中立性を提供すること、
(III) ロボットハードウェアのリアルタイム制御のためのシステムレベルの効率のよさを提供すること。
リソースコンテナ402内のリソースドライバの数を非常に広範囲に変化させ得ることが理解されるだろう。リソース構成408が、リソースドライバ302、404、406を作り出すために使用される情報を含み得る。リソース構成408は、持続性のあるデータ記憶装置410に格納される。リソース構成408の一実施形態を図6に関して以下にさらに詳細に説明する。
I (b)リソース304により抽象化したデバイス306のライフサイクルを管理すること、
I (c) 現実世界の概念および単位に基づいた種々のロボットオペレーション用のソフトウェアインターフェースの拡張可能なセットを提供すること、
I (d) リソース304からより高レベルのソフトウェアへのアクセスを提供すること、および
I (e)デバイス306にアクセスするための高信頼性機構を提供すること。
<Device id="IR_tne"type="Evolution.USBIrSensor">
<Parameter name="address"value="0"/>
<Parameter name="link"value="origin"/>
<Parameter name="x"value="-20"/>
<Parameter name="y"value="-10"/>
<Parameter name="z"value="22"/>
<Parameter name="roll"value="0">
<Parameter name="pitch"value="0">
<Parameter name="yaw"value="-pi/4"/>
</Device>
上に示した例においては、id属性は、一意的にIRデバイスを識別する。型属性は、デバイスがUSB IRSensorであることを示す。アドレス値は、論理デバイスバス上のアドレスを示し、このアドレスに、このデバイスを見つけることができる。リンク値は、このデバイスがロボットへいかにアタッチされるかを示す。x、y、およびzの変数は、ロボットにおけるデバイスの位置に対応する。ロール、ピッチおよびヨー変数は、ロボットにおけるデバイスの方向に対応する。
x、yおよびz軸に沿った寸法で表した、構造部材のサイズ、
ロール、ピッチおよびヨーで表した、構造部材の方向、および
剛性構造部材と関連したリンクのid。
のロードを試行可能である。
以下に、IRSensor用のリソースドライバの実装の例を含めて、リソースドライバ302の作成方法の詳細をさらに説明する。
ハードウェアアクセス、および構成情報の構文解析が一般に活性段階において行われるので、リソースドライバのコンストラクタ内における初期化は、一般に、比較的単純である。メソッドは、活性化準備のために、オブジェクトのメンバ変数を初期化する。以下は、IRSensorコンストラクタの比較的単純な実装に対応するサンプルコードである。
一実施形態では、3つのメソッドが、リソースドライバの活性化、すなわち「activate」「deactivate」、および「is_active」を処理する。名前が示すように、メソッドは、活性化、非活性化を引き起こす役割と、活性状態を示す役割とをそれぞれ果たす。活性化および非活性化は、繰り返し行うことができ、例えば、フェールセーフシステムが、デバイスをリセットしようと作動を停止するドライバを非活性化および再活性化させることができ、リソースドライバ302が、このような活性を適切に処理すべきである。「activate」および「deactivate」シーケンスの後に、リソースドライバ302およびハードウェアは、活性前の状態と同じ状態に戻る。この理由のために、ハードウェア、スレッドおよび/またはネットワーク、あるいは他の通信の初期化は、コンストラクタ内ではなく、「activate」時に行われるべきである。シャットダウンは、「deactivate」時に行われるべきである。リソース構成408の読み出しは、「activate」時に行われ、リソース構成408内においてパラメータを用いて、リソースドライバを適切な状態にセットする。「is_active」メソッドは、活性化がうまく完了した場合は「true」表示を返し、またはそうでない場合は「false」を返し得る。「is_active」メソッドが、ドライバの状態の正確なレポートを提供することに留意すべきである。リソースドライバ302を管理するリソースコンテナ402は、この情報を用いて、ハードウェアが正常に作動しているか、ならびにドライバが、インターフェースポインタの要求を受け入れる準備ができているかを判断することができる。
「activate」メソッドの1つの目的は、IRSensorへの有効なデバイスハンドルを取得することである。そうするためには、resource.configの「get_parameter」および「get_bus_id」メソッドを呼び出すことによって、リソース構成408からIRSensorが接続されるアドレスおよびバスを取得すべきである。メソッドがバスidを取得すると、そのメソッドは、リソースコンテナ402の「obtain_interface」メソッドを呼び出すことにより、バスリソースドライバへの参照を得る。バスのリソースインターフェースが取得されると、メソッドは、そのインターフェースの「get_device」メソッドを呼び出して、IRSensorのデバイスハンドルへの参照を取得する。このデバイスハンドルが有効である限り、IRSensorへのアクセスが可能であり、リソースは、活性状態であると考えることができる。
「deactivate」メソッドは、デバイスおよびバスインターフェースの解放によりクリーンアップを行う。「deactivate」メソッドはまた、_deviceおよび_busインターフェースのポインタをヌルに、_addressを0にリセットして、「activate」メソッドを呼び出す前の状態に戻す。このサンプルコードはまた、HAL202のオブジェクトの、ここに示した実施形態の組み込み参照カウントを示す。「release_interface」コールは、実際に、それらのオブジェクトが他のオブジェクトにより参照されない時は、バスおよびデバイスオブジェクトを削除する。
リソースドライバ302を有効にするために、他のソフトウエアコンポーネントがアクセス可能な、周知のリソースインターフェース702を公開するべきである。後述する「obtain_interface」メソッドは、その機能を実行可能な1つの方法を示す。リソースドライバ302は、リソースコンテナ402の内部において保護されており、その結果、リソースインターフェース702を要求しているコンポーネントが、あるリソースドライバ302によって実装される時、その要求は、リソースコンテナ402を通じて行われる。コンテナの「obtain_interface」メソッドは、リソースドライバ302が活性状態であることを確認し、次に、リソースインターフェース702を要求するリソースドライバ302の「obtain_interface」メソッドを呼び出す。
示した実施形態では、IRSensorインターフェースは、IRangeSensorインターフェースのみをサポートしているので、interface_nameパラメータが、一定のIRangeSensor::INTERFACEIDと一致するかを判断するだけでよい。リソースドライバ302がまた、1つを超えるリソースインターフェース702をサポート可能であることが理解され、この場合には、「obtain_interface」メソッドは、サポートされたリソースインターフェース702のidを有するinterface_nameパラメータをチェックし、一致することが分かると、適切なインターフェースの参照を返す。
これらのメソッドは、距離センサのための典型的なオペレーションを示す。「get_distance_reading」メソッドは、センサの生の読み取り値から処理済みの現実世界の単位による読み取り値を返す。「get_raw_reading」メソッドは、センサから生の読み取り値を返す。
ここに示した「get_distance_reading」メソッドは、リソースドライバ302が処理前に活性状態であることを確認する。次いで、「get_distance_reading」メソッドは、「activate」メソッドにより予め取得されたセンサの _device参照および_address値を引き渡し、ハードウェアドライバメソッド「ercm_device_read_analog」を用いて、この特定のタイプのデバイスにアクセスし、IRSensorから生の値を読み取る。読み取り値に対するタイムスタンプ値が、取得され、「raw_to_distance」メソッドが、それに続き、生の読み取り値を距離の読み取り値に変換する。次いで、変換された距離の値は、出力される距離パラメータへ格納され、「RESULT_SUCCESS」値が返される。
この実装が、get_distance_readingと、以下の点を除いてほとんど同じであることに留意されたい。すなわち、生の読み取り値を距離へ変換する代わりに、その読み取り値が電圧単位に変換され、この電圧単位が、使用されている特定のIRSensorの生のフォームに相当するという点を除いて、殆ど同じであることに留意されたい。
ロボットの振る舞いを生じさせるために、より高レベルのソフトウェアが、どのようにリソースドライバ302の利用が可能かを、以下にさらに詳細に説明する。ロボットの振る舞いの1つの例が、ある距離を所望の速度でロボットを前進させることである。これを実行するために、振る舞いは、ロボットが所望の速度で前進しているかどうかを判断し、移動した距離を周期的に測定し、ロボットが所望の距離を移動するとロボットを停止させることができる。
コードブロック9が、HAL202と相互作用して、例えばある距離を前進するなど、単純なロボットオペレーションを行うより高レベルの振る舞いを示す。ここに示したオペレーションでは、2つの異なるリソースインターフェース702を用いる。振る舞いは、まずリソースコンテナ402への「obtain_interface」コールでこれらのリソースインターフェースを取得する。これらのインターフェースへの参照が取得されると、振る舞いは、これらのインターフェースのメソッド、すなわち、IOdometryの「get_position」、およびIDriveSystemの「move_and_turn」を利用して、その目的を達成する。有利なことには、HAL202によって、ここに示したコードは、下層にあるロボットハードウェアの詳細を配慮せずに実行可能である。リソース構成402は、活性状態のハードウェアを表しており、HAL202は、リソース構成408内の情報を用いて、これらの2つのメソッドの正確な実装を決定し振る舞いに返し、その結果、振る舞いがこれらのメソッドを呼び出すと、HAL202により抽象化され活性状態のロボットハードウェアは、意図されたように実行される。
コードブロック10では、差動ドライブシステムのための「move_and_turn」メソッドが、線速度および角速度、ならびに個々の加速度など、扱いやすい現実世界のパラメータを取り入れることができる方法、および所望の効果を生じるように左右のモータにおいて個別の速度を計算することができる方法が示されている。図18は、図17のフローチャートにおける変数参照用の一覧表を含んでいる。これは、リソースインターフェース702の機能を表している。HAL202によって提供されるこれらのメソッドの実装の詳細が、下層のハードウェアに応じて変化し得ることが理解される。例えば、2組の脚を駆動させるために2つのモータを使用するドライブシステム用の「move_and_turn」メソッドの実装は、差動ドライブシステム用の上記のコードとは実質的に異なる。しかしながら、リソース構成408においてどのドライブシステムが活性状態であるかを示すことによって、HAL202は、より高レベルのソフトウェアに正確な実装を行うことができることが好ましく、より高レベルのソフトウェアは、特定のロボットに特有の特性から効果的に切り離される。
HAL202の一実施形態により実装可能なリソースインターフェース702の、必ずしも全てではないがリストを以下に示す。さらなるリソースインターフェース702が、追加され得ることが理解されるだろう。リソースインターフェースは、読み出し可能性について一般的なカテゴリに整理されている。
HAL202は、従来のロボット用ではないプラットホーム内においてサポートされるデバイスを含めて、非常に広範囲のデバイスのための抽象化を行うことが好ましい。オーディオリソースの抽象化によって、より高レベルのソフトウェアが、マイクロホン、デジタルシンセサイザ、スピーカーなどのロボットに取り付けられた音声装置と相互作用し得る。オブジェクト指向設計を用いると、オーディオリソースは、以下のクラス階層に構成可能である。
IAudioLevelが、ロボットの周りの環境において一般的な周囲の騒音ボリュームを取得するために使用可能である。IAudioLevelは、高レベルのソフトウエアコンポーネントにより使用されて、音声に反応し得るセンサ入力を提供可能である。例えば、セキュリティ振る舞いは、ある周囲のボリュームレベルに反応して「侵入者警報」を鳴らすように構成可能である。
視覚的なカテゴリのリソースが、カメラのような視覚センサを抽象化する。それらによって、画像サイズ、色の深さおよびフォーマット、映像コーデック、映像フレーム速度、圧縮の質のような種々の映像および静止画像パラメータの仕様が可能になる。一実施形態では、リソース階層は、以下のとおりである。
センサカテゴリは、種々のタイプの非視覚的なセンサデバイスのリソース抽象化を含んでいる。利用可能なセンサの種類は、レーザ距離計などの比較的ハイテクで高コストのセンサから、ソナーまたはバンプスイッチセンサなどの比較的単純で低コストのセンサまで、非常に多い。センサリソースは、この多様性に対処する困難を伴わずに、センサを機能別カテゴリにグループ化しかつ各カテゴリへ比較的単純で一様なインターフェースを提供することによって、抽象化を行う。機能別カテゴリの説明に続いて、以下に、クラス階層をさらに詳細に説明する。
Claims (14)
- ロボットソフトウェアアーキテクチャ内のハードウェア抽象化層(HAL)であって、
高レベルのソフトウェアに対するソフトウェアインターフェースであって、当該ソフトウェアインターフェースが、ロボットと環境との相互作用に関連した現実世界の測定値を伴って、より高レベルのロボットソフトウェアと通信するように構成された前記ソフトウェアインターフェースと、
前記高レベルのソフトウェアに、利用可能なリソースの表示を提供するリソース構成と、
複数のリソースドライバであって、当該リソースドライバの少なくとも一部分が、前記リソース構成内の利用可能なリソースに相当し、前記リソースドライバの少なくとも2つが、機能性において部分的に重なっており、前記少なくとも2つのリソースドライバの1つのみが、利用可能な対応のリソースを有し、利用可能なリソース用のリソースドライバが、ロボット用の現実世界の測定値と、デバイス用のデバイスレベルの測定値との間において変換を行うように構成されている前記複数のリソースドライバと、
低レベルのデバイスドライバに対するインターフェースであって、当該低レベルのデバイスドライバが、デバイスレベルにおいて対応のハードウェアと通信し、前記低レベルのデバイスドライバに対するインターフェースが、リソースドライバを介して、前記高レベルのソフトウェアと通信する、前記低レベルのデバイスドライバに対するインターフェースと、
を備えるHAL。 - 前記リソース構成が、構造上の、ロボットへのデバイスの結合場所についての表示をさらに含む請求項1に記載のHAL。
- 前記高レベルのソフトウェアが、プランナ、アプリケーション、振る舞いおよびタスクから成るグループから選択される少なくとも1つを含む請求項1に記載のHAL。
- デバイスドライバが、モータドライバに対応し、対応のリソースドライバが、車輪の直径および歯車比を用いて、前記リソースドライバが、前記モータドライバ用のモータ角速度と、前記高レベルのソフトウェア用の線速度との間において変換を行うように、モータの角速度として与えられる速度を計算する請求項1に記載のHAL。
- 前記リソースドライバが、前記高レベルのソフトウェアと前記低レベルのデバイスドライバとの間のアプリケーションプログラムインターフェース(API)層内に存在する請求項1に記載のHAL。
- ロボットに、ロボット制御ソフトウェアのハードウェア抽象化を提供する方法であって、
対応のハードウェアがロボットに存在しないリソースドライバを含む、前記ロボット用の複数のリソースドライバを設けるステップと、
前記ロボット用のハードウェア構成を検出するステップと、
前記検出された前記ハードウェア構成に基づき、前記ロボットにおいて利用可能なリソースを自動的に検出するステップと、
前記ロボット制御ソフトウェアから、1つのタイプのリソースを使用する要求を受信するステップと、
前記ロボット制御ソフトウェアにより要求されたタイプのリソースに相当するリソースを、前記利用可能なリソースから自動的に選択するステップと、
前記選択されたリソースの使用に関連するとともに、ロボットに関連する測定単位で提供される第1の情報を前記ロボット制御ソフトウェアと交換するステップと、
第2の情報であって、前記ロボット制御ソフトウェアによる使用要求に関連し、対応のデバイスに関連する測定単位で提供され、前記第1の情報とは異なる、前記リソースに対応する前記第2の情報を、低レベルのデバイスドライバと交換するステップと、
前記ロボットの検出された構成に基づき、前記第1の情報及び前記第2の情報の間において変換を行うステップと、
を含む、HAL。 - 前記第1の情報が線速度であり、前記第2の情報が角速度である請求項6に記載の方法。
- 前記方法が、アプリケーションプログラムインターフェース(API)において実施される請求項6に記載の方法。
- リソースのタイプが、距離の意味を含み、前記選択されるリソースが、バンプセンサ、レーザ距離計、超音波センサ、および赤外線センサから成るグループから選択された1つのデバイスに相当する請求項6に記載の方法。
- 前記ロボットが最初はバンプセンサを含み、かつ前記ロボット用のハードウェア構成が前記バンプセンサを指定し、さらに、
前記バンプセンサを赤外線センサに変更するステップと、
前記ロボット用のハードウェア構成を変更するステップと、
前記ロボット制御ソフトウェアを、変更せずに使用可能となるように、前記ロボットの新たに検出された構成に基づいて、前記第1の情報と前記第2の情報とを自動的に変換するステップと、
を含む請求項6に記載の方法。 - メソッドコールを有するセキュリティパラメータを含むステップと、
リソースへのアクセスが要求された時に、セキュリティチケットを確認するステップと、
前記セキュリティチケットに基づいて前記リソースへのアクセスを抑制するステップと、
をさらに含む請求項6に記載の方法。 - リソースへのアクセスに基づいて更新される予約カウントパラメータを管理するステップと、
前記カウントに基づいて前記リソースへのアクセスを制御するステップと、
をさらに含む請求項6に記載の方法。 - ロボット内の、ロボット制御ソフトウェア用のハードウェア抽象化層(HAL)であって、
対応のハードウェアがロボットに存在しないリソースドライバを含む、前記ロボット用の複数のリソースドライバを設ける手段と、
前記ロボット用のハードウェア構成を検出する手段と、
前記検出されたハードウェア構成に基づき、前記ロボットにおいて利用可能なリソースを自動的に検出する手段と、
前記ロボット制御ソフトウェアから、1つのタイプのリソースを使用する要求を受信する手段と、
前記ロボット制御ソフトウェアにより要求されたタイプのリソースに相当するリソースを、前記利用可能なリソースから自動的に選択する手段と、
前記選択されたリソースの使用に関連し、かつロボットに関連する測定単位で提供される第1の情報を前記ロボット制御ソフトウェアと交換する手段と、
第2の情報であって、前記ロボット制御ソフトウェアによる使用要求に関連し、対応のデバイスに関連する測定単位で提供され、前記第1の情報とは異なる、前記リソースに対応する前記第2の情報を、低レベルのデバイスドライバと交換する手段と、
前記ロボットの検出された構成に基づき、前記第1の情報と前記第2の情報とを変換する手段と、
を含む、HAL。 - コンピュータ読み出し可能媒体であって、方法を実施する命令をコンピュータが実行可能であり、当該方法は、
対応のハードウェアがロボットに存在しないリソースドライバを含む、前記ロボット用の複数のリソースドライバを設けるステップと、
前記ロボット用のハードウェア構成を検出するステップと、
前記検出されたハードウェア構成に基づき、前記ロボットにおいて利用可能なリソースを自動的に検出するステップと、
前記ロボット制御ソフトウェアから、1つのタイプのリソースを使用する要求を受信するステップと、
前記ロボット制御ソフトウェアにより要求されたタイプのリソースに相当するリソースを、前記利用可能なリソースから自動的に選択するステップと、
前記選択されたリソースの使用に関連し、かつロボットに関連する測定単位で提供される第1の情報を前記ロボット制御ソフトウェアと交換するステップと、
第2の情報であって、前記ロボット制御ソフトウェアによる使用要求に関連し、対応のデバイスに関連する測定単位で提供され、前記第1の情報とは異なる、前記リソースに対応する前記第2の情報を、低レベルのデバイスドライバと交換するステップと、
前記ロボットの検出された構成に基づき、前記第1の情報と前記第2の情報とを変換するステップと、
を含む、コンピュータ読み出し可能媒体。
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