Table of Contents

Tüüpiline autonoomne süsteemitarkvara arhitektuur

Autonoomsed süsteemid, olenemata nende füüsilisest domeenist – maapinnal, õhust või merest – jagavad ühist arhitektuuriloogikat, mis struktureerib andmevoogu anduritelt otsustus- ja juhtimisüksustele. See jaotis uurib tüüpilist funktsionaalset arhitektuuri ja töökonveieri, mis võimaldavad autonoomset käitumist.

Mõistuse–plaani–tegutsemise paradigma

Enamiku autonoomsete süsteemide alus seisneb Sense-Plan-Act (SPA) paradigmas, mis võeti kasutusele varases robootikas ja on endiselt aktuaalne. See laiendab veidi üldist juhitavat süsteemi arhitektuuri, tuues sisse selged tuvastuse, otsuste tegemise ja tegutsemise etapid. See mudel korraldab toimingud kolme erinevasse, kuid üksteisest sõltuvasse etappi:

  1. Sense: koguge ja tõlgendage anduritelt andmeid, et luua keskkonna sisemine esitus.
  2. Plaan: kasutage seda esitust eesmärkide, trajektooride või tegevuste üle otsustamiseks.
  3. Tegutsege: viige need toimingud läbi juhtimis- ja käivitusmehhanismide kaudu.

See kontseptuaalne mudel jääb kõigis valdkondades universaalseks ja seda saab esitada järgmiselt.

The Sense–Plan–Act Cycle
Figure 1: Mõtte-plaani-tegutsemise tsükkel [1]

SPA-tsükkel on autonoomsete sõidukite kihiliste arhitektuuride aluseks, kus iga kiht täpsustab või laiendab selle protsessi üht osa. Praktikas hõlmavad kaasaegsed arhitektuurid ka õppimis- ja suhtluskihte, mis suurendavad kohanemisvõimet ja agentide vahelist koostööd [2].

Lihtsustatud andmevoo arhitektuur illustreerib, kuidas tajuandmed liiguvad läbi kihtide, et luua kontrolltoiminguid, laiendades SPA arhitektuuri sobivamale:

Data Flow in a Typical Autonomous System
Figure 2: Andmevoog tüüpilises autonoomses süsteemis (Inspireeritud ROS- ja JAUS-standarditest)

See suletud ahelaga interaktsioon tagab, et süsteemid ajakohastavad pidevalt oma arusaama maailmast, kohandades käitumist keskkonnamuutuste või kontrolli teostamisest saadava tagasiside põhjal [3].

===== Hajutatud vs. tsentraliseeritud arhitektuurid =====Arhitektuurne korraldus sõltub ka sellest, kas töötlemine on tsentraliseeritud või hajutatud:

Vahevararaamistikud, nagu ROS 2 ja DDS, on loodud toetama hajutatud arvutusi, võimaldades detsentraliseeritud andmevahetust reaalajas [4]))

Ohutus ja koondamine

Ohutus on oluline disainilahendus. Üleliigsed arhitektuurid kordavad olulisi komponente (nt topeltandureid, paralleelseid arvutusteid), et tagada töö isegi rikete ajal. Näiteks kasutavad lennukite autopiloodisüsteemid kolmekordset üleliigset protsessorit ja ristseire loogikat [5]. Samamoodi kasutavad meresõidukid üleliigseid navigatsiooniandureid, et võidelda veehäiretest põhjustatud GPS-i katkestuste vastu. Arhitektuursed ohutusmehhanismid hõlmavad järgmist:

Need tagavad vastupidavuse, eriti missioonikriitilistes süsteemides või inimahelas süsteemides.

[1] Russell, S. J. ja Norvig, P. (2021). Tehisintellekt: kaasaegne lähenemine (4. väljaanne). Pearson
[2] Kendoul, F. (2012). Four-dimensional guidance and control of autonomous aerial vehicles. IEEE Transactions on Control Systems Technology, 20(1), 283–297
[3] Kroeger, T. et al. (2019). Real-time control architectures for robotics. Annual Review of Control, Robotics, and Autonomous Systems, 2, 45–68
[4] Maruyama, Y., Kato, S., & Azumi, T. (2016). Exploring the performance of ROS2. Proceedings of the 13th Embedded Workshop (ERTS6
[5] FAA. (2021). Advisory Circular 20-167A: Airborne Systems Safety. Federal Aviation Administration