TU Berlin

Fachgebiet Kommunikations- und BetriebssystemeSwarmOS - Schwarmbetriebssystem

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SwarmOS - Schwarmbetriebssystem

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Es existiert eine Vielzahl heterogener, stationärer sowie mobiler Geräte, die mit unterschiedlichen Sensoren und Aktuatoren bestückt sind. Neuartige Anwendungen wie Frühwarnsysteme für Naturkatastrophen, Erkundungsmissionen oder auch Überwachungen von strukturellen Veränderungen in Bauwerken werden dadurch ermöglicht. Das Design der daraus resultierenden cyber-physischen Systeme bringt eine Vielzahl an Forschungsfragen und Herausforderungen mit sich. Verteiltheit, Nebenläufigkeit und Synchronisation stellen zusammen mit der realen Raum-Zeit Herausforderungen dar, welche bei der Implementierung eines solchen Systems sorgsam behandelt werden müssen. Um den Programmierer von fehlerträchtigen Eigenschaften cyber-physischer Systeme zu entlasten und gleichzeitig die Anwendungsentwicklung zu vereinfachen, indem der Programmierer sich allein auf die Intention des Programms konzentrieren kann, wird hier SwarmOS vorgestellt, welches ein verteiltes Betriebssystem für cyber-physische Systeme darstellt.

Schwarm-Laufzeitsystem

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Die Anwendungsentwicklung erfordert eine geeignete Programmierabstraktion, welche Raum-Zeit-Bezüge in Programmiersprachen ermöglicht und dadurch das Binden von Raum-Zeit-Parametern an Programmteile realisiert. Für die Ausführung solcher Programme wird die Entwicklung eines entsprechenden Laufzeitsystems notwendig. Das Design sollte einer modularen Systemarchitektur folgen, welche einfaches Hinzufügen von neuen Komponenten oder auch den Austausch von aktiven Komponenten auf einfache Weise ermöglicht. So können neuartige Geräte, welche neue Features mit sich bringen, mit wenig Aufwand in das System integriert werden. Die Einführung von Raum-Zeit-Parametern ermöglicht auf einfache Weise das Programmverhalten zu steuern. Bei der Einplanung des Programms müssen sowohl Zeit als auch Raum, welche orthogonale Dimensionen darstellen, berücksichtigt werden. Dies führt unweigerlich zu einer Erhöhung der  Komplexität. Zusätzlich wird eine Koordinierung der Bewegung mobiler Geräte notwendig.

Schwarm-Roboter

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Um Experimente durchführen zu können, wurde ein entsprechendes Labor eingerichtet, welches über mobile als auch stationäre Geräte verfügt. Insgesamt stehen 40 mobile Roboter, die mit einer 400 MHz ARM9 CPU und 64 MB SDRAM bestückt sind sowie 24 stationäre Boards, die mit einer 180 MHz ARM9 CPU und 64 MB SDRAM bestückt sind, zur Verfügung. Durch Algorithmen der Bildverarbeitung werden die Roboter mittels Tiefen- und Farbbild lokalisiert.

Simulation

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Durch eine Simulationsumgebung können unterschiedliche Konfigurationen bzgl. der Welt (statische Hindernisse), der Anzahl der Roboter (dynamische Hindernisse) sowie der auszuführenden verteilten Anwendungen analysiert und evaluiert werden. Durch Einatz von Virtualisierung wird eine Anwendung verteilt auf einer Menge von virtuellen Ressourcen ausgeführt, die auf physische in Abhängigkeit von Raum und Zeit abgebildet werden. Durch den Einsatz von Virtualisierung wird stets versucht eine "mobile" Anwendung zu migrieren, welches enorme physische Bewegungskosten einspart und daher die Effizienz des Systems steigert.

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