Runtime Verification and Field Testing for ROS-Based Robotic Systems

要約

ロボット システムは普及しており、製造、医療、宇宙探査など、ますます多くの分野で採用されています。
この目的を達成するために、エンジニアリング ソフトウェアは、保守可能で再利用可能なロボット システムを構築するための重要な分野として浮上しています。
ロボット ソフトウェア エンジニアリングの研究はますます注目を集めており、基本的な目標として自律性を促進しています。
しかし、シミュレーションでは現実世界の現象をリアルにエミュレートするソリューションを提供できないため、ロボット開発者はこの目標を達成することに依然として課題を抱えています。
ロボットは、予測不可能で制御不可能な環境でも動作する必要があるため、ソフトウェアに実装された安全で信頼できる自己適応機能が必要です。
この課題に対処するための一般的な手法は、実行時検証、フィールドベースのテスト、およびフェールセーフ ソリューションを可能にする緩和手法です。
ただし、実行時検証とフィールドベースのテストを可能にして促進するための ROS ベースのシステムを設計するための明確なガイダンスはありません。
このペーパーは、開発者や QA チームが現場でロボットを開発、検証、テストする際に役立つガイドラインを提供することで、このギャップを埋めることを目的としています。
これらのガイドラインは、現実世界のシナリオでロボット システムをテストする際の課題と要件に対処するために慎重に調整されています。
私たちは、ロボット システムの実行時検証とフィールドベースのテストに取り組む研究に関する文献レビューを実施し、ROS ベースのアプリケーション リポジトリをマイニングし、55 件の回答がある 2 つのアンケートを通じて適用性、明確さ、有用性を検証しました。
私たちは、ロボット ソフトウェア エンジニアリングの研究者と実践者向けに策定された 20 のガイドラインに貢献します。
最後に、ROS ベースのシステムの実行時検証とフィールドベースのテストにおけるこれまでの未解決の課題にガイドラインをマッピングし、この分野での有望な研究の方向性を概説します。

要約(オリジナル)

Robotic systems are becoming pervasive and adopted in increasingly many domains, such as manufacturing, healthcare, and space exploration. To this end, engineering software has emerged as a crucial discipline for building maintainable and reusable robotic systems. Robotics software engineering research has received increasing attention, fostering autonomy as a fundamental goal. However, robotics developers are still challenged trying to achieve this goal given that simulation is not able to deliver solutions to realistically emulate real-world phenomena. Robots also need to operate in unpredictable and uncontrollable environments, which require safe and trustworthy self-adaptation capabilities implemented in software. Typical techniques to address the challenges are runtime verification, field-based testing, and mitigation techniques that enable fail-safe solutions. However, there is no clear guidance to architect ROS-based systems to enable and facilitate runtime verification and field-based testing. This paper aims to fill in this gap by providing guidelines that can help developers and QA teams when developing, verifying or testing their robots in the field. These guidelines are carefully tailored to address the challenges and requirements of testing robotics systems in real-world scenarios. We conducted a literature review on studies addressing runtime verification and field-based testing for robotic systems, mined ROS-based application repositories, and validated the applicability, clarity, and usefulness via two questionnaires with 55 answers. We contribute 20 guidelines formulated for researchers and practitioners in robotic software engineering. Finally, we map our guidelines to open challenges thus far in runtime verification and field-based testing for ROS-based systems and, we outline promising research directions in the field.

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