Wiederverwendbare Steuerungsarchitekturen verkürzen Entwicklungszeiten

»Realtime Framework« und »Robotik Toolbox« sind Teile einer modularen Software-Architektur, mit der sich Steuerungen für die unterschiedlichsten Service- und Industrieroboter realisieren lassen.

Die Steuerungstechnik nimmt bei Produkten und Produktionssystemen eine Schlüsselrolle ein. Angesichts der wachsenden Leistungs- und Qualitätsanforderungen sowie der zunehmenden Vernetzung von Steuerungssystemen wird es jedoch immer schwieriger, flexibel anpassbare, skalierbare und wartbare Steuerungen herzustellen. Eine Lösung ist, Steuerungen auf Software- und Hardware-Ebene konsequent zu modularisieren. In der Informationstechnik werden daher seit einigen Jahren Komponentenstandards wie ActiveX oder JavaBeans eingesetzt. Diese lassen sich jedoch aufgrund spezieller Anforderungen bei der Steuerungsentwicklung – wie Echtzeitfähigkeit – nur beschränkt einsetzen.

Wissenschaftler des Fraunhofer IPA haben unter Mitwirkung der Steuerungshersteller Berghof GmbH, Eningen, Sick AG, Reute, und Litef GmbH, Freiburg, im Verbundprojekt »IQ2000« dezentrale Sensor- und Steuerungsmodule entwickelt, die über einen zentralen CAN-Bus verbunden sind. Basierend auf derselben Philosophie, entstand außerdem eine Software-Architektur, mit der sich die verschiedensten Anwendungsfälle einfach verwirklichen lassen: die »Robotics Toolbox« (RTB) und das »Realtime Framework« (RTF). Sie ermöglichen die Integration wiederverwendbarer Software-Komponenten in anwendungsspezifische Steuerungen mit Hilfe eines Framework und spezieller Entwurfsmuster. Die Software-Komponenten sind wiederverwendbare funktionale Einheiten zur Kapselung von Algorithmen oder zur Ansteuerung von Sensoren bzw. Aktuatoren.

»Diese Vorgehensweise ist vergleichbar mit der Schaltungsentwicklung in der Elektronik, bei der anwendungsspezifische Layouts mit vorgefertigten elektronischen Komponenten auf Platinen realisiert werden«, erläutert Software-Architekt Andreas Traub. Das Realtime Framework entspricht in diesem Bild der Platine und dient dem strukturellen Zusammenhalt der Komponenten – automatische Initialisierung/Deinitialisierung, nichtlokale Fehlerbehandlung etc. Gleichzeitig ist es eine Abstraktionsschicht für Betriebssystemfunktionen und erleichtert so die Portierbarkeit der Steuerungssoftware. Die Kommunikationsfunktionen des Frameworks umfassen Mechanismen zur hocheffizienten und echtzeitfähigen lokalen Kommunikation sowie zur einfachen Realisierung verteilter Kommunikation, z. B. für die Ferndiagnose. Darüber hinaus bietet das RTF Abstraktionsmechanismen zur einheitlichen Ansteuerung verschiedener I/O-Schnittstellen (z. B. CAN-Bus). »Wie die Leiterbahnen in elektronischen Schaltungen können auch die Datenflüsse zwischen den einzelnen Komponenten je nach Anwendung unterschiedlich festgelegt werden«, so Traub. Speziell entwickelte Entwurfsmuster vermeiden semantische Abhängigkeiten der Komponenten voneinander. Sie sind dadurch flexibel wiederverwendbar. Die Entwurfsmuster sind vielseitig einsetzbare Mikro-Architekturen, die Komponenten, Framework und anwendungsspezifische Programmteile integrieren. Sie erleichtern die Dokumentation der Software und die Kommunikation verschiedener Entwicklungsteams erheblich.

Ihren Praxistest haben RTF und RTB bereits bestanden – u. a. im Museum für Kommunikation in Berlin www.museumsstiftung.de/berlin1.html. Hier versehen seit Frühjahr diesen Jahres drei autonome mobile Informations- und Unterhaltungsroboter ihren Dienst. Die komponentenbasierte Steuerung dieser Roboter besteht zu 73 Prozent aus Programmcode, der nicht applikationsspezifisch ist und auch auf anderen Roboterplattformen ohne Modifikation eingesetzt werden kann. Die Roboter haben im Museum bereits mehr als 1000 km bei Besucherverkehr zurückgelegt und zeichnen sich durch eine sehr hohe Reaktionsfähigkeit und Zuverlässigkeit aus. Eine Vorversion der »IQ2000«-Software-Architektur verwendeten die Stuttgarter Wissenschaftler für die Steuerung eines Prüfmanipulators. Der flexibel konfigurierbare Manipulatorarm untersucht die Druckbehälter von Siedewasserreaktoren auf Risse. Neben den Standardkomponenten enthält die Steuerungssoftware auch anpassbare Module wie die inverse Kinematik und die Bahninterpolation auf gewölbten Oberflächen.

»Diese Beispiele zeigen, dass durch eine konsequente Modularisierung von Steuerungen eine deutliche Verringerung der Software-Entwicklungskosten bei gleichzeitiger Steigerung der Software-Qualität möglich ist«, fasst Christoph Schaeffer vom Fraunhofer IPA zusammen. Er und sein Team wurden am 25. Oktober in Berlin für ihre modulare Hardware- und Software-Plattform zur Entwicklung von Service-Robotern mit dem Joseph-von-Fraunhofer-Peis ausgezeichnet (s. a. Presseinformation: „Fraunhofer-Preis für Service-Roboter“). Die Ergebnisse der vom Bundesministerium für Bildung und Forschung von 1996 bis 2000 geförderten Verbundprojekte »IQ2000«, »KORINNA« und »LISSY« stellen die Projektpartner am 13. November in Stuttgart vor.

Ihre Ansprechpartner für weitere Informationen:
Fraunhofer-Institut für Produktionstechnik und Automatisierung IPA
Dipl.-Phys. Andreas Traub, Telefon: 0711/970-1061, Telefax: 0711/970-1008, 
E-Mail: ant@ipa.fhg.de
Dipl.-Ing. Christoph Schaeffer, Telefon: 0711/970-1212, Telefax: 0711/970-1008, 
E-Mail: cfs@ipa.fhg.de