Publicação

Safety verification for ROS software

Detalhes bibliográficos
Resumo:	Os robôs são agora parte do nosso quotidiano e a sua utilidade parece não ter limites. Fabricam os nossos bens, colhem alimentos de plantações e conduzem-nos de um lugar para o outro. A inovação na área da robótica é uma constante, as expectativas são altas, e as responsabilidades que depositamos nos robôs são cada vez maiores; os robôs são a nova definição de sistema crítico. Em parte, este sucesso deve-se à abundância de frameworks livres para o desenvolvimento de sistemas robóticos, como é o caso do Robot Operating System (ROS). A comunidade ROS é numerosa e bastante ativa. O ROS tem sido usado principalmente ao nível da investigação, mas, ultimamente, tem sido a base para vários projetos comerciais ou governamentais. Sendo um ecossistema de componentes de software reutilizáveis, suportado por uma comunidade muito diversa, garantir que sistemas baseados em ROS são confiáveis é da maior importância. No entanto, mostrar que um software robótico é confiável não é, de todo, uma tarefa fácil. Várias técnicas, como a Verificação Formal, Model Checking, Verificação Runtime, entre outras, têm dado inúmeras provas da sua aptidão e eficácia para verificar uma variedade de propriedades críticas, noutros domínios de software. Contudo, se há algo que todos estes métodos têm em comum, é a sua complexidade. É necessária uma formação especializada para uma aplicação eficaz, e a maioria da comunidade ROS não tem tais conhecimentos. Nesta tese, respondemos à questão de como adaptar o estado da arte em técnicas de garantia de qualidade para aplicações ROS, e como torná-las acessíveis a não especialistas. Temos em conta o facto de que a maioria dos sistemas são desenvolvidos em torno do código-fonte, em vez de seguirem práticas de Engenharia à base de modelos. Propomos um fluxo de trabalho unificado que, dado o código-fonte de uma aplicação ROS, extrai modelos automaticamente e, de seguida, aplica uma série de técnicas de verificação, estáticas e dinâmicas, relativamente a propriedades do sistema especificadas pelo utilizador. No caso de as análises detetarem uma violação de propriedades, os resultados podem ser utilizados como guias para a resolução de problemas. Caso contrário, os resultados constituem evidência da confiabilidade do sistema, respetivamente às propriedades, que pode ser usada para construção de um argumento de confiabilidade. Este fluxo de trabalho é implementado na plataforma HAROS, e avaliado com dois estudos de caso em robôs reais. O resultado revelou-se eficaz, quer na construção automática de modelos, quer na deteção de falhas, relativamente a propriedades especificadas pelo utilizador. De um modo geral, esta abordagem foi bem recebida pela comunidade ROS. Vários membros já a usam de forma independente, e estão até a propôr as suas próprias extensões.
Autores principais:	Santos, André Filipe Faria
Assunto:	Engenharia de software Métodos formais Robótica Lightweight formal methods Software engineering Robotics
Ano:	2021
País:	Portugal
Tipo de documento:	tese de doutoramento
Tipo de acesso:	acesso aberto
Instituição associada:	Universidade do Minho
Idioma:	inglês
Origem:	RepositóriUM - Universidade do Minho

Descrição
Resumo:	Os robôs são agora parte do nosso quotidiano e a sua utilidade parece não ter limites. Fabricam os nossos bens, colhem alimentos de plantações e conduzem-nos de um lugar para o outro. A inovação na área da robótica é uma constante, as expectativas são altas, e as responsabilidades que depositamos nos robôs são cada vez maiores; os robôs são a nova definição de sistema crítico. Em parte, este sucesso deve-se à abundância de frameworks livres para o desenvolvimento de sistemas robóticos, como é o caso do Robot Operating System (ROS). A comunidade ROS é numerosa e bastante ativa. O ROS tem sido usado principalmente ao nível da investigação, mas, ultimamente, tem sido a base para vários projetos comerciais ou governamentais. Sendo um ecossistema de componentes de software reutilizáveis, suportado por uma comunidade muito diversa, garantir que sistemas baseados em ROS são confiáveis é da maior importância. No entanto, mostrar que um software robótico é confiável não é, de todo, uma tarefa fácil. Várias técnicas, como a Verificação Formal, Model Checking, Verificação Runtime, entre outras, têm dado inúmeras provas da sua aptidão e eficácia para verificar uma variedade de propriedades críticas, noutros domínios de software. Contudo, se há algo que todos estes métodos têm em comum, é a sua complexidade. É necessária uma formação especializada para uma aplicação eficaz, e a maioria da comunidade ROS não tem tais conhecimentos. Nesta tese, respondemos à questão de como adaptar o estado da arte em técnicas de garantia de qualidade para aplicações ROS, e como torná-las acessíveis a não especialistas. Temos em conta o facto de que a maioria dos sistemas são desenvolvidos em torno do código-fonte, em vez de seguirem práticas de Engenharia à base de modelos. Propomos um fluxo de trabalho unificado que, dado o código-fonte de uma aplicação ROS, extrai modelos automaticamente e, de seguida, aplica uma série de técnicas de verificação, estáticas e dinâmicas, relativamente a propriedades do sistema especificadas pelo utilizador. No caso de as análises detetarem uma violação de propriedades, os resultados podem ser utilizados como guias para a resolução de problemas. Caso contrário, os resultados constituem evidência da confiabilidade do sistema, respetivamente às propriedades, que pode ser usada para construção de um argumento de confiabilidade. Este fluxo de trabalho é implementado na plataforma HAROS, e avaliado com dois estudos de caso em robôs reais. O resultado revelou-se eficaz, quer na construção automática de modelos, quer na deteção de falhas, relativamente a propriedades especificadas pelo utilizador. De um modo geral, esta abordagem foi bem recebida pela comunidade ROS. Vários membros já a usam de forma independente, e estão até a propôr as suas próprias extensões.