CoolBOT: a component-oriented programming framework for robotics

[EN] Programming software for controlling robotic systems in order to built working systems that perform adequately according to their design requirements remains being a task that requires an important development effort. Currently, there are no clear programming paradigms for programming robotic systems, and the programming techniques which are of common use today are not adequate to deal with the complexity associated with these systems. The work presented in this document describes a programming tool, concretely a framework, that must be considered as a first step to devise a tool for dealing with the complexity present in robotics systems. In this framework the software that controls a system is viewed as a dynamic network of units of execution inter-connected by means of data paths. Each one of these units of execution, called a component, is a port automaton which provides a given functionality, hidden behind an external interface specifying clearly which data it needs and which data it produces. Components, once defined and built, may be instantiated, integrated and used as many times as needed in other systems. The framework provides the infrastructure necessary to support this concept for components and the inter communication between them by means of data paths (port connections) which can be established and de-established dynamically. Moreover, and considering that the more robust components that conform a system are, the more robust the system is, the framework provides the necessary infrastructure to control and monitor the components than integrate a system at any given instant of time.

Project-based learning using robots with open-source hardware and software

[EN]One of the main issues of the current education system is the lack of student motivation. This aspect together with the permanent change that the Information and Communications Technologies involve represents a major challenge for the teacher: to continuously update contents and to keep awake the student’s interest. A tremendously useful tool in classrooms consists on the integration of projects with participative and collaborative dynamics, where the teacher acts mainly as a guidance to the student activity instead of being a mere knowledge and evaluation transmitter. As a specific example of project based learning, the EDUROVs project consists on building an economic underwater robot using low cost materials, but allowing the integration and programming of many accessories and sensors with minimum budget using opensource hardware and software.

Application-oriented Mixed Integer Non-Linear Programming

In the most recent years there is a renovate interest for Mixed Integer Non-Linear Programming (MINLP) problems. This can be explained for different reasons: (i) the performance of solvers handling non-linear constraints was largely improved; (ii) the awareness that most of the applications from the real-world can be modeled as an MINLP problem; (iii) the challenging nature of this very general class of problems. It is well-known that MINLP problems are NP-hard because they are the generalization of MILP problems, which are NP-hard themselves. However, MINLPs are, in general, also hard to solve in practice. We address to non-convex MINLPs, i.e. having non-convex continuous relaxations: the presence of non-convexities in the model makes these problems usually even harder to solve. The aim of this Ph.D. thesis is to give a flavor of different possible approaches that one can study to attack MINLP problems with non-convexities, with a special attention to real-world problems. In Part 1 of the thesis we introduce the problem and present three special cases of general MINLPs and the most common methods used to solve them. These techniques play a fundamental role in the resolution of general MINLP problems. Then we describe algorithms addressing general MINLPs. Parts 2 and 3 contain the main contributions of the Ph.D. thesis. In particular, in Part 2 four different methods aimed at solving different classes of MINLP problems are presented. Part 3 of the thesis is devoted to real-world applications: two different problems and approaches to MINLPs are presented, namely Scheduling and Unit Commitment for Hydro-Plants and Water Network Design problems. The results show that each of these different methods has advantages and disadvantages. Thus, typically the method to be adopted to solve a real-world problem should be tailored on the characteristics, structure and size of the problem. Part 4 of the thesis consists of a brief review on tools commonly used for general MINLP problems, constituted an integral part of the development of this Ph.D. thesis (especially the use and development of open-source software). We present the main characteristics of solvers for each special case of MINLP.

Designing and Programming Organizational Infrastructures for Agents situated in Artifact-based Environments

Actual trends in software development are pushing the need to face a multiplicity of diverse activities and interaction styles characterizing complex and distributed application domains, in such a way that the resulting dynamics exhibits some grade of order, i.e. in terms of evolution of the system and desired equilibrium. Autonomous agents and Multiagent Systems are argued in literature as one of the most immediate approaches for describing such a kind of challenges. Actually, agent research seems to converge towards the definition of renewed abstraction tools aimed at better capturing the new demands of open systems. Besides agents, which are assumed as autonomous entities purposing a series of design objectives, Multiagent Systems account new notions as first-class entities, aimed, above all, at modeling institutional/organizational entities, placed for normative regulation, interaction and teamwork management, as well as environmental entities, placed as resources to further support and regulate agent work. The starting point of this thesis is recognizing that both organizations and environments can be rooted in a unifying perspective. Whereas recent research in agent systems seems to account a set of diverse approaches to specifically face with at least one aspect within the above mentioned, this work aims at proposing a unifying approach where both agents and their organizations can be straightforwardly situated in properly designed working environments. In this line, this work pursues reconciliation of environments with sociality, social interaction with environment based interaction, environmental resources with organizational functionalities with the aim to smoothly integrate the various aspects of complex and situated organizations in a coherent programming approach. Rooted in Agents and Artifacts (A&A) meta-model, which has been recently introduced both in the context of agent oriented software engineering and programming, the thesis promotes the notion of Embodied Organizations, characterized by computational infrastructures attaining a seamless integration between agents, organizations and environmental entities.

Sviluppo di modelli motore e veicolo per l'analisi di strategie di controllo in applicazioni Software e Hardware In the Loop

This work describes the development of a simulation tool which allows the simulation of the Internal Combustion Engine (ICE), the transmission and the vehicle dynamics. It is a control oriented simulation tool, designed in order to perform both off-line (Software In the Loop) and on-line (Hardware In the Loop) simulation. In the first case the simulation tool can be used in order to optimize Engine Control Unit strategies (as far as regard, for example, the fuel consumption or the performance of the engine), while in the second case it can be used in order to test the control system. In recent years the use of HIL simulations has proved to be very useful in developing and testing of control systems. Hardware In the Loop simulation is a technology where the actual vehicles, engines or other components are replaced by a real time simulation, based on a mathematical model and running in a real time processor. The processor reads ECU (Engine Control Unit) output signals which would normally feed the actuators and, by using mathematical models, provides the signals which would be produced by the actual sensors. The simulation tool, fully designed within Simulink, includes the possibility to simulate the only engine, the transmission and vehicle dynamics and the engine along with the vehicle and transmission dynamics, allowing in this case to evaluate the performance and the operating conditions of the Internal Combustion Engine, once it is installed on a given vehicle. Furthermore the simulation tool includes different level of complexity, since it is possible to use, for example, either a zero-dimensional or a one-dimensional model of the intake system (in this case only for off-line application, because of the higher computational effort). Given these preliminary remarks, an important goal of this work is the development of a simulation environment that can be easily adapted to different engine types (single- or multi-cylinder, four-stroke or two-stroke, diesel or gasoline) and transmission architecture without reprogramming. Also, the same simulation tool can be rapidly configured both for off-line and real-time application. The Matlab-Simulink environment has been adopted to achieve such objectives, since its graphical programming interface allows building flexible and reconfigurable models, and real-time simulation is possible with standard, off-the-shelf software and hardware platforms (such as dSPACE systems).

Tecniche di ottimizzazione del software per sistemi su singolo chip per applicazioni di Nomadic Computing

I moderni sistemi embedded sono equipaggiati con risorse hardware che consentono l’esecuzione di applicazioni molto complesse come il decoding audio e video. La progettazione di simili sistemi deve soddisfare due esigenze opposte. Da un lato è necessario fornire un elevato potenziale computazionale, dall’altro bisogna rispettare dei vincoli stringenti riguardo il consumo di energia. Uno dei trend più diffusi per rispondere a queste esigenze opposte è quello di integrare su uno stesso chip un numero elevato di processori caratterizzati da un design semplificato e da bassi consumi. Tuttavia, per sfruttare effettivamente il potenziale computazionale offerto da una batteria di processoriè necessario rivisitare pesantemente le metodologie di sviluppo delle applicazioni. Con l’avvento dei sistemi multi-processore su singolo chip (MPSoC) il parallel programming si è diffuso largamente anche in ambito embedded. Tuttavia, i progressi nel campo della programmazione parallela non hanno mantenuto il passo con la capacità di integrare hardware parallelo su un singolo chip. Oltre all’introduzione di multipli processori, la necessità di ridurre i consumi degli MPSoC comporta altre soluzioni architetturali che hanno l’effetto diretto di complicare lo sviluppo delle applicazioni. Il design del sottosistema di memoria, in particolare, è un problema critico. Integrare sul chip dei banchi di memoria consente dei tempi d’accesso molto brevi e dei consumi molto contenuti. Sfortunatamente, la quantità di memoria on-chip che può essere integrata in un MPSoC è molto limitata. Per questo motivo è necessario aggiungere dei banchi di memoria off-chip, che hanno una capacità molto maggiore, come maggiori sono i consumi e i tempi d’accesso. La maggior parte degli MPSoC attualmente in commercio destina una parte del budget di area all’implementazione di memorie cache e/o scratchpad. Le scratchpad (SPM) sono spesso preferite alle cache nei sistemi MPSoC embedded, per motivi di maggiore predicibilità, minore occupazione d’area e – soprattutto – minori consumi. Per contro, mentre l’uso delle cache è completamente trasparente al programmatore, le SPM devono essere esplicitamente gestite dall’applicazione. Esporre l’organizzazione della gerarchia di memoria ll’applicazione consente di sfruttarne in maniera efficiente i vantaggi (ridotti tempi d’accesso e consumi). Per contro, per ottenere questi benefici è necessario scrivere le applicazioni in maniera tale che i dati vengano partizionati e allocati sulle varie memorie in maniera opportuna. L’onere di questo compito complesso ricade ovviamente sul programmatore. Questo scenario descrive bene l’esigenza di modelli di programmazione e strumenti di supporto che semplifichino lo sviluppo di applicazioni parallele. In questa tesi viene presentato un framework per lo sviluppo di software per MPSoC embedded basato su OpenMP. OpenMP è uno standard di fatto per la programmazione di multiprocessori con memoria shared, caratterizzato da un semplice approccio alla parallelizzazione tramite annotazioni (direttive per il compilatore). La sua interfaccia di programmazione consente di esprimere in maniera naturale e molto efficiente il parallelismo a livello di loop, molto diffuso tra le applicazioni embedded di tipo signal processing e multimedia. OpenMP costituisce un ottimo punto di partenza per la definizione di un modello di programmazione per MPSoC, soprattutto per la sua semplicità d’uso. D’altra parte, per sfruttare in maniera efficiente il potenziale computazionale di un MPSoC è necessario rivisitare profondamente l’implementazione del supporto OpenMP sia nel compilatore che nell’ambiente di supporto a runtime. Tutti i costrutti per gestire il parallelismo, la suddivisione del lavoro e la sincronizzazione inter-processore comportano un costo in termini di overhead che deve essere minimizzato per non comprometterre i vantaggi della parallelizzazione. Questo può essere ottenuto soltanto tramite una accurata analisi delle caratteristiche hardware e l’individuazione dei potenziali colli di bottiglia nell’architettura. Una implementazione del task management, della sincronizzazione a barriera e della condivisione dei dati che sfrutti efficientemente le risorse hardware consente di ottenere elevate performance e scalabilità. La condivisione dei dati, nel modello OpenMP, merita particolare attenzione. In un modello a memoria condivisa le strutture dati (array, matrici) accedute dal programma sono fisicamente allocate su una unica risorsa di memoria raggiungibile da tutti i processori. Al crescere del numero di processori in un sistema, l’accesso concorrente ad una singola risorsa di memoria costituisce un evidente collo di bottiglia. Per alleviare la pressione sulle memorie e sul sistema di connessione vengono da noi studiate e proposte delle tecniche di partizionamento delle strutture dati. Queste tecniche richiedono che una singola entità di tipo array venga trattata nel programma come l’insieme di tanti sotto-array, ciascuno dei quali può essere fisicamente allocato su una risorsa di memoria differente. Dal punto di vista del programma, indirizzare un array partizionato richiede che ad ogni accesso vengano eseguite delle istruzioni per ri-calcolare l’indirizzo fisico di destinazione. Questo è chiaramente un compito lungo, complesso e soggetto ad errori. Per questo motivo, le nostre tecniche di partizionamento sono state integrate nella l’interfaccia di programmazione di OpenMP, che è stata significativamente estesa. Specificamente, delle nuove direttive e clausole consentono al programmatore di annotare i dati di tipo array che si vuole partizionare e allocare in maniera distribuita sulla gerarchia di memoria. Sono stati inoltre sviluppati degli strumenti di supporto che consentono di raccogliere informazioni di profiling sul pattern di accesso agli array. Queste informazioni vengono sfruttate dal nostro compilatore per allocare le partizioni sulle varie risorse di memoria rispettando una relazione di affinità tra il task e i dati. Più precisamente, i passi di allocazione nel nostro compilatore assegnano una determinata partizione alla memoria scratchpad locale al processore che ospita il task che effettua il numero maggiore di accessi alla stessa.

Theoretical and implementation aspects in the mechanization of the metatheory of programming languages

Interactive theorem provers are tools designed for the certification of formal proofs developed by means of man-machine collaboration. Formal proofs obtained in this way cover a large variety of logical theories, ranging from the branches of mainstream mathematics, to the field of software verification. The border between these two worlds is marked by results in theoretical computer science and proofs related to the metatheory of programming languages. This last field, which is an obvious application of interactive theorem proving, poses nonetheless a serious challenge to the users of such tools, due both to the particularly structured way in which these proofs are constructed, and to difficulties related to the management of notions typical of programming languages like variable binding. This thesis is composed of two parts, discussing our experience in the development of the Matita interactive theorem prover and its use in the mechanization of the metatheory of programming languages. More specifically, part I covers: - the results of our effort in providing a better framework for the development of tactics for Matita, in order to make their implementation and debugging easier, also resulting in a much clearer code; - a discussion of the implementation of two tactics, providing infrastructure for the unification of constructor forms and the inversion of inductive predicates; we point out interactions between induction and inversion and provide an advancement over the state of the art. In the second part of the thesis, we focus on aspects related to the formalization of programming languages. We describe two works of ours: - a discussion of basic issues we encountered in our formalizations of part 1A of the Poplmark challenge, where we apply the extended inversion principles we implemented for Matita; - a formalization of an algebraic logical framework, posing more complex challenges, including multiple binding and a form of hereditary substitution; this work adopts, for the encoding of binding, an extension of Masahiko Sato's canonical locally named representation we designed during our visit to the Laboratory for Foundations of Computer Science at the University of Edinburgh, under the supervision of Randy Pollack.

Definition, realization and evaluation of a software reference architecture for use in space applications

A recent initiative of the European Space Agency (ESA) aims at the definition and adoption of a software reference architecture for use in on-board software of future space missions. Our PhD project placed in the context of that effort. At the outset of our work we gathered all the industrial needs relevant to ESA and all the main European space stakeholders and we were able to consolidate a set of technical high-level requirements for the fulfillment of them. The conclusion we reached from that phase confirmed that the adoption of a software reference architecture was indeed the best solution for the fulfillment of the high-level requirements. The software reference architecture we set on building rests on four constituents: (i) a component model, to design the software as a composition of individually verifiable and reusable software units; (ii) a computational model, to ensure that the architectural description of the software is statically analyzable; (iii) a programming model, to ensure that the implementation of the design entities conforms with the semantics, the assumptions and the constraints of the computational model; (iv) a conforming execution platform, to actively preserve at run time the properties asserted by static analysis. The nature, feasibility and fitness of constituents (ii), (iii) and (iv), were already proved by the author in an international project that preceded the commencement of the PhD work. The core of the PhD project was therefore centered on the design and prototype implementation of constituent (i), a component model. Our proposed component model is centered on: (i) rigorous separation of concerns, achieved with the support for design views and by careful allocation of concerns to the dedicated software entities; (ii) the support for specification and model-based analysis of extra-functional properties; (iii) the inclusion space-specific concerns.

Programming Robots with an Agent-Oriented BDI-based Control Architecture: Explorations using the JaCa and Webots Platforms

La crescente disponibilità di dispositivi meccanici e -soprattutto - elettronici le cui performance aumentano mentre il loro costo diminuisce, ha permesso al campo della robotica di compiere notevoli progressi. Tali progressi non sono stati fatti unicamente per ciò che riguarda la robotica per uso industriale, nelle catene di montaggio per esempio, ma anche per quella branca della robotica che comprende i robot autonomi domestici. Questi sistemi autonomi stanno diventando, per i suddetti motivi, sempre più pervasivi, ovvero sono immersi nello stesso ambiente nel quale vivono gli essere umani, e interagiscono con questi in maniera proattiva. Essi stanno compiendo quindi lo stesso percorso che hanno attraversato i personal computer all'incirca 30 anni fa, passando dall'essere costosi ed ingombranti mainframe a disposizione unicamente di enti di ricerca ed università, ad essere presenti all'interno di ogni abitazione, per un utilizzo non solo professionale ma anche di assistenza alle attività quotidiane o anche di intrattenimento. Per questi motivi la robotica è un campo dell'Information Technology che interessa sempre più tutti i tipi di programmatori software. Questa tesi analizza per prima cosa gli aspetti salienti della programmazione di controllori per robot autonomi (ovvero senza essere guidati da un utente), quindi, come l'approccio basato su agenti sia appropriato per la programmazione di questi sistemi. In particolare si mostrerà come un approccio ad agenti, utilizzando il linguaggio di programmazione Jason e quindi l'architettura BDI, sia una scelta significativa, dal momento che il modello sottostante a questo tipo di linguaggio è basato sul ragionamento pratico degli esseri umani (Human Practical Reasoning) e quindi è adatto alla implementazione di sistemi che agiscono in maniera autonoma. Dato che le possibilità di utilizzare un vero e proprio sistema autonomo per poter testare i controllori sono ridotte, per motivi pratici, economici e temporali, mostreremo come è facile e performante arrivare in maniera rapida ad un primo prototipo del robot tramite l'utilizzo del simulatore commerciale Webots. Il contributo portato da questa tesi include la possibilità di poter programmare un robot in maniera modulare e rapida per mezzo di poche linee di codice, in modo tale che l'aumento delle funzionalità di questo risulti un collo di bottiglia, come si verifica nella programmazione di questi sistemi tramite i classici linguaggi di programmazione imperativi. L'organizzazione di questa tesi prevede un capitolo di background nel quale vengono riportare le basi della robotica, della sua programmazione e degli strumenti atti allo scopo, un capitolo che riporta le nozioni di programmazione ad agenti, tramite il linguaggio Jason -quindi l'architettura BDI - e perché tale approccio è adatto alla programmazione di sistemi di controllo per la robotica. Successivamente viene presentata quella che è la struttura completa del nostro ambiente di lavoro software che comprende l'ambiente ad agenti e il simulatore, quindi nel successivo capitolo vengono mostrate quelle che sono le esplorazioni effettuate utilizzando Jason e un approccio classico (per mezzo di linguaggi classici), attraverso diversi casi di studio di crescente complessità; dopodiché, verrà effettuata una valutazione tra i due approcci analizzando i problemi e i vantaggi che comportano questi. Infine, la tesi terminerà con un capitolo di conclusioni e di riflessioni sulle possibili estensioni e lavori futuri.

Reuse Mechanisms and Concurrency: From Actors to Agent-Oriented Programming

La presente tesi è dedicata al riuso nel software. Eccettuata un'introduzione organica al tema, l'analisi è a livello dei meccanismi offerti dai linguaggi di programmazione e delle tecniche di sviluppo, con speciale attenzione rivolta al tema della concorrenza. Il primo capitolo fornisce un quadro generale nel quale il riuso del software è descritto, assieme alle ragioni che ne determinano l'importanza e ai punti cruciali relativi alla sua attuazione. Si individuano diversi livelli di riuso sulla base dell'astrazione e degli artefatti in gioco, e si sottolinea come i linguaggi contribuiscano alla riusabilità e alla realizzazione del riuso. In seguito, viene esplorato, con esempi di codice, il supporto al riuso da parte del paradigma ad oggetti, in termini di incapsulamento, ereditarietà, polimorfismo, composizione. La trattazione prosegue analizzando differenti feature – tipizzazione, interfacce, mixin, generics – offerte da vari linguaggi di programmazione, mostrando come esse intervengano sulla riusabilità dei componenti software. A chiudere il capitolo, qualche parola contestualizzata sull'inversione di controllo, la programmazione orientata agli aspetti, e il meccanismo della delega. Il secondo capitolo abbraccia il tema della concorrenza. Dopo aver introdotto l'argomento, vengono approfonditi alcuni significativi modelli di concorrenza: programmazione multi-threaded, task nel linguaggio Ada, SCOOP, modello ad Attori. Essi vengono descritti negli elementi fondamentali e ne vengono evidenziati gli aspetti cruciali in termini di contributo al riuso, con esempi di codice. Relativamente al modello ad Attori, viene presentata la sua implementazione in Scala/Akka come caso studio. Infine, viene esaminato il problema dell'inheritance anomaly, sulla base di esempi e delle tre classi principali di anomalia, e si analizza la suscettibilità del supporto di concorrenza di Scala/Akka a riscontrare tali problemi. Inoltre, in questo capitolo si nota come alcuni aspetti relativi al binomio riuso/concorrenza, tra cui il significato profondo dello stesso, non siano ancora stati adeguatamente affrontati dalla comunità informatica. Il terzo e ultimo capitolo esordisce con una panoramica dell'agent-oriented programming, prendendo il linguaggio simpAL come riferimento. In seguito, si prova ad estendere al caso degli agenti la nozione di riuso approfondita nei capitoli precedenti.

The Small Project Observatory: Visualizing Software Ecosystems

Software evolution research has focused mostly on analyzing the evolution of single software systems. However, it is rarely the case that a project exists as standalone, independent of others. Rather, projects exist in parallel within larger contexts in companies, research groups or even the open-source communities. We call these contexts software ecosystems, and on this paper we present The Small Project Observatory, a prototype tool which aims to support the analysis of project ecosystems through interactive visualization and exploration. We present a case-study of exploring an ecosystem using our tool, we describe about the architecture of the tool, and we distill the lessons learned during the tool-building experience.

Hot Clones, Maintaining a Link Between Software Clones Across Repositories

Code duplication is common in current programming-practice: programmers search for snippets of code, incorporate them into their projects and then modify them to their needs. In today's practice, no automated scheme is in place to inform both parties of any distant changes of the code. As code snippets continues to evolve both on the side of the user and on the side of the author, both may wish to benefit from remote bug fixes or refinements --- authors may be interested in the actual usage of their code snippets, and researchers could gather information on clone usage. We propose maintaining a link between software clones across repositories and outline how the links can be created and maintained.

Bioconductor: Open software development for computational biology and bioinformatics

The Bioconductor project is an initiative for the collaborative creation of extensible software for computational biology and bioinformatics. We detail some of the design decisions, software paradigms and operational strategies that have allowed a small number of researchers to provide a wide variety of innovative, extensible, software solutions in a relatively short time. The use of an object oriented programming paradigm, the adoption and development of a software package system, designing by contract, distributed development and collaboration with other projects are elements of this project's success. Individually, each of these concepts are useful and important but when combined they have provided a strong basis for rapid development and deployment of innovative and flexible research software for scientific computation. A primary objective of this initiative is achievement of total remote reproducibility of novel algorithmic research results.