JAVA-Roboter-Plattform

JAVA – DIE PlATTFORM DER MODERNEN ROBOTERTECHNIK
Valerij Volov, E-Mail: v_volov@t-online.de , Site: www.v-volov.narod.ru


Einleitung

In der technischen Programmierungliteratur ist die anerkannte Äußerung vorhanden, daß Java nicht nur eine Programmiersprache oder eine Plattform, sondern eine Philosophie ist [1].
Zweifellos ist Java eine Technologie, die läßt sich oberhalb der üblichen technischen Aufgabe aufzusteigen, bis dem Niveau ihres systematischen Verständnisses, bis dem Niveau des abstrakten Herantretens zu ihrer Lösung. Diese Charakteristik kann man wahrscheinlich in solcher Integrität zu keiner anderen Programmiersprache anwenden.
Aufgrund der allgemeinen und teilweise philosophischen Überlegungen werden in diesem Vortrag die Perspektiven der Java-Technologie in Anwendung zu Robotertechnik betrachtet. Der Vortrag hat die übersichtliche-analytische Eigenart, die auf den Materialien der Bücher nach Java-Programmierung und den Materialien einer Reihe der Veröffentlichungen und der Information im Internet nach dieses Thema sich stützt [3-9].

1. Geschichte und die kurze Charakteristik von Java

Java wurde in 1991 von Mitarbeitern Sun Microsystem vorgehabt, führende von deren Mike Sheridan, James Gosling und Patrick Naughton waren.
Es ist bekannt, daß das ursprüngliche Ziel der Java-Schöpfer die Entwicklung der architekturneutralen Sprache für die Programmierung von Kontroller verschiedener Geräten der Haushaltselektronik war. Deshalb enthält Java in Unterschied von anderen Programmiersprachen die Lösungen, die eine Möglichkeit von Programmen gibt, bei verschiedenen elektronischen Umgebungen ausführbar zu werden.
Die Mängel der meisten Sprachen und insbesondere C, C++ bestehen darin, daß die Kompilation nur für eine bestimmte Adresse ausgeführt werden kann. In dieser Beziehung muß man für jeden Kontroller eigenen Compiler herstellen. Das zieht hinter sich die teuere Programmenentwicklung und keine Mobilität dieser Programme.
Ein Schlüssel, der diese Probleme lösen läßt, ist solche Java-Eigenschaft, daß Java nicht nur eine Programmiersprache sondern auch eine Plattform.
Eine Basis dieser Plattform ist eine virtuelle Maschine, kurz JVM genannt, und APIs (Application Programming Interfaces). JVM führt (interpretiert) den sogenannten Byte Code des Java-Programms. Die Übersetzung des Quellcodes des Programms in den Byte Code macht die Ausführung des Java-Programms einfacher bei Mange verschiedener Betriebsumgebungen. Die einzelne Bedingung besteht darin, daß JVM für jades Plattform realisierbar werden muß (siehe Abb.1). Darauf simuliert JVM für Java auf jeder Hardware denselben Rechnerstyp.
Wenn das Java-Programm zu dem Code irgendeines Kontrollers, als zum Beispiel C++, kompilieren würde, müßten die Versionen dieses Programm für jeden seinen Typ vorhanden sein. Das ist allerdings die schwer zuerledigende Forderung.
Obwohl ein Programm sich langsamer bei der Interpretation im Verhältnis zu der Kompilation in den auszuführenden Code ausführt, ist ein Unterschied zwischen zwei Weisen der Translation nicht so groß. Die Anwendung des Byte-Codes läßt dem ausführenden (run-time) System ein Programm ausführen nicht zu viel langsamer als den auszuführenden Code. Außerdem gibt es in JVM, als die zusammensetzende Teil, den so genannte JIT-Compiler (Just in Time) für den Byte Code, der den Byte Code in den auszuführenden Code während der Ausführung des Programms „Teil für Teil“ nach eine Anfrage kompiliert. Das gibt eine Möglichkeit bei der zweiten Ausführung des Programms sofort zu dem auszuführenden Code überzugehen.
Obwohl die ursprüngliche Aufgabe von Java die Programmierung der Haushaltsgeräten war, ist Java auf eine Vorderstelle der höheren Programmiersprachen wegen der Entwicklung des Internet ausgegangen. Tatsächlich hat sich das dank dem Unabhängigkeit dieser Sprache von Rechnerarchitektur ereignet. Das Internet besteht aus verschiedenen verteilten Bereichen, die mit vielen Rechnertypen, Betriebssystemen ausgefüllt werden. Trotz dieser Unterschied möchten alle Benützer dasselbe Programm ausführen. Eine Verbreitung des Internets in Betracht ziehend schaltete sich ein Fokus von Java an die Internet-Programmierung um. Mit großer Geschwindigkeit in die Welt der Programmiersprachen eingedrungen, sicherte Java die Technologie der Entwicklung der effektiven übertragenden Programme für World Wide Web. Bei diesem realisierte Java erfolgreich folgende Konzepten: Einfach; Objektorientiert; Verteilt und Dynamisch; Interpretiert; Robust; Sicher; Plattformunabhängig; Effizient; Multi-threaded.

2. Java-Technologie in Robotertechnik

Der Bereich, den Java heute in Robotertechnik besetzt, kann man viel enger bewerten im Verhältnis zu dem Internet oder sogar den WAP-Technologien.
Anwendung der Java-Technologie in der modernen Robotertechnik bekommt meistens den Impuls der Entwicklung in denjenigen Bereichen, wo der künstliche Intellekt nützliche Markteigenschaften erwirbt.
Grundlegende Roboterfunktionen, die bei diesem die erste Benutzung finden, ist eine Nachamung der einigen menschlichen Funktionen.
Die Java-Technologie schlägt schon eine Reihe API vor, die vielen Bedürfnissen befriedigen können, die bei den Emulation der Funktionen der Rede, des Sehens, der Bewegung usw. entstehen.
Zum Beispil gibt Java Speech API [3] die Möglichkeit die Befehl-Control-Systeme zu bauen um der menschliche Rede zu erkennen und zu synthesieren. Und Java Media Framework kann für den Empfang und die Bearbeitung der Bilder angwendet werden.
Ein Vorzug von standarten Java APIs für Robotertechnik vor anderen besteht darin, daß Java-API eine Bibliothek an fertigen Softwarekomponenten für beispielweise spezielle Datenstrukturen, grafische Komponenten und Netzwerkprotokolle umfaßt. Das macht das Verfahren der Programmierung mit Java einfacher. Programmierer kann sich nur an logischen Aspekten einer Aufgabe konzentrieren ohne Besonderheiten und Einzelheiten jedes Systems zu berücksichtigen.
Erfolgreiche Erprobungen der Integration der Java-Plattform in ein Controlsystem der mobilen Robotern wurden auf den zuprogrammierenden Controlboxen RCX (Siehe Abb.2) durchgeführt, die kleine Rechnern im Gehäuse LEGO [6] darstellen,.
Der Box RCX enthält 8-bite Prozessor von Hitachi (16 MHz), 16 Kb ROM, 32 Kb RAM, 3 Sensorseingänge, 3 Motorausgänge, 5-Symbol LCD-Anzeige und Infrarotschnittstelle.
Drei Ausgänge kann man zu Elektromotoren oder anderen elektromechanischen Mechanismen anschließen. Drei Eingänge kann man mit den verschiedenen Sensors (Licht, Kontakt, Drehung, Temperatur) anschließen. Das System kann mehr als 1000 Operation pro Sekunde ausführen und wird ebenfalls mit dem vielrechnenden Betriebssystem ausgestattet, das gleichzeitig bis 10 Prozessen ausführen kann. Allerdings wird wegen Begrenzen von ROM und RAM die abkürzende Variante der JVM, die hat nur 14 Kb, verwendet. Für die Softwareentwicklung wurde die Plattform Robotics Software dewelopment Kit entwickelt [7].
Noch eine Richtung, die bekamm die Entwicklung auf der Basis der Java3D-Technologie, ist die 3D-Modellierung der virtuellen Robotern und die Steuerung ihnen in der virtuellen Umgebung nach dem Internet-Protokoll. In diesem Gebiet kann man gemeinsame Projekte des Institutes von Robotertechnik und des Institutes von Robotern und Mechatronik von DLR bezeichnen. Diese Projekte widmen sich der Entwicklung der virtuellen Modellen des zusteuernden durch das Internet Roboters ROTEX (Siehe Abb.3) [8].
Die interessanten Projekte der Java3D-Modellierung werden im Russischen Institut der angewandten Mathematik von Keldisch (Die Abteilung der Mechanik und Steuerungsbewegung) durchgeführt.
Zum Beispiel wurden auf der Basis der Java3D die Methoden der Steuerung in der virtuellen Umgebung mit Verzögerungen entwickelt. Diese Methoden sind effektiv bei der Verwendung des virtuellen Roboters für die steuerung dem echten Roboter. Diese Systeme wurden für die Robotern PUMA, CRS und „Diligent“ erstellt. (Siehe Abb.4) [9].
Das System für die Steuerung dem Roboter (siehe Abb.5) durch das Internet enthält 3 Teilen – Roboter, Server und Client. Der Roboter besteht aus dem Manipulator und Kontroller. Das Server ethält ein Rechner und 2 TV-Kameras IEEE 1394. Für die Steuerung dem Roboter „Puma“ benutzt man den Rechner AMD Athlon 1333. Für den Roboter „Diligent“ – Sun Ultra mit Prozessor UltraSPARC. Das Software des Clients begründet sich auf open-sours Java und Java3D, deshalb kann man als das Client beliebigen Typ des Rechners oder Betribssystems benutzen. Der Kontroller des Roboters verbindet sich mit dem Server durch das Interface RS232. Die Verbindung zwischen dem Client und Server wird über die Standardprotokolle TCP/IP gebaut.
Methoden der Steuerung dem Roboter bei Verzögerungen, die wegen der technischen Begrenzungen der Geschwindigkeit über die Protokolle TCP/IP im Internet vorhanden sind, können offensichtlich eine weitere Verwendung, zum Beispiel für die Steuerung von Raumfahrtobjekte und Planetenfahrzeuge, wo in der Verzögerungen die Begrenzungen dominieren können, die von der Geschwindigkeit des Radiosignals und Weltraumstrecken abhängen. Zum Beispiel kann die Verzögerung für einen Operator bei der Steuerung dem Mondfahrzeug ungefähr 3 s sein, bei der Steuerung dem Marsfahrzeug – etwa 40 min.

3. Perspektiven der Entwicklung der Java-Technologie in Robotertechnik

Eine aus der populären Kritik von Java besteht darin, daß Java für die real-time Applikationen wegen Garbage Collektors nicht passt. Generell ist das nur theoretische Kritik. Sun entwickelt Java um Garbage Collector mehr Controllbar zu sein.
Die Entwicklung von WAP und MIDP lassen um die Anwendung des wireless Applikations in den Roboterkommunikationen reden, denn in Java verbreiterte sich die notwendigen APIs für die wireless Geräte. Diese Technologien könnte man als einen eine Konkurrenz oder Alternative zu dem Interface RS232 berücksichtigen.
Die letzte Zeit ist der Bereich von Robotertechnik für Entwicklern der Java-Technologie noch mehr attraktiv gewesen worden. „Robotertechnik ist der komplizierte Bereich. Die Softwareentwicklern fangen nur an zu verstehen, wie interessante und würdige Aufgaben hier stehen“ - so Dr.Robin Merphi (Perseptual Robotics Laboratory).
Die Grenzen der Java-Plattform in Robotertechnik erweiteren sich. Die Fachleute aus Sun Labs mit den Spezialisten von Nasa und JPL besprechen die Frage der Anwendung der Java-Plattform für neue zukünftige Marsfahrzeuge.
In allerhanden Gebieten von Robotertechnik wird die Anwendung der modernen objektorientierten architekturunabhängigen Technologien als aktuell und sehr notwendig. Als ein wesentliche Element der objektorientierten Programmierung ist eine Abstraktion. Das läßt in dem so komplizierten Bereich wie Robotertechnik die Aufgaben der Steuerung der Kompliziertheit durch die Abstraktion lösen. Außerdem lassen solche grundlegende Eigenschaften von Java, als einfach, verteilt und dynamisch, robust, sicher usw. über die Perspektiven der Entwicklung der effektieven Robotersysteme auf der Basis dieser Technologie reden.
Heute wird es offensichtlicher, daß die Erforschungen des Weltraumes der Anstrengungen aller Menschheit erfordern. Die kosmischen Projekte tragen mehr und mehr internationallen Charakter. In diesen Projekten ist normalerweise die Zusammenarbeit verschiedener Teilnehmerländer und die Benutzung verschiedener Produkte zu vermuten. Deshalb kann die Verbindung der Programmeninterfaces als ein Problem wegen Unterschiede der Architekturen werden und als folglich zu Abbruch der Programmenausführung wegen ihrer Zusammenwirkung führen.
Zur Erklärung nehmen wir zum Beispiel ein Planetenfahrzeug als ein komplizierte Controlobjekt in Robotertechnik. Es enthält ein Controlsystem und viele andere, zum Beispiel Telekommunikationsystem, Energieversorgungsystem, Navigationsystem, System technisches Sehens, Sensorensystem und Forschungsgeräte. Alle diese Systeme und Geräte können auf der Basis verschiedener Kontrollere und Prozessoren erstellt werden. Sie können verschiedene Betriebssysteme haben. Sogar bei enger Arbeit der Entwicklern dieser Systeme kann die Vereinbarung der elektrischen und programmen Interfaces zu großen Aufwänden führen. Die Entwicklung und Betreuung des Software nimmt in Anspruch auch zu viel Zeit und Leistung.
Ausgang aus dieser Lage sieht man in diesem Fall durch die Anwendung der Java-Technologie, die das Problem der Übertragung des Programmencodes auf verschiedene Plattforme lösen läßt.
Noch eine Richtung der Anwendung der Java-Technologie ist Modulenroboteraufbauten an Bord einer Weltraumstation. Wie wurde oben gesagt, läßt Java ohne überflüssigen Aufwände das Problem der Modulenverbindung und Zusammenwirkung verschiedener Robotern lösen. Gleichzeitig realisiert sich das Prinzip des vielrechnenden Systems, denn für ein Programm können die Prozessorsressource des Modulenaufbaues überlassen werden trotz ihrer verschiedenen Architektur.
Noch ein Vorrang der Java-Technologie ist ihre Dauerhaftigkeit. Ihre Vergangenheit formiert ihre Grundlage und bildet für viele Jahre an Zukunft eine vereinbarende Basis insbesonders in API. Das bedeutet, daß die billigere Modernisierung und die Erweiterung der Möglichkeiten der Roboterngeneration, die Erneuerung des Controlstruktures durch entweder die Entfernung oder den Ersatz der einigen Teilen des alten Systems (sowohl Hardware als auch Software) möglich ist. Es ist offensichtlich, daß dieses Verfahren die billigere Richtung im Verhältnis zu der Variante des Ersatzes des Controlsystems bei der Robotermodernisirung sein könnte.

Zusammenfassung

1. Die grundlegenden Eigenschaften der Java-Technologie begründen sich auf dem objektorientierten Paradigma der modernen Programmiersprachen und der Architekturunabhängigkeit. Deshalb hat Java den Grund um die perspektive Plattform in Robotertechnik berücksichtigt zu werden.
2. Die Vorrang, die die Java-Technologie der Robotertechnik gibt, kann man kurz mit solchen Eigenschaften zusammenfassen: architekturunabhängige Unterstützung der vielrechnenden Ressource, Vielstromigkeit der Aufgaben, Mobilität (Übertragung) des Programmes, Möglichkeit der verteilten Ausführung der Prozeduren (Client-Server Technologie), Lösung der komplizierten Aufgaben durch die Methoden der hierarchischen Abstraktion und schließlich die Dauerhaftigkeit der Java-Plattform und zugeprüfte durch die Praktik millionen Benutzer ihre Sicherheit.

Literatur und Verweise

1. Helmut Erlenkoetter. Java-Applikationen: Anwendungsprogrammierung mit JFC. Rowohlt Taschenbuch Verlag GmbH, Reinbek bei Hamburg, Dezember 1998.
2. P.Naughton, G.Schield. Java 2: Übersetzung von englisch – SPb.: БХВ-Petersburg, 2000.-1072 s.
3. http://ru.sun.com/win/java/2001results.html - SAN, Russland
4. http://java.sun.com/products/java-media/speech/ - Java Speech API
5. http://java.sun.com/products/java-media/jmf/2.1.1/ - Java Media Framework API 2.1.1
6. http://java.sun.com/features/2002/05/robot.html - JavaTM Technology and Lego Mindstorm Robots
7. http://developers.sun.com/dev/evangc.../robo-sdk.html - Java Technology Robotics Developers Kit
8. http://www.robotic.dlr.de/VRML/Rotex/#Intro - Site für die Steuerung dem virtuellen Modell des Weltraumroboters. (Zusammenprojekt des Institutes von Robotertechnik und Institutes von Robotern und Mechatronik von DLR)
9. http://www.keldysh.ru/pages/i-robotics/rus/rhome.html - Site von I.Belousov (Russisches Institut der angewandten Mathematik von Keldisch (Die Abteilung der Mechanik und Steuerungsbewegung)