Основы применения среды microsoft robotics studio

Среда моделирования роботов Microsoft Robotics Developer Studio

Платформа Microsoft Robotics Developer Studio (MRDS) — это пакет разработчика для робототехники, ориентированный на программистов разных уровней. Визуальный язык программирования (VPL), входящий в состав MRDS. Симуляция виртуальных роботов позволит работать с техникой, которой еще нет, или выйти из положения, если использовать настоящего робота по каким-то причинам нельзя. На базе технологии CCR гораздо проще писать код, хорошо масштабируемый на несколько ядер. Сервисный подход в технологии DSS позволяет создавать слабо связанные распределенные приложения.

Microsoft Robotics Studio — это всего лишь фундамент для создания многофункционального робота.

В контексте робототехники приложение — это композиция слабосвязанных параллельно выполняющихся компонентов.

Все компоненты в Robotics Studio представляют собой независимо исполняемые сервисы и выступают как основополагающий элемент в MSRS. Иначе говоря, с точки зрения разработчика не существует физического мотора — есть сервис с интерфейсом, с помощью которого разработчик обращается к мотору через написанную им программу.

На концептуальном уровне сервис может быть представлен всем, от чего можно получать данные. Это, например, аппаратное обеспечение (сенсоры, приводы и т. п.), ПО (пользовательский интерфейс, хранилище данных), агрегация (группа сенсоров, mash-up).

Среда, в которой выполняется приложение в Microsoft Robotics Studio, носит название Runtime Environment. В основе Runtime лежит CLR 2.0, что дает возможность писать приложения, используя любые языки программирования платформы Microsoft .NET.

Сам по себе Runtime состоит из двух ключевых технологий: Concurrency & Coordination Runtime (CCR) — это библиотека для работы с параллельными и асинхронными потоками данных, и Decentralized System Services (DSS) — средство создания распределенных приложений на основе сервисов.

Программная логика робота — в отличие от традиционных приложений — должна взаимодействовать с гораздо более непредсказуемой окружающей средой и адекватно реагировать на информацию, поступающую от множества сенсоров одновременно. Более того, по многим причинам имеет смысл существенную часть логики перенести на множество взаимодействующих друг с другом компьютеров, которые физически могут находиться как на роботе, так и вне его. В результате требуется подход, который одинаково хорошо годился бы как для параллельных, так и для распределенных приложений. Библиотека Concurrency & Coordination Runtime и была специально разработана для того, чтобы упростить создание кода для параллельного исполнения и хорошего масштабирования на современных многоядерных процессорах.

Для ответа на вопрос «зачем нужна CCR» вспомним определение понятия «приложение» в контексте Robotics Studio: это композиция слабосвязанных параллельно выполняющихся компонентов. Такой подход можно было бы реализовать с помощью существующих примитивов многопоточного программирования. Однако процесс написания многопоточных приложений — далеко не тривиальная задача, и она становится все сложнее по мере роста числа одновременно выполняемых потоков.

При использовании CCR не требуется вручную управлять потоками, блокировками, семафорами, т. е. всеми стандартными примитивами синхронизации потоков. CCR — это не просто набор утилит, это совершенно другой подход к написанию кода. Этот подход основан на очередях сообщений и наборе зависящих от данных примитивов синхронизации. Потоки полностью скрыты от программиста, и Runtime — в зависимости от данных и от того, где они нужны, — решает, какой код и где будет исполняться. Поскольку синхронизация идет по данным, то не рекомендуется — и даже запрещается — использовать общую память (это может полностью нарушить схему работы кода).

Таким образом, библиотека CCR упрощает написание программ, которые работают со многими параллельными и асинхронными потоками данных. Примерами потоков данных могут служить сенсорная информация, ее обработка и управление движением в роботах.

Вспомним еще раз, что приложение в контексте MSRS — это композиция слабосвязанных параллельно выполняющихся сервисов. Тогда для реализации такого приложения необходимо следующее.

Слабая связанность компонентов — это обеспечивает их взаимозаменяемость и легкость повторного использования. Например, можно отключить или подключить сенсор без последствий для приложения в целом.

Разделение состояния и поведения — состояние сервиса (state) полностью открыто и при этом отделено от его поведения (behavior). Это очень важно в распределенной системе и позволяет сервисам легко взаимодействовать друг с другом как локально, так и удаленно по сети. Поведение в этой ситуации превращается в операции над состоянием, которые могут его изменять.

Работа с состоянием сервиса, а не с сессией (session-less) — текущее состояние сервиса определяется им самим, и оно идентично для всех, кто бы его ни запросил. Сервис не создает индивидуальных сессий для тех, кто с ним работает.

Работа со структурированными данными — состояние сервиса не может быть однородной массой, и структурирование на базе типов CLR позволяет работать со сложными структурами данных.

Работа с событиями изменения состояния сервиса — отделение состояния и его структурированность дают возможность сообщать об изменениях тем, кому это важно. В DSS есть модель, позволяющая отправлять и получать уведомления об этих событиях, а также подписываться на них.

Поддержка Web UI — анализировать и отлаживать распределенные приложения достаточно сложно. Структурированные данные в состоянии сервиса можно сериализовать с помощью XML и просматривать с помощью любого браузера. При помощи XSLT можно поверх XML данных создать простой пользовательский интерфейс.

Чтобы реализовать все описанные выше возможности, были частично использованы два существующих подхода к работе с сервисами: REST и Web Services.

REST (Representational State Transfer) — этот термин обозначает абстрагированную и формализованную Web-архитектуру и был предложен Роем Филдингом в 2000 г. REST построена на идее Тима Бернерс-Ли «URI ссылается на ресурс, и все взаимодействия с этим ресурсом происходят путем обмена состояниями». Важно отметить, что REST — это подход к созданию приложений; на текущий момент он успешно реализован в World Wide Web.

Про Web Services говорят уже давно и много. В основе Web-сервисов лежит протокол SOAP, который как раз и позволяет работать со структурированными данными и событиями.

Какой-то один из подходов, REST или Web-Services, не позволяет реализовать в платформе робототехники все задуманные возможности. Поэтому была выбрана унифицированная модель, в основу которой лег протокол Decentralized System Services Protocol (DSSP), в свою очередь базирующийся на SOAP. Реализация DSSP в Microsoft Robotics Studio предназначена специально для работы с сервисами [7].