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Terrainklassifikation mit Markov Zufallsfeldern für autonome Roboter in unstrukturiertem Terrain
(2015)
Diese Doktorarbeit beschäftigt sich mit dem Problem der Terrainklassifikation im unstrukturierten Außengelände. Die Terrainklassifikation umfasst dabei das Erkennen von Hindernissen und flachen Bereichen mit der einhergehenden Analyse der Bodenoberfläche. Ein 3D Laser-Entfernungsmesser wurde als primärer Sensor verwendet, um das Umfeld des Roboters zu vermessen. Zunächst wird eine Gitterstruktur zur Reduktion der Daten eingeführt. Diese Datenrepräsentation ermöglicht die Integration mehrerer Sensoren, z.B. Kameras für Farb- und Texturinformationen oder weitere Laser-Entfernungsmesser, um die Datendichte zu erhöhen. Anschließend werden für alle Terrainzellen des Gitters Merkmale berechnet. Die Klassifikation erfolgt mithilfe eines Markov Zufallsfeldes für Kontextsensitivität um Sensorrauschen und variierender Datendichte entgegenzuwirken. Ein Gibbs-Sampling Ansatz wird zur Optimierung eingesetzt und auf der CPU sowie der auf GPU parallelisiert um Ergebnisse in Echtzeit zu berechnen. Weiterhin werden dynamische Hindernisse unter Verwendung verschiedener State-of-the-Art Techniken erkannt und über die Zeit verfolgt. Die berechneten Informationen, wohin sich andere Verkehrsteilnehmer bewegen und in Zukunft hinbewegen könnten, werden verwendet, um Rückschlüsse auf Bodenoberflächen zu ziehen die teilweise oder vollständig unsichtbar für die Sensoren sind. Die Algorithmen wurden auf unterschiedlichen autonomen Roboter-Plattformen getestet und eine Evaluation gegen von Menschen annotierte Grundwahrheiten von Karten aus mehreren Millionen Messungen wird präsentiert. Der in dieser Arbeit entwickelte Ansatz zur Terrainklassifikation hat sich in allen Anwendungsbereichen bewährt und neue Erkenntnisse geliefert. Kombiniert mit einem Pfadplanungsalgorithmus ermöglicht die Terrainklassifikation die vollständige Autonomie für radgetriebene Roboter in natürlichem Außengelände.
Die vorliegende Arbeit stellt eine Methode für die korpusbasierte Analyse der Verwendung von Softwarebibliotheken in Java-Programmen vor. Die meisten größeren Softwareprojekte verwenden Softwarebibliotheken, die als Schnittstelle für den Programmierer sogenannte APIs (application programming interfaces) bereitstellen. Um den Umstieg von einer solchen API auf eine andere zu unterstützen, strebt man Werkzeuge zur automatisierten API-Migration an. Zur Entwicklung solcher Werkzeuge fehlen allerdings noch Basisdaten. Statistiken und Beobachtungen zur Verwendung von APIs in der Praxis wurden bisher nur mit sehr kleinen Korpora von Projekten und APIs durchgeführt. Wir stellen in dieser Arbeit daher eine Analysemethode vor, die für Messungen an großen Korpora geeignet ist. Hierzu erzeugen wir zunächst einen Korpus von auf SourceForge gehosteten Open-Source-Projekten sowie einen Korpus von Softwarebibliotheken. In der Folge werden alle Projekte des Korpus compiliert, wobei ein Compiler-Plugin für den javac detaillierte Informationen über jede einzelne Methode liefert, die der Compiler erstellt. Diese Informationen werden in einer Datenbank gespeichert und analysiert.
The publication of open source software aims to support the reuse, the distribution and the general utilization of software. This can only be enabled by the correct usage of open source software licenses. Therefore associations provide a multitude of open source software licenses with different features, of which a developer can choose, to regulate the interaction with his software. Those licenses are the core theme of this thesis.
After an extensive literature research, two general research questions are elaborated in detail. First, a license usage analysis of licenses in the open source sector is applied, to identify current trends and statistics. This includes questions concerning the distribution of licenses, the consistency in their usage, their association over a period of time and their publication.
Afterwards the recommendation of licenses for specific projects is investigated. Therefore, a recommendation logic is presented, which includes several influences on a suitable license choice, to generate an at most applicable recommendation. Besides the exact features of a license of which a user can choose, different methods of ranking the recommendation results are proposed. This is based on the examination of the current situation of open source licensing and license suggestion. Finally, the logic is evaluated on the exemplary use-case of the 101companies project.
Reaktiv lokale Algorithmen sind verteilte Algorithmen, die den Anforderungen großer, batteriebetriebener, Drahtloser Ad Hoc und Sensornetzwerke im besonderen Maße gerecht werden. Durch Vermeidung überflüssiger Nachrichtenübertragungen sowie Verzicht auf proaktive Ermittlung von Nachbarschaftstabellen (d.h. beaconing) minimieren solche Algorithmen den Kommunikationsaufwand und skalieren gut bei wachsender Netzgröße. Auf diese Weise werden Ressourcen wie Bandbreite und Energie geschont, es kommt seltener zu Nachrichtenkollisionen und dadurch zu einer Erhöhung der Paketempfangsrate, sowie einer Reduktion der Latenzen.
Derzeit wird diese Algorithmenklasse hauptsächlich für Geografisches Routing, sowie zur Topologiekontrolle, insbesondere zur Ermittlung der Adjazenzliste eines Knotens in zusammenhängenden, kantenschnittfreien (planaren) Repräsentationen des Netzgraphen, eingesetzt. Ersteres ermöglicht drahtlose multi-hop Kommunikation auf Grundlage von geografischen Knotenpositionen ohne Zuhilfenahme zusätzlicher Netzwerkinfrastruktur, wohingegen Letzteres eine hinreichende Grundlage für effiziente, lokale Lösungen einer Reihe algorithmischer Problemstellungen ist.
Die vorliegende Dissertation liefert neue Erkenntnisse zum Forschungsgebiet der reaktiven Algorithmen, zum Einen auf einer abstrakten Ebene und zum Anderen durch die Einführung neuer Algorithmen.
Erstens betrachtet diese Arbeit reaktive Algorithmen erstmalig im Ganzen und als eigenständiges Forschungsfeld. Es wird eine umfangreiche Literaturstudie zu dieser Thematik präsentiert, welche die aus der Literatur bekannten Algorithmen, Techniken und Anwendungsfelder systematisch auflistet, klassifiziert und einordnet. Weiterhin wird das mathematische Konzept der O- und Omega-reaktiv lokalen Topologiekontrolle eingeführt. Dieses Konzept ermöglicht erstmals die eindeutige Unterscheidung reaktiver von konventionellen, beacon-basierten, verteilten Topologiekontrollalgorithmen. Darüber hinaus dient es als Klassifikationsschema für existierende, sowie zukünftige Algorithmen dieser Art. Zu guter Letzt ermöglicht dieses Konzept grundlegende Aussagen über die Mächtigkeit des reaktiven Prinzips, welche über Entwurf und Analyse von Algorithmen hinaus reichen.
Zweitens werden in dieser Arbeit neue reaktiv lokale Algorithmen zur Topologiekontrolle und Geografischem Routing eingeführt, wobei drahtlose Netze durch Unit Disk bzw. Quasi Unit Disk Graphen modelliert werden. Diese Algorithmen berechnen für einen gegebenen Knoten die lokale Sicht auf zusammenhängende, planare, Euklidische bzw. Topologische Spanner mit konstanter Spannrate bzgl. des Netzgraphen und routen Nachrichten reaktiv entlang der Kanten dieser Spanner, wobei die Nachrichtenauslieferung garantiert wird. Alle bisher bekannten Verfahren sind entweder nicht reaktiv oder gewährleisten keine konstanten Euklidischen oder Topologischen Spannraten. Ein wesentliches Teilergebnis dieser Arbeit ist der Nachweis, dass die partielle Delaunay Triangulierung (PDT) ein Euklidischer Spanner mit konstanter Spannrate für Unit Disk Graphen ist.
Die in dieser Dissertation gewonnenen Erkenntnisse bilden die Basis für grundlegende und strukturierte Forschung auf diesem Gebiet und zeigen, dass das reaktive Prinzip ein wichtiges Werkzeug des Algorithmenentwurfs für Drahtlose Ad Hoc und Sensornetzwerke ist.
Die automatische Identifikation von Experten in einer speziellen technologischen Domäne, wie einer Bibliothek, Framework oder generellen Technologie, schafft einen großen Mehrwert in der gemeinsamen Entwicklung von Softwareprojekten. Daher soll in dieser Arbeit ein Vorgehen sowie ein Programm zur automatischen Identifikation von Experten entwickelt werden, die gewissen Skills besitzen. Hierbei wird speziell das Django-Framework betrachtet. Jedoch kann durch hinzufügen von weiteren Regeln unser Tool leicht auf andere Technologien angepasst werden. Abschließend wird eine case study auf ein Open Source Projekt durchgeführt.
Wir analysieren versionsbasierte Softwareprojekte, um den Entwicklern API- und Domänen-Wissen zuzuordnen. Genauer gesagt analysieren wir die einzelnen Commits in einem Repository in Hinblick auf die API-Nutzung. Auf dieser Grundlage können wir APIs (oder Teile davon) den Entwicklern zuordnen und dadurch auf die API-Erfahrung der Entwickler schließen. Im transitiven Schluss können wir auf Domänen-Erfahrung schließen, da jeder API eine Programmierdomäne zugewiesen wird.
Diese Arbeit schlägt die Benutzung von MSR (Mining Software Repositories) Techniken zum Identifizieren von Software Entwicklern mit exklusiver Fachkenntnis zu spezifischen APIs und Programmierfachgebieten in Software Repositories vor. Ein versuchsweises Tool zum finden solcher “Islands of Knowledge” in Node.js Projekten wird präsentiert und in einer Fallstudie auf 180 npm packages angewandt. Dabei zeigt sich, dass jedes package im Durchschnitt 2,3 Islands of Knowledge hat, was dadurch erklärbar sein könnte, dass npm packages dazu tendieren nur einen einzelnen Hauptcontributor zu haben. In einer Umfrage werden die Verantwortlichen von 50 packages kontaktiert und nach ihrer Meinung zu den Ergebnissen des Tools gefragt. Zusammen mit deren Antworten berichtet diese Arbeit von den Erfahrungen, die mit dem versuchsweisen Tool gemacht wurden, und wie zukünftige Weiterentwicklungen noch bessere Aussagen über die Verteilung von Programmierfachwissen in Entwicklerteams machen könnten.
Moderne Softwaresysteme bestehen aus verschiedenen Programmiersprachen, Softwaretechnologien und Artefakten. Dadurch wird es für Entwickler komplexer, den Quelltext sowie die enthaltenen Abhängigkeiten zu verstehen. Entsprechend muss ein größerer Aufwand in die Erstellung von Dokumentation gesteckt werden. Eine Möglichkeit zur Dokumentation einer Software mit dem Fokus auf die benutzten Technologien stellen linguistische Architekturen dar. Diese können z. B. durch die MegaL Ontologie beschrieben werden. Da die Erstellung einer solchen linguistischen Architektur für ein beliebiges Softwareprojekt kompliziert ist, beschreibt diese Arbeit einen Ansatz zur automatischen Erstellung einer solchen linguistischen Architektur. Dafür wird das Open Source Framework Apache Jena verwendet, welches Semantic Web Technologien wie RDF und OWL benutzt. Mit diesem können spezifische Regeln definiert werden, welche aus existierenden RDF-Triplen neue ableiten. Dieser Ansatz wird schließlich in einer Case Study an zehn verschiedenen Open Source Projekten getestet. Dabei soll eine linguistische Architektur in MegaL extrahiert werden, welche die Nutzung von Hibernate beschreibt. Mit der Hilfe von spezifischen Metriken wird das Ergebnis dann mit einem internen und externen Ansatz evaluiert.
Semantische Daten zusammen mit General-Purpose-Programmiersprachen zu verwenden stellt nicht die einheitlichen Eigenschaften bereit, die man für eine solche Verwendung haben möchte. Die statische Fehlererkennung ist mangelhaft, insbesondere der statischen Typisierung anbetreffend. Basierend auf vorangegangener Arbeit an λ-DL, welches semantische Queries und Konzepte als Datentypen in ein typisiertes λ-Kalkül integriert, bringt dieses Werk dessen Ideen einen Schritt weiter, um es in eine Echtwelt-Programmiersprache zu integrieren. Diese Arbeit untersucht, wie λ-DLs Features erweitert und mit einer existierende Sprache vereinigt werden können, erforscht einen passenden Erweiterungsmechanismus und produziert Semantics4J, eine JastAdd-basierte Java-Sprachintegration für semantische Daten für typsichere OWL-Programmierung, zusammen mit Beispielen für ihre Verwendung.
Um unterschiedliche Anforderungen zu erfüllen, werden Softwaresysteme oft in Form einer Menge von Varianten entwickelt. Zwei gebräuchliche Ansätze für eine solche Softwareentwicklung sind das clone-and-owning und die Produktlinienentwicklung. Beide Ansätze haben Vor- und Nachteile. In vorheriger Arbeit mit anderen haben wir eine Idee vorgestellt bei der beide Ansätze verknüpft werden um Varianten, Ähnlichkeiten und Softwareklone zu verwalten. Diese Idee basiert auf einer virtuellen Plattform und Operatoren für Softwareklone. In der vorliegenden Arbeit stellen wir einen Ansatz vor um essentielle Metadaten für die Realisierung eines propagate-Operators zu aggregieren. Dafür haben wir ein System entwickelt um Ähnlichkeiten mit Annotationen zu versehen, wobei die Ähnlichkeiten aus der Historie eines Repositories extrahiert werden. Die Annotationen drücken aus wie eine Ähnlichkeit zukünftig gewartet werden soll. Abhängig vom Annotationstyp kann diese Wartung automatisiert ausgeführt oder sie muss vom Benutzer manuell betrieben werden. In dieser Arbeit beschreiben wir die automatisierte Extraktion von Metadaten und das System zur Annotation von Ähnlichkeiten; wir erklären wie das System in den Arbeitsfluss eines bestehenden Programms zur Versionierungverwaltung (Git) integriert werden kann; und abschließend stellen wir eine Fallstudie vor, die das 101haskell-System benutzt.