上下文感知的系统综合、任务分配与路由

复杂机器人系统的设计与组织传统上需要繁琐的试错过程，以确保硬件和软件组件与计算所需的资源正确连接。本文对二次分配与路由问题提出了一种新颖的推广，引入了用于选择组件和互连的形式化方法，以综合出能够提供某些用户定义功能的完整系统。通过将任务上下文、功能需求和模块化直接引入分配问题，我们推导出一种解决方案，能够自动选择组件并将其组织成最优的硬件和软件互连结构，同时遵循组件可行性与所需功能的限制。直接从单个组件生成完整功能系统的能力，通过引导探索设计空间，减少了手动设计工作量。此外，我们的公式通过量化资源余量并使系统结构能够适应不断变化的环境、硬件或软件故障，从而增强了弹性。所提出的公式被表述为整数线性规划，且被证明是 $\mathcal{NP}$-hard 的。我们开发并分析了两个案例研究，以突出该方法所能解决的问题的表达能力和复杂性：第一个案例探讨了在各种任务上下文中地面搜救机器人的迭代开发，而第二个案例探讨了用于 DARPA Robotics Challenge 的人形灾难机器人的复杂大规模设计。数值模拟量化了真实世界性能，并证明对于许多现代机器人系统所遇到的问题规模，其时间复杂度是可处理的。