黑龍江職業(yè)學(xué)院 楊宏帥

基于MDA面向機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的建模方法研究

黑龍江職業(yè)學(xué)院 楊宏帥

機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)一般采用嵌入式軟件實(shí)現(xiàn)，我國(guó)的嵌入式軟件的研發(fā)、測(cè)試和過(guò)程管理依然以傳統(tǒng)方式為主，技術(shù)尚處于起步時(shí)期。在文中就一種基于MDA面向機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的建模方法進(jìn)行介紹，以期為機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供借鑒。

MDA；機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制；建模

1　概述

軟件實(shí)現(xiàn)過(guò)程采用手工編碼，容易引入編寫(xiě)錯(cuò)誤，常常要花費(fèi)大量的人力物力來(lái)發(fā)現(xiàn)和改正?；谝陨显?，以大量人力工作為基礎(chǔ)的、非自動(dòng)化的文檔驅(qū)動(dòng)軟件開(kāi)發(fā)方法存在開(kāi)發(fā)效率低下、成本高、周期長(zhǎng)、質(zhì)量保證困難的弱點(diǎn)，難以滿(mǎn)足當(dāng)前機(jī)器人控制技術(shù)的快速變化對(duì)研發(fā)周期和質(zhì)量的要求。

圖形作為一種能夠同時(shí)被人和計(jì)算機(jī)所識(shí)別的直觀描述形式，具有可以簡(jiǎn)練、精確表示軟件需求與設(shè)計(jì)、避免理解偏差和被自動(dòng)化理解與處理的優(yōu)點(diǎn)。近年來(lái)，模型驅(qū)動(dòng)架構(gòu)（MDA：Model-Driven Architecture）的開(kāi)發(fā)模式被多數(shù)嵌入式軟件開(kāi)發(fā)商確定為首選的開(kāi)發(fā)與測(cè)試模式。通過(guò)合理地使用圖形元素對(duì)軟件需求、測(cè)試需求、軟件設(shè)計(jì)進(jìn)行建模并自動(dòng)檢測(cè)各階段間模型的一致性、設(shè)計(jì)模型與標(biāo)準(zhǔn)的符合性（如GJB102/Z軟件可靠性安全性設(shè)計(jì)準(zhǔn)則、軟件結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)準(zhǔn)則等）、設(shè)計(jì)模型自身的一致性（如狀態(tài)圖與數(shù)據(jù)流圖的一致性等），自動(dòng)生成代碼和測(cè)試用例，能夠極大地提高軟件的開(kāi)發(fā)效率并保證軟件的質(zhì)量。

2　面向機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)需求定制的圖形建模

基于MDA的機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)軟件建模系統(tǒng)應(yīng)具備支撐包括規(guī)格化代碼自動(dòng)生成、測(cè)試用例自動(dòng)生成、文檔自動(dòng)生成、系統(tǒng)級(jí)安全性設(shè)計(jì)、軟件可靠性設(shè)計(jì)以及過(guò)程自動(dòng)化管理的能力，如果缺失面向系統(tǒng)級(jí)需求的建模描述，則可能導(dǎo)致在圖形建?；A(chǔ)上產(chǎn)生的產(chǎn)物無(wú)法嚴(yán)格符合需求規(guī)格和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，也無(wú)法切合該工具對(duì)被描述系統(tǒng)的自頂向下方法的設(shè)計(jì)思想。所以，根據(jù)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的特性、應(yīng)用嵌入式軟件特性以及一般機(jī)器人硬件環(huán)境特性，專(zhuān)門(mén)定制了三種從全局角度出發(fā)，針對(duì)系統(tǒng)級(jí)描述的圖形建模，并設(shè)計(jì)了符合特性和系統(tǒng)級(jí)需求描述要求的定制圖元。這三種建模分別為系統(tǒng)環(huán)境與資源建模、系統(tǒng)接口建模以及多任務(wù)交互建模。

3　系統(tǒng)環(huán)境與資源建模

環(huán)境與資源建模是對(duì)被描述系統(tǒng)針對(duì)其系統(tǒng)一級(jí)的需求規(guī)約描述，其構(gòu)成包括軟件接口、架構(gòu)的整體需求描述，同時(shí)也包括被描述系統(tǒng)的系統(tǒng)級(jí)需求，組成建模的元素主要包括系統(tǒng)級(jí)硬件、接口、通信等。進(jìn)行環(huán)境與資源建模的主要目的是能夠從機(jī)器人硬件系統(tǒng)全局的角度對(duì)被描述系統(tǒng)的系統(tǒng)級(jí)需求進(jìn)行描述，彌補(bǔ)已有建模機(jī)制下僅能夠?qū)C(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的軟件需求進(jìn)行描述的缺陷，通過(guò)自頂向下的思想，實(shí)現(xiàn)由系統(tǒng)級(jí)環(huán)境、硬件、接口、所需軟件等需求的綜合描述，完善上層全局角度的建模，充分保證建模對(duì)系統(tǒng)、軟件的一致性。

以服務(wù)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)為例，采用環(huán)境與資源建模的系統(tǒng)級(jí)建模描述樣例。該樣例所描述的服務(wù)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制僅供參考，并非某一特定型號(hào)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)建模。該樣例的建立是在服務(wù)機(jī)器人硬件系統(tǒng)環(huán)境的一般性基礎(chǔ)上建立的，僅用于系統(tǒng)環(huán)境與資源建模的參考，并不具有實(shí)際應(yīng)用于機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的效果。

建模樣例選取1553B作為機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的通信總線(xiàn)，采用雙總線(xiàn)機(jī)制保障系統(tǒng)的可靠性安全性設(shè)計(jì)。總線(xiàn)通信協(xié)議采用61580，屬于通信接口。共包含四個(gè)下位機(jī)，分別用于控制和采集激光導(dǎo)航、紅外傳感器、圖像以及電源的運(yùn)行和數(shù)據(jù)。機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的運(yùn)行環(huán)境（搭載計(jì)算機(jī)）內(nèi)部包含外存固態(tài)盤(pán)、數(shù)模轉(zhuǎn)換；包括的接口除總線(xiàn)接口外，還有系統(tǒng)寄存器接口、串行通信接口以及I/O接口。環(huán)境與資源圖中的上位機(jī)圖元可以表示除系統(tǒng)主體外的其他硬件環(huán)境，也可定義系統(tǒng)的獨(dú)立模塊。本樣例中包括數(shù)據(jù)預(yù)處理器、激光導(dǎo)航計(jì)算機(jī)。各個(gè)模塊之間進(jìn)行相應(yīng)的通信，形成整體的系統(tǒng)環(huán)境。

4　系統(tǒng)接口建模

系統(tǒng)接口建模是對(duì)被描述系統(tǒng)的系統(tǒng)級(jí)需求中有關(guān)外部硬件接口的描述，彌補(bǔ)已有建模體系中對(duì)于系統(tǒng)級(jí)需求中硬件建模及硬件接口建模的描述確實(shí)。組成系統(tǒng)接口建模的基本圖元包括系統(tǒng)主體、硬件接口、數(shù)據(jù)和中斷。

圖元主體主要用于描述被描述系統(tǒng)的軟件主體，接口以外部接口為主，描述外部接口與系統(tǒng)軟件主體產(chǎn)生的數(shù)據(jù)、中斷交互。數(shù)據(jù)與終端采用有向箭頭，表明系統(tǒng)外部硬件與軟件主體通過(guò)相應(yīng)的接口協(xié)議或無(wú)協(xié)議情況（例如：中斷電信號(hào)）下數(shù)據(jù)的流向過(guò)程。

數(shù)據(jù)與中斷在系統(tǒng)接口建模中根據(jù)實(shí)際建模情況，不要求必須同時(shí)出現(xiàn)。系統(tǒng)接口建模所出現(xiàn)的所有外部接口必須來(lái)源于系統(tǒng)資源與環(huán)境建模的接口，二者（系統(tǒng)接口建模與系統(tǒng)資源與環(huán)境建模）在外部接口必須保證一致性原則。

5　系統(tǒng)多任務(wù)交互建模

實(shí)時(shí)嵌入式軟件的應(yīng)用程序設(shè)計(jì)中，合理設(shè)計(jì)軟件任務(wù)是實(shí)時(shí)嵌入式軟件能夠有效運(yùn)行的基礎(chǔ)。以任務(wù)為實(shí)時(shí)嵌入式軟件核心，應(yīng)用程序的其他設(shè)計(jì)逐步展開(kāi)。基于實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的嵌入式軟件任務(wù)設(shè)計(jì)主要以任務(wù)函數(shù)和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)為主，描述了機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)嵌入式軟件需求的應(yīng)用程序上層框架。根據(jù)應(yīng)用與系統(tǒng)的嵌入式軟件任務(wù)設(shè)計(jì)過(guò)程中的實(shí)際需求，系統(tǒng)設(shè)置用于描述應(yīng)用程序上層框架的多任務(wù)交互建模共包含五中圖元，分別為外部實(shí)體或模塊、系統(tǒng)任務(wù)、系統(tǒng)中斷、數(shù)據(jù)/控制以及任務(wù)間通信。

系統(tǒng)任務(wù)圖元說(shuō)明被描述系統(tǒng)在設(shè)計(jì)過(guò)程中規(guī)劃的任務(wù)，系統(tǒng)中斷說(shuō)明被描述系統(tǒng)在任務(wù)設(shè)計(jì)的過(guò)程中包括的系統(tǒng)中斷，外部實(shí)體或模塊圖元說(shuō)明與被描述系統(tǒng)所規(guī)劃的任務(wù)產(chǎn)生關(guān)聯(lián)的外部實(shí)體或模塊，數(shù)據(jù)/動(dòng)作圖元在描述中斷與系統(tǒng)任務(wù)關(guān)系時(shí)為數(shù)據(jù)圖元，在描述系統(tǒng)任務(wù)與外部實(shí)體或模塊的關(guān)系時(shí)為動(dòng)作圖元，說(shuō)明某一個(gè)或幾個(gè)任務(wù)是對(duì)外部一個(gè)或多個(gè)實(shí)體或模塊進(jìn)行何種操作。任務(wù)間通信圖元說(shuō)明被描述系統(tǒng)所規(guī)劃的任務(wù)之間的通信關(guān)系。

6　結(jié)論

國(guó)際上的可視化開(kāi)發(fā)工具雖然已經(jīng)取得了較好的應(yīng)用效果，但仍然存在圖元語(yǔ)義不完備、缺少可靠性安全性設(shè)計(jì)語(yǔ)義，無(wú)法進(jìn)行可靠性安全性設(shè)計(jì)的檢查與驗(yàn)證的問(wèn)題。此外，在當(dāng)前的圖形化建模體系中各種圖形無(wú)法結(jié)合使用，導(dǎo)致軟件開(kāi)發(fā)各階段不能自然銜接，無(wú)法滿(mǎn)足機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)軟件全生命周期開(kāi)發(fā)活動(dòng)的要求。本文所述內(nèi)容，通過(guò)研究并建立一套具有完備圖元語(yǔ)義的、具備面向系統(tǒng)級(jí)和軟件級(jí)建模能力的面向機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的圖形建模體系，使得面向機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的建模能夠良好的支撐基于模型驅(qū)動(dòng)架構(gòu)的開(kāi)發(fā)模式。通過(guò)完善的圖元、圖元語(yǔ)義以及建模設(shè)置，能夠達(dá)到模型驅(qū)動(dòng)架構(gòu)所要求的規(guī)格化代碼產(chǎn)物自動(dòng)生成以及模型驅(qū)動(dòng)測(cè)試架構(gòu)所要求的標(biāo)準(zhǔn)化測(cè)試用例產(chǎn)物自動(dòng)生成。通過(guò)完備的圖元語(yǔ)義和建模體系支持機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)軟件全生命周期開(kāi)發(fā)活動(dòng)，能夠有效縮短軟件的研制周期，降低成本，提升產(chǎn)品更新?lián)Q代速度，保證產(chǎn)品質(zhì)量，進(jìn)而極大地提升機(jī)器人產(chǎn)品的生產(chǎn)效率與競(jìng)爭(zhēng)力。