黑龍江職業(yè)學院 楊宏帥

基于MDA面向機器人運動控制系統(tǒng)的建模方法研究

黑龍江職業(yè)學院 楊宏帥

機器人運動控制系統(tǒng)一般采用嵌入式軟件實現(xiàn)，我國的嵌入式軟件的研發(fā)、測試和過程管理依然以傳統(tǒng)方式為主，技術尚處于起步時期。在文中就一種基于MDA面向機器人運動控制系統(tǒng)的建模方法進行介紹，以期為機器人運動控制系統(tǒng)設計提供借鑒。

MDA；機器人運動控制；建模

1　概述

軟件實現(xiàn)過程采用手工編碼，容易引入編寫錯誤，常常要花費大量的人力物力來發(fā)現(xiàn)和改正?；谝陨显?，以大量人力工作為基礎的、非自動化的文檔驅(qū)動軟件開發(fā)方法存在開發(fā)效率低下、成本高、周期長、質(zhì)量保證困難的弱點，難以滿足當前機器人控制技術的快速變化對研發(fā)周期和質(zhì)量的要求。

圖形作為一種能夠同時被人和計算機所識別的直觀描述形式，具有可以簡練、精確表示軟件需求與設計、避免理解偏差和被自動化理解與處理的優(yōu)點。近年來，模型驅(qū)動架構（MDA：Model-Driven Architecture）的開發(fā)模式被多數(shù)嵌入式軟件開發(fā)商確定為首選的開發(fā)與測試模式。通過合理地使用圖形元素對軟件需求、測試需求、軟件設計進行建模并自動檢測各階段間模型的一致性、設計模型與標準的符合性（如GJB102/Z軟件可靠性安全性設計準則、軟件結構化設計準則等）、設計模型自身的一致性（如狀態(tài)圖與數(shù)據(jù)流圖的一致性等），自動生成代碼和測試用例，能夠極大地提高軟件的開發(fā)效率并保證軟件的質(zhì)量。

2　面向機器人運動控制系統(tǒng)需求定制的圖形建模

基于MDA的機器人運動控制系統(tǒng)軟件建模系統(tǒng)應具備支撐包括規(guī)格化代碼自動生成、測試用例自動生成、文檔自動生成、系統(tǒng)級安全性設計、軟件可靠性設計以及過程自動化管理的能力，如果缺失面向系統(tǒng)級需求的建模描述，則可能導致在圖形建?；A上產(chǎn)生的產(chǎn)物無法嚴格符合需求規(guī)格和行業(yè)標準，也無法切合該工具對被描述系統(tǒng)的自頂向下方法的設計思想。所以，根據(jù)機器人運動控制系統(tǒng)的特性、應用嵌入式軟件特性以及一般機器人硬件環(huán)境特性，專門定制了三種從全局角度出發(fā)，針對系統(tǒng)級描述的圖形建模，并設計了符合特性和系統(tǒng)級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)境與資源建模是對被描述系統(tǒng)針對其系統(tǒng)一級的需求規(guī)約描述，其構成包括軟件接口、架構的整體需求描述，同時也包括被描述系統(tǒng)的系統(tǒng)級需求，組成建模的元素主要包括系統(tǒng)級硬件、接口、通信等。進行環(huán)境與資源建模的主要目的是能夠從機器人硬件系統(tǒng)全局的角度對被描述系統(tǒng)的系統(tǒng)級需求進行描述，彌補已有建模機制下僅能夠?qū)C器人運動控制系統(tǒng)的軟件需求進行描述的缺陷，通過自頂向下的思想，實現(xiàn)由系統(tǒng)級環(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，充分保證建模對系統(tǒng)、軟件的一致性。

以服務機器人運動控制系統(tǒng)為例，采用環(huán)境與資源建模的系統(tǒng)級建模描述樣例。該樣例所描述的服務機器人運動控制僅供參考，并非某一特定型號機器人的運動控制系統(tǒng)建模。該樣例的建立是在服務機器人硬件系統(tǒng)環(huán)境的一般性基礎上建立的，僅用于系統(tǒng)環(huán)境與資源建模的參考，并不具有實際應用于機器人運動控制系統(tǒng)的效果。

建模樣例選取1553B作為機器人運動控制系統(tǒng)的通信總線，采用雙總線機制保障系統(tǒng)的可靠性安全性設計?？偩€通信協(xié)議采用61580，屬于通信接口。共包含四個下位機，分別用于控制和采集激光導航、紅外傳感器、圖像以及電源的運行和數(shù)據(jù)。機器人運動控制系統(tǒng)的運行環(huán)境（搭載計算機）內(nèi)部包含外存固態(tài)盤、數(shù)模轉(zhuǎn)換；包括的接口除總線接口外，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)的獨立模塊。本樣例中包括數(shù)據(jù)預處理器、激光導航計算機。各個模塊之間進行相應的通信，形成整體的系統(tǒng)環(huán)境。

4　系統(tǒng)接口建模

系統(tǒng)接口建模是對被描述系統(tǒng)的系統(tǒng)級需求中有關外部硬件接口的描述，彌補已有建模體系中對于系統(tǒng)級需求中硬件建模及硬件接口建模的描述確實。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相應的接口協(xié)議或無協(xié)議情況（例如：中斷電信號）下數(shù)據(jù)的流向過程。

數(shù)據(jù)與中斷在系統(tǒng)接口建模中根據(jù)實際建模情況，不要求必須同時出現(xiàn)。系統(tǒng)接口建模所出現(xiàn)的所有外部接口必須來源于系統(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)多任務交互建模

實時嵌入式軟件的應用程序設計中，合理設計軟件任務是實時嵌入式軟件能夠有效運行的基礎。以任務為實時嵌入式軟件核心，應用程序的其他設計逐步展開?；趯崟r操作系統(tǒng)的嵌入式軟件任務設計主要以任務函數(shù)和數(shù)據(jù)結構為主，描述了機器人運動控制系統(tǒng)嵌入式軟件需求的應用程序上層框架。根據(jù)應用與系統(tǒng)的嵌入式軟件任務設計過程中的實際需求，系統(tǒng)設置用于描述應用程序上層框架的多任務交互建模共包含五中圖元，分別為外部實體或模塊、系統(tǒng)任務、系統(tǒng)中斷、數(shù)據(jù)/控制以及任務間通信。

系統(tǒng)任務圖元說明被描述系統(tǒng)在設計過程中規(guī)劃的任務，系統(tǒng)中斷說明被描述系統(tǒng)在任務設計的過程中包括的系統(tǒng)中斷，外部實體或模塊圖元說明與被描述系統(tǒng)所規(guī)劃的任務產(chǎn)生關聯(lián)的外部實體或模塊，數(shù)據(jù)/動作圖元在描述中斷與系統(tǒng)任務關系時為數(shù)據(jù)圖元，在描述系統(tǒng)任務與外部實體或模塊的關系時為動作圖元，說明某一個或幾個任務是對外部一個或多個實體或模塊進行何種操作。任務間通信圖元說明被描述系統(tǒng)所規(guī)劃的任務之間的通信關系。

6　結論

國際上的可視化開發(fā)工具雖然已經(jīng)取得了較好的應用效果，但仍然存在圖元語義不完備、缺少可靠性安全性設計語義，無法進行可靠性安全性設計的檢查與驗證的問題。此外，在當前的圖形化建模體系中各種圖形無法結合使用，導致軟件開發(fā)各階段不能自然銜接，無法滿足機器人運動控制系統(tǒng)軟件全生命周期開發(fā)活動的要求。本文所述內(nèi)容，通過研究并建立一套具有完備圖元語義的、具備面向系統(tǒng)級和軟件級建模能力的面向機器人運動控制系統(tǒng)的圖形建模體系，使得面向機器人運動控制系統(tǒng)的建模能夠良好的支撐基于模型驅(qū)動架構的開發(fā)模式。通過完善的圖元、圖元語義以及建模設置，能夠達到模型驅(qū)動架構所要求的規(guī)格化代碼產(chǎn)物自動生成以及模型驅(qū)動測試架構所要求的標準化測試用例產(chǎn)物自動生成。通過完備的圖元語義和建模體系支持機器人運動控制系統(tǒng)軟件全生命周期開發(fā)活動，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，進而極大地提升機器人產(chǎn)品的生產(chǎn)效率與競爭力。