解析基於MDA面向機器人運動控制系統的建模方法論文

1 、概述

軟件實現過程採用手工編碼，容易引入編寫錯誤，常常要花費大量的人力物力來發現和改正。基於以上原因，以大量人力工作爲基礎的、非自動化的文檔驅動軟件開發方法存在開發效率低下、成本高、週期長、質量保證困難的弱點，難以滿足當前機器人控制技術的快速變化對研發週期和質量的要求。

圖形作爲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點。近年來，模型驅動架構(MDA：Model-Driven Architecture)的開發模式被多數嵌入式軟件開發商確定爲首選的開發與測試模式。透過合理地使用圖形元素對軟件需求、測試需求、軟件設計進行建模並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(如狀態圖與數據流圖的一致性等)，自動生成代碼和測試用例，能夠極大地提高軟件的開發效率並保證軟件的質量。

2、面向機器人運動控制系統需求定製的圖形建模

基於MDA的機器人運動控制系統軟件建模系統應具備支撐包括規格化代碼自動生成、測試用例自動生成、文檔自動生成、系統級安全性設計、軟件可靠性設計以及過程自動化管理的能力，如果缺失面向系統級需求的建模描述，則可能導致在圖形建模基礎上產生的產物無法嚴格符合需求規格和行業標準，也無法切合該工具對被描述系統的自頂向下方法的設計思想。所以，根據機器人運動控制系統的特性、應用嵌入式軟件特性以及一般機器人硬件環境特性，專門定製了三種從全局角度出發，針對系統級描述的`圖形建模，並設計了符合特性和系統級需求描述要求的定製圖元。這三種建模分別爲系統環境與資源建模、系統接口建模以及多任務交互建模。

3、系統環境與資源建模

環境與資源建模是對被描述系統針對其系統一級的需求規約描述，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的系統級需求，組成建模的元素主要包括系統級硬件、接口、通信等。進行環境與資源建模的主要目的是能夠從機器人硬件系統全局的角度對被描述系統的系統級需求進行描述，彌補已有建模機制下僅能夠對機器人運動控制系統的軟件需求進行描述的缺陷，透過自頂向下的思想，實現由系統級環境、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、軟件的一致性。

以服務機器人運動控制系統爲例，採用環境與資源建模的系統級建模描述樣例。該樣例所描述的服務機器人運動控制僅供參考，並非某一特定型號機器人的運動控制系統建模。該樣例的建立是在服務機器人硬件系統環境的一般性基礎上建立的，僅用於系統環境與資源建模的參考，並不具有實際應用於機器人運動控制系統的效果。

建模樣例選取1553B作爲機器人運動控制系統的通信總線，採用雙總線機制保障系統的可靠性安全性設計。總線通信協議採用61580，屬於通信接口。共包含四個下位機，分別用於控制和採集激光導航、紅外傳感器、圖像以及電源的執行和數據。機器人運動控制系統的執行環境(搭載計算機)內部包含外存固態盤、數模轉換;包括的接口除總線接口外，還有系統寄存器接口、串行通信接口以及I/O接口。環境與資源圖中的上位機圖元可以表示除系統主體外的其他硬件環境，也可定義系統的獨立模組。本樣例中包括數據預處理器、激光導航計算機。各個模組之間進行相應的通信，形成整體的系統環境。

4、系統接口建模

系統接口建模是對被描述系統的系統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於系統級需求中硬件建模及硬件接口建模的描述確實。組成系統接口建模的基本圖元包括系統主體、硬件接口、數據和中斷。

圖元主體主要用於描述被描述系統的軟件主體，接口以外部接口爲主，描述外部接口與系統軟件主體產生的數據、中斷交互。數據與終端採用有向箭頭，表明系統外部硬件與軟件主體透過相應的接口協議或無協議情況(例如：中斷電信號)下數據的流向過程。數據與中斷在系統接口建模中根據實際建模情況，不要求必須同時出現。系統接口建模所出現的所有外部接口必須來源於系統資源與環境建模的接口，二者(系統接口建模與系統資源與環境建模)在外部接口必須保證一致性原則。

5、系統多任務交互建模

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執行的基礎。以任務爲實時嵌入式軟件核心，應用程序的其他設計逐步展開。基於實時操作系統的嵌入式軟件任務設計主要以任務函數和數據結構爲主，描述了機器人運動控制系統嵌入式軟件需求的應用程序上層框架。根據應用與系統的嵌入式軟件任務設計過程中的實際需求，系統設定用於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，分別爲外部實體或模組、系統任務、系統中斷、數據/控制以及任務間通信。

系統任務圖元說明被描述系統在設計過程中規劃的任務，系統中斷說明被描述系統在任務設計的過程中包括的系統中斷，外部實體或模組圖元說明與被描述系統所規劃的任務產生關聯的外部實體或模組，數據/動作圖元在描述中斷與系統任務關係時爲數據圖元，在描述系統任務與外部實體或模組的關係時爲動作圖元，說明某一個或幾個任務是對外部一個或多個實體或模組進行何種操作。任務間通信圖元說明被描述系統所規劃的任務之間的通信關係。

6、結論

國際上的可視化開發工具雖然已經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，導致軟件開發各階段不能自然銜接，無法滿足機器人運動控制系統軟件全生命週期開發活動的要求。本文所述內容，透過研究並建立一套具有完備圖元語義的、具備面向系統級和軟件級建模能力的面向機器人運動控制系統的圖形建模體系，使得面向機器人運動控制系統的建模能夠良好的支撐基於模型驅動架構的開發模式。透過完善的圖元、圖元語義以及建模設定，能夠達到模型驅動架構所要求的規格化代碼產物自動生成以及模型驅動測試架構所要求的標準化測試用例產物自動生成。透過完備的圖元語義和建模體系支援機器人運動控制系統軟件全生命週期開發活動，能夠有效縮短軟件的研製週期，降低成本，提升產品更新換代速度，保證產品質量，進而極大地提升機器人產品的生產效率與競爭力。