解析基于MDA面向机器人运动控制系统的建模方法

　　1 概述
　　软件实现过程采用手工编码，容易引入编写错误，常常要花费大量的人力物力来发现和改正。基于以上原因，以大量人力工作为基础的、非自动化的文档驱动软件开发方法存在开发效率低下、成本高、周期长、质量保证困难的弱点，难以满足当前机器人控制技术的快速变化对研发周期和质量的要求。
　　图形作为一种能够同时被人和计算机所识别的直观描述形式，具有可以简练、精确表示软件需求与设计、避免理解偏差和被自动化理解与处理的优点。近年来，模型驱动架构(MDA：Model-Driven Architecture)的开发模式被多数嵌入式软件开发商确定为首选的开发与测试模式。通过合理地使用图形元素对软件需求、测试需求、软件设计进行建模并自动检测各阶段间模型的一致性、设计模型与标准的符合性(如GJB102/Z软件可靠性安全性设计准则、软件结构化设计准则等)、设计模型自身的一致性(如状态图与数据流图的一致性等)，自动生成代码和测试用例，能够极大地提高软件的开发效率并保证软件的质量。
　　2 面向机器人运动控制系统需求定制的图形建模
　　基于MDA的机器人运动控制系统软件建模系统应具备支撑包括规格化代码自动生成、测试用例自动生成、文档自动生成、系统级安全性设计、软件可靠性设计以及过程自动化管理的能力，如果缺失面向系统级需求的建模描述，则可能导致在图形建模基础上产生的产物无法严格符合需求规格和行业标准，也无法切合该工具对被描述系统的自顶向下方法的设计思想。所以，根据机器人运动控制系统的特性、应用嵌入式软件特性以及一般机器人硬件环境特性，专门定制了三种从全局角度出发，针对系统级描述的图形建模，并设计了符合特性和系统级需求描述要求的定制图元。这三种建模分别为系统环境与资源建模、系统接口建模以及多任务交互建模。
　　3 系统环境与资源建模
　　环境与资源建模是对被描述系统针对其系统一级的需求规约描述，其构成包括软件接口、架构的整体需求描述，同时也包括被描述系统的系统级需求，组成建模的元素主要包括系统级硬件、接口、通信等。进行环境与资源建模的主要目的是能够从机器人硬件系统全局的角度对被描述系统的系统级需求进行描述，弥补已有建模机制下仅能够对机器人运动控制系统的软件需求进行描述的缺陷，通过自顶向下的思想，实现由系统级环境、硬件、接口、所需软件等需求的综合描述，完善上层全局角度的建模，充分保证建模对系统、软件的一致性。
　　以服务机器人运动控制系统为例，采用环境与资源建模的系统级建模描述样例。该样例所描述的服务机器人运动控制仅供参考，并非某一特定型号机器人的运动控制系统建模。该样例的建立是在服务机器人硬件系统环境的一般性基础上建立的，仅用于系统环境与资源建模的参考，并不具有实际应用于机器人运动控制系统的效果。
　　建模样例选取1553B作为机器人运动控制系统的通信总线，采用双总线机制保障系统的可靠性安全性设计。总线通信协议采用61580，属于通信接口。共包含四个下位机，分别用于控制和采集激光导航、红外传感器、图像以及电源的运行和数据。机器人运动控制系统的运行环境(搭载计算机)内部包含外存固态盘、数模转换;包括的接口除总线接口外，还有系统寄存器接口、串行通信接口以及I/O接口。环境与资源图中的上位机图元可以表示除系统主体外的其他硬件环境，也可定义系统的独立模块。本样例中包括数据预处理器、激光导航计算机。各个模块之间进行相应的通信，形成整体的系统环境。
　　4 系统接口建模
　　系统接口建模是对被描述系统的系统级需求中有关外部硬件接口的描述，弥补已有建模体系中对于系统级需求中硬件建模及硬件接口建模的描述确实。组成系统接口建模的基本图元包括系统主体、硬件接口、数据和中断。
　　图元主体主要用于描述被描述系统的软件主体，接口以外部接口为主，描述外部接口与系统软件主体产生的数据、中断交互。数据与终端采用有向箭头，表明系统外部硬件与软件主体通过相应的接口协议或无协议情况(例如：中断电信号)下数据的流向过程。数据与中断在系统接口建模中根据实际建模情况，不要求必须同时出现。系统接口建模所出现的所有外部接口必须来源于系统资源与环境建模的接口，二者(系统接口建模与系统资源与环境建模)在外部接口必须保证一致性原则。
　　5 系统多任务交互建模
　　实时嵌入式软件的应用程序设计中，合理设计软件任务是实时嵌入式软件能够有效运行的基础。以任务为实时嵌入式软件核心，应用程序的其他设计逐步展开。基于实时操作系统的嵌入式软件任务设计主要以任务函数和数据结构为主，描述了机器人运动控制系统嵌入式软件需求的应用程序上层框架。根据应用与系统的嵌入式软件任务设计过程中的实际需求，系统设置用于描述应用程序上层框架的多任务交互建模共包含五中图元，分别为外部实体或模块、系统任务、系统中断、数据/控制以及任务间通信。
　　系统任务图元说明被描述系统在设计过程中规划的任务，系统中断说明被描述系统在任务设计的过程中包括的系统中断，外部实体或模块图元说明与被描述系统所规划的任务产生关联的外部实体或模块，数据/动作图元在描述中断与系统任务关系时为数据图元，在描述系统任务与外部实体或模块的关系时为动作图元，说明某一个或几个任务是对外部一个或多个实体或模块进行何种操作。任务间通信图元说明被描述系统所规划的任务之间的通信关系。
　　6 结论
　　国际上的可视化开发工具虽然已经取得了较好的应用效果，但仍然存在图元语义不完备、缺少可靠性安全性设计语义，无法进行可靠性安全性设计的检查与验证的问题。此外，在当前的图形化建模体系中各种图形无法结合使用，导致软件开发各阶段不能自然衔接，无法满足机器人运动控制系统软件全生命周期开发活动的要求。本文所述内容，通过研究并建立一套具有完备图元语义的、具备面向系统级和软件级建模能力的面向机器人运动控制系统的图形建模体系，使得面向机器人运动控制系统的建模能够良好的支撑基于模型驱动架构的开发模式。通过完善的图元、图元语义以及建模设置，能够达到模型驱动架构所要求的规格化代码产物自动生成以及模型驱动测试架构所要求的标准化测试用例产物自动生成。通过完备的图元语义和建模体系支持机器人运动控制系统软件全生命周期开发活动，能够有效缩短软件的研制周期，降低成本，提升产品更新换代速度，保证产品质量，进而极大地提升机器人产品的生产效率与竞争力。