基于可靠性的海洋機器人軟件建模方法及仿真

前言

隨著海洋開發(fā)工程的推廣，海洋機器人（水下機器人和水面無人艇的總稱），作為人類探索海洋的工具應(yīng)運而生。它是先進機器人技術(shù)在水下的特殊應(yīng)用，是機械學(xué)科與信息學(xué)科相結(jié)合的前沿技術(shù)領(lǐng)域。隨著能源、水聲通信、傳感器、導(dǎo)航定位、自主控制等技術(shù)的不斷發(fā)展，海洋機器人在科學(xué)研究（海底地形測繪、海洋學(xué)研究、水文地理研究、水道測量研究、環(huán)境監(jiān)測）和商業(yè)應(yīng)用（海底資源調(diào)查、石油天然氣管線檢查、海底電纜光纜檢查敷設(shè)、水下工程檢查）等方面將會有更加廣闊的應(yīng)用前景。在軍用方面，以美國為代表的西方發(fā)達國家越來越強調(diào)戰(zhàn)爭中的零傷亡，這使得無人武器系統(tǒng)在未來戰(zhàn)爭中的重要性迅速提高，而且其潛在的作戰(zhàn)效能越來越明顯。水面艦船或潛艇的作戰(zhàn)空間得到極大的擴展，它將成為未來水下戰(zhàn)爭中爭奪信息優(yōu)勢、實施精確打擊與智能攻擊、完成戰(zhàn)場中特殊作戰(zhàn)任務(wù)的重要手段之一。隨著各種技術(shù)的突破性進展，如今的海洋機器人系統(tǒng)越來越復(fù)雜，功能也越來越強大。然而，正是由于功能的強大和系統(tǒng)復(fù)雜程度的提高，隨之產(chǎn)生的可靠性問題也日益突出。目前，針對系統(tǒng)。中加載的各類硬件設(shè)備的單項試驗技術(shù)已經(jīng)較為成熟，加上經(jīng)過仿真試驗、水池試驗和海上試驗的檢驗硬件設(shè)備的可靠性基本可以得到保障。而隨著功能的日益強大，軟件系統(tǒng)暴露出的問題日漸增多，同時，由于沒有適合系統(tǒng)的軟件設(shè)計建模方法，加上仿真系統(tǒng)、測試環(huán)境與實際海洋環(huán)境的巨大差異，使得海洋機器人軟件可靠性方面目前尚未形成一套行之有效的保障措施和評價體系。

內(nèi)容概要

本書系統(tǒng)地介紹了海洋機器人以及軟件可靠性和軟件建模方面的發(fā)展現(xiàn)狀。立足于海洋機器人軟件開發(fā)的實際情況，詳述了一種為提高軟件系統(tǒng)可靠性而提出的軟件建模方法，并以水下機器人控制系統(tǒng)軟件為背景，給出了應(yīng)用實例和可靠性分析數(shù)據(jù)。同時，書中還介紹了為保障軟件可靠性和進行軟件集成測試而搭建的海洋機器人仿真平臺，并給出了其體系結(jié)構(gòu)和仿真試驗結(jié)果。本書是海洋機器人軟件設(shè)計開發(fā)方面的高級讀物，適用于智能機器人領(lǐng)域和軟件工程領(lǐng)域的高級研究人員，同時對初級軟件設(shè)計開發(fā)人員也有一定的幫助。

書籍目錄

第1章　緒論 　1.1　什么是海洋機器人 　1.2　海洋機器人的可靠，陸 　1.3　水下機器人的發(fā)展現(xiàn)狀和研究動態(tài) 　1.4　水面無人艇的發(fā)展現(xiàn)狀和研究動態(tài) 　1.5　海洋機器人軟件可靠性技術(shù)現(xiàn)狀 　　1.5.1　軟件可靠性分類 　　1.5.2　軟件可靠性研究存在的主要問題 　　1.5.3　海洋機器人軟件可靠性研究 　　1.5.4　海洋機器人軟件建模技術(shù)研究現(xiàn)狀 　　1.5.5　海洋機器人系統(tǒng)仿真研究現(xiàn)狀 第2章　基于可靠性的軟件建模方法 　2.1　海洋機器人系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu) 　2.2　基于語義Petri網(wǎng)的軟件建模步驟 　2.3　語義Petri網(wǎng)的定義 　　2.3.1　HOOPN的定義 　　2.3.2　HOOPN的行為語義 　2.4　SPN中面向?qū)ο蟮谋憩F(xiàn) 　　2.4.1　信息隱藏 　　2.4.2　抽象 　　2.4.3　繼承實現(xiàn) 　　2.4.4　參變量的多態(tài)性 　　2.4.5　對象間的消息傳遞 　　2.4.6　對象實例化 　2.5　SPN模型的展開 　2.6　HOOPN模型的可達性分析 第3章　模型本體的構(gòu)建 　3.1　模型本體的構(gòu)建 　　3.1.1　模型本體的構(gòu)建準(zhǔn)則 　　3.1.2　模型知識的本體表示 　　3.1.3　模型本體的結(jié)構(gòu) 　3.2　Petri網(wǎng)本體的核心概念集 　　3.2.1　基本元素概念集 　　3.2.2　結(jié)構(gòu)元素概念集 　　3.2.3　特征元素概念集 　　3.2.4　概念間關(guān)系 　　3.2.5　概念公理 　　3.2.6　概念函數(shù) 　3.3　UML本體的核心概念集 　　3.3.1　基本元素概念集 　　3.3.2　結(jié)構(gòu)元素概念集 　　3.3.3　特征元素概念集 第4章　基于本體映射的模型自動轉(zhuǎn)化方法 第5章　AUV軟件系統(tǒng)的SPN模型 第6章　海洋機器人分布式仿真系統(tǒng)設(shè)計 后記 參考文獻

章節(jié)摘錄

插圖：加大數(shù)據(jù)處理容量，提高操作控制水平和操縱性能，完善人機交互界面，使其更加實用可靠。目前，AUV還有一些關(guān)鍵技術(shù)問題需要解決。今后，AUV將向遠程化、智能化發(fā)展，其活動范圍在250km～5000 km的半徑內(nèi)。這就要求有能保證其長時間工作的動力源。（3）群體機器人成為現(xiàn)實。協(xié)同作業(yè)，共同完成更加復(fù)雜的任務(wù)是機器人技術(shù)的發(fā)展趨勢。水下機器人將利用智能傳感器的融合和配置技術(shù)及通過網(wǎng)絡(luò)建立的大范圍通信系統(tǒng)，建立機器人相互之間及機器人與人之間的通信與磋商機理，完成群體行為控制、監(jiān)測、管理及故障診斷，實現(xiàn)群體作業(yè)。隨著上述發(fā)展方向的展開，近年來機器人系統(tǒng)可靠性技術(shù)也取得了很大的突破。水面無人艇和水下無人潛器發(fā)展相對成熟，為此，國內(nèi)外很多學(xué)者為提高海洋機器人的可靠性做了不懈的努力。2004年5月6日，美國軍方在北歐演習(xí)時，丟失了一臺BPAUV，5月11日才在挪威的海灘上發(fā)現(xiàn)。這次事件也說明，無纜自治水下機器人必須具備較強的可靠性，否則，難以應(yīng)對復(fù)雜的海洋環(huán)境。2005年，美國海軍研究生院發(fā)表的年度技術(shù)報告中開始對水下機器人的冗余容錯技術(shù)開展專題討論。該報告認為，目前水下機器人諸如導(dǎo)航、傳感等技術(shù)已經(jīng)成熟，有待突破的領(lǐng)域是如何確保任務(wù)順利實施，提高完成任務(wù)的可靠性。報告認為，一方面，要使用高可靠的傳感器、高可靠的連接方式以及高可靠的計算平臺；另一方面，必須建立起完善的檢錯機制，這是因為靜態(tài)的故障容易被發(fā)現(xiàn)，而動態(tài)錯誤由于其本身就是轉(zhuǎn)瞬即逝的，難以被發(fā)現(xiàn)。例如，某個傳感器報了錯誤數(shù)據(jù)，可能是偶然，也有可能是其徹底失效的前兆，時間長了可能導(dǎo)致難以挽回的故障。這兩種情況差別很大，必須加以解決。

后記

水下機器人在世界范圍內(nèi)的應(yīng)用領(lǐng)域已經(jīng)不斷擴大，如海洋研究、科學(xué)考察、海洋開發(fā)和水下工程等。隨著水下機器人功能的不斷擴充和地位的不斷提升，特別是其在軍事方面應(yīng)用的擴展，水下機器人的可靠性研究成為水下機器人工程應(yīng)用中必不可少的組成部分。目前對其各硬件設(shè)備可靠性的考察已經(jīng)有較多研究，但是專門針對水下機器人的軟件設(shè)計方法和可靠性分析手段研究欠缺。本書從水下機器人軟件系統(tǒng)的特點出發(fā)，運用軟件系統(tǒng)建模領(lǐng)域的研究方法和成果，從整體上提出水下機器人軟件開展可靠性工程的框架和內(nèi)容。建立軟件系統(tǒng)各組成部分之間的消息傳遞和數(shù)據(jù)通信模型，在此基礎(chǔ)上，就水下機器人的配置情況和各子系統(tǒng)之間的通信特點，提出一種切實可行的分析和評價水下機器人軟件系統(tǒng)可靠性的方法。本書的主要思路是首先通過本體將UML模型和Peti網(wǎng)模型相結(jié)合，提出了一種AUV運動控制系統(tǒng)軟件體系結(jié)構(gòu)的描述模型，然后利用該模型進行控制系統(tǒng)軟件的容錯設(shè)計，搭建仿真平臺針對分析評價結(jié)果對水下機器人控制系統(tǒng)進行仿真試驗，并在此模型和仿真數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上進行控制系統(tǒng)的軟件可靠性分析和評估。在軟件系統(tǒng)開發(fā)逐步走向模塊化、規(guī)范化的今天，在國內(nèi)自主研發(fā)的水下機器人已經(jīng)日趨成熟，面向產(chǎn)品應(yīng)用的形勢下，本書將幾年來在軟件設(shè)計模型和水下機器人軟件可靠性方面的相關(guān)研究成果進行了總結(jié)并呈現(xiàn)給讀者。

編輯推薦

《基于可靠性的海洋機器人軟件建模方法及仿真》是由國防工業(yè)出版社出版的。

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