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航天信息物理融合系统的分析与设计方法


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UDC:

学校代码:1 1845 密级: 学号:2 11
1005040

广东工业大学硕士学位论文
(工学硕士)

航天信息物理融合系统的分析与设计方法

陈明铝

指导教师姓名、职称: 学科(专业)或领域名称: 学生所属学院: 论文答辩日期:

韭童臣熬拯 让篡扭应旦这丕 让篡扭堂院 垄Q!墨生墨旦圣Q旦

A Dissertation Submitted

to

Guangdong University of lechnology

for the Degree of

Master of Engineering Science

a lS Ana Aerospacee Cyber yber-phys cphysical ap Systems ystems 0d Analysis na

Desig n Methods

Master.Candidate:Chen Minglv

Supervisor:Prof.Zhang Lichen

May 201 3

School of Computer Guangdong University of Technology Guangzhou,Guangdong。P.R.China。51 0090

摘要





信息物理融合系统CPS是一个综合物理过程、计算过程以及控制过程的多维复杂 系统,能实现大型工程系统的实时感知、动态控制和信息服务,具有可靠、实时、高 效等功能,具有重要而广泛的应用前景。月球车信息物理融合系统涉及到的领域非常 广泛,有机械、电子、控制、通信、计算、力学、物理学等。在这么多个领域当中必 然要使用统一的描述语言在多个层次上面进行抽象、分析、设计以及建模仿真。同时 由于其涉及到了软硬件的各个方面,必然要使用两种工具分别对硬件、软件两方面进 行建模分析,多领域建模语言Model ica和对嵌入式软件有强大描述能力的统一描述语
言AADL就能共同完成对月球车信息物理融合系统的扩展、分析与建模。

文章的内容包括了对信息物理融合系统的离散性、连续性的分析,以及月球车车 体结构、车体部件、系统功能的研究以及运动学方面的分析,确定了月球车信息物理
融合系统是一个涉及到多领域、多层次、复杂大型的系统。接着在涉及到物理过程建

模方面提出了物理建模的意义,并提出了物理建模方面的一些不足,其中最主要的是 通用仿真工具难以适应不同物理系统的建模,由此引出了下一代多领域统一建模语言
Modelica,它是一种多领域面向对象的建模,并研究了它是如何弥补物理建模方面的

不足。紧接着就使用Modelica对月球车信息物理融合系统进行扩展与分析,主要的扩 展包括了月球车的车架、车轮、悬臂以及机械手。在物理细节方面的分析完成之后, 在软件建模方面是使用从DL对月球车信息物理融合系统进行了设计与建模,把整个系 统拆分成测量系统、控制系统、执行系统三个分系统,并对每个分系统做出了合理的 建模,给出每个分系统的建模细节以及具体使用到哪些构件。各个分系统之间的数据 交换也提供了良好的接口。最后文章阐述了Modelica和AADL是如何相互配合来一起 完成月球车信息物理融合系统的扩展与分析。

关键字:CPS;系统建模;仿真;Model ica;AADL

广东工业大学硕士学位论文

Abstract
Cyber—physical systems is



multidimensional complex systems that integrates physical
cail

process,calculation process and control process.It

achieve real—time

sensing,dynamic

control and information services of large engineering systems,has important and broad application prospects.Lunar such as
rover's

cyber-physical

systems

involves wide

range

of areas,

Mechanical,electronic,control,communications,computing,mechanics,physics
on.Because of that it must be by


and

SO

abstracted,analysised,designed,modeled

and

simulated

unified description language.And because it relates to many aspects of

hardware and SOftware,two tools must software.Modelica that is


be used

to

modeling and analysis for hardware

and

multi—domain modeling
can

language

and AADL that has



strong of

ability to describe embedded software the lunar
rover's cyber-physical

complete

the

expansion,analysis and modeling

systems.
of cyber-physical

The article

analysis

the

discrete,continuous

systems,lunar

rover's

body structure,body parts,the system function cyber-physical

and kinematic.It

defines the lunar

rover's

systems

is



multi-field,multi-level,large and complex

systems.Then

when

comes

to physical processes

modeling it proposes the significance and some deficiencies of

physical modeling,and the chief deficiency is that universal simulation tool is adapt to different physical unified modeling expanse

difficult

to

systems

modeling,this leads to the next generation of multi—field
can

language

Modelica,it

fix the deficiency.Then

use

Modelica

to

and

analysis lunar rover's cyber-physical

systems,including
systems
uses

lunar roVer'S fi'ame,

wheels,cantilever and robotic arm_.In the physical details of the analysis is complete,the software modeling part of lunar rover's cyber-physical
the AADL
on

design

and

modeling.The

whole system is split

into measurement

systems,control systems,


perform system three

subsystems,and

each

subsystem

is

maked

reasonable modeling,

given details of modeling and modeling

components.Data

exchange between the various

subsystems alSO
AADL

provides



good interface.Finally,the paper explains how the Modelica and

complement

each other to

complete the expansion

and analysis

of the lunar

rover's

Keywords:CPS;System Modeling;Simulation;Modelica;AADL












要……………………………………………………………………………………………………………………………………….I

Abst ract…………………………………………………………………………………………………………………………………II

目录………………………………………………………………………………………………………………………………………III
Contents…………………………………………………………………………………………………………………………………V

第一章绪论………………………………………………………………………………………………l 1.1课题背景………………………………………………………………………………………l

1.2信息物理融合系统介绍…………………………………………………………….2
1.3月球车介绍……………………………………………………………………………………3

1.4本论文主要研究的内容……………………………………………………….3
第二章月球车信息物理融合系统的特点………………………………………………….5 2.1月球车部件…………………………………………………………………………………5 2.2月球车的通信…………………………………………………………………………………5
2.3月球车姿态的确定………………………………………………………………………….6

2.4月球车在月球表面上的定位………………………………………………………。6
2.5,J、结…………………………………………………………………………………………………………………………一6 第三章Mode I.ca、AADL、UML的优点和不足……………………………………………………7

3.1物理系统建模的作用和目标………………………………………………………….7 3.2物理系统建模的不足…………………………………………………………………。7
3.3 Model 3.4

ica介绍………………………………………………………………………………………………………….8

UML对于信息物理融合系统建模的不足………………………………………….10

3.5从DL介绍……………………………………………………………………..1l
第四章信息物理融合系统的离散性和连续性…………………………………………………13 4.1时钟定义…………………………………………………………………………………..13
4.2离散变量……………………………………………………………………………………..16 4.3连续变量……………………………………………………………………………………..17 4.4建立连续变量模型…………………………………………………………………………18 第五章基于扩展的Mode
Ij ca的月球车信息物理融合系统的分析与设计………………23

5.1月球车运动学分析……………………………………………………………………….23 5.1.1机器人微分运动……………………………………………………………………23 5.1.2车轮与地形接触分析……………………………………………………….27 5.1.3月面坐标系到车体坐标系的转换……………………………………………。29
nl

广东工业大学硕士学位论文

5.2

Modelica坐标系统介绍……………………………………………………………..3l

5.3车厢部分建模………………………………………………………………………………32

5.4月球车两侧悬架摇臂建模……………………………………………………………34 5.5车轮建模…………………………………………………………………………………….39

5.6月球车机械手的分析…………………………………………………………44
5.7小结……………………………………………………………………………………………………………………。55

第六章基于扩展的AADL的月球车信息物理融合系统的分析与设计…………………….56 6.1月球车导航系统的整体设计与建模………………………………………………56 6.2测量系统的设计与建模……………………………………………………………58 6.3控制系统的设计与建模……………………………………………………………61 6.4执行系统的设计与建模…………………………………………………………………64
6.5/J、结…………………………………………………………………………………………………………………………66 第七章基于扩展的Mode I-ca、AADL的月球车信息物理融合系统的协作分析…..67
7.1 Model

ica与AADL的联系…………………………………………………………………67

7.2一个转换实例………………………………………………………………………………70
7.3

Modelica与AADL在月球车CPS设计中的协作……………………………………一7l

总结与展望………………………………………………………………………………………………73 仓U新点……………………………………………………………………………………………………………………………..73 全文总结……………………………………………………………………………………………73 工作展望……………………………………………………………………………………………74 参考文献…………………………………………………………………………………………………75

攻读学位期间发表的论文………………………………………………………………………。79
学位论文独创性声明………………………………………………………………………………….80 学位论文版权使用授权声明………………………………………………………………………..80

致j射…………………………………………………………………………………………………………………………………….8 l



Contents

Contents
Chinese Abstract…….………………....………………….…………..……....…..……..…..……...…....….I English Abstract….....……………......……………………………………………………….…..…….....…II Chapterl Introduction……………….…..…………….…….…………..…….?…………..…??????………??1 1.1

Subject background……………………………………………………………………………………..1

1.2 CPS Introduction…………………………………………………………………………………………2 1.3 Lunar 1.4
rover Introduction………………………………………………………………………………3

Main

work and chapters……………………………………………………………………………….3
rover’S

Chapter2 The feature of lunar

CPS……..……………………………………………………...5

2.1 Lunar Rover components……………………………………………………………………………..5 2.2 Communication ofthe lunar roveT………………………………………………………………….5 2.3 Determination ofattitude ofthe lunar rovel"……………………………………………………..6 2.4 Positioning ofthe lunar
rover on

the surface ofthe moon…………………………………..6

2.5 Summary…………………………………………………………………………………………………..6 Chapter3

Modelica、AADL、UML Strengths objectives

and weaknesses……………….………………..7

3.1 The role and

ofthe physical system modeling……………………………………7

3.2 Lack ofphysical system modeling………………………………………………………………….7 3.3 Modelica Introduction………………………………………………………………………………….8 3.4 The lack

ofUML on

CPS modeling……………………………………………………………..1 0

3.5 AADL Introduction………….………………………………………………………………………..1 1 Chapter4 Physical fusion system of discrete and continuous..…………………?………………14 4.1 Clock definition………………………………………………………………………………………..14 4.2 Discrete variables………………………………………………………………………………………1 7 4.3 Continuous variables………………………………………………………………………………….18 4.4 Continuous variables model………………………………………………………………………..1 9 Chapter5 Expansion and Analysis
on

CPS by

Modeliea………………..…....…..??..?.????….?..23

5.1 Kinematic analysis ofthe lunar rover……………………………………………………………23 5.1.1 Robot differential movement………………………………………………………………23 5.1.2

Wheels

in contact with the terrain analysis…………………………………………….27

5.1.3 Lunar surface 5.2 The

coordinate

system to the

body

coordinate system

conversion..29

Modelica

coordinate system………………………………………………………………….3 1

5.3 The carriages part modeling………………………………………………………………………..32


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5.4 Lunar

rover

suspension rocker modeling….…….…….………...………….….…….….……34

5.5、胁eel modeling………………………………………………………………………………………..39
5.6 Analysis ofthe lunar rover robot………………………………………………………………….44 5.7 Summary…………………………………………………………………………………………………55 Chapter6 Expansion and Analysis
on

CPS by AADL…………………………..…….…………..56

6.1 The overall design and modeling ofthe lunar rover navigation system……………….56 6.2 Design and Modeling ofthe measurement system…………………………………………..58 6.3 Control system design and modeling…………………………………………………………….61 6.4 Execution System Design

and Modeling.….……….…………...….….….…….….………..64

6.5 Summary…………………………………………………………………………………………………66 Chapter7 Analysis and Design of CPS base 7.1 Modelica
on

The extended of ModeHca and AADL..67

and AADL’S

contact……………………………………………………………………一67

7.:!A conversion 7.3 Modelica

instance…………..….….…….….………..…………….……….…….…………….70
the lunar rover CPS design collaboration…………………………71

and AADL

Summary and Outlook……………………………….……………………………………………………….73
Innovation…………………………………………………………………………………………………….73 Full summary…….….……….….…….…….….…….….……….……….….……………………………73 Job Outlook…………………………………………………………………………………………………..74 References……………………………………………………………………………………………………..…..75 Papers pubfished……………………..……………………………………………………….…………………79 Original Creation Declare Copyright Declaration……………..……………………………………………………….…………………80

Acknowledgements………………….…………………………………...………………….…………………81

VI

第一章绪论

第一章绪论
1.1课题背景
在1969年7月20日,美国发射航天器登陆月球,一位名叫阿姆斯特朗的航

天员率先登上了月球表面。而也就从这一天开始,全球各个大国都开始了登月的 竞争。登月首先就要依靠航天技术的发展。人类从20世纪50年代起,随着运载

火箭、人造卫星技术的加速发展,开辟了一个新的时代一太空时代。在20世纪60
年代和70年代,苏联和美国的探月竞争掀起了人类第一次探月高潮。在20世纪
90年代,新一轮探月浪潮开始在世界涌动。美国,俄罗斯,日本,印度和欧洲航

天局提出的一个又一个月球探索的新思路…。
1998年,国务院成立了一个新的国家航天局,建立科学技术工业委员会制定了 长期规划,包括国家月球探索空间。2000年l 1月22日,中国政府首次宣布航空白 皮书,首次提出开展预先研究的探索月球的深太空探索。随后,科学技术工业委员

会、国防航空航天专家孙家栋学院负责组织示范项目。中国首个月球探测器项目
目标更明确。经过反复研究和可行性研究之后,初步掌握了月球探测的基本技术

并开发和推出第一个月球探测卫星。初步掌握基本技术,开展月球探测的科学探测
月球的首次月球探测初步构建了航空航天工程系统,为月球探索后续项目积累了

丰富经验。制定好目标的同时,航天科学的目标逐渐明确:第一,从月球表面获取 图像并建立起月球地貌模型:第二,分析月球表面各种物质分布特征的,包括丰 富的元素资源;第三,月球表面风化层的特点;第四,地月空间环境探测。这些 科学项目都要完成一个很重要的目标:既要站在国际前列,但也与中国的国情相符 合,同时科学的理想和实际技术能力要最巧妙地结合,独立研究,独立的制造商,独 立测试,努力创建一个完全独立的创新“中华牌”月球探索瞳3。 在一个载人月球车登陆月球30年后,人类再次开始进入登陆月球的热潮当中。 为什么人类会再次把目光转向月球?载人登月不仅有重大的科学和政治意义,而 且还有重要的军事意义和经济意义。目前,不仅仅是美国和俄罗斯窥视着月球,在 日本和欧洲国家里月球也很受欢迎。月球是距离地球最近的一颗行星,其上有一个 丰富的矿藏,有能够解决地球的能源的理想的燃料:氦。在月球上没有大气干扰, 是进行天文观测的最好的地方;月球也可以成为航天发射基地等等。这些都足以

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引起人们的关注,强大的经济利益是会驱动人们去开发月球,甚至建立一个月球村, 开展月球之旅。人类也可以把月球作为一个跳到火星跳板。 中国发展载人航天飞行到月球,把那里作为宇宙的前哨,以此来寻找外星生 命,以及中华民族数千年的飞行梦想,更多的经济、技术和国家发展战略都有着重
大意义。月亮是一个取之不尽的宝库,月球有丰富的矿产资源。在不久的将来,地

球将面临矿产枯竭,石油枯竭的危险,如果中华民族在月球登陆了,我们可以利用 其丰富的矿产和能源进行能量的补充,对促进持续、健康、快速的国民经济发展有 ~个良好的保证。月球是一个进行宇宙研究的理想地方,包括天体化学、物理学、 生命科学、空间科学和材料科学等。月球上有一个特殊的空间和环境资源:弱重力, 无污染,富含宇宙射线,超高真空,稳定的地质结构,无大气活动,无磁场。我们 可以利用其特殊的空间环境,开展航天育种,空间材料加工,空间制药和其他科学 技术研究活动。中国登陆月球,将标志着我们的活动范围扩展到空间。

1.2信息物理融合系统介绍
信息物理融合系统(cyber-physical systems,简称CPS)包括计算过程和物理

过程两个方面,集成了计算、通信和控制的新一代智能系统阳1。信息物理融合系 统需要一个人机交互界面,并使用网络等通信方式,以此来达到人和物理世界的 通信。通信的过程需要安全性、实时性、可靠性,满足人控制物理实体的一些列 要求。信息物理融合系统同时还是一个嵌入式系统,各种对环境的探测仪器需要 嵌入式软件的驱动,因此对时间性有很高的要求。它侧重于将各个领域的系统紧 密的集成在一起并协调它们的工作,合理分配计算资源和物理资源。信息物理融
合系统主要用于智能系统,如机器人、智能导航等。虽说信息物理融合系统上仍然

是一个相对较新的研究领域,但已经成为国内外研究的热门领域,也成为一个优先
发展的产业。 CPS系统的计算和通信深深植根于密切的相互作用的物理过程,是通过物理过 程来添加新功能的物理系统。随着无处不在的电脑设备(计算机增强),CPS系统有

巨大的经济影响。家居,交通控制,环境控制,分布式机器人,安全,智能结构,汽 车,过程控制,控制关键基础设施,通信系统,防御系统,制造业,运输系统的 智能汽车改善安全和运输效率效益。家居技术将改善照顾老人和有效地控制保健
支出增加。这是很难估计的CPS对未来生活的价值。CPS是计算过程和物理过程的

集成系统,人类通过CPS系统与物理世界进行交互,物理世界包括各种机型设备。 作用的对象包括真实世界自然环境,人类生活的环境,当然也包括人类自己。


1.4本论文主要研究的内容 1.3月球车介绍

第五章基于Modelica的月球车信息物理融合系统的扩展与分析。 建模仿真。 ica对连续性进行了 第四章介绍了实时系统的离散性和连续性,并使用Model ica和AADL的特点,阐述了为什么要使用这两种工具。 第三章介绍Model 第二章分析了月球车信息物理融合系统的特点。 第一章绪论,对研究背景、研究意义、论文的主要工作及章节安排做了介绍。 语言(AADL)对导航系统进行建模,并提出了两者是如何共同协作的。 Modelica对月球车车体、轮子和悬臂进行建模,软件方面使用体系结构分析设计 后进行物理以及软件两个方面的建模。物理方面使用多领域统一建模语言 物理融合系统是一个多领域复杂的系统,并对月球车微分运动的进行了分析,然 本文主要对月球车信息物理融合系统进行研究,其中包括阐述了月球车信息 进行下一步的操作。 己的姿态,寻找最佳路线到达目的地。在到达之后再收集环境的数据以及图像等, 月球车自行完成,这就需要更高级的人工智能,月球车要会懂得根据地形调节自 划好从哪个位置要运动到哪个位置,到达位置之后做什么动作,然后发出指令让 较平缓时就可以自行控制。第三种是完全的自主模式,地面的操作人员只需要规 到了人工智能领域。通常在地形比较复杂的时候可以进行人工的操作,而地面比 自主模式,月球车自身具有计算控制的功能,能作出一定的控制决策,这就涉及 种控制对实时性的要求和通信质量的要求是非常高的。第二种是遥控模式加局部 模式,主要是由地面根据从月球车图像采集器传回的数据对月球车进行控制,这 可以根据月球车的自主功能让月球车工作在三中模式之下晦3,第一种是遥控 对月球车在月面上自主行走提供很高的保证№,。 驾驶的月球车。六个轮子能提供很好的平衡性,有很高的负荷能力以及越障能力, 要是用在有人驾驶上面,而且是比较大型的月球车,而六轮月球车就是一种无人 是一个典型的CPS系统。月球车的车轮现在有四轮和六轮之分,四轮的月球车主 本文主要讨论无人驾驶的月球车,其中涉及到的人工智能,计算控制通信等特点, 月球车可以分成有人驾驶n们和无人驾驶的,有人驾驶不在本文的讨论范围中, 第一章绪论

4 合系统的扩展与分析。 第七章介绍了Modelica和AADL是如何相互协作,完成对月球车信息物理融 提出不足的地方。 第六章使用体系结构分析设计语言(AADL)对导航系统进行软件建模,总结并 广东工业大学硕士学位论文

2.2月球车的通信 2.1月球车部件 第二章月球车信息物理融合系统的特点

5 尽可能做到高效的通信。第三种通信是地球的操作端与月面基地之间的通信旧1, 波信号通信等,涉及到的问题要比第一种通信要复杂,它要很好的处理好时延, 月球车和月球基站之间的通信,这属于无线通信方面,包括了脉冲信号通信、方 使得它在月球车内部的各个模块能提供一个可靠、安全、实时的通信¨引。第二是 行信号通信。目前在国际上应用的最广泛的总线是CAN总线,CAN总线的各种特点 通信,这主要是总线的通信以及数字方面的通信。总线还包括串行信号通信和并 信。第一是月球车内部的通信,上面提到的月球车各种部件要配合工作就要进行 月球车的通信包括很多个方面,从范围的小到大分别可以得出三个方面的通 在月球表面行走的关键。 如何控制执行部件以及控制月球车内部的通信、天地之间的通信,这是月球车能 FPGA、大容量存储器、超高频率CPU等,主要的功能是如何处理测量部件的数据、 就是计算部件了,这是月球车CPS的核心部件,包括综合电子分系统计算机与 电源套件方面的要求也非常高,电源控制要稳定,电源的续航性要非常高。最后 车的执行部件,这也涉及到了机械、物理、运动学等领域。在涉及到能源方面, 时性指标要求都非常高。与此同时月球车的车轮、悬臂系统哺3、机械手等是月球 及星敏感器等。这就涉及到了机械、电子、光学等领域,各种仪器的精确度、实 计、图像采集器、温度计、震动探测器以及一系列的敏感器"1,太阳敏感器H幻以 感器来探测月球环境。其中测量系统控制着很多测量部件,例如陀螺仪、加速度 严格的要求。月球车要在月球上行走必须对环境充分探测,这需要各种各样的敏 虐,因此月球车的车架、悬臂、车轮、质量、体积功耗等各方面的技术指标都有 宙射线,超高真空,地质结构还属于未知状态,无大气活动,整个环境都及其恶 月球环境及其复杂,由于长期受到陨石撞击,地面崎岖不平,弱重力,富含宇 过程进行分析,月球车信息物理融合系统是涉及到很多领域的。- 月球车是一个极其复杂的CPS系统,我们可以从物理过程、计算过程、控制 月球车信息物理融合系统的特点 第二章

2.4月球车在月球表面上的定位 2.3月球车姿态的确定

6 非常成熟了,可以为月球车的定位提供可行的解决方案。 的地。这其中包括了网络技术、传感器技术等,而网络技术在计算机领域中已经 信来协作来快速规划出一条线路,同时可以让月球车能够快速定位,快速到达目 建立一个无线传感网络n引。此种网络需要大量的廉价的传感器节点,通过无线通 两种方法结合起来可以提高定位的精确度。还有一种方法是在月面要监测的区域 及位置,此种方法是可以跟惯性导航原理结合起来一起对月球车的位姿进行确定。 离原来的路线。另外一种方法是基于太阳敏感器以及星历表来确定月球车航行以 大的数据计算,而且通常误差会比较大,如果误差处理的不好,月球车很容易偏 上面提到的惯性导航原理同样可以进行月球车的定位,但此方法要进行相当 件在月球车运动过程中进行计算来确定。 航系统来确定n钊,它是利用牛顿提出的惯性力学,利用陀螺,加速度计等惯性器 确定的计算以及姿态控制的计算。现在比较好的一种姿势确定方法是利用惯性导 仪器才能正常工作。这需要测量部件的数据,通过总线传给计算部件再进行姿态 球环境的仪器都是安装在车体上的,定位了姿态之后才能让车体保持平衡,探测 械运动,从轮子到悬臂的坐标转换一直到得出整个车体的姿势。因为很多探测月 跟轮子以及悬臂系统有很大关系,我们首先要分析轮子与地面的接触,悬臂的机 31,这涉及到力学、运动学等领域, 月球车姿态的确定是一个运动学的过程n 月面基地。 区分是再次通过CAN总线发送指令到执行系统还是把数据通过无线通信系统传给 需要计算机来协调,分配调度,通常有CAN总线取得测量系统的数据,之后再来 指令、由测量部件采集的数据和图像、经过分析传回地球的数据。而各种通信都 要制定通讯协议以及各节点接口软硬件的设计,传输包括各种操作月球车运动的 这也是属于无线通信,可使用卫星进行转接。其中无论是哪一种类型的通信都需 广东工业大学硕士学位论文

7 常可靠、实时的软硬件,能够自主高效的运作。 月球车CPS系统是一个多层次、多维度、时空特征非常鲜明的系统,需要非 2.5小结 月球车信息物理融合系统的特点 第二章

ca在物 i 其中model 截然不同的两个过程,需要用到的建模工具也有很大区别。 程涉及到了一个物理建模,而计算过程涉及到了一个软件建模,这两种建模又是 多领域的建模。而CPS系统又是一个物理过程和计算过程相结合的系统,物理过 由上一章可知月球车CPS系统涉及到了很多领域,对它进行建模必然是一种 第三章Modelica、AADL、UML的优点和不足 广东工业大学硕士学位论文 8 的领域当中都表现的非常强大,但对于其他领域却无能为力。对于像月球车CPS Plus,液压系统仿真的Flowmaster等等,这些各式各样的仿真工具在自己 ASPEN 电路仿真方面有VHDL—AMS、SPICE、Saber等,而在化学过程仿真当中有SpeedUp、 在专业领域方面存在着很多建模工具,如多体系统仿真ADAMS、SIMPACK、DADS, 3.2物理系统建模的不足 而在建模过程中这种建模了解又将使这种影响更加明显。 述。建模工程师对模型的了解深度对于建模过程和建模的目的有一个很大的影响, 则很难描述关系之间隐含点。在实践中,建模的目的应该更准确和具体形式的描 也有助于提高精密控制系统。建模的主要优势是将各种关系结合成一个整体,否 中提供一种可以控制系统的方法。换句话说,为了控制模型将有助于理解系统,但 在一个给定的环境中,建模可以深化理解系统,但同时也将在相同级别的系统 统更深入的理解控制的成功更大。 不能控制部分的存在,对研究结果的观察和控制实际的系统将是不确定的,对系 不是唯一的,这取决于工程师的理解、看法和对待事物客观条件。无法观察到的和 和不能控制的在一个实际的物理系统比例会很大。一个真正的物理系统,这种分解 可用的系统在某种程度上被修改、转换的影响。对应的其余部分不能被观测到的, 两个部分。可观察到部分对应于系统可以识别,理解;能够控制部分对应于那些 制和不能控制两个部分;按照第二个观点,物理系统由可观察到的和不能观测的 物理系统根据两种观点可以分为两部分,按照第一个观点,物理系统分为能控 3.1物理系统建模的作用和目标 之上发展起来的,对于像月球车这样的具有嵌入式性质的系统建模尤为出色。 理建模领域当中非常突出,而UML一直都是软件建模方面的标准,AADL是在UML

建模工具的基础上,引入面向对象的,具有陈述式语句方程为基础的Model 模与仿真工具都不能满足这种需求。为此,1997年,欧洲的学者在总结以前的各种 个领域。一种能够体现总体系统性能的多领域建模工具急需出现,现有的商业建 空航天和其他高科技产品包括本文的月球车,通常都涉及到机械、控制、计算等各 现代的产品变得越来越复杂,结构越来越多样,如各种交通工具、机器人、航 同时这么多面向对象的工具出现,兼容性与标准化的设定都存在很大难度。 陷,但之前由于计算机的计算速度实在有限,这些工具发展的都不是很好。而且 0mola、ASCEND、NMF、ALLEN和U.L.M等,很大程度克服了面向过程的一些列缺 le、 代的面向对象建模工具其实在十几年前就已经出现了,例如有Dymola、Smi 拓扑结构和实际的物理结构相差很大。由此面向对象的建模工具应运而生。第一 他同样的工具都有此缺陷,使得所建立起来的模型很难做到通用,重用性极差, 的方程进行手工推导和分解,这无疑就增加了建模的难度和时长,效率很低。其 的一个仿真工具,主要的特点是基于图形的建模方式,这就使得用户必须对模型 ink是比较出名 然对不同的物理系统都可以进行仿真,但却很难做到精确。Simul Build等,这些工具虽 再来看一下通用仿真工具如Simulink心7¨2引、System 工具,这样的工作量是无法容忍的。 系统这样一个多领域的系统来说,我们是不能够对每一个领域使用其中一个仿真 第三章Modelica、AADL.UML的优点和不足 更加强大的描述能力,而且为面向对象的统一建模晗31打好了基础。Model 向对象的概念,使用类来对建模中用到的方程进行封装,使得统一建模语言具有 并且发表了多篇论文。在九十年代面向对象大行其道时,统一建模语言加入了面 统一建模语言具有领域无关的通用建模能力,在很早之前就有学者在研究, Modelica介绍 3.3 以及交互的问题,非常适合于复杂的CPS系统建模。 工具。该工具使用数学方程统一描述不同领域的模型,非常好的解决了模型重用 c i Model 次会议交流和探讨,共同促进Modelica的发展。 者在1996年共同开展研发。在2000年成立了Modelica协会,并且每年会举行一 是在这个大环境中产生的,它是有欧洲仿真学会,里面包含六个国家,十几位学 9 继承等面向对象的元素,当然包括了自己独有的方程、组件、连接器和连接等, 模型当中。同时它还是一种面向对象的,结合结构化数学的建模语言,支持类、 的重用称为现实,由此带来的好处是其他厂商开发的模型库都可以加入到自己的 a建模 a心们就 a具有非因果建模的思想,数学方程和面向对象的完美结合使得模型

(a的多领域统一建模方法可以为涉及复杂机电产品,对于产品的分析 更高。 模适于表达复杂系统的物理结构,例如本文中的月球车CPS系统,而且重用性也 是不能确定的,只有在方程系统进行求解时才能确定变量的因果关系。非因果建 值符号左边总是输出即结果,右边的变量总是输入。基于方程的模型其因果特性 基于赋值语句的。方程中的变量是没有输入、输出之分的,而对于赋值语句,赋 非因果建模是一种陈述式建模方式,这就决定了Modelica是基于方程而不是 (1)基于方程的非因果建模 Modelica语言主要特点如下: 率。 能够决定如何求解方程变量,这省去了很多人工计算的代价,大大提高了建模效 微分、代数和离散方程(组),这些方程都不需要进行人工计算的,ModeliCa工具 ica的数学模型描述包括 然包括我们现在说到的月球车等此类的机电模型。Model 以满足多领域建模与仿真需求,包括通常的机器人、陆地交通、航天航空等,当 体现了上面所说的模型重用的概念。Modelica的连接机制基于广义基尔原理,可 这些特别的元素都是可以封装到类当中,也可以在建模当中进行继承,这很好的 广东工业大学硕士学位论文 c 复用以及模型化提供了很好的保证。同时Model Modelica具有面向对象语言的特征,包括类、封装、泛型、继承,为组件的 (3)面向对象建模 他模型库。 并有大量可复用的领域库,其中Modelica的标准库被广泛的用于基础库来扩展其 机电、生物、力学、液压、控制等,对于这些领域都有相关的模型或组件描述, Modelica能够描述的领域非常广泛,基本覆盖了物理世界的各个方面,包括 C i Model 化但变化时间区间小等情况进行建模仿真。 只在某个时间点发生的变化,或者变量的变化不连续的,又或者尽管不是瞬态变 Modelica支持连续和离散两种方式的混合建模,能仿真模型中的某个变量值 (4)连续离散混合建模 系统。 得组件之间通过端口相互连接并协同工作,快速搭建出一个复杂的信息物理融合 lO Dymola弛¨。Dymola在欧洲的商业应用已经非常成熟了,德国航空航天中心等均己 也已经存在多种比较成熟的工具,最典型的代表有国内的MWorks和国外的 与优化打下了坚实的基础,目前在主要的大国当中研究发展的势头很猛,市场上 2)多领域建模 a还有很好的软件组织能力,使


本人是刚接触Model 开始在国内航天、航空、汽车、能源等行业广泛应用,并取得了不错效果。由于 软控信息技术有限公司为主导的MWorks哺¨,虽然MWorks起步比较晚,但也已经 介绍,本文主要用到的Modelica建模仿真工具是国内以华中科技大学和苏州同元 使用Modelica语言进行多领域系统的工程化仿真应用。不过本文不对Dymola做 第三章Modelica、AADL、UML的优点和不足 c i 一样强大,它是完全基于多领域统一建模规范Model 工程系统通用CAE平台,提供了建模、仿真、分析与优化等功能,和国外的Dymola 我选择了MWorks来对月球车CPS系统进行多领域的建模。MWorks是新一代多领域 MWorks是由国内大学以及厂商开发的,比国外的一些工具更符合我的需求,因此 也很难让其称为嵌入式领域的标准,于是各大厂家各行其道,出现了很多嵌入式 但在实时嵌入式领域当中,是没有统一的开发标准的,UML在嵌入式方面不足 一起来,还进一步发展最终称为公认的统一的标准建模语言。 在1980年代后期到1990年代中,UML是这个高潮的产物。它不仅把其他建模语言统 的各个阶段提供模型化和可视化支持。面向对象的分析和设计方法的发展高潮是 之后发展成一个支持模型化、模块化和软件系统开发的图形化语言,为软件开发 (UML)又称为统一建模语言或标准建模语言,它的前身是始于1997年一个0MG标准, Language Modeling 软件的开发。目前大型系统使用的最多的就是UML。Unified 而且此种方法还必须称为一种标准,从而使得软件开发人员能够协作高效的完成 软件需求的重要性使得人们必须找到一种方法来作为软件过程中的分析方法, 达到顾客的需要,从而造成重大的经济损失。 么不仅影响了后期程序员的编码工作,更重要的一点是最后的软件实际上是不能 认识到需求分析的重要性。假如在需求分析时未能做到完全理解用户的需要,那 移,软件建模技术的发展以及软件开发过程暴露出来的一些列问题,都让人重新 不足,人们一直认为需求分析是软件工程中最简单的一个步骤,但随着时间的推 的工程师进行后续工作。有相当长的一段时间里,由于对软件需求的重要性认识 客的真正需求,这样才能分析和寻求系统的解决方法,并建立好文档让下一阶段 的功能时所要作出的一些列工作。在这个过程中,工程师们需要真正理解确定顾 编码和测试阶段。其中需求分析指的是在建立一个新的功能,或者改变一个现存 按照传统软件的开发方法,软件开发周期一般可分为三个大阶段:需求分析、 UML对于信息物理融合系统建模的不足 3.4 并符合国内的使用习惯。 a,在工具的选择上更倾向于选择一款上手容易的工具,而 a,并提供了多视图的界面,

AADL介绍

12 AADL一一描述。当然最重要一点是,AADL是可以用来描述组件之间是如何通过接 平台、组件接口输入输出以及如何连接的功能和组件的一些关键属性都可以使用 存储器、总线、外设)、合成构件(系统构件)三大类。软件组件如何映射到执行 的主要构件分为软件构件(数据、线程、进程、子程序)、执行平台构件(处理器、 AADL是一种专门面向嵌入式实时系统开发的体系结构分析与设计语言。AADL 更多的应用程序可以使用AADL进行建模。 崩溃的概率,而且也很好的提高了开发的效率。除此之外,AADL还支持扩展以便 软件开发活动。正因为代码是自动生成的,这样可以降低人为的错误而使得系统 系框架能给系统建模提供支持,这些都便于代码的自动生成,系统架构以及其他 使用的对嵌入式概念的描述是可以让机器进行处理的,同时还有运行时的一些体 系统组件、接口和组件组合,从而可以使嵌入式数据得以交流,相互借鉴。它所 结构建模和分析的系统属性,以实现可预测性的集成。AADL的标准定义了如何描述 医疗设备、机器人等。AADL提供了一个标准的方法来分析的嵌入式实时系统体系 如航空航天系统H¨、自动控制化系统、地面交通控制系统、工业过程控制设备、 应用领域很广泛,凡是一些需要高可靠性的、高实时性的系统都可以使用AADL, 对具有挑战性难题和严格实时响应要求的嵌入式系统的建模得以实现H钉。AADL的 1术实验室开发,AADL很好的继承了它的优点并作出了重大改善,使得 Honeywel 标准是从MetaH开始发展起来的,这是由美国军用航空导弹指挥部AMCOM的 空电子系统公司共同提出,主要用于设计和分析实时系统的软硬件体系结构。A-ADL 形化的语言,由SAE体系结构描述语言附属委员会、嵌入式计算系统委员会、航 Language)∞31是一种字符化和图 Design and Analysis 语言AADL(Architecture AADL的出现很好的弥补了UML在嵌入式领域的不足。体系结构分析设计 3.5 需要一种类似于UML一样的统一建模语言。 同合作,以此增加了软件开发的时间。因此,在实时嵌入式系统领域当中是急切 式软件的工程师们在工具、语言、方法等上面很难沟通,直接的后果是没办法协 件具有很高实时性的系统建模当中是没办法满足的b削。由于缺乏标准,开发嵌入 也很难分析其可调度性和性能。再有UML很缺乏时间方面的模型,这在嵌入式软 相结合的建模,对于硬件方面要求的时间性、实时性、连续性等支持不足,因此 其中包括了服务质量、容错性、存储和功耗管理等。UML不支持硬件和软件两方面 的解决方案。UML的不足首先体现在没有对嵌入式软件非功能属性建模的支持,这 广东工业大学硕士学位论文

形是会根据代码生成的,但需要手动新建图形文件。 OSATE会自动生成AAXL代码,它以XML文件形式存储系统的相关信息。AADL的图 的开发平台,在其上开发了一套完整的AADL开发插件。当用户写好AADL代码后, 用于实现其他开发环境的集成平台。其中OSATE就使用eclipse平台来作为自己 的一个开源的工具集成平台,最常在Java开发环境中使用,但因为其开源性,可 行下一步的调度分析工作,OSATE提供了将此实例化的功能。Eclipse是IBM支持 文件仅是对系统组件的一个抽象描述,需要将它实例化为一个具体的系统才可进 模型统计、调度分析等的分析工具。OSATE会根据AADL文件来生成AAXL,而AAXL n铂,OSATE可用于描述性能关键的实时嵌入式系统,提供了一些诸如错误分析、 主要包括建模、分析和代码生成工具。本文中所做工作主要使用的是OSATE环境 绍AADL模型语言及其工具在月球车CPS系统设计中模型构建的使用。AADL工具集 安全性也有很高的要求,使用AADL对其进行建模分析是非常适合的。本文重点介 性强、实时性强等特点,再加上其特殊的应用领域,对软件的可靠性、实时性和 用软件具有复杂的控制过程和计算过程,软件具有规模大、结构复杂、硬件耦合 月球车CPS系统担负着姿态控制、定位与导航、通信等一系列的控制,其应 组件和系统的分析。 型在运行时是如何完成一个操作模式和模式切换,这些都有助于系统设计师完成 C++、JAVA等软件编程语言和硬件描述语言来实现。AADL还能够描述动态行为模 这些交互。AADL并不具体到软硬件的实现细节,这些细节性东西都可以使用想C、 口交互的,组件是如何连接,数据在组件之间如何流动,执行平台组件是如何组织

inf{(c…】一㈣I 荆2af 第四章信息物理融合系统的离散性和连续性

N i 式(4.1)。 定义1时钟:时钟C是一个实数的递增序列,定义其低速率a(c)和高率速V(c)如 4.1时钟定义 型的准确性。 以及连续性进行分析,最后使用了Modelica建立了连续变量模型并仿真验证了模 本章主要用到了何积丰院士嵋33的时钟理论,并对信息物理融合系统的离散性 广东工业大学硕士学位论文 N 引理:周期时钟是健康的,且对所有的i 定义3周期时钟:如果时钟C满足对所有的f∈Nat,a(c)=V(c),那么C是周期的。 引理:如果C无穷且健康,那么lim,+.。c[i]-∞。 定义2健康时钟:如果时钟C不是无穷加速,则C是一个健康时钟,即△(c)>0。 元素。 示开区间(c【f],c[i+1]Xi≥1),用6(c)(o)表示区间(o,d1】),Set(C)用以表示c的所有 使用记号c【1】表示c的第一个元素,c’表示从c中删去c【1】后产生的序列,艿(c)(f)表 f∈Nat} V(c)=∥sup{(c[i+1卜c[q)I (4.1) l p d作为C和d关于偏序\的最小上界: 定义5最小上界:假设C和d是时钟,定义c|I 我们使用记号C\d作为从C中删除d的成员后产生的序列。 C\d=∥Set(d)∈Set(e)。 定义4时钟偏序:如果时钟d是时钟C的子序列,则c比d精细,即 1 e d)Il II e)=(c lI lI(d (3)c (4.4) (2)c¨d=d¨C O)cIIC=C 引理(2) (4.3) d)=Set(d)USer(c) Set(c|I 引理(1) d) <c【1】>?(c’II (4.2) ifc[1]>d[1】then<d【1】>?(cIId’) else d)=∥ifc[1]=d[1】then<c【1】>?(c’¨d’) 4l at} at,e[i+l】=c【i]+△(c)。

(2)鹏d)20当且仅当c=d(4.5)


d2)p(c’,d3≤p(c,d) 定义6再次偏序:如果对所有f∈Nat,c[i]≤d[i】,那么C比d快。用C 第四章信息物理融合系统的离散性和连续性 C 5 引理(4)如果q 引理(3)C<∥。 引理(2)6至5。 引理(1)_<是时钟上的偏序关系。 关系。 ( (4.6) (1)JD(c,c.)=V(c) 引理(2) (4)p(c,e)≤p(c,d)+p(d,e) (3)p(c,d)=p(d,c) (1)p(c,d)≥0 引理(1) 定义7时钟的度量空间:设c,d是时钟,定义p(c,d)=∥sup{[c[i]-d[i][i∈Nat) d)。 lI d)5(c2 II 15 引理: 的相当的时钟。 相应地,设,:c是一个时钟,,是一个位置,记号,:(,:c)表示在位置,的局部时钟,:c 0) (4.1 6,(,,,)=0 推论 (4.9) 6,(1l,毛)=4(‘,乞)+6,(乞,厶) 定理2 (4.8) 4(‘,乞)=t(如,‘) 定理1 从以下法则: 定义9时间差值:对位置‘,乞,我们用6,(‘,乞)表示位置‘,乞之间的时间差值,E服 (4?7) p(z:c,z:d):∥p(c,d) ,:c_-4:d=az(c型) ,:c万,:d=∥(c万d) 在,的时钟。我们把5,5和P的定义扩展到局部时钟如式: 定义8局部时钟:设,是一个表示位置的标签,c是一个时钟,记号,:C表示定位 表示这个 2,那么(Cl

16 (4.16) q)墨之:c2 5如:c2=∥乞:(‘.o ‘o.q (4.15) ‘:cl'612:c2=∥12:(1l:q)万乞:乞 6和.<的再次访问: 定义11 =p(臣(,,,)>>G4(Z,,)>>c) =p(1:(6,(Z,,)>>c),,:(E(,,,)>>c)) =p(t:“:c),,:(6,(,,,)>>c)) =p(t:c,,:(谚(,,,)>>c)) (4.14) p(1:c,,:(,:c))=0 c2)+p(6,(乞,毛)>>乞,c3) =p(瓯(‘,12)>>C1 ≤p(4(‘,乞)>>q,乞)+P(C2,一4(乞,厶)>>c3) =p(E(‘,乞)>>C1,一点(乞,毛)>>C3) =p(瓯(‘,12)+6,(乞,毛)>>c1,c3) =p(E(‘,厶)>>q,c3) (4.13) p(‘:q,毛:C3)≤∥p(‘:C1乞:C2)+p(12:C2,毛:吃) =RHS =p(4(之,‘)>>C2,c1) =p(一6,(厶,12)>>C2,q) =p(q,o,(‘,乞)>>C2) =p(6,(‘,乞)>>c1,C2) =p(乞:(曩(‘,乞)>>C1),乞:c2) 证明:LHS (4.12) p(1l:Cl,乞:C2)=群p(乞:C2,‘:c1) 引理: 定义lO局部时钟的度量空间:JD(‘:c】,乞:c2)=∥p(乞:(‘:q),乞:乞) (3)‘:(乞:(厶:c))=‘:c (4.11) (2),:(Z:(,:c))=,:C (1)Z:(,:c)=Z:C 广东工业大学硕士学位论文

(4.24) t 6 (1)c 引理: 则存在三元组(init,c,s)是离散变量X的规约。 (4.23) (3)x(t)=s【刀】,f∈【tin],c[n+1】】 (4.22) (2)x(,)=init,f∈【0,c【1】】 (4.21) (1)oil】>0 三个条件: 离散变量的规约:设c是时钟,S是实数序列,init是实数,如果满足以下 (4?20) 6)) f,={f|赎x(t一6)≠娥z(H 我们使用记号f,来记录X的值改变时的时间值,如式所示。 存在一个健康时钟c,使得X在每个间隔占(c)(,)上是常数,则X是离散变量。 4.2离散变量 I(,:c))三(Z:d))。 定义14全局时钟:【,:c】定义为局部时钟的等价类:[Z:C】=甜{,:d (‘:q)兰(乞:c2)当且仅当c2=6,(厶,12)>>cl 引理(2) 誊是局部时钟间的等价关系 引理(1) (4.19) (1l:c1)暑(乞:C2)=∥JD(‘:CI乞:C2)=0 3等价关系:引入局部时钟之间的二进制关系如下 定义1 (1l:c1)5(乞:c2)。频道ch的潜伏期定义为p(‘:CI,乞:c2) 记录在‘位置的输入事件和在厶位置的相应的输出事件。显然可以得知 定义12频道:频道ch用以联系位置‘,乞,假定‘:c。和厶:c:是局部时钟,分别用以 (4.18) (2)Z2:(‘:c1)型2:c2当且仅当“c1-A,:(,2:c2) (4.17) (1)12:(Ii:q)万,2:c2当且仅当Z1:cl万ll:(12:c2) 引理 第四章信息物理融合系统的离散性和连续性 17 定义 规约,表示为spec(x)。 经典规约:规约(init,C,s)如果满足约束init≠s【1】;s【力】≠x【珂+1】,刀≥1,则为经典 (2)s[n]=s【力+1】当且仅当ji?(c【川,c[n+1】)£(f,【f】,f,【f+1】)

c[n,寰cy[i筠练c[n:墨川,㈤28
Sy‘[高i £罱砌op S (1’_’(f)2∥js>oVs∈(t-6,t)‘(”(s)≤“(7)’ y川""y忙II 落1)x圳II 2∥1 x[刁cMl[司
,、

s= q cano(init,c,s)=∥(init,c’,s9,其中c’=矽P司c,J’=妙P 广东工业大学硕士学位论文 ] 】 s,【歹】 Cv【门≤c[n]<Cy[j+1】 Sy[刀c[n】-Cx【f】A S[f】op sin]=够 (4.27) init=∥init,01)inity, (4.26) C=∥q 其中 (4.25) Y)=∥cano(init,C,s) op spec(x 的二进制操作,定义它在离散变量上的提取为: 实数的提取操作:设spee(x)=(init,,q,s),spec(y)=(inity,Cy,s,),设op是实数 引理:如果(init,c,s)是x的规约,则spec(x)=cano(init,C,s)。 用惯例40】=∥init。 l c,, C=∥巳Il y)=∥cano(init,c,s),其中init=万若巳【1】<cy[1]贝JJinit,否则f玎打y, II abs(x I|Y: 通过以下表达式定义x 假设乞nc,.-o, 离散表达式: 引理:离散变量的op操作维持了op在实数上的代数性质。 d刀]=勺[力^d刀】<q[1] 0[力 init,op 】<c,【歹+1】 ]入q【歹】≤ 18 对称地,我们有 (甜1『)(,)=彤3s>OVs∈(r,f+£)?(材(f)≤”(s)) (U个)(r)=搿了£>OVs∈(f,t+s)?(“(,)<”(s)) (4.30) (T“)(,)=∥j£>OVs∈(f一£,r)?(“(s)<”(,)) 连续变量的性质:设u是一个连续变量,有以下定义 4.3连续变量 的行为和X是一样的,它的时钟是X的时钟切换:spec(r>>x)=∥(init,,(,.>>q),‘)。 设x=(init,,q,Sx)是一个离散变量,r是非负数。记号厂>>x表示离散变量,它 (4.29) x圳(y忙) 引理 c[,?]=c,【f】。 s,[/】 s【玎J ,尸【f】=∥(札,一l】≠舛力),我f门采

oterface Descript NatlaC Type PrefiI 如图4—1。 模型Time。还要有一个实数的输出模型,用以实现这个连续变量模型的对外端口, 首先连续变量的模型涉及到时间,因此我们要使用Modelica标准库中的时间 说明如何把对信息物理融合系统的连续性分析应用到具体的建模当中。 我们以连续变量的动态特性使用ModeliCa为动态特性的三个函数建立模型, 4.4建立连续变量模型 CPOSS(U,,)指定u值为r时的时间值:cross(u,,)=∥(climb(u,,=)I|drop(u,,)) drop(u,,.)描述u值降到r时的时间值:drop(u,,.)=∥climb(-%一,=J climb(u,砂描述u值升到r时的时间值:climb(u,r)=∥{fI”(f)--r^('t“)(f)人@n)(f)) 连续变量的动态特性: “U=∥(一“)仃 (4.31) “山=∥(一扰)个 U“=∥介(一“) 山“=∥个(一“) 第四章信息物理融合系统的离散性和连续性 u t RealDutD‘Lrt output public g F 图4—1输出接口 n I Output c i 知的,因此我们在Model U(t)是u值相对于t的一个关系,但具体是什么样的关系在建模模型时是未 19 一ut、u—t、u—t来表示,每条性质的实现都大同小异,因此以(个“)(,)为例子说 连续变量的四条性质(个l,)(,)、(介“)(f)、(“个)(,)、@f1)(,)使用四个函数一ut、 u_time; end u: Real output y; Time input u..time function 下所示。 出的参数,等到模型实例化的时候才继承u_time函数,实现真正的算法,代码如 n .4—1 值升到r时的时间值 a中先声明一个函数u_time,这个函数只指定了输入输

广东工业大学硕士学位论文

明。由于四条性质都存在对称性,因此在函数实现当中需要多加一个标志用来标 示变量是连续变大还是连续变小,一ut的代码如下。
function
ut

input Boolean up; input Time s; input time t; output Real u;

algorithm
ifup then

U:=if(u_time(s)<U—time(t))then u_time(s)else
else

0;

U:=if(u—time(s)>u_time(t))then u_time(s)else
end

O;

if;

end—.ut;

连续变量的三个动态特性cl imb(u,r)、drop(u,r)、cross(u,r),其中前两个
可以使用个函数cl imb、drop来表示,cross(u,r)因为比较复杂要在方程区域实

现,代码如下。
(climb函数)
function climb input Time stime; input Real r; input Time etime; input Time s; output Boolean b;

algorithm
if

u_time(stime)>r then
b:=false;
return;

end if;

if—ut(true,S,etime)一r and u—t(true,S,stime)一r then
b:=true;
return;

end

if.

if—ut(false,S,etime)一r

climb(start_time,r’end—time,time)then ifchoice==2 t=time; drop(start_time,r,end—time,time)then time iftime<end ifchoice==1 t=time; climb(start_time,r’end_time,time)then time iftime<end ifchoice===0 equation 方程区域的代码如下,因为代码比较长,只列出了重要部分: drop; if. return; b:=true; u—j(false,S,stime)==r and if. return; b:=false; then u_time(stime、<r if algorithm b; Boolean output s; etime; Time r; Real stime; Time input drop function 第四章信息物理融合系统的离散性和连续性 (drop函数) climb; end

thell C==d d=time; drop(start_time,r,end_time,time)then c=time; 广东工业大学硕士学位论文 C 2 t t=d; then C>d if else O Defaul Na毗 Type 分climb、drop、cross三个函数的。 最后来看一下模型中用到的参数,如图4-2所示,其中变量choice是用来区 if; if: if; D t o i 0 choice Integer 开 0 nart—tiAe T1me 结 l i曩e end_t Tiae 1 r Real u_time; end U:=Y?2; algorithm u; Real output y; Time input u—.time function 代码如下: imb函数,其它参数都使用图的默认值。接着简单的将u(t)实现为线性函数, 用cl 下面是使用climb函数来仿真验证模型的准确性,需要把choice设为O以调 parameter g.4—2 Fi 图4-2参数 : n .2 ; ni escript 是调用clilb函数、I是drop函数、2是CROSS函数 始时间 束时同


同 c U 0.1一 02— £03二 0.4 0占 0.6 0.7 —r —ead time };st盯t ee |_;choi 。}Continuous一1 able5 V盯i 仿真后如图4-4所示,结果和我们预料一样,其中图4-3是输入的参数。 由以上数据我们可以简单计算出当t=0.6时,u值会变化到r值,点击MWorks 第四章信息物理融合系统的离散性和连续性 B t Uai Values 用t ●1一 o 2 0 OTt 23 resuIts ation SimuI Fig.4—4 图4-4仿真结果 parameters lnput Fig.4—3 图4-3输入的参数 u值升至'JrB,1的时间值 结束时间 开始时间 escripti 是调用climb函数、1是drop函数 d

ca对月球车CPS系统中的物理系统进 i I 第五章基于扩展的Mode 广东工业大学硕士学位论文 C i 些第三方的航天航空模型库心51,使用Model iCa的标准库和一 对于分析这些复杂的物理系统具有很大的优势,而且基于Model 行指令,这些都是复杂的物理过程,都是涉及到机械、电子、力学等,ModeliCa 运动学进行分析。同时我们可以看到无论是测量部件收集数据,还是执行部件执 确定位姿,计算的过程涉及到月球车运动学的分析,因此我们首先要对月球车的 月球车cPs系统的一大特点是要根据各种测量部件收集数据然后再进行计算, 统的分析与设计 24 转角度。 个连杆相对于参考坐标系的旋转角度,B表示第二个连杆相对于第一个连杆的旋 的简单连杆机构,包括A连杆和B连杆。其中每个连杆都能独立旋转,o表示第一 关系,而微分关系是指微分运动与速度之间的关系。如图5-1是具有两个自由度 微分运动就是指机器人的微小运动,也就是推导机器人各个节点之间的速度 5.1.1机器人微分运动 等数学知识也要掌握,这也正体现了月球车信息物理系统的多领域性。 性张量、惯性力矩、转动惯量等有深入的了解,同时对于一些积分、微分、矩阵 月球车运动学的分析涉及到了物理学、力学等知识,需要对一些物理量如惯 5.1月球车运动学分析 行扩展与分析是最好不过了。 a的月球车信息物理融合系

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I堡I:一咖B一12 … sin(B柏:’阻I sin(el柏2)0堕I I盟I-f-sinq—ls

y.q 了J iCa的月球车信息物理融合系统的分析与设计 第五章基于扩展的Model 图 0 厂]一 根据物理学中的相关公式,可以得到速度方程: 由图5-1分析我们可以得到B相对于参考坐标系的速度: rods ng connecti Two Fig.5—1 B cos(el+日2)jla2 12 Lz,cos82+Is f儿I I.1.Z, ¨o l—‘I=l (5.2) sin(9t+吼)一12 a L ¨——‘l l=l I——o (5.4) sin(19l+as)一is 对方程两边的B和臼,求微分,可得到: sin(el+p2) sinel+ll %=Ii cos(el+吼) cos81+ls X口=Ii J l 可 j 如cos(el+82)JLae2 cos(el+p2) 矩阵。根据上述关系,我们为机器人的关节微分运动相对于坐标系微分运动之间 也随着角度变化,因此我们可以通过对位置方程中的所有变量求导来计算雅克比 关节的运动与整个机构的运动相联系起来。由于角度是不停变化的,雅克比矩阵 雅可比矩阵将单个关节的微分运动转换为感兴趣点的微分运动,或者将单个 矩阵是一阶偏导数以一定方式排列成的矩阵,其行列式称为雅可比行列式。 了。其中公式中等号右边第一个矩阵就是雅可比矩阵。在向量微积分中,雅可比 物理含义不同,如果在微分方程(5.4)的两边同时除以dt,则两方程就完全相同 . 点的位置我们可以用以下公式得到: 咖B ‘cosel+12 5-1两个连杆 以看到微分方程(5.4)与速度方程(5.2)极为相似,只不过二者表达的

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l l矩阵 沁融习 批畦习 L-o V.-"Xn二嘲

(5.5)。 机器人手绕X、Y、Z轴的微分旋转,d01至d06是关节的微分运动,则关系式如式 建立关系。假设dx、dy、dz是机器人手沿着x、Y、Z轴的微分运动,瓯、6y、6: 广东工业大学硕士学位论文 d =l雅可比l? 1. 『机器人] 6: 6, 艿, 8 1) O) (5.1 (5.9) s。 ?R=I 『cl 递法可推导出雅可比矩阵如下: 包括了四个关节,四个关节中有三个是转动关节,一个是移动关节。根据速度传 我们使用SCARA四自由度机器人来研究机器人的微分运动,SCARA四自由度机器人 (5.7) 以=以(g)g 它与关节速度q之间的关系就是由雅可比矩阵组成的线性映射I (5.6) 假设蛾为角速度和V。为线速度,则根据广义速度公式: 分运动,就可以求出机器人末端坐标系的线位移微分运动和角位移微分运动了。 绕三轴的微分转动组成。如果给定某一时刻的机器人的雅可比矩阵以及关节的微 运动。微分移动矢量运动由沿三个坐标轴的微分移动组成,微分转动矢量运动由 由公式(5.5)看出刚体的微分运动包含了微分移动矢量运动和微分转动矢量 (5.5) d06 d05 d04 d03 dO, o q q l O 1●●●●●●●J : Ol

『-。0 [8。兰9:];2、,:=Il‘ h=[|];~=”5.Ⅲ [日。+量+p。];4’,。= 卜卜静](叭5, 。∞。=[B+量+岛];o心=-
o● ica的月球车信息物理融合系统的分析与设计 第五章基于扩展的Model l 为: 5.?4, 连杆3的角速度和速度 连杆2的角速度和速度为: 2) ( l llcl4+,2c4 ‘s14+Z2& rJ(q)= 由以上推导可得雅可比矩阵: 手爪4的角速度和速度为: 末 一岛24 其中:C,=cos(O.+B),S,=sin(O.+B)以下相同。旋转变换矩阵;R得到公式(5.18)。 7) (5.1 p (5.19) (5.18) 嫡 夙 ,Z ‘ 芦 —........。。。.。...。.....。...L 一 m Ⅲ 1 0 O J ㈨ @q 柏坦 C.Oo=O;oyo=0 l+a2 5.16) , ,0 j蛉O 夙 研 ∽ 端手爪相对于基坐标系{O)角速度和速度为 ‘
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5.1.2车轮与地形接触分析 匕=时 乞 余 妙,u‘ ∥入Z: /Y} L_么./鬣7 !形并≥t,/{一j 柏一 ^‰。。。。 彳;一:.一 三ct。00
oJ(q)= 广东工业大学硕士学位论文 一12S12 l Il以 9 0 I 一 ( 1 O 0 ~ 』;。 (5.23) v2sin(a2一口)一vlsin(al一口)=, (5.22) v]cos(a1-a)=v2eos(a2-a) (5.20) 图 一 .-, anaIysis terr8in the contact-ith in WheeIs Fig.5—2 . 5.21) I反 1 5-2车轮与地形接麓分析

‘c1+12q2 一‘一乞s12 由以上推导可得雅可比矩阵为 末端手爪的笛卡尔广义速度为 一 乞q2 出其运动方程,如式(5.22)(5.23)所示,同理可得到六轮系统的公式。 是01和a2,轮中心点的速度分别是v1和v2,车体与水平面的夹角为o,则可以写 不能够横向运动,车轮与月面的接触是点接触。后轮、前轮与地形的接触角分别 假设地面与车轮的接触是刚性的,两车轮之间的距离是1。同时我们还假设月球车 车轮与地形的接触分析是位姿分析的基础,是月球车定位的关键。如图5-2 乞q2

我们按照Modelica的坐标系统得到车轮坐标系和接触点坐标系的转换,如图 的切平面与水平面的夹角。同时我们假设车轮的半径是r,车轮的扭矩是t,由此 n是地面的支持力,f是摩擦力,Q是摩擦力与水平面的夹角,也就是车轮与地形 如图5-3所示,mg是车轮的重力,其中g是月球表面的重力加速度大约为1.6 境的摩擦力系数都是不一样,因此这是车轮建模中必要的一环。车轮的受力分析 的认识还是不够深入,月球中各种地形都会影响月球车的行走,而且这些地面环 车轮与地形接触的另外一个重点是摩擦力模型的建立,由于我们对月球地面 纵坐标,由此可以得到车轮w坐标系与接触点C坐标系之间的坐标转换矩阵k, 5—4所示艺、儿分别是接触点的横坐标和纵坐标,x,、y。分别是车轮的横坐标和

anaIysi force WheeI Fig.5-3 图5—3车轮受力分祈 (5.25) (5.24) f=彦 {=mgsina 我们得到公式(5.24)(5.25)。 N/kg, ●__l---.................................................................... ica的月球车信息物理融合系统的分析与设计 第五章基于扩展的Model a S wheeI Fig.5-4 图5-4车轮接触点坐标系 如公式(5.26)所示。 29 system coordinate point contact nd

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mC= 广东工业大学硕士学位论文 s l , 5 1 O 0 77 sill‘cos<0 re+考 cos≤"sin<"0 譬= 滑移绕着Z轴的旋转角。 Y方向的滑移,而‘为翻转 电机的旋转角。£为轮的滑移向量,毛、n为沿着x 地形接触点坐标系c的坐标转换矩阵笮,如公式(5.27)所示。0为车轮的驱动 我们可以进一步推出,一岔时刻车轮与地形接触点坐标系e到t时刻车轮与 ( l 霹=I吃l乞呢3 13] 吒2 r.^l 则有公式(5.28)。 分别绕着x、Y、z的旋转,假设用尺:来表示B坐标系相对于A坐标系的位姿矩阵, 每个组件的位姿都可以用六个自由度来表示,即沿着X、Y、Z方向的移动和 (5.27) (5.30) (5.29) 转矩阵,如式(5.29)(5.30)(5.31)所示。 姿态矩阵R;也叫做旋转矩阵,如果对应于x、Y、z做旋转则可以得N--个旋 吩3j 吩2 l乃l ina 5.26) 5.28) .1.3月面坐标系到车体坐标系的转换 .Sma

Rcz,a,=[兰鼍吕

Cinpsina i 第五章基于扩展的Model 接 O COS0 —.sin0 sin口 cos0 sin0 Cos日一sinpCOSa r=g(z。,O)T(O,0,d)T(a,0,o)R(x,,a) 0,d)表示沿着Z轴移动了d,则可以得到求转换矩阵丁j的公式(5.32)。 合。整个旋转平移变换就进行完毕,假设用R(X,0)表示X轴旋转了0,T(0, 一平面内;最后Q是Z,轴和Z,轴的旋转角,X,轴在旋转。度后,使得Z.和Z,重 X,到彳,重合;a是Z,到Z.的距离,沿着X,轴移动距离a,使得Zf轴和Z,轴在同 内,必须要让Z,旋转0;d为X,到彳,的距离,应该沿着Z。平移一段距离d,使得 还有如下几个参数:0是X。到X,的旋转角,因此如果要想让X,和X,在同一平面 转换,设这个转换矩阵是∥,表示是j坐标系相对于i坐标系的转换矩阵。另外 同的刚体,而这两个刚体是相连接,使用D-H矩阵可以建立这两个坐标系之间的 我们假设有两个坐标系分别是i坐标系和j坐标系,两个坐标系分属两个不 坐标系的位姿,从而建立机器人的运动学方程。 述相邻两连杆之间的关系。通过两两之间的变换最终可推导出末端连杆相对于基 方法的特点是要为每个连杆建立起一个坐标系,然后用4×4的齐次变换矩阵来描 H引。D—H矩阵是Denavit和Hartenberg提出的一种解决连杆关系通用的方法,此 s 口 0 cosa sina ——cosO ( 1 d 口sin0 坐标系的姿势矩阵砰,如公式(5.34)所示。 相对于悬臂坐标系的姿势矩阵是磷,根据上面的推论则可以得到车体相对于水平 于接触点坐标系的姿势矩阵是巧,悬臂相对于车轮坐标系的姿势矩阵是磺,车体 标系R以及车体坐标系B。接触点相对于水平坐标系的姿势矩阵是:,i,车轮相对 统,有水平坐标系0、车轮和月球表面的接触点坐标系C、车轮坐标系w、悬臂坐 我们通过对月球车的分析得出如图5-5的坐标系统,其中包括了五个坐标系 (5.33) £=爿?互o 势矩阵,正。表示1号刚体相对于水平坐标系的姿势矩阵,则有公式如下: 示2号刚体相对于水平坐标系的姿势矩阵,爿表示2号刚体相对于1号刚体的姿 想得到2号刚体相对于水平坐标系的姿势矩阵,就要通过1号刚体来求出。如碍表 在对月球车的研究当中,假设悬臂中有刚体1号和刚体2号相连,则如果要 8的月球车信息物理融合系统的分析与设计 in口 5.32) cosl9 下来将使用D-H矩阵来建立各个相关组件坐标系之间的移动以及旋转关系

Modelica坐标系统介绍 To=巧?磺?万?ro

32 轴与Y轴正交。转动关节置于世界框架原点。转动关节的转动轴直接沿着Z轴转 定义:世界坐标的Y轴是向上的,即相反方向是重力加速度的方向。世界坐标的x 所有的向量都能通过配置分解到世界坐标上。单摆的参考配置应当按照以下方式 有关节点的相对坐标是零。这意味着所有组件的坐标系统都是相互平行的。因此, 统来定义。最简单的方法是为你的多体模型定义一个参考配置:在这个配置中,所 第二步定义拖拽组件的参数。一些参数向量必须根据相应组件的局部坐标系 持如:Dymola)。 置的世界坐标(此功能与ModeliCa的annotations功能相关,需要具体软件的支 件使用的。如果这个世界对象丢失,一个警告消息会被打印出来以及会使用默认设 内(均匀重力或点重力),以及动画的默认形状大小和这个信息是会报告给所有组 ModeliCa.MechaniCS.MultiBody.World的实例。原因是重力场被定义在世界对象 提供一条警告消息。使用MultiBody库中组件的每一个模型在顶层都必须有一个 的世界坐标系和这是动画的默认设置。如果一个世界模型不存在,Modelica会自动 模型在顶层。这里的重力场被定义为(目前:没有重力,均匀重力,点重力),可视化 我们使用一个简单的单摆模型来介绍,一个世界模型World必须出现在每个 水平坐标系 5.2 (5.34) rovel" Iunar the of system coordinate Five Fig.5-5 图5-5月球车五个坐标系统 广东工业大学硕士学位论文

的球体中间。如图5—6是Model 表旋转轴的转动关节,浅蓝色代表body组件的形状。Body组件的质心是在淡蓝色 化为坐标系统与轴标签。重力加速度的方向矢量显示为绿色箭头。红色的圆柱代 动。Body组件是放置在x轴的,即转动关节的旋转角度是零。世界坐标系是可视 第五章基于扩展的Modelica的月球车信息物理融合系统的分析与设计 图 函 门 5.3车厢部分建模 F M 和 ica.MechaniCS.MultiBody.Interfaces.Frame—a Model 车厢部分只是简单的使用Modelica.MechaniCS.MultiBody.PartS.BodyBox, sjmuIatiOm modeI PenduIUffi 个接口,由上文可知一个model 到frame—b决定的,由此可知一个组件要想让其它组件可以使用必然要有这样一 统中的位置都是由frame—a(frame—b)决定,而这个刚体的矢量大小就是frame—a 例如BodyBox组件的组件构成如图3-3,它是一个长方体刚体,力矩点和在坐标系 口,每个组件的力矩点、在坐标系统的位置、矢量大小都是由这两个组件定义的。 非常重要的两个组件Frame—a和Frame—b,从名字上看顾名思义就是定义了一个接 c i 和Frame—b都是连接器类。Model 以Frame—a和Frame—b都需要用上,如图所示,两个刚体之间的连接是因为Frame—a 同时由于我们设计的月球车两侧都有非独立悬架,这样就需要两个接口,所 一个错误信息。 一个组件没有Frame—a和Frame—b接口,坐标系统会无法定位组件,这时会发出 ig.5—6 odelica.MechaniCS.MultiBody.Interfaces.Frame—b。首先介绍在modelica中 a自带的标准库中单摆模型仿真‘2叫。 a模型的最上层必然有一个全局坐标系统,如果 a将模型与外界的通信接口定义为连接器,并 5-6单摆模型仿真


从动画窗口中可以看出所有这些刚体组成一个2.I木0.8(m)的车厢,如图5-8。 String、枚举)的变量。编译完成之后就可以使用MWorks的仿真环境进行仿真, 集。模型平坦化后,所有的变量都是基本内置类型(Real、Integer、Boolean、 实例的方程和算法,最终转换为一个包含模型所有变量及微分,代数和离散方程 的方程层次结构,经过映射转换为Modelica语句的平坦化集合,包含所有用到类 法和语义两个方面的检查。如果没有错误,接下来就要生成模型对应的数学形式 当所有刚体连接好后就要开始编译了,首先是进行模型的检查,包括模型语 connectiOn Rig;d—body g.5—7 Fi 图5—7刚体连接 connect(frame—a,fm3.frame—b)。 联系,连接在模型编译之后会被转换成方程。图5—7其中一个连接方程是 用一种称为连接器类(connector)的受限类来描述。连接表示了组件之间的相互 广东工业大学硕士学位论文

^ 5.4月球车两侧悬架摇臂建模 一 黝锄舯慧舶战闸踊lull口 上一‘ 都是根据刚体数据和密度来计算的蠼黼黼
图 ic8的月球车信息物理融合系统的分析与设计 第五章基于扩展的Model 5 e I Tab 表5-1摇臂机构中用到的组件 轮连接,副摇臂则通过摆杆同后轮连接,摇臂机构中用到的组件如表5-1所示 每幅摇臂机构都是由主摇臂和副摇臂构成,主摇臂通过转向横梁同前轮和中 SimuIation ComDartment Fig.5-8 F 一 机械组件坐标系统的基本定义。坐 组件图标 组件描述 组件名称 rocker of Component.s 标 a 箱 个状态) ActuatedRevolute 点。此组件有一个矩形填充图标。 }i 一h二L二。 2个状态) (1 BodyBox njn÷ —1 rame 5-8车厢仿真 系统的原点,力矩和扭矩的作用 子形状的刚体,质量和动画属性


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9 a?一}e Damper ’三一-兰 线性、速度依赖阻尼元件。它可以 广东工业大学硕士学位论文 ● : -=_=一。 :=: 连接惯性器件或齿轮(组件固定) , 0 j D 柱状接头(1个平移_自由度,2个状态) Prismatic B 向 叫1。 匕 ] 非线性弹簧和线性阻尼器并联 c 其中Base—Suspension组件并不是Model 性的数据。 sion 这个记录定义了惯性张量,包含副 uspen Base——Rear_S 性的数据。 Data nsion 摇臂质量、转动装置和弹簧阻尼特 Base——Front_Suspe 这个记录定义了惯性张量,包含主 动装置的角度不会超过某个极限。 此组件提供一个很大的力,确保转 力;当转动装置接近转动阻挡器时, Steer_Stopper 围内时,此组件提供了一个无效的 当转动装置的角度处于一个正常范 这个组件的操作是关联到一个表。 转动关节(1个转动自由度,2个状态) ute Revol n i If 6] e=[0,0:1,1:2,4:4,l 据。例如tabl 是存储在矩阵“table[i,j]”中的,第一列包含了网格点,其他列包含了内插数 的一个表。通过参数列可以定义这个表有多少列可以进行内插。网格点和函数值 CombiTableiD是具有n个输入和n个输出的一维一览表,这是具有一维线性插值 ica.Blocks.Tables.CombiTablelD构成的一个自定义组件。 合数据表组件Model 36 v=4.0, OUtput u=2.0,the 2.5, u=1.5,the input the 1.0, Y= output u=1.0,the put ase——Suspension a自带的组件,它是由两个一维联 :a^1e ___I

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——弋■————一几百广—————————一 F……………………一r一}:喜酽i矿一 夏忑i;二i——一—鬲——————————一 ∥ …--_^…__……一--*_●…¨H_一
图 S 组成一个有阻尼器可伸缩的柱状接头。 C组件相连接后就可以 smati 点和力矩点,整个组件的构成如图5-9。此组件与Pri 弹簧力,使用另外一个定义减震器,再次使用Frame—a和Frame—b来定义坐标原 elD组件来定义 由上表可知这个组件是一个阻尼器,所以我们使用一个CombiTabl y=一1.0. output U=一1.0,the input the ica的月球车信息物理融合系统的分析与设计 第五章基于扩展的Model g F Base—Suspens o Base—Front—Suspens 表5-2 些就是Modelica类类型,如Modelica.SIunits.Mass。 ica的基本类型,有些是组件的类型,例如Real就是基本类型,有 有些是Model 张量、转动关节质量、刚体质量和转动角度范围等,每种数据都有自己的类型, Base—Front—Suspension—Data组件中的主要数据如表5—2,其中包括后倾角、惯性 5 I Tab o i Suspens Front Base … data component …j:西 蛐矗≮r 12韭ii五.;;五蓝避i 鼬垒≥兰强£Z邕整!E:曼丝£ 蛀虹ij矗.ji蟊醢:.越五f 曼趔皇2玉蛆』盟堂型堕J墨签i址 墅塑≥毡叁§;坚{!§:蛰!丛≥! 鱼丝蚰矗甾k勤捌皿iE工卫麓血 。坠堂≥}£塾£;H强!£:;熊盎≥§ ……一…一~一……一 37 件实例的时候赋初值就可以使用数据了,如下面代码所示Steer—Stopper orl—Data组件中的数据,只要在声明组 做例子说明如何使用Base—Front—Suspensi Steer—Stopper组件的作用是为转动关节的转动提供一定的范围,我们使用此组件 ■●‘1-I_mole础u● —磊F’f1品ii话i磊。写 :kI.12{h●rtl-Tezuroz穷 J●______-___--___一●___-_-●-●____●H_____●_____________●●●h●一 k1.^2+InedcZ,Tenor h幛n1-T●mor,y k…s.n…2…I.婴曼撬!黑置黑 .5-9 -2 n..Data n组件 n—Data组件数据 5-9 Z…_2…2”………一~r¨ti拍………
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0=0 童瀚鲁 :阐S 藿鼍穿三 §翻S l。m*一 n巾0 0所示。 述可得到主摇臂的构件图如图5-1 ActuatedRevol t_Angle=Front—Suspension—data.Steer—Stopper),其它 steer—stopper(Limi 广东工业大学硕士学位论文 一 o i Base—Rear—Suspens 表5-3 括了前仰角等数据。 component rocker Main Fig.5—10 图5-10主摇臂的构件图 r——_] oE啊习o 5 e I Tab 1所示。 图5-I km.utl帆 Show tn茸 Fozk●●,I kl 30 Description ;lhit Dermal.t Stee:.Stoppcz k11 Cuter 矗。●1 lame Type data Data on Suspens Rear Base —3 n—Data数据 I
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“瑟卜—一I 1=疆■■■_I 批篙萼秽——n 我们还需要三个Frame—a组件来跟车厢、前轮以及中间轮子连接,因此,综上所 ute组件连接的,因为这两个组件都是限制转动关节的转动。同时 组件都是相同原理。Steer—Stopper组件和Damper组件都必须跟 ~…一一f l|二]。———乇===-|■I] 副摇臂中用到的数据组件是Base—Rear—SuspensiOn—Data,如表5-3所示,其中包 toM叫-刊L{£}一姘‰? 朋■卜L_|—日 ——褂“■嶙 另外副摇臂需要两个Frame—a组件来跟车厢和后轮连接,所以副摇臂的构件图如 【聍4埘。

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1副摇臂构件 所示。表5-4月球车车体结构组件 最上层就是整个月球车车体结构模型,包括的组件如下表5-4。构件图如图5—12 ■ 认动画定义 1r 1r◆ f汤rid 世界坐标系统+重力场+默 组件图标 组件描述 组件名称 副摇臂 主摇臂 车厢架构 —■l
tnar 。 簪五专产工妒乒^‘”nd一1{P。酗目f擎毒信.电撕尹融会军馊幽令婚与谚廿 1 0 V 1 Fig.5—1 图5-1 aduateareVOiU 5 e Tab loChassis member rocker u I X ■■Ll y— name components structure body rover 3 on LRearSuspensi LRSuspension LRChassis ————■ 】 oRwhee 9 ice -4

图5-12月球车车体结构模型 bodybox3 boeybox6 广东工业大学硕士学位论文 2 g F 3月球车车体结构模型仿真 图5-1 3。 3后可以在动画窗口看到车体形状。如图5-1 编译仿真心8 3 m mode structure body a I i 40 ,所用到的组件如表5—5: Ca对车轮进行建模 使用Mode]i 5.5车轮建模 u t .5—1
un s rover o nar

Q- 晒eel 礴藏 种函数来给外部获取月球地面蚕溺 标准类型的轮子0 一个可视化的坐标系_二弋 的动画形状和两个连接器(12个曩—■ Mlcel }=,II 菩型之间的连 交接接口和萎|
5-5 e TabI 表5-5车轮组件 第五章基于扩展的Modelica的月球车信息物理融合系统的分析与设计 组 Y assembl wheeI B - 兰 轮胎道路交互模型 Interaction 组件图标 组件描述 F 化 小,箭头根据变量的大小动态变 Arrow ’anj云 用一个箭头表示一个变量的大 摩擦力数据 Base—Pacejka—FriCtjon—Data组件提供各种轮胎摩擦力的数据以及轮胎气压系 Arrow、Friction—Connector、RealOutput、Road、Frame—a组件,其中 Wheel—Road—Interaction组件的构成用到了Base—Pacejka—FriCtion—Data、 的信息 Road 模拟环境的一个模型,提供了各 f场eel Standard FixedFrame ,:i’登一 。≮== 潜在状态) BodyShape %眦 刚体具有质量、惯性张量,不同 弹性系数和轮子的阻尼。 轮子惯性,轮子质量,车轮尺寸, Data Base 这个记录类包含的相关数据有 I一--‘7‘ r一.、 实数输出接口,这是一个连接器 RealOutput r]aFr_|e Connector riction ase——Pacejka_Friction—— 件名称

来获取月球地面的信息,这是根据Model 同时刹车制动系统的数据时通过此接口传输给轮子的。Road组件提供了各种函数 跟控制系统的一系列接口,轮子的各种实时参数都通过此接口传输给控制系统, 真的时候形象化的看到各种变量变化情况。Friction—Connector组件提供了轮子 中的坐标轴变量的,其中包括上面提到的接触点坐标和轮子坐标,这样可以在仿 数,这对于正确计算轮子的扭矩有关键作用。Arrow组件是用来模拟各种坐标系统 甲…I 争口Environments 的一个坐标系统内已知x、Y的值获取z的值,坐标系统可以是轮子的坐标系统, { } | 卜 l i…一固get_ny_pro }∞get 卜一⑦get_z_pro 可以实现不同的算法。如函数get—z_pro的部分实现如下: 继承的方法可以在基类中定义好一个通用的输入输出形参结构,而在派生类中就 输入形参,使用output来声明输出形参。函数和普通类一样是支持继承的,通过 function关键字定义的受限类,函数体以algorithm开始。使用input前缀声明 函数是用来实现特定的计算任务,是实现过程式建模的重要工具。函数是以 ....”固g也n,r 一⑦get 固9et_nx ”固get
coad的函数 i 广东工业大学硕士学位论文 Road 也可以是接触点的坐标系统。如图3—11所示是Road的函数。 z R 4 图5-1 nx_pro mue 42 z: output f: i’nput e: d: c: i。nput b: a: ce: choi Integer Y: input x: Real i‘nput x,y” from altitude height road get—z—pro”Return function function Road Fig.5—14 a坐标系统进行计算的,例如在月平面

是调换一下xyz的顺序而已,所以我们可以使用继承的方式来实现这两个函数, 而函数get—nx—pro和get—ny—pro的实现因为和get—Z—pro函数的实现一样,只 FixedFrame、Base—Wheel—Data、Frame—a组件,构件图如图5—15所示。 Standard—Wheel模型就是整个轮子成型之后的模型, 车整个模型的构造当中都可以使用这个实例的函数了。 实例,必须要在最外层次中使用inner来定义一个相同的Road实例。这样在月球 变量,这样在嵌套的所有实例层次中都能被访问到。因此如果想要使用Road这个 素,至少应该对应一个inner元素。Inner/outer就相当于定义了一个全局接口或 使用outer前缀定义了一个与外层inner元素相匹配的元素;对于一个outer元 层变量或外层类型的引用机制。使用inner前缀来定义一个被引用的外层元素; outer修饰符。Inner/outer是Modelica语言的高级特征之一,它提供了一种外
cn pi=Model constant g: Real protected C8的月球车信息物理融合系统的分析与设计 第五章基于扩展的Modeli d ce==0)then Z:=if(choi g:=.(atan(10,Ic(x—e))+pi/2)/pi: thm algori f se ( + d,Ic(1一g) ce==1)then e g e)+d)'Ic (x— annotat C+d: se((x/a)‘2一(Y/b)‘2),Ic t func 如下代码所示: 1): (smoothorder= o i funct get—nx—pro: annotation(partialderivative(x)): get—z—pro: t—.nx_pro ge 43 Wheel—Road—Interaction,Friction—Connector,RealOutput,BodyShape, 包括了 在Wheel—Road—Interaction模型代码中声明了一个Road实例,而且使用了 get—ny—pro: end annotation(partialderivative(Y)): get—Z—pro: extends get..ny—.pro a.ConstantS.pi: l (choi f木

●●● o 眦◆◆~
sphere Cti 其中Fri modeI Standard—WheeI Fig.5~5 I模型 Standard—Whee 图5—15 广东工业大学硕士学位论文 B 图5—1 g F B 6 O i var 44 components the of shapes US .5—1 odyShape odyShape组件的各种形状

供一个在仿真中可视化的坐标系统。 xedFrame的作用是提 的质量,而数据就是从Base—Wheel—Data组件中得到的。Fi 的,可以设置的形状如图5—16。BodyShape组件更重要的一点是模拟了整个轮子 BodyShape组件提供了好几种形状,这是可以通过组件的参数shapeType来设定 on—Connector、RealOutput组件是为了把接口扩展出去。

l—lodelica.Slun—its I—iodelica.SI—urIits.
5.32 e I Tab I—Data组件数据 表5-6 Base—Wheel—Data组件的部分数据如表5—6所示。 第五章基于扩展的Modelica的月球车信息物理融合系统的分析与设计 k I一21 I塾盐三i£生兰苫坚丛!:王塑丛耋垒I l惯性张量zz }ks.12 I一33 I塾韭;ig垒曼王!鹜毽!璺:三逃蠡i垒 }惯性张量了y ks.a2 0.638 I_22 l麴盘≥圭£垒墨茎竖丛兰:王她丛皇垒f |惯性亏长置曩 k1.12 0.383 I—11 {麴塑≥超生苎苫望匦!§:坠!丛主垒 ;轮子半径 0.1 Radius Real Descrlption Default{Unit {Name lType data component l—Data Base—Whee l墅堂≥i宝垒三三坚盐垒互笾!丛i璺 {惯性张量粥 { I l l惯性张量盔 k 0 1 线 AxisControlBUS ,.——————一 对应一个转轴的数据总 组件图标 组件描述 组件名称 assemblY robotic 5-7 TabIe 表5-7机械手组件 Modelica对月球车机械手建模主要用到的组件如表5-7: 在这里我们主要用到Modelica标准库中的一个机械手例子来做分析,使用 5.6月球车机械手的分析 {轮子质量 }kg }4 {- 生 1 机械手数据总线 ControlBus I l AxisType 机械手关节1、2、3的 学速度 PathPlannin96 45 轴模型 s.12 _31 -6 、.——————————一,J ks.a2 s.12{惯性张量巧 ’E二二:三 成相关角的最快运动
● - ? ?

陌i—————一F————一■r厂~ L二一! r/一‘.㈠l; 卜r

j,窄嬲霉粥
I 毽;


M 毪 口二 机械手整体物理架构模 }= }__=: 1一毒铀。。毒。繇涮l嚣蠡,妊窖 轴模型 AxisType2 7一∈ 厂3 机械手关节4、5、6的 广东工业大学硕士学位论文 宙 ‰ 鼍i 1 型 《 i C 内容都可以根据具体实现来定制,在model sControlBus和ConzrolBus组件都只是提供一个抽象接口,接口内传输的 sControlBus和Contr01Bus组件 Axi (1) 5 e Tab Bus组件接口 Fo sOont 表5-8 sContr01BuS具体实现的接口。 表5-8是Axi B I sOontro Ax o mot Boolean 发生相对运动就为 描述 单位 名称 类型 nterface component trUe 转轴相对角度 an91e—ref t 转轴相对速度 rad/s speed——ref 转轴角度 raa angle S SI.AngularVelOC 转轴速度 j r accelerati0 SI.AngularAccel n——ref 转轴相对加速度 p n eration 转轴加速度 C current——ref 电 A CUrrent SI.Current publiC S m C publ SI.Angular\7e10C 电动机角度 rad motorAn91e y t i 电动机速度 rad/S orSpeed Deea ot - —8 us y n——ref 工.Angle I.Angle I.AngularAccel ubl 工.Current I.An91e ad/s2 echanicalStructure 二 a中就是使用关键字extends来实现。 ? 动机基准电流 动机电流

世!巨三习三::? 蘸《

图5—1 l百——;;=石;;鬲再;紊鬲一 内。PathPlannin96组件的内部组成如图5—17所示。 速直到静止。加速、匀速和减速三个阶段的运动角度必需要在开始和结束角度之 速到最大速度为止,之后以最大速度运转尽量长的时间,最后以反向的加速度减 这些约束条件下计算所有转轴的最快运转,这意味着转轴会以最大加速度一直加 开始和结束角度,每一个转轴的最大速度,每一个转轴的最大加速度。组件会在 PathPlannin96组件比较复杂,它主要控制转轴的速度,其中包括每~转轴的 (2)PathPlannin96组件 件实例。 sControlBus组 ControlBus组件的具体实现就是为每一个转轴对应生成一个Axi ica的月球车信息物理融合系统的分析与设计 第五章基于扩展的Model P 7 Fig.5—1 n96组件 anni c i nemat 始点运动到结束点,而运动可以是位移,也可以是转动。Ki 转轴提供速度、加速度的一个源,它的目标是在给定的运动约束条件下尽快从起 ica自带组件KinematicPTP2的一个实例,它就是给 上图中的path是Model components n96 47 轴的控制总线。 一个实例,功能很简单,就是提供一个映射路径,让四个输入映射到其中一个转 sControlBus的 S1是PathToAxi 束点时该变量为true,反之为false。pathToAxi ng,当还没到达结 出位置(q)、速度(qd)、加速度(qdd)以及一个控制量movi athPI athPIanni PTP2组件会输

‘一,。 圣
——J二=L— }二I ———_
-I i ● t J L I ,—P-—一-、 f一,一J ,。、. 一7‘. 。
.r-- 1.

5an‘f∈ e I Tab sTypel子组件 Axi 表5-9 是AxisType]模型所用到的子组件,内部结构如图5—18所示。 sTypel和AxisType2组件的原理相似,我们重点介绍AxisTypel。表5—9 Axi sType2组件 sTypel和Axi (3)Axi 广东工业大学硕士学位论文 s i Ax A } l 组件图标 组件描述 组件名 subcomDonents 对 \ ● 电动机模型 Motor name L一_一 器,对信号进行增益 Controller 对应一个转轴的级联控制 narrI∈ 变 l GearType 1二』 n 48 ●■_[=: ●-_ 。二-’二 角度感应器 AngleSensor ^ale ’\一,/V‘ ?-■:: ◆一 速度感应器 SpeedSensor ‘an]∈ ’.~一,/d ?H:: ●一 加速度感应器 AccSensor ,二:’曩。l, —9 Typel xisType ■■■■ 应一个转轴的数据总线 速箱模型

第五章基于扩展的Modelica的月球车信息物理融合系统的分析与设计

h一:7}一

Constant

生成一个常量信号的源

k=-O

name

使用之前定义好的角度、速
InitializeFlange

度、角加速度生成一个转动 齿轮接头

◆ ◆ ◆

声砷一




w_Imrt
|_ilRl





齿轮转动接头,这是一个
Flange——b

connector模型,包括两个端 口,绝对旋转角度和扭矩



~国

~I

}一
Axi

图5—1
Fig.5—18



sTypel组件
components

Axi sTypel

Control 1

er子组件有一个PI控制器,控制电动机速度,有一个P控制器,控

制电动机转轴位置。它首先通过三个增益放大器放大信号,方法是使用设定的增 益值与输入信号相乘,之后再将三个信号相加,再使用PI控制器控制输出。
Control

1e组件参数如表5—10所示。
49

速 ks 位置控制器增益值 10 kp 描述 默认值 参数名 类型 parameters component Ier ControI 5—10 TabIe Control|er组件参数 表5-10 广东工业大学硕士学位论文 变 1 ratlO Real 常数 0.01 Ts SI.Time 速度控制器积分的时间 u f i 被初始化。相关代码如下: a—start是否被激活。如果一个输入信号被激活,转动接头的相关属性会第一时间 use—w—start,use—a—start来控制三个相关的控制信号phi—start,w—start, 初始化组件的角度、速度以及角速度。通过三个Boolean值参数use—phi—start, InitializeFlange子组件的作用是当此组件的转动接头被接上时,选择性的 n I phi—flange=get w s a use if w—flange=getInputS.w—start: g 2 a_flange then 与AxisTypel和AxisType2组件其中一个实例相连。 的物理结构,如图5—19所示。每一个ActuatedRevolute都有一个Flange—a接口, MechanicalStructure组件使用BodyShape和ActuatedRevolute组成整个机械手 (4)MechanicalStructure组件 getInputs实例的作用是获取可用输入,屏蔽无效输入。 if: end tart se——phi—.start puts.phi—start: etInputS.a—start: 速箱的齿轮转动比 度控制器增益值

控制器,电机,制动器,齿轮装置。 机械手整体架构如图5-20,这是一个具有6自由度的机械,包括了路线规划, (5)机械手整体架构
ga F MechaniC8lStructure组件 图5-19 ic8的月球车信息物理融合系统的分析与设计 第五章基于扩展的Model M 9 c i S I components .5—1 echan tructure

仄 一墨一墨一墨一墨一墨
÷ p酣’pfar,nm§ 广东工业大学硕士学位论文 a I overal Fig.5—20 图5-20机械手整体架构 1.........................一 一 l startAngle 转轴1的开始角 描述 单位 数值 参数名 类型 data part 5—11 TabIe 表5-11机械手的部分数据 1。 机械手的部分数据如表5-1 robot the of 转 20 startAngle2 90 startAngle3 startAngle4 转 R 度 deg .110 startAngle5 Real d 0 startAngle6 转轴6的开始角 rchitecture eal eg 一 60 轴2的开始角 轴3的开始角 轴4的开始角 轴5的开始角

6eal endAngle .70 endAngle2 —35 endAngle3 endAngle4 d O 1 endAngle5 转 S 度 deg 45 endAngle6 R 益 5 kpl Real 控制器的位置增 相对加速度 60,60,60) on celerati rad/s2 refAccMax 5, 5,1 {1 SI.AngularAc 相对速度 3.1,4.1> rad/s refSpeedMax ocity 各个关节的最大 {3,1.5,5,3.1, 的 S O.05 Tsl SI.Time 速度控制器积分 控制器速度增益 0.5 Ksl 53 如图5—21。 口。MWorks支持机械多体模型的三维图形与动画,例如机械手仿真后的动画结果 型,观察和分析仿真结果,其中包括了两个非常重要的窗口:曲线窗口和动画窗 MWorks仿真环境是建模的基本工作区域之一,在此窗口中可以方便地求解模 (6)机械手仿真 0 时间常数 eg I.AngularVel 轴1的结束角 轴2的结束角 轴3的结束角 轴4的结束角 轴5的结束角 轴6的结束角

三审■■

… i‘ ‘4
。 ’

值,以转轴1为例子观察曲线如图5-22。 我们首先观察一下PathPlannin96组件变量曲线,给每个转轴生成三个初始变量 树中勾选某个变量,系统将在当前曲线窗口中绘制该变量曲线。 统支持选用其他时间相关的变量作为自变量。将曲线窗口设为当前窗口,在变量 曲线窗口顾名思义就是用于显示变量曲线,曲线窗口横坐标缺省是时间,系
SiI.UIal;iorl robot Fig.5—21 图5-21机械手仿真 ≯~ 广东工业大学硕士学位论文 。 0: £{ 圈 二 ‘£ ‘! a var the 5—22 n96组件变量曲线 anni PathPI c e a I PathP of n i 5 colponentts nti urve . 二 b rS 5-22

l岫j——I'】“l,1.accserlsor.a 增益之后如图5-23。 转轴接头输出的曲线如图5-24。

0.2 O 山 0 lr&d/s2 ——11】8xrsl.speedSensor.w(rev/ntcn】——Ⅲaxisl.angleSensor.phi ica的月球车信息物理融合系统的分析与设计 第五章基于扩展的Model F 2 '-B '蓐 图5-23角度、速度、加速度增益曲线 '.2 O卫 O.6 0一. 55 curve gajn the of angIe.VelOCity.acoeIeration ig.5—23

ca对月球车的 i 本章首先对月球车的运动学进行了分析,紧接着就使用Model 图5-24转轴接头输出曲线 5.7小结 广东工业大学硕士学位论文 述,并在最后对机械手进行了仿真。 车架、车轮以及悬臂进行了建模,在此过程中对涉及到的组件都做了很详细的描

6.1月球车导航系统的整体设计与建模 的,而AADL就专注于对软件部分的建模。 整个导航系统都涉及到了很多物理部件,Modelica就是对这些物理部件进行建模 程中我们会把导航系统拆分成三个子系统:测量系统、控制系统、执行系统∞引。 地,因此在本章中我们会对月球车导航系统使用AADL进行分析。在分析建模的过 着月球车是否能快速准确的定位自己,调整自己的位姿,并快速准确的到达目的 行控制。在月球车信息物理融合系统当中,导航系统有着很重要的地位,它肩负 交互数据,以及月球车的CPS系统是如何进行计算,如何对月球车的执行部件进 月球车的建模分析。在本章的介绍当中AADL只需要专注于软件方面是如何跟硬件 对月球车的物理系统进行了很详细介绍,这样就很好的跟AADL进行配合来完成对 由于AADL是不具体到软硬件的实现细节,上一章中我们就使用了ModeliCa 的分析与设计 第六章基于扩展的AADL的月球车信息物理融合系统 第六章基于扩展的AADL的月球车信息物理融合系统的分析与设计 57 stream data System igatiOll Nav Fig.6—1 图6-1导航系统的数据流 据流图6—1。 器以及太阳敏感器的数据,数据计算完后会进行显示和驱动。整个导航系统的数 的数据,测量航向需要太阳敏感器和星历表数据,测量位置需要里程计、星敏感 给执行系统,从而使月球车移动。其中测量月球车的姿势需要陀螺仪和加速度计 势、航向和位置,然后进行路径规划,最后汇总所有数据通过另外一条总线输出 会通过系统总线传送到控制系统。控制系统会进行一系列的计算来确定月球车姿 例如推力器、驱动机等。测量系统包括各种测量仪器,用来收集各种数据,数据 控制系统包括制导、导航与控制计算机等,执行系统就是包括一系列的驱动设备, 其中测量系统包括了很多测量部件,例如陀螺仪、加速度计以及一系列的敏感器, 月球车导航系统的整体框架包括测量系统、控制系统、执行系统三个部分,


58 surveydex7ice.headingprocessor reference 2> Actual—Processor_Binding ControlSys.AC: to applies surveydex7ice.attitudeprocessor 2>reference Actual—Processor—Binding properties ControlSvs.ToExecution.>ExecUnit.FromControl: conn2:bus SurveyDevice.ToControl->ControlSys.FromSurvey; access 1:bus conll connections ExecutionUnit::Execution.Impl; ExecUnit:system ControlSystem::Contr01.Impl; ControlSys:system SurveyDevice::Surve)rPlatform.Impl; SurveyDevice:system subcomponents NavigationSys.Impl implementation NavigationSys; end NaVigationSys system 框架代码如下: 的bus端口,执行部件就有一个接收控制系统数据的bus端口。导航系统的整体 bus上,控制系统有一个接收测量系统数据的bus端口和一个提供数据给执行系统 一个系统构件。三个部分会使用bus构件来连接,其中测量系统会把数据输出到 使用AADL中的系统构件来表示这三个部分,所以对应的aadl文件都会包含 structure Ie fi system navigation g.6-2 Fi 图6-2导航系统文件结构 aadl onSys gati 回llavi ≥propertysets 陶T001.aadl ce.aadl 固SurveyDevi t.a毫d1 ozxUm 啕Executi aa丑 国ControlSystem 蓝pacK毫ge三 墨i兰}aadl 是整个总体部分。 是执行系统的部分,SurveyDevice.aadl是测量系统的部分,NavigationSys.aadl onUnit.aadl System.aadl是控制系统的部分,Executi 件组织如图6-2,Control 的使用,所以以上三个部分的aadl文件里都包含一个package。整个导航系统文 来提供公共工具。AADL规定所有构件都必须被组织在package里以方便其它构件 统使用一个aadl文件来整合以上三个部分,除此之外我们还需要一个aadl文件 我们将使用OSATE工具为每一个部分新建一个aadl文件,然后为整个导航系 广东工业大学硕士学位论文

6.2测量系统的设计与建模

Gyroscope device 要是用于硬件平台构件之间的连接。例如陀螺仪声明如下: 程序、参数以及子构件访问。在这里使用的是子构件访问中的总线构件访问,主 是构件类型定义的一部分,用于描述构件的对外接口,主要包括4类:端口、子 构件来表示此类测量部件,在特征中声明要用到的总线构件。构件特征(feature) 会对应一个LTU接口,收集到的数据都会从这个接口传送到总线上,可使用外设 测量系统包括陀螺仪、加速度计以及一系列的敏感器等,每一个测量部件都 Implementation Component System Nayigation Fig.6-3 图6-3导航系统的系统构件实现 (NavigationSys.Impl)数据流图如图6-3。 例如月球车导航系统的系统构件实现 会生成一个数据流图, 文件,同时会根据aaxl文件列出所有构件的图形表示,每一个系统构件的实现还 统和控制系统、执行系统。OSATE会为每一个aadl文件自动生成对应的同名aaxl access分别连接测量系统、控制系 在于整个导航系统中,导航系统提供两个bus 从以上代码可以看出测量系统、控制系统、执行系统都是以子构件的形式存 NaVigationSys.Impl; end Sys.LC; Control surveydevice.10cationprocessor reference => Actual—ProcessorBinding ControlSys.HC; to applies 第六章基于扩展的AADL的月球车信息物理融合系统的分析与设计

三个处理器,以及系统的实现(SurveyPlatform.Impl)。 整个测量系统的所有构件如图6—4,其中包括了各种测量部件,内存,总线, NavigationSys.Impl; ControlSys.LC; SurveyDevice.LocationProcessor ControlSys.HC; SurveyDevice.HeadingProcessor Actual—Proeessor_Binding=>reference ControlSys.AC; to applies SurveyDevice.AttitudeProcessor Actual—Processor_Binding=>reference properties NaVigationSys.Impl implementation system 代码如下: Actual—Processor—Binding中完成,处理器和处理进程就是这种约束关系,实现 们之间的这种对应关系必须在导航系统的系统构件实现的属性 每一个处理器处理完的数据都会传送到控制系统中对应的进程进行计算,它 输数据的。 给测量系统和执行系统使用。处理器构件和外设构件就是通过总线构件访问来传 处理器包括电源和内存,电源总线构件放在T001.aadl文件里作为公共工具提供 要一个专门的处理器来处理数据,以达到数据的快速处理和月球车的快速反应。 于收集到的数据是非常庞大的,包括各种误差和错误,所以每一个测量部分都需 从上节知道测量月球车的姿势、航向、位置都需要各自的测量部件,而且由 Gyroscope; end SurveyBus; access bus GyroscopeAccess:provides features 广东工业大学硕士学位论文

幽幽
自白


》Power 瞎Od。meterAccess 昭 》SensorData 》OdometerData D I q 》SensorDat l 髂Sensor栅ess 流图如图6—5,其中数据就是通过端口ToControl流向控制系统的,测量部件通过 上节说到每个系统构件的实现都会生成一个数据流图,属于测量系统的数据 GvroscoDe妣ess
P.6-4 T a 、 \ , , g i F 图6-4测量系统的构件 61 总线DataBus传送数据给处理器,MainPowerSupply是给处理器提供电源的总线。 system measurement the of components ower oContr01

有两组数据端口组,一组是输出,一组是输入: 里使用的是数据端口组,并且放在了T001.aadl文件里作为公共的工具。如图6-6 置为in、out端口。在端口上是允许对到达的多个事件进行排队等待处理。在这 须是一个输出端口与一个输入端口关联,否则会出错,当然也可以把一个端口设 端口是构件的特征之一,包括数据端口、事件端口和事件数据端口。端口必 给执行系统发送数据。这个整合进程和另外三个进程是通过数据端口组来传输数 的子构件。另外还需要一个进程来整合计算姿势、航向、位置三个数据,并统一 势、航向、位置时如果需要某一类型的数据,可以把这个数据构件作为进程构件 姿势、航向、位置进程都分别对应一个AADL的一个进程构件。进程在计算姿 构件属性Source—Data—Size赋值以指定数据的位数。 月球车初始位置,目标位置等。此类数据可以使用AADL的数据构件表示,可以给 一些早已存储好的数据,例如上文介绍到的星历表数据,还有方向余弦矩阵元素, 态矩阵计算、不同平台坐标之间的转换、加速度积分等,其中某些计算需要用到 行系统驱动月球车。每一部分的计算都需要一个进程,计算包括了误差补偿、姿 控制系统主要是接收测量系统的数据计算出姿势、航向、位置,然后控制执 6.3控制系统的设计与建模
gW.6-5 i F 图6-5测量系统的数据流 广东工-,Jk大学硕士学位论文 O I f data 据的。 system measurement the of

罾目

gystem i F 图6-7控制系统的构件 像星历表数据构件一样加入到系统中。 (Contr01.Impl),四个处理进程构件,还有星历表数据构件,其它数据构件可以 整个控制系统的所有构件如图6-?,其中包括了控制系统的系统构件实现 Port Data Fig.6-6 图6-6数据端口 第六章基于扩展的AADL的月球车信息物理融合系统的分析与设计 S I Contro the of member 端口传给执行系统。 量系统的数据是通过FromSurvey端口传进来的,数据处理完后通过ToExecution 控制系统的系统构件实现(Contr01.Impl)内部数据流图如图6—8所示,测 .6—7

图6—8控制系统数据流 Latency=>100 HC.f2一>HC2CC一>CC.t2{ ); Ms; AC.fl一>AC2CC->CC.fl{ 靠性分析,代码如下: 在流的实现当中,我们会规定端到端流的延迟时间,从而进行延迟分析和可 sink sink f2:flow SurveyData{Latency=>20 LocationData{Latency=>20 Ms;}; HeadingData{Latency=>20 Ms;); AttitudeData{Latency=>20 根据实际情况给予一个延迟时间,代码如下: HeadingData)都定义为源结点,将PortGroup(SurveyData)定义为目标结点,并 迟分析和可靠性分析。在这里我们将三个PortGroup(AttitudeData、LocationData、 flow)定义。端到端流的描述可以用于支持端到端延 系统的端到端流(end-to-end 个特征的连接。流实现在构件实现中定义,包括构件中流路径的具体实现或整个 path),源结点和目标结点分别是构件的特征,路径则是构件中从一个特征到另一 sink)及路径(flow source)、目标结点(fl 义,包含外部可见的源结点(flow implementation)。流规约在构件类型中定 specification)和流实现(flow (flow 流(flow)用于描述系统中信息传输的逻辑路径,流的完整描述包括流规约
gystem i F 广东工业大学硕士学位论文 s I contro 64 HC2CC—E2E:end Latency=>100 flow end to AC2CC—E2E:end sink fl:flow f3:flow f2:flow source fl:fow OW stream .6-8

星 軎鸯


Lnd-to-end f LC.f3->LC2CC->CC.f3 flOW end to E2E:end LC2CC 第六章基于扩展的AADL的月球车信息物理融合系统的分析与设计 E t 匿Inf∞(6ite,r临) 得到延迟是否满足要求。 是异步的,AADL都会计算端到端的延迟时间并与设定好的最大延迟时间进行比较, 使用OSATE工具进行分析得到结果如图6—9所示,可以看出无论是同步的还 ); Ms: 100.0眦 ll咖cy latency(As^/nchronous)40.O AC2CC—E2E is latency(Synchronous)40.0 AC2CC_E2E 1 100』)ms latency(ASynchro∞‘Js>40.0 HC2CC_E2E i letency(Syr忙hronous)40.0 HC2CC_E2E∞Icuimed flow E l ms 100.0 latency expected tess m‘is latency(ASynchronous)40.0 calculated LC2CC—E2E 6 ysi anaI stream system controI Fig.6—9 图6-9控制系统数据流分析 m5 Iaten可100.0 expected than less is ms latency(Synchronous)40.O calcuIated LC2CC_E2E flow member System Execution Fig.6—10 图6-10执行系统的构件 备构件来表示,它们之间通过端口组来传输数据。执行系统的所有构件如图6—9。 动设备还是多种多样的。进程就使用AADL的进程构件来表示,驱动设备就使用设 控制显示的数据。驱动设备也对应着一个进程来控制数据和指令的流向,因为驱 设备和驱动设备,并没有细分到推力器、驱动机等。显示设备对应着一个进程来 方向等进行移动。在设计月球车的执行系统时只是简单的分成了两个部分:显示 整个执行系统的作用是接受控制系统的数据和指令使月球车调整角度、速度、 nd*to-end nd-tc.end nd-to-毫rod atency=>100 .4执行系统的设计与建模

End-t涮fIa-Disl:d,m/*2DIM

E 譬如(4irma) 分析得到结果如图6-12所示,各个数据流的延迟都符合要求。 >; Drive.f2?>Drive2DRM一>DRM.f2{ Drive2DRM—E2E:end ); Ms; Latency=>100 Displayer.fl一>Displayer2DIM一>DIM.fl{ flow end to Displayer2DIM—E2E:end 在流实现中的代码如下: sink Ms;); sink fl:flow Ms;>; f2:flow Ms;}; ExecutionData{Latency=>20 source f1:flow (ExecutionData),代码如下: (ExecutionData)定义为源结点,对应的目标结点是DIM的PonGroup 应的目标结点是DRM的PonGroup(ExecutionData),Displayer中的PonGroup 到端延迟和可靠性,Drive中的PortGroup(ExecutionData)定义为源结点,对 上一小节我们已经介绍过流,在这一节中我们同样可以使用流来分析系统端 Fig.6—11 图6-11执行系统数据流 FroaControl 从FromControl端口接收控制系统的数据。 执行系统的系统构件实现(Execution.Impl)内部数据流图如图6—10所示, 广东工业大学硕士学位论文 n毽 100.0 I砷ency a币e咖d th-n m‘;‘ks Is,mdt叼岫.懵}40D I—嚣’cy odeulated E 100’o眦 Ie辐man∞甲ec涮l劬呻cy is ms Im朗cy(A曲仳栩口∞u5)40D Df讨e2D蹦一日I王口I∞b嘲,d flow i m‘ l|l嗍100.0 e耳崎弛d than less m‘k fIo-Di‘pI-yer2DIM—E2£口.aJlI乜ed‘矗I}卧q(Syn【d"口raI‘瑚D S anaIysi stream data System Execution Fig.6—12 图6-12执行系统数据流分析 1DO.0 Imenol 6A,..%,nam:mous)40.0 l|锚甘骱皇晖墙酬m‘_E2E 聪k alIcub刚l—托n曰 nd吨铲盯一d nd-lo-end f'd-tD刊flo—D6ve2DRM_E2E

6.5小结

可靠性,同时也简单描述了AADL的OSATE工具的使用。 换也提供了良好的接口,并简单介绍了如何使用AADL分析系统数据流的延迟性和 给出每个分系统的建模细节以及具体使用到哪些构件。各个分系统之间的数据交 量系统、控制系统、执行系统三个分系统,并对每个分系统做出了合理的建模, 本章使用AADL对月球车的导航系统进行了设计与建模,把整个系统拆分成测 第六章基于扩展的AADL的月球车信息物理融合系统的分析与设计

ica中的类与类型是很相似的。类是model 及输入输出等对外的功能接口。构件实现则描述构件的内部子构件、端口类型, 实现两个部分,可以使用一个类型来生成多个实现。构件类型只描述继承功能以 AADL和Modelica拥有同样的类型与实现的概念,AADL中构件定义为类型和 Modeliea与AADL的联系 月球车信息物理融合系统进行分析与设计。 Modelica和AADL分别在物理和软件领域有所见长,两者的结合可以很好的对 理融合系统的协作分析 第七章基于扩展的Modelica、AADL的月球车信息物 的最典型的类型声明与实现,如图7-1和图7-2。 extends关键字,这也为两种工具的转换提供理论根据。我们首先看一下AADL中 本来就是面向对象的建模,对继承可谓是天生的支持,而且modeliCa也是使用 两者都有继承的概念,AADL是通过extends关键字来实现的,而modeliCa 变量就是类的属性,算法和方程定义就是类的行为,用以描述变量之间的种种约 等,是构成modelica模型的基本单元。类的实例就是对象或组件,实例化的类称 的基本结构元素,包括非受限类module以及受限类function、block、connector (1)extends就是实现继承的功能;
C.7一I 如何连接等结构。这和model 7.1 广东工业大学硕士学位论文 e s propertie f10WS features ---一 一一一 fier identi type component uniclue extends ifier type—ident component_category 束关系。 为对象或组件的类型。类中可包含变量、子组件、函数、嵌套类、算法和方程等。 g i F I类型声明 aad 图7-I iden七ifier歹 type 类型声明中关键字的解析如下: statement Iype AADL the nd a语言

69 提供一些理论基础。上面已经提到两者都是支持继承的,在这里不再详述。对于 下面我们具体研究一下AADL中哪些可以转换到Modelica,给两者之间的联系 对应了系统功能行为的不同配置。 (5)modes模式来描述运行时体系结构的动态演化,是系统或构件的操作状态, AADL支持3种连接方式:端口连接、参数连接、访问连接。 (4)connections连接描述构件之间的交互行为包括接口的定义、数据的流向等。 (3)CallS调用子程序{ (2)Subcomponents说明使用了哪些子构件; type说明对于继承来的属性哪些需要覆盖; (1)refines 类型实现中的部分关键字解析: achieve to type AADL Fig.7—2 I类型实现 aad 图7—2 ha/he, tiOn imp.Iem钓ta end properties modes flows tions Connec calls subcomponents type refInes oame implementatiOD adotner extends impl=_mentation_name implementation component_category 属性是描述系统非功能性质的约束,而特征主要是描述构件功能接口。 标准的属性集,用户也可以根据需要定义自己新的属性。属性和特征的区别在于, (4)properties属性用于描述体系结构中的非功能属性约束条件,AADL提供了 81。 征的连接。流的实现是在构件实现中定义的H 是构件的特征,是四类接口当中的一种,路径则是构件中从一个特征到另一个特 约包含源结点、目标结点和路径,要在构件类型中定义。而源结点和目标结点都 (3)flOWS流用于描述系统中数据信息传输的路径,包括流规约和流实现。流规 台总线构件访问。 在子程序访问时输入、输出的合法数据类型,可分为共享数据构件访问和硬件平 问的子程序提供。当然还可支持调用远程子程序和其他平台语言的函数。参数是 定义子程序共享访问接口,分为访问其他部件的子程序访问和提供给其他部件访 子程序、参数和子构件访问。端口用于构件之间的数据、事件交互;子程序用于 (2)features描述构件的特征,是在构件类型中定义的,包括4类接口:端口、 第七章基于扩展的Modeliea,AADL的月球车信息物理融合系统的协作分析

Modelica定义了四种基本类型real、integer、boolean、string,同时在标准库 特征是子构件的访问,包括数据构件和总线构件的访问,在对Modelica转换时, 函数是可以供外部调用的,这符合AADL子程序调用的要求。AADL声明的最后一个 并有“input”前缀,输出形参也是以变量声明的形式定义,但前缀是“output"。 以“function”关键字定义的受限类,函数的输入形参以变量声明的形式定义, 子程序和参数特征我们可以组合起来一起转换为ModeliC8的函数,函数也是 RealSignal; SignalType; SignalType=Real; type replaceable possible)” input/output port(both RealSignal”Real 端口,而且都是双向的。RealSignal的代码如下: gnal、IntegerSignal,分别提供实数、布尔值以及整形 eanSi RealSignal、Bool ica的基础组件库中就定义了三个connector类型的端口 实现转换,在Model ica提供了受限类connector来 AADL中的features描述构件的特征端口,Model 广东工业大学硕士学位论文 Model AADL中的flo,s流是描述特征之间的一种信息传输,而特征都是可以转换为 StandardControlBus; end subControlBus”Combined StandardSubControlBus m‘gnal”; booleanSignal”Boolean Boolean integerSignal”Integer Integer signal”; realSignal2”Second SI.Velocity velocity)”; signal(angular Real 1”First realSignal SI.AngularVelocity SI=Modelica.Slunits; impom ControlBus; extends connector)” this use not bus(do control standard the up build to ”Used StandardControlBus connector expandable 展,例如有如下代码: 是一个包含各种端口的输入输出模型,我们可以定义一个标准的总线模型用以扩 PostionDistance等等几十个类型,足以满足数据构件的要求。而总线构件其实就 c i 为其实是同一个意思,我们可以aad]中的流转换为Model 端口之间的数据流。与aadl类型实现中connections连接描述构件之间的交互行 使用input和output指定为单向的端口,flows流其实就可以转换为Modelica a的一个连接。 a.Slunits中定义了各种类型和单元,包括Angle、Length、 a的受限类connector,在定义此种类型时除了可以指定为双向,也可以

7.2一个转换实例

间、线程的周期、数据等在Model modelica模型时我们可以定义一些列的属性来描述这种约束。如AADL中的执行时 es属性用于描述体系结构中的约束条件,在转换到 AADL中的properti 第七章基于扩展的Modelica、AADL的月球车信息物理融合系统的协作分析 Model c i type的功能。Model 实现了AADL中refines surveyDevice; SurveyDevice subcomponents” ”aadl NaVigationSys model 经过转换后得到modelica代码如下: NavigationSys.Impl; end ControlSys.LC; surveydevice.10cationprocessor Actual—Processor_Binding=> ControlSys.HC; to surveydevice.headingprocessor Actual—Processor—Binding=> ControlSys.AC; tO applies surveydevice.attitudeprocessor reference Actual—ProcessorBinding=> properties ControlSys.ToExecution?>ExecUnit.FromControl; conn2:bus SurveyDevice.ToControl一>ControlSys.FromSurvey; access l:bus conn connections ExeeutionUnit::Execution.Impl; ExecUnit:system ControlSystem::Contr01.Impl; ControlSys:system SurveyDevice::SurveyPlatform.Impl; SurveyDevice:system subcomponents NavigationSys.Impl implementation system 有如下代码: 最后我们以一个例子来说明这种转换,如上面说到的导航系统的整体建模, 们可以实现对AADL的modes模式转换。 五种形式,其中一种是StateSelect.always,意思是总是作为状态变量。用此我 ect,它是实行变量的一个内置属性,用于控制状态变量的选取。其值有 stateSel a中可以定义三个integer数据来表示。因为 a的其中一个高级特征是 a原生就是面向对象的建模,所以只要子类声明了和父类一样的属性名就

Modelica与AADL在月球车CPS设计中的协作

中的计算与控制的功能设计。 数据是如何传输、如何被处理的,指令要发送给哪个部件等,这样就完成了CPS 我们就可以设计月球车的整个信息物理融合系统中是如何控制不同的部件,包括 ica对各种物理部件进行设计之后,转换到AADL后 的执行系统。在使用了Model 应着AADL中的测量系统部分;轮子、悬臂、机械手、显示器等就对应着AADL中 中的如图7-3所示。例如有物理部件陀螺仪、加速度计、敏感器、图像采集器等对 文提到的各种部件,而这些部件在AADL的建模当中都是可以对应到不同子系统当 具体针对月球车信息物理融合系统就是使用Modelica进行物理建模,包括上 7.3 AADL,就能与软件工程师相互协作来完成对信息物理融合系统的分析与设计。 只需要专注于使用AADL来进行软件方面的分析。同理硬件工程师也不需要学习 师和硬件工程师带来很大的便利,软件工程师不需要理解Modelica是如何建模的, 由以上分析可知AADL和ModeliCa在理论上是可以相互转换,这给软件工程 NaVigationSys; end connect(controlSystem.ToExecution,executionUnit.FromContr01); connect(surveyDevice.ToControl,controlSystem.FromSurvey); connections” equation controlSystem.LC-surveyDevice.10cationprocessor; controlSystem.HC2surveyDevice.headingprocessor; controlSystem.AC=surveyDevice.attitudeprocessor; properties” ”aadl executionUnit; ExecutionUnit controlSystem; ControlSystem 广东工业大学硕士学位论文

图 湖 托 铎 if 第七章基于扩展的Modelica、AADL的月球车信息物理融合系统的协作分析 c i I Mode 73 AADI_ With contact lca ModeI Fig.7—3 a与AADL的联系 7-3

(2)使用多领域统一建模语言Model Modelica进行建模与仿真。 (1)使用时钟理论分析了信息物理融合系统的离散性以及连续性,并使用 =日—■,1定三E e凸ta"结与展望 创新点 广东工业大学硕士学位论文 ( 并分成了测量系统、控制系统、执行系统三个部分来进行建模。 (3)由于UML的局限性,本文使用AADL对月球车的导航系统进行了设计与建模, 物理建模与仿真,主要包括的部分有车架、轮子和悬臂。 c 模扩展,Model 物理融合系统进行建模扩展时,我们采取了多领域建模工具Modelica对其进行建 技术尤其重要,月球车的运动学分析为此打下了理论上的基础。在对月球车信息 扩展分析;同时由于月球环境非常复杂、恶劣并且充满着未知性,月球车的定位 性的系统,对此我们要分析系统的实时性,并对系统的离散性、连续性进行建模 过程的建模,同时月球车信息物理系统又是多领域的、极其复杂、具有很强实时 信息物理融合系统是一个崭新的告诉发展的领域,涉及到物理过程以及软件 全文总结 行设计,并进行了一些理论方面的研究。 iCa和AADL可以以互补的方式来对月球车信息物理融合系统进 C i 域都有很好的建模能力,并存在大量的模型库可以使用,其中我们就使用Model 74 来进行建模,最后是将整个系统整合在一起。最后我们还分析了Modelica和从DL 行建模,并提出了可以将导航系统分成测量系统、控制系统、执行系统三个部分 由于UML在嵌入式方面的一些不足,所以我们选择了AADL对月球车的导航系统进 有其在航天航空的特殊应用领域的特点,可靠性、实时性和安全性有很高的要求。 域广泛、结构极其复杂、硬件耦合性强等特点,其中月球车信息物理融合系统还 面,信息物理融合系统作为复杂的实时嵌入式软件有着其独有的规模大、涉及领 的标准库对月球车的车体、悬臂、轮子以及机械手进行扩展分析。其次在软件方 aa是一种面向对象的结构化数学建模语言,对物理过程的各个领 a对月球车信息物理融合系统进行初步的 4)提出了Model


工作展望

进行分析与设计,并将两者的结合由理论提升到实际当中。 (4)对整个月球车信息物理融合系统可以进一步将Modelica和AADL充分结合来 度性等性质。 (3)软件建模方面就是进行更加详细的验证与分析系统的可靠性、安全性、可调 整体进行分析与仿真,这是以后有待研究的地方。 (2)在物理建模方面虽然对车架、轮子、悬臂都做了分析,但并没有对月球车的 障碍等。 (1)对月球车的运动学分析不够深入,包括月球车的差速部件、转向运动、跨越 由于时间关系,本文还可以在以下四个方面来展开: 展建模仿真分析。 之间的相互联系,并指出两者的协作能很好的对月球车信息物理融合系统进行扩 总结与展望

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攻读学位期间发表的论文

3. 件,201 [1]陈明铝,张立臣.从DL对月球车导航系统的设计与建模.计算机应用与软 广东工业大学硕士学住论文

嘶谚 乡 钯 日期:b&5t多口‘ 学位论文版权使用授权声明 论文作者签名:阵研钮 学位论文独创性声明 弦蟛

日期: 段保存和汇编本学位论文。保密论文在解密后遵守此规定。 容编入有关数据库进行检索,可以采用影印、缩印、扫描或数字化等其他复制手 该论文被查阅和借阅。同意授权广东工业大学可以将本学位论文的全部或部分内 东工业大学保留并向国家有关部门或机构送交该论文的印刷本和电子版本,允许 本学位论文作者完全了解学校有关保存、使用学位论文的规定,同意授权广 日期:劢队5、;汐 由此论文所产生的权利和责任。 的任何贡献均已在论文中作了明确的说明,并表示了谢意。本人依法享有和承担 不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果。与我一同工作的同志对本研究所做 及取得的研究成果。尽我所知,除了文中特别加以标注和致谢的地方外,论文中 本人郑重声明:所呈交的学位论文是我个人在导师的指导下进行的研究工作 学位论文独创性声明 指 论 导 文 教 作 师 者 签 名

在论文完成之际,我首先要感谢我的导师张立臣教授,在硕士期间,始终得 谢 致 广东工业大学硕士学住论文 励支持,我会铭记在心。 最后,感谢我的家人一直支持我的求学梦想,二十多年给与的无私关爱和鼓 无私帮助。 们在这三年中给我的巨大帮助和支持,本课题和论文能顺利的完成离不开他们的 帮助,还有实验室的罗崇伟、李云霄、鲁川、雷瑶以及师弟

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