《基于可靠性的海洋機(jī)器人軟件建模方法及仿真》系統(tǒng)地介紹了海洋機(jī)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(jī)器人軟件開發(fā)的實(shí)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(jī)器人控制系統(tǒng)軟件為背景,給出了應(yīng)用實(shí)例和可靠性分析數(shù)據(jù)。同時(shí),書中還介紹了為保障軟件可靠性和進(jìn)行軟件集成測(cè)試而搭建的海洋機(jī)器人仿真平臺(tái),并給出了其體系結(jié)構(gòu)和仿真試驗(yàn)結(jié)果。
《基于可靠性的海洋機(jī)器人軟件建模方法及仿真》是海洋機(jī)器人軟件設(shè)計(jì)開發(fā)方面的高級(jí)讀物,適用于智能機(jī)器人領(lǐng)域和軟件工程領(lǐng)域的高級(jí)研究人員,同時(shí)對(duì)初級(jí)軟件設(shè)計(jì)開發(fā)人員也有一定的幫助。
隨著海洋開發(fā)工程的推廣,海洋機(jī)器人(水下機(jī)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(yùn)而生。它是先進(jìn)機(jī)器人技術(shù)在水下的特殊應(yīng)用,是機(jī)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(jī)器人在科學(xué)研究(海底地形測(cè)繪、海洋學(xué)研究、水文地理研究、水道測(cè)量研究、環(huán)境監(jiān)測(cè))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(huì)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(dá)國家越來越強(qiáng)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(kuò)展,它將成為未來水下戰(zhàn)爭中爭奪信息優(yōu)勢(shì)、實(shí)施精確打擊與智能攻擊、完成戰(zhàn)場(chǎng)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(jìn)展,如今的海洋機(jī)器人系統(tǒng)越來越復(fù)雜,功能也越來越強(qiáng)大。然而,正是由于功能的強(qiáng)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(duì)系統(tǒng)。中加載的各類硬件設(shè)備的單項(xiàng)試驗(yàn)技術(shù)已經(jīng)較為成熟,加上經(jīng)過仿真試驗(yàn)、水池試驗(yàn)和海上試驗(yàn)的檢驗(yàn)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(qiáng)大,軟件系統(tǒng)暴露出的問題日漸增多,同時(shí),由于沒有適合系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)建模方法,加上仿真系統(tǒng)、測(cè)試環(huán)境與實(shí)際海洋環(huán)境的巨大差異,使得海洋機(jī)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(píng)價(jià)體系。
第1章 緒論
1.1 什么是海洋機(jī)器人
1.2 海洋機(jī)器人的可靠,陸
1.3 水下機(jī)器人的發(fā)展現(xiàn)狀和研究動(dòng)態(tài)
1.4 水面無人艇的發(fā)展現(xiàn)狀和研究動(dòng)態(tài)
1.5 海洋機(jī)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(jī)器人軟件可靠性研究
1.5.4 海洋機(jī)器人軟件建模技術(shù)研究現(xiàn)狀
1.5.5 海洋機(jī)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(jī)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(shí)現(xiàn)
2.4.4 參變量的多態(tài)性
2.4.5 對(duì)象間的消息傳遞
2.4.6 對(duì)象實(shí)例化
2.5 SPN模型的展開
2.6 HOOPN模型的可達(dá)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(shí)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(dòng)轉(zhuǎn)化方法
4.1 本體概念的語義層次
4.2 基于本體映射的模型自動(dòng)轉(zhuǎn)化步驟
4.3 相似度計(jì)算模型
4.3.1 基于特征的相似度計(jì)算
4.3.2 基于語義的相似度計(jì)算
4.3.3 綜合相似度計(jì)算策略
4.4 實(shí)驗(yàn)對(duì)比
4.4.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)
4.4.2 評(píng)估方法
4.4.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果
4.4.4 與已有方法比較
4.5 分析與評(píng)價(jià)
第5章 AUV軟件系統(tǒng)的SPN模型
5.1 基于語義Petri網(wǎng)的AUV可靠性分析方法
5.2 AUV系統(tǒng)的UML模型
5.3 AUV系統(tǒng)的HOOPN模型
5.4 AUV控制系統(tǒng)可靠性分析
第6章 海洋機(jī)器人分布式仿真系統(tǒng)設(shè)計(jì)
6.1 仿真系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)
6.1.1 硬件體系結(jié)構(gòu)
6.1.2 軟件體系結(jié)構(gòu)
6.1.3 信息集成中間件的體系結(jié)構(gòu)
6.2 水下機(jī)器人六自由度水動(dòng)力學(xué)仿真
6.2.1 坐標(biāo)系和運(yùn)動(dòng)學(xué)方程
6.2.2 力、力矩和加速度
6.2.3 速度和位姿
6.2.4 水下機(jī)器人的動(dòng)力學(xué)方程
6.3 環(huán)境仿真
6.3.1 潮流的特點(diǎn)
6.3.2 潮流的運(yùn)動(dòng)方程及求解
6.3.3 流函數(shù)生成海流場(chǎng)
6.4 水下機(jī)器人仿真試驗(yàn)
6.4.1 半實(shí)物仿真
6.4.2 遠(yuǎn)距離未知區(qū)域偵察試驗(yàn)
6.4.3 管道跟蹤過程仿真
6.4.4 遠(yuǎn)距離自主采樣過程仿真
后記
參考文獻(xiàn)
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(jī)交互界面,使其更加實(shí)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(yuǎn)程化、智能化發(fā)展,其活動(dòng)范圍在250km~5000 km的半徑內(nèi)。這就要求有能保證其長時(shí)間工作的動(dòng)力源。
(3)群體機(jī)器人成為現(xiàn)實(shí)。協(xié)同作業(yè),共同完成更加復(fù)雜的任務(wù)是機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)。水下機(jī)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(jī)器人相互之間及機(jī)器人與人之間的通信與磋商機(jī)理,完成群體行為控制、監(jiān)測(cè)、管理及故障診斷,實(shí)現(xiàn)群體作業(yè)。
隨著上述發(fā)展方向的展開,近年來機(jī)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(duì)成熟,為此,國內(nèi)外很多學(xué)者為提高海洋機(jī)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(shí),丟失了一臺(tái)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(jī)器人必須具備較強(qiáng)的可靠性,否則,難以應(yīng)對(duì)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(bào)告中開始對(duì)水下機(jī)器人的冗余容錯(cuò)技術(shù)開展專題討論。該報(bào)告認(rèn)為,目前水下機(jī)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(shí)施,提高完成任務(wù)的可靠性。報(bào)告認(rèn)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(jì)算平臺(tái);另一方面,必須建立起完善的檢錯(cuò)機(jī)制,這是因?yàn)殪o態(tài)的故障容易被發(fā)現(xiàn),而動(dòng)態(tài)錯(cuò)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(gè)傳感器報(bào)了錯(cuò)誤數(shù)據(jù),可能是偶然,也有可能是其徹底失效的前兆,時(shí)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。