一种机器人关节通信系统模型的验证方法及系统技术方案

本发明专利技术涉及一种机器人关节通信系统模型的验证方法及系统，所述方法包括：采用形式化方法对基于CAN现场总线型控制系统进行建模分析，其中需要对系统进行模型抽象，再进行形式建模与验证，判断时间自动机是否满足正确性和实时性，若不满足正确性则对系统方案重新规划，若不满足实时性，则通过部署动态优先级策略提升实时性，本发明专利技术提供的技术方案，采用形式化描述的方式建立时间自动机模型并在UPPAAL工具中验证时间自动机的正确性与实时性，若不满足实时性约束条件则部署动态优先级策略。

【技术实现步骤摘要】
一种机器人关节通信系统模型的验证方法及系统
本专利技术涉及机器人通信领域，具体涉及一种机器人关节通信系统模型的验证方法及系统。
技术介绍
机器人应用领域越来越广泛，已经不仅仅局限于工业，由于市场的需求，大量服务型机器人开始应用于医疗和家庭。由于机器人通信系统的复杂性、高并发性和对实时性的高要求性，保证机器人精确和实时的完成预期动作非常重要，特别是在机器人分布式节点间的信息传输中，通信时延必须满足规定响应时间的需求，否则将影响系统的稳定性或导致系统出错、奔溃。CAN总线协议规范中用信息静态优先级策略进行通信，可以基本保证实时性，但是随着CAN总线上节点的增多和对实时性要求的提高，静态优先级策略不能满足节点间传输的时延需求。目前对CAN总线协议的验证主要集中在电动汽车的控制系统中，在这些对CAN协议的验证方法中主要采用的是传统的测试、模拟和仿真的方法，然而这三种方法都有一定的局限性，不能覆盖所有的执行路径，所以会导致验证结果不完善。传统的测试方法是在设计的最后阶段借助实体机搭建测试平台进行参数设定和测试，这种方法需要在最后阶段才能进行，并且测试过程中参数的设定有限，导致测试结果不精确。传统的模拟和仿真方法主要是利用计算机软件进行环境模拟个动作仿真，进而进行通信分析，但是这种方法依赖硬件，提供的参数设置也有限，同样会导致验证结果不完善。
技术实现思路
本专利技术提供一种机器人关节通信系统模型的验证方法及系统，其目的是为了在设计初期保证系统设计的完善性，避免设计阶段的漏洞，严谨且系统的验证并分析CAN总线在机器人通信中的正确性和实时性，提高基于CAN总线的机器人关节系统通信的正确与实时性。本专利技术的目的是采用下述技术方案实现的：一种机器人关节通信系统的建模与验证的方法，其改进之处在于，包括：判断机器人关节通信系统中的通信节点的时间自动机模型是否满足正确性约束；若不满足正确性约束，则重新构建机器人关节通信系统中通信节点的时间自动机模型；若满足正确性约束，则判断通信节点的时间自动机模型是否满足实时性约束；若满足实时性约束，则结束操作；若不满足实时性约束，则将该通信节点的数据帧传输原优先级修正为最高优先级,所述该通信节点的数据帧传输完毕后，将该通信节点的数据帧传输的优先级恢复为该通信节点的数据帧传输的所述原优先级；所述通信节点利用CAN总线传输数据帧。优选的，所述重新构建机器人关节通信系统中通信节点的时间自动机模型，包括：根据机器人节点通信系统中通信节点的运行状态，利用UPPAAL工具构建机器人节点通信系统中通信节点的时间自动机模型。优选的，所述判断机器人关节系统的中通信节点的时间自动机模型是否满足正确性约束，包括：当利用UPPAAL工具检测所述通信节点的时间自动机模型满足所有约束指标时，则所述时间自动机模型满足正确性约束；否则，不满足正确性约束；所述约束指标包括时间自动机模型处于不死锁状态、时间自动机模型处于关节通信节点能成功接收主控制器发送的控制命令状态、时间自动机模型处于不同优先级的通信节点能够向所述主控制器反馈信息状态、时间自动机模型处于下位关节通信节点之间不可通信状态、时间自动机模型处于同一时刻总线上只有一个通信节点传输数据状态、时间自动机模型处于同一时刻有多个通信节点请求发送数据状态和时间自动机模型处于高优先级节点总能获得总线权状态。优选的，所述判断通信节点的时间自动机模型是否满足实时性约束，包括：利用UPPAAL工具检测所述通信节点的时间自动机模型的数据帧传输请求仲裁失败的次数是否超过阈值，若是，则不满足实时性约束，若否，则满足实时性约束。一种机器人关节通信系统模型的验证系统，其特征在于，所述系统包括：第一判断单元，用于判断机器人关节通信系统中的通信节点的时间自动机模型是否满足正确性约束；构建单元，用于若不满足正确性约束，则重新构建机器人关节通信系统中通信节点的时间自动机模型；第二判断单元，用于若满足正确性约束，则判断通信节点的时间自动机模型是否满足实时性约束；结束单元，用于若满足实时性约束，则结束操作；修正单元，用于若不满足实时性约束，则将该通信节点的数据帧传输原优先级修正为最高优先级,所述该通信节点的数据帧传输完毕后，将该通信节点的数据帧传输的优先级恢复为该通信节点的数据帧传输的所述原优先级；所述通信节点利用CAN总线传输数据帧。优选的，所述构建单元，包括：用于根据机器人节点通信系统中通信节点的运行状态，利用UPPAAL工具构建机器人节点通信系统中通信节点的时间自动机模型。优选的，所述第一判断单元，包括：判断模块，当利用UPPAAL工具检测所述通信节点的时间自动机模型满足所有约束指标时，则所述时间自动机模型满足正确性约束；否则，不满足正确性约束；状态模块，所述约束指标包括时间自动机模型处于不死锁状态、时间自动机模型处于关节通信节点能成功接收主控制器发送的控制命令状态、时间自动机模型处于不同优先级的通信节点能够向所述主控制器反馈信息状态、时间自动机模型处于下位关节通信节点之间不可通信状态、时间自动机模型处于同一时刻总线上只有一个通信节点传输数据状态、时间自动机模型处于同一时刻有多个通信节点请求发送数据状态和时间自动机模型处于高优先级节点总能获得总线权状态。优选的，所述第二判断单元，包括：利用UPPAAL工具检测所述通信节点的时间自动机模型的数据帧传输请求仲裁失败的次数是否超过阈值，若是，则不满足实时性约束，若否，则满足实时性约束。本专利技术的有益效果：本专利技术提供的技术方案，将基于CAN总线的机器人系统与模型检测方法连接起来，使用形式化方法对基于CAN总线的机器人关节系统进行建模分析，先对系统进行模型抽象，再进行形式化建模和自动验证，并在UPPAAL中实现主控制器、关节控制器、收发器、仲裁器和CAN总线的时间自动机模型，最后对基于CAN总线的机器人关节系统进行正确性和实时性验证，随着总线上关节节点数增多，实时性降低，因此在形式化模型中加入改进的动态优先级策略，可以减小低优先级节点的仲裁时延，同时还可以加大CAN总线的节点负载量，为系统设计提供有效的指导和参考。附图说明图1是本专利技术提供的一种基于CAN总线的机器人关节系统通信方法的流程图；图2是本专利技术提供的实施例中形式化构架；图3是本专利技术提供的实施例中主控制器状态图；图4是本专利技术提供的实施例中关节控制器状态图；图5是本专利技术提供的实施例中主控制器的时间自动机；图6是本专利技术提供的实施例中关节控制器的时间自动机；图7是本专利技术提供的实施例中收发器的时间自动机；图8是本专利技术提供的实施例中仲裁器的时间自动机；图9是本专利技术提供的实施例中总线的时间自动机；图10是本专利技术提供的一种基于CAN总线的机器人关节系统通信系统的结构示意图。具体实施方式下面结合附图对本专利技术的具体实施方式作详细说明。为使本专利技术实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本专利技术实施例中的附图，对本专利技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本专利技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本专利技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本专利技术保护的范围。在机器人通信中，服务型机器人的任务具有并发性和高实时性的要求，因此如何根据总线协议规范和应本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种机器人关节通信系统模型的验证方法，其特征在于，所述方法包括：判断机器人关节通信系统中的通信节点的时间自动机模型是否满足正确性约束；若不满足正确性约束，则重新构建机器人关节通信系统中通信节点的时间自动机模型；若满足正确性约束，则判断通信节点的时间自动机模型是否满足实时性约束；若满足实时性约束，则结束操作；若不满足实时性约束，则将该通信节点的数据帧传输原优先级修正为最高优先级,所述该通信节点的数据帧传输完毕后，将该通信节点的数据帧传输的优先级恢复为该通信节点的数据帧传输的所述原优先级；所述通信节点利用CAN总线传输数据帧。

【技术特征摘要】
1.一种机器人关节通信系统模型的验证方法，其特征在于，所述方法包括：判断机器人关节通信系统中的通信节点的时间自动机模型是否满足正确性约束；若不满足正确性约束，则重新构建机器人关节通信系统中通信节点的时间自动机模型；若满足正确性约束，则判断通信节点的时间自动机模型是否满足实时性约束；若满足实时性约束，则结束操作；若不满足实时性约束，则将该通信节点的数据帧传输原优先级修正为最高优先级,所述该通信节点的数据帧传输完毕后，将该通信节点的数据帧传输的优先级恢复为该通信节点的数据帧传输的所述原优先级；所述通信节点利用CAN总线传输数据帧。2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述重新构建机器人关节通信系统中通信节点的时间自动机模型，包括：根据机器人节点通信系统中通信节点的运行状态，利用UPPAAL工具构建机器人节点通信系统中通信节点的时间自动机模型。3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述判断机器人关节系统的中通信节点的时间自动机模型是否满足正确性约束，包括：当利用UPPAAL工具检测所述通信节点的时间自动机模型满足所有约束指标时，则所述时间自动机模型满足正确性约束；否则，不满足正确性约束；所述约束指标包括时间自动机模型处于不死锁状态、时间自动机模型处于关节通信节点能成功接收主控制器发送的控制命令状态、时间自动机模型处于不同优先级的通信节点能够向所述主控制器反馈信息状态、时间自动机模型处于下位关节通信节点之间不可通信状态、时间自动机模型处于同一时刻总线上只有一个通信节点传输数据状态、时间自动机模型处于同一时刻有多个通信节点请求发送数据状态和时间自动机模型处于高优先级节点总能获得总线权状态。4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述判断通信节点的时间自动机模型是否满足实时性约束，包括：利用UPPAAL工具检测所述通信节点的时间自动机模型的数据帧传输请求仲裁失败的次数是否超过阈值，若是，则不满足实时性约束，若否，则满...

【专利技术属性】
技术研发人员：李晓娟，关永，孟瑶，王瑞，施智平，张倩颖，谈金东，邵振洲，张杰，王国辉，刘永梅，吴敏华，
申请(专利权)人：首都师范大学，
类型：发明
国别省市：北京,11