一种面向RoboSim模型实时系统的模型检测方法技术方案

本发明专利技术公开了一种面向RoboSim模型实时系统的模型检测方法，其特点是通过预先定义转换规则，将RoboSim模型转换为UPPAAL能识别的时间自动机网络模型，自动生成相应的TCTL性质，使用模型检测工具UPPAAL对机器人仿真模型进行模拟、验证及分析。本发明专利技术与现有技术相比具有验证效率高，且适合对机器人的物理平台和环境进行建模和验证，支持将RoboSim模型转换为时间自动机网络模型，为形式化验证RoboSim机器人仿真模型提供了一套有效的方法。

【技术实现步骤摘要】
一种面向RoboSim模型实时系统的模型检测方法
本专利技术涉及机器人仿真模型的检测
，尤其是一种面向RoboSim模型实时系统的模型检测方法。
技术介绍
目前，机器人系统的应用日益广泛，其面临的诸多安全隐患也逐渐受到人们的重视。机器人系统是一种典型的信息物理融合系统(Cyber-PhysicalSystem，CPS)，它将机器人平台与物理环境相结合，实现了计算机与现实世界的交互。由于机器人系统的开发较为复杂，投入真实环境进行仿真的成本较高，因此在系统开发初期，通常需要对系统进行仿真建模，以使系统能在仿真软件上模拟运行，减少开发成本。RoboSim是一种针对机器人系统的仿真建模语言，它是一种类似UML的独立于工具的图形化语言，主要对机器人系统的控制逻辑进行仿真建模。RoboSim模型引入执行周期的概念，以模拟机器人系统中的寄存器读写以及中间操作的周期耗时。此外，RoboSim使用通信顺序进程(CommunicationSequentialProcess，CSP)的时间版本tock-CSP定义其形式化的语义。UPPAAL是一种用于建模及验证实时系统的模型检测工具，它使用时间自动机网络(NetworksofTimedAutomata，NTA)建模需要验证的系统模型，并使用时间计算树逻辑(TimedComputationTreeLogic，TCTL)描述系统模型需要满足的性质规约。然而，RoboSim的tock-CSP语义对于时间相关性质的验证效率较低，且不适合对机器人系统的物理平台和环境进行建模和验证。
技术实现思路
本专利技术的目的是提出一种面向RoboSim模型的实时系统的模型检测方法，采用基于模板和转换规则的模型转换技术，将RoboSim模型转换为时间自动机网络模型，并自动生成基本的TCTL性质，以使用模型检测工具UPPAAL对机器人仿真模型进行模拟、验证及分析，为使用实时系统的验证工具UPPAAL验证机器人的仿真模型RoboSim提供了可行的、有效的解决方案。实现本专利技术的具体技术方案是：一种面向RoboSim模型实时系统的模型检测方法，其特点是采用模型转换技术，将RoboSim模型转换为时间自动机网络模型，并自动生成基本的TCTL性质，使用模型检测工具UPPAAL对机器人仿真模型进行模拟、验证及分析，具体包括以下步骤：S1：使用RoboSim模型编辑器设计一个RoboSim机器人仿真模型。S2：提取RoboSim模型中模块、控制器和状态机的执行周期和上下文内容，将其填入时间自动机模型模板中，生成时间自动机模型。S3：从RoboSim模型中提取状态机图的迁移关系，加入转换规则，生成时间自动机模型。S4：根据RoboSim模型，自动生成TCTL性质。S5：将步骤S2和步骤S3生成的所有时间自动机模型组合成时间自动机网络模型，并结合步骤S4生成的TCTL性质，生成能被UPPAAL识别的XML结果文件。S6：将上述结果文件用UPPAAL工具打开，进行模拟、验证与分析。所述时间自动机模型模版具体包括：S2-1：针对RoboSim模型中模块的时间自动机模型模板；S2-2：针对RoboSim模型中控制器的时间自动机模型模板；S2-3：针对RoboSim模型中状态机的时间自动机模型模板。所述转换规则具体包括：S3-1：RoboSim状态机中节点Node到时间自动机模型中建模元素的转换，其中，Node包括连接junction、初始连接initialjunction、简单状态、终止状态、带有内部动作的状态和组合状态compositestate；S3-2：RoboSim状态机中迁移Transition到时间自动机模型中建模元素的转换包括：普通迁移和带有exec触发器的迁移；S3-3：RoboSim状态机中上下文到时间自动机中建模元素的转换包括：局部变量(包括常量)、操作、事件和全局接口，其中，全局接口包括：全局变量(包括常量)、操作和事件；S3-4：RoboSim中语句和表达式到时间自动机中建模元素的转换，其中，语句包括：时钟重置、调用(操作和事件)和变量赋值；表达式包括：算数表达式、关系表达式、逻辑表达式、数据表达式和关键字。所述TCTL性质具体包括：S4-1：无死锁性A[]notdeadlock；S4-2：无输出冲突性质；S4-3：所有状态的可达性。所述能够被UPPAAL识别的XML结果文件是合并多个时间自动机模型和TCTL性质，并添加其它必须的标签生成的。所述模拟、验证及分析具体包括：S6-1：在UPPAAL工具中打开步骤S5中生成的XML文件；S6-2：在UPPAAL工具中使用模拟器对转换后的针对RoboSim模型所对应的时间自动机网络模型进行仿真；S6-3：在UPPAAL工具中使用验证器中验证自动生成的TCTL性质；S6-4：在UPPAAL工具中使用验证器添加其它想要验证的TCTL性质，进行验证；S6-5：在UPPAAL工具中使用验证器对上述验证模型进行分析，若不满足性质则可通过gettrace按钮在模拟器中找到反例路径。本专利技术与现有技术相比具有验证效率高，且适合对机器人的物理平台和环境进行建模和验证，支持将RoboSim模型转换为时间自动机网络模型，为形式化验证RoboSim机器人仿真模型提供了一套有效的方法。附图说明图1为本专利技术架构的框图；图2为针对RoboSim模型中模块的时间自动机模型模板图以及相应的局部声明模板图；图3为针对RoboSim模型中控制器的时间自动机模型模板图以及相应的局部声明模板图；图4为针对RoboSim模型中状态机的时间自动机模型模板图以及相应的局部声明模板图；图5为RoboSim元模型中部分节点Node和迁移Transition到时间自动机建模元素的转换规则示意图；图6为RoboSim元模型中带有内部动作的简单状态到时间自动机建模元素的转换规则示意图；图7为针对During动作的时间自动机模型图；图8为RoboSim元模型中上下文Context到时间自动机建模元素的转换规则示意图；图9为RoboSim元模型中语句Statement到时间自动机建模元素的转换规则示意图；图10为RoboSim元模型中表达式Expression到时间自动机建模元素的转换规则示意图；图11为实施例1的RoboSim机器人仿真模型FootBot模型图；图12为实施例1中时间自动机模型CFootBot_cycle图及局部声明；图13为实施例1中时间自动机模型Movement_cycle图及局部声明；图14为实施例1中时间自动机模型SimSMovement_cycle图及局部声明；图15为实施例1中时间自动机模型SimSMovement图及局部声明。...

【技术保护点】
1.一种面向RoboSim模型实时系统的模型检测方法，其特征在于采用模型转换技术，将RoboSim模型转换为时间自动机网络模型，并自动生成基本的TCTL性质，使用模型检测工具UPPAAL对机器人仿真模型进行模拟、验证及分析，具体包括以下步骤：/nS1：使用RoboSim模型编辑器设计一个RoboSim机器人仿真模型；/nS2：提取RoboSim模型中模块、控制器和状态机的执行周期和上下文内容，将其填入时间自动机模型模板中，生成时间自动机模型；/nS3：从RoboSim模型中提取状态机图的迁移关系，加入转换规则，生成时间自动机模型；/nS4：根据RoboSim模型，自动生成TCTL性质；/nS5：将步骤S2和步骤S3生成的所有时间自动机模型组合成时间自动机网络模型，结合步骤S4生成的TCTL性质，生成能被UPPAAL识别的XML结果文件；/nS6：将上述结果文件用UPPAAL工具打开，进行模拟、验证与分析。/n

【技术特征摘要】
1.一种面向RoboSim模型实时系统的模型检测方法，其特征在于采用模型转换技术，将RoboSim模型转换为时间自动机网络模型，并自动生成基本的TCTL性质，使用模型检测工具UPPAAL对机器人仿真模型进行模拟、验证及分析，具体包括以下步骤：
S1：使用RoboSim模型编辑器设计一个RoboSim机器人仿真模型；
S2：提取RoboSim模型中模块、控制器和状态机的执行周期和上下文内容，将其填入时间自动机模型模板中，生成时间自动机模型；
S3：从RoboSim模型中提取状态机图的迁移关系，加入转换规则，生成时间自动机模型；
S4：根据RoboSim模型，自动生成TCTL性质；
S5：将步骤S2和步骤S3生成的所有时间自动机模型组合成时间自动机网络模型，结合步骤S4生成的TCTL性质，生成能被UPPAAL识别的XML结果文件；
S6：将上述结果文件用UPPAAL工具打开，进行模拟、验证与分析。


2.根据权利要求1所述一种面向RoboSim模型实时系统的模型检测方法，其特征在于所述时间自动机模型模板具体包括：
S2-1：针对RoboSim模型中模块的时间自动机模型模板；
S2-2：针对RoboSim模型中控制器的时间自动机模型模板；
S2-3：针对RoboSim模型中状态机的时间自动机模型模板。


3.根据权利要求1所述一种面向RoboSim模型实时系统的模型检测方法，其特征在于所述转换规则具体包括：
S3-1：RoboSim状态机中节点Node到时间自动机模型中建模元素的转换，其中，Node包括连接junction、初始连接initialjunction、简单状态、终止状态、带有内部动作的状态和组合状态compositestate；
S...

【专利技术属性】
技术研发人员：杜德慧，张铭茁，张梦寒，张馨元，
申请(专利权)人：华东师范大学，
类型：发明
国别省市：上海;31