月球车UML可视化建模及3D仿真研究

摘要

在我国的嫦娥二期探月工程中月球探测机器人(月球车)的导航控制(Guidance，Navigation and Control，GNC)子系统是包含环境感知、路径规划、实时避障、运动控制等多个子系统的复杂实时系统。GNC系统软件的设计开发涉及机械学、动力学、运动学、嵌入式电子、软件设计多个学科，需要不同知识背景的开发人员共同参与。为协调和统一系统开发过程，同时便于开发人员交流，本论文采用面向对象领域最新研究成果UML(Unified Modeling Language)和实时 UML(LML for Real-Time,UML-RT)技术对GNC系统进行可视化建模和开发；在构建GNC系统实时模型的基础上，利用丰富的开源软件资源构建月球车实时系统的3D测试环境，具体工作如下： 在分析月球车GNC系统软件开发特点和UML-RT特性的基础上，提出应用UML可视化建模开发方法进行GNC系统的软件建模和开发；在试用和调研几款主流实时UML工具基础上确定具体开发环境配置方案，实时UML工具选择Rational Rose Realtime；讨论了Rational Rose Realtime在特定目标环境下的具体配置问题；在Rational实时统一开发过程的指导下进行GNC系统软件的需求分析、系统静态建模、动态建模、实时代码生成、系统实现部署和系统测试。应用可视化建模方法不仅能实现GNC系统开发的科学规范化管理，而且可以有效提升系统设计质量和加速系统开发进度。 为方便GNC实时系统设计和算法验证，利用丰富的开源软件资源开发了月球车3D仿真环境。使用开源3D建模套件Blender建立月球车3D仿真模型；利用开源3D开发库Open Scene Graph(OSG)开发月球车3D仿真验证环境，包括地形生成、导航器、路径规划、场景浏览器等的设计；最后探讨了OSG在嵌入式实时系统中应用的可能性，进而利用OSG库提供的丰富数据结构和先进内部机制将GNC系统软件的UML-RI可视化建模和月球车桌面3D仿真统一起来，为整个月球车软件系统的设计提供一致的开发基础。

目录

文摘

英文文摘

声明

第1章绪论

1.1研究背景

1.2复杂智能系统UML建模和仿真开发的国内外研究概述

1.3本文的研究内容和组织结构

第2章UML建模和本文使用的开源资源

2.1 UML面向对象的可视化建模方法

2.1.1面向对象建模方法

2.1.2 UML可视化建模

2.2 UML-RT扩展和开发过程

2.2.1 UML-RT实时系统建模

2.2.2 Rational Rose RealTime概述

2.3开源运动与使用的开源软件

2.3.1开源软件运动

2.3.2本文使用的开源软件

2.4本章小结

第3章月球车GNC系统UML-RT建模开发

3.1引言

3.2月球车GNC系统概述

3.2.1月球车GNC系统描述及样机平台

3.2.2月球车GNC系统工作过程

3.2.3月球车GNC系统结构

3.3基于Rose RT的建模开发环境建立

3.3.1基于Rose RT的实时软件开发环境建立

3.3.2本文实验的详细配置

3.4月球车GNC系统用例建模

3.4.1实时UML用例建模基本概念

3.4.2 GNC系统的用例模型

3.5月球车GNC系统静态建模和动态建模

3.5.1基本概念

3.5.2通信与交互机制

3.5.3系统包结构和系统层次

3.5.4子系统设计方法和基础数据结构

3.6系统实现部署和测试

3.6.1基本概念

3.6.2系统组件图

3.6.3实时代码生成

3.6.4系统部署图

3.6.5系统测试运行及存在问题的解决办法

3.7本章小结

第4章月球车3D仿真系统设计和实现

4.1引言

4.2月球车仿真开发环境

4.2.1各种3D引擎的比较

4.2.2 OSG开发中的基本概念和层次结构

4.3基于OSG的月球车仿真系统设计

4.3.1系统3D构成

4.3.2月球车三维模型的建立和导入

4.3.3月面环境和地形生成

4.3.4月球车路径规划的3D实现

4.3.5月球车位姿确定和路径跟踪

4.3.6月球车运动动力学仿真

4.3.7月球车仿真环境

4.4对系统进一步开发的建议

4.4.1 OSG在嵌入式实时开发中的应用

4.5本章小结

结论和展望

参考文献

攻读硕士学位期间所发表的学术论文

致谢