CHƯƠNG 3. MÔ HÌNH PHÂN TÍCH, THIẾT KẾ VÀ THỰC THI CỦA HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN CHO Q-UAV BẰNG CÔNG NGHỆ HƯỚNG ĐỐI TƯỢNG
3.2. Qui trình MDA tổng quát trong phát triển hệ thống điều khiển cho Q-
3.2.1. Lựa chọn MDA và RealTime UML
Như đã được trình bày trong phần Mở đầu và Chương 1, tổ chức hướng đối tượng quốc tế (OMG) đã đưa ra cách tiếp cận kiến trúc hướng mô hình (MDA) [58] kết hợp với ngôn ngữ mô hình hóa hợp nhất trong thời gian thực (RealTime UML) [15], [21], [40], [56], [63] nhằm ứng dụng trong việc phát triển các hệ thống thông tin nói chung và các hệ thống điều khiển công nghiệp nói riêng. MDA cho phép tách các đặc tả chức năng của một hệ thống độc lập với các đặc tả thực thi chức năng trên một nền công nghệ cụ thể. MDA phân chia mô hình hệ thống từ mức độ trừu tượng hóa cao cho đến mức chi tiết và cung cấp các luật chuyển đổi cho phép chuyển đổi giữa các mô hình. Các mô hình chính của MDA bao gồm: mô hình độc lập với thao tác tính toán (CIM), mô hình độc lập với nền công nghệ (PIM), mô hình theo nền công nghệ cụ thể (PSM) và sự chuyển đổi giữa các mô hình này.
MDA được xây dựng dựa trên nguyên tắc phát triển hướng theo mô hình. Các mô hình này cho phép kiểm soát các hoạt động thiết kế và xây dựng của một ứng dụng thông qua sự chuyển đổi mô hình và các mẫu cụ thể. Ba mục đích chính của MDA là tính linh hoạt, khả năng xuyên chức năng và tái sử dụng, nhằm tạo ra khả năng thích nghi với các phát triển ứng dụng công nghiệp, cụ thể là:
- Tính linh hoạt cho phép cùng một kết quả được thực hiện trên nhiều nền công nghệ khác nhau hoặc trên một nền công nghệ mới.
- Khả năng xuyên chức năng được sử dụng để tạo ra các hệ thống có thể tích hợp và liên hệ một cách dễ dàng với các hệ thống khác; hơn nữa, các hệ thống đó có thể sử dụng được những ứng dụng nguồn khác nhau.
- Tính tái sử dụng cho phép một giải pháp có thể được kế thừa trong rất
78
nhiều ứng dụng khác nhau trong những ngữ cảnh khác nhau.
Bên cạnh đó, RealTime UML dùng để mô tả trực quan, xây dựng và lập tài liệu các thành phần của các ứng dụng phần mềm điều khiển trong các hệ thống thời gian thực và hệ thống nhúng. RealTime UML bao gồm tất cả các ký hiệu mô hình hóa của UML, ngoài ra nó còn đưa ra các ký hiệu mô hình hóa: gói, cổng, giao thức và bộ kết nối nhằm mô hình hóa các hệ thống điều khiển trong công nghiệp.
Do đó, luận án đã lựa chọn như sau: MDA làm kiến trúc nền tảng và RealTime UML là ngôn ngữ trực quan để mô hình hóa các pha phân tích và thiết kế dựa theo ROPES đã được mô tả ở trên đây trong việc phát triển hệ thống điều khiển Q-UAV có ứng xử được mô tả bởi HA.
3.2.2. Qui trình MDA thực thi cho hệ thống điều khiển Q-UAV
Xuất phát từ mô hình động lực học trong điều khiển Q-UAV kết hợp với đặc điểm của hệ thống động lực lai (HDS), luận án đề xuất phân tích, thiết kế và thực thi mô phỏng hệ thống điều khiển này như một HDS công nghiệp và có ứng xử điều khiển được mô hình hóa bởi Automate lai (HA). Từ đó, kết hợp với các đặc trưng của MDA kết hợp với RealTime UML và ROPES, luận án đưa ra ở đây tổng quan một quy trình MDA thực thi trong thời gian thực, nhằm phát triển một cách hệ thống cho hệ thống điều khiển của Q-UAV và có thể tái sử dụng qui trình này trong các ứng dụng điều khiển khác nhau cho các MUAV dạng chong chóng mang và cất cánh thẳng đứng (VTOL). Quy trình này được mô tả như trên hình 3.2.
- Automate lai (HA) và Cộng tác đối tượng với UML được đặc tả trong CIM, nó cho phép phân tích cấu trúc và ứng xử điều khiển của Q-UAV. Theo đặc điểm của CIM, cộng tác đối tượng UML nhằm mô tả đối tượng nghiệp vụ của Q-UAV thông qua mô hình trường hợp sử dụng, sơ đồ tác động ảnh hưởng và máy trạng thái; bên cạnh đó, HA được dùng để mô tả các ứng xử toán học của hệ thống điều khiển, ví dụ: vị trí - các chế độ hoạt động, biến
79
trạng thái, sự kiện, dịch chuyển trạng thái, đại lượng bất biến, dòng liên tục và các tham số vị trí/biến trạng thái ban đầu.
Hình 3.2. Tổng quan về quy trình MDA trong thời gian thực cho hệ thống điều khiển Q-UAV
- Mô hình thiết kế với Real-Time UML chỉ ra PIM trong toàn bộ các giai đoạn thiết kế các phần tử điều khiển của hệ thống. Những mô hình này được mô tả thông qua sử dụng bởi các gói, cổng, giao thức, bộ kết nối và các lớp hoặc đối tượng thực thể (dữ liệu) kèm theo tương tác giữa chúng bởi các sơ đồ tĩnh và động trong RealTime UML.
- Mô hình mô phỏng và thực thi hướng đối tượng (OO) được sử dụng để đưa ra PSM của hệ thống này nhằm thực hiện giai đoạn mô phỏng, thi hành và một phần kiểm định tích hợp hệ thống. Mô hình mô phỏng hướng đối tượng trước hết được sử dụng trong PSM để đánh giá về mặt lý thuyết hiệu năng và chức năng điều khiển; từ đó cho phép dễ dàng xác định các phần tử thiết kế điều khiển của hệ thống trước khi chúng được thực thi và triển khai.
Sau đó, mô hình thi hành hướng đối tượng được phát triển trong PSM nhằm thực hiện giai đoạn triển khai trên các nền công nghệ cụ thể được hỗ trợ bởi các ngôn ngữ lập trình hướng đối tượng, như C ++, Java, Ada, IEC61499,
80
v.v… và nạp các chương trình điều khiển trên các bộ vi xử lý hoặc bộ lập trình lô gíc tương thích.
Ngoài ra, luật chuyển đổi cho phép các CIM được xác định chuyển đổi thành PIM và tiếp theo chuyển đổi các PIM vào một PSM cụ thể. Trong quá trình chuyển đổi, có tồn tại các vết theo dõi chuyển đổi cho phép theo dõi quá trình chuyển đổi này giữa các mô hình.
Trong các mục tiếp theo của chương này, luận án sẽ mô tả chi tiết các thành phần của qui trình này.