Система визуального конструирования временных диаграмм управляющих алгоритмов беспилотных ЛА

В настоящее время все более широкое применение во всевозможных сферах науки и техники находят сложные технические системы. Такие системы, как правило, состоят из большого числа подсистем, включающих в себя приборы и другое оборудование различного предназначения. Сложность таких систем обуславливается сложностью и разнообразием решаемых ими задач.

Внутренняя структура сложных систем обычно характеризуется многоуровневой иерархией и многообразием связей между различными элементами [78]. Кроме того, система целиком или определенные ее подсистемы могут изменять свое состояние во времени по определенному закону [66].

Любая сложная система служит для решения определенной комплексной задачи (или ряда задач). Так как каждый прибор или агрегат, входящий в систему, служит своей определенной цели и имеет ряд своих состояний, то для решения общей задачи системы необходима четкая синхронизация и согласованная работа всех приборов и подсистем на уровне смены состояний [27]. Обычно задача синхронизации возлагается на отдельно выделяемый прибор, который осуществляет все управляющие и диспетчерские функции. В последнее время все чаще в качестве такого прибора используется микропроцессор или электронно-вычислительная машина [17].

Управляющий микропроцессор должен иметь управляющие и информационные связи со всеми основными подсистемами [11]. Для обеспечения синхронной и бесперебойной работы всех подсистем он должен взаимодействовать с другими приборами по строго определенному алгоритму. Такой алгоритм называется управляющим алгоритмом (УА). В общем случае в памяти управляющего микропроцессора может находиться несколько программ, реализующих УА, предназначенные для решения различных задач и выполняемых последовательно в реальном времени.

Диссертация посвящена разработке методов математического описания и средств визуального конструирования управляющих алгоритмов.

Предметом исследования данной работы являются бортовые управляющие алгоритмы, работающие в реальном времени, и их графическое представление — временные диаграммы.

Актуальность темы

диссертации. Характерным примером сложных технических систем, состоящих из множества подсистем и приборов, являются современные летательные аппараты (JLA), несущие на себе комплекс бортовой аппаратуры (БА). Управление многими элементами БА в той или иной степени автоматизировано, что упрощает решение задачи управления JIA. Все управляющие элементы JIA объединяются в бортовой вычислительный комплекс (БВК), который должен обеспечить согласованную работу всех подсистем, приборов и датчиков БА в различных режимах функционирования [56].

Для управления работой некоторых подсистем пишутся специальные программы, размещаемые затем в памяти БВК и вызываемые им в определенные моменты времени. Управление другими подсистемами сводится лишь к посылке им управляющих воздействий и приему от них информации об их состоянии. В свете вышесказанного видно, что работа управляющей программы состоит в согласованных и синхронизированных по определенному закону вызовах подпрограмм, управляющих приборами БА, анализе показаний датчиков, выдаче команд управления. Все эти функции реализуются в соответствии с управляющим алгоритмом [48].

Учитывая высокие требования к надежности и качеству управляющих алгоритмов ДА, а также большое число различных элементов БА, становится очевидной сложность управляющего алгоритма. Обычно программа, реализующая такой алгоритм, включает сотни тысяч, а иногда и миллионы команд. Естественно, что проектирование и разработка такого алгоритма является сложной и трудоемкой задачей, возможной только с применением той или иной технологии автоматизации программирования.

В настоящее время существует несколько основных подходов к автоматизации программирования:

• Системы, использующие универсальный текстовый редактор, транслятор, ориентированный на синтаксис, и компилятор.

• Системы с усовершенствованным, узкопрофильным текстовым редактором, ориентированным на синтаксис (а нередко и семантику) определенного языка программирования.

• Системы, позволяющие построить программу из отдельных готовых модулей, библиотек, классов, компонент и т. п.

• Системы с графическим интерфейсом, дополняющим текстовое описание.

• Визуальное программирование, позволяющее формировать программу из отдельных частей в виде блок-схемы или любого другого графического представления.

Одной из наиболее перспективных и удобных для пользователя технологий является технология визуального программирования. В рамках данной технологии пользователь может, используя отдельные заранее предопределенные модули или компоненты, конструировать в графическом виде структурную схему алгоритма, получая затем текст программы на выбранном языке программирования.

Кроме того, в последнее время все большее распространение приобретают системы и комплексы программ, направленные на автоматизацию всех процессов жизненного цикла продукта. Такие программные комплексы, как правило, реализуют ту или иную CALS-технологию (Continuous Acquisition and Life cycle Support), охватывая весь жизненный цикл разработки от проектирования до реального использования [57]. В данный момент для автоматизации процесса разработки управляющих программ летательных аппаратов в ГНП РКЦ «ЦСКБ-Прогресс» используется на практике программная система ГРАФКОНТ, разработанная в Самарском государственном аэрокосмическом университете под руководством Калентьева А. А. Данная система предоставляет средства автоматизированного описания требований, проектирования и отладки управляющих алгоритмов. Однако одним из главных недостатков системы является отсутствие средств графического описания управляющих алгоритмов, что существенно осложняет работу с системой.

В диссертации предлагается подход к автоматизации разработки управляющих алгоритмов бортовой аппаратуры с использованием средств визуального программирования, оперирующих на базе графического языка и разработанной математической модели УА. В то же время предложенный подход реализуется в рамках комплекса программ ГРАФКОНТ, что позволяет дополнить визуальными средствами разработки реализованную систему.

Разработка такой технологии является актуальной в силу следующих причин:

• Сложность комплекса бортовой аппаратуры увеличивается с каждым годом, что влечет за собой увеличение сложности управляющих алгоритмов и, соответственно, сложности их написания.

• Повышенные требования к надежности и качеству управляющих алгоритмов. Ошибки при проектировании алгоритма и разработке программы могут вызвать катастрофические последствия, приводящие зачастую к потере летательного аппарата.

• Повышение эффективности труда инженеров-конструкторов, занимающихся проектированием управляющих алгоритмов за счет применения визуальных средств разработки.

• Автоматизация всего процесса разработки позволит четче координировать действия участников процесса и обеспечит удобный доступ к информации обо всех стадиях, хранимой в электронном виде.

Цель работы. Целью данной работы является повышение эффективности разработки управляющих алгоритмов путем внедрения новых графических средств автоматизации.

Основные задачи. Определены следующие основные задачи диссертации:

1. Модифицировать используемую в системе ГРАФКОНТ многовходовую модель УА таким образом, чтобы данная модель позволяла описать алгоритмы любой структуры.

2. Разработать математическую модель временной диаграммы УА, которая позволила бы описать алгоритм с использованием предопределенных графических компонентов и принимала во внимание ограничения, налагаемые на временную диаграмму. Разработать графический язык описания временных диаграмм.

3. Разработать алгоритм, позволяющий преобразовывать математическую модель временной диаграммы в многовходовую модель, и алгоритм обратного преобразования.

4. Объединив разработки, построить систему визуального конструирования временных диаграмм УА, дополняющую существующую систему разработки ГРАФКОНТ.

Наиболее существенные результаты и научная новизна. В диссертации освещены следующие полученные в ходе исследований результаты:

• Модифицирована многовходовая модель УА. Сделанные модификации позволяют говорить о многовходовой модели, как об универсальном средстве описания УА.

• Предложена математическая модель УА, ориентированная на разработчика временных диаграмм.

• Разработана система визуального конструирования, позволяющая строить временные диаграммы из отдельных элементов методом визуальной композиции.

• В рамках существующей системы ГРАФКОНТ разработан и внедрен новый подход к разработке УА, основанный на технологии визуального программирования.

В диссертации разрабатывается новая технология автоматизированного проектирования управляющих алгоритмов. Анализ подобных систем показал, что они используют различные технологии, оперирующие с текстовым представлением алгоритмов. В диссертации же предлагается система, использующая технологию визуального программирования для конструирования УА в рамках CALS-технологии.

Теоретическая значимость исследования. Одними из основных теоретических результатов исследования являются модифицированная многовходовая модель УА и разработанная математическая модель графического представления алгоритмов. Эти модели могут быть использованы для описания различных управляющих алгоритмов и для создания на их базе других автоматизированных систем.

Практическая значимость исследования. Результат исследованиясистема визуального конструирования временных диаграмм бортовых алгоритмов представляет собой законченный программный продукт. Он позволяет значительно сократить время и повысить качество разработки управляющих алгоритмов за счет использования визуальных средств разработки. Система позволяет на этапе проектирования отслеживать возможные ошибки в алгоритме и предупреждать пользователя о месте их возникновения. Кроме того, разработанная система дополняет существующую систему разработки управляющих алгоритмов, и реализует новый подход к проектированию управляющих алгоритмов.

Апробация результатов исследования. Система визуального конструирования находилась в опытной эксплуатации и была внедрена в ГНП РКЦ «ЦСКБ-Прогресс» г. Самары.

Основные положения диссертации.

1. Модификация многовходовой модели УА.

2. Математическая модель графического представления временной диаграммы УА и графический язык описания временных диаграмм.

3. Алгоритмы преобразования модифицированной многовходовой модели в модель временной диаграммы и обратного преобразования.

Структура диссертации.

Диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения.

5 Заключение.

В диссертации получены следующие результаты:

1. Произведена модификация многовходовой модели управляющего алгоритма, которая позволила сделать многовходовую модель универсальным средством описания УА. Модифицированная многовходовая модель позволяет описать временные диаграммы УА любой структуры.

2. Разработана математическая модель временной диаграммы УА, отражающая связи по времени, логике и информации в управляющем алгоритме. На базе модели реализован графический язык, позволяющий описать временную диаграмму управляющего алгоритма.

3. Разработаны следующие алгоритмы:

I. Алгоритм преобразования многовходовой модели в модель временной диаграммы;

II. Алгоритм преобразования модели временной диаграммы в многовходовую модель.

4. Реализована программная система визуального конструирования, входящая в систему разработки управляющих алгоритмов ГРАФКОНТ. Система визуального конструирования позволяет значительно сократить число пользовательских операций при создании УА. На базе системы разработан и внедрен новый подход к разработке УА, позволяющий повысить эффективность разработки за счет сокращения количества промежуточных этапов разработки и использования технологии визуального программирования.

Диссертационная работа имеет научное и практическое значение.

Разработанная модель временной диаграммы и модифицированная многовходовая модель могут быть использованы для описания управляющих алгоритмов в других системах автоматизации проектирования, использующих графические средства.

Реализованный подход к проектированию управляющих алгоритмов позволяет значительно уменьшить трудоемкость их разработки за счет использования технологии визуального программирования. При этом также решается задача повышения надежности разрабатываемых алгоритмов, а, следовательно, и надежности летательного аппарата в целом. Интеграция системы визуального конструирования в систему ГРАФКОНТ позволяет объединить участников разработки управляющих алгоритмов на всех стадиях в единый информационный процесс, что также служит повышению эффективности разработки.

Результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на X, XI и XII Всероссийских научно-технических семинарах по управлению движением и навигации летательных аппаратов (г. Самара, 2001, 2003 и 2005 гг.), VI Международном симпозиуме «Интеллектуальные системы» (г. Саратов, 2004 г.), Всероссийской (с международным участием) конференции «Информация, инновации, инвестиции» (г. Пермь, 2004 г.), VII Всероссийской с международным участием научной конференции молодых ученых и аспирантов «Новые информационные технологии. Разработка и аспекты применения» (г. Таганрог, 2004 г.).

По теме диссертации опубликовано 8 печатных работ, из них три статьи [43, 79, 80].