[发明专利]一种ROS底层通讯机制的形式化建模与验证方法

说明书

本发明公开了一种ROS底层通讯机制的形式化建模与验证方法，首先根据ROS的开源代码，提取出来ROS底层通讯机制的模块、功能和规则；建立其关于底层主题通信机制的形式化模型；根据“发布/订阅”通讯机制，提取出关键性质，用时态逻辑语言来描述性质；设计ROS应用实例，使用形式化验证工具，通过结合应用实例和所建立的形式化模型，对时态逻辑语言描述的关键性质进行验证；根据验证结果和过程，对ROS的“发布/订阅”通讯机制进行分析。本发明应用到包含了三个互相订阅的节点的ROS具体实现，通过形式化验证，来提高ROS及ROS应用实现的无死锁性、可达性、活性与正确性。

技术领域

本发明属于机器人操作系统(ROS)技术领域，具体涉及一种ROS底层通讯机制的形式化建模与验证方法。

背景技术

机器人技术极大的丰富便利了我们的生活，随着软硬件技术的发展，家居、环保、工业生产、医疗保健以及军事活动等领域都越来越依赖机器人技术，另一方面，随着机器人技术在各行各业的蓬勃发展，和人类之间的交互越来越频繁，一旦机器人出现错误，极有可能会导致灾难性的后果。这就要求机器人系统对于各个节点间通信的安全性与可靠性有着极高的要求。近些年来，机器人操作系统(ROS)受到了工业界与学术界的广泛高度关注，成为机器人应用程序开发的流行框架。

机器人操作系统(ROS)是一种开源的操作系统中间件，用来在统一的编程过程中开发机器人软件。ROS为分布式计算集群提供了一个结构化的通信层。在ROS的支持下，不同的机器人功能模块可以单独设计，作为ROS的节点进行运行。多个ROS节点可以实现基于TCP/IP的点对点通信，这些节点可以分布式地运行在通过网络连接的多台计算机上，同时ROS通信也是语言独立的，主节点负责存储所有节点的主题和服务信息，这是两种通信机制，主题通信是基于发布订阅机制，是异步的通信机制。服务通信为同步通信设计，但是他的底层同样是主题通信的简化版本。

ROS本身的可靠性直接影响了所有基于ROS的机器人应用的安全性，因此，验证ROS通信层的正确性有着重要意义。为了保证基于ROS的机器人应用的信息交流，ROS的通信层主要使用的是基于“发布/订阅”机制的主题通信。为了保证ROS的可靠性正确性，ROS相关的开发就需要保证一些重要的性质。一般的ROS性质描述是个人提取并进行描述的，个人提取并进行描述的性质不可避免会存在二义性，这样在实现和测试过程中都会给相关工作带来误导。

发明内容

为了解决现有技术存在的不足，本发明的目的是提出了一种针对ROS底层通讯机制的形式化建模与验证方法及其应用。

本发明对ROS的主题通信所使用的“发布/订阅”机制进行形式化建模，提出了一个详细的ROS特征模型，并对“发布/订阅”通讯机制中的与ROS相关的关键性质进行了形式化表述，根据模型对ROS的主题通信机制的这些关键特性进行了验证。本发明方法建立了ROS的主题通信的形式化模型，并通过模型检测方法验证机器人应用是否满足性质规范，保证该性质规范在任何时候都是成立的。将形式化建模的方法引入ROS中，可以提高其安全性和正确性，本发明所述方法包括以下步骤：

步骤一：根据开源的ROS实现源码，提取出ROS包含的各个功能模块，以及各模块的功能和规则描述，然后建立其关于底层主题(topic)通信机制的形式化模型；

步骤二：从一般语言描述的“发布/订阅”通讯机制中提取需要验证的关键性质，并用时态逻辑语言来描述性质；所述关键性质包括：无死锁性、可达性、活性与正确性；

步骤三：使用形式化验证工具UPPAAL，通过所建立的形式化模型，结合具体的ROS应用实例，对提取的关键性质进行形式化验证，并对验证结果进行分析。

步骤四：根据步骤三的分析结果，如果所建立的形式化模型不满足所有关键性质，则修改ROS源代码或对ROS应用程序进行改进，直至满足所有关键性质；如果满足所有关键性质，则无需进行改进，获得正确的ROS代码或ROS发布订阅应用程序。