Диссертация (1148272), страница 31
Текст из файла (страница 31)
A.2: Движение по линии.Интуитивная понятность программы обеспечивается приёмом, часто используемым при проектировании предметно-ориентированных языков: для изображения блоков используются иконки с изображениями, понятными людям, видевшимробот. На блоках управления моторами нарисованы моторы Mindstorms NXT,блоки работы с датчиками выполнены более абстрактно, но тоже интуитивно161понятны. Это позволяет успешно пользоваться средой даже людям, которыевпервые её видят, но знакомы с конструктором.
Кроме того, оказалось важно, чтосвязи рисуются со стрелками на концах, в других средах связи стрелок не имели,и пользователи обратили на это внимание — со стрелками им показалось гораздопонятнее. Это оказалось довольно неожиданным, поскольку направления связейвсегда очевидны, и стрелки создавались исключительно как декоративные элементы — для пользователей предметно-ориентированного языка может оказатьсяважным то, что кажется совершенно неважным авторам языка.A.1.6.
Инструментальные средства QReal:RobotsС помощью технологии QReal оказалось легко создать визуальный язык иредактор для него, однако инструментальные средства, такие как симуляторробота (далее называемый «двухмерная модель»), интерпретатор диаграмм,управляющий роботом удалённо, генератор кода для загрузки на робота пришлосьсоздавать вручную. Ниже представлен краткий обзор созданных вручную инструментальных средств.Наиболее объёмным по коду и сложным в реализации является интерпретатордиаграмм.
Интерпретатор принимает на вход репозиторий с диаграммой поведения робота и исполняет её, в зависимости от режима, либо на настоящем роботепосылкой ему команд по интерфейсу Bluetooth или USB, либо на двухмерноймодели робота. Интерпретатор создавался с учётом следующих требований.1. Возможность исполнять программу, управляя роботом по Bluetooth илиUSB, в зависимости от выбора пользователя.2. Возможность исполнять программу на двухмерной модели робота. Двухмерная модель должна эмулировать окружение, способное взаимодействовать со всеми видами сенсоров — должна быть возможность задать положение стен, фиксируемых датчиками касания и расстояния и непроходимыхдля робота, и разноцветных линий на полу, видимых для датчиков света ицвета.3. Архитектура интерпретатора должна позволять быстро (в течение единицчасов) добавлять поддержку новых блоков визуального языка и новых162видов оборудования.
Должна быть возможность относительно просто и безсерьёзных изменений в архитектуре поддержать новые виды устройств,включая другие робототехнические конструкторы, отличные от NXT, ноимеющие схожую архитектуру.Архитектура интерпретатора представлена на рисунке A.3.Рис. A.3: Архитектура интерпретатора.Главный класс, который предоставляет свои функции графическому интерфейсу пользователя и может быть вызван из ядра системы — Interpreter.Он содержит в себе логическую модель робота, таблицу блоков и списокактивных потоков.
Логическая модель робота (класс RobotModel) играет рольпрограммного интерфейса к устройству и состоит из объектов (наследников163RobotPart), каждый из которых реализует программный интерфейс к какому-либоэлементу робота — одному из датчиков, мотору, блоку управления. Эти объектыпредоставляют высокоуровневые команды, которыми можно пользоваться приреализации поведения блока визуального языка, например, включение мотора,проигрывание звука. Таблица блоков — это отображение блоков на диаграмме наобъекты, реализующие их поведение. Для каждого блока языка существует свойкласс (наследник Block), который его реализует, способный принять управление,выполнить какое-то действие (возможно, асинхронно), и вернуть интерпретаторуследующий блок, который надо выполнить.
Объекты этих классов создаютсядля каждого блока при начале работы интерпретатора и помещаются в таблицу,чтобы, когда управление дойдёт до какого-либо блока на диаграмме, найти поидентификатору блока соответствующий ему объект в таблице.Логическая модель робота и её составные части могут быть реализованыпо-разному, давая возможность прозрачно для реализации блоков исполнятьпрограмму на реальном роботе, двухмерной модели, или, потенциально, другом устройстве.
Для реализации этого использован паттерн «Мост», дающийвозможность для иерархии классов, видимых реализациям блоков, использоватьзаменяемые реализации. Модель робота содержит ссылку на реализацию моделиробота, которая может быть либо логической моделью реального робота, либологической моделью двухмерной модели, либо пустой моделью (модель, котораяне посылает команды никуда, а просто эмулирует некоторое фиксированноеповедение, полезна для начальной отладки программы). Каждый класс, представляющий датчик, имеет ссылку на реализацию, которая тоже может быть одногоиз трёх видов, аналогично самой модели.
Конкретная модель может создаватьмодели датчиков своего типа, поэтому достаточно инициализировать интерпретатор требуемым типом модели, вся дальнейшая необходимая инициализациявыполнится автоматически.В случае с двухмерной моделью классы-реализации элементов модели перенаправляют запросы в объект класса D2RobotModel. Этот класс занимаетсясобственно симуляцией робота, обсчитывая его перемещение, реакции на команды от классов-реализаций. Внешнее окружение моделирует отдельный классWorldModel, и D2RobotModel может запрашивать показания датчика в заданнойпозиции и с заданным направлением у этого класса. Отображением результатов164симуляции занимается класс D2ModelWidget. Архитектура этой части системыпредставлена на рисунке A.4.Рис.
A.4: Архитектура двухмерной модели.Управление роботом по интерфейсам Bluetooth и USB использует однулогическую модель робота, класс RealRobotModel. Это оказалось возможно,потому что оба эти интерфейса используют одинаковый набор команд в примерно одинаковом формате, разнятся лишь заголовки пакетов с командами,передаваемых на робот. Поэтому оказалось возможным вынести транспортныйуровень в отдельный набор классов, где инкапсулирована низкоуровневая работас каналами передачи, и логическая модель просто параметризуется нужнымтранспортным уровнем. Транспорт для USB использует драйвер робота Fantom изпоставки конструктора [85], транспорт для Bluetooth работает непосредственнос системными средствами передачи (для работы с виртуальным COM-портомBluetooth-канала используется сторонняя библиотека QextSerialPort [102]).Окно двухмерной модели представлено на рисунке A.5. Двухмерная модельмоделирует одну предопределённую конфигурацию робота — трёхколёснуютележку с двумя ведущими колёсами, используемую во многих задачах, связанных с движением (например, в робофутболе), однако можно задавать позицию165и направление датчиков.
Цветные линии на полу, видимые датчикам света ицвета, можно рисовать инструментами «Линия», «Карандаш», «Эллипс», стены— инструментом «Стена». Все элементы после размещения в рабочей областиредактируемы, так что двухмерная модель близка по функциональности к простому векторному редактору. Имеется возможность сохранить нарисованную модельокружения в xml-файл.Рис. A.5: Окно двухмерной модели.Генератор кода на текстовом языке реализован в виде отдельного подключаемого модуля и может работать независимо от интерпретатора. Он генерирует кодна языке C с использованием программного интерфейса операционной системыnxtOSEK [13], на данный момент считающейся самой быстрой операционнойсистемой для роботов Mindstorms NXT.
Для того, чтобы сгенерированный кодможно было загружать на робот, требуется, чтобы на роботе была установленаnxtOSEK, а на компьтере с QReal:Robots — кросскомпилятор и комплект средств166разработки для этой ОС. Всё необходимое для кросскомпиляции поставляетсяв виде отдельного инсталляционного пакета, который требует установленногоQReal:Robots для установки. Решение не включать средства разработки в основной инсталляционный пакет QReal:Robots было принято из-за их большогообъёма, что могло создать трудности при загрузке инсталляционного пакетапользователям, которым генерация текстовых программ не требуется. Генераторпорождает .c-файл с кодом программы и .oil-файл с настройками её запуска, послечего запускается кросскомпилятор, собирающий бинарный образ программы,который потом загружается на робот по USB посредством утилиты из поставкиконструктора.
Для пользователя этот процесс прозрачен, ему достаточно нажать на кнопку «Загрузить» и дождаться сообщения об успешном завершениипроцесса загрузки. Если пользователю не требуется загружать программу наробот, он может просто сгенерировать код, просмотреть и отредактировать егово встроенном в QReal:Robots текстовом редакторе с подсветкой синтаксиса.Генератор организован по шаблонной схеме: имеется файл с шаблономпорождаемого кода, в котором отмечены места, параметризуемые информациейиз модели.
Такие места, в свою очередь, могут сами заполняться текстами,сформированными с помощью шаблонов, и т.д., что позволяет генерироватьсложно структурированные повторяющиеся фрагменты кода. Пример шаблонаверхнего уровня для генерации кода программы приведён в листинге A.1.С помощью текста, заключённого в «@@», отмечаются места для вставкипараметризованного кода, так называемые заглушки (placeholders), генераторзаменяет вхождения заглушек на сгенерированный для них по модели код.В приведённом выше примере заглушка @@BALANCER@@ заменяется наобъявления функций и переменных для балансировки сегвея, если блоки работыс сегвеем используются на диаграмме, или пустой строкой, если таких блоковнет. @@VARIABLES@@ заменяется на объявления переменных — генератор вначале работы анализирует все арифметические выражения в программе, формирует таблицу переменных и все объявления переменных генерирует на местоэтой заглушки.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
