机器人操作系统测试技术

　　目前，机器人操作系统测试技术的研究成果比较分散，还没有专著出版。本书是在国家863计划重点课题"机器人操作系统、软件仓库及模块化硬件平台开发”的支持下，以RGMP-ROS操作系统的测试需求为牵引，以解决测试中出现的难点为目标，展开相关研究工作。根据RGMP-ROS操作系统的特点，分析了对RGMP-ROS进行测试时面临的难点问题。在对前人研究成果进行深入学习和总结的基础上，结合RGMP-ROS机器人操作系统的特点，提出了一系列解决这些难点问题的方案，并对方案的先进性及可行性进行了实验验证。

　　黄明，大连交通大学，软件学院，教授，博士生导师，常务副院长。辽宁省计算机学会理事。主持多项省、市基金项目，长期从事ERP、企业信息化的研究。主将软件工程、高级软件工程、ERP等课程。曾获大连市政府特殊津贴、大连市科技进步奖等称号。

版权信息
前言
第1章 绪论
1.1 研究背景及意义
1.2 研究内容
1.3 相关领域的研究现状
1.4 主要工作
1.5 本章小结
第2章 机器人模块化开发平台
2.1 技术方案
2.2 机器人实时操作系统RGMP-ROS
2.3 机器人软件仓库
2.4 机器人模块化控制器硬件平台
2.5 全模块化机器人样机
2.6 本章小结
第3章 资源问题检测方案
3.1 研究背景
3.2 基于路径分析的资源问题检测方案
3.3 方案可行性实验
3.4 本章小结
第4章 回归测试用例优化选择方案
4.1 测试用例选择
4.2 和声搜索算法
4.3 基于EELHS的测试用例选择
4.4 算法参数取值实验
4.5 方案可行性实验
4.6 本章小结
第5章 组合测试用例集生成方案
5.1 组合测试
5.2 生成方案
5.3 相关实验
5.4 本章小结
第6章 操作系统实时性能测试方案
6.1 影响操作系统实时性能的因素
6.2 基于混合负载的操作系统实时性能测试方案
6.3 测试结果
6.4 本章小结
第7章 RGMP-ROS操作系统测试
7.1 测试方案
7.2 测试过程
7.3 测试结果及分析
7.4 测试过程有效性评价
7.5 本章小结
第8章 结论与展望
8.1 结论
8.2 展望
参考文献

　　为了解决制约我国机器人产业发展中面临的技术难题，多家高校和科研单位共同开展了机器人模块化、网络化、标准化开放平台关键技术的研究工作，提出了一套解决机器人模块化开发的技术方案。研制了一套基于ROS的具有高度实时性、确定性、可裁剪和可配置的混合实时操作系统RGMP-ROS机器人操作系统。
　　作为一种通用的机器人操作系统，RGMP-ROS的研制目的是解决机器人模块化问题，从而提高机器人系统的设计和开发效率，缩短机器人产品的设计与开发周期，降低开发成本，有效地促进我国机器人产业的发展。RGMP-ROS能否得到有效推广和广泛使用是评判其成功与否的重要标准，由于人们对机器人安全性和可靠性的关注度越来越高，因而安全性和可靠性是决定其能否被广泛使用的主要因素。对该操作系统进行充分而有效的测试，是保证其可靠性的重要手段。因而，研究适合RGMP-ROS操作系统使用的测试技术并找到有效的测试方案，具有重要的理论价值和现实意义。
　　本书由8章组成。第1章为绪论，主要介绍了研究背景及意义、主要研究内容、操作系统测试中相关问题的研究现状、主要工作以及本书的结构等。研究背景及意义部分介绍了RGMP-ROS机器人操作系统的由来以及对其进行测试的重要性。主要研究内容部分介绍了对RGMP-ROS进行测试时面临的四方面的难点：如何高效准确地检测其中的资源问题；在进行回归测试时，如何能够选出对改动模块覆盖较好的测试用例；如何生成更小规模的组合测试用例集，以便既能对操作系统进行充分测试又不必花费太长时间；该如何对RGMP-ROS进行实时性测试。相关问题的研究现状部分介绍了资源问题检测、回归测试用例选择、组合测试用例生产、操作系统实时性能测试等几个方面的研究现状。主要工作部分介绍了对RGMP-ROS进行测试的四个难点解决方案：基于完全路径分析的资源问题检测方案；基于改进和声搜索算法的测试用例选择方案；基于one-test-at-a-time策略的差分进化算法的组合测试用例集生产方案；基于混合负载的操作系统实时性能测试方案。这四个解决方案分别在第3、4、5、6章中给出详细介绍。
　　第2章为机器人模块化开发平台，是背景知识介绍，首先介绍了机器人模块化开发平台使用的技术方案：通过研制机器人专用操作系统实现机器人开发过程中的软硬件分离；建立机器人软件仓库，将典型的机器人软件模块存入软件仓库中供开发人员使用，以便降低机器人软件开发难度，提高代码复用率和软件开发效率；将典型机器人常用的硬件模块化，并使之支持RGMP-ROS。然后以RGMP-ROS为重点，逐一介绍了机器人模块化开发平台的各个主要组成部分。
　　第3章为资源问题检测方案，介绍了本书的第一项主要工作，即机器人操作系统中资源问题检测方法。首先介绍了常见的资源问题及其发生原因。然后介绍了常用的资源问题检测方法：动态分析方法和静态分析方法，分析了选择静态分析方法来进行资源问题检测的原因。建立了C语言程序模型，通过该模型可以对待测代码进行大幅压缩，从而提高检测效率。基于C语言程序模型，建立了资源问题错误模型和检测模型，将源代码压缩后转换为资源路径图，进而转换为资源路径树和资源路径表，通过对资源路径表的遍历，依据资源问题检测模型就可以得到检测结果。
　　第4章为回归测试用例优化选择方案，介绍了本书的第二项主要工作，即机器人操作系统回归测试时有效测试用例选择方法。首先介绍了回归测试用例选择的相关概念以及选出的测试套件优劣的评判标准。建立了测试用例选择问题的数学模型，通过该模型，将回归测试用例选择问题转换为一个等式约束的最优化问题。接下来介绍了经典和声搜索算法，分析了算法的弱点。针对经典和声搜索算法的不足，提出了附带优秀和声库的和声搜索算法，介绍了算法的基本步骤以及在测试用例选择问题中的应用。通过实验验证了改进算法的可行性。
　　第5章组合测试用例集生成方案，介绍了本书的第三项主要工作，即一种规模更小的组合测试用例集生成方法。首先介绍了组合测试和差分进化算法的相关概念。然后介绍了如何将差分进化算法应用于求解组合测试用例集的生成，介绍了基于差分进化算法的组合测试用例集生产方案，并通过实验考查了算法参数对生成结果的影响，给出了相对较好的参数取值方案。
　　第6章为操作系统实时性能测试方法，介绍了本书的第四项主要工作，即一种通用的实时性能测试方案。首先分析了影响操作系统实时性能的因素：时间管理、任务管理、中断管理、同步与通信机制以及内存管理，从中选出任务切换时间、任务抢占时间、中断响应时间、信号量混洗时间等4个主要因素为测试对象。制定了测试时的计时方案，并通过校准程序的引入来屏蔽硬件性能对测试结果的影响。最后给出了测试指标及其测试方法和测试评分标准。
　　第7章为RGMP-ROS操作系统测试，介绍了对RGMP-ROS操作系统的测试方案、测试方法及相关测试结果。
　　第8章为结论与展望，对主要工作进行了总结，并对下一步工作做出了展望。
　　本书可作为计算机、自动控制、人工智能、机器人等专业的研究生及高年级本科生教材，也可作为从事机器人设计与开发、机器人模块化、机器人应用等相关领域研究人员和工程技术人员的参考书。
　　本书由黄明、郭书杰、梁旭、魏洪兴著，陶宁也参加了部分编写工作。
　　由于作者水平有限，编写时间仓促，书中错误和不妥之处在所难免，恳请读者和专家批评指正。
　　作　者
　　2015年6月

　　机器人技术是一种以自动化技术和计算机技术为主体、有机融合各种现代信息技术的系统集成和应用。当前，我国机器人产业的发展主要面临以下问题。
　　（1）经过半个多世纪的发展，机器人技术已相对成熟，各类机器人被广泛应用于工业、军事、医疗、教育及家庭服务等多个领域。由于不同应用领域的独特需求，机器人产品正朝着多品种、多规格、小批量、复杂化的方向发展。而当前的机器人基本上都是根据特定任务来开发的，具有固定的结构和功能，并且使用环境也被限制在一定的范围内。这种方式使得机器人的设计和开发周期较长，研制和维护成本较高。
　　（2）随着“人口红利”的到期，劳动力短缺和人力成本急剧上升，使得劳动力密集和低人力成本的制造模式在中国难以持续。在这种背景下，选择以机器人为主导的智能制造模式是实现中国制造业转型的重要路径。基于上述原因，我国对各类机器人的需求量急剧增加，近几年中国机器人市场的增长速度一直处于世界第一。然而，我国虽然在传统机器人技术研发及产业化方面取得了初步进展，但在信息网络技术与机器人技术结合方面仍然十分滞后，这使得我国机器人技术及产业发展与发达国家的差距进一步扩大。
　　为了解决上述制约我国机器人产业发展的技术难题，多家高校和科研单位根据我国机器人产业发展现状，在从技术体系、市场应用、产业发展等方面进行全面综合分析研究的基础上，共同展开了“机器人模块化、网络化、标准化开发平台关键技术与示范”项目的研究工作。该项目是“十二五”期间先进制造技术领域一项重要的“863”课题，其主要目标是面向服务机器人与工业机器人重点行业，开展机器人模块化、网络化、标准化开发平台关键技术及示范研究，突破制约我国机器人产业化发展模块化/标准化设计技术，建立机器人模块化、网络化开发公共技术支持平台，从产品设计角度实现软硬件结构分离，系统软件与应用软件分离，实现机器人软件设计的模块化、网络化、分布式，为企业提供机器人软硬件产品设计服务，提高机器人系统的设计和开发效率。为了实现这一目标，需要从机器人体系结构角度实现机器人软硬件根本性分离，实现软硬件分离的核心是建立机器人操作系统，降低机器人相关软件的开发难度。ROS（Robot Operating System）是斯坦福大学人工智能实验室和机器人技术公司Willow Garage的个人机器人项目部共同开发的一套基于 Linux 的标准机器人开发环境，它具有分布式设计、支持多种编程语言、集成了丰富的机器人算法库、系统整体开源、适合大规模软件的开发等优点，已成为国际主流的机器人软件平台。然而，由于其采用分布式设计，加之高度依赖 Linux 操作系统，因而也存在着可移植性差、缺乏实时性等缺点，这些缺点严重制约了ROS在某些领域的机器人系统中的应用。为了解决机器人模块化的专用操作系统问题，“863”课题组研制了一种基于ROS的混合实时操作系统RGMP-ROS（Real-time and General Operation System for Multi-core Processor-Robot Operating System），它具有高度的实时性、可扩展性、可配置性、可移植性和可复用性。为了充分验证 RGMP-ROS 的可靠性与安全性，考核其质量与性能，有必要针对RGMP-ROS的特点，研究相应的测试方案和测试技术。