Generating code for distributed deployments of cyber-physical systems using the MechatronicUML

Abstract

Models are applied in engineering disciplines to describe systems from a higher level of abstraction. In Model-Driven Software Engineering (MDSE), formal models are used to design and verify software systems and to infer platform-specific models and implementations. The MechatronicUML is an MDSE method specifically designed for distributed cyber-physical systems (CPS). This thesis explores how the MechatronicUML may be used for generating code. The exact state of previous code generation approaches is not precisely known. The objective of this thesis is to design and implement a MechatronicUML-based code generator for distributed deployments of CPS. Previous code generation approaches are analyzed for this purpose and one approach is selected and extended to support a particular type of robot car as a target platform. A taxonomy for model-based code generation is proposed to structure the analysis of the previous approaches. Based on the selected previous approach, a code generator is presented and implemented. Additionally, an automotive application scenario is used as a case study for evaluating the concept and the implementation of the presented code generator. This code generator supports modeling the distributed deployment of a CPS with the MechatronicUML and generates platform-specific source code which can be successfully compiled and deployed on the Arduino-based robot cars. Ultimately, the thesis presents a proof of concept to generate the code for a distributed CPS based on the MechatronicUML.

Ingenieurswissenschaften nutzen Modelle, um Systeme von einer höheren Abstraktionsebene zu beschreiben. In der Modellgetriebenen Softwareentwicklung (MDSE) werden formale Modelle dazu verwendet, um Softwaresysteme zu entwerfen, zu verifizieren und um plattformspezifische Modelle und Implementierungen daraus abzuleiten. Die MechatronicUML ist eine MDSE Methode die speziell auf verteilte cyber-physische Systeme (CPS) abzielt. Diese Arbeit untersucht, inwiefern die MechatronicUML zur Codegenerierung genutzt werden kann. Der genaue Zustand voriger Ansätze zur Codegenerierung ist nicht im Detail bekannt. Das Ziel dieser Arbeit ist es, einen Codegenerator für verteiltes CPS zu entwickeln. Der Codegenerator soll der auf der MechatronicUML basieren. Zu diesem Zweck werden die vorhergehenden Codegenerierungsansätze analysiert und einer der Ansätze wird zur Weiterentwicklung für eine spezielle Sorte Roboterautos als Zielplattform ausgewählt. Zum Zweck einer strukturierten Analyse der vorigen Ansätze wird außerdem eine Taxonomie für Modellgetriebene Codegeneratoren vorgestellt. Schließlich stellt die Arbeit das Konzept und die Implementierung eines Codegenerators vor, der auf dem ausgewählten vorhergehenden Ansatz basiert. Außerdem wird eine Fallstudie zur Evaluierung des vorgestellten Codegenerators durchgeführt. Dieser Codegenerator unterstützt die Modellierung eines CPS mit der MechatronicUML und generiert plattformspezifischen Quellcode, welcher erfolgreich kompiliert und auf die Arduinobasierten Roboterautos aufgespielt werden kann. Schlussendlich legt diese Arbeit die Machbarkeit der Codegenerierung für ein verteiltes CPS basierend auf der MechatronicUML dar.