基于Petri網(wǎng)的電磁循跡小車控制程序建模

鄧雪峰 董文嫘 馮靈清 柏元利

摘 要：電磁循跡小車是物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)發(fā)展到一定階段的產(chǎn)物。電磁循跡小車的控制程序設(shè)計(jì)是電磁循跡小車正確行駛的關(guān)鍵因素，為了保證控制程序的正確性，采用了Petri網(wǎng)對(duì)電磁循跡小車的控制程序進(jìn)行建模，并利用可達(dá)圖對(duì)模型進(jìn)行了特性分析。結(jié)果表明，利用Petri網(wǎng)對(duì)控制程序進(jìn)行建模可以保證控制程序的控制邏輯設(shè)計(jì)正確，提升電磁循跡小車設(shè)計(jì)的可靠性。

關(guān)鍵詞：電磁循跡小車;程序設(shè)計(jì);Petri網(wǎng);程序建模;物聯(lián)網(wǎng)技術(shù);電磁感應(yīng)技術(shù)

中圖分類號(hào)：TP311.1文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：2095-1302（2019）09-00-02

0 引 言

隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與工業(yè)、物流等領(lǐng)域的深度融合，智能的小車可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)地按照指定的路線行進(jìn)，這給生產(chǎn)過程和日常生活都帶來了極大的便利[1-3]。因此智能循跡小車的研究一直以來也是物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域的一個(gè)研究熱點(diǎn)問題。當(dāng)前的技術(shù)背景下，采用電磁感應(yīng)為主要感應(yīng)技術(shù)的循跡小車在許多應(yīng)用中由于感應(yīng)技術(shù)比較成熟，已經(jīng)被廣泛的采用[4-6]。

在智能小車的循跡設(shè)計(jì)中，一般采用高速的單片機(jī)作為小車的主要控制核心，此單片機(jī)完成小車的智能控制，包括循跡、速度控制等操作。由于核心控制部分同時(shí)完成多種功能的控制，其設(shè)計(jì)的正確性是智能小車設(shè)計(jì)成敗的關(guān)鍵因素。在小車的試驗(yàn)過程中，經(jīng)常出現(xiàn)由于設(shè)計(jì)的缺陷引起的小車失控事件，一般都是由于在設(shè)計(jì)核心控制模塊時(shí)控制邏輯出現(xiàn)不合理設(shè)計(jì)而產(chǎn)生的。目前，Petri網(wǎng)作為一種建模工具已經(jīng)廣泛應(yīng)用于工業(yè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的建模[7-10]。本文針對(duì)小車控制模塊設(shè)計(jì)的問題，采用Petri網(wǎng)作為電磁小車控制部分模塊建模的工具，對(duì)小車的設(shè)計(jì)進(jìn)行建模驗(yàn)證，從而保證小車的控制邏輯的正確。

1 電磁循跡小車控制程序設(shè)計(jì)

1.1 電磁循跡小車的控制的基本原理

電磁循跡小車一般采用電磁感應(yīng)傳感器作為小車循跡的信號(hào)采集器，感應(yīng)部件采集到軌跡信息，然后經(jīng)過信號(hào)放大、轉(zhuǎn)換等過程，轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)。數(shù)字信號(hào)輸入到核心控制模塊，一般由高速單片機(jī)等智能器件作為主控制程序的運(yùn)行器件，核心控制模塊將對(duì)傳感器輸入的軌跡信息進(jìn)行判斷，從而決定小車的驅(qū)動(dòng)電路如何工作。本文采用兩個(gè)傳感器作為小車軌跡檢測(cè)傳感器，左、右兩個(gè)傳感器分別位于車頭的兩側(cè)，可以檢測(cè)地面上的金屬絲制作的軌跡。當(dāng)傳感器檢測(cè)到金屬絲時(shí)，產(chǎn)生低電平，形成信號(hào)0;未檢測(cè)到金屬絲時(shí)，保持高電平，形成信號(hào)1。控制部分依據(jù)左右傳感器產(chǎn)生的數(shù)字信號(hào)，形成判斷邏輯，從而控制小車的方向。

1.2 電磁循跡小車的控制模塊設(shè)計(jì)

依據(jù)第1.1節(jié)所述的基本原理，電磁循跡小車的控制部分的主要功能如圖1所示。

（1）傳感器信號(hào)轉(zhuǎn)換模塊包括小車前端的左、右兩個(gè)傳感器的信號(hào)采集及轉(zhuǎn)換。

（2）控制程序主要完成信號(hào)的處理分析，并且實(shí)現(xiàn)對(duì)轉(zhuǎn)向、速度及停車的出錯(cuò)控制。

（3）舵機(jī)轉(zhuǎn)向控制模塊實(shí)現(xiàn)對(duì)舵機(jī)的轉(zhuǎn)向控制，接收控制程序發(fā)來的轉(zhuǎn)向信號(hào)，對(duì)舵機(jī)進(jìn)行相應(yīng)的控制。

（4）直行速度控制模塊依據(jù)控制程序發(fā)送的速度高速信號(hào)，驅(qū)動(dòng)速度相關(guān)電機(jī)進(jìn)行速度調(diào)整。

（5）停車錯(cuò)誤報(bào)警模塊在小車行駛中，對(duì)意外出軌等情況進(jìn)行停車報(bào)警，通知相關(guān)人員進(jìn)行錯(cuò)誤處理。

2 電磁循跡小車控制程序建模

2.2 控制程序建模

第1.2節(jié)中控制程序主要包含傳感器采集轉(zhuǎn)換模塊、數(shù)據(jù)分析處理模塊以及運(yùn)行控制模塊。本文以小車正常進(jìn)入軌道為初始條件。小車控制程序的PN模型的庫(kù)所及變遷設(shè)定如下：

P1：左傳感器采集信息;P2：右傳感器采集信息;P3：左傳感器接收左轉(zhuǎn)信息;P4：左傳感器未接收左轉(zhuǎn)信息;P5：右傳感器接收右轉(zhuǎn)信息;P6：右傳感器未接收右轉(zhuǎn)信息;P7：小車停止運(yùn)行;P8：小車左轉(zhuǎn);P9：小車右轉(zhuǎn);P10：小車直行。

T1：發(fā)送左轉(zhuǎn)信息;T2：發(fā)送無需左轉(zhuǎn)信息;T3：發(fā)送右轉(zhuǎn)信息;T4：發(fā)送無需右轉(zhuǎn)信息;T5：發(fā)送運(yùn)行狀態(tài)錯(cuò)誤信息;T6：發(fā)送左轉(zhuǎn)信號(hào);T7：發(fā)送右轉(zhuǎn)信號(hào);T8：發(fā)送直行信號(hào);T9：發(fā)送錯(cuò)誤警告信號(hào);T10：發(fā)送直行處理完畢信號(hào);T11：發(fā)送右轉(zhuǎn)處理完畢信號(hào);T12：發(fā)送左轉(zhuǎn)處理完畢信號(hào)。

控制程序及相應(yīng)的模塊PN建模如圖2所示。

3 控制程序Petri網(wǎng)模型特性驗(yàn)證

本文采用可達(dá)圖分析圖2的Petri網(wǎng)模型的相應(yīng)特性。在小車循跡過程中，主要控制邏輯由于設(shè)計(jì)問題可能出現(xiàn)死鎖、系統(tǒng)穩(wěn)定性差等問題，因此對(duì)模型設(shè)計(jì)的相應(yīng)特性的檢查可以避免在設(shè)計(jì)過程中發(fā)生相應(yīng)的錯(cuò)誤設(shè)計(jì)。圖2的Petri網(wǎng)模型的可達(dá)圖如圖3所示。

依據(jù)可達(dá)圖，控制程序的基本性能分析如下：

（1）圖3中所有節(jié)點(diǎn)上的標(biāo)記均為0或1時(shí)，此時(shí)PN是有界，證明本模型是安全的，是可以實(shí)現(xiàn)的;

（2）圖3中所有節(jié)點(diǎn)都存在有向路徑，但不包含全部變遷，所以系統(tǒng)不是活的，系統(tǒng)中存在死鎖，如在小車進(jìn)入出錯(cuò)處理狀態(tài)時(shí)會(huì)停車等待處理;

（3）圖3中從任何節(jié)點(diǎn)到根節(jié)點(diǎn)都存在有向路徑，代表PN是可逆，反映系統(tǒng)具有可恢復(fù)性。

4 結(jié) 語(yǔ)

本文對(duì)電磁循跡小車的主要控制程序進(jìn)行了設(shè)計(jì)描述，采用Petri網(wǎng)對(duì)控制程序進(jìn)行了建模，并采用可達(dá)圖對(duì)模型進(jìn)行了進(jìn)一步的分析。結(jié)果表明，利用Petri網(wǎng)對(duì)電磁循跡小車的控制程序建模，可以消除程序的死鎖等特性，保證了程序設(shè)計(jì)的正確性。

參 考 文 獻(xiàn)

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