基于Petri網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)網技術發(fā)展到一定階段的產物。電磁循跡小車的控制程序設計是電磁循跡小車正確行駛的關鍵因素，為了保證控制程序的正確性，采用了Petri網對電磁循跡小車的控制程序進行建模，并利用可達圖對模型進行了特性分析。結果表明，利用Petri網對控制程序進行建模可以保證控制程序的控制邏輯設計正確，提升電磁循跡小車設計的可靠性。

關鍵詞：電磁循跡小車;程序設計;Petri網;程序建模;物聯(lián)網技術;電磁感應技術

中圖分類號：TP311.1文獻標識碼：A文章編號：2095-1302（2019）09-00-02

0 引 言

隨著物聯(lián)網技術與工業(yè)、物流等領域的深度融合，智能的小車可以實現(xiàn)自動地按照指定的路線行進，這給生產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)網領域的一個研究熱點問題。當前的技術背景下，采用電磁感應為主要感應技術的循跡小車在許多應用中由于感應技術比較成熟，已經被廣泛的采用[4-6]。

在智能小車的循跡設計中，一般采用高速的單片機作為小車的主要控制核心，此單片機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完成多種功能的控制，其設計的正確性是智能小車設計成敗的關鍵因素。在小車的試驗過程中，經常出現(xiàn)由于設計的缺陷引起的小車失控事件，一般都是由于在設計核心控制模塊時控制邏輯出現(xiàn)不合理設計而產生的。目前，Petri網作為一種建模工具已經廣泛應用于工業(yè)系統(tǒng)設計的建模[7-10]。本文針對小車控制模塊設計的問題，采用Petri網作為電磁小車控制部分模塊建模的工具，對小車的設計進行建模驗證，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計

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傳感器作為小車循跡的信號采集器，感應部件采集到軌跡信息，然后經過信號放大、轉換等過程，轉換為數(shù)字信號。數(shù)字信號輸入到核心控制模塊，一般由高速單片機等智能器件作為主控制程序的運行器件，核心控制模塊將對傳感器輸入的軌跡信息進行判斷，從而決定小車的驅動電路如何工作。本文采用兩個傳感器作為小車軌跡檢測傳感器，左、右兩個傳感器分別位于車頭的兩側，可以檢測地面上的金屬絲制作的軌跡。當傳感器檢測到金屬絲時，產生低電平，形成信號0;未檢測到金屬絲時，保持高電平，形成信號1。控制部分依據(jù)左右傳感器產生的數(shù)字信號，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計

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）傳感器信號轉換模塊包括小車前端的左、右兩個傳感器的信號采集及轉換。

（2）控制程序主要完成信號的處理分析，并且實現(xiàn)對轉向、速度及停車的出錯控制。

（3）舵機轉向控制模塊實現(xiàn)對舵機的轉向控制，接收控制程序發(fā)來的轉向信號，對舵機進行相應的控制。

（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，驅動速度相關電機進行速度調整。

（5）停車錯誤報警模塊在小車行駛中，對意外出軌等情況進行停車報警，通知相關人員進行錯誤處理。

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換模塊、數(shù)據(jù)分析處理模塊以及運行控制模塊。本文以小車正常進入軌道為初始條件。小車控制程序的PN模型的庫所及變遷設定如下：

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

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

控制程序及相應的模塊PN建模如圖2所示。

3 控制程序Petri網模型特性驗證

本文采用可達圖分析圖2的Petri網模型的相應特性。在小車循跡過程中，主要控制邏輯由于設計問題可能出現(xiàn)死鎖、系統(tǒng)穩(wěn)定性差等問題，因此對模型設計的相應特性的檢查可以避免在設計過程中發(fā)生相應的錯誤設計。圖2的Petri網模型的可達圖如圖3所示。

依據(jù)可達圖，控制程序的基本性能分析如下：

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

（2）圖3中所有節(jié)點都存在有向路徑，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，如在小車進入出錯處理狀態(tài)時會停車等待處理;

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

4 結 語

本文對電磁循跡小車的主要控制程序進行了設計描述，采用Petri網對控制程序進行了建模，并采用可達圖對模型進行了進一步的分析。結果表明，利用Petri網對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，保證了程序設計的正確性。

參 考 文 獻

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