關(guān)鍵詞 Giotto 實時嵌入式控制 自主小車
引 言
隨著計算機技術(shù)、控制技術(shù)、信息技術(shù)的快速發(fā)展，工業(yè)的生產(chǎn)和管理方式進入了生產(chǎn)自動化、控制智能化時代，特別是分布嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用，更加需要標(biāo)準(zhǔn)化、實時的控制模塊和I/O功能模塊，以便系統(tǒng)集成，構(gòu)建適應(yīng)于惡劣環(huán)境的復(fù)雜分布式系統(tǒng)。實時嵌入式軟件模塊適合于沒計復(fù)雜的分布式系統(tǒng)，它支持分布的、異構(gòu)設(shè)備的系統(tǒng)建摸和構(gòu)造。嵌入式模塊的作用是提供使復(fù)雜性容易處理的結(jié)構(gòu)和技術(shù)，基于Giorio的嵌入式控制設(shè)汁更適合具有硬實時控制約束的應(yīng)用。本文中，平臺指硬件結(jié)構(gòu)、操作系統(tǒng)和通信協(xié)議，由CPU、傳感器、執(zhí)行器和網(wǎng)絡(luò)組成。與平臺無關(guān)的事件包括應(yīng)用功能和時限，與平臺相關(guān)的事件包括時序安排、通信和物理特性。
1 Giotto編程特點
傳統(tǒng)的實時嵌入式軟件設(shè)計是在抽象的數(shù)學(xué)模型基礎(chǔ)上，控制工程師根據(jù)對象行為和環(huán)境影響，利用求解模型的軟件工具，得到模型的功能和性能，然后交給軟件工程師針對給定的平臺寫出代碼，并在給定的平臺上檢驗和優(yōu)化代碼，直到得出滿意的時間行為。在這個過程中，常常丟失了模型和代碼之間緊密的對應(yīng)關(guān)系，放棄了軟件的復(fù)硝性，增加了軟件設(shè)計的復(fù)雜度，因而產(chǎn)生的軟件是弱化的，難于在不同的平臺上應(yīng)用。
基于Giotto的嵌入式控制軟件設(shè)計將功能程序從特定平臺分離，將時限從功能中分離，其與平臺無關(guān)性使得它具有更好的實時性、可靠性及可復(fù)用性，更適合嵌入式實時分布系統(tǒng)。圖l為基于Giotto的嵌入式控制系統(tǒng)的設(shè)計流程圖。首先，控制工程師和軟件工程師就控制設(shè)計的功能和時限達成一致，設(shè)計一個Giotto程序；然后，軟件工程師使用Giotto編譯器產(chǎn)生一個可執(zhí)行代碼，該代碼能連接Giotto運行時間庫，將程序映射到給定的平臺。Giotto運行時間庫提供一個時序安排和通信的中間層，這一層定義了Giotto可執(zhí)行程序與平臺之間的接口。目前已經(jīng)建立了一個Giotto運行時間庫，用于Intel x86機上Wind River的VxWorks實時操作系統(tǒng)。
2 Giotto編程技術(shù)
Giotto是一種與平臺無關(guān)，且在特定控制領(lǐng)域應(yīng)用中具有高水平的編程語言。Giotto的設(shè)計用于高要求的控制應(yīng)用，這些應(yīng)用要求周期性地瀆取傳感器，調(diào)用任務(wù)，更新執(zhí)行和模式轉(zhuǎn)換。Giotto基于時間觸發(fā)編程，從傳感器到CPU以及CPU到執(zhí)行器之問的通信由全局時鐘觸發(fā)，使其具有可預(yù)報性。Giotto程序不指定與平臺相關(guān)的部分，如優(yōu)先權(quán)、通信等。其優(yōu)點是與具體的執(zhí)行平臺無關(guān)，能與任何實時操作系統(tǒng)、調(diào)度運算法則以及實時通信協(xié)議兼容。
Giotto的兩個核心組成部分是：周期性的任務(wù)調(diào)用和模式轉(zhuǎn)換。一個Giotto程序指定一系列的模式，每一種模式又包含一系列的任務(wù)和模式轉(zhuǎn)換。每一時刻，程序都執(zhí)行在特定的模式P下，每個P模式轉(zhuǎn)換包含1個評估函數(shù)和1個目標(biāo)模式Q，只有評估函數(shù)為真時系統(tǒng)才轉(zhuǎn)換為新模式Q。
Giotto任務(wù)是一項劇期性的工作，其輸入和輸出端幾分別在任務(wù)周期的啟動和結(jié)束時更新，但Giotto任務(wù)不一定要在周期開始時啟動，只需在周期內(nèi)啟動和完成。圖2(a)顯示了運行在同一個CPU上的1個40ms任務(wù)M和1個10ms任務(wù)N的時序，虛線為目前任務(wù)占用CPU的可能情況。在第Oms，M和N都讀取它們輸入端口的值；在第10 ms，任務(wù)N的計算結(jié)果寫入它的輸出端口，但是N早已結(jié)束執(zhí)行(如圖中虛線所示)；在第40 ms，任務(wù)M的計算結(jié)果寫入它的輸出端口，但任務(wù)M在第40ms之前已經(jīng)完成執(zhí)行。無論任務(wù)M在0～40 ms的任何時間完成計算，任務(wù)N都只會在第40 ms讀其結(jié)果。
在Giotto中一個任務(wù)可以看作是一個工作單元，一旦開始，就必須要完成。任務(wù)周期沒結(jié)束時，模式轉(zhuǎn)換不能終止任何任務(wù)。給定一個Giotto模式P(包括分別由40 ms和10 ms調(diào)用的Giotto任務(wù)M和N)和一個Giotto模式Q(包括分別由40ms和5ms調(diào)用的Giotto任務(wù)M和R)。圖2(b)顯示了在P模式中的第10ms模式轉(zhuǎn)換被激活的時序，此時模式P轉(zhuǎn)換為模式Q。由于P和Q都包含任務(wù)M，所以任務(wù)M不會終止，但任務(wù)N被周期為5ms的任務(wù)R代替。
3 物流系統(tǒng)自主小車設(shè)計
2一自主小車系統(tǒng)包括2個自主小車，每個自主小車包含一個微處理器、馬達和觸摸式傳感器。設(shè)定在任何時候只有一個自主小車是領(lǐng)導(dǎo)者，而其他自主小車是跟隨者。其中，處于領(lǐng)導(dǎo)或避開狀態(tài)的自主小車稱為“領(lǐng)導(dǎo)者”，處于跟隨或停止?fàn)顟B(tài)的自主小車稱為“跟隨者”。當(dāng)領(lǐng)導(dǎo)者被阻礙時，領(lǐng)導(dǎo)者進入避開狀態(tài)，跟隨者進入停止?fàn)顟B(tài)。進入避開狀態(tài)的自主小車執(zhí)行一段避開程序，以避開障礙物，此時處于停止?fàn)顟B(tài)的自主小車仍停止；當(dāng)領(lǐng)導(dǎo)者完成避開程序返回到領(lǐng)導(dǎo)狀態(tài)時，跟隨者返回跟隨狀態(tài)。當(dāng)跟隨者之一被阻礙時，該自主小車進入避開狀態(tài)，其他所有的自主小車進入停止?fàn)顟B(tài)，被阻礙的這個自主小車成為新的領(lǐng)導(dǎo)者。圖3顯示了2一自主小車系統(tǒng)的狀態(tài)行為。
由于自主小車處于領(lǐng)導(dǎo)或避開狀態(tài)時其他自主小車處于跟隨或停止?fàn)顟B(tài)，因此對每一個領(lǐng)導(dǎo)者X使用1個LeildXFollow模式和1個EvadeXStop模式。其中，處于LeadlFollow模式時，自主小車l是領(lǐng)導(dǎo)者；處于Evadelstop模式時，自主小車l執(zhí)行避開程序。另外，為每個自主小車X引入一個stopX模式，它允許自主小車快速停止。runCom1任務(wù)每40 ms運行一次存儲于輸出端口 command中的命令。兩個Giotto任務(wù)rrailerCtrl和trailerCtr2具有l(wèi)Oms的周期，它們根據(jù)command中的命令控制兩個自主小車的馬達；command中的數(shù)據(jù)由任務(wù)驅(qū)動trailerDrv傳送到任務(wù)trailerCtrl和trailerCtr2的輸入端口。
系統(tǒng)分別對自主小車l和2的傳感器不斷地進行檢測。當(dāng)自主小車1被阻礙時，系統(tǒng)轉(zhuǎn)換到stopl模式。兩個自主小車都停止移動；完成stopl模式之后系統(tǒng)轉(zhuǎn)換為EvadelStop模式．此時自主小車l執(zhí)行避開程序而自主小車2停止不動。類似地，當(dāng)自主小車2被阻礙時，自主小車2經(jīng)過stop2模式后轉(zhuǎn)換到Evade2Stop模式。在EvadelStop模式下，Evadel任務(wù)每一周期計算一次避開動作是否完成以及避開的下一步動作；具有10ms周期的任務(wù)trailerCtrl根據(jù)command中避開的步驟去控制自主小車1的馬達，一旦完成避開動作，就轉(zhuǎn)換為LeadlFollow模式。
圖4為系統(tǒng)從LeadlFollow模式到stopl模式，EvadelStop模式和LeadlFollow模式的模式轉(zhuǎn)換時序圖。到stopl模式的轉(zhuǎn)換發(fā)生在LeadlFollow模式下的第60 ms，自主小車l的傳感器檢測到障礙，系統(tǒng)由LeadlFollow模式轉(zhuǎn)換為stopl模式．兩個自主小車執(zhí)行停止程序；完成stopl模式后，在第80 ms系統(tǒng)轉(zhuǎn)換為另外一個模式EvadelStop，自主小車1的控任務(wù)立刻被調(diào)用，自主小車l執(zhí)行避開程序，此時自主小車2仍停止；當(dāng)自主小車1完成避開動作后，在第110ms，兩個自主小車的控制任務(wù)立刻被調(diào)用，系統(tǒng)轉(zhuǎn)換為LeadlFollow模式。當(dāng)自主小車2是領(lǐng)導(dǎo)者時，其模式轉(zhuǎn)換類似。
4 結(jié)論
在基于Giotto的嵌入式控制設(shè)計中，時序程序與功能程序的分離，使Giotto程序與具體的運行平臺無關(guān)，從而提高了程序的健壯性、穩(wěn)定性及代碼的復(fù)用性。Giotto系統(tǒng)中任務(wù)的調(diào)用和環(huán)境變量的檢測由全局時鐘觸發(fā)，其時間行為具有高度可預(yù)報性，使得Giotto非常適合具有硬實時約束的嵌入式控制系統(tǒng)。
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