有限狀態(tài)機編程提高圖形化機器人軟件實時性的方法

孫會祥

摘 要：圖形化機器人編程軟件降低了機器人程序開發(fā)難度，然而，簡單的圖形化編程系統(tǒng)提供的控件有限，用戶無法通過圖形控件進行定時與中斷系統(tǒng)的編程，因此程序的實時性一般難以保證。針對上述問題，提出了基于有限狀態(tài)機思想進行圖形化機器人程序的開發(fā)思路，測試表明，在不使用定時與中斷的情況下，程序實時性得到很大提高。

關鍵詞：有限狀態(tài)機 圖形化機器人編程軟件 實時性

中圖分類號：TP311.1 文獻標識碼：A 文章編號：1003-9082（2018）11-0-01

引言

當前，簡單的機器人控制程序一般直接基于裸機編程，程序整體結構為前后臺系統(tǒng)。對于功能復雜的系統(tǒng)則經?；谇度胧讲僮飨到y(tǒng)進行應用程序的開發(fā)。隨著程序設計技術的發(fā)展，圖形化機器人編程軟件開始出現并快速發(fā)展（如創(chuàng)意之星機器人開發(fā)環(huán)境NorthStar，樂高機器人開發(fā)環(huán)境ROBOLAB等）。圖形化編程方法降低了程序設計的復雜度，開發(fā)人員不需要掌握或精通匯編語言或高級語言就可以進行機器人程序設計，有利于機器人程序開發(fā)的快速入門，特別適合于中學生以及高職大學生學習機器人技術。然而，由于目前普通的圖形化機器人開發(fā)軟件存在控件不夠多，硬件底層支持不夠，不支持多線程編程等問題，當程序控制任務較多，實時性要求比較高時，簡單的順序結構的圖形化編程難以完成任務。

有限狀態(tài)機（ Finite State Machine，FSM）廣泛應用于自動化、數字系統(tǒng)、計算機系統(tǒng)等領域，PLC 控制器的順序控制功能、CPU 的指令執(zhí)行控制等，均是 FSM 的典型應用范例[1]。機器人控制程序的開發(fā)也完全可以基于有限狀態(tài)機方法編程。針對簡單圖形化機器人編程軟件編寫的程序實時性不高問題，本文探討了基于有限狀態(tài)機編程提高圖形化機器人程序實時性的方法。

一、研究背景

前后臺結構的嵌入式程序中，如果程序中存在等待、死循環(huán)、長延時代碼，則極易導致整個軟件的實時性降低。對于按鍵設備來說，系統(tǒng)實時性低即意味著較差的人機操作體驗，而對于執(zhí)行器設備來說，系統(tǒng)實時性低則可能會造成嚴重的生產事故。有限狀態(tài)機能夠處理任務并發(fā)過程，是設計復雜系統(tǒng)的基礎。當 CPU 速度滿足要求時，就可以認為這些狀態(tài)機是并行工作的 [2]。

簡單的圖形化機器人編程軟件沒有提供定時器、中斷系統(tǒng)的圖形化編程控件，無法完成前后臺結構的程序。此外，只要編程中使用了延時控件并且設置延時時間稍長時，整個程序就沒有實時性可言。本文通過帶緊急放行功能的簡易交通燈控制器設計任務，介紹采用有限狀態(tài)機編程提高圖形化機器人程序實時性的方法。任務要求為：正常工況下，東西向綠燈亮20秒（此時東西向紅燈滅，南北向紅燈亮，南北向綠燈滅）→南北向綠燈亮20秒（此時南北向紅燈滅，東西向紅燈亮，東西向綠燈滅），循環(huán)以上控制；任意時刻按一下緊急放行鍵，則東西向和南北向綠燈均亮60秒（此時東西向、南北向紅燈均滅）后，進入上述東西向、南北向輪流綠燈亮20秒正常工況。

二、有限狀態(tài)機及其編程關鍵

有限狀態(tài)機（ Finite State Machine，FSM） 是描述有限個狀態(tài)以及在這些狀態(tài)之間進行轉移和動作等行為的數學模型 [1]。通常用有向圖來表示有限狀態(tài)機，其節(jié)點代表狀態(tài) [3]。有限狀態(tài)機在任何時候只能處于給定數目狀態(tài)中的一個，它以事件驅動的方式工作，當接收到一個事件時，狀態(tài)機產生一個輸出，同時也可能伴隨著狀態(tài)的轉移。

狀態(tài)機的時間序列信號對狀態(tài)機的實時性有重要影響?；谟邢逘顟B(tài)機編寫圖形化機器人程序，要保證程序具有良好的實時性，就必須合理設計狀態(tài)機的時間序列同步觸發(fā)信號。若間隔太短，對系統(tǒng)的速度、頻率響應要求高，并且可能降低系統(tǒng)的效率；若間隔太長，系統(tǒng)的實時性差，響應慢，還有可能造成外部輸入信號的丟失。一般情況下，時間序列的時間間隔的選取，應稍微小于外部輸入信號中變化最快的周期值[4]。

三、應用有限狀態(tài)機編程提高圖形化機器人軟件的實時性

遵循上述狀態(tài)機時間序列間隔的選取原則，由于人手進行一次按鍵操作的時間一般為幾十-幾百毫秒量級，為保證按鍵操作響應的實時性，同時兼顧程序執(zhí)行效率，程序執(zhí)行的總循環(huán)時間設定為20ms左右為宜。

要提高程序實時性，必須減小程序中延時控件的延時時間，確保程序總循環(huán)時間較短（本例為20ms左右）。對于較長時間的延時（本例為東西、南北兩個方向的紅綠燈亮滅時間20s（用T2表示）、60s（用T1表示）），則采用對整個程序循環(huán)執(zhí)行次數進行計數的方法實現。程序流程如圖1所示（限于篇幅略），狀態(tài)轉移圖如圖2所示。

測試表明，交通燈控制功能達到設計要求，緊急放行按鍵實時性較好。需要說明的是，20秒、60秒延時時間實測會有極小的誤差，主要原因是這兩個時間是通過對主程序的循環(huán)次數進行計數得到的，主程序循環(huán)一次的時間是按20毫秒計算的，忽略了20毫秒延時控件以外其余控件的執(zhí)行時間，當微處理器指令執(zhí)行足夠快的情況下，這部分控件的執(zhí)行時間相較于20毫秒來說是完全可以忽略不計的。

結語

有限狀態(tài)機建模是數字電路設計、嵌入式系統(tǒng)軟件設計的有效方法。本文以一個簡單的例子介紹了有限狀態(tài)機在提高簡易圖形化機器人程序實時性中的應用，對于不使用定時與中斷系統(tǒng)但對軟件實時性又有一定要求的控制軟件開發(fā)具有一定意義。

參考文獻

[1]馮建文. 有限狀態(tài)機在FPGA硬件實驗中的應用[J]. 實驗室研究與探索，2017，36（6）：138-141.

[2]郭兆正，于鵬，于震. 基于有限狀態(tài)機建模的單片機編程方法研究[J]. 渤海大學學報，2016，37（3）：266-270.

[3]魏先民. 有限狀態(tài)機在嵌入式軟件中的應用[J]. 濰坊學院學報，2006，6（4）：24-25.

[4]鄭玉章，徐愛鈞. 嵌入式開發(fā)過程中按鍵檢測算法的改進[J]. 單片機與嵌入式系統(tǒng)應用，2014，8：73-75.