（检测技术与自动化装置专业论文）基于rtlinux的遥操作主手控制系统设计.pdf

摘要 摘要 与完全自主的机器人相比，主从式遥操作机器人具有更高的环境理解、信息 综合和逻辑决策能力。它将人的智慧因素与机器人适应恶劣环境的能力有机地 结合起来，能够在危险或未知环境下代替人类完成自主机器人所无法完成的复 杂任务。特别在太空探索，深海研究、地下开采以及核工业等领域里，主从式 机器人广泛地从事着各种工作，对人类的生产生活帮助很大。因此，国内外对 此投入了大量的人力物力进行相关研究。 为了提高操作者对从手环境的理解能力，人们在遥操作系统中引入了临场感 技术( 包括视觉、力觉、触觉等临场感技术) 。其中，对力觉临场感主从遥操作 机器人，国内多家研究单位长期进行着研究工作。这其中，合肥智能机械研究 所，机器人传感器实验室曾在“九五”期间承担并完成过国家8 6 3 课题：带有力 触觉临场感的机器人装配作业平台。本文以该课题为背景，在该课题研制的力 觉临场感主从遥操作实验平台的基础上，提出了基于r t l i n u x 的主手控制系统 设计方法。与原有的基于d o s 的控制系统相比，该控制系统在具有良好实时性 能的同时，充分利用了l i n u x 系统上丰富的网络及图形图像资源，使得新开发的 控制系统集成度更高，交互性能更好。 本文首先总结了主从遥操作机器人控制系统的发展现状，分析了遥操作主手 控制系统的需求和r t l i n u x 的性能特点，解释了选择r t l i n u x 的具体原因，并 给出了控制软件开发的编程要点；作为设计的基础，文中还对控制对象具 有力觉临场感的主从遥操作实验平台进行了介绍，说明了控制的工作过程，以 及控制系统的硬件组成；然后根据本人的工作重点，对控制软件进行具体设计， 采用了模块化的编程方法将软件划分为：位姿解算、力觉反馈、界面显示和通 讯模块四个部分，其中对于位姿解算和力觉反馈两个实时任务，文中介绍了其 计算方法以及软件实现的具体过程，对界面显示部分，采用了基于m i n i g u l 的 图形界面实现方式；最后，对控制系统进行性能测试，给出测试结论，并将主 手及其控制系统运用于对排球扣球机器人扣球方向的控制上。 关键词：r 嘶n u x 遥操作力觉临场感实时操作系统开放式控制系统 a b s t r a c t c o m p a r e dw i t ht h ec o m p l e t e l ys e l f d e t e n n i n a t i o nr o b o t s ，t h et e l e o p e r a t i o nr o b o t s h a v eb e t t e f a b i l i t yt 0u n d e r s t a n de n v i r o n m e n t ，s y n t h e s i si n f o r m a t i o na n dm a k e d e c i s i o nl o g i c a l l y 1 1 l i s t e c h n o l o g y c o m b i n e sr o b o t s ，w h i c hh a v et h ea b i l i t yo f a d a p t i n gt oh a r s he n v i r o n m e n t ，w i t ht h eh u m a n sw i s d o m ，s 0t h et e i e o p e r a t i o nr o b o t s c a i ls u b s t i t u t et h eh u m a nt od e a lw i t ht h ej o bi nt h ee n v i r o m e n tw h j c hi sd a n g e r o u s o ru n k n o w n e s p e c i a l l y i nt h ef i e l do f s p a c ed i s c o v e r y ；d e e p - s e ar e s e a r c h ， u n d e r g r o u n dm i n i n ga n dn u c l e a ri n d u s t r y ；t h et e l e o p e r a t i o nr o b o t sa r eb e i n gu s e d w i l d l y ，a n dm a k i n gg r e a th e l pf o rh u m a n t h e r e f o r e ，al o to fm a n p o w e r 孤dr c s o u r c e s h a v eb e e ni n v e s t e df 6 rt h i sr e s e a r c hi nn a t i v e0 fa b r o a d f o ri m p r o v i n gt h ea b i l i t yo ft h em a n i p u l a t o rt ou n d e f s t a n d i n gt h es l a v er o b o t s e n v i r o n m e n tb e t t e r ，p e o p l ei m p o r tt h et e l e p r e s e n c et e c h n o l o g y ( i n c l u d i n gt h ev i s u a l ， f o r c e ，o rt a c t i l i t yt e l e p r e s e n c e ) i n t ot h et e l e o p e r a t i o ns y s t e m a n df o r t h ef o r c e t e l e p r e s e n c et e l e o p r a t i o nr o b o t s ，t h e r ei sp l e n t y0 fd o m e s t i cr e s e a r c hu n i t se n g a g e di n l o n g 。t e mr e s e a r c hw o r k a m o n gt h e m ，t h er o b o ts e n s o rl a b ，w h i c hi sb e l o n gt ot h e i n s t i t u t eo fi n t e l l i g e n tm a c h i n e s ，h a du n d e r t a k e na n da c c o m p l i s h e da “8 6 3 ”i t e m ， w h i c hi sn a m e d “r o b o t i ca s s e m b l yp l a t f o 脚w i t hf o f c ea n d r a c t i l i t y1 e l e p r e s e n c e ” b a s e do nt h i si t e m ，am e t h o d ，w h i c hi su s i n gt h er t l i n u xt o d e s i g nt h ec o n t r o l s y s t e mo ft h et e l e o p e r a t j o nr o b o t s ，i sp r o p o s e dj n t h i sa n i c l e c o m p a r e dw j t ht h e0 1 d c o n t r o ls y s t e mw h i c hi sb a s e d 彻t h ed o s ，t h en e wc o n t r o ls y s t e mn o to n l yh a sa g o o dr e a l - t i m ep e i f o r m a n c e ，b u ta l s oc a nf u l l yu t i l i z et h ea b u n d a n tw e ba n dg f a p h i c r e s o u r c ew h i c hi sp r 0 v i d e db yt h el i n u x ，a l lt h e s ea b o v em a k et h en e wc o n t r o l s y s t e mh a v eh i g h e ri n t e g r a t i o na n db e t t e ri n t e r a c t i v ep e r f b 咖a n c e a tf i r s tt h i sa r t i c l es u m m a r i z e st b ed e v e i o p m e n la c t u a l i f yo ft h et e l e o p e r a t i o n r o b o tc o n t r o ls y s t e m ，a n a l y z e st h e r e q u i r e m e n to fc o n t r o ls y s t e ma s w e l la st h e c h a r a c t e r i s t i co ft h er t l i n u x ，e x p l a j n st h er e a s o n s0 fs e l e c t i n gt h er t l i n u x ，a n d i n t r o d u c e st h ei m p o f t a n tp o i n to fh o wt ow “t et h ec o n t r o ls o f t w a r e ；a st h ef o u n d a t i o n o ft h eo v e r a nd e s i g n ，t h ep a p e ra l s oi n t f o d u c e st h ee x p e f i m e n tp l a t f o 姗o ft h e t e l e o p e r a t i o n r o b o t s s y s t e m ， d e s c r i b e st h ec o n t r o lp r o c e s s觚dt h eh a f d w a r e c o n f i g u r a t i o n t h e n ，a c c o r d i n gt om yf 0 c u so ft h ew o r k ，t h es o f t w a r ei sd i v i d e di n t o f o u rp a r t s ：p o s es o l u t i o n ，f b r c ef e e d b a c k ，d i s p l a yi n t e r f a c ea n dc o m m u n i c a t i o n m o d u l e f o rt h ep o s es o l u t i o na n df o r c ef e e d b a c kp a n s ，t h ep a p e rd e s c r i b e st h e i r c a l c u l a t i o nm e t h o da n di m p l e m e n t a t i o np r o c e s s f o rt h ed i s p l a y1 1 1 t e r f a c e ，t h ea r t i c l e u s e sm i n i g u it or e a l i z ei t a t1 a s t ，t h ec o n t r o ls y s t e mi st e s t e d ，a n dt h em a s t e rr o b o t w i t hi t sc o n t r o ls y s t e mi su s e dt oc o n t i ，o lt h es p i k ed i r e c t i o ni nt h e1 v b l l e y b a l ls p i k e r o b o t k e yw b r d s ：r t u n u x ，t e l e o p e r a t i o n ，f o r c ef e e d b a c k ，r e a l - t i m eo s ，0 p e na r c h i t e c t u r e c o n t r o ls y s t e m l 中国科学技术大学学位论文原创性和授权使用声明 本人声明所呈交的学位论文，是本人在导师指导下进行研究工作 所取得的成果。除已特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含任 何他人已经发表或撰写过的研究成果。与我一同工作的同志对本研究 所做的贡献均已在论文中作了明确的说明。 本人授权中国科学技术大学拥有学位论文的部分使用权，即：学 校有权按有关规定向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅和借阅，可以将学位论文编入有关数据库进行检 索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 保密的学位论文在解密后也遵守此规定。 作者签名： 年月 目 绪论 1 1 遥操作技术 第一章绪论 1 1 1 遥操作技术的发展与应用 随着科学技术的不断进步，特别是传感器技术、机器人技术以及通讯技术的 不断突破创新，使得人类探索世界、改造世乔能力和范围显著增强，人类现在 已经超越了自身生理条件的限制，将自己主观能动性渗透到了以往因空间或是 生存条件所限而无法涉足的诸多领域中。作为可以帮助人类实现上述突破的主 从遥操作机器人系统，它有效地拓展了人类的作用空间，提高了人类的感知能 力，增强或缩小了人类的作用强度，实现人与物之间的高度统一，在人类制造 并使用工具的历史中具有里程碑式的意义。 所谓的主从式遥操作指的是操作者在本地对主操作器的操作，实现对远端现 场机器的远距离操作。它结合了计算机技术、传感器技术、机器人技术、人工 智能技术、虚拟现实增强现实技术，实现人机的高层次交互。工作时，主从式 遥操作机器人利用从端机器人在恶劣环境中的适应能力，使用传感技术手段感 知远端现场环境数据，并将环境状态通过通讯技术手段实时反映给主端操作者， 主端操作者之后对现场环境状态进行高层次的感知理解、问题求解、任务规划 以及任务分解等任务，最后将自己的操作意图实时反映给从端机器人，再通过 从端机器人执行操作意图实现操作目的。 与人相比，主从遥操作机器人系统能够弥补人类生理上的限制，并且定位更 准确，动作更稳定，操作更可靠【1 】；而与完全自主的机器人相比，主从遥操作机 器人系统具有更高环境理解，信息综合和逻辑决策能力。正是由于主从遥操作 系统具有这些显著的优点，所以在机器人技术领域中主从式遥操作机器人已经 获得了十分广泛的应用，在各种行业领域中为人类的生产生活进行着工作。 从国内外的发展现状来看，遥操作技术主要有五种基本用途i l j ： 用于恶劣环境下遥控作业，以保护操作者血肉之躯免受伤害。如核工业领 域、航天领域、海洋探索、地下开采、防爆、排雷和某些军工行业； 用于被操作的对象需要保护的环境下，即要求被操作的对象或其环境与操 作者避免接触以免操作者对环境引起污染。如生物医学领域； 绪论 用于那些环境和操作者都没有特殊要求，但人的能力所不能及的操作。如 在医学领域，可以用主机械手控制微型机器人进入人的器官完成某些手术。在 石油工业领域，也可以控制小型专用机器人进入石油管道进行探伤和维修： 用于感知通道的疏通和反馈信息的迸一步透明，改善人的操作性能。如动 眼科手术，需要把手术刀与眼部的作用力放大到医生能明显感知的程度，同时 把医生的手部运动适当缩小，以提高手术刀与眼部接触部位的相对运动精度； 也可以用一个小型主机械手控制一个大型机械手，把人的操作力放大，以灵活 地完成对大型工件的遥控锻压操作； 手控器还可以作为高级人机接口，实现人与机器之间的一种友好和谐的动 态耦合。如三维c a d c a m 、数控离线编程和机器人路径规划、虚拟现实增强 现实和临场感技术。 正是由于主从遥操作技术具有如此广泛的用途，所以受到了国内外研究学者 的高度重视，一大批具有实际用途的基于主从遥操作系统应运而生，其中比较 典型的应用为： 紧j 溺 图1 1 勇气号在火早一i ：作倒片 在航天领域里，目前正在火星上工作的“勇气号”和“机遇号”火星探测车曾 经吸引了全世界无数人的目光，特别是拯救“勇气”号的成功，更加证明了机器人 遥操作系统的强大用途： 在军事领域中，美军成功地将自己研制的“机器人侦察兵”用于费卢杰巷战 中。这些机器人侦察兵装备有遥控红外和r 光摄像机，并具有良好的机动性。 战斗中，处于操纵地位的士兵可以躲藏在安全地带，通过头盔显示器接受战场 信息，然后使用无线通讯手段操纵机器人完成战术任务。这些机器人的出现和 参战，大大减少了美军遭袭的概率； 绪论 图1 2 机器人侦查兵 在医疗领域，国内于2 0 0 5 年1 2 月2 2 日成功的实现了远程机器人脑外科 手术。手术现场设在延安大学附属医院，手术大夫位于北京积水潭医院的医生 工作站里。这次手术的成功标志着我国已将遥操作技术成功应用在医疗领域， 彰显出遥操作的强大功效。 1 1 2 临场感技术在主从遥操作机器人中的应用 临场感( t e l e - p r e s e n c eo r l e l e e x i s t e n c e ) 技术是8 0 年代随着遥控作业的需求 而提出的与交互技术密切相关的新概念。通常使用的临场感的定义有三种；简 单定义，控制论定义和经验上的定义。在简单定义中，临场感指操作者感到身 临远端世界的一种状态。经验性定义是我们经常使用的一种定义。具体讲就是 在遥操作系统中，从端机械手与环境的信息( 包括视觉、力觉、触觉等信息) 反馈到主端操作者处，使操作者产生身临其境的感觉，这样操作者可以对远端 ( 从端) 现场的作业情况做出准确的判断和决策，指导远端作业系统做出正确 的动作，有效的完成任务。临场感为操作者提供了实际遥远环境的总体印象， 最重要的是将遥远环境的信息可靠的、真实的反馈给操作者，在这种操作方式 下操作人员可以对作业进行精确判断，完成许多复杂的工作。 临场感可以分为视觉临场感和非视觉临场感。因人类获取信息的主要方式依 靠视觉，所以视觉临场感对遥操作的帮助很大，这使得基于视觉临场感的遥操 作机器人在现实中已经得到了较为广泛的应用。但是当机器人与环境相互作用 时，比如组装工件、插销入孔等，如果仅仅提供视觉图像信息操作者不能从中 获得真实的感受，只有在力觉临场感的辅助下，人们才能更加完整的掌握从端 机械手的环境状态，从而完成一些复杂并且精细的作业任务。例如，美国通用 绪论 电气的k u g a t h 和w i l t 在m 2 和h a n d y m a l l 等机械手上的插销入孔实验表明，在 各种不同的视觉条件下，带有力反馈的遥操作系统完成任务所需时间要比没有 力反馈所用的时间少得多。d e w h i m e y 在所著文献中也认为，良好的力觉反馈 可以使完成作业的时间减少4 0 。另外，在没有力反馈的遥操作系统中，远端 机器人严格执行操作者的指令而运动，机械手的实际位置由于各种原因而同指 令位置产生误差，这种误差会带来较大的不必要接触力，或偏离制定轨迹，因 此在这种情况下很难保证系统的安全性和完成任务的可靠性。由此可见，力觉 临场感会给遥操作系统带来很大的优越性，可以极大的提高其操作性能。 1 2 遥操作控制系统发展现状 鉴于力觉临场感在主从遥操作系统中的重要性，世界许多主要国家都展开了 实质的研究。近年来，我国的许多科研单位也意识到了临场感技术的重要性， 相继展开了这方面的研究，也研制了许多实验平台。但是，就目前来说，国内 的许多力觉临场感系统中，无论是主手还是从手，控制系统平台多选用d o s 或 w i n d o w s 操作系统。 1 2 1d o s 操作系统 d o s 是一个单任务操作系统，应用程序的执行方式是过程式的，即：它顺序 地执行自己的代码，直到运行完毕后才放弃c p u ，在此期间其它应用程序都不 能执行。对于具有力觉临场感的主、从遥操作机器人系统，不仅涉及到多传感 器的实时数据采集，还要执行各关节电机力矩控制工作，甚至还涉及到了网络 通讯以及图形显示界面。所以如果要将d o s 操作系统很好地运用于主从遥操作 系统中，必须首先要对d o s 进行改造，使其在保证实时性的同时，实现多任务 执行环境。 对于操作系统来说，定时计数器芯片( p c 机中一般是8 2 5 3 8 2 5 4 ) 是其实现 多任务功能的硬件基础。系统定时器的定时周期由操作系统在系统初始化时设 定，d o s 将其设置为大约5 5 毫秒【2 l ，这对于实时控制来说精度是十分低的。但 是由于d o s 是体系开放的结构，允许应用程序直接访问硬件、修改中断向量， 因此在d o s 中可以直接对定时器重新编程而获得更高频率的定时中断。在获得 高精度定时的基础上，就可以实现一个简单的多任务环境。 4 绪论 实践证明，对d o s 进行适当改造所开发出来的控制系统软件具有良好的实 时性能，这也是目前大多数主、从手的控制系统多是使用d o s 进行开发的原因。 但是无论怎样做，从现在的角度看，d o s 的还是具有十分明显的缺陷，主 要包括有： ( 1 ) 必须自行实现多任务环境，这样做开发难度大，开发周期长，而且往往调 度代码和功能代码很难形成清晰的层次结构，使得系统的开放性，通用性和可 靠性降低； ( 2 ) d o s 提供的软件接口过于简单，可利用的软件资源少； ( 3 ) d o s 工作于c p u 实模式下，使得d o s 只能管理6 4 k 内存，严重浪费系 统资源； ( 4 ) d o s 欠缺良好的网络支持。 佟) d o s 操作系统是字符型操作界面，运用d o s 开发控制软件的操作界面需 要通过c 语言中的图形库“画”出来，并且其对鼠标的支持不够，可操作性不强。 使用d o s 平台进行开发，开发者必须进行大量无意义低水平的重复开发， 造成资源的严重浪费。不仅如此，由于d o s 系统的“过于简单”，很容易造成软 件层次不清晰，软件结构复杂，可维护和可扩展性降低。d o s 的这些缺点决定 了，将d o s 运用在对主从遥操作的主、从手的控制中不是一个非常明智的选择。 1 2 2w i n d o w s 操作系统 w i n d o w s 是目前p c 平台上最通用的操作系统，其人机界面友好，软件资源 丰富，具有强大的资源管理能力和良好的网络支持能力，所以基于w i n d o w s 进 行各类机电设备控制系统软件的开发一直是研究的热点之一【3 】。基于w l i l d o w s 平台开发主、从手控制软件具有一定的优点：首先，许多软件开发人员可以很 好的理解并熟练地运用w i n 3 2 应用程序接口；其次，作为视窗操作系统，w i n d o w s 的图形用户界面现已普及，易于操作人员使用，其他操作系统都趋于开发一个 与w i n d o w s 相似的图形界面；w i n d o w s 下具有各种高效易用的开发工具以及集 成开发环境，极大地简化了开发人员的工作；最后，w i n d o w s 下有着大量可用 的应用程序、设备驱动，方便于扩充各种硬件。 但是正是因为w i n d o w s 通用性使得它在解决系统吞吐量的同时不可避免的 削弱了它的实时性能。这样使得直接利用w j n d o w s 进行开发，将无法满足系统 实时性的要求，因此，开发者首先要解决的就是要设法提高系统的实时性。 5 绪论 w i n d o w s 系列平台按操作系统内核版本的不同可分为两类。一类是 w i n d o w s 3 1 3 2 系列，它们建立在d o s 基础上，并不是真正的3 2 位操作系统， 在很大程度上只是对d o s 的一种简单扩展，其多任务调度机制是协作式的；另 一类是w i n d o w s9 5 以上的版本以及用于工作站的网络操作系统w i n d o w s n t 3 5 以上的版本，它们所使用的内核是经过完全重写的，是真正的3 2 位多任务操作 系统。相应地，w i n d o w s 环境中实时问题的局部解决方案也分为两种。对于 w i n d o w s 3 1 3 2 系列的操作平台，利用d p m i ( d o sp r o t e c t e dm o d ei n t e r f a c e ， d o s 保护模式接口) 提供的d o s 环境实现高频率的定时任务；对于w i n d o w s9 5 、 w i n d o w s n t 3 5 以上版本，获得高频率定时任务的方法是采用w i n d o w s a p i 的多 媒体扩展库( m m s y s t e m l i b ) 提供的多媒体定时器，或者采用虚拟设备驱动 程序( v x d ) 技术。其中，多媒体定时器是根据多媒体功能的需要，w i n d o w s 对系统的定时进行重新编程后提供的高精度定时服务。经测试，多媒体定时器 在2 0 m s 以上的定时任务中，精度可以保持在l m s ：定时间隔在7 2 0 m s 之间， 误差在1 3 m s ；7 m s 以下的定时一般很难实现。v x d 实际上是一些3 2 位的应用 程序，它们和v m m ( 虚拟及管理器) 均运行于o 特权级下的一个单一的3 2 位 平板式的内存地址空间中。 用以上方法获得的定时精度最高只能达到l o m s ，这显然不能满足高实时性 要求，并且在任务调度方面，由于w i n d o w s 系列平台的调度器在设计过程中没 有考虑到实时应用的问题，其调度效率比较低。更重要的是，无论是w i n d o w s 3 x 还是w i n d o w s 9 5 n t ，其内核的许多机制都与实时应用相矛盾，根本无法保证任 务调度的效率和时机。 选用d o s 平台的原因主要是看中了d o s 系统的实时性能，但是无论怎样， d o s 都是一个基本已被淘汰的操作系统，该系统在图形界面和网络支持方面显 得力不从心：而选择w i n d o w s 作为控制系统的操作系统，主要是因为w i n d o w s 系统已经深入人心，基于w i n d o w s 的控制系统的开发也已经广为人们所熟悉， 并且w i n d o w s 也提供了良好的图形界面显示和网络支持功能，但是w i n d o w s 作 为一个复杂的通用操作系统来说，从设计的那天起就没有对系统本身的操作性 进行过太多考虑，这造成了它的实时性能明显的不足。 对于力觉临场感遥操作中的主、从手来说，他们各自都是一个集数据采集和 伺服控制为一体的控制系统，因此实时性对系统性能的影响很大。另外，遥操 作系统其本身的含义也使得遥操作系统本身的发展与i n t e m e t 网络紧密的联系在 6 绪论 一起，所以说在遥操作的控制系统中应该具有良好的网络支持能力。综上所述， 鉴于力觉临场感主从要操作的应用背景，其控制系统应该同时具有良好的实时 性能和丰富的网络支持，这就是本课题所要研究的目的。 1 3 目前常用的实时操作系统 实时操作系统的研究是从2 0 世纪6 0 年代开始的，它是具有实时性且能够支 持实时控制系统工作的操作系统。其首要任务就是调度一切可利用的资源来完 成实对控制任务，其次才是着眼于提高计算机系统的使用效率，它是一个能够 在指定或确定的时间内能够完成系统功能或者对外部或内部事件做出响应的系 统。 实时操作系统是实时系统在启动之后运行的一段背景程序。与通用操作系统 一样，它同样具有任务管理、任务同步、进程通讯、存储器管理、定时器中断 管理等功能。从性能上讲，实时操作系统与普通操作系统之间的区别主要体现 在“实时”上。在实时计算中，系统的正确性不仅依赖于计算机的逻辑结果，而且 依赖于结果产生的时间。 目前，许多商业化的实时操作系统迅速发展，没有哪个实时操作系统能够形 成垄断格局，目前市场上主要的实时操作系统如下1 4 5 剜： 1 v x w b r k s v x w b r k s 操作系统是美国w i n d r i v e r 公司于1 9 8 3 年设计开发的_ 种实时操 作系统。v x w r o r k s 拥有良好的持续发展能力、高性能的内核以及友好的用户开 发环境，在实时操作系统领域占有一席之地。它支持抢占式、基于优先级的任 务调度，支持任务间同步和通讯，还支持中断处理、看门狗定时器和内存管理。 其任务切换时间短、中断延迟小、网络流量大。 v x w b r k s 与p o s i x 标准完全兼容。p o s i x 是工作在i s 0 i e e e 标准下的一系 列有关操作系统的软件标准。制定这个标准的目的是为了在源代码层次上支持 应用程序的可移植性。 v x w r o r k s 提供很好的可配置能力，可配置的组件超过8 0 个。用户可以根据 自己系统的功能需求通过交叉编译环境方便地进行配置。 同时，v x w | o r k s 提供的开发调试环境便于进行操作和配置，开发系统t o n 2 l f d o 更是得到了广大嵌入式系统开发人员的支持。并且，v x w - 0 r k s 支持多种c p u 。 7 绪论 2 “c o s 和“c 0 s - i i p c o s i i ( m i c r o c o n t r o l l e ro p e r a t i o ns y s t e m ) 是由美国人j e a nj l a b r o s s e 开 发的实时嵌入式操作系统。它其实只是一个实时嵌入式系统的内核，全部核心 代码只有8 3 k ，只包含了进程调度、时钟管理、内存管理和进程间的通讯与同 步等基本功能，而没有包括i o 管理、文件系统、网络等额外模块。同时，弘c o s i i 的移植性很强。 p c 0 s i i 的进程调度是按抢占式、多任务系统设计的，即它总是执行处于就 绪队列中优先级最高的任务。 p c 0 s i i 最多可运行6 4 个线程，并且规定所有进程的优先级必须不同。进 程的优先级同时也唯一地标识了该进程。即使两个任务的重要性相同，它们也 必须有优先级是上的差异。 3 q n x q n x 实时操作系统是加拿大q n x 软件系统有限公司( q s s l ) 的产品。它 是一个符合p o s i x 标准的、应用于嵌入式场合的操作系统。它提供了一个很小 的微内核以及一些可选的配合进程。q n x 内核仅提供4 种服务：进程调度、进 程问通讯、底层网络通讯和中断处理，其进程在独立的地址空间中运行。其他 操作系统服务都实现为协作的用户进程。因此，q n x 内核非常小巧，而且运行 速度极快。 q n x 支持多种文件系统，其中特别值得一提的是支持s u n 公司的n f s 文件 系统和s m b 文件系统，这样q n x 可以很好地同其他系统进行数据的网络共享。 q n x 可以支持多种c p u ，包括普通i n t e lx 8 6 兼容处理器和一些r i s c 处理 器( 查口p o 、e r p c 和m i p s ) 。 4 w i n d o w sc e w i n d o w sc e 是从整体上为有限资源的平台设计的多线程、完全优先权、多 任务的操作系统。它的模块化设计允许它从掌上电脑到专用工业控制器的用户 电子设备进行定制。w i n d o w sc e 包含提供操作系统最关键功能的4 个模块：内 核模块、对象存储模块、图形、窗口和时间子系统模块( g w e s ) 以及通信模块。 5 p s o s p s o s 是i s i ( i n t e r 伊a t e ds y s t e m si n c ) 公司研发的产品，该公司现已与 w j n d r i v e rs y s t e m s 公司合并。p s o s 是一个模块化、高性能、完全可扩展的实时 操作系统，专为嵌入式微处理器设计。它包含单处理器支持模块、多处理器支 8 绪论 持模块、文件管理模块、t c p i p 通信包、流式通信模块、图形界面、j a v a 和h t t p 等。开发者可以利用它来实现从简单的单个独立设备到复杂、网络化的多处理 器系统。 作为自由软件家族中的一员，“n u x 操作系统近几年发展迅速，除了在网络 服务器、桌面端的应用之外，同时由于其内核的精简而高效，可裁减，可修改 性强，并且还可以支持多种体系结构，具有良好的可移植性，它在嵌入式领域 也开始发挥巨大的作用，许多公司开始研究l i n u x 在嵌入式方面的应用。 u n u x 本身不具备实时性，但是随着l i n u x 的不断发展，出现了一些基于l i n u x 进行修改的实时操作系统，比如r t l i n u x 、r e d 【抽u x 、k u r t 、r t 触等实时的 l i n u x 操作系统，他们都是在l i n u x 内核的基础上进行扩展后而建立起来的开放 性的、高效的多任务实时操作系统。 1 r t l i n u x r t l i n u x 最早为美国新墨西哥理工学院的一个科技项目，由v i c t o ry o d a i k e n 提出设计思想，由m i c h a e lb a r a b a n o v 实现的硬实时操作系统。它是世界上最早的 实时n u x 系统，在设计和实现时力图遵循p o s i x1 0 0 3 1 3 标准。r t l i n u x 被设计 成实时内核，基本上可看作一独立的微内核。它利用l i n u x 的模块机制，采用插 入模块的方法，通过一个独立的内核来管理实时任务，并将l i n u x 操作系统作为 其中优先级最低的一个进程链入到任务队列中。r t l i n u x 使用了一个p o s 线程 a p i ，并遵循p o s i x1 0 0 3 1 3p s e 5 1 最小限度实时系统模式技术规范。同时，它自 身开发了r t f i f o 、m b u f 珙享内存驱动模块等通信机制来实现实时任务与非实 时任务之间的通信。r 叫n u x 实时任务程序运行于内核空间，所需资源全采用静 态分配方式，以避免动态分配资源产生的不可预测的延时。r t l i n u x 并没有对 l i n u x 内核作很大的改变，只是对l i n u x 实时化进行了外部扩展，通过l i n u x 的可 装入模块机制来装入实时内核。这样，可以最小限度的减少对l i n u x 内核的影响， 在l i n u x 升级的同时并不需要对r t l i n u x 作大面积的改变。同时，r t l i n u x 编程中 的非实时部分可以充分运用l i n u x 下的丰富的资源。 2 r t a i i 订a i ( r e a l t i m ea p p l i c a t i o ni n t e r f a c e ) 是p o l i t e c n i c od im i l a n o ( d 脚m ) 航空局 的工程师p a o l om a n t e g a z z a 及其同事于1 9 9 6 年创建的一个g n u 的硬实时l i n u x 扩 展。r t a i 的机制与r t l i n u x 非常相似。r ，r a i 是一个g n u 的项目，它在“n u x 内核 中加入一系列可保证其硬实时性的编程接口来实现l i n u x 的实时性，其基本思想 9 绪论 也是架空l i n u x 内核。它同样将l i n u x 内核作为一个优先级最低的任务来执行，只 有r t a i 的实时任务不执行时，l i n u x 内核才会被执行。并且，r t 越的实时任务 也是作为l i n u x 内核的内核模块来实现的。r t a i 和r t l i n u x 最大的不同点在于其 实现方法的不同。肌i 实现了一个实时硬件抽象层r t h a l ( i 沁a 1 t i m eh 砌、v a r e a b s t r a c t i o nl a y e r ) 。它包括一个中断向量的结构和打开关闭中断的功能，这样 如果r t a i 出现b u g ，用户可以很容易使r t h a l 直接指向原来的l i n u x 内核代 码，以避免b u g 的出现。 3 r e d l i n u x r e d l i n u x 是加州大学i n ，i n e 分校开发的实时l i n u x 系统，为了提高系统的调 度力度，r e d l i n u x 从r t l i n u x 那儿借鉴了软件模拟中断管理器的机制，并且提 高了时钟中断频率。当有硬件中断到来时，r e d l i n u x 的中断模拟程序仅仅是简 单地将到来的中断放到一个队列中进行排队，并不执行真正的中断处理程序。 另外为了解决l i n u x 进程在内核态不能被抢占的问题，i 也d l i n u x 在l i n u x 内核的 很多函数中插入了抢占点原语，使得进程在内核态时，也可以在一定程度上被 抢占。通过这种方法提高了内核的实时特性。 4 k u n l i n u x k u r t l i n u x 由k a n s a s 大学开发，它可以提供微秒级的实时精度。不同于 r t “n u x 单独实现一个实时内核的做法，k 眦l i n u x 是在通用l i n u x 系统的基础上 实现的，它也是第一个可以使用普通l i 舢x 系统调用的基于l i n u x 的实时系统。为 了提高“n u x 系统的实时特性，必须提高系统所支持的时钟精度。但如果仅仅简 单地提高时钟频率，会引起调度负载的增加，从而严重降低系统的性能。为了 解决这个矛盾，k u r t l i n u x 采用u t i m e 所使用的提高l i n u x 系统中的时钟精度的 方法【u t i m e w e b 】：它将时钟芯片设置为单次触发状态( 0 n es h o tm o d e ) ，即每 次给时钟芯片设置一个超时时间，然后到该超时事件发生时在时钟中断处理程 序中再次根据需要给时钟芯片设置一个超时时间。它的基本思想是一个精确的 定时意味着我们需要时钟中断在我们需要的一个比较精确的时间发生，但并非 一定需要系统时钟频率达到此精度。它利用c p u 的时钟计数t s c ( t i m e s t a i l l p c o u n t e r ) 来提供精度可达c p u 主频的时间精度。k 呱l i n u x 相对于r t l i n u x 的一个 优点就是可以使用l i n u x 系统自身的系统调用，它本来被设计用于提供对硬实时 的支持。但由于它在实现上只是简单的将l i n u x 调度器用一个简单的时间驱动的 调度器代替，所以它的实时进程的调度很容易受到其它非实时任务的影响。从 i o 绪论 r t “n u x 作为一种免费的开源实时操作系统，占用空间小、执行效率高、实 时性能优良，并且易于移植；同时，r t l i n u x 可以充分利用l i n u x 通用操作系统 下的各种资源，方便以后的功能扩展：再者，r t l i n u x 使用广泛，性能可靠。鉴 于以上原因，我们最终选择r t l i 删x 作为系统平台，用于具有力觉临场感的主从 遥操作主手控制软件的开发工作。 围绕着构建基于r t l i n u x 的遥操作主手控制系统，本文展开为六章： 第一章绪论 介绍了主从遥操作机器人的应用背景及其发展现状，对现有常见的d o s 以及 w i n d o w s 操作系统进行分析，指出它们运用在主从遥操作系统中性能上的不足。 通过对现有常用实时操作系统的对比，最终选择r t l i n u x 作为控制系统开发平 台，并且给出了这样做的原因； 第二章r t l i n u x 及其编程要点 从内核架构的角度对r t l i n u x 进行分析，阐述了其实时性的实现机制，并且 对r t l i n u x 的编程要点进行了说明，为利用r t l i n u x 开发遥操作主手实时控制 系统做了必要的铺垫工作； 第三章力觉临场感遥操作系统及其硬件构成 介绍论文内容所涉及的力觉临场感的主从遥操作实验平台，并特别对主手平 台的机械结构和硬件组成进行了介绍； 第四章软件设计 介绍了控制系统开发平台的构建，以及控制软件各主要功能模块的实现细 节； 第五章系统性能测试及应用 对控制系统进行测试，测试内容包括控制系统的实时性以及位姿解算的准确 性，并且利用主手的位姿解算能力，将其运用于排球扣球机器人对扣球方向的 控制功能上； 第六章总结与展望 全文总结，并对下一步的工作进行了展望。 1 2 第二章r n i n u x 及其编程要点 第二章l 盯l i n u x 及其编程要点 本章主要介绍础r l i n u x 实时性实现的原理以及其软件编程的关键性技术，因 为r t i ，i n u x 是基于l i n u x 进行改造而成，所以在介绍r 1 u n u x 之前首先对i j n u x 系统进行概要的说明。 2 1 “n u x 系统 u n u x 最初是由l i n u st 0 v a l d s 设计开发，并伴随着i n t e m e t 网络迅速成长起 来的操作系统。它参照u n i x 进行设计，并遵循p o s 标准。现实中，i j n u x 因其优异的表现使得对于它的应用非常广泛，特别是在嵌入式领域中，l i n u x 占 据了相当大的比重。图2 1 所示为嵌入式实时操作系统中的近些年的使用情况， 从中我们可以发现，l i n u x 系统占据着相当大的比重。 黝彩 荔o 辔锈 菇0 、移 嬲露 2 e 彩 0 0 第二章r t l i n u x 及其编程要点 l i n u x 是一种源代码开放的、免费的g n u 系统，任何用户只要遵守g p l 的规 定，就可以免费获得拷贝，并