（检测技术与自动化装置专业论文）基于internet的机器人遥操作仿真系统与实时性改进.pdf

研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已 经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得河北大学或其他教育机构的学位或证书所使 用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说 明并表示了致谢。 作者签名： 学位论文使用授权声明 本人完全了解河北大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留并向国 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。学校可以公布 论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 本学位论文属于 1 、保密口，在年月日解密后适用本授权声明。 2 、不保密口。 ( 请在以上相应方格内打“) 的学位论文，是我个人在导师() 指导并与导师合作下取得的研究成果，研 究工作及取得的研究成果是在河北大学所提供的研究经费及导师的研究经费资助下完 成的。本人完全了解并严格遵守中华人民共和国为保护知识产权所制定的各项法律、行 政法规以及河北大学的相关规定。 本人声明如下：本论文的成果归河北大学所有，未经征得指导教师和河北大学的书 面同意和授权，本人保证不以任何形式公开和传播科研成果和科研工作内容。如果违反 本声明，本人愿意承担相应法律责任。 声明人： 作者签名： 导师签名： 术与先进的网络 通信技术相融合，使基于i n t e m e t 的机器人遥操作技术得以产生并迅速发展。基于i n t e m e t 的机器人遥操作技术综合了机器人控制、网络通信和实时传输、虚拟仿真等多个领域的 知识，受到了国际机器人界广大学者的高度重视。对于基于i n t e m e t 网络的机器人遥操 作仿真系统的研究，主要集中于提高l i n u x 操作系统实时性、网络数据通信、解决数据 包丢失和机器人仿真等方面。 本文旨在理论研究与实践应用相结合，通过构筑一个的基于i n t e m e t 的机器人遥操 作仿真实验平台，阐述基于t c p 、u d p 传输协议的通信、虚拟三维机器人模型的建造 及远程控制的原理和方案。 首先，本文综述了遥操作技术的研究现状和今后的发展方向，阐述了网络环境下主 从式机器人遥操作系统的体系结构以及如何改进通用l i n u x 操作系统的实时性，构筑了 一个以仿真p u m a 5 6 0 型工业机器人为被控单元、c l i e n t s e r v e r 体系结构为网络通信平 台的机器人遥操作系统。针对普通内核版本的l i n u x 操作系统存在实时性局限的问题， 进行了内核的升级与裁减j 实现全新的调度器和抢占式内核机制，从而大大提高了系统 的实时性。 其次，对机器人遥操作系统中存在的问题及相应解决方案进行了研究总结。针对网 络传输数据类型的各自特点，系统采用了将t c p 、u d p 协议相结合的通信方式，满足 数据信息特性的要求；并利用o p e n g l 进行了机器人虚拟建模与三维图形仿真。 最后，通过仿真实验测到的数据证明了实时l i n u x 系统内核的任务响应时间远低于 普通的l i n u x 系统，并且验证了基于i n t e m e t 的机器人遥操作仿真系统的可行性、可靠 性。 关键词遥操作实时操作系统网络通信 o p e n g l a b s t r a c t a b s t r a c t i n t e r n e t b a s e dc o n t r o ls y s t e m sh a v eb e e ne v o l v i n gr a p i d l yi nr e c e n ty e a r s t h ec o m b i n e d t e c h n o l o g i e so ft r a d i t i o n a lr o b o t i c sa n dn e t w o r kc o m m u n i c a t i o nm a k et h ei n t e m e t b a s e d t e l e r o b i t i co ni t sr a p i dd e v e l o p m e n t t h es y s t e mi st h ei n t e g r a t i o no ft h ec o n t r o lt e c h n o l o g y , n e t w o r kt r a n s m i s s i o na n dv i r t u a ls i m u l a t i o nf i e l d ，t h e r e f o r er e c e i v et h ee x t e n s i v ec o n c e r no f t h ei n t e m a t i o n a lr o b o t i cc i r c l e t h es e a r c ho nt e l e r o b i t i cc o n t r o lo ft h e i n t e m e t b a s e d s i m u l a t i o nr o b o ti s m a i n l yf o c u s e do ni n c r e a s i n gl i n u xo p e r a t i o ns y s t e m sr e a l - t i m e ， n e t w o r kd a t ac o m m u n i c a t i o na n dr o b o t i cs i m u l a t i o n w i t ht h es i m u l a t i o nt e s t i n gp l a t f o r mo ft h et e l e r o b o t i cs y s t e mb a s eo ni n t e m e t ，t h i sp a p e r a i m sa tc o m b i n i n gt h e o r ya n dp r a c t i c e ，e l a b o r a t i n gr e m o t ec o n t r o lb a s e do nt c pa n du d p t r a n s m i s s i o np r o t o c o la n dp u t t i n gu p3 dv i r t u a le n v i r o n m e n t f i r s t l y , t h i sp a p e rs u m m a r i z e dt h es t a t u s i n q u oo ft e l e o p e r a t i o na n d t h ef u t u r e d e v e l o p m e n tt r e n d t h ea r c h i t e c t u r e so ft h em a s t e r - s l a v em o d et e l e r o b o t i cs y s t e mb a s e do n c l i e n t s e r v e rn e t w o r ka r ee x p a n d e do n i ti st r e a t e d a sc o n t r o l l e du n i tt h a ts i m u l a t i o n p u m a 5 6 0r o b o t t os o l v et h el i n u xf u n c t i o n a ll i m i t a t i o nw i t hg e n e r a lk e m e l ，。w eu p g r a d e d a n dc u s t o m i z e dt h ek e m e l a n dt h em o d i f i e dp r e e m p t i v es c h e d u l i n gi m p r o v e dt h er e a l t i m e p r o c e s s i n gs p e e dg r e a t l y s e c o n d l y , t h ep r o b l e m sa n ds o l u t i o n so ft h et e l e r o b o t i cs y s t e ma r es t u d i e da n dc o n c l u d e d i no r d e rt or e d u c et h el o s i n gd a t a ，t h em e t h o di sp u tf o r w a r dt h a tt r a n s p o r t i n gb a s e do nt c p a n du d p p r o t o c o lt o g e t h e r t h e nv i r t u a lm o d e l i n ga n d3 dg r a p h i c a ls i m u l a t i o no fr o b o ta r e r e s e a r c h e db yo p e n g l f i n a l l y , t h es i m u l a t i o ne x p e r i m e n t so ft h i sp a p e rt e s t st h ef e a s i b i l i t y , d e p e n d a b i l i t ya n d r e a l t i m eo ft h eo p e r a t i o ns y s t e mb a s e do ni n t e m e t k e yw o r d st e l e o p e r a t i o n r t o sn e t w o r kc o m m u n i c a t i o n o p e n g l i i 1 2 论文研究对象3 1 - 3 机器人遥操作发展历史3 1 3 1 国外机器人遥操作发展现状4 1 3 2 国内机器人遥操作发展现状：4 1 4 论文主要工作5 第2 章基于in t e r n e t 的机器人遥操作系统7 2 1 基于网络的机器人遥操作系统结构7 2 1 1 基于i n t e m e t 双向力反馈机器人遥操作系统7 2 1 2 基于w e b 浏览器的机器人遥操作系统8 2 1 3 网络控制仿真机器人平台设计9 2 2l i n u x 操作系统及其实时性局限一1 0 2 2 1l i n u x 操作系统”1 0 2 2 2 通用l i n u x 系统的实时性局限1 1 2 3l i n u x 实时内核设计”1 2 2 3 1l i n u x 2 6 内核的实时性1 2 2 3 2l i n u x 2 6 内核配置与编译一。一1 3 第3 章机器人虚拟仿真平台_ 一一一l7 3 1 机器人的坐标变换1 7 3 1 1 位置与姿态的表示1 7 3 1 2 齐次坐标变换1 8 3 1 3 机器人正向运动学2 0 3 2 机器人三维图形建模2 4 3 2 1 仿真工具的选择2 4 3 2 2o p e n g l 绘图原理及应用”2 5 t l i 目录 3 2 3o p e n g l 三维变换“2 6 3 2 4 三维动画和交互的实现2 9 3 2 5l i n u x 与w i n d o w s 系统机器人模型的实现3 l 第4 章网络数据通信一3 7 4 1 网络通信系统结构分析3 7 4 2 网络协议3 8 4 2 1t c p 传输协议3 9 4 2 2u d p 传输协议3 9 4 3 操纵手柄数据通信的实现4 l 4 3 1 操纵手柄与服务器端的通信4 1 4 3 2 客户端程序：4 3 4 3 3 服务器端程序：- ：4 3 第5 章系统实时性测试“4 6 5 1 操作系统实时性测试“j 4 6 5 2 实验结果及分析4 9 第6 章总结与展望”5 0 6 1 全文结论5 0 6 2 有待进一步研究的问题51 附录5 2 参考文献5 8 攻读硕士学位期间发表论文情况51 致 射：6 2 i v 展以及网络技术 持续的发展刺激 t c u 造业对工业机器人的大量需求，而作为工业自动化产业的一支新兴技术力量，工业 机器人占据着越来越重要的地位，其核心控制系统摆脱传统单一模式开始向基于p c 机和 i n t e m e t 网络的人机交互式遥操作控制方向转变，使机器人操作者置身于远距离安全作业 环境中操纵机器人，在改善人类劳动条件，提高生产自动化水平、劳动生产率和产品质 量的同时也带来了巨大的社会效益和经济效益。 1 1 机器人遥操作技术及应用 “机器人 一词充满了科幻色彩，它总是与高新技术紧密联系在一起，有灵活而坚 固的“躯体”，可以抵抗恶劣的环境，不知疲倦的工作，甚至可以拥有像人一样的智慧。 “机器人”最早出现于捷克作家k a r lc a p e k 在1 9 2 0 年写的罗萨姆的万能机器人剧 本中。由于该剧预示是机器人的发展取代了人类社会，引起人们的广泛关注，因此被当 作机器人一词的起源。 以计算机技术、微电子技术、遥操作技术、仿生学、人工智能为主导的新兴技术迅 速崛起的今天，机器人已不再是简单意义上替代人类劳作，而是现代高科技互相融合的 应用载体，自身也发展成为一个相对独立的学术课题与交叉技术领域，形成了特有的理 论和研究发展方向，具有鲜明的学科特点。在研究和开发未知及不确定环境下作业的机 器人的过程中，人们逐渐认识到机器人技术的本质是感知、决策、行动和交互技术的结 合。通过加快开展机器人在视觉、力觉、触觉技术工作的力度，把具备了感知能力的机 器人或运动设备与计算机网络相连，进行远端硬件设备的控制与感知外部世界的尝试便 应运而生，如基于i n t e r n e t 的远程工业自动化制造系统和基于i n t e m e t 的机器人遥操作系 统。 基于i n t e m e t 的机器人遥操作系统是从机器人遥操作的基础上发展起来的。遥操作 ( t e l e o p e r a t i o n ) 作为一门新兴技术，在不同的发展阶段，许多学者都曾给出它的定义， s h e r i d a n 定义n3 为：“遥操作是操作者的感知和操作能力在远端的延伸和扩展”， 河北大学t 学硕十学何论文 a k b e j c z y 定义瞳1 为：“由操作者远程控制，具备感知能力的机械臂或运动设备的运动”。 遥操作技术应用领域相当广泛，一直是机器人研究中的热点，遥操作技术能够实现移动 机器人到达危险或是人难以到达的环境，通过通讯网络接收远端控制命令完成特定任 务。同时遥操作技术还延伸到航空航天领域、基础科学试验、核工程、海底作业等，如 空间机器人、医疗机器人、排险机器人、水下机器人分别如图1 - 1 至卜4 所示。借助计算 机网络传输，人们可以将机器人“视觉”、“听觉”、“触觉”等感知的图像、声音、文本 信息反馈到操作者一端，使操作者对环境具有了力觉临场感，不仅增强了真实感，提高 系统操作性能，而且凭借世界各地铺设的庞大光纤电缆网络也降低了通信的成本，脱离 了传统专人专机进行远程控制的状况，扩大了操作的远程化距离，无疑为其发展提供了 有利条件。 ， 图卜l “国际空1 日j 站”美国舱上的移动 服务系统3 3 图卜2 九州大学及日立制作所等的“m r 图像 感应小型手术用机器人技术系统” 图卜3f a p t o r e o d 履带式中型排爆排险机器人图卜4 中国“c r 0 2 ”6 0 0 0 米水下机器人 2 第1 章绪论 先进机器人的发展水平代表着一个国家的综合科技实力，机器人遥操作技术结合了 多学科而形成的高新技术成果，是当代研究十分活跃、应用日益广泛的领域，已经站 世界科技发展前沿，它随着人类生活应用领域的不断扩大正引起国际上重新认识机器 遥操作技术的作用和影响，因此，研究机器人遥操作技术具有重要的现实意义。 1 2 论文研究对象 1 9 6 0 年，美国u n i m a t i o n 公司根据g e o r g ed e v o l 的专利技术研制出第一台工业机器 人样机，并开始定型生产u n i m a t e 机器人。1 9 6 2 年，美国g e n e r a lm o t o r s 公司在压铸件 的一条装配线上，安装了第一台u n i m a t e 工业机器人h 1 。经过十几年的技术研发与改进， 1 9 7 9 年以后陆续推出了p u m a 系列工业机器人，它是一种多处理器协调控制的先进机 器人，其中标准的6 轴p u m a 5 6 0 已经成为工业机器人的典型代表广泛应用于汽车制造 行业。 在工业生产中应用机器人容易实现生产过程的完全自动化，其模块化和可重构性等 特点大大加强了生产设备的适应能力，可以提高产品的生产效率及质量，保障人身安全， 改善工作条件。而中国的汽车制造业具有较高的增长趋势，对更加智能化、网络化的工 业机器人需求也在不断增长。本课题正是基于中国制造业实际发展国情的基础上，重点 开展研究以p u m a 5 6 0 工业机器人为原型的模拟仿真机器人在不同操作系统下进行远程 实时操控系统的性能，搭建起一套网络遥操作实验平台，具备远距离通信、在线编程和 操作者与机器人的人机交互控制功能，两台p c 机作为控制器分别采用w i n d o w sx p 和 l i n u x 两种操作系统，充分发挥w i n d o w sx p 并行处理机制可提高信息处理速度和l i n u x 实时性好能够满足仿真机器人运动控制的快速性要求，该实验平台已进入了实用化阶 段。 1 3 机器人遥操作发展历史 机器人遥操作技术越来越多地受到发达国家和发展中国家的高度重视。近年来由于 制造装备故障诊断、状态监测维护以及分布式作业等应用需求不断增加，人们不再单单 满足于监控本地域的电气设备，而是根据实际要求进行异地机器人遥操作。互联网的出 现和发展为遥操作控制技术带来了新的突破契机，实现人类感知能力和行为能力的延 伸，实时地控制远端移动机器人的运动，以最大限度地利用远近端设备、资源和遥操作 者的智力、经验，从而实现资源的最佳配置，完成特定的任务。 3 枣 河北大号：r ：学硕士7 7 ：t f 7 ：论文 1 3 1 国外机器人遥操作发展现状 目前，国内外基于i n t e r n e t 的机器人遥操作系统方面的研究取得了的丰硕成果。国 外机器人遥操作技术的研究剐可追溯到1 9 4 8 年，当时美国阿贡国家能源实验室为解决 核污染机械操作问题，研制了一套力矩反馈式遥操作机械式主从机械手m _ l ，用来代替 人在危险环境下进行作业。1 9 9 4 年，美国南加州大学的k e ng o l d b e r g 等在m e r c u r yp r o j e c t 项目中建立了第一台基于i n t e m e t 机器人遥操作系统，将其命名为“t e l e g a r d e n ”酊1 ( 如 同卜5 所示) ；美国b e r k e l e y 大学研制成功了t e l e g a r d e n 网络机器人系统哺1 ；1 9 9 8 年6 月，p u m a p a i n t 被链接到i n t e r n e t 上，使用者可以通过网络控制一台p u m a 5 6 0 机器人在 画架上作画呻1 ( 如同1 - 6 所示) ；2 0 0 1 年日本通商产业省工业技术学院进行基于仿人机 器人多关节、多传感信息的遥操作研究旧1 ；2 0 0 4 年美国斯坦福大学机器人研究所进行了 机器人手臂的控制研究引。 图卜5t e l e g a r d e n 系统3图卜6p u m a p a i n t 系统n 2 3 在应用研究方面，斯坦福大学和麻省理工大学合作开发基于因特网的下一代远程诊 断示范系统，密执安大学也积极开展针对机械加工制造装备的远程诊断和制造系统的研 究工作。 1 3 2 国内机器人遥操作发展现状 我国机器人研究起步于2 0 世纪7 0 年代初期，对机器人遥操作技术的探索又晚了十 几年的时间，综合水平落后于美日等发达国家，但是随着政府的重视与支持，投入大量 科研资金，对机器人遥操作技术进行攻关。1 9 8 6 年，国家高技术研究发展计划( 8 6 3 计 4 成果，为机器人产业的发展奠定了坚实基础。 其中一些高等院校与研究机构都做出了重要的贡献：中科院沈阳自动化研究所n 3 1 4 3 研制的主从异构的监控遥操作系统以及和同济大学机器人及智能控制系统研究室共同 研究的基于w e b 的远程控制机器人研究n 弱；哈尔滨工业大学n 6 m 7 1 研制的一套基于虚拟 环境的双向力反应“三自由度主从手系统 ；北京理工大学机电一体化中心吴平东在基 于因特网的机械运动远程自动控制和远程操作控制方面进行了研究n 8 1 9 1 ；清华大学开发 的一套“视觉临场感环境”呦2 ；东南大学乜羽口3 1 建立了单自由度“力觉临场感系统”； 北京航空航天大学在基于网络的机器人遥操作方面也进行了研究弛4 2 引；北京理工大学开 展了仿人形机器人遥操作手臂的研究乜6 1 以及动作规划设计研究心7 2 引。 2 0 0 3 年1 0 月，在i e e e 智能机器人与系统国际学术会议( i r o s ) 上，中科院沈阳自动 化所、美国密歇根州立大学和香港中文大学共同演示了一个基于因特网的遥操作系统。 该系统由美国操作者通过操纵杆发送命令，控制沈阳、美国、香港的机器人系统进行作 业，操作者不仅可以通过视频信息查看现场情况，还可以通过操纵杆上力反馈信息获取 机器人与远程未知环境的交互信息。 1 4 论文主要内容 本文详细的探讨了计算机技术、遥操作技术以及网络技术的融合应用，并且对基于 i n t e m e t 的开放型机器人遥操作分布式控制系统构架进行了积极的尝试，改进操作系统 的实时性并取得了一些成绩。系统的开发成功将会大大提高对机器人的实时监视与控 制，并促进机器人遥操作技术向非制造业的服务型行业拓展。论文的主要研究结果有以 下四个方面： 1 对已有的主从式双向力反馈机器人遥操作系统模型进行合理简化，重点讨论了基 于i n t e m e t 机器人遥操作系统的网络数据通信问题。 2 系统平台应用了客户机朋艮务器( c l i e n t s e r v e r ) 的软件体系结构，客户机和服务 器端的操作系统分别采用了w i n d o w sx p 和改进型l i n u x ，更好地满足了服务器端实时 性要求。 3 采用面向对象的c + + 语言设计集模型计算、通信、图形显示和控制在内的实验环 境，具备完整的用户管理机制和通信机制，可扩展为多用户机器人的开放式远程监视与 番 河北大学t 学硕十学何论文 控制。 4 利用o p e n g l 设计p u m a5 6 0 机器人三维动态图形，并利用t c p i p 协议和s o c k e t 编程接口设计、搭建了机器人遥操作仿真平台。 课题立足于i n t e m e t 的强大网络处理能力和改进型l i n u x 操作系统的实时性、高可靠 性，运用遥操作技术使得远端控制机与本地机通过网络进行信息的交互从而实现对仿真 机器人的远程监视与控制。 6 系统 且与工作环境接触的 控制系统的组成以及稳定程度都是系统性能的重要影响因素。机器人作为一个较为复杂 的控制对象，可用来验证已有的遥操作控制理论，并提出新的远程控制方法，为这些控 制方法的实现打下基础。 2 1 基于网络的机器人遥操作系统结构 最初的操作机器人，操作人员通过连杆直接手动操作远程机器人。即使能够通过计 算机网络进行遥操作，也由于其通信设备的专用性强和高昂的价格，使得机器人遥操作 技术的发展受到了许多条件的制约。如何更方便、更廉价地控制机器人己成为机器人技 术的一个突出问题。如果利用现有的、通用的通信技术和设备能解决上述问题，无疑将 大大提高控制机器人的便利性，并迅速降低成本。因此，网络通信技术应运而生，它已 经成为远程控制机器人研究的热点，其应用前景非常广阔。 网络环境下，通信是由计算机网络来完成的。基于网络的机器人遥操作系统的形式 主要有两种：基于i n t e r n e t 的双向力反馈机器人遥操作系统与基于w e b 浏览器的机器人 遥操作系统汹瑚1 。前者将i n t e r n e t 作为遥操作系统的通信手段，从体系结构和技术上基 本延续了传统遥操作系统所采用的方法，拓展了传统遥操作系统的操作空间和领域，降 低了构建与维护成本。后者则以h t t p 技术为基础，遥操作系统中只存在从手子系统， 主手子系统则被w 曲浏览器所取代，它具有面向公众的特点和简单、高效、跨平台等 优点，但要求从手子系统一端的机器人具有较高的安全性与自主能力。 2 1 1 基于i n t e r n e t 双向力反馈机器人遥操作系统 机器人遥操作系统的典型结构由两个子系统组成：主手控制系统和从手控制系统。 基于i n t e r n e t 双向力反馈机器人遥操作系统原理框图如图2 - 1 所示。它包括构成主手子系 统的操作者、主机器人和作为从手子系统的从机器人、环境以及基于i n t e r n e t 的通信环节 三个组成部分。 基于i n t e r n e t 双向力反馈机器人遥操作系统在主、从机器人之间采用了基于i n t e r n e t 的网络通信方式，这是区别于传统的机器人遥操作系统的主要特征。因此网络数据通信 7 河北大学【：学硕十学位论文 r ol l i i 方式对系统的影响及问题解决方案就成为整个机器人遥操作系统研究的核心内容。由于 该系统大都采客户机朋艮务器( c l i e n t s e r v e r ) 模式，使得系统响应速度较快、交互性强， 容易实现功能扩展且可靠性较高。 、一- ， 主手子系统 匪至 日 匪堕口 i 、， 从手子系统 图2 - 1 基于i n t e m e t 双向力反馈机器人遥操作系统原理框图 基于i n t e r n e t 的机器人遥操作系统的建立，脱离了原来的那种专人专机进行远程控 制的状态，不仅降低了成本，而且扩大了操作的远程化距离，实现了任意节点的访问机 制，适应了远程管理的技术方向，已成为遥操作领域的一个研究热点。 2 1 2 基于w e b 浏览器的机器人遥操作系统 基于w e b 浏览器的机器人遥操作是指将机器人与i n t e m e t 相连，使得人们可以在任 何地方通过浏览器访问机器人，实现对机器人的遥操作控制。它以i n t e m e t 为主体架构， 利用浏览器技术的通用性和方便性，不仅降低了遥操作系统的成本，而且在用户端不需 要主手控制器设备，只要有浏览器就可以实现机器人远程控制，非常方便实用。基于 w e b 浏览器的机器人遥操作系统结构如图2 - 2 所示。 浏 防 一眦胳器| h 数据库服 监控通信 自助服 览 火 器 墙 务器 服务器 务终端 用户端 监控中心子系统 图2 - 2 基于w e b 浏览器的机器人遥操作系统结构图 ! 现场采集子系统 并安装可以 实现各个功能的插件，降低了操作效率；另外，面向不可知的用户群时，对安全的控制 能力相对较弱。 2 1 3 网络控制仿真机器人平台设计 本论文采用基于i n t e m e t 主从式力反馈机器人遥操作系统结构，并对这种结构作了 必要的简化，以便于实验的进行。设计了一个基于i n t e m e t 的机器人遥操作仿真平台， 它将主手子系统和从手子系统两部分由i n t e m e t 通信环节联系起来，通过发送和反馈机 器人坐标位置的数据信息来监视、控制从机器人的位姿。此仿真平台给实验人员提供了 真实的网络环境，实验人员借助本平台可以进行机器人遥操作虚拟仿真实验和网络通讯 实验，在此基础上以后还可以进行各种控制算法的调试，并为将来在i n t e m e t 上进行实 体机器人遥操作打下良好的基础。 机器人遥操作仿真平台的主从机器人及作业环境均由三维仿真建模获得，在客户端 和服务器端分别建立仿真机器人的图形显示界面，操作者可以通过客户端仿真机器人图 形显示界面及时掌握从机器人的实时运行状态和轨迹线路，并做出适当调整。网络控制 仿真机器人平台结构如图2 - 3 所示。 主手子系统 通信子系统 图2 - 3 网络控制仿真机器人平台结构图 9 服务器端 一 一 一 一一 一 日 一 河北大学t 学硕十学位论文 本系统具有双向位置反馈的特点： 1 在本地主手子系统一侧，以操纵手柄替代真实的主机器人，位置指令由操作者给 出，操纵手柄的坐标值直接通过网络发送到服务器端，服务器接收到数据命令后将坐标 值赋值给仿真从机器人，从机器人则跟随主机器人运动来完成操纵任务。 2 在远地从手子系统一侧，取消了虚拟力反馈部分，取而代之的是仿真从机器人位 置反馈信息，仿真从机器人通过i n t e m e t 网络得到操纵手柄的位置信息，根据指令移动 到操作者指定的坐标姿态后，再将该位置坐标通过网络交互反馈回客户端，使得客户端 和服务器端的机器人图形显示界面中仿真机器人的动作和运动路径一致，以提供操作者 视觉上的临场感，从而提高操作性能。 系统整体结构采用客户机朋艮务器( c l i e n t s e r v e r ) 模式。由于互联网以其信息资源 丰富和互联方便的优势，成功地解决了不同硬件平台、不同网络产品、不同操作系统之 间的兼容问题，因此我们采用了w i n d o w s 和l i n u x 两种不同机制的操作系统。遥操作平 台充分利用他们各自的优势： 客户机端：操作环境采用w i n d o w sx p 系统，w i n d o w s 具有直观、高效的面向对象 的图形用户界面，标准的应用程序接口，多用户多任务管理机制可以提高用户信息处 理速度和并行处理事件的数量。 服务器端：操作环境采用l i n u x2 6 系统，l i n u x 比w i n d o w s 更适合运行高性能的图 形程序。服务器是系统的被控单元，通过网络接收客户机发送的数据和控制命令，并将 指令传输给仿真机器人来实现控制功能。l i n u x2 6 拥有出众的实时性能，能够满足仿真 机器人运动控制的快速性和实时性要求。另外内核的易移植性和可裁剪性使得程序代码 能顺利地在不同服务器间移植、扩展，进一步缩小系统内存容量，提高运行的稳定性。 下面主要介绍软件平台l i n u x 操作系统的特点、实时性改进以及内核的配置。 2 2l i n u x 操作系统及其实时性局限 2 2 1l i n u x 操作系统 操作系统的种类繁多，按其获得方式来划分，分为两种商用型和免费型。商用型操 作系统的功能较稳定、可靠，具有完善的技术和售后服务，但价格昂贵；免费型操作系 统在价格方面具有优势，目前主要的代表产品有l i n u x 和u c o s i i 。 l i n u x 是一个支持多用户、多任务、实时性好的操作系统，它内核稳定、运算功能 1 0 第2 章基于i n t e r n e t 的机器人遥操作系统 强大、系统资源占用率低、具有良好的可扩展性和兼容性；标准的l i n u x 内核可根据实 现功能的需要任意裁减；使用成本低；许多专业的商j 比公司参与，发展潜力大。与那些 主流的商业嵌入式系统相比，具有以下优势： 1 开发成本低 大多数商业操作系统，如w i n c e ，v x w o r k s 等产品对每套操作系统均收取一定的许 可证使用费用。相对而言，l i n u x 是基于g p l ( g e n e r a lp u b l i cl i c e n s e ) 框架下的免费的 操作系统，公丌源代码。另外，l i n u x 操作系统内核是层次式结构，不同领域和不同层 次的用户可以根据自己的应用要求很容易地对内核进行改造，在开放性的框架下设计和 开发出满足不同需求的系统。 2 高度稳定性 和目前流行的w i n d o w s 操作系统相比，l i n u x 的稳定性和健壮性都明显好于竞争对 手，并且由于内核的稳定性也使得l i n u x 在移植到特定平台后与通用平台具有同样高的 稳定性。 3 l i n u x 具有强大的网络功能 l i n u x 操作系统的网络部分最为突出，它涵盖了几乎所有的网络传输协议和网络接 口，提供对各种网络标准协议的存取和网络硬件的支持。l i n u x 的实时内核比标准的 u n i x 更加快捷地处理网络协议，网络数据的吞吐性能优越。 4 l i n u x 具有功能强大的开发工具 l i n u x 提供c ，c + + ，j a v a 以及许多优秀的开发工具，容易自行建立系统开发环境， 并且可以直接使用内核调试器来做操作系统的内核调试和纠错。 5 大量的说明文档 l i n u x 拥有健全的文档支持，从为初学者准备的各种教程到非常详细的联机帮助文 档。l i n u xd o c u m e n tp r o j e c t 是为l i n u x 提供系统化的文档支持的项目，它收集了详尽的 系统文档和使用文档。 2 2 2 通用l i n u x 系统的实时性局限 l i n u x 作为一种类u n i x 操作系统，继承了u n i x 中不适合实时应用的特性，使得l i n u x 支持实时性有以下局限盥3 j ： 河：l 匕大学t 学硕士学位论文 1 内核不可抢占 l i n u x 的内核本身是非抢占的。l i n u x 分用户态和核心态两种模式，当进程运行在用 户态时，可被优先级更高的进程抢占，但当它进入核心态时，其它用户态进程优先级再 高也不能抢占它，处于就绪态的任务被顺序执行。只有内核是抢占式的才能保证系统在 最短的时间内做出响应，而l i n u x 的非抢占式内核既没有加入时间上限，又不能保证任 意时刻系统所运行的进程是具有最高优先级的进程，因此系统也就很难在较短的时间内 完成任务的切换。 2 进程调度 l i n u x 的进程调度负责控制进程访问c p u ，提供公平合理的调用机制，平衡系统响 应时间和周转时间，保证系统中运行的所有进程都能获得运行时间。l i n u x 2 4 内核调度 系统采用时间片轮转调度策略，每个进程的优先级都是固定不变的，可实际中的实时进 ， 程却往往与运行时间、等待处理时间的变化而变化。实时操作系统必须保证目前运行的 任务的优先级是可运行任务中最高级，除非出现了更高优先级的任务、该任务运行结束 或主动放弃控制权，其他任务无法获得c p u ，因此，静态优先级调度算法已经不能满足 实时系统的要求。 3 时钟与中断 时钟管理是操作系统的脉搏，任务的执行和中止在很多情况下都是由时钟直接或间 接唤起的，它还是进程调度的重要依据。l i n u x 的时间中断是每秒1 0 0 1 0 0 0 次，即任务 调度时间的最高精度只能达到l l o m s ，远不能满足实时应用的要求。l i n u x2 4 内核时钟 颗粒过大，c p u 不能处理大量进程，否则很容易导致中断事件的丢失，由此触发的实时 任务也不能立即执行。如果低优先级的进程关闭了中断，那么即使有高优先级实时进程 的中断发生系统也将无法响应。 2 3l i n u x 实时内核设计 2 3 1l i n u x2 6 内核的实时性 针对l i n u x2 4 内核设计上存在的缺陷，改进的l i n u x2 6 内核采用了新开发的调度 器，并且支持抢占式调度，保证了调度时间的确定性，同时，在实时性能方面也取得了 长足进步。 1 2 第2 章基- f i n t e r n e t 的机器人遥操作系统 o ( 1 ) 算法的调度器。新的调度器是基于每个c p u 来分布时间片，每一次调 时间与该c p u 内的总进程数无关，即调度的开销与系统当前负载大小无关， 了调度器的o ( 1 ) 执行时间控制在可预期的时间范围内。l i n u x 2 6 内核采用了 先级最高的进程，调度时总是给出队列中最高的一项作为下一个调用进程， 计算也是在各个进程的执行过程单独进行。o ( 1 ) 调度器则以此作为调度依 据，优先运行当前就绪队列中优先级最高的进程。由于实时进程的优先级总是比普通进 程的优先级高，故能保证实时进程总是比普通进程先被调度。 2 可抢占式内核。内核可抢占特性的引入使得高优先级的实时进程能够更快的获得 c p u ，增加了调度器运行时机，同时也解决了优先级翻转的问题，避免了不合理的系统 中断调用引起的延迟。 3 拥有多个就绪队列。在l i n u x2 6 内核中，每个c p u 都拥有一个独立的就绪队列， 而且每个就绪队列拥有一个自旋锁保护，消除了进程队列等待时间不确定的瓶颈问题， 也提高了c p u 的利用率和多c p u 系统的负载均衡能力。 此外，l i n u x2 6 内核还在响应时间、共享内存、信号机制、系统开销等多方面进行 了有效的改进，而且增加了对6 4 位处理器和微控制器的支持。 2 3 2l i n u x 2 6 内核配置与编译 内核是l i n u x 操作系统最关键的核心部位，它承担着管理所有进程和内存资源的调 度任务，合理分配处理器的使用时间，保证处理器负荷均衡减少内核内存的消耗，协调 系统与硬件、外部设备问的数据传输。此外，它还解决了应用程序和硬件之间的接口问 题。l i n u x 内核在内存和处理器使用方面具有较高的效率，并且运行非常稳定。 l i n u x 内核不是孤立的，必须把它放到整个系统中，图2 4 显示了l i n u x 内核在整 个操作系统中的位置。操作系统被划分为用户应用空间和内核空间两部分，其中g n uc 库函数起到了中间转换用户空间和内核之间应用程序的作用。因为内核和用户空间的应 用程序使用的是不同的保护地址空间。每个用户空间的进程都使用自己的虚拟地址，而 内核则占用单独的地址空间。 河北大学l ：学硕十学何沦文 图2 - 4l i n u x 操作系统体系结构图 户应用窄间 内核空间 由于l i n u x 源代码的开放性和内核代码体系结构的独立性使得用户可根据程序功能 的需要自行编译配置内核，将多余的模块删除，简化内核环境提高响应速度。内核组件 集成了许多基本服务功能，如进程管理、存储器管理、虚拟文件系统以及t c p i p 网络 通信功能等，l i n u x 内核体系结构如图2 5 所示。 图2 - 5l i n u x 内核体系结构图 操作系统内核从l i n u x2 4 2 0 升级到l i n u x2 6 3 版本，需要根据具体实现的功能对 内核进行相应的配置。启动l i n u x 系统，并用根用户登录，进入终端模式下的l i n u x 内 1 4 图2 - 6 内核m e n u c o n f i g 配置图 l i n u x 内核提供了一系列配置选项，在列出的所有选项中，用户可以根据具体实现 的功能自行裁减内核，但是下面几个重要选项必须选择： 1 n e t w o r k i n go p t i o n s 选项中：“p a c k e ts o c k e t ”包含了p a c k e t 协议直接同网络设备 通讯，而不需要通过内核中的其它中介协议；“t c p i p n e t w o r k i n g ”使编译后的内核支持 t c p i p 协议。 2 l o a d a b l em o d u l es u p p o r t 选项中：“m o d u l eu n l o a d i n