机器人实时性研究

1、机器人控制系统机器人控制系统实时性的研究实时性的研究研究的问题研究的问题u了解：机器人实时控制系统的运了解：机器人实时控制系统的运行调度与管理行调度与管理u探究：实现与提高机器人控制系探究：实现与提高机器人控制系统实时性方法的研究统实时性方法的研究研究过程研究过程研究背景研究背景研究对象研究对象关键技术探讨（重点）关键技术探讨（重点）对研究问题的分析与测试对研究问题的分析与测试1234研究背景研究背景嵌入式实时操作系统嵌入式实时操作系统u定义：当外界事件或数据产生时，能够接受并定义：当外界事件或数据产生时，能够接受并以足够快的速度予以处理，其处理的结果又能以足够快的速度予以处理，其处理的结果又

2、能在规定的时间之内来控制生产过程或对处理系在规定的时间之内来控制生产过程或对处理系统作出快速响应，并控制所有实时任务协调一统作出快速响应，并控制所有实时任务协调一致运行。致运行。u采用嵌入式实时操作系统（简称采用嵌入式实时操作系统（简称RTOSRTOS）能够）能够支持多任务，使得程序开发更加容易，便于维支持多任务，使得程序开发更加容易，便于维护，同时能够提高系统的稳定性和可靠性。护，同时能够提高系统的稳定性和可靠性。实时多任务执行实时多任务执行u事件驱动，基于优先级的调度事件驱动，基于优先级的调度u存储动态分配存储动态分配u硬实时响应，完全可抢占内核硬实时响应，完全可抢占内核u实时时钟控制，带

3、有可选的时间片实时时钟控制，带有可选的时间片u任务间进行通信与同步任务间进行通信与同步任务间的通信与同步任务间的通信与同步u多任务的实时系统中，一项工作的完成往往需多任务的实时系统中，一项工作的完成往往需要通过多个任务共同完成。要通过多个任务共同完成。u各个任务要共享资源，并且在处理一些需要多各个任务要共享资源，并且在处理一些需要多个任务共同协同来完成的工作时，还需要相互个任务共同协同来完成的工作时，还需要相互的支持和限制。的支持和限制。u为了保证各任务的合作与无冲突的运行，在关为了保证各任务的合作与无冲突的运行，在关联的任务之间需要建立一些制约关系。联的任务之间需要建立一些制约关系。u任务间

4、制约性的合作运行机制叫做任务间的同任务间制约性的合作运行机制叫做任务间的同步。进程之间的信息交换称为任务间的通信。步。进程之间的信息交换称为任务间的通信。机器人控制系统机器人控制系统u控制系统的主要任务是控制机器人的导航、启控制系统的主要任务是控制机器人的导航、启动、停止、运行、安全监控和通讯等。动、停止、运行、安全监控和通讯等。u机器人接受远程主控计算机下达的控制命令、机器人接受远程主控计算机下达的控制命令、任务任务, , 实现各种运动控制。实现各种运动控制。u机器人向主控计算机报告它的运行状态机器人向主控计算机报告它的运行状态( ( 包括包括位置、速度、故障状态等位置、速度、故障状态等)

5、) 。u此过程中完成运动路径的规划和导航此过程中完成运动路径的规划和导航, , 运行速运行速度的控制度的控制, , 安全报警等。安全报警等。研究对象研究对象研究对象研究对象远程机器人实时系统远程机器人实时系统回回 回回关键技术探讨关键技术探讨实时性的实现实时性的实现仿人机器人实时系统仿人机器人实时系统模块一：模块一：PCL2832PCL2832卡能对三轴进行联动插补控制卡能对三轴进行联动插补控制, ,采用位置和速度双闭环控制系统来保证机器人运采用位置和速度双闭环控制系统来保证机器人运动的平稳和准确定位。动的平稳和准确定位。模块二：图形仿真与监控系统模块二：图形仿真与监控系统随时监视机器人的运动

6、状态。随时监视机器人的运动状态。 研究对象研究对象实时性的实现实时性的实现实时域中的软件模块：实时域中的软件模块：三轴位置控制卡的设备驱动程序。三轴位置控制三轴位置控制卡的设备驱动程序。三轴位置控制卡的实时设备驱动程序必须处理以下事务：卡的实时设备驱动程序必须处理以下事务：u响应三轴位置卡的插补周期中断（响应三轴位置卡的插补周期中断（DDADDA），并），并输出位置脉冲数值；输出位置脉冲数值；u响应三轴位置卡的误差溢出中断（响应三轴位置卡的误差溢出中断（OvOv），通知），通知应用程序进行相应处理应用程序进行相应处理 u为应用程序提供服务，如读写为应用程序提供服务，如读写I IOO端口、设置端

7、口、设置参数、读取状态等。参数、读取状态等。实时性的提高实时性的提高一般：一般：LinuxLinux平台（不能满足实时性）平台（不能满足实时性） (1) (1)分时调度机制分时调度机制LinuxLinux采用时间片轮转的方式来调度采用时间片轮转的方式来调度CPUCPU时间时间, ,这种这种方法是不利于实时进程的。方法是不利于实时进程的。(2)(2)核心的不可抢占性核心的不可抢占性: :运行在内核模式下的运行在内核模式下的LinuxLinux进程不能被其它进程抢进程不能被其它进程抢占。占。实时性的提高实时性的提高提高：提高： RT-Linux RT-Linux 平台平台RT-Linux RT-L

8、inux 设计思想设计思想：可抢先的实时内核，并把标准的可抢先的实时内核，并把标准的 Linux Linux 核心作为实核心作为实时核心的一个进程同用户的实时进程一起调度。时核心的一个进程同用户的实时进程一起调度。而标准而标准 Linux Linux 核心的优先级最低，可以被实时进程核心的优先级最低，可以被实时进程抢断。抢断。实时性的提高实时性的提高RT-LinuxRT-Linux架构架构一个小的一个小的RT-LinuxRT-Linux实时内核同原来的实时内核同原来的LinuxLinux内核共内核共同控制处理器。同控制处理器。定时精度定时精度调度器进行正确调度操作的必要条件是系统能调度器进行正

9、确调度操作的必要条件是系统能提供精确的时钟信号。提供精确的时钟信号。标准的标准的LinuxLinux系统，硬件定时器周期被编程为系统，硬件定时器周期被编程为 100Hz100Hz，因此任务调度的最小周期为，因此任务调度的最小周期为 10ms10ms。而而RT-LinuxRT-Linux采用自己独立的时钟模块采用自己独立的时钟模块rtl_timertl_time，为实时任务提供了纳秒级的定时精度。为实时任务提供了纳秒级的定时精度。内存管理内存管理Linux： l 按照页面方式管理，按照段页式方式进行访问。按照页面方式管理，按照段页式方式进行访问。l Linux Linux 内核将定期将使用频率高

10、的页面装入内存，内核将定期将使用频率高的页面装入内存，并将使用频率低的页面从内存中换出，因此一旦并将使用频率低的页面从内存中换出，因此一旦出现应用程序的访问内容不在内存中时，就会出出现应用程序的访问内容不在内存中时，就会出现缺页异常的现象。现缺页异常的现象。l 这对于实时任务来说，会造成时间上的不可预测这对于实时任务来说，会造成时间上的不可预测性，是严格禁止的。性，是严格禁止的。内存管理内存管理RT-Linux ：l 内核中的每一个虚拟地址必然在物理内存的页面内核中的每一个虚拟地址必然在物理内存的页面上有一单元与之一一对应。上有一单元与之一一对应。l 实时任务可以在任何情况下第一时间从内存中读

11、实时任务可以在任何情况下第一时间从内存中读写自己所需要的数据。写自己所需要的数据。l 这样从根本上杜绝了缺页异常情况的发生，从而这样从根本上杜绝了缺页异常情况的发生，从而内存管理的实时性能得到了极大改进。内存管理的实时性能得到了极大改进。任务调度任务调度u实时多任务操作系统基于优先级调度。实时多任务操作系统基于优先级调度。u任务的四种基本状态任务的四种基本状态u 休眠态：任务建立但未被启动休眠态：任务建立但未被启动u 运行态：任务正在占用运行态：任务正在占用CPUCPUu 就绪态：就绪态：CPUCPU被占，准备运行被占，准备运行a)a) 挂起态：无法继续运行挂起态：无法继续运行调度算法调度算法

12、1 1、EDF(Earliest Deadline First)EDF(Earliest Deadline First)。u截止期最早优先算法：在该算法中没有静态的截止期最早优先算法：在该算法中没有静态的优先级，截止期最早的任务排在队首。优先级，截止期最早的任务排在队首。u可达截止期最早优先算法：调度时超过截止期可达截止期最早优先算法：调度时超过截止期的任务不予调度。的任务不予调度。中断实现中断实现 标准标准LinuxLinux内核：使用禁止中断的方法作为同步机制内核：使用禁止中断的方法作为同步机制，有开中断、关中断和中断返回。但是开中断和关，有开中断、关中断和中断返回。但是开中断和关中断的混

13、合使得中断的分派延时不可预测。中断的混合使得中断的分派延时不可预测。 RT-LinuxRT-Linux：引入一个虚拟层，在：引入一个虚拟层，在 Linux Linux 内核和中断内核和中断控制硬件之间增加一层仿真软件，截取所有的硬件控制硬件之间增加一层仿真软件，截取所有的硬件中断。这样就使得中断。这样就使得LinuxLinux永远不能禁止中断，即它不永远不能禁止中断，即它不会对实时系统的响应时间增加任何延迟。会对实时系统的响应时间增加任何延迟。研究问题的分析与测试研究问题的分析与测试问题分析问题分析分析：提高机器人控制系统实时性的方法分析：提高机器人控制系统实时性的方法尽量减少系统对三轴位置控制卡（尽量减少系统对三轴位置控制卡（PCLPCL一一 832832）的的DDADDA中断的响应时间。中断的响应时间。测试方案测试方案开始：用户层的用户进程开始调用系统，发送脉开始：用户层的用户进程开始调用系统，发送脉冲数据。冲数据。结束结束: :下一个下一个DDADDA中断请求到来时，相应的中断请求到来时，相应的D