機器人的實時性研究

機器人控制系統(tǒng)實時性的研究主講人:吳長虹、方艷文專業(yè):自動化研究的問題了解：機器人實時控制系統(tǒng)的運行調(diào)度與管理探究：實現(xiàn)與提高機器人控制系統(tǒng)實時性方法的研究研究過程研究背景研究對象關鍵技術探討（重點）對研究問題的分析與測試1234研究背景嵌入式實時操作系統(tǒng)定義：當外界事件或數(shù)據(jù)產(chǎn)生時，能夠接受并以足夠快的速度予以處理，其處理的結果又能在規(guī)定的時間之內(nèi)來控制生產(chǎn)過程或?qū)μ幚硐到y(tǒng)作出快速響應，并控制所有實時任務協(xié)調(diào)一致運行。采用嵌入式實時操作系統(tǒng)（簡稱RTOS）能夠支持多任務，使得程序開發(fā)更加容易，便于維護，同時能夠提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。實時多任務執(zhí)行事件驅(qū)動，基于優(yōu)先級的調(diào)度存儲動態(tài)分配硬實時響應，完全可搶占內(nèi)核實時時鐘控制，帶有可選的時間片任務間進行通信與同步任務間的通信與同步多任務的實時系統(tǒng)中，一項工作的完成往往需要通過多個任務共同完成。各個任務要共享資源，并且在處理一些需要多個任務共同協(xié)同來完成的工作時，還需要相互的支持和限制。為了保證各任務的合作與無沖突的運行，在關聯(lián)的任務之間需要建立一些制約關系。任務間制約性的合作運行機制叫做任務間的同步。進程之間的信息交換稱為任務間的通信。機器人控制系統(tǒng)控制系統(tǒng)的主要任務是控制機器人的導航、啟動、停止、運行、安全監(jiān)控和通訊等。機器人接受遠程主控計算機下達的控制命令、任務,實現(xiàn)各種運動控制。機器人向主控計算機報告它的運行狀態(tài)(包括位置、速度、故障狀態(tài)等)。此過程中完成運動路徑的規(guī)劃和導航,運行速度的控制,安全報警等。研究對象研究對象遠程機器人實時系統(tǒng)回

回關鍵技術探討實時性的實現(xiàn)仿人機器人實時系統(tǒng)模塊一：PCL2832卡能對三軸進行聯(lián)動插補控制,采用位置和速度雙閉環(huán)控制系統(tǒng)來保證機器人運動的平穩(wěn)和準確定位。模塊二：圖形仿真與監(jiān)控系統(tǒng)隨時監(jiān)視機器人的運動狀態(tài)。

研究對象實時性的實現(xiàn)實時域中的軟件模塊：三軸位置控制卡的設備驅(qū)動程序。三軸位置控制卡的實時設備驅(qū)動程序必須處理以下事務：響應三軸位置卡的插補周期中斷（DDA），并輸出位置脈沖數(shù)值；響應三軸位置卡的誤差溢出中斷（Ov），通知應用程序進行相應處理

為應用程序提供服務，如讀寫I／O端口、設置參數(shù)、讀取狀態(tài)等。

實時性的提高一般：Linux平臺（不能滿足實時性）(1)分時調(diào)度機制Linux采用時間片輪轉(zhuǎn)的方式來調(diào)度CPU時間,這種方法是不利于實時進程的。(2)核心的不可搶占性:運行在內(nèi)核模式下的Linux進程不能被其它進程搶占。實時性的提高提高：RT-Linux平臺RT-Linux設計思想：可搶先的實時內(nèi)核，并把標準的Linux核心作為實時核心的一個進程同用戶的實時進程一起調(diào)度。而標準Linux核心的優(yōu)先級最低，可以被實時進程搶斷。實時性的提高RT-Linux架構一個小的RT-Linux實時內(nèi)核同原來的Linux內(nèi)核共同控制處理器。定時精度調(diào)度器進行正確調(diào)度操作的必要條件是系統(tǒng)能提供精確的時鐘信號。標準的Linux系統(tǒng)，硬件定時器周期被編程為100Hz，因此任務調(diào)度的最小周期為10ms。而RT-Linux采用自己獨立的時鐘模塊rtl_time，為實時任務提供了納秒級的定時精度。內(nèi)存管理Linux：

按照頁面方式管理，按照段頁式方式進行訪問。Linux內(nèi)核將定期將使用頻率高的頁面裝入內(nèi)存，并將使用頻率低的頁面從內(nèi)存中換出，因此一旦出現(xiàn)應用程序的訪問內(nèi)容不在內(nèi)存中時，就會出現(xiàn)缺頁異常的現(xiàn)象。這對于實時任務來說，會造成時間上的不可預測性，是嚴格禁止的。內(nèi)存管理RT-Linux：內(nèi)核中的每一個虛擬地址必然在物理內(nèi)存的頁面上有一單元與之一一對應。實時任務可以在任何情況下第一時間從內(nèi)存中讀寫自己所需要的數(shù)據(jù)。這樣從根本上杜絕了缺頁異常情況的發(fā)生，從而內(nèi)存管理的實時性能得到了極大改進。任務調(diào)度實時多任務操作系統(tǒng)基于優(yōu)先級調(diào)度。任務的四種基本狀態(tài)休眠態(tài)：任務建立但未被啟動運行態(tài)：任務正在占用CPU就緒態(tài)：CPU被占，準備運行掛起態(tài)：無法繼續(xù)運行調(diào)度算法1、EDF(EarliestDeadlineFirst)。截止期最早優(yōu)先算法：在該算法中沒有靜態(tài)的優(yōu)先級，截止期最早的任務排在隊首?？蛇_截止期最早優(yōu)先算法：調(diào)度時超過截止期的任務不予調(diào)度。中斷實現(xiàn)標準Linux內(nèi)核：使用禁止中斷的方法作為同步機制，有開中斷、關中斷和中斷返回。但是開中斷和關中斷的混合使得中斷的分派延時不可預測。RT-Linux：引入一個虛擬層，在Linux內(nèi)核和中斷控制硬件之間增加一層仿真軟件，截取所有的硬件中斷。這樣就使得Linux永遠不能禁止中斷，即它不會對實時系統(tǒng)的響應時間增加任何延遲。研究問題的分析與測試問題分析分析：提高機器人控制系統(tǒng)實時性的方法盡量減少系統(tǒng)對三軸位置控制卡（PCL一832）的DDA中斷的響應時間。測試方案開始：用戶層的用戶進程開始調(diào)用系統(tǒng)，發(fā)送脈沖數(shù)據(jù)。結束:下一個DDA中斷請求到來時，相應的