機(jī)器人的實(shí)時(shí)性研究

機(jī)器人控制系統(tǒng)實(shí)時(shí)性的研究主講人:吳長(zhǎng)虹、方艷文專(zhuān)業(yè):自動(dòng)化研究的問(wèn)題了解：機(jī)器人實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)的運(yùn)行調(diào)度與管理探究：實(shí)現(xiàn)與提高機(jī)器人控制系統(tǒng)實(shí)時(shí)性方法的研究研究過(guò)程研究背景研究對(duì)象關(guān)鍵技術(shù)探討（重點(diǎn)）對(duì)研究問(wèn)題的分析與測(cè)試1234研究背景嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)定義：當(dāng)外界事件或數(shù)據(jù)產(chǎn)生時(shí)，能夠接受并以足夠快的速度予以處理，其處理的結(jié)果又能在規(guī)定的時(shí)間之內(nèi)來(lái)控制生產(chǎn)過(guò)程或?qū)μ幚硐到y(tǒng)作出快速響應(yīng)，并控制所有實(shí)時(shí)任務(wù)協(xié)調(diào)一致運(yùn)行。采用嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)（簡(jiǎn)稱(chēng)RTOS）能夠支持多任務(wù)，使得程序開(kāi)發(fā)更加容易，便于維護(hù)，同時(shí)能夠提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。實(shí)時(shí)多任務(wù)執(zhí)行事件驅(qū)動(dòng)，基于優(yōu)先級(jí)的調(diào)度存儲(chǔ)動(dòng)態(tài)分配硬實(shí)時(shí)響應(yīng)，完全可搶占內(nèi)核實(shí)時(shí)時(shí)鐘控制，帶有可選的時(shí)間片任務(wù)間進(jìn)行通信與同步任務(wù)間的通信與同步多任務(wù)的實(shí)時(shí)系統(tǒng)中，一項(xiàng)工作的完成往往需要通過(guò)多個(gè)任務(wù)共同完成。各個(gè)任務(wù)要共享資源，并且在處理一些需要多個(gè)任務(wù)共同協(xié)同來(lái)完成的工作時(shí)，還需要相互的支持和限制。為了保證各任務(wù)的合作與無(wú)沖突的運(yùn)行，在關(guān)聯(lián)的任務(wù)之間需要建立一些制約關(guān)系。任務(wù)間制約性的合作運(yùn)行機(jī)制叫做任務(wù)間的同步。進(jìn)程之間的信息交換稱(chēng)為任務(wù)間的通信。機(jī)器人控制系統(tǒng)控制系統(tǒng)的主要任務(wù)是控制機(jī)器人的導(dǎo)航、啟動(dòng)、停止、運(yùn)行、安全監(jiān)控和通訊等。機(jī)器人接受遠(yuǎn)程主控計(jì)算機(jī)下達(dá)的控制命令、任務(wù),實(shí)現(xiàn)各種運(yùn)動(dòng)控制。機(jī)器人向主控計(jì)算機(jī)報(bào)告它的運(yùn)行狀態(tài)(包括位置、速度、故障狀態(tài)等)。此過(guò)程中完成運(yùn)動(dòng)路徑的規(guī)劃和導(dǎo)航,運(yùn)行速度的控制,安全報(bào)警等。研究對(duì)象研究對(duì)象遠(yuǎn)程機(jī)器人實(shí)時(shí)系統(tǒng)回

回關(guān)鍵技術(shù)探討實(shí)時(shí)性的實(shí)現(xiàn)仿人機(jī)器人實(shí)時(shí)系統(tǒng)模塊一：PCL2832卡能對(duì)三軸進(jìn)行聯(lián)動(dòng)插補(bǔ)控制,采用位置和速度雙閉環(huán)控制系統(tǒng)來(lái)保證機(jī)器人運(yùn)動(dòng)的平穩(wěn)和準(zhǔn)確定位。模塊二：圖形仿真與監(jiān)控系統(tǒng)隨時(shí)監(jiān)視機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。

研究對(duì)象實(shí)時(shí)性的實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)域中的軟件模塊：三軸位置控制卡的設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序。三軸位置控制卡的實(shí)時(shí)設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序必須處理以下事務(wù)：響應(yīng)三軸位置卡的插補(bǔ)周期中斷（DDA），并輸出位置脈沖數(shù)值；響應(yīng)三軸位置卡的誤差溢出中斷（Ov），通知應(yīng)用程序進(jìn)行相應(yīng)處理

為應(yīng)用程序提供服務(wù)，如讀寫(xiě)I／O端口、設(shè)置參數(shù)、讀取狀態(tài)等。

實(shí)時(shí)性的提高一般：Linux平臺(tái)（不能滿(mǎn)足實(shí)時(shí)性）(1)分時(shí)調(diào)度機(jī)制Linux采用時(shí)間片輪轉(zhuǎn)的方式來(lái)調(diào)度CPU時(shí)間,這種方法是不利于實(shí)時(shí)進(jìn)程的。(2)核心的不可搶占性:運(yùn)行在內(nèi)核模式下的Linux進(jìn)程不能被其它進(jìn)程搶占。實(shí)時(shí)性的提高提高：RT-Linux平臺(tái)RT-Linux設(shè)計(jì)思想：可搶先的實(shí)時(shí)內(nèi)核，并把標(biāo)準(zhǔn)的Linux核心作為實(shí)時(shí)核心的一個(gè)進(jìn)程同用戶(hù)的實(shí)時(shí)進(jìn)程一起調(diào)度。而標(biāo)準(zhǔn)Linux核心的優(yōu)先級(jí)最低，可以被實(shí)時(shí)進(jìn)程搶斷。實(shí)時(shí)性的提高RT-Linux架構(gòu)一個(gè)小的RT-Linux實(shí)時(shí)內(nèi)核同原來(lái)的Linux內(nèi)核共同控制處理器。定時(shí)精度調(diào)度器進(jìn)行正確調(diào)度操作的必要條件是系統(tǒng)能提供精確的時(shí)鐘信號(hào)。標(biāo)準(zhǔn)的Linux系統(tǒng)，硬件定時(shí)器周期被編程為100Hz，因此任務(wù)調(diào)度的最小周期為10ms。而RT-Linux采用自己獨(dú)立的時(shí)鐘模塊rtl_time，為實(shí)時(shí)任務(wù)提供了納秒級(jí)的定時(shí)精度。內(nèi)存管理Linux：

按照頁(yè)面方式管理，按照段頁(yè)式方式進(jìn)行訪(fǎng)問(wèn)。Linux內(nèi)核將定期將使用頻率高的頁(yè)面裝入內(nèi)存，并將使用頻率低的頁(yè)面從內(nèi)存中換出，因此一旦出現(xiàn)應(yīng)用程序的訪(fǎng)問(wèn)內(nèi)容不在內(nèi)存中時(shí)，就會(huì)出現(xiàn)缺頁(yè)異常的現(xiàn)象。這對(duì)于實(shí)時(shí)任務(wù)來(lái)說(shuō)，會(huì)造成時(shí)間上的不可預(yù)測(cè)性，是嚴(yán)格禁止的。內(nèi)存管理RT-Linux：內(nèi)核中的每一個(gè)虛擬地址必然在物理內(nèi)存的頁(yè)面上有一單元與之一一對(duì)應(yīng)。實(shí)時(shí)任務(wù)可以在任何情況下第一時(shí)間從內(nèi)存中讀寫(xiě)自己所需要的數(shù)據(jù)。這樣從根本上杜絕了缺頁(yè)異常情況的發(fā)生，從而內(nèi)存管理的實(shí)時(shí)性能得到了極大改進(jìn)。任務(wù)調(diào)度實(shí)時(shí)多任務(wù)操作系統(tǒng)基于優(yōu)先級(jí)調(diào)度。任務(wù)的四種基本狀態(tài)休眠態(tài)：任務(wù)建立但未被啟動(dòng)運(yùn)行態(tài)：任務(wù)正在占用CPU就緒態(tài)：CPU被占，準(zhǔn)備運(yùn)行掛起態(tài)：無(wú)法繼續(xù)運(yùn)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(méi)有靜態(tài)的優(yōu)先級(jí)，截止期最早的任務(wù)排在隊(duì)首?？蛇_(dá)截止期最早優(yōu)先算法：調(diào)度時(shí)超過(guò)截止期的任務(wù)不予調(diào)度。中斷實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)Linux內(nèi)核：使用禁止中斷的方法作為同步機(jī)制，有開(kāi)中斷、關(guān)中斷和中斷返回。但是開(kāi)中斷和關(guān)中斷的混合使得中斷的分派延時(shí)不可預(yù)測(cè)。RT-Linux：引入一個(gè)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(yuǎn)不能禁止中斷，即它不會(huì)對(duì)實(shí)時(shí)系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間增加任何延遲。研究問(wèn)題的分析與測(cè)試問(wèn)題分析分析：提高機(jī)器人控制系統(tǒng)實(shí)時(shí)性的方法盡量減少系統(tǒng)對(duì)三軸位置控制卡（PCL一832）的DDA中斷的響應(yīng)時(shí)間。測(cè)試方案開(kāi)始：用戶(hù)層的用戶(hù)進(jìn)程開(kāi)始調(diào)用系統(tǒng)，發(fā)送脈沖數(shù)據(jù)。結(jié)束:下一個(gè)DDA中斷請(qǐng)求到來(lái)時(shí)，相應(yīng)的