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(guān)鍵技術(shù)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(dāng)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(jié)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(yīng)，并控制所有實時任務(wù)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(wù)，使得程序開發(fā)更加容易，便于維護(hù)，同時能夠提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。實時多任務(wù)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(yīng)，完全可搶占內(nèi)核實時時鐘控制，帶有可選的時間片任務(wù)間進(jìn)行通信與同步任務(wù)間的通信與同步多任務(wù)的實時系統(tǒng)中，一項工作的完成往往需要通過多個任務(wù)共同完成。各個任務(wù)要共享資源，并且在處理一些需要多個任務(wù)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(wù)的合作與無沖突的運行，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)間制約性的合作運行機制叫做任務(wù)間的同步。進(jìn)程之間的信息交換稱為任務(wù)間的通信。機器人控制系統(tǒng)控制系統(tǒng)的主要任務(wù)是控制機器人的導(dǎo)航、啟動、停止、運行、安全監(jiān)控和通訊等。機器人接受遠(yuǎn)程主控計算機下達(dá)的控制命令、任務(wù),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(dǎo)航,運行速度的控制,安全報警等。研究對象研究對象遠(yuǎn)程機器人實時系統(tǒng)回

回關(guān)鍵技術(shù)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(jìn)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(zhǔn)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(shè)備驅(qū)動程序。三軸位置控制卡的實時設(shè)備驅(qū)動程序必須處理以下事務(wù)：響應(yīng)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(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I／O端口、設(shè)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(jìn)程的。(2)核心的不可搶占性:運行在內(nèi)核模式下的Linux進(jìn)程不能被其它進(jìn)程搶占。實時性的提高提高：RT-Linux平臺RT-Linux設(shè)計思想：可搶先的實時內(nèi)核，并把標(biāo)準(zhǔn)的Linux核心作為實時核心的一個進(jìn)程同用戶的實時進(jìn)程一起調(diào)度。而標(biāo)準(zhǔn)Linux核心的優(yōu)先級最低，可以被實時進(jìn)程搶斷。實時性的提高RT-Linux架構(gòu)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(jìn)行正確調(diào)度操作的必要條件是系統(tǒng)能提供精確的時鐘信號。標(biāo)準(zhǔn)的Linux系統(tǒng)，硬件定時器周期被編程為100Hz，因此任務(wù)調(diào)度的最小周期為10ms。而RT-Linux采用自己獨立的時鐘模塊rtl_time，為實時任務(wù)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(jìn)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(yīng)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(wù)來說，會造成時間上的不可預(yù)測性，是嚴(yán)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(yīng)。實時任務(wù)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(jìn)。任務(wù)調(diào)度實時多任務(wù)操作系統(tǒng)基于優(yōu)先級調(diào)度。任務(wù)的四種基本狀態(tài)休眠態(tài)：任務(wù)建立但未被啟動運行態(tài)：任務(wù)正在占用CPU就緒態(tài)：CPU被占，準(zhǔn)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(wù)排在隊首?？蛇_(dá)截止期最早優(yōu)先算法：調(diào)度時超過截止期的任務(wù)不予調(diào)度。中斷實現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)Linux內(nèi)核：使用禁止中斷的方法作為同步機制，有開中斷、關(guān)中斷和中斷返回。但是開中斷和關(guān)中斷的混合使得中斷的分派延時不可預(yù)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(yuǎn)不能禁止中斷，即它不會對實時系統(tǒng)的響應(yīng)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(yīng)時間。測試方案開始：用戶層的用戶進(jìn)程開始調(diào)用系統(tǒng)，發(fā)送脈沖數(shù)據(jù)。結(jié)束:下一個DDA中斷請求到來時，相應(yīng)的