1、機器人控制系統(kn zh x tn)實時性的研究主講人: 吳長虹(chn hn)、方艷文專 業: 自動化共二十九頁研究(ynji)的問題了解：機器人實時控制系統的運行調度(diod)與管理探究：實現與提高機器人控制系統實時性方法的研究共二十九頁研究(ynji)過程研究背景研究對象關鍵技術探討（重點）對研究問題(wnt)的分析與測試1234共二十九頁研究(ynji)背景共二十九頁嵌入式實時操作系統定義：當外界(wiji)事件或數據產生時，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定的時間之內來控制生產過程或對處理系統作出快速響應，并控制所有實時任務協調一致運行。采用嵌入式實時操作系

2、統（簡稱RTOS）能夠支持多任務，使得程序開發更加容易，便于維護，同時能夠提高系統的穩定性和可靠性。共二十九頁實時(sh sh)多任務執行事件驅動，基于優先級的調度存儲動態分配硬實時響應，完全可搶占內核實時時鐘控制，帶有可選的時間片任務間進行通信(tng xn)與同步共二十九頁任務(rn wu)間的通信與同步多任務的實時系統(xtng)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

3、程之間的信息交換稱為任務間的通信。共二十九頁機器人控制系統(kn zh x tn)控制系統的主要任務是控制機器人的導航、啟動、停止(tngzh)、運行、安全監控和通訊等。機器人接受遠程主控計算機下達的控制命令、任務, 實現各種運動控制。機器人向主控計算機報告它的運行狀態( 包括位置、速度、故障狀態等) 。此過程中完成運動路徑的規劃和導航, 運行速度的控制, 安全報警等。共二十九頁研究(ynji)對象共二十九頁研究(ynji)對象遠程機器人實時(sh sh)系統回 回共二十九頁關鍵技術探討(tnto)共二十九頁實時性的實現(shxin)仿人機器人實時系統模塊一：PCL2832卡能對三軸進行聯動插

4、補控制,采用位置和速度雙閉環控制系統來保證機器人運動的平穩和準確定位。模塊二：圖形仿真與監控(jin kn)系統隨時監視機器人的運動狀態。 研究對象共二十九頁實時性的實現(shxin)實時域中的軟件模塊：三軸位置控制卡的設備驅動程序。三軸位置控制卡的實時設備驅動程序必須處理以下(yxi)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IO端口、設置參數、讀取狀態等。共二十九頁實時性的提高(t go)一般：Linux平臺（不能滿足實時性） (1)分時調度機制(jzh)Linux采用時間片輪轉

5、的方式來調度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:運行在內核模式下的Linux進程不能被其它進程搶占。共二十九頁實時性的提高(t go)提高： RT-Linux 平臺RT-Linux 設計思想：可搶先的實時內核，并把標準的 Linux 核心(hxn)作為實時核心(hxn)的一個進程同用戶的實時進程一起調度。而標準 Linux 核心的優先級最低，可以被實時進程搶斷。共二十九頁實時性的提高(t go)RT-Linux架構一個小的RT-Linux實時內核同原來(yunli)的Linux內核共同控制處理器。共二十九頁定時(dn sh)精度調度器進行正確調度操作的必要條件是系統

6、能提供精確的時鐘信號。標準的Linux系統，硬件定時器周期被編程為 100Hz，因此(ync)任務調度的最小周期為 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。共二十九頁內存(ni cn)管理Linux： 按照頁面方式管理(gunl)，按照段頁式方式進行訪問。Linux 內核將定期將使用頻率高的頁面裝入內存，并將使用頻率低的頁面從內存中換出，因此一旦出現應用程序的訪問內容不在內存中時，就會出現缺頁異常的現象。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。共二十九頁內存(ni cn)管理RT-Linux ：內核中的每一個虛擬

7、地址必然在物理內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(shjin)從內存中讀寫自己所需要的數據。這樣從根本上杜絕了缺頁異常情況的發生，從而內存管理的實時性能得到了極大改進。共二十九頁任務調度實時多任務操作系統基于優先級調度。任務的四種基本狀態休眠態：任務建立但未被啟動運行態：任務正在占用CPU就緒(jix)態：CPU被占，準備運行掛起態：無法繼續運行共二十九頁調度(diod)算法1、EDF(Earliest Deadline First)。截止期最早優先算法：在該算法中沒有靜態的優先級，截止期最早的任務(rn wu)排在隊首。可達截止期最早優先算法：調度時超過截止期

8、的任務不予調度。共二十九頁中斷(zhngdun)實現標準Linux內核：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的響應時間(shjin)增加任何延遲。共二十九頁研究問題(wnt)的分析與測試共二十九頁問題(wnt)分析分析：提高機器人控制系統實時性的方法盡量減少系統對三軸位置控制卡（PCL一 832）的DDA中斷的響應(xingyng)時間。共二十九頁測試(c

9、sh)方案開始：用戶層的用戶進程開始調用系統，發送(f sn)脈沖數據。結束:下一個DDA中斷請求到來時，相應的DDA中斷服務例程將數據寫入三軸位置控制卡的動作控制芯片的緩沖區，以驅動機器人本體運行。共二十九頁測試(csh)結果共二十九頁結論(jiln)RT-Linux中斷(zhngdun)響應比標準Linux延時時間短。RT-Linux實時進程不會受到非實時域中用戶進程的影響。共二十九頁謝謝(xi xie)觀賞！共二十九頁內容摘要機器人控制系統實時性的研究。多任務的實時系統中，一項工作的完成往往需要通過多個任務共同完成。進程之間的信息交換稱為任務間的通信。響應三軸位置卡的插補周期中斷（DDA），并輸出位置脈沖數值。Linux采用時間片輪轉的方式來調度CPU時間,這種方法是不利于實時進程的。調度器進行正確調度操作的必要條件是系統能提供精確的時鐘信號。而RT-Linu