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1、机器人控制系统实时性的研究,主讲人: 吴长虹、方艳文 专 业: 自动化,研究的问题,了解：机器人实时控制系统的运行调度与管理,探究：实现与提高机器人控制系统实时性方法的研究,研究过程,研究背景 研究对象 关键技术探讨（重点） 对研究问题的分析与测试,1,2,3,4,研究背景,嵌入式实时操作系统,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致运行。 采用嵌入式实时操作系统（简称RTOS）能够支持多任务，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。,实时多任务执
2、行,事件驱动，基于优先级的调度 存储动态分配 硬实时响应，完全可抢占内核 实时时钟控制，带有可选的时间片 任务间进行通信与同步,任务间的通信与同步,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。 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，还需要相互的支持和限制。 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。 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。,机器人控制系统,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。 机器人接受远程主控计算机下达的控制命令、
3、任务, 实现各种运动控制。 机器人向主控计算机报告它的运行状态( 包括位置、速度、故障状态等) 。 此过程中完成运动路径的规划和导航, 运行速度的控制, 安全报警等。,研究对象,研究对象,远程机器人实时系统 回 回,关键技术探讨,实时性的实现,仿人机器人实时系统 模块一：PCL2832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动的平稳和准确定位。 模块二：图形仿真与监控系统 随时监视机器人的运动状态。 研究对象,实时性的实现,实时域中的软件模块： 三轴位置控制卡的设备驱动程序。三轴位置控制卡的实时设备驱动程序必须处理以下事务： 响应三轴位置卡的插补周期中断（DDA）
4、，并输出位置脉冲数值； 响应三轴位置卡的误差溢出中断（Ov），通知应用程序进行相应处理 为应用程序提供服务，如读写IO端口、设置参数、读取状态等。,实时性的提高,一般：Linux平台（不能满足实时性） (1)分时调度机制 Linux采用时间片轮转的方式来调度CPU时间,这种方法是不利于实时进程的。 (2)核心的不可抢占性: 运行在内核模式下的Linux进程不能被其它进程抢占。,实时性的提高,提高： RT-Linux 平台 RT-Linux 设计思想： 可抢先的实时内核，并把标准的 Linux 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。 而标准 Linux 核心的优先级最低，可以被实时
5、进程抢断。,实时性的提高,RT-Linux架构 一个小的RT-Linux实时内核同原来的Linux内核共同控制处理器。,定时精度,调度器进行正确调度操作的必要条件是系统能提供精确的时钟信号。 标准的Linux系统，硬件定时器周期被编程为 100Hz，因此任务调度的最小周期为 10ms。 而RT-Linux采用自己独立的时钟模块rtl_time，为实时任务提供了纳秒级的定时精度。,内存管理,Linux： 按照页面方式管理，按照段页式方式进行访问。 Linux 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
6、。 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。,内存管理,RT-Linux ： 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。 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。 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。,任务调度,实时多任务操作系统基于优先级调度。 任务的四种基本状态 休眠态：任务建立但未被启动 运行态：任务正在占用CPU 就绪态：CPU被占，准备运行 挂起态：无法继续运行,调度算法,1、EDF(Earliest Deadline First)。 截止期最早优先算法：在该算法中没有静态的优先
7、级，截止期最早的任务排在队首。 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。,中断实现,标准Linux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。但是开中断和关中断的混合使得中断的分派延时不可预测。 RT-Linux：引入一个虚拟层，在 Linux 内核和中断控制硬件之间增加一层仿真软件，截取所有的硬件中断。这样就使得Linux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。,研究问题的分析与测试,问题分析,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（PCL一 832）的DDA中断的响应时间。,测试方案,开始：用户层的用户进程开始调用系统，发送脉冲数据。 结束:下一个DDA中断请求到来时，相应的DDA中断服务例程将数据写入三轴位置控制卡的动作控制芯片的缓冲区，以驱动机器人本体运行。,测试结果,结论,RT-Linux中断响应比标准Linux延时时间短。 RT-Linux实时进程不会受到非实时域中用户进程的影响。,谢谢观赏！,
