基于Linux和RT—Linux實現(xiàn)實時機(jī)器人控制系統(tǒng)的設(shè)計

實時系統(tǒng)是能夠在確定的時間內(nèi)執(zhí)行計算或處理事務(wù)并對外部事件作出響應(yīng)的計算機(jī)系統(tǒng)。對工業(yè)機(jī)器人控制來說，實時性是一個相當(dāng)重要的內(nèi)容，尤其是在遠(yuǎn)程機(jī)器人控制中，如果不能很好地滿足系統(tǒng)所需的實時性要求，就失去了研究的基礎(chǔ)和意義。當(dāng)前專用的實時操作系統(tǒng)很多，但是遺憾的是它們的價格高昂，增加了開發(fā)成本。在考慮實時操作系統(tǒng)核心的性能之外，更應(yīng)該對開發(fā)工具、編譯器、調(diào)試器之類的開發(fā)環(huán)境進(jìn)行全面考慮，尤其是隨著應(yīng)用的不斷升級，要求實時操作系統(tǒng)支持各類網(wǎng)絡(luò)協(xié)議和編程語言，系統(tǒng)的通用性和可移植性也應(yīng)當(dāng)列入考慮的范圍內(nèi)。于是力求尋找一種高性能的、低價的甚至是免費的實時操作系統(tǒng)，且功能必須完備，通用性必須強。RT—Linux與Linux的結(jié)合是一項比較新穎的技術(shù)，一方面它提供了面向非實時的POSIX.1的標(biāo)準(zhǔn)功能，另一方面又提供了非常高效的滿足底層硬件設(shè)備的實時性能需要。這種實現(xiàn)方法可以充分利用Linux的強大功能和RT—Linux的實時性能。而且RT—Linux是免費的，完全開放源代碼，可降低開發(fā)成本，適用范圍廣泛。

1 RT-Linux的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

RT-Linux的基本思想就是使Linux運行在實時核心之下，見圖1。RT—Linux是一個可加載的核心模塊。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。實時內(nèi)核直接管理硬件中斷，因此實時內(nèi)核操縱著機(jī)器的響應(yīng)時間，原來的Linux就無法影響實時任務(wù)了。在RT- Linux中設(shè)計了兩類中斷。軟中斷是正常的Linux中斷，硬中斷則是真正的實時中斷，執(zhí)行時幾乎沒有任何延遲。實現(xiàn)時，RT-Linux是通過在 Linux核心和中斷處理器之間設(shè)計一個仿真軟件來達(dá)到其目的的。

實時中斷不經(jīng)過中斷仿真器，標(biāo)準(zhǔn)Linux的所有硬件中斷首先被中斷仿真器捕獲，所以也根本無法影響實時進(jìn)程的處理。當(dāng)實時內(nèi)核禁止中斷時，仿真器中的一個標(biāo)志位被置0。當(dāng)有其它非實時中斷產(chǎn)生時，仿真器檢查那個標(biāo)志位，如果為0，說明不允許中斷，否則可以立即執(zhí)～Linux中斷處理程序。筒而言之，Linux不能中斷自身，但是RT-Linux可以中斷Linux，這也就達(dá)到了所謂的”RT—Linux的核心可搶占機(jī)制”。實時任務(wù)與普通進(jìn)程之間的通信是通過封鎖，釋放隊列來完成的。具體地說就是當(dāng)有實時任務(wù)要完成時，實時操作系統(tǒng)運行實時內(nèi)核下的任務(wù);當(dāng)沒有實時任務(wù)時，實時內(nèi)核調(diào)度 Linux運行。所以Linux是實時內(nèi)核中優(yōu)先級最低的一個任務(wù)。

目前為止，在RT-Linux中采用兩種調(diào)度策略。一種是基于優(yōu)先級的搶占式調(diào)度算法;另一種是lsmaelRipoll實現(xiàn)的 EDF(EarliestDeadlineFirst)算法。對于周期性任務(wù)可以采用單調(diào)率調(diào)度算法，即周期短的任務(wù)能夠獲得較高的優(yōu)先級。調(diào)度策略將 Linux視為賦予最低優(yōu)先級的實時任務(wù)。

Linux僅僅在實時系統(tǒng)沒有其它任務(wù)時運行。Linux和實時任務(wù)之間的轉(zhuǎn)換依據(jù)上述提及的軟中斷狀態(tài)而定。RT-Linux通過這樣一種設(shè)計方法，將標(biāo)準(zhǔn)的Linux核心改成一個可搶占的、具有低延遲中斷處理的實時系統(tǒng)。

2 實時機(jī)器人控制系統(tǒng)的軟/硬件結(jié)構(gòu)

2.1硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

整個實時機(jī)器人控制系統(tǒng)主要的硬件部件為：與IBM—PC兼容PentiumIII733MHzq-業(yè)控制微機(jī)(IPC)，內(nèi)存l28MB;三軸位置控制卡(PCL一832);l0/100M自適應(yīng)網(wǎng)卡、集線器等以太網(wǎng)連接設(shè)備;機(jī)器人本體為具有5個自由度的日產(chǎn)PT500機(jī)器人。

機(jī)器人控制器運行于一臺工業(yè)控制微型計算機(jī)(IPC)上。在該IPC上安裝了兩塊三軸位置控制卡。每塊三軸位置控制卡能對三軸進(jìn)行聯(lián)動插補控制。每軸有專用位置芯片控制，構(gòu)成一個伺服位置和速度環(huán)。三軸位置控制卡以插補時間為周期連續(xù)發(fā)出中斷，我們需要在DDA周期開始之前，將位置信息寫入位置控制卡動作控制芯片的緩沖區(qū)中。放在DDA脈沖緩沖器中的脈沖數(shù)被傳到DDA發(fā)生器，在下一個DDA周期中輸出。然后由三軸位置控制卡將各軸對應(yīng)的脈沖數(shù)解釋為相應(yīng)的電平信號，驅(qū)動伺服驅(qū)動器以驅(qū)動機(jī)器人本體的運動。

2.2軟件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

整個機(jī)器人實時控制器的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示，整個系統(tǒng)分為2個域：實時域和非實時域。實時域中實現(xiàn)的是實時設(shè)備驅(qū)動程序，負(fù)責(zé)PCL-832位置控制卡的控制與中斷響應(yīng)，驅(qū)動機(jī)器人本體運動;非實時域中實現(xiàn)的是上層的機(jī)器人控制界面和遠(yuǎn)程監(jiān)控子系統(tǒng);二者之問通過實時先進(jìn)先出(RT-FIFO)緩沖隊列進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。內(nèi)核調(diào)度策略將Linux視為賦予最低優(yōu)先級的實時任務(wù)，Linux中的非實時任務(wù)僅僅在實時系統(tǒng)沒有其它任務(wù)時運行，以確保實時任務(wù)的最高實時優(yōu)先級。

(1)RT-Linux中的實時模塊

實時域中的軟件模塊主要是三軸位置控制卡(PCL一832)的設(shè)備驅(qū)動程序。驅(qū)動程序是能夠直接訪問硬件的模塊，具有應(yīng)用程序不具備的處理中斷和讀寫端口的能力，是嵌入操作系統(tǒng)核心的底層軟件。三軸位置控制卡以毫秒級發(fā)出DDA中斷請求，對DDA中斷的響應(yīng)的快慢是決定整個機(jī)器人控制器實時性能的關(guān)鍵指標(biāo)。我們開發(fā)的實時設(shè)備驅(qū)動程序位于RT-Linux的實時域中，享有系統(tǒng)最高實時優(yōu)先級。它是整個實時機(jī)器人控制系統(tǒng)的前提和基礎(chǔ)。RT-Linux中的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)：

1)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;

2)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;

3)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。

(2)Linux中的非實時模塊

非實時域中的軟件模塊由機(jī)器人控制器和遠(yuǎn)程監(jiān)控子系統(tǒng)組成。本地的機(jī)器人控制器負(fù)責(zé)將文本機(jī)器人指令解釋成相應(yīng)的位置脈沖數(shù)據(jù)，通過先進(jìn)先出(RT- FIFO)緩沖隊列發(fā)送給實時域中的驅(qū)動程序驅(qū)動機(jī)器人本體運動。圖形仿真與監(jiān)控系統(tǒng)運行于另一臺微機(jī)上，它能夠接收來自機(jī)器人控制器或者離線編程與仿真數(shù)據(jù)發(fā)生器的機(jī)器人實時狀態(tài)，通過三維圖形仿真的方式實時顯示出來，給用戶一個直觀的機(jī)器人運行狀態(tài)信息，隨時監(jiān)視機(jī)器人的運動狀態(tài)。同時具有權(quán)限的用戶能夠以離線編程方式或在線操作方式通過高速以太網(wǎng)分別與離線編程與仿真數(shù)據(jù)發(fā)生器和機(jī)器人控制器進(jìn)行連接，實現(xiàn)離線編程和對機(jī)器人的實際控制。

3 實時系統(tǒng)的性能評估

實時系統(tǒng)的性能評估主要在8個方面進(jìn)行。它們分別是任務(wù)換道性能、任務(wù)優(yōu)先級性能、內(nèi)存分配性能、任務(wù)內(nèi)部通信性能、中斷延遲時間、操作系統(tǒng)運行時效率、初始化時間和關(guān)機(jī)時間。而在機(jī)器人控制中最講究的就是中斷響應(yīng)時問。因為就本項目而言，我們最關(guān)I～,RT-Linux系統(tǒng)對三軸位置控制卡(PCL一 832)的DDA中斷的響應(yīng)時間，所有工作的目的就是為了盡量減少中斷響應(yīng)時間。

3.1測試環(huán)境及方法

用于測試的工業(yè)控制微機(jī)的硬件配置為IntelPentium(clockl20MHz)，RAM64MB;服務(wù)器軟件是用 RedHatLinux6.0(內(nèi)核版本號2.2.5一l5)，RT-Linux的版本號2.2;網(wǎng)絡(luò)環(huán)境l0/100M自適應(yīng)網(wǎng)卡。中斷響應(yīng)時間的快慢直接反映了這樣一個過程的快慢：在用戶層的用戶進(jìn)程通過系統(tǒng)調(diào)用將脈沖數(shù)據(jù)寫入位于核心層的實時驅(qū)動程序的數(shù)據(jù)緩沖隊列，在下一個DDA中斷請求到來時，中斷服務(wù)例程將數(shù)據(jù)緩沖隊列中的脈沖數(shù)據(jù)寫入三軸位置控制卡的動作控制芯片的緩沖區(qū)，驅(qū)動機(jī)器人本體運行。因此，我們將用戶層的用戶進(jìn)程開始調(diào)用系統(tǒng)調(diào)用發(fā)送脈沖數(shù)據(jù)的時刻作為測試開始時刻，將下一個DDA中斷請求到來時，相應(yīng)的DDA中斷服務(wù)例程將數(shù)據(jù)寫入三軸位置控制卡的動作控制芯片的緩沖區(qū)，以驅(qū)動機(jī)器人本體運行的時刻作為測試結(jié)束的時刻。圖3反映了上述過程。

3.2測試結(jié)果

我們分別設(shè)置DDA周期為8、12、16、24ms的4種情況作了測試，經(jīng)過計算，可以得出表1所示的結(jié)果。

表1 低負(fù)載下D DA中斷響應(yīng)處理時問測試結(jié)果

可見，在低負(fù)載下RT-Linux的測量時間要比Linux下快0.5—0.6ms左右，證明了采用RT—Linux系統(tǒng)確實能夠提高系統(tǒng)的實時性能。在這里有幾點需要說明：

(1)RT—Linux直接接受硬件中斷，所以我們將PCL一832卡的DDA中斷和OV中斷安裝在實時域中，目的就是讓RT-Linux最先捕獲這兩個實時中斷，進(jìn)行處理。但是在標(biāo)準(zhǔn)Linux下采用的是軟中斷的概念，也就是說無法保證DDA中斷和OV中斷最先執(zhí)行。我們的機(jī)器人控制器一旦加上網(wǎng)絡(luò)通信模塊，進(jìn)行監(jiān)視和仿真時，則在運行過程中DDA中斷和OV中斷要受到來自網(wǎng)卡中斷的影響。所以在這種情況下，為了保證機(jī)器人運動的實時性，采用RT- Linux的優(yōu)勢就體現(xiàn)出來了。如果在網(wǎng)卡干預(yù)的情況下測試，標(biāo)準(zhǔn)Linux下的中斷處理時間將比RT.Linux下要來得更長。

(2)如果用戶應(yīng)用層開辟大量的用戶進(jìn)程，則對于分時的標(biāo)準(zhǔn)Linux來說會受到很大程度的影響。但是對于RT-Linux來說，實時進(jìn)程不會受到非實時域中用戶進(jìn)程的影響，所以在這種重負(fù)載情況下，RT-Linux的實時性比標(biāo)準(zhǔn)Linux下要高。

由測試結(jié)果可以看出，RT-Linux系統(tǒng)中斷響應(yīng)比標(biāo)準(zhǔn)Linux延時時間短，這個結(jié)果也預(yù)示在系統(tǒng)高負(fù)載情況下RT-Linux系統(tǒng)中的實時性能的優(yōu)勢將更為明顯。實際使用該實時機(jī)器人控制器時，機(jī)器人運行非常穩(wěn)定，能滿足實時控制的需要。

4 總結(jié)

在機(jī)器人控制器的設(shè)計中，如何最大程度的提高機(jī)器人控制的實時性是一個關(guān)鍵問題。本文中我們運用了將軟件任務(wù)劃分實時域與非實時域的思想，提出并實現(xiàn)了一種將RT-Linux與Linux結(jié)合的實時機(jī)器人控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)的優(yōu)點是：一方面提供了非常高效的滿足底層硬件設(shè)備的實時性能，另一方面可以充分利用 Linux的強大功能。而且RT-Linux是完全開放源代碼的免費軟件，降低了開發(fā)成本。因此該技術(shù)具有非常廣泛的產(chǎn)業(yè)化前景。

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