基于RT-Linux機器人控制系統(tǒng)實時性的研究

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的計算機系統(tǒng)。對工業(yè)機器人控制來說，實時性是一個相當重要的內(nèi)容，尤其是在遠程機器人控制中，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，更應該對開發(fā)工具、編譯器、調(diào)試器之類的開發(fā)環(huán)境進行全面考慮，尤其是隨著應用的不斷升級，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當列入考慮的范圍內(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的標準功能，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)核操縱著機器的響應時間，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到其目的的。

實時中斷不經(jīng)過中斷仿真器，標準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程的處理。當實時內(nèi)核禁止中斷時，仿真器中的一個標志位被置0。當有其它非實時中斷產(chǎn)生時，仿真器檢查那個標志位，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，這也就達到了所謂的”RT—Linux的核心可搶占機制”。實時任務(wù)與普通進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，將標準的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(IPC)，內(nèi)存l28MB;三軸位置控制卡(PCL一832);l0/100M自適應網(wǎng)卡、集線器等以太網(wǎng)連接設(shè)備;機器人本體為具有5個自由度的日產(chǎn)PT500機器人。

機器人控制器運行于一臺工業(yè)控制微型計算機(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的脈沖數(shù)解釋為相應的電平信號，驅(qū)動伺服驅(qū)動器以驅(qū)動機器人本體的運動。

2.2軟件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

整個機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，負責PCL-832位置控制卡的控制與中斷響應，驅(qū)動機器人本體運動;非實時域中實現(xiàn)的是上層的機器人控制界面和遠程監(jiān)控子系統(tǒng);二者之問通過實時先進先出(RT-FIFO)緩沖隊列進行數(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中斷的響應的快慢是決定整個機器人控制器實時性能的關(guān)鍵指標。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;

3)為應用程序提供服務(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器人控制器和遠程監(jiān)控子系統(tǒng)組成。本地的機器人控制器負責將文本機器人指令解釋成相應的位置脈沖數(shù)據(jù)，通過先進先出(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)運行于另一臺微機上，它能夠接收來自機器人控制器或者離線編程與仿真數(shù)據(jù)發(fā)生器的機器人實時狀態(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器人運行狀態(tài)信息，隨時監(jiān)視機器人的運動狀態(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)生器和機器人控制器進行連接，實現(xiàn)離線編程和對機器人的實際控制。[!--empirenews.page--]

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)機時間。而在機器人控制中最講究的就是中斷響應時問。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中斷的響應時間，所有工作的目的就是為了盡量減少中斷響應時間。

3.1測試環(huán)境及方法

用于測試的工業(yè)控制微機的硬件配置為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自適應網(wǎng)卡。中斷響應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)動機器人本體運行。因此，我們將用戶層的用戶進程開始調(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 低負載下D DA中斷響應處理時問測試結(jié)果

可見，在低負載下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，進行處理。但是在標準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。我們的機器人控制器一旦加上網(wǎng)絡(luò)通信模塊，進行監(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)卡干預的情況下測試，標準Linux下的中斷處理時間將比RT.Linux下要來得更長。

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

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

4 總結(jié)

在機器人控制器的設(shè)計中，如何最大程度的提高機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。