基于RTLinux的实时机器人控制器研究

)*=567 命令装入内核。采用这种模块化编程的好 处是无需重新编译内核， 开发、 调试、 使用都很灵 活。 !"$"$ %&’()*+, 的设备文件操作 %&’()*+, 中的 >48’ <6=),)6 模块为设备驱动程序
提供了类似于接口的文件系统。 %&’()*+, 内核使 用 >48’ ?)89’ 6<9>;4)6*= 结 构 来 访 问 驱 动 程 序 中 的 函 数。当模块初始化例程向内核注册设备时， 使用 在模块卸载例程中注销设 >48’ >9@)=49>’ :A>79B 函数； 备时， 使用 >48’+*>9@)=49>’:A>79B 函数。 %&’()*+, 和 唯一的 ()*+, 中注册和注销设备没有太大的区别， 区别就是在于 %&’()*+, 是在实时域完成这些工 作的。在 %&’()*+, 注册设备文件时使用了 >48’ ?)89’ 这个 6<9>;4)6*= 结构的函数指针变量 >48’ >6C64’ ?6<=， 变量中的文件操作指针是位于字符设备驱动程序 内部的文件操作例程的地址指针， 用来处理打开、 读写、 关闭等文件操作。 !"$"! %&’()*+, 中的中断服务 %&’()*+, 中的实时任务是一个可加载的核心
真、 人机交互等方面都已发展到一定水平， 因而对 机器人控制器性能的评测显得尤为重要。在诸多 评测标准中， 实时性是重要指标。我们所研究的 ,+%9// 机器人控制器的设计目标是要求机器人在 网络环境中具备远程控制能力， 最大程度地满足 可靠性、 实时性要求。
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远程机器人控制器的系统结构
远程机器人控制器的系统结构如图 & 所示，
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计算机工程与科学
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’//’ 年第 ’# 卷第 9 期 :;<=’#， ";=9， ’//’
! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! 文章编号： （’//’） &//0%&$/1 /9%//>&%/(
修订日期： ’//&%&’%&’； ’//’%/#%&) " 收稿日期： 基金项目： 国家教委 “高等学校骨干教师资助计划” 项目 作者简介： 施华 （&>09 X ） ， 女， 硕士生， 研究方向为计算机控制、 网络与多媒体技术； 陈一民， 教授； 李超， 硕士生。 通讯地址： ’///0’ 上海市延长路 &#> 号上海大学计算机工程与科学学院 &#0 Y 陈一民； 5%JF@<： H@GH<DZ ;A<@ADS EIS HA； <775(::： 3F@< M;C &#0， .HI;;< ;O !;JPBLDG 5AR@ADDG@AR FAN .H@DAHD， .IFARIF@ 4A@QDGE@LW， &#> [FAHIFAR 6N， .IFARIF@ ’///0’， ,S 6S !I@AF
"#$%&’( 三轴多功能位置卡。 "#$%&’( 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。如 果位置误差反馈计数超过阈值， 说明机器人运动 异常， 位置卡发出溢出中断报警 （ )*） ，我们必须 及时响应这个中断， 以保证机器人的安全运行。 为了同步， 机器人所有的轴必须在 !! 时刻同 时开始发出位置脉冲， 在 !( 时刻同时停止 。 !! " （ +-.-/01 +-223435/-01 !( 这段时间间隔被定义为 ++, 简称 ++,） 周期。 ++, 周期可以通过软 ,50167-7， 件设置， 范围是 ! 毫秒到 ( 秒。我们可以设置一 个 ++, 周期内的脉冲数 （ 8 9 :8;<） ， 这个脉冲数 代表了一个 ++, 周期内总的位置变化。连续的 脉 冲 序 列 输 出 保 证 了 机 器 人 平 滑 的 响 应 动 作， "#$%&’( 位 置 卡 以 插 补 时 间 为 周 期 连 续 发 出 中 断， 我们只需要在 ++, 周期开始之前， 将位置信 息写入动作控制芯片的缓冲区中。放在 ++, 脉 冲缓冲器中的脉冲数被传到 ++, 发生器， 在下一 个 ++, 周期中输出。所以在当前的 ++, 周期结 束前就要在 ++, 脉冲缓冲器中设置好下一个周 期要输出的脉冲数。 我们选用了支持多用户、 多种硬件平台， 具备 内存保护、 虚似内存功能的 $-5=> 作为软件开发 的平台。由于 $-5=> 源代码完全公开， 因而可以 根据实际需要修改系统内核。但是 $-5=> 是典型 的分时操作系统， 不能从根本上保证机器人控制 的实时性， 必须加以改进。
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机器人控制器实时性改进方案
经过对整个机器人控制系统以及机器人在现
图( @A%$-5=> 的系统结构
有控制器下实际使用情况的分析后， 我们发现可
! " # " $ 机器人控制器任务划分 由于 %&’()*+, 中实时任务在内核空间执行， 所以对 实 时 任 务 的 编 程 有 别 于 普 通 ()*+, 的 编 程。%&’()*+, 应用的一条通用准则就是将有严格 时间限制的工作放在实时部分完成， 实时部分的 程序要尽量的简单。实时部分往往是一些实时线 程和中断服务例程。实时线程的概念有别于 ()*’ 实时线程在实时域 +, 下遵循 -./01 标准的线程， 内执行。所以一个应用程序要加以分割， 使大量 的没有严格时间限制的工作尽量在用户空间完 成。下面分析一下实时和非实时功能的划分。 （#） 硬实时部分负责一切和时间限制有关的 操作。我们将硬实时部分的功能划分成三个线 程， 它们分别负责 -2(’3!$ 卡的驱动程序 （中断处 理、 设备文件操作） ， 用户命令或用户程序、 在线示 教、 远程监控产生的基本指令的执行， 以及机器人 程序文件的生成和调用。对于前两个线程的设置 目的是显而易见的， 这里有必要解释一下第三个 线程。因为无论是 %&’()*+, 下的实时性线程， 还 是 ()*+, 下的进程都要使用到机器人程序文件。 但是在 %&’()*+, 环境下， 标准 ()*+, 是可以被抢 占的， 所以这些文件很可能在其它实时线程抢占 导致严重的丢失或 ()*+, 时遭到不可恢复的破坏， 错误。故我们开辟这样一个实时线程进行文件操 作。在 %&’()*+, 中， 只要将这个实时线程的优先级 设置成同其它实时线程一样， 则它们可以互不被抢 占， 保证了系统运行的可靠性。 （$） 在非实时空间， 主要开辟三个线程实现用 户界面、 三维仿真以及远程机器人控制的通信。 其中交互式的图形用户界面的线程在 ()*+, 下具 备最高的优先级， 可以最快地接受用户命令。机 器人三维图形仿真线程， 可以通过离线编程创建 机器人程序文件。 !"# 在 $%&’()*+ 下改写驱动程序 在提出了机器人控制系统实时性改造方案之 后， 我们首先对设备驱动程序及其上层用户应用 测试程序实施了改造。 !"$"# 模块的装载和释放 %&’()*+, 以 ()*+, 模块的形式支持动态加载 实时程序。事实上 %&’()*+, 和实时线程本身都 是可加载的核心模块。 ()*+, 模块源文件必须包 含 )*)4’ 567+89 （） 和 :89;*+<’ 567+89 （） 两个函数， )*)4’ （） 在模块被装入内核时调用， 567+89 :89;*+<’ 567+89 （） 在模块被卸载时调用。编译好的模块可以用
以在以下几个方面加以实时性改进： （!） $-5=> 是一个典型的分时 多 任 务 操 作 系 统， 所以要寻找一种实时操作系统既具备 $-5=> 的优点又能够达到机器人控制的实时性要求； （(） 采用多线程机制将机器人控制器的功能 加以划分。 !"# 硬实时操作系统— — —$%&’()*+ ’?!?! $-5=> 在实时性上的弱点以及 @A%$-5=> 的改进 $-5=> 虽然具备很多有利于工业机器人控制 的优点， 但是它毕竟是一个分时操作系统， 所以在
基于 6+%?@ABC 的实时机器人控制器研究 6DEDFGHI ;A F 6DF<%+@JD 6;K;L !;ALG;<<DG MFEDN ;A 6+%?@ABC
施 华， 陈一民;， ’"() *#+,#)-， .# ’"&/ （上海大学计算机工程与科学学院， 上海 ’///0’） （ !0"//1 /2 ’/,3%4(5 6)-#)((5#)- &)7 !0#()0(， !"&)-"&# 8)#9(5:#4;， !"&)-"&# ’///0’， ’"#)&） 要： 本文结合机器人控制器的特点， 提出了采用 6+%?@ABC 操作系统改进机器人控制实时性的 方法， 并对机器人控制器任务采用多线程机制进行实时域和非实时域的划分。最后给出了一个在 6+% 摘 ?@ABC 操作系统下实现硬件设备实时驱动程序的实例。 <=:45&04： MFEDN ;A LID HIFGFHLDG@EL@HE ;O G;K;L H;ALG;<<DGE， LI@E PFPDG PG;Q@NDE F JDLI;N ;O BE@AR 6+%?@ABC L; @JPG;QD LID GDF<%L@JD PDGO;GJFAHD ;O G;K;L H;ALG;< S TAN， @L F<E; BEDE F JB<L@%LIGDFN JDLI;N L; N@Q@ND G;K;L H;ALG;<<DG LFEUE @AL; LID GDF<%L@JD EPFHD FAN LID A;A%GDF<%L@JD EPFHD S V@AF<<W FA DCFJP<D ;O @JP<DJDAL@AR F GDF<%L@JD NDQ@HD NG@QDG BANDG 6+%?@ABC @E R@QDA S 关键词： 实时性； 多线程； 机器人控制器 6+%?@ABC； >(; ?/57:： GDF<%L@JD； 6+%?@ABC； JB<L@%LIGDFN； G;K;L H;ALG;<<DG 中图分类号： 文献标识码： +,’# T 整个系统由机器人控制器和远程监控子系统组