软实时环境下机器人系统建模与实现

Ｒ Ｌｎ ｘ Ｔ ｉ 是在 Ｌｎｘ内核下层添加了一个 简单 的实 ｕ ｉ ｕ 时内核 ， Ｌｎ ｘ本 身 作 为这个 实 时 内核 的优 先级 最 将 ｉｕ
低 的任务 ， 即所 有的实 时任务 的优先级都高于 Ｌｎ ｘ 也 ｉ ｕ 系统本身 的以及 Ｌｎ ｘ系统下 的一般任务 （ １ 。 ｉｕ 图 ）
５０４ １ ６ ０．Ｃ ｉ ａ ｈｎ ）
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存 器 的值 ， 而得 到 电机 的 位置 值 ， 后将 该 电 机 的 从 之 实际位 置值 和 系 统 传 输 的理 想 位 置 值 进 行 比较 ， 从 而得到 一个 偏 差 值 ， 然后 对 该 偏 差值 进 行 插 补 、 Ｉ ＰＤ 运算 等 处 理 ， 得 到 一 个 新 的 控 制 信 号 。再 通 过 就
传感 器信 息处理 进 程 主要 是将 外 界 信 息接 收后
成 。 由此 Ｒ Ｌｎ ｘ内核 才 可 以尽 量 做 得 简 单 。在 Ｔ ｉｕ Ｒ Ｌｎ ｘ内核 中 ， 应 该 等 待 资 源 ， 不 需 要 使 用 共 Ｔ ｉｕ 不 也 享旋 转锁 。实 时 任务 和 Ｌｎ ｘ进 程之 间 的通 信 也 是 ｉ ｕ 非 阻塞 的 ， 来 不 用 等 待 进 队 列 和 出 队 列 的数 据 。 从
电机 的位 置 信 息 并 存 储 在 Ｆ Ｇ 的 内部 寄 存 器 中 。 Ｐ Ａ
图 ２ 机 器 人 控 制 系 统 结 构
然后 Ｐ １４通 过 Ｐ ＩＩＡ总 线 从 Ｆ Ｇ 中读 取 该 寄 Ｃ０ Ｃ ／Ｓ ＰＡ
（ ） 机接 口 １人 用户 界 面进程 实现 人 机界 面 模块 和 数 据输 入 输
闭式 体 系结 构 。这种 结 构 的控制 器 存 在 制造 和使 用
高 、 发 周 期 长 、 级 换 代 困难 、 法 添 加 系 统 的新 开 升 无 功 能等 一 系 列 缺 点 。 由 此 ， 文 设 计 了 一 种 基 于 开 本 源 软实 时操 作 系统 架 构机 器 人 控 制 系统 。该 机 器 人 控 制 系统采 用 开 发式 硬 件 和 软 件 结 构 ， 以根 据 需 可 要 方便 地扩展 功 能 ， 有 良好 的开 发性 和扩 展性 。 具
路 和 被 控 对 象 三 部 分 组 成 。上 位 机 使 用 桑 达 的
３ 应 用 系统 结 构
机器人 控 制 系 统 的软 件 按 照 功 能 来 划 分 的话 ， 则如 图 ２所 示 ， 系 统 软件 部 分 是 在 Ｒ Ｌｎ ｘ平 台 该 Ｔ ｉｕ 下， Ｃ 用 ，Ｃ＋ ＋ 言 编 写 的 ， 以分 为 ４部 分 ： 机 语 可 人
中 图 分 类 号 ：Ｐ ４ Ｔ ２２
文献标 识码 ： Ａ
Ｍ ｏｄ ｌ ｎｄ Ｒ ｅ ｌｚ ｔｏ ｆＲ ｏ ｏ ｎ Ｔｈ ｏ ｔＲｅ ｌｔｍ ｅ Ｅｎｖ ｒ ｎｍ ｅ ｅ ｉ ａ ａ ｉ ａ ｉ ｎ ｏ ｂ ｔ ｉ ｅ Ｓ ｆ ａ －ｉ ｎｇ ｉｏ ｎｔ
。
ＨＡＮＧ ｏ ｇ ｆ ｉ Ｐ ｉｌｎｇ Ｌ ｎ —ｅ ． ＥＩ Ｈａ —ｏ
１ ６． ｏ 。 ２ ｃｒ ｎ
・
２・
组 合机床 与 自动化 加工 技术
第 １ ２期
块 中运行 的程 序 的工 作量 要 尽量 少 ， 果 能 在 Ｌｎ ｘ 如 ｉｕ 中完 成而不 影 响实时 性能 的话 ， 就尽 量 在 Ｌｎ ｘ中完 ｉ ｕ
控制 器是一个实时进程 ， Ｒ Ｌｎｘ平 台下 ， 在 Ｔｉ ｕ 实时进程
Ｒ Ｌｎｘ将 系统 和设备 的初 始 化交 给 了 Ｌｎ ｘ完 成 ， Ｔ ｉｕ ｉｕ
对动 态资 源 的 申请 和 分 配也 交 给 了 Ｌｎ ｘ Ｔ ｉｕ ｉｕ 。Ｒ Ｌｎ ｘ 使用 静态 分 配 的 内存 来 完 成 硬 件 实 时任 务 ， 因为 在 没有 内存 资 源 的 时候 ， 阻 塞 的线 程 是 不 可 能 具 有 被
示 教 ， 定 参 数 、 画 运 动 插 补 运 动轨 迹 、 设 勾 各传 感 器 的状态 等 ； 把 操 作 人 员 的操 作 和输 入 的数 据 转 换 而 为 指令 和数 据发送 到指 定 的模 块执 行 。 （） ２ 任务 调度 与分解 任务控 制器位于 系统 三层结 构 的 中间 ， 责从 用 负
路 结 构 主 要 是 由 Ｐ １４和 Ｆ Ｇ 构 成 ， 件 上 在 Ｒ Ｌｎ ｘ进 行 开 发 。 利 用 该 系 统 对 工 业 机 器人 进 行 Ｃ０ ＰＡ 软 Ｔ ｉｕ
了实 时控 制 ， 实验数 据验 证 了整 个控制 系统 的 有效性 。 其
关 键 词 ： Ｔ ｉｕ ； 时 操 作 系 统 ； 器人 Ｒ Ｌｎ ｘ 实 机
ＩＡ总线 连接 以 Ｆ Ｇ 为 核 心 的底 层 硬 件 电 路 。软 Ｓ ＰＡ 件 上 主要在 开 源操作 系统 Ｒ Ｌｎ ｘ上进 行二 次开 发 ， Ｔ ｉｕ 利 用 其 实时 性 和 多任 务调 度 功 能实 现 复杂 的机器 人
收 稿 日期 ：０ １— ５—２ ２１ ０ ６
这体 现 了 Ｒ Ｌｎ ｘ Ｔ ｉｕ 设计 过程 中的原则 ：Biblioteka Baidu在实 时模
程序位置速１ ｌ １ 电机 孽 度， 命令的 Ｉ ｌ ＜ ） ＝ 些 及外
信的辇 ｌ ｌ 境 誊篱集 ｆ Ｉ 部 号采 禺 霉橐ｌ 詈 环 隔
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图 ３
硬 件 电 路 结 构 图
直 接 操 作
硬
１ 机 器 人 控 制 系统 的 组 成
该 机器 人 控 制 系 统 采 用 基 于 Ｐ 的 技 术 路 线 。 Ｃ
件 图 １ ＲＴＬｉｕ 结 构 图 ｎｘ
其硬 件 结 构 上 主要 以 Ｐ １４架 构 为 基 础 通 过 Ｐ Ｉ Ｃ０ Ｃ／
正常 的 Ｌｎ ｘ进程 仍 可 以在 Ｌｎ ｘ内核 上 运 行 ， ｉｕ ｉｕ 这样 既可 以使 用 标 准分 时操 作 系统 即 Ｌｎ ｘ的各 种 ｉｕ 服务 ， 又能 提供 低延 时 的实时环 境 。
０ 引言
机 器 人 控 制 系 统 是 一 种 典 型 的 多 轴 实 时 运 动 控
控制任务。
２ Ｒ ＴＬｉ ｕｘ ｎ
制 系统 。传 统 的机器 人 控 制 系统 基 本 上 是一 种 设 计 者基 于 自己 的独 立 结 构 和 生 产 目 的而 开 发 ， 采 用 它 了专 用计 算 机 、 用 机器 人 语 言 、 用 微 处理 器 的封 专 专
在 交流伺 服 电 机有 一 个 自带 光 电 编 码 器 ， 编 该 码器能 自动检 测 电机 的位 置 ， 反 馈 相位 差 ９ 并 ０度 的
Ａ Ｂ两 相 信 号 。Ｆ Ｇ 检 测 到 Ａ Ｂ两 相 信 号 ， 过 ／ ＰＡ ／ 通 其 内部 计数 器模 块 对 Ａ Ｂ两 相 信 号 进行 计 数 ， ／ 获得
是 内核的一部分 ， 能使 用常 规 的进程 间通 信方 法进 不 行运 动控制器 和任务 控制 器之 间 的通信 。 因此 ， 运动 规划 与控制进程和任务 调度与分解进程之 间的通信 只 能使 用 ＦＦ ｕ ｅ 或者共享 内存的方式 。 ＩＯ ｂ ｆ ｒ ｆ （ ） 感器信 息处 理 ４传
Ｐ ＩＩＡ总线 ， Ｃ ／Ｓ 发送 该 控 制 信 号 给伺 服控 制 板 ， 后 最 通过 Ｆ Ｇ Ｐ Ａ中 的 ｐ ｌ 模 块 下 发 一定 脉 宽 的 脉 冲 ， ｕｓ ｅ 通
出模块 的功 能 ， 其 他 进 程 在 共 享 内存 发 布 的状 态 把 数 据转 换为 可 为 操 作 人 员 所 了解 的数 字 和 图形 ， 如
接 口（ 教盒 ） 任 务 调度 与分 解 ， 动 规 划 与 控 制 ， 示 ， 运
Ｐ １４ 接 口电路 的核心 部件 是 Ｆ Ｇ 被控 对 象 为安 Ｃ０ ， Ｐ Ａ，
川 公 司的交流 伺服 电机 如 图 ３所 示 。
以ＦＧ 为核心接 口电路 ｌ ＰＡ
伺 服
传感 器信 息处 理 。这 四个 部分 各 自以进 程 的形 式 独 立运 行 ， 过共 享 内存方式 进行 交互通 信 。 通
基 金 项 目 ： 家 自然 科 学 基 金 （ ０ ３０ ４ 教 育 部 重 大 培 育 项 目（０ ０ ９ 国 ６ ７ ６２ ）； ７８ ６ ） 作 者 简 介 ： 龙 飞 （ ９ ６ ） 男 ， 徽 桐 城 人 ， 南 理 工 大 学 自动 化 科 学 与 工 程 学 院 硕 士 研 究 生 ， 究 方 向 为 数 控 技 术 ， Ｅ —ｍ ｉ ｊ ０ ８ 江 １８ ～ ， 安 华 研 （ ａｌ ｌ ０ ＠ ）ｆ
第 １ ２期 ２１ ０ １年 １ ２月
组 合 机 床 与 自 动 化 加 工 技 术
Ｍ ｏ ｕｌ ｒ Ｍ ａ ｈ ｎｅ Ｔｏ ｌ＆ Ａ ｕ ｏ ａ ｉ ａ ｆ ｃ ｕ ｉ ｇ Ｔｅ ｈｎ ｑｕ ｄ ａ ｃ ｉ ｏ ｔ ｍ ｔｃ Ｍ ｎｕ ａ ｔ ｒ ｎ ｃ ｉ ｅ
ＮＯ １ ． ２
Ｄｅ ｃ．２ １ ０１
文 章 编 号 ：０ １ ２ ６ （ ０ １ １ ０ ０ — ３ １ ０ — ２ ５ ２ １ ） ２— ０ １ ０
软实时环境下机 器人 系统建模与实现 水
江龙 飞 ， 海龙 裴
（ 南理 工大 学 自动化科 学 与工程 学 院 ， 州 ５ ０ ４ ） 华 广 １ ６ ０ 摘要 ： 软 实时控 制 系统 以及机 器人 正运 动 学模 型的构 建进 行 了研 究。该 软 实 时控 制 系统的硬 件 电 对
实 时能力 的 。
进行 预处 理 ， 后传 递 给 任务 调度 与 分 解进 程 ， 者 然 后 根 据这些 信 息 做 相 关 的决 策 ， 后 调 度 系 统 进 入 不 然
同的状 态 。
４ 硬 件 接 口设 计
该 机器人 控 制 系统 由上 位 机 、 动 控 制 接 口 电 运
Ｔｈ ｘ ｒｍ ｅ ｔ ｌｄ ｔ ａ ｉ ｔ ｈ ｆ ｅ ｔｖ ｎ ｓ ｆ ｔ ｅ ｗｈ ｌ ｏ ｔ ｏ ｙ ｔ ｍ ． ｅ ｅ ｐｅ ｉ ｎ ａ ａ ａ ｖ ｌ ｄａ ｅ ｔ ｅ ｅ ｆ ｃ ｉ ｅ ｅ ｓ ｏ ｈ ｏ ｅ ｃ ｎ ｒ ｌｓ ｓ ｅ
Ｋ ｅ ｏ ｄｓ：ＲＴＬｉ ｘ；ｒ ａ —ｉ ｅ ｏ ｒ ｔｎ ｙ ｔｍ ；ｒ ｂ ｔ ｙｗ ｒ ｎｕ ｅ ｌｔｍ ｐｅａ ｉ ｇ ｓ ｓｅ ｏ ｏ