RT-Linux與Linux相結(jié)合的機器人控制系統(tǒng)的設(shè)計與實時性能分析

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。這里我們運用了將軟件任務(wù)劃分實時域與非實時域的思想，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：提供了非常高效的滿足底層硬件設(shè)備的實時性能，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。

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，如圖1所示。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(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到其目的的。

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(yīng)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)。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(yīng)，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(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器人控制器實時性能的關(guān)鍵指標。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(yīng)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。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。

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(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。圖3反映了上述過程。

3.2測試結(jié)果

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(yīng)處理時問測試結(jié)果

由此得出，在低負載下RT-Linux的測量時間要比Linux下快0.5—0.6ms左右，證明采用RT—Linux系統(tǒng)確實能夠提高系統(tǒng)的實時性能。需要注意的是：

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。

② 如果用戶應(yīng)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。

由測試結(jié)果可看出，RT-Linux系統(tǒng)中斷響應(yīng)比標準Linux延時時間短，這個結(jié)果也預(yù)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，能夠滿足實時控制的需要。