基于Xenomai的实时Linux嵌入式机器人控制平台设计

发布时间：2020-06-07 02:23

【摘要】：伴随着SoC技术的不断发展,嵌入式系统和实时操作系统已经被广泛应用在社会生活中的各个领域。在机器人控制领域中,机器人系统对实时响应、信息处理、复杂姿态运算等要求不断提高。由于半导体芯片设计制作工艺不断提升,各种先进架构的嵌入式处理器纷纷涌现,在硬件基础上为系统的运行速度提供了保证。同时,各种实时操作系统和针对操作系统的实时化改造技术不断发展成熟,这些都为开发适合应用在机器人控制领域的实时控制系统提供了坚实的硬件和软件基础。 本课题选用Xenomai技术方案对Linux操作系统进行实时化改造,分别在两种硬件实验平台上搭建Xenomai/Linux双内核实时操作系统并进行了基本实时性能测试和实时驱动调用,为后续的机器人控制系统应用开发打下基础。 首先,本文立足于建立具有良好开放性、工业级实时性能、较强兼容性的实时机器人控制操作系统的目标,通过对新的Linux2.6版本内核的优劣势的分析,对比确立了双内核Linux实时改造方法的可行性。在双内核Linux实时改造方法中,Xenomai技术解决方案以其鲜明的特点,均衡的性能优势,广泛支持多种平台上的Linux实时化改造。改造完成后的Xenomai/Linux双内核实时系统,克服了传统的实时操作系统的封闭性高、兼容性差和价格高昂的劣势,为实时系统在机器人控制领域的广泛应用和发展打下了基础。 其次,研究了在通用x86计算机平台上搭建Xenomai/Linux双内核实时系统的过程。通过x86平台上的补丁安装、内核配置以及编译,深入了解Xenomai技术方案在配置过程中的参数设置要求、设置冲突解决方案以及开发应用的参数预设置等,为在OMAP平台上的移植积累了经验。 然后,完成了OMAP3530开发平台上的Xenomai/Linux双内核实时操作系统的安装和移植。针对特定开发板定制的Linux内核的实时化改造,操作过程与x86计算机平台下基本类似。在该系统中尝试建立了基于SD卡的实时系统启动方式,熟悉了SD卡上的双文件系统分区建立以及初始化等实现原理,为机器人控制应用中的系统更新升级提供了一种解决方案。 最后,对x86通用计算机平台和OMAP3530平台上的Xenomai/Linux双内核实时系统进行了基本的实时性能测试,同时,完成了双内核实时系统下的实时串口驱动调用。实时性能测试的实验结果证明,在改造完成后的Xenomai/Linux双内核实时系统中,无论是用户空间的任务调度延迟还是内核空间的任务调度以及中断调度延迟,都具有微秒级的实时响应性能,完全能够达到当前的机器人的实时控制要求。
【图文】：

山东大学硕士学位论文在接口(Interface)选项中，根据后续测试的需要，，开启R丁Al的仿真模式如图3.8所示。燕赫导磊扁赢;、礴寡硫走豪幕瓤赢赢寿续巍癖瓤碱熟躲鑫瓤巍森巅巍撇瓤艳麟羹黔毓磊赢{易痴痣李鑫;慕添啼嘛;癫{攘骊file旦dit劝ew介「m旧aITa妙匕elp图3.8开启RTAI的仿真模式4)Xenomai的配置完毕，保存相应的修改并退出到主界面下。由于PC平台使用Intel奔腾4单核处理器，在进行配置时，对处理器类型和特征 (Processortypeandfeatures)选项要进行细心设置，否则，会导致实时程序运行过程中出现问题。需要设置为支持状态的选项:中断管线 (Intemiptpipeline):此项保证Adeos中断管道的安装启用;本地先进可编程中断控制器对单核处理器的支持 (LocalAPJCsupportonuniProcessors):开启内嵌的可编程中断控制器为CPU自身产生中断请求;输入输出口先进可编程中断控制器对单核处理器的支持(IO一 APICsuPport onuniProcessors):开启输入输出口高级可编程中断控制器为CPU产生中断信号。此外，需要特别指出的是，只有在对称的多处理任务支持(Symmetricmulti一 Processingsupport)配置为无效的前提下，才能进行配置本地先进可编程中断控制器对单核处理器的支持与输入输出口先进可编程中断控制器对单核处理

山东大学硕士学位论文目标板的核心处理器是由美国德州仪器(TexaSInstrumentS)公司生产的双核心处理器0MAP3530，其基于65nm制作工艺，内部包含一颗600MHz的ARMeortexTM一As内核和一颗43oMHz的TMs32oe64x+TMDsP内核。其中，ARM内核具有16kB的I一Caehe和16kB的D一Caehe，256kB的二级缓存，片上的存储包括64kBSRAM和112kBROM，其性能大约为同频率的ARMll的2一3倍。
【学位授予单位】：山东大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2011
【分类号】：TP242;TP368.1

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