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基于Xenomai的实时Linux嵌入式机器人控制平台设计

作　者: 王延伟
导　师: 李贻斌
学　校: 山东大学
专　业: 控制科学与工程
关键词: 实时系统机器人控制 Linux Xenomai OMAP3530
分类号: TP368.1
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
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内容摘要

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。

全文目录

摘要  8-10
ABSTRACT  10-12
第1章绪论  12-18
  1.1 课题研究背景  12
  1.2 嵌入式系统的发展  12-14
  1.3 嵌入式系统的实时化趋势  14-15
  1.4 论文的主要内容和组织结构  15-18
第2章 Linux的实时性能及实时化方案  18-28
  2.1 Linux 2.6内核的特征  18-20
  2.2 Linux 2.6内核的不足  20
  2.3 当前Linux的实时化技术  20-24
    2.3.1 Linux内核的内部改造法  20-21
    2.3.2 双内核改造方法  21-24
  2.4 Xenomai  24-26
    2.4.1 Xenomai的实现原理  24-25
    2.4.2 Adeos的工作原理  25-26
  2.5 小结  26-28
第3章基于PC的Xenomai/Linux实时系统  28-38
  3.1 系统硬件及软件版本  28
  3.2 库及开发工具的准备  28
  3.3 补丁的安装及内核的配置  28-35
  3.4 内核编译及Xenomai库的安装  35-36
  3.5 小结  36-38
第4章嵌入式实时平台的搭建  38-54
  4.1 硬件开发平台的组成  38-41
    4.1.1 主机开发平台的搭建  38-39
    4.1.2 目标板的硬件平台组成  39-41
  4.2 软件系统的移植  41-53
    4.2.1 准备Adeos补丁及Xenomai  42
    4.2.2 对定制内核安装实时补丁和Xenomai  42-47
    4.2.3 MMC/SD卡启动设置  47-53
  4.3 小结  53-54
第5章实时系统的性能测试  54-64
  5.1 基于PC的Xenomai/Linux实时系统的性能测试  54-61
    5.1.1 中断管线及Xenomai内核状态检测  55
    5.1.2 任务调度延迟测试  55-61
  5.2 基于OMAP3530开发板的Xenomai/Linux实时系统的性能测试  61-62
  5.3 实时串口驱动的加载  62-64
第6章总结与展望  64-66
  6.1 总结  64-65
  6.2 展望  65-66
参考文献  66-70
致谢  70-71
攻读硕士学位期间的学术成果  71-72
学位论文评阅及答辩情况表  72

基于Xenomai的实时Linux嵌入式机器人控制平台设计

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