[发明专利]基于C/S结构的空间机械臂控制系统软件架构及构建方法有效

专利信息
申请号: 201410227644.4 申请日: 2014-05-27
公开(公告)号: CN103984235A 公开(公告)日: 2014-08-13
发明(设计)人: 王耀南;张光辉 申请(专利权)人: 湖南大学
主分类号: G05B13/04 分类号: G05B13/04
代理公司: 长沙市融智专利事务所 43114 代理人: 黄美成
地址: 410082 湖*** 国省代码: 湖南;43
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摘要:
搜索关键词: 基于 结构 空间 机械 控制 系统软件 架构 构建 方法
【说明书】:

技术领域

发明属于空间机械臂控制系统软件架构领域,特别涉及基于C/S结构的空间机械臂控制系统软件架构及构建方法

背景技术

空间技术的研究始于20世纪50年代,50多年来技术进步之快、应用范围之广,特别是空间站、航天飞机、空间机器人的诞生及成功应用,使得空间技术的重要地位已被世界各国广泛重视。空间机械臂作为在轨支持、服务的一项关键性技术已经进入太空(如加拿大的SRMS、美国的MSS、俄罗斯的ERA以及日本的JEMRMS等),并越来越受到人们的关注。美国有权威早曾预言:21世纪国家对航天能力的依赖可与19、20世纪国家对电力、石油的依赖相比拟。目前,世界航天强国正在积极探索地球系统以外空间,我国在载人航天技术方面也取得了长足进步,世界空间技术发展迅猛。

进入21世纪以来,我国空间技术领域飞速发展,对空间机械臂技术的需求也越来越迫切,然而空间机械臂各项关键技术的研究需要投入更多的人力、物力、财力,进行深入探究,其中适用于空间机械臂嵌入式平台的空间机械臂控制系统软件架构是比较突出的一个问题。同时,这个问题也是困扰整个空间技术领域发展的关键技术之一。

目前,从国内外的技术资料来看,解决这一技术难题主要有两种方法。一种方法是将服务机器人的控制系统软件架构移植到空间机械臂平台上,借助现有架构降低开发难度,这种方法的主要缺点在于服务机器人控制系统软件架构体系过于庞大,难以适用于对硬件资源和功耗要求比较苛刻的空间机械臂平台。同时,当前国内外服务机器人控制系统软件架构为了适应移动网络,正向着B/S(Browser/Server)结构发展,而B/S结构Server端的负载过大,并不适合空间机械臂的遥操作模式。

另一种方法是将通用机器人控制系统软件架构移植到空间机械臂平台上,这是当前国内外研究的热点,这种方法的特点是对国际上比较流行的通用机器人控制系统软件架构进行轻量化处理,如ROS、OROCOS等,保留其强大的功能库,并删除不必要的模块,使其适用于空间机械臂控制平台,如RGMP(Real-time Operation System and General Purpose Operation System on Multi-core Processor)解决方案,这种方案就尝试对ROS机器人控制系统软件架构加以改造。这种方法的主要问题在于当前的通用机器人控制系统软件架构对Linux操作系统依赖性强,且系统体系过于庞大,功能繁多,实施起来难度大,目前尚处于起步阶段,距离实现还有较大距离。

总体来说,现有技术中空间机械臂控制系统软件架构的控制时延,软件架构体系过于庞大,难以适用于对硬件资源和功耗要求比较苛刻的空间机械臂平台。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于C/S结构的空间机械臂控制系统软件架构及构建方法,其能适用于空间机械臂嵌入式平台,有效降低控制时延,优化软件架构体系,降低空间机械臂控制系统软件开发难度,缩短开发周期。

一种基于C/S结构的空间机械臂控制系统软件架构,基于多线程和循环队列技术,采用空间机械臂中央控制器作为空间机械臂控制系统软件架构的服务端,采用空间机械臂的地面遥操作计算机作为空间机械臂控制系统软件架构的客户端,将空间机械臂控制系统软件的各项功能划分为四个功能模块,并为每个功能模块建立一个独立线程,线程之间通过指令循环队列和信息循环队列建立缓存;

所述四个功能模块分别为通信连接与数据接收模块、信息采集及保护模块、指令执行模块、信息数据发送模块,该四个功能模块对应的四个线程分别为架构主线程、信息采集及保护线程、指令执行线程和信息数据发送线程;所述四个线程之间并行运行;

所述循环队列用来建立缓存,均采用数据链表的方式实现,链表的大小在初始化后为固定值。

用于降低各线程处理时间不同步带来的控制延迟,数据链表属于现有技术。

架构主线程接收来自遥操作端、视觉控制器端、力传感器端或机械臂各电机驱动器端发送过来的数据,并对数据进行分类处理:将指令数据压入指令循环队列,并唤醒指令执行线程,而将信息数据存储到相应的全局变量,指令执行线程执行过程产生的执行结果信息和执行错误信息被封装成信息帧,并压入信息循环队列;

指令执行线程被唤醒后,从指令循环队列读取指令数据,并进行数据处理,实施机械臂电机控制,指令执行线程执行过程产生的执行结果信息和执行错误信息被封装成信息帧,并压入信息循环队列;

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