CN112114945A - 基于多任务实时操作系统的惯性/卫星组合导航任务调度方法 - Google Patents

基于多任务实时操作系统的惯性/卫星组合导航任务调度方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了基于多任务实时操作系统的惯性/卫星组合导航任务调度方法，步骤：惯性/卫星组合导航系统为多任务系统，对其进行服务划分；根据步划分的各服务的任务周期和运行时间确定各服务的优先级，将各服务划分到不同的分区中，根据分区内服务的优先级确定分区的调度先后顺序，并确定分区主时间框架的时间长度；根据得到的服务分区和各分区调度优先级，结合多任务实时操作系统的优先级抢占调度机制和轮询调度机制，进行组合导航任务调度设计。本发明提高了组合导航处理器资源利用率和系统的整体效率。

Description

基于多任务实时操作系统的惯性/卫星组合导航任务调度 方法
技术领域
本发明属于组合导航系统领域，特别涉及了一种惯性/卫星组合导航任务调度方法。
背景技术
GNSS具有定位精度高、误差不随时间积累等优点，也存在着信号容易受到遮挡或干扰、数据更新率低、缺少姿态信息输出等缺点。相比较而言，惯性导航系统(INS)是一种完全自主的导航系统，其拥有高数据更新率，并具备姿态信息输出，但是由于陀螺误差漂移的存在，即使高精度的INS也面临误差随着导航时间延长而不断累积的问题。由于GNSS和INS之间存在良好的互补特性，惯性/卫星组合导航系统体现了以下几方面的组合优势：
1)GNSS可以实现对惯导系统传感器的校准、提高初始对准精度和速度、提高高度计算的稳定性，从而有效提高整个惯导系统额精度和反应时间；
2)惯导系统可以提高卫星的跟踪和捕获能力，提高接收机的动态性能和抗干扰性；
3)采用卡尔曼滤波等信息融合方法，抑制惯性导航系统的误差,可以进一步提高系统的综合性能。
在单任务操作系统中实现组合导航各个任务调度需要满足多个任务按顺序触发的关系，但是由于组合导航各个服务运行时间和调度周期不同，例如捷联惯导解算服务周期为T，其计算时间为t1，在没有卫星数据输入时，每个周期只需完成捷联惯导解算，其处理器计算资源开销只需t1，但是在某一个捷联惯导计算服务周期中需要同时完成一次捷联惯导计算任务和基于Kalman滤波的组合导航计算服务(其计算时间远大于惯导解算，为t2)，此时处理器计算资源开销为t1+t2。这就导致处理器计算资源在数据输出时间上的分配不均衡，造成了数据输出时间间隔不均匀和处理器资源利用率的降低。
发明内容
为了解决上述背景技术提到的技术问题，本发明提出了基于多任务实时操作系统的惯性/卫星组合导航任务调度方法，提高组合导航处理器资源利用率和系统的整体效率。
为了实现上述技术目的，本发明的技术方案为：
基于多任务实时操作系统的惯性/卫星组合导航任务调度方法，包括以下步骤：
(1)惯性/卫星组合导航系统为多任务系统，对其进行服务划分；
(2)根据步骤(1)划分的各服务的任务周期和运行时间确定各服务的优先级，将各服务划分到不同的分区中，根据分区内服务的优先级确定分区的调度先后顺序，并确定分区主时间框架的时间长度；
(3)根据步骤(2)得到的服务分区和各分区调度优先级，结合多任务实时操作系统的优先级抢占调度机制和轮询调度机制，进行组合导航任务调度设计。
进一步地，在步骤(1)中，服务划分遵循以下原则：
(a)功能独立的操作应当划分为一个单独的服务；
(b)功能联系紧密的操作应当划分为同一个服务；
(c)拥有大量运算的操作应当划分为一个单独的服务。
进一步地，在步骤(2)中，服务的实时性要求和运行频率越高，该服务的优先级越高，当服务的任务周期相同时，根据各服务之间的运算先后调用关系确定服务的优先级。
进一步地，在步骤(2)中，中断服务程序不划入分区中，但是需要在各个分区中考虑到调用中断服务程序的运行时间余量。
进一步地，在步骤(2)中，将任务周期相同的服务划入同一个分区中，分区内任务总运行时间不大于该运行周期。
进一步地，在步骤(2)中，根据各服务的任务周期的最小公倍数加上最大运行中断服务程序运行时间余量确定分区主时间框架的时间长度。
进一步地，在步骤(3)中，基于优先级抢占调度机制，系统中每个任务都被指定优先级，任意时刻系统内核一旦发现一个优先级更高的任务转变为就绪态，内核就保存当前任务的上下文并把当前任务状态转换为阻塞态，同时切换到优先级更高的任务的上下文执行。
进一步地，在步骤(3)中，基于轮询调度机制，系统使用时间片来实现相同优先级任务的公平分配，即系统让处于就绪态的优先级相同的一组任务依次轮流执行预先确定长度的时间片。
采用上述技术方案带来的有益效果：
本发明基于多任务实时操作系统的调度机制，提出了一种惯导/卫星组合导航系统的任务调度方法，既能够实现分区时间窗口分配、确定分区运行顺序，提高资源的合理利用率，又可以避免导航数据输出不均，实现处理器资源的均匀分配。
附图说明
图1是惯性/卫星组合导航系统实现过程示意图；
图2是本发明中基于优先级抢占调度机制示意图；
图3是本发明中轮询调度机制示意图；
图4是基于优先级抢占调度和轮询调度相结合的调度方式示意图。
具体实施方式
以下将结合附图，对本发明的技术方案进行详细说明。
本发明设计了基于多任务实时操作系统的惯性/卫星组合导航任务调度方法，该方法的步骤如下：
步骤1：惯性/卫星组合导航系统实现过程如图1所示，由图1可知，惯性/卫星组合导航系统是一个复杂的多任务系统，进行合理的服务划分对系统的运行效率和实时性影响很大。
在本实施例中，优选地，为兼顾嵌入式实时系统的并发性整体吞吐量,任务的划分应当遵循以下原则：
(a)功能独立的操作应当划分为一个单独的服务；
(b)功能联系紧密的操作应当划分为同一个服务；
(c)拥有大量运算的操作应当划分为一个单独的服务。
结合惯性/卫星组合导航系统，具体的服务划分结果如下：
[1]IMU(惯性测量单元)串行数据接收：每1ms接收一帧数据，帧长度为N个字节。
[2]卫星导航数据接收：每100ms接收一帧数据,帧长度为个M字节。
[3]轮询数据解释：判断信息正确性，在确保接收到一帧完整数据后将原始的ACSII字符串转化为可供计算的具有实际意义的浮点数。
[4]捷联惯导算法：从陀螺、加速度计中得到数据后，进行姿态矩阵计算以及姿态、位置、速度解算，给出姿态、位置、速度信息。任务周期为5ms。
[5]导航结果输出：负责组合导航系统与其交联的系统相互数据通信，通过串行口输出导航结果。
[6]卡尔曼滤波计算：利用Kalman滤波对速度误差、位置误差、姿态角误差以及陀螺漂移等进行估计。任务周期为100ms。
[7]误差校正：根据滤波估计的误差值,对惯性导航结果进行误差校正。
步骤2：根据步骤1划分的各服务的任务周期和运行时间确定各服务的优先级，将各服务划分到不同的分区中，根据分区内服务的优先级确定分区的调度先后顺序，并确定分区主时间框架的时间长度。
在本实施例中，优选地，步骤2在实现中需要考虑如下内容：
服务的实时性要求和运行频率越高，该服务的优先级越高，当服务的任务周期相同时，根据各服务之间的运算先后调用关系确定服务的优先级。
中断服务程序不划入分区中，但是需要在各个分区中考虑到调用中断服务程序的运行时间余量。
将任务周期相同的服务划入同一个分区中，分区内任务总运行时间不大于该运行周期。
根据各服务的任务周期的最小公倍数加上最大运行中断服务程序运行时间余量确定分区主时间框架的时间长度。
根据上述具体服务划分结果，得到步骤2的具体分区结果如下：
[1]导航结果输出服务实时性要求最高，其优先级为最高，由于卡尔曼滤波计算和误差校正需要使用捷联惯导计算服务生成的数据，所以卡尔曼滤波计算和误差校正服务的优先级低于捷联惯导计算服务和轮询数据解释服务。
[2]IMU(惯性测量单元)串行数据接收和卫星导航数据接收都属于中断服务程序，只负责数据的接受和发送，并不需要划入服务分区。
[3]考虑各服务的运行周期，捷联惯导计算服务和轮询数据解释服务周期均为5ms，将其同时划分到分区P1，将导航结果输出服务放入分区P2，卡尔曼滤波计算服务和误差校正服务周期均为100ms，放入分区P3。
[4]考虑到导航过程中需要实现导航结果的及时并均匀的输出，所以分区P2的调度优先级最高，而占用最多计算资源，运行时间最长的分区P3调度优先级最低。
[5]最大任务周期为100ms，且为各任务周期的最大公倍数，所以确定任务主时间框架为100ms。
服务分区具体划分结果如表1所示：
表1
Figure BDA0002669482260000061
步骤3：根据步骤2得到的服务分区和各分区调度优先级，结合多任务实时操作系统的优先级抢占调度机制和轮询调度机制，进行组合导航任务调度设计。
在多任务实时操作系统中，导航任务可有多种状态，其中最基本的状态为：
就绪态：该导航任务只等待系统分配CPU资源；
悬置态：该导航任务需等待某些不可利用的资源而被阻塞；
休眠态：如果系统不需要该导航任务工作，则这个任务处于休眠状态；
延迟态：该导航任务被延迟时所处状态。
当系统函数对某一导航任务进行操作时，该任务从一种状态迁移到另一状态。
基于优先级抢占调度机制，系统中每个任务都被指定优先级，任意时刻系统内核一旦发现一个优先级更高的任务转变为就绪态，内核就保存当前任务的上下文并把当前任务状态转换为阻塞态，同时切换到优先级更高的任务的上下文执行。换句话说，当一个高优先级的任务变为就绪态，它会立即抢占当前正在运行的较低优先级的任务，并占用直到结束或更高优先级的任务把它抢占。基于优先级的抢占式调度机制如图2所示。
基于轮询调度机制，系统使用时间片来实现相同优先级任务的公平分配，即系统让处于就绪态的优先级相同的一组任务依次轮流执行预先确定长度的时间片。如果不使用轮询调度，优先级相同的一组任务中第一个获得处理器资源的任务将独占CPU。轮询调度机制如图3所示。
根据上述具体分区结果，步骤3的具体实现过程如下：
[1]分区P1中的轮询数据解释服务和捷联惯导计算服务优先级相同，依次轮流分配计算资源。
[2]分区P3中的卡尔曼滤波计算和误差校正服务优先级相同，在分区内部轮流分配资源。但是分区P3所占用计算资源时间过长，所以优先级最低，并且随时可以被优先级高的任务分区抢占，从而将计算过程分为若干离散的执行时间段；
[3]分区P2中的导航结果输出服务优先级最高，可随时抢占分区P3的计算资源以达到按照一定的时间间隔输出计算数据的功能。
基于优先级抢占调度和轮询调度相结合的调度方式如图4所示。
实施例仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明保护范围之内。

Claims (8)

1.基于多任务实时操作系统的惯性/卫星组合导航任务调度方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)惯性/卫星组合导航系统为多任务系统，对其进行服务划分；
(2)根据步骤(1)划分的各服务的任务周期和运行时间确定各服务的优先级，将各服务划分到不同的分区中，根据分区内服务的优先级确定分区的调度先后顺序，并确定分区主时间框架的时间长度；
(3)根据步骤(2)得到的服务分区和各分区调度优先级，结合多任务实时操作系统的优先级抢占调度机制和轮询调度机制，进行组合导航任务调度设计。
2.根据权利要求1所述基于多任务实时操作系统的惯性/卫星组合导航任务调度方法，其特征在于，在步骤(1)中，服务划分遵循以下原则：
(a)功能独立的操作应当划分为一个单独的服务；
(b)功能联系紧密的操作应当划分为同一个服务；
(c)拥有大量运算的操作应当划分为一个单独的服务。
3.根据权利要求1所述基于多任务实时操作系统的惯性/卫星组合导航任务调度方法，其特征在于，在步骤(2)中，服务的实时性要求和运行频率越高，该服务的优先级越高，当服务的任务周期相同时，根据各服务之间的运算先后调用关系确定服务的优先级。
4.根据权利要求1所述基于多任务实时操作系统的惯性/卫星组合导航任务调度方法，其特征在于，在步骤(2)中，中断服务程序不划入分区中，但是需要在各个分区中考虑到调用中断服务程序的运行时间余量。
5.根据权利要求1所述基于多任务实时操作系统的惯性/卫星组合导航任务调度方法，其特征在于，在步骤(2)中，将任务周期相同的服务划入同一个分区中，分区内任务总运行时间不大于该运行周期。
6.根据权利要求1所述基于多任务实时操作系统的惯性/卫星组合导航任务调度方法，其特征在于，在步骤(2)中，根据各服务的任务周期的最小公倍数加上最大运行中断服务程序运行时间余量确定分区主时间框架的时间长度。
7.根据权利要求1所述基于多任务实时操作系统的惯性/卫星组合导航任务调度方法，其特征在于，在步骤(3)中，基于优先级抢占调度机制，系统中每个任务都被指定优先级，任意时刻系统内核一旦发现一个优先级更高的任务转变为就绪态，内核就保存当前任务的上下文并把当前任务状态转换为阻塞态，同时切换到优先级更高的任务的上下文执行。
8.根据权利要求1所述基于多任务实时操作系统的惯性/卫星组合导航任务调度方法，其特征在于，在步骤(3)中，基于轮询调度机制，系统使用时间片来实现相同优先级任务的公平分配，即系统让处于就绪态的优先级相同的一组任务依次轮流执行预先确定长度的时间片。
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