CN115933494A - 面向机器人的嵌入式同构多核控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明是一种面向机器人的嵌入式同构多核控制系统。本发明系统包括交互子系统、算法子系统和实时子系统，三个子系统分别运行在独立的同构ARM处理器上，处理器间通过核间通信和共享内存方式进行资源和算力的共享。交互子系统获取用户交互指令并解析，获取控制命令发送给算法子系统；算法子系统负责机器人算法的调度，可动态调度其他子系统资源进行计算；实时子系统将控制指令通过FDCAN通讯广播给各执行机构，同步采集执行机构数据共享在实时子系统资源中。本发明不同子系统之间实现资源共享与零延迟通讯，实现了可使用简易指令，进行完整的机器人控制与交互功能的一种机器人控制系统，具有高实时性、易操作性，易于产品集成等特点。

Description

面向机器人的嵌入式同构多核控制系统

技术领域

本发明涉及机器人控制系统技术领域，具体涉及一种微型高效的嵌入式同构多核的机器人控制系统。

背景技术

随着机器人行业的高速发展，越来越多的场景使用机器人取代人工，大幅提高生产生活的智能化。在现有专业机器人中，控制系统是机器人的核心单元，不仅满足其基础的通讯与人机交互功能，还满足机器人运动学、动力学、示教等一系列功能，可以说控制系统是机器人的大脑，是机器人产品不可缺少的组成部分。

目前机器人控制系统有多种架构形式，一种方式是采用传统X86工控机与嵌入式接口板形式的多核异构方案，X86工控机具有完善的通讯接口与较高的性能，可以处理多种对外通讯与机器人运动控制功能，但是X86工控机采用非实时操作系统，对于高实时性要求的机器人，无法满足其实时性需求，需要再通过嵌入式接口板架构，内嵌实时操作系统，来满足机器人的实时通讯需求。但是其缺点是，为满足机器人算法的高速运行，采用的X86工控机一般体积较大，无法满足机器人控制器的小型化，同时运行功耗较高，不利于将机器人快速集成到电池驱动的移动设备上。

另一种方法在一些简易机器人方案中使用，采用单独嵌入式ARM控制器进行独立的机器人外部通讯与运动控制，具有低功耗、高实时性、小体积等优势，但是这种方法的缺点是，单独的ARM核心处理器性能有限，且容易受到通讯和应用的影响，从而影响机器人的实时性，一旦进行复杂场景的使用会对机器人控制产生重大影响。

不论采用何种控制系统方案，都与机器人实时性控制、运算能力、通讯方式等密切相关。如何实现一种微型的能满足高效实时通讯需求的机器人控制系统是需要解决的问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种面向机器人的嵌入式同构多核控制系统，在一定程度上解决上述机器人控制系统的技术问题。本发明的面向机器人的嵌入式同构多核控制系统，通过多个同构核心的资源共享能力，设计分布式运算方式，并通过多个独立的子系统，协同处理，完成复杂机器人的协同控制。同时，本发明基于嵌入式设备构建专业的机器人控制系统，可动态调整核心数量，减少大型工控机的使用，从而降低集成控制系统的物理体积与资源浪费。

本发明提供的一种面向机器人的嵌入式同构多核控制系统，基于同构的m个ARM处理器实现，其中m为大于等于3的整数。

本发明系统包括交互子系统、算法子系统和实时子系统，三个子系统分别布置在一个单独的ARM处理器上。ARM处理器间通过核间通信(IPC)和共享内存方式进行资源和算力的共享。在各自ARM处理器上，交互子系统控制交互子系统资源，算法子系统控制算法子系统资源，实时子系统控制实时子系统资源。交互子系统与算法子系统相连，算法子系统与实时子系统相连。算法子系统通过核间通信IPC动态调用交互子系统资源与实时子系统资源，实时子系统与算法子系统之间采用共享内存方式进行数据交互。

其中，交互子系统通过控制接口获取用户交互指令，解析指令获取控制命令发送给算法子系统；算法子系统负责机器人算法的调度，当接收到交互子系统的控制命令后，在实时周期中触发需要的机器人算法，发送计算的控制指令给实时子系统；实时子系统与执行机构相连，将控制指令通过EtherCAT通讯广播给各执行机构；实时子系统将采集的执行机构数据共享在实时子系统资源中。

算法子系统在每次调用机器人算法时，自动预估所需要的计算资源，当算法子系统资源无法满足所需计算资源时，动态调度交互子系统资源与实时子系统资源进行计算，优先调用实时子系统资源；算法子系统资源、实时子系统资源和交互子系统资源在计算完成后，分别返回结果给算法子系统，由算法子系统计算最终结果。

算法子系统将计算的控制指令或待计算结果通过共享内存方式发送给实时子系统。

实时子系统同步采集执行机构动作数据，在实时子系统资源中共享，算法子系统在计算时访问实时子系统资源中共享的执行机构动作数据，用于机器人算法输入数据，实现闭环运动控制。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

(1)本发明系统的软件性能倍增：通过同构多核处理器，均衡和共享运算管理，通过并行体系结构使机器人控制系统性能效益倍增。

(2)本发明利用嵌入式单片机的实时性和低功耗特性，构建了微型高效的机器人控制系统，系统实现成本低，可靠性高，通过多个嵌入式ARM高性能处理器作为控制系统，相对于传统的工控机，成本更低，同时嵌入式环境对比复杂工控机操作系统环境，软件运行更可靠。

(3)本发明系统的体积小巧，由于采用ARM单片机处理器，相较于工控机可以大幅缩小体积，无需散热等配套设备，克服了传统机器人控制系统载体物理体积大，用户操作复杂的问题，利于机器人集成到其他产品。

(4)本发明系统将交互子系统、算法子系统、实时子系统三个系统分别部署在不同的ARM嵌入式处理器，算法子系统作为核心系统，可通过IPC数据共享，访问实时子系统的机器人实时数据，在运算时作为数据输入，从而本发明系统实现了实时闭环运动控制，可在算法周期内实现闭环实时控制，相较离线规划轨迹可更加精准的控制机器人运动。

(5)本发明算法子系统与实时子系统采用共享内存方式交互，完成数据交互的零延迟，算法子系统产生的新控制数据或待计算结果通过共享内存发送给实时子系统；实时子系统通过EtherCAT同步控制机器人关节或末端；算法子系统在每次调用算法时，自动预估计算难度，如果需要更多的性能，则通过IPC的方式调用其他核心处理资源，实现一个算法不同核心并行进行运算，同时不同核心之间的子系统相对独立。因此本发明系统具有高实时性，控制系统软件采用实时系统，无论是用户交互、运算、控制都具有非常高的实时性。

(6)本发明系统通过IPC共享资源，无延迟和其他核心通讯，并访问其他核心系统资源，具有动态算力调整能力，同构多核控制系统优势在于可动态调整算法子系统调用的算法，同时按照需求增加控制核心。

(7)本发明实时子系统采用数据同步机制，更新算法子系统更新的控制数据，同时，实时子系统读取EtherCAT的机器人同步数据，供算法子系统调度，依托于同构多核的共享内存通讯能力与EtherCAT高度的机器人数据通讯能力，实现了机器人的闭环动态控制。

附图说明

图1为本发明实施例的面向机器人的嵌入式同构多核控制系统的结构示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、内容、和优点更加清楚，下面将结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。

本发明提供的面向机器人的嵌入式同构多核控制系统，采用多个不同的嵌入式低功耗高性能ARM处理器作为控制系统硬件载体，实现一种低功耗、小体积、高效率的机器人控制系统。假设处理器节点集合为P，P＝{p₁,p₂,…,p_m}，p_i代表第i个ARM处理器，m为ARM处理器总数，本发明中m至少为3，优选仅3个处理器。各处理器是完全对等的关系，每个处理器可分担不同系统功能任务，同时多个核心之间采用IPC(核间通信)+共享内存方式进行外设资源和算力的共享。每个子系统在处理器保持相对独立的工作，以保证各个子系统之间的相对稳定。本发明系统主要包含交互子系统、算法子系统和实时子系统，分别布置在不同处理器上。控制系统按照分布式运算，完成机器人高效控制。

下面以控制机器人进行运动为例，结合图1说明本发明的面向机器人的嵌入式同构多核控制系统及其控制流程。

如图1所示，本发明实施例面向机器人的嵌入式同构多核控制系统，包括三个同构嵌入式ARM核心，分别为交互核心1、算法核心2和实时核心3。其中，交互核心1运行交互子系统4，算法核心2运行算法子系统5，实时核心3运行实时子系统6；交互子系统4控制交互子系统资源7，算法子系统5控制算法子系统资源8，同时可动态使用交互子系统资源7与实时子系统资源9，实时子系统6控制实时子系统资源9。不同核心采用相同架构，所带来的优势是通用性很好，能满足多核之间实时通讯与软件设计便利。

交互子系统4主要负责处理对外交互逻辑，与算法子系统5完成实时数据交互，可完成机器人外设接口管理，包括有线网口、无线网络、USB通讯、串行通讯、IO等，同时可共享对外交互外设资源，完成高实时性控制。交互子系统4解析获取的用户交互指令，并将解析的控制指令发送给算法子系统5。

算法子系统5负责机器人主要的算法调用，同时作为控制系统核心，可访问其他核心外设资源与算力，在运算时，动态使用其他核心的算力资源。算法子系统5在接收到交互子系统的控制指令后，在实时周期内触发所需要的机器人算法。算法子系统5通过核间通信IPC动态调用交互子系统资源7与实时子系统资源9，与实时子系统6之间采用共享内存方式进行数据交互。在计算得到控制指令或待计算结果后，算法子系统5将通过共享内存方式发送给实时子系统6。算法子系统5与交互子系统4之间也可以采用共享内存方式进行数据交互，将实时计算过程与执行机构动作数据通过共享内存方式发送给交互子系统4。

实时子系统6主要负责处理算法子系统5的执行数据与机器人数据采集，实时子系统6与执行机构之间采用EtherCAT(以太网控制自动化技术)高速通讯，做到全部关节同时控制和响应，每个关节运动控制无时差，具有高度运动一致性。

如图1所示，控制接口10可以通过有线、无线网络、串行总线、USB等方式发送控制指令协议，控制接口10与交互子系统4相连，用于检测系统的外部控制信号。交互子系统4与算法子系统5相连，用于传递机器人控制指令。算法子系统5根据控制指令调用运动学、动力学等机器人算法进行实际计算。算法子系统5在每次调用机器人算法时，自动预估计算难度。当算法子系统5资源无法满足运算时，算法子系统5调度实时子系统资源9进行运算。当实时子系统资源9也无法达到运算要求时，算法子系统5再调用交互子系统资源7进行运算。当交互子系统资源7、算法子系统资源8、实时子系统资源9计算完成后，分别返回算法子系统5，算法子系统5计算最终结果。算法子系统5与实时子系统6相连，发送计算的控制指令。实时子系统6和执行机构相连，实时子系统6将控制指令通过EtherCAT(以太网控制自动化技术)高速通讯同时广播给不同的执行机构A15、执行机构B16、执行机构C17以及其他执行机构。执行机构A15、执行机构B16、执行机构B17收到控制之指令后，按照指令执行相应的运动，并同时将执行机构的动作数据返回到实时子系统6。实时子系统6将执行机构数据在实时子系统资源9中共享，算法子系统5可在进行算法运算时，调度实时子系统资源9中的执行机构动作数据，用于下次运算的输入，完成机器人的闭环在线控制，保证在微观上实现动态调整，具备更高的控制精度。算法子系统5将实时计算过程与执行机构动作数据实时发送到交互子系统4，交互子系统4将数据通过有线或无线网络发送给控制接口，从而保证机器人执行过程实时反馈。

为了实现控制系统扩展的能力，控制接口10分别与第一通讯模块11、第二通讯模块12、第三通讯模块相连13，可选择或同时使用第一通讯模块11、第二通讯模块12和第三通讯模块13。第一通讯模块11包括有线通讯，其中所述的有线通讯模块包括以太网通讯模块。第二通讯模块12包括无线通讯模块，所述的无线通讯模块包括zigbee、wifi、6lowpan、LORA、3G、4G、5G模块。第三通讯模块13包括工业总线通讯模块，所述的工业总线通讯模块包括RS485、CAN、FDCAN、EtherCAT等。可根据需要选择最佳通讯模块，从而自动适应机器人的不同使用场景。

为了应对不同机器人的计算要求，除采用交互核心1、算法核心2、实时核心3外，可根据选择搭载备用核心18，备选核心控制备选核心资源14，同时和其他核心一样，备选核心资源14与算法子系统资源8共享，当交互核心1、算法核心2、实时核心3均不能满足计算需求时，调度备选核心14，进一步扩展机器人控制系统运算能力。备选核心14在交互核心1、算法核心2、实时核心3都不能满足计算资源需求时被调用。备选核心一般情况下不产生作用，只有上述核心均不能满足需求时，才产生调用。

本发明所使用的ARM单片机硬件的体积非常小巧，实现的系统整体结构长宽高均小于90mm，可直接隐藏设计于机器人底座，机器人无需再独立外置控制系统。

通过上述描述可知，本发明实现的控制系统以最小的代价提高了机器人系统性能、负载均衡、处理器容错，三个子系统基于IPC与共享内存的高速数据交互，完成算力共享，可实现高实时性的机器人控制。采取分布式调度模式，使所有处理器处于平等地位，算法子系统可按需调度其他处理器程序，并通过数据指令接收机器人数据，根据机器人实时状态可闭环进行自动调整运动方式。本发明控制系统还可根据运算需求，动态增加或减少ARM核心数量，满足多种机器人控制的能力。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，其它未具体描述的部分，属于现有技术或公知常识。在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种面向机器人的嵌入式同构多核控制系统，其特征在于，所述系统包括同构的m个ARM处理器，m为大于等于3的整数；其中：

所述系统包括交互子系统、算法子系统和实时子系统，三个子系统分别布置在一个单独的ARM处理器上；在各自ARM处理器上，交互子系统控制交互子系统资源，算法子系统控制算法子系统资源，实时子系统控制实时子系统资源；其中，交互子系统与算法子系统相连，算法子系统与实时子系统相连，算法子系统通过核间通信IPC动态调用交互子系统资源与实时子系统资源，实时子系统与算法子系统之间采用共享内存方式进行数据交互；

所述交互子系统通过控制接口获取用户交互指令，解析指令获取控制命令发送给算法子系统；所述算法子系统负责机器人算法的调度，当接收到交互子系统的控制命令后，在实时周期中触发需要的机器人算法，发送计算的控制指令给实时子系统；所述实时子系统与执行机构相连，将控制指令通过EtherCAT通讯广播给各执行机构；

所述算法子系统在每次调用机器人算法时，自动预估所需要的计算资源，当算法子系统资源无法满足所需计算资源时，动态调度交互子系统资源与实时子系统资源进行计算，优先调用实时子系统资源；算法子系统资源、实时子系统资源和交互子系统资源在计算完成后，分别返回结果给算法子系统，算法子系统计算最终结果；所述算法子系统将计算的控制指令或待计算结果通过共享内存方式发送给实时子系统；

所述实时子系统同步采集执行机构动作数据，在实时子系统资源中共享，算法子系统在计算时访问实时子系统资源中共享的执行机构动作数据。

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述的系统包括3个相同架构的ARM处理器。

3.根据权利要求1或2所述的系统，其特征在于，所述的系统还包括备选ARM处理器，在算法子系统资源、实时子系统资源和交互子系统资源都不能满足计算资源时，调用备选ARM处理器。

4.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述的控制接口连接不同类型的通讯模块，包括有线通讯模块、无线通讯模块和工业总线通讯模块。

5.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述的算法子系统，将实时计算过程与执行机构动作数据实时发送到交互子系统，交互子系统将数据通过有线或无线网络发送给控制接口，以实现机器人执行过程的实时反馈。

6.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述的系统整体结构长宽高均小于90mm，隐藏设计于机器人底座，机器人无需再独立外置控制系统。

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