一种基于μC/OS-Ⅱ空间机器人操作系统的研究

摘要

随着空间技术的发展，空间站的建立、维修，卫星的回收、释放、维护等空间作业越来越多，空间机器人应用越来越广泛。与地面应用环境相比较，空间特殊的应用环境，对操作系统的实时性，稳定性，可靠性提出更高的要求。同时由于受空间、成本等限制，空间机器人操作系统，设计与实现也不同于通用的嵌入式系统。因此，分析空间机器人的工作环境和控制特点，研究满足其高可靠性、强实时性，多任务等设计要求的新型星载嵌入式操作系统具有很重要的实际意义。 本文首先对星载操作系统的特点和需求做了深入阐述。对当前流行的嵌入式系统做了各方面的比较。然后，选择μC/OS-Ⅱ实时操作系统作为研究对象，分析了它的体系结构，同时发现了μC/OS-Ⅱ应用于星载操作系统的一些不足之处，最后针对这些不足，给出了一些改进方案。 1）针对操作系统的调度问题，主要对优先级反转的抑制方案作了改进。原内核中使用了优先级极限算法，修改方案用到优先级继承策略，并且添加了轮转（RR）算法。 2）针对操作系统实时性方面的问题，对中断定时进行改造。添加可调计时器解决方案（ATR）模块。原内核中采用的是传统的周期性时钟中断服务（ISR），该时钟中断服务会周期性的检查是否有高优先级任务需要调度，这就会产生一些不必要的时钟中断ISR。而采用ATR算法后，可以阻止这些ISR中断的运行，从而提高μC/OS-Ⅱ在微秒级上的响应速度和执行性能。 3）针对操作系统内存分配效率和内存碎片等可靠性问题，本文对操作系统的内存管理尝试了二级隔离适用（TLSF）算法移植应用。 最后，以基于ARM处理器的EV40开发板作为目标平台，对内核改进方法的可行性作了验证并移植，从而对引入这些算法的优势和不足作了分析比较，结果表明了改进方法是可行和有效的。并对空间机器人操作系统的主要指标进行了性能测试。测试结果证明了其可行性。

目录

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英文文摘

论文说明：图表目录

声明

第一章绪论

1.1论文研究背景

1.2空间机器人国内外研究现状

1.2.1国外空间机器人研究现状

1.2.2国内空间机器人研究现状

1.3星载操作系统研究的目的和意义

1.3.1研究星载操作系统的必要性

1.3.2常见实时嵌入式操作系统和商业操作系统的局限性

1.4 μC/OS-Ⅱ操作系统各模块简介

1.4.1任务调度模块

1.4.2任务管理模块

1.4.3时间管理模块

1.4.4任务间通信与同步模块

1.4.5内存管理模块

1.5本文结构安排

第二章空间机器人操作系统需求分析

2.1空间机器人控制方式和控制特点

2.1.1串联分布式控制方式

2.1.2基于位置的视觉伺服控制方式

2.2操作系统性能要求

2.2.1空间机器人体系结构

2.2.2主控计算机与主控操作系统的特点

2.2.3空间机器人操作系统各项性能考虑

2.3总体需求分析

2.3.1微内核

2.3.2多线程

2.4各模块需求分析

2.4.1多线程任务管理模块

2.4.2中断处理模块

2.4.3任务间通信和同步模块

2.4.4内存管理模块

2.5本章小结

第三章任务调度改造设计

3.1通用的任务调度分析

3.1.1任务状态

3.1.2任务调度

3.2问题的提出

3.3解决方案分析

3.4改进方案

3.5调度改进方案的设计与实现

3.6方案比较

3.7结论

第四章 中断定时的改造设计

4.1中断管理概述

4.2问题提出

4.3解决方案分析

4.4时钟中断改进方案的实现

4.5时钟中断服务优化测试

4.5.1 ATR算法性能分析

4.5.2 ATR算法性能测试

4.5.3 ATR算法优化评价

4.6本章小结

第五章内存管理改造设计

5.1内存管理分析

5.2 RTOS的动态存储分配

5.3内存管理优化方案设计

5.3.1 TLSF数据结构和算法分析

5.3.2 TLSF向μC/OS-Ⅱ的移植

5.4 TLSF动态内存管理模块实验分析

5.5本章小节

第六章 μC/OS-Ⅱ操作系统在实验板上的移植和优化

6.1处理器的选择

6.2处理器硬件平台特点

6.3 ARM处理器的体系结构

6.4启动代码

6.5 μC/OS-Ⅱ移植过程

6.5.1 OS_CPU.H文件

6.5.2 OS_CPU_C.C文件

6.5.3 OS_CPU_A.S文件

6.6 μC/OS-Ⅱ移植测试

6.7本章小结

第七章总结与展望

参考文献

附录

致 谢

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