● 摘要
当今的机器人和工业控制领域应用日趋复杂，同时需要通用操作系统提供的丰富编程资源和实时操作系统提供的实时性支持，所以在一台计算机上同时运行两个以上操作系统的混合操作系统技术应运而生。但是传统的混合操作系统存在操作系统间竞争CPU 时间、实时操作系统的实时性受通用操作系统影响等种种弊端。我们利用多核处理器并行性能和硬件中断分发机制设计了一种新的混合操作系统架构RGMP，克服了以上缺点，并能与流行的机器人操作系统ROS 结合形成一套既有丰富的机器人编程资源又有实时性支持的机器人操作系统。我们使用Linux 作为通用操作系统，在X86 和ARM 两款多核机器人控制器上实现了该混合操作系统，方法是在一个CPU 核心上运行通用操作系统，另一个CPU 核心上运行实时操作系统，并且使用多核控制器的硬件中断路由器分发硬件中断，达到两个操作系统互不影响、实时响应快速的目标。同时我们建立了字符设备、网络设备等虚拟设备供两个操作系统通信。我们还移植了两个实时操作系统Nuttx 和uC/OS 到该混合操作系统架构上，并为Intel E1000 网卡、串口、CAN 总线PCI 扩展卡等实时设备编写了驱动程序。为了验证该混合操作系统的设计目标和实时性能，我们将目前主流的混合操作系统RTAI 作为RGMP 的对照组做了中断响应时间测试、Drystone 测试和操作系统间通信测试三个实验。结果显示RGMP 混合操作系统架构中两个操作系统运行独立，通信性能好，实时性能也优于RTAI。由于现有的开源实时操作系统功能过于匮乏、稳定性和安全性低下，所以我们自行设计实现了一个新的实时操作系统YUQIX，具有虚拟内存、用户内核态、文件系统等高级功能，以满足复杂和对安全、稳定性要求较高的实时应用。最后我们在浙江大学仿人机器人和北航陪护机器人上移植了RGMP 混合操作系统。浙江大学仿人机器人ZJUkong-I 用RGMP 混合操作系统取代RTAI 后缩短了控制周期，系统运行更加稳定。北航陪护机器人的移植验证了RGMP 能够为非实时机器人操作系统ROS 提供实时性能支持，共同完成复杂的机器人应用。