空間機(jī)器人中央計(jì)算機(jī)的雙機(jī)熱備份

(3)雙機(jī)控制數(shù)據(jù)故障
裁決邏輯：空間機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)一般分為兩種模式，一種是預(yù)先規(guī)劃固定軌跡的運(yùn)動(dòng)，另一種是相對(duì)于目標(biāo)的自主運(yùn)動(dòng)。主備雙機(jī)根據(jù)機(jī)器人不同的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，比較同步數(shù)據(jù)中的控制關(guān)節(jié)角度，配合誤差容忍度給出系統(tǒng)控制數(shù)據(jù)故障信號(hào)。
故障源判斷：在固定規(guī)劃軌跡的模式下，控制數(shù)據(jù)預(yù)先給定，可以將雙機(jī)數(shù)據(jù)與正確數(shù)據(jù)對(duì)比，確定故障源；在自主運(yùn)動(dòng)模式下，關(guān)節(jié)的速度和位移是平滑變化的，不可能發(fā)生突變，可以利用關(guān)節(jié)的最大角速度、最大角加速度、末端的最大速度和最大加速度等邊界值對(duì)當(dāng)前數(shù)據(jù)進(jìn)行邊界檢測(cè)，從而判斷出故障源，如圖7所示。

另外，當(dāng)雙機(jī)系統(tǒng)對(duì)故障源的判斷發(fā)生矛盾時(shí)，將交由外部指令系統(tǒng)對(duì)其進(jìn)行處理。
2．4 系統(tǒng)恢復(fù)
為保證空間機(jī)器人中央控制計(jì)算機(jī)能夠長(zhǎng)期、穩(wěn)定地運(yùn)行，就需要使其具有從故障狀態(tài)恢復(fù)的能力。根據(jù)其故障原因，分3種情況進(jìn)行制定：
①系統(tǒng)裁定備機(jī)故障，主機(jī)正常，此時(shí)主機(jī)切換為單機(jī)模式繼續(xù)正常執(zhí)行任務(wù)，備機(jī)復(fù)位重啟并通知主機(jī)，主機(jī)切換到雙機(jī)同步模式，備機(jī)重新與主機(jī)同步，恢復(fù)系統(tǒng)正常運(yùn)行。
②系統(tǒng)裁定主機(jī)故障，備機(jī)正常，此時(shí)主機(jī)讓權(quán)，進(jìn)行切換，備機(jī)得權(quán)后變?yōu)橹鳈C(jī)，并切換到單機(jī)模式繼續(xù)執(zhí)行系統(tǒng)任務(wù)；而主機(jī)讓權(quán)后變?yōu)閭錂C(jī)，復(fù)位重啟后與主機(jī)重新進(jìn)行同步，恢復(fù)系統(tǒng)的正常運(yùn)行。
③系統(tǒng)失步，即備機(jī)周期超前或滯后于主機(jī)，這種情況并不是造成系統(tǒng)故障，不進(jìn)行切換動(dòng)作。此時(shí)主機(jī)依然正常執(zhí)行系統(tǒng)任務(wù)，備機(jī)利用主機(jī)的同步數(shù)據(jù)更新自身狀態(tài)，與主機(jī)進(jìn)行再同步。

3 雙機(jī)熱備份系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
基于中央控制計(jì)算機(jī)雙機(jī)熱備份系統(tǒng)的硬件環(huán)境和策略的制定，將其軟件設(shè)計(jì)為6個(gè)模塊，并基于強(qiáng)實(shí)時(shí)性操作系統(tǒng)VxWorks進(jìn)行實(shí)現(xiàn)。該操作系統(tǒng)提供的分布消息隊(duì)列機(jī)制支持系統(tǒng)軟件的容錯(cuò)設(shè)計(jì)，其強(qiáng)實(shí)時(shí)性也滿足空間機(jī)器人任務(wù)的要求。首先，根據(jù)策略的制定，設(shè)計(jì)心跳任務(wù)、同步任務(wù)、故障裁決任務(wù)和系統(tǒng)恢復(fù)任務(wù)，另外根據(jù)雙機(jī)通信的需要設(shè)計(jì)RS485總線發(fā)送任務(wù)和RS485總線接收任務(wù)。它們的功能如下：
①心跳任務(wù)，任務(wù)名HeartBeat。周期性地檢測(cè)對(duì)方機(jī)發(fā)送的心跳信號(hào)，若發(fā)現(xiàn)無(wú)心跳信號(hào)，則通知故障裁決任務(wù)進(jìn)行故障裁決。
②同步任務(wù)，任務(wù)名Synchronize。根據(jù)同步策略中的初始化同步過(guò)程進(jìn)行系統(tǒng)時(shí)鐘和任務(wù)的初始化同步，并周期性地監(jiān)視系統(tǒng)同步數(shù)據(jù)。若發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)同步數(shù)據(jù)異常，則通知故障裁決任務(wù)進(jìn)行系統(tǒng)故障的裁決。
③故障裁決任務(wù)，任務(wù)名ExecSwitch。根據(jù)不同的故障情況，依據(jù)前面敘述的裁決過(guò)程對(duì)系統(tǒng)故障源進(jìn)行判斷，并根據(jù)結(jié)果進(jìn)行切換操作，保障系統(tǒng)正常運(yùn)行。另外，通知系統(tǒng)恢復(fù)任務(wù)并嘗試對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行恢復(fù)。
④系統(tǒng)恢復(fù)任務(wù)，任務(wù)名Reconfigure。根據(jù)系統(tǒng)恢復(fù)策略嘗試對(duì)故障機(jī)進(jìn)行恢復(fù)，出現(xiàn)“失步”現(xiàn)象時(shí)，依據(jù)再同步過(guò)程對(duì)備機(jī)進(jìn)行再同步。
它們之間的協(xié)作關(guān)系如圖8所示。

⑤RS485總線接收及發(fā)送任務(wù)，任務(wù)名Receive485、Send485。負(fù)責(zé)雙機(jī)的通信，主要包括控制消息的解析，同步數(shù)據(jù)的接收與發(fā)送。
在RS485總線通信任務(wù)中，通信數(shù)據(jù)格式定義如下：

其中，為RS485通信數(shù)據(jù)加入起始Start和結(jié)尾End位，保證RS485通信任務(wù)傳遞數(shù)據(jù)的正確性；Command為雙機(jī)熱備份系統(tǒng)的控制命令，如同步系統(tǒng)時(shí)鐘指令、任務(wù)同步指令等；Syn_data為雙機(jī)同步數(shù)據(jù)，它的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)定義如下：

其中，關(guān)節(jié)數(shù)據(jù)以double類型計(jì)算，但在雙機(jī)通信中轉(zhuǎn)化為16位整數(shù)進(jìn)行傳遞，節(jié)省數(shù)據(jù)流量；Result為裁決結(jié)果，雙機(jī)將比較裁決結(jié)果。如果一致則進(jìn)行相應(yīng)處理，如果矛盾將由指令系統(tǒng)進(jìn)行處理。
雙機(jī)熱備份系統(tǒng)的軟件由以上6個(gè)模塊組成，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)測(cè)、裁決、恢復(fù)，保證中央控制計(jì)算機(jī)長(zhǎng)期、穩(wěn)定地運(yùn)行。

4 雙機(jī)熱備份系統(tǒng)驗(yàn)證
當(dāng)中央控制計(jì)算機(jī)啟動(dòng)后，主機(jī)將向備機(jī)發(fā)出同步系統(tǒng)周期指令，同步系統(tǒng)周期時(shí)間；在外部指令系統(tǒng)啟動(dòng)主機(jī)任務(wù)的同時(shí)，主機(jī)將發(fā)出指令啟動(dòng)備機(jī)任務(wù)。主機(jī)從接收指令到備機(jī)同步啟動(dòng)任務(wù)所需時(shí)間為1 420 ms，備機(jī)從接收指令到啟動(dòng)任務(wù)所需時(shí)間為1180 ms。該雙機(jī)系統(tǒng)可以快速啟動(dòng)并進(jìn)行同步。
在運(yùn)行過(guò)程中，利用錯(cuò)誤注入的測(cè)試方法，預(yù)先在程序中注入錯(cuò)誤，系統(tǒng)檢測(cè)到錯(cuò)誤后，能夠快速的切換，并且備機(jī)可以及時(shí)更新系統(tǒng)數(shù)據(jù)，與主機(jī)進(jìn)行再同步，從切換完成到重新同步的平均時(shí)間為592 ms內(nèi)，滿足空間機(jī)器人任務(wù)的強(qiáng)實(shí)時(shí)性要求。

結(jié) 語(yǔ)
本研究在綜合考慮空間環(huán)境及機(jī)器人任務(wù)特殊性的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)了一種獨(dú)特的雙機(jī)熱備份系統(tǒng)。依據(jù)可能出現(xiàn)的故障類型，設(shè)計(jì)了心跳策略、同步策略、裁決切換策略和恢復(fù)策略，并基于VxWorks操作系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了雙機(jī)熱備份系統(tǒng)的軟件。經(jīng)驗(yàn)證，該系統(tǒng)具有較好容錯(cuò)能力，可增強(qiáng)空間機(jī)器人系統(tǒng)在復(fù)雜空間環(huán)境下執(zhí)行任務(wù)的可靠性，適合在空間機(jī)器人系統(tǒng)中應(yīng)用。