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关键词： 水下遥操作系统   固定时间控制   阻抗控制   滑模控制  

摘要： 近年来,水下遥操作系统作为能够代替人类完成深海探测、安全侦察以及资源调查等多种水下控制任务的远程操作系统,近年来在国防和科研领域得到了广泛的发展。但随着水下复杂任务增多、水下作业深度增加,人们对水下遥操作系统的控制性能有了更高的要求。在实际应用中,水下机器人容易受到水下压力和未知外部水流干扰的影响;另外,水下遥操作系统具有复杂的非线性、强耦合性以及时变性,给系统动力学模型带来不确定问题;同时,水下遥操作系统的接触性作业,对系统的快速性和鲁棒性有了更高的控制要求。因此,对水下遥操作系统的运动控制算法研究非常必要。论文的主要研究内容如下:(1)针对水下机械臂遥操作系统(Underwater Manipulator Teleoperation Systems,简称UMTS)提出了基于非奇异积分终端滑模面的固定时间控制策略。首先,基于阻抗模型,建立了力和期望位置的阻抗关系,实现了从端对主端外力的跟踪控制,提高了遥操作系统的透明性和柔顺性;其次,设计了基于终端滑模面的力观测器,在固定时间内实现了对未知力的精确估计;同时,针对系统的模型不确定和未知外部干扰问题,在不依赖于复杂的设计规则和设计参数的基础上,设计了时延估计器来估计未知项;进而,设计了基于新的基于非奇异积分终端滑模的固定时间控制器,实现了主从端位置同步跟踪的固定时间收敛。最后,利用Lyapunov稳定性理论证明了水下遥操作系统的稳定性和同步跟踪性能,并通过仿真验证了非奇异积分终端滑模固定时间控制策略的有效性。(2)针对水下机器人-机械臂遥操作系统(Underwater Vehicle-Manipulator Teleoperation Systems,简称UVMTS)提出了基于固定时间滑模面的强鲁棒固定时间跟踪控制策略。首先,基于阻抗理论设计阻抗轨迹生成器,提供了主端期望轨迹;其次,设计了自适应力观测器,解决了系统外力不可测和上界未知的问题;同时,通过设计时延估计器估计并补偿模型不确定和未知外界干扰;进一步,设计了新的固定时间滑模面和具有强鲁棒性的固定时间控制器,创新性的解决了系统状态在滑模面上滑动时间不可测问题,实现了主从端位置固定时间同步跟踪控制。最后,利用Lyapunov稳定性理论证明了水下遥操作系统的稳定性和同步跟踪性能,通过仿真验证了控制策略的有效性。

关键词： 遥操作机器人   虚拟环境建模   视触融合   几何学修正   操作者识别  

摘要： 由于太空的工作环境恶劣且复杂,人在回路的遥操作模式是当前空间机器人的主要工作模式。为了克服天地时延问题,虚拟环境建模技术被引入空间遥操作领域。虚拟环境可以给操作者提供视觉、力觉、触觉等反馈,使得操作者可以实时观察从端作业情况。但是空间遥操作系统对虚拟环境的精度有较高的要求,虚拟环境的误差容易造成操作者的误操作。本文以空间遥操作为任务背景,旨在构建一个精度高且安全性好的基于虚拟环境的遥操作系统,主要就遥操作系统中的未知目标虚拟环境几何学建模、虚拟环境动力学建模、系统安全性提升展开研究。针对空间遥操作机器人的作业需求,搭建了一套基于虚拟环境的遥操作机器人地面验证系统。并对该系统进行运动学分析,实现了机械臂和灵巧手的正逆运动学建模,并建立了手控器和机器人之间的空间映射关系。将从端机器人视为已知物体,使用预定义模型导入的方法完成该部分的虚拟环境几何学建模。为后续的研究提供了平台支持。针对未知目标物的几何学建模问题,首先基于视觉信息通过点云采集和预处理、粗细配准相结合的点云配准、表面重建、位姿测量实现了目标物的几何学建模。通过实验证明该方法构建的几何学模型,在几何尺寸、定位和姿态角测量上均表现良好。之后针对空间遥操作应用背景,设计了合理的目标物触觉点云采集控制算法。然后采用视触融合的方法,使用KDtree将视觉点云和触觉点云进行融合,并利用视触融合点云对几何学模型进行修正。通过实验证明该方法对不同材质目标物的几何学建模在几何尺寸、定位和姿态角测量上效果均优于基于视觉信息的几何学模型和基于触觉信息的几何学模型,有效结合了视觉和触觉两种模态信息的优点。针对虚拟环境的动力学建模问题,由于空间微重力环境下目标物处于漂浮状态,无法通过直接接触进行动力学建模,采用视触融合的方式实现空间目标物的动力学建模和参数辨识。首先通过光斑图像对接触物的材质进行识别,组建了材质光斑数据集,并构建了卷积神经网络材质识别模型进行训练。然后通过实验为不同材质的接触物选择更为合适的动力学模型和参数辨识方法。通过实验证明该方法对材质可以准确识别,对不同软硬度材质的虚拟力跟随误差均满足系统要求,且在时延存在的情况下也具有良好的力跟随效果。针对操作者操作过快而产生的安全问题,采用基于操作者识别的自适应速度控制方法对机械臂进行控制。首先依据操作速度组建了操作时间序列数据集,并构建了CNNGRU融合神经网络模型对操作者进行识别。然后根据操作者识别结果,使用串级PID控制器对机械臂进行速度控制。通过实验证明该方法对操作者的识别准确率高,且在不改变机械臂运动轨迹的同时,可以降低机械臂的运动速度。本文的研究不仅为空间遥操作系统提供了一个高精度的虚拟环境,还有助于提高系统安全性,为提高空间遥操作系统的工作效率和操作安全奠定了一定的理论基础。

ISBN: (纸本)9787121435829

摘要： 本书介绍现代操作系统的基本理论和最新技术。全书共12章：第1章概述操作系统的定义、功能、特征、发展历程和结构；第2章至第8章分别讲述进程和线程管理、调度、存储管理、文件系统、输入/输出管理、用户接口服务和死锁；第9章介绍嵌入式系统；第10章讲述分布式系统和云计算；第11章讲述安全和保护机制；第12章为实验操作。附录分别给出了Linux常用系统调用和库函数，以及各章习题的解答视频。

关键词： 操作系统   内存管理   内存回收   内存调节   性能均衡  

摘要： 系统级内存回收是提高系统内存利用率的重要技术之一,它实现了对物理内存资源的抽象和管理,通过回收系统非活跃的内存来缓解内存压力,为应用高效使用内存及稳定运行提供了保障。但是,随着云计算、大数据等新型互联网技术的出现,应用处理的数据规模不断增长,系统的内存已经成为稀缺资源,内存管理系统面临着前所未有的挑战。首先,系统级内存回收被动触发,应用运行期间存在大量非活跃内存,系统内存利用效率低。其次,面对复杂的应用场景,系统级内存回收的全局LRU链表机制及内存冷热识别策略,仅采用近期访问热度作为内存活跃与否的评判标准,未考虑不同应用内存敏感度的差异。针对系统内存利用效率低,本文先提出了一种性能感知的单应用内存回收方案PAPR,该方案以进程为基本单位,周期性扫描应用内存,主动回收应用非活跃内存。该方案分成以下四个部分,第一,页面冷热识别,它在某段时间内多次扫描进程的物理页面并统计这些页面的访问频次,从而依据频次来划分页面冷热程度;第二,进程性能评估,用于评估进程运行的性能状态,指导内存调节;第三,内存调节,监控应用性能指标,定量计算应用不同类型页面回收量,递进式回收非活跃内存。第四,反馈式调节,监控内存回收后进程的性能变化,及时调整内存回收策略,保证应用的性能稳定。然后,为了适应生产环境下多应用场景,本文基于PAPR进一步设计了多应用内存调节机制MPAPR,该机制能捕捉内存敏感度弱的应用,回收其非活跃内存,平衡各应用的性能。PAPR以内核模块的方式安全在内核态运行,并未发现内核内存泄漏等安全问题。同时为了验证PAPR的有效性,我们分别选用了不同领域的应用进行实验。实验表明,PAPR在兼顾应用性能情况下,能够有效回收应用非活跃的内存,其中部分应用内存回收量最高可达25%。其次,在多应用场景下,系统级内存回收会导致多个应用性能损失不均衡,本文选取均值、方差评估应用的性能损失程度,为了验证MPAPR的有效性,我们在不同压力下运行多个应用。实验表明,MPAPR能够有效地调节多应用的内存,缓解多应用性能损失的不均衡。

关键词： 实时操作系统   微控制器   移植技术   驻留机制   BIOS  

摘要： 实时操作系统以其良好的实时性和可靠性在嵌入式系统开发中得到普遍应用。但实时操作系统专业性较强,与软硬件平台高度相关,不同系统软件难以移植和复用,应用开发门槛高;同时复杂的系统内核实现导致用户工程可读性弱、编译速度低,直接影响开发效率。为此,本文以通用嵌入式计算机架构为依托,对实时操作系统的驻留进行研究,将系统内核与用户程序有效分割,提高用户工程编译速度和程序清晰度,降低应用软件开发难度。主要研究内容如下。(1)基于通用嵌入式计算机架构,将微控制器下的软件分成BIOS和用户工程User,探索实时操作系统在BIOS中驻留的可行方案。先以移植技术为前导研究,提出模块化适配法降低移植难度,为不同实时操作系统的驻留提供基础;然后给出驻留技术的关键实现,通过Flash和RAM资源的合理划分实现用户工程独立,并利用类向量表机制和中断共享机制为用户程序User提供操作系统服务,实现正常的系统函数调用;最后对RT-Thread与mbedOS进行驻留测试,验证方法通用性。(2)基于层次化和构件化原则,完成实时操作系统驻留的应用工程框架实现。分别对工程结构、启动流程和用户接口进行合理设计,并通过内核调度机制的深入研究,剖析验证框架的实时性能,最后针对框架的完备性进行测试与优化,并在不同硬件平台对框架的可移植性进行分析。(3)基于RT-Thread驻留,完成无刷滚筒电机控制系统的开发,以验证驻留技术的实用性。硬件上给出具体的电路设计,软件上利用多线程简化程序设计,最后通过测试来证明基于驻留框架开发的系统软件能够保障功能性、实时性和稳定性。本文对实时操作系统的驻留技术进行了探索,设计并实现了稳定、易用的应用工程框架,能为用户提供操作系统级的应用开发支撑,降低嵌入式开发门槛,提高编程便利性。

关键词： 遥操作系统   通信时延   自适应控制   事件触发控制   Lyapunov稳定性定理  

摘要： 本文旨在研究遥操作系统的网络化控制问题。针对通信网络中存在的时延和带宽受限等问题,本文首先研究了网络化遥操作系统的自适应控制策略,为了进一步提高系统的通信效率,后续对事件触发通信机制下的遥操作系统进行了研究。主要研究成果如下:1)针对非对称通信时变时延下的双主/单从三边遥操作系统,提出了一种自适应控制策略。首先利用无源弹簧-阻尼系统来模拟外界对主从端机械臂施加的力,其次利用自适应控制策略来刻画主端与操作员以及从端与远程环境之间交互力的阻抗特性并解决主从端机械臂重力负荷的相关问题。最后基于Lyapunov稳定性定理与自适应控制理论获得了三边遥操作系统主从端同步的充分条件,并通过Matlab仿真验证了所提出的自适应控制策略的准确性。2)针对具有常时延的双边遥操作系统,提出了一种带有事件触发机制的PD控制策略。首先采用拟-PD控制器并引入事件触发机制来解决双边遥操作系统中通信信道阻塞的问题。其次引入速度估计器解决了实际控制系统中速度信息很难获取的问题,同时满足设计系统的控制器和事件触发条件时系统对速度信息的需求。最后基于Lyapunov稳定性定理和事件触发控制理论获得了遥操作系统稳定的条件,并通过Matlab仿真验证了所提出的事件触发控制策略的有效性。3)针对通信时变时延下的双边遥操作系统,提出了一种基于采样的事件触发控制策略。首先在事件触发通信机制的前提下结合采样控制使系统中的事件检测器无需实时监测系统的状态,同时避免了Zeno现象。其次利用积分不等式和扩展的倒凸矩阵不等式处理闭环遥操作系统中的通信时变时延。最后结合Lyapunov稳定性定理和线性矩阵不等式理论给出遥操作系统的稳定性判据,并通过Matlab仿真验证提出的定理的可靠性以及控制策略的可行性。

摘要： 应用Windows部署服务，按照用户岗位需求，将操作系统打包部署到Windows部署服务器，将传统的IT运维人员安装操作系统，转为用户通过简单的操作，实现基于网络自助完成操作系统的安装。

关键词： IMA   分区操作系统   ACARS   通信管理单元   分区软件   AADL  

摘要： 通信管理功能作为机载ACARS系统的核心功能,实现了空地通信链路的连接和报文数据的编码解码功能。但是,随着集成电路的不断发展和航电系统的迭代更新,现在的机载ACARS系统并不适用IMA分区操作系统的体系架构。为解决这个问题,本文提出了将机载ACARS系统的通信管理单元集成到分区操作系统的方法,利用公共的计算资源、网络资源和标准化的软件接口,实现通信管理单元的综合化模块化,一方面可减少飞机的设备数量,降低软硬件成本,另一方面,有利于提高软件的可重用性,缩短开发周期。为实现这个目标,本课题以分区操作系统为研究对象,从ACARS通信管理单元研究出发,对通信管理功能在分区操作系统的实现过程进行研究。首先,从机载ACARS通信管理功能和分区操作系统的架构出发,分析通信管理单元的功能需求和业务逻辑,同时对分区操作系统的架构进行研究,掌握分区软件在分区操作系统的实现逻辑,针对通信管理分区软件展开基础理论研究。其次,针对机载ACARS功能需求和分区操作系统的功能实现,利用AADL建模语言设计了基于分区操作系统的机载ACARS总体架构,构建了机载ACARS系统架构和通信管理分区软件模型,运用故障树分析方法对该架构进行了安全性分析,得出了符合机载ACARS适航性要求的安全性分析结果,验证了课题的可行性。然后搭建了通信管理分区软件开发环境,展开软件开发工作,在软件开发过程中,实现了空地数据链的连接、报文的上行下行、编码解码以及超时重传等功能,与此同时对分区操作系统进行配置,满足了分区间通信、时间隔离和空间隔离等需求。最后,对分区操作系统和通信管理分区软件进行测试,通过提出测试方法,展开系统测试、软件功能测试,包括系统启动测试、编码解码测试以及数据链功能等测试。实验结果表明,通信管理分区软件在系统中能稳定运行,实现了本课题提出的将机载ACARS通信管理单元以分区软件驻留到分区操作系统的目标。