一種面向空間機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)控制的容錯(cuò)計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)

侯 亮，梁常春，張 沛，唐自新

（北京空間飛行器總體設(shè)計(jì)部 空間智能機(jī)器人系統(tǒng)技術(shù)與應(yīng)用北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100094）

一種面向空間機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)控制的容錯(cuò)計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)

侯 亮，梁常春，張 沛，唐自新

（北京空間飛行器總體設(shè)計(jì)部 空間智能機(jī)器人系統(tǒng)技術(shù)與應(yīng)用北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100094）

針對(duì)現(xiàn)有航天抗輻照高可靠處理器難以滿足空間機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)控制運(yùn)算量大的問(wèn)題，結(jié)合機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)控制算法的特點(diǎn)，提出了一種由雙機(jī)主模塊和多機(jī)從模塊組成的面向空間機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)控制的容錯(cuò)計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)。該體系結(jié)構(gòu)中，主模塊以航天專(zhuān)用抗輻照處理器為核心進(jìn)行設(shè)計(jì)，從模塊以商用現(xiàn)貨（COTS）器件為核心進(jìn)行設(shè)計(jì)，其中從模塊負(fù)責(zé)運(yùn)動(dòng)控制運(yùn)算，主模塊負(fù)責(zé)從模塊運(yùn)算結(jié)果的表決及任務(wù)管理、健康管理等工作。系統(tǒng)容錯(cuò)性能和可靠性分析結(jié)果表明，該運(yùn)動(dòng)控制計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)容錯(cuò)能力強(qiáng)、可靠性高，在空間機(jī)械臂領(lǐng)域具有良好的應(yīng)用前景。

空間機(jī)械臂；運(yùn)動(dòng)控制計(jì)算機(jī)；容錯(cuò)；計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)

1　引言

隨著我國(guó)航天事業(yè)的快速發(fā)展，對(duì)空間機(jī)械臂的需求不斷增多。空間機(jī)械臂的運(yùn)動(dòng)控制計(jì)算機(jī)負(fù)責(zé)整個(gè)機(jī)械臂系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)規(guī)劃、傳感器信息融合、伺服控制器的調(diào)度以及整個(gè)機(jī)械臂系統(tǒng)的健康管理等，是空間機(jī)械臂智能控制的核心，運(yùn)動(dòng)控制計(jì)算機(jī)的性能直接決定了空間機(jī)械臂的控制性能。在機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)控制運(yùn)算中含有大量的浮點(diǎn)乘加運(yùn)算、三角函數(shù)運(yùn)算和反三角函數(shù)運(yùn)算，對(duì)星載計(jì)算機(jī)的性能要求很高?；诳煽啃钥紤]，星載計(jì)算機(jī)一般會(huì)采取抗輻照設(shè)計(jì)［1］，但航天抗輻照加固處理器難以滿足機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制算法的要求。文獻(xiàn)［2］利用FPGA（Field Programmable Gate Array，現(xiàn)場(chǎng)可編程邏輯門(mén)陣列）實(shí)現(xiàn)了基于CORDIC算法的專(zhuān)用協(xié)處理器，提高了運(yùn)動(dòng)控制運(yùn)算的速度，但由于路徑規(guī)劃算法流程復(fù)雜，運(yùn)算種類(lèi)多，采用FPGA難度較大，靈活性也較差，難以適應(yīng)多種任務(wù)的需求。并且由于FPGA是單粒子敏感器件，在空間應(yīng)用中需要對(duì)FPGA采取各種抗輻射加固措施［3-4］，增加了應(yīng)用難度和系統(tǒng)復(fù)雜度。文獻(xiàn)［5］基于商用現(xiàn)貨（COTS）器件設(shè)計(jì)了雙機(jī)備份的空間機(jī)器人計(jì)算機(jī)，采用了錯(cuò)誤檢測(cè)與校正（EDAC）系統(tǒng)、看門(mén)狗和防閂鎖電路等可靠性措施，但由于其采用雙機(jī)備份設(shè)計(jì)，不具有糾錯(cuò)功能，在發(fā)生故障的情況下系統(tǒng)無(wú)法繼續(xù)運(yùn)行，系統(tǒng)連續(xù)工作的能力無(wú)法保證。

本文結(jié)合空間機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)控制算法的特點(diǎn)，提出一種面向空間機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)控制的容錯(cuò)計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)。該體系結(jié)構(gòu)計(jì)算機(jī)以航天專(zhuān)用抗輻照處理器和商用現(xiàn)貨產(chǎn)品（COTS）為核心進(jìn)行設(shè)計(jì)，核心運(yùn)算由商用現(xiàn)貨產(chǎn)品負(fù)責(zé)，主模塊負(fù)責(zé)任務(wù)管理及從模塊輸出結(jié)果的表決。

2　空間機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)控制算法特點(diǎn)分析

以機(jī)械臂最典型的笛卡爾空間直線規(guī)劃為例，給定目標(biāo)點(diǎn)的位姿，要求機(jī)械臂末端從當(dāng)前位姿以規(guī)定的速度直線運(yùn)動(dòng)到目標(biāo)位姿。

圖1　機(jī)械臂末端運(yùn)行軌跡Fig.1 Trajectory of the end-effector

圖2　典型的機(jī)械臂直線規(guī)劃流程Fig.2 Typical linear path-planning procedure

笛卡爾空間直線規(guī)劃流程［6］如圖2所示?？刂破饕猿跏缄P(guān)節(jié)角度、期望目標(biāo)點(diǎn)位姿、期望速度和加速度等為輸入，進(jìn)行規(guī)劃總時(shí)間和加速時(shí)間的計(jì)算，然后按固定的路徑規(guī)劃周期進(jìn)行運(yùn)動(dòng)規(guī)劃計(jì)算，每個(gè)周期結(jié)束時(shí)以各關(guān)節(jié)規(guī)劃角速度為輸出。

由圖2可見(jiàn)，機(jī)械臂的運(yùn)動(dòng)控制具有典型的周期性特點(diǎn)：一個(gè)完整的運(yùn)動(dòng)是由順序執(zhí)行的眾多周期性的單步運(yùn)動(dòng)組成?？臻g機(jī)械臂的運(yùn)動(dòng)速度一般都比較小，以加拿大為國(guó)際空間站研制的大型遙操作臂系統(tǒng)（SSRMS）為例，末端最大線速度為0.36 m/s［7］，在一個(gè)控制周期內(nèi)運(yùn)動(dòng)距離很小，因此對(duì)控制周期精確度要求不高。由于空間機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)速度慢，因此對(duì)單步運(yùn)動(dòng)周期的要求不高，但考慮到機(jī)械臂控制穩(wěn)定性以及末端軌跡精度的要求，一般要求機(jī)械臂的單步運(yùn)動(dòng)周期在50～200 ms。

機(jī)械臂的運(yùn)動(dòng)控制運(yùn)算量大，運(yùn)算過(guò)程復(fù)雜［8］，根據(jù)對(duì)某直線路徑規(guī)劃算法的分析結(jié)果，每一個(gè)路徑規(guī)劃周期（50～200 ms）需要進(jìn)行12 801次乘法運(yùn)算、246次除法運(yùn)算、13 346次加法運(yùn)算、397次減法運(yùn)算、318次三角函數(shù)運(yùn)算和42次取模（求余數(shù)）運(yùn)算，且上述運(yùn)算均為單精度浮點(diǎn)運(yùn)算，。某機(jī)械臂控制器選用了TI公司的C6000系列浮點(diǎn)DSP TMS320C6713對(duì)上述路徑規(guī)劃算法進(jìn)行了實(shí)現(xiàn)，DSP工作主頻為225 MHz，運(yùn)算能力為1.35 GFLOPS。在此運(yùn)算能力下，控制器完成一次路徑規(guī)劃所需的時(shí)間約為5 ms。以目前在國(guó)內(nèi)航天領(lǐng)域廣泛應(yīng)用的高性能處理器BM3803處理器［9］為例，在峰值工作頻率下其運(yùn)算能力為23MFLOPS，不考慮工作頻率降額的情況下，其完成一次路徑規(guī)劃所需的時(shí)間大約為300 ms。

經(jīng)上文分析可知，傳統(tǒng)的針對(duì)宇航應(yīng)用的抗輻照處理器運(yùn)算性能難以機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)控制器需求，而商用現(xiàn)貨器件雖然性能高，但無(wú)抗輻照指標(biāo)，可靠性差。本文提出一種試圖結(jié)合上述器件優(yōu)點(diǎn)的設(shè)計(jì)方案。

3　運(yùn)動(dòng)控制計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)

3.1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的運(yùn)動(dòng)控制計(jì)算機(jī)的運(yùn)算核心由雙機(jī)主CPU模塊和多機(jī)從CPU模塊組成，其中主CPU模塊以航天高可靠性CPU為核心進(jìn)行搭建，其主要功能為完成整個(gè)運(yùn)動(dòng)控制計(jì)算機(jī)的健康管理、從模塊的故障檢測(cè)及數(shù)據(jù)判決，主模塊可根據(jù)需求工作于雙機(jī)熱備份或雙機(jī)冷備份工作模式。從CPU模塊以高性能的商用CPU為核心進(jìn)行搭建，其主要功能為完成運(yùn)動(dòng)控制計(jì)算機(jī)中運(yùn)算量較大的核心運(yùn)動(dòng)控制算法，工作于多機(jī)熱備份狀態(tài)。整個(gè)系統(tǒng)的原理框圖如圖3。

圖3　運(yùn)動(dòng)控制計(jì)算機(jī)原理框圖Fig.3 Schematic diagram of the motion control computer

主從CPU模塊間可通過(guò)單機(jī)內(nèi)部總線進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸，且主從CPU模塊之間有硬指令和遙測(cè)通道，可用于主CPU模塊監(jiān)視從CPU模塊的狀態(tài)（如工作電壓），并通過(guò)相關(guān)狀態(tài)控制從CPU模塊的工作模式（如加斷電、復(fù)位等）。

3.2 系統(tǒng)工作原理

主CPU模塊工作于雙機(jī)溫備份狀態(tài)，分為當(dāng)班機(jī)和非當(dāng)班機(jī)，雙機(jī)可交互狀態(tài)信息，并可互相控制復(fù)位和加斷電。從CPU模塊工作于多機(jī)熱備份狀態(tài)，其設(shè)備間無(wú)數(shù)據(jù)交互。

主CPU模塊當(dāng)班機(jī)在進(jìn)行運(yùn)動(dòng)控制時(shí)采用時(shí)間觸發(fā)的方式運(yùn)行，時(shí)間周期為路徑規(guī)劃周期。在每一個(gè)路徑規(guī)劃周期，主CPU模塊需要根據(jù)接收到的各關(guān)節(jié)的當(dāng)前角度、角速度以及相機(jī)的測(cè)量數(shù)據(jù)、力傳感器數(shù)據(jù)等，根據(jù)控制模式，將相關(guān)數(shù)據(jù)輸出至各從CPU模塊，并啟動(dòng)從CPU模塊的運(yùn)算，在從CPU模塊計(jì)算完成后，讀取各從CPU模塊計(jì)算結(jié)果并進(jìn)行表決判斷，然后將表決后的各關(guān)節(jié)的規(guī)劃角度和規(guī)劃角速度輸出至各關(guān)節(jié)。

從CPU模塊采用任務(wù)觸發(fā)的方式運(yùn)行。在加電啟動(dòng)或復(fù)位并完成初始化后，處于等待狀態(tài)，只有收到主CPU模塊的啟動(dòng)指令后才進(jìn)行運(yùn)算，運(yùn)算完成后置位相關(guān)狀態(tài)位，通知主CPU模塊計(jì)算完成。系統(tǒng)的信息流圖如圖4所示。

圖4　系統(tǒng)信息流圖Fig.4 System information flow

整個(gè)系統(tǒng)完成一次路徑規(guī)劃的工作流程如圖5所示。

圖5　系統(tǒng)路徑規(guī)劃工作流程圖Fig.5 Flow-chart of the path-planning procedure of the system

4　系統(tǒng)性能分析

4.1 系統(tǒng)時(shí)間分布分析

根據(jù)圖5所示的系統(tǒng)工作流程，整個(gè)計(jì)算機(jī)的時(shí)間分布如圖6所示。

各符號(hào)含義如下：

1）Tp：完成一次路徑規(guī)劃運(yùn)算所需時(shí)間。

2）Tm1：主CPU模塊采集關(guān)節(jié)數(shù)據(jù)并寫(xiě)入從CPU模塊的時(shí)間。

圖6　系統(tǒng)時(shí)間分布圖Fig.6 Time distribution of the system

3）Tcd：從CPU模塊完成一次路徑規(guī)劃運(yùn)算所需時(shí)間。

4）Tm2：主CPU模塊讀取從CPU模塊數(shù)據(jù)并表決后輸出的時(shí)間。

為保證系統(tǒng)正常運(yùn)行，要求Tm1+Tcd+Tm2＜Tp。Tm1和Tm2為主從CPU模塊數(shù)據(jù)交互的時(shí)間。在路徑規(guī)劃過(guò)程中，主從CPU模塊需交互的數(shù)據(jù)包括各關(guān)節(jié)的位置、速度以及相關(guān)傳感器的測(cè)量信息，數(shù)據(jù)量在幾十字節(jié)量級(jí)。主從CPU模塊間采用并行數(shù)據(jù)總線進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，以BM3803處理器［9］為例，其對(duì)存儲(chǔ)區(qū)及IO區(qū)的訪問(wèn)速度最快可達(dá)到3個(gè)系統(tǒng)時(shí)鐘周期，即使主頻為20 MHz，在數(shù)據(jù)總線寬度為較窄的8 bit的情況下，其傳輸速率可達(dá)50 Mbps以上，因此上述數(shù)據(jù)傳輸在1 ms之內(nèi)完全可以完成，考慮一定裕量，將數(shù)據(jù)交互時(shí)間分配為5 ms。

假設(shè)路徑規(guī)劃周期Tp為50 ms，扣除掉分配給主從模塊數(shù)據(jù)交互的時(shí)間，分配給從CPU模塊的運(yùn)算時(shí)間為45 ms，只要Tcd＜45 ms，即可滿足系統(tǒng)要求，而對(duì)各從CPU模塊之間的同步性能無(wú)要求。由于從CPU模塊運(yùn)算起始時(shí)間在每一路徑規(guī)劃周期均進(jìn)行同步，不存在誤差累積的過(guò)程，因此從CPU模塊可進(jìn)行同構(gòu)或異構(gòu)設(shè)計(jì)，大大提高了系統(tǒng)設(shè)計(jì)的靈活性。

4.2 系統(tǒng)容錯(cuò)性能分析

對(duì)于主CPU模塊，本文采用的是雙機(jī)溫備份的工作模式。當(dāng)班機(jī)負(fù)責(zé)運(yùn)動(dòng)控制，非當(dāng)班機(jī)對(duì)當(dāng)班機(jī)進(jìn)行狀態(tài)監(jiān)控，當(dāng)班機(jī)主CPU模塊需要將自身的健康狀態(tài)數(shù)據(jù)以及運(yùn)動(dòng)控制的相關(guān)重要數(shù)據(jù)輸出至非當(dāng)班機(jī)主CPU模塊的狀態(tài)，用于非當(dāng)班機(jī)主CPU模塊監(jiān)視當(dāng)班機(jī)主CPU模塊，并在當(dāng)班機(jī)主CPU模塊故障時(shí)接替其進(jìn)行工作。對(duì)于主CPU模塊，可實(shí)現(xiàn)“故障-安全”的目標(biāo)。主CPU模塊故障檢測(cè)用數(shù)據(jù)信息流如圖7所示。

圖7　主CPU模塊間信息流Fig.7 Information flow between the master CPU module

對(duì)于從CPU模塊的故障，由于采用了多機(jī)熱冗余結(jié)構(gòu)，其運(yùn)算結(jié)果需要通過(guò)主CPU模塊進(jìn)行表決，主CPU模塊根據(jù)表決結(jié)果對(duì)從CPU模塊的工作狀態(tài)進(jìn)行控制，如復(fù)位或加斷電，主從CPU模塊間的信息流入圖8所示。瞬態(tài)故障同時(shí)發(fā)生在多個(gè)從CPU模塊上的概率很低，某采用COTS器件的星載計(jì)算機(jī)［10］，其在軌數(shù)據(jù)顯示在16個(gè)月的時(shí)間中，發(fā)生了523次復(fù)位事件，平均每天1.1次。因此，只要從CPU模塊正常工作的數(shù)量不少于3個(gè)，主CPU模塊可實(shí)現(xiàn)對(duì)從CPU模塊故障的檢測(cè)和糾正，而不影響整個(gè)系統(tǒng)的正常運(yùn)行，可實(shí)現(xiàn)“故障-運(yùn)行”的目標(biāo)。而當(dāng)從CPU模塊正常工作的數(shù)量為2個(gè)情況下，主CPU模塊可對(duì)從CPU模塊的輸出結(jié)果進(jìn)行比對(duì)，此時(shí)能實(shí)現(xiàn)故障的檢測(cè)，可實(shí)現(xiàn)“故障-安全”的目標(biāo)。

圖8　主從CPU模塊信息流Fig.8 Information flow between the master and slave CPU module

4.3 系統(tǒng)可靠性分析

本文設(shè)計(jì)的系統(tǒng)為典型的表決系統(tǒng)，為具有檢錯(cuò)功能，應(yīng)保證從CPU模塊至少有2臺(tái)正常工作。假設(shè)單個(gè)從模塊的可靠度為RC，從模塊的數(shù)量為n，系統(tǒng)中可正常工作的模塊數(shù)量為i，則從CPU模塊組成的表決系統(tǒng)的可靠度RNMR如式（1）：

假設(shè)單個(gè)主CPU模塊的可靠度為RZ，主從CPU模塊通信及接口部分的可靠性近似為1，為方便分析，主CPU模塊按照故障率更高的熱備份狀態(tài)進(jìn)行分析，則整個(gè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的任務(wù)可靠度如式（2）：

假設(shè)主CPU模塊的失效率為1×10-6/h-1，從CPU模塊由于采用了低等級(jí)器件，其失效率相比主CPU模塊要高。以從CPU模塊失效率λc與主CPU模塊失效率λz的比值Nλ為橫坐標(biāo)，系統(tǒng)10年末期的可靠性RS為縱坐標(biāo)，可得系統(tǒng)可靠性RS與Nλ的函數(shù)關(guān)系如圖9所示。

由圖9可見(jiàn)，整個(gè)系統(tǒng)的可靠性主要受從CPU模塊數(shù)量n和單個(gè)從CPU模塊失效率的影響。如果采用最常見(jiàn)的三模冗余系統(tǒng)（n=3），當(dāng)從CPU模塊的失效率為主CPU模塊的2倍時(shí)，從CPU模塊的組成的表決系統(tǒng)的可靠度會(huì)高于單個(gè)主CPU模塊的可靠度。隨著從CPU模塊失效率的增加，表決系統(tǒng)的可靠度逐漸降低，甚至?xí)陀趩蝹€(gè)模塊的可靠度。因此在實(shí)際應(yīng)用中，為保證系統(tǒng)可靠性，應(yīng)嚴(yán)格控制從CPU模塊的失效率，在滿足性能要求的情況下，盡可能選擇失效率低的元器件，如對(duì)處理器的一些外圍器件，如存儲(chǔ)器、接口器件等，盡量選擇高質(zhì)量等級(jí)的器件，避免采用過(guò)多的從CPU模塊提高系統(tǒng)的可靠性，簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)。

圖9　10年末期可靠度Fig.9 Reliability of 10 years telophase

5　結(jié)論

本文在對(duì)空間機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)控制算法特點(diǎn)進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上，提出了一種面向空間機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)控制的容錯(cuò)計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)，該體系結(jié)構(gòu)只要求從CPU模塊的性能滿足路徑規(guī)劃需求，對(duì)從CPU模塊的內(nèi)部結(jié)構(gòu)以及各從CPU模塊之間的同步性能無(wú)嚴(yán)格要求，很好地滿足了空間機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)控制計(jì)算機(jī)的高性能和高可靠要求，便于工程實(shí)現(xiàn)，具有廣泛的適用性。后續(xù)可考慮針對(duì)從CPU模塊的瞬時(shí)故障進(jìn)行實(shí)時(shí)的在線糾正和恢復(fù)，從而進(jìn)一步提高系統(tǒng)的容錯(cuò)性能和系統(tǒng)可靠性。

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A Fault-tolerant Motion Control Computer Architecture for Space Manipulator

HOU Liang，LIANG Changchun，ZHANG Pei，TANG Zixin
（Beijing Key Laboratory of Intelligent Space Robotic System Technology and Applications，Beijing Institute of Spacecraft System Engineering，Beijing 100094，China）

The motion control of space manipulator requires high processing capability，but the available high-reliability and anti-radiation processor has low performance in computation.To solve this problem，a fault-tolerant motion control computer architecture was proposed considering the characteristics of the motion control algorithm.The system consisted of the double-backup master CPU module and N-backup salve CPU module.The CPU of the master module was high-reliability and anti-radiation processor while the slave module was COTS processor.The master module was in charge of the task management，health management and voting of the slave module whose main task was motion control computation.The architecture proposed in this paper was verified to be fault-tolerant and with high-reliability.It has promising application potentials in space manipulator.

space manipulator；motion control computer；fault-tolerant；computer architecture

V446

A

1674-5825（2016）05-0550-05

2016-01-12；

2016-08-08

國(guó)家自然科學(xué)基金（61573058）

侯亮（1985-），男，碩士，工程師，研究方向?yàn)樾禽d計(jì)算機(jī)。E-mail：13811714268@163.com