专利名称：一种适用于核辐射探测机器人的容错控制器的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种适用于核辐射探测机器人的容错控制器以及在此基础上的 容错控制方法。
背景技术：
容错控制就是能够达到对故障的“容忍”，对故障进行检测与处理。由于对控制系 统可靠性要求的增加，容错控制技术近些年发展迅速并越来越受到人们的重视，并以广泛 应用于天飞行控制、人造卫星、潜艇导航、空中交通管制、银行业务管理等领域中。目前容 错控制器常用的工作方法正常工作时，主控制器获得对系统的控制权，完成相应的控制任 务，此时容错控制器处于待命状态，不输出控制信号。当主控制器发生故障时，主控制器输 出故障信号给切换电路，在切换电路的仲裁下，放弃主控制器对系统的控制权，同时将控制 权移交给容错控制器，从而保证在单机失效的情况下，不会引起系统失效。然而，目前容错控制器仍然存在一些缺陷，例如通过控制器输出的状态信息仅仅 是判断CPU是否处于正常工作，无法判断具体故障的位置；发生故障时仅仅对是主控制器 和容错控制器的简单切换，导致资源浪费可靠性降低；容错控制器还需要另设计切换电路 和通讯电路且只适用相应的控制系统，可通用性可移植性不高等等。
发明内容本实用新型的目的在于克服现有的容错控制器无法检测故障具体位置且通过主 控制器和容错控制直接切换处理故障过于简单的缺陷，本实用新型设计了一种容错控制器 不仅能够细致的判断出故障的具体位置且能够针对各类故障采用相应的处理方法，从而提 高系统的可靠性。本实用新型解决其技术问题所采用的技术方案是本实用新型设计的容错控制器 采用基于ARM9E和Linux操作系统的嵌入式控制器，将容错控制器按所处地位不同划分为 处理层、接口层和外设层，在接口层基础上扩展了 USB接口、RS485接口、RS232接口、探测器 接口、以太网接口、SD卡接口、IXD接口等。容错方法上将所面对的控制系统按所处地位不 同划分为处理层、接口层和外设层，容错控制中根据不同层面的情况采用多种检测方法的 判断出故障的具体位置，其次针对各类故障采用相应的处理方法。其中处理层采用看门狗 和心跳信号检测方法，故障时采用容错控制器切换为主控制器处理方法；接口层采用主控 制器检测控制系统各部分功能的工作状态，容错控制器比较主控制器所返回的各功能工作 状态信息和其他层工作状态信息判断出接口故障，故障时采用接口冗余措施；外设层采用 主控制器和容错控制器同时检测控制系统各部分功能的工作状态，容错控制器比较主控制 器和容错控制器所返回的各功能工作状态信息判断外设层故障，故障时采用应急安全方案 的处理方法。容错控制器软件上采用基于Linux操作系统的平台，并采用多线程程序设计 方法。本实用新型的有益效果是，将所面对的控制系统分为处理层、接口层、外设层，可以对不同层面采用有针对性的不同的故障检测和处理方法；通过分层检测同时在控制系统 主程序的各模块中设置状态检测程序段以收集机器人各功能详细工作状态，可以判断故障 具体位置；不仅实现了 CPU冗余且实现了接口电路的冗余，实现了更好的资源分配与可靠 性。
图1是本实用新型容错控制器硬件结构图图2是本实用新型容错控制器故障检测策略图图3是本实用新型容错控制器程序设计结构图
具体实施方式
下面将结合附图对本实用新型做进一步的详细说明。如图1所示，为本文实用新型设计的嵌入式容错控制器硬件结构图。容错控制 器采用基于ARM9E和Linux操作系统的嵌入式控制器，将容错控制器按所处地位不同 划分为处理层、接口层和外设层。容错控制器的设计采用基于ARM9E CORE的微控制器 AT91SAM9261作为核心处理器，在接口层基础上扩展了 USB接口、RS485接口、RS232接口、 探测器接口、以太网接口、SD卡接口、IXD接口等。考虑到在软件设计上安装ARM Linux操作系统，在硬件上，通过SPI总线接4MB的 DATA FLASH，用以存储Linux的启动代码；外扩128MB Nand Flash，用以存储Linux内核映 像及文件系统映像；设计了 64MB SDRAM，作为Linux的运行空间；通过以太网控制器DM9000 接至以太网；通过UART2接惯性导航子系统；通过MAX485芯片进行串口电平转换为RS485 接口，接至底层驱动控制系统；通过MAX3232芯片进行串口电平转换为RS232接口，与主控 制器通信。如图2所示，为本文实用新型设计的容错控制器故障检测策略图。在本实用新型 设计的容错控制方法中，将所面对的主控制器按所处地位不同划分为处理层、接口层和外 设层，容错控制中根据不同层面的情况采用不同的策略进行故障的检测与处理。对处理层，通过主控制器看门狗输出信息和通过RS232接口监听主控制器的心跳 信号来判断故障。发生故障时，容错控制器接管过控制权，取代主控制器的工作。对接口层，核辐射探测机器人每完成一项功能时要经过处理层，接口层和外设层 三个环节，当其中某一个环节出现故障时都会导致该功能的执行故障。因此将控制器控制 程序按功能细分为不同模块，在每一个程序模块中都设置状态检测程序段，用来收集机器 人各功能部分的工作状态，并且将各功能部分的状态信息组成一组数据包发送给容错控制 器进行检测。当状态信息显示某项功能故障时，若处理层环节和外设层环节工作正常，控制 终端则认定状态信息显示故障的该功能所对应的接口电路环节出现故障。发生故障时，采 用接口电路冗余措施。对外设层，容错控制器也设置状态检测程序段用来收集机器人各功能部分的工作 状态，同时比较主控制器返回的各功能部分的工作状态信息。当出现两控制器状态信息同 时显示某功能工作出现故障时，若此时处理层环节正常，由于接口电路一般工作较稳定不 易出现故障，而主控制器和容错控制器两接口电路同时出现故障的概率更小，则此时认为外设部件出现故障。发生故障时，容错控制器启动应急安全方案，若机器人还具有基本运动 能力则控制机器人返回，若机器人基本运动能力故障，则通过设计的牵引绳将机器人拖回 进行检测和维修。图3为容错控制器程序设计结构图。本容错控制器在软件上采用了 Linux操作系 统平台。Linux是一种免费公开源代码、内核小、功能强大、运行稳定、系统健壮、效率高的操 作系统，实现了真正的多任务、多用户环境。为实现ARM微处理器的多任务，程序使用了 Linux下的多线程程序设计方法。主 线程在创建完套接字后即创建线程1用于连接控制终端，创建线程2用以检测主控制器故 障，同时主线程还完成初始化各接口的工作，包括SOCKET接口、串口 1、串口 2，串口 1用来 给驱动控制板发送控制命令，而串口 2用来给连接主控制器并查询主控制器的状态；线程1 使用cormectO函数用来连接远程控制终端，连接成 功后，即使用recvO函数接收远程控 制终端发送过来的数据。若接收数据出错，表明连接中断，则程序返回重新与控制终端建立 连接，若成功则一直接收数据；线程2用来不断检测主控制器工作状态，当发现主控制器发 生故障时，检测出主控制器的故障类型，并且创建线程3去处理故障，同时将检测出故障类 型作为参数传递给线程3 ；线程3根据线程2传递来的故障类型，调用相应得故障处理函数 来完成故障处理，若故障处理失败则返回重新处理。
权利要求一种用于核辐射探测机器人的容错控制器，当控制系统出现故障时能够对故障进行检测与处理，其特征在于容错控制器采用基于ARM9E和Linux操作系统的嵌入式控制器，将容错控制器按所处地位不同划分为处理层、接口层和外设层。
2.根据权利要求1所述的容错控制器，其特征在于容错控制器采用基于ARM9E为核 心的嵌入式控制器，在此基础上扩展了 USB接口、RS485接口、RS232接口、探测器接口和以 太网接口。
专利摘要一种适用于核辐射探测机器人的容错控制器。容错控制器硬件上采用基于ARM9E为核心处理器，在此基础上扩展了各接口。软件上采用Linux操作系统平台，并采用多线程程序设计方法。容错方法上将所面对的控制系统按所处地位不同划分为处理层、接口层和外设层，容错控制中根据不同层面的情况采用多种检测方法的判断出故障的具体位置，其次针对各类故障采用相应的处理方法。能够实现检测出故障的具体位置，同时不仅实现了控制器的处理器冗余还实现了控制器的接口冗余，实现了更好的资源分配与可靠性。
文档编号G05B19/042GK201765474SQ20102017426
公开日2011年3月16日 申请日期2010年4月23日 优先权日2010年4月23日
发明者丑武胜, 刘源 申请人:北京航空航天大学