实时系统

概述

机器人系统是一个多频率、多层级的实时控制系统。从 1kHz 的伺服控制到 10Hz 的感知处理，不同层级对实时性有截然不同的要求。本文涵盖控制频率层级、实时操作系统（RTOS）、ROS2 实时特性及通信总线。

实时 ≠ 快速

实时系统的核心是确定性（determinism）——保证在规定时间内完成任务，而非追求最快速度。一个 1ms 完成但偶尔 10ms 的系统，不如稳定 2ms 的系统可靠。

一、控制频率层级

1.1 多频率架构

机器人系统通常采用分层控制，各层频率不同：

层级	频率	周期	功能	实时要求
电流环	10-40 kHz	25-100 μs	电机电流控制	硬实时
伺服控制	1 kHz	1 ms	关节位置/速度/力矩控制	硬实时
笛卡尔控制	200-500 Hz	2-5 ms	末端轨迹插补、阻抗控制	硬实时
运动规划	10-100 Hz	10-100 ms	路径规划、避障	软实时
感知处理	5-30 Hz	33-200 ms	视觉、点云处理	软实时
任务规划	0.1-1 Hz	1-10 s	高层决策、VLA 推理	非实时

硬实时 vs 软实时

硬实时：超过截止时间即为系统失败（可能导致安全事故）
软实时：偶尔超时可接受，但会降低性能
非实时：对延迟不敏感，可排队处理

1.2 控制环路时序

时刻 t=0ms    t=1ms    t=2ms    t=3ms
               │         │         │
伺服控制:  ─┤读传感器├─┤计算├─┤输出├─┤读传感器├─ ...
               │                     │
运动规划:  ────┤    规划计算 (10ms)    ├──── ...
               │                              
感知:      ────┤      图像处理 (100ms)         ├─ ...

1.3 抖动（Jitter）要求

层级	允许抖动	说明
电流环	< 1 μs	由驱动器 FPGA 保证
伺服控制	< 50 μs	需要 RTOS
笛卡尔控制	< 200 μs	需要 RTOS
运动规划	< 5 ms	普通 Linux 可接受
感知处理	< 30 ms	普通 Linux 可接受

二、实时操作系统（RTOS）

2.1 PREEMPT_RT vs Xenomai

特性	PREEMPT_RT	Xenomai (Cobalt)
架构	Linux 内核补丁	双内核（微内核 + Linux）
最坏延迟	50-100 μs	10-30 μs
平均延迟	10-30 μs	1-5 μs
Linux 兼容性	完全兼容	需要专用 API (POSIX skin)
维护状态	正在合入主线	社区维护，逐渐式微
适用场景	1kHz 控制足够	需要 >1kHz 或极低抖动
驱动兼容	所有 Linux 驱动	需要适配或使用 RTDM
开发难度	低（标准 Linux API）	中（需学习 Xenomai API）
典型用户	Universal Robots, Franka	KUKA (早期), 部分 CNC

选择建议

2024-2025 年的趋势是 PREEMPT_RT。随着其逐步合入 Linux 主线内核，生态优势越来越大。除非需要 <20μs 的极端实时性，否则推荐 PREEMPT_RT。

2.2 实时 Linux 配置要点

# 1. 安装 PREEMPT_RT 内核
sudo apt install linux-image-rt-amd64

# 2. CPU 隔离（isolcpus）— 防止普通进程干扰
# 在 GRUB 中添加:
GRUB_CMDLINE_LINUX="isolcpus=2,3 nohz_full=2,3 rcu_nocbs=2,3"

# 3. 设置实时优先级
sudo chrt -f 99 ./robot_controller

# 4. 锁定内存（防止页面交换）
mlockall(MCL_CURRENT | MCL_FUTURE);

# 5. 禁用频率调节
sudo cpupower frequency-set -g performance

关键配置项：

配置	作用	命令
`isolcpus`	CPU 核心隔离	内核启动参数
`mlockall`	内存锁定	程序内调用
`sched_setscheduler`	实时调度策略	SCHED_FIFO/SCHED_RR
`cpu affinity`	CPU 绑定	`taskset` 或 `pthread_setaffinity`
`IRQ affinity`	中断绑核	`/proc/irq/*/smp_affinity`

2.3 延迟测试

使用 cyclictest 评估实时性能：

# 测试 10 分钟，在隔离核心上运行
sudo cyclictest -t1 -p99 -n -i1000 -l600000 -a2 -m

# 关注指标:
# Min: 最小延迟
# Avg: 平均延迟（目标 < 20μs）
# Max: 最大延迟（目标 < 100μs）

三、ROS2 实时特性

3.1 DDS QoS 配置

ROS2 基于 DDS（Data Distribution Service），通过 QoS 策略控制通信行为：

QoS 策略	实时场景推荐	说明
Reliability	BEST_EFFORT	避免重传延迟
Durability	VOLATILE	不缓存历史数据
History	KEEP_LAST(1)	只保留最新消息
Deadline	设为控制周期	检测通信超时
Liveliness	MANUAL_BY_TOPIC	检测节点存活

from rclpy.qos import QoSProfile, ReliabilityPolicy, HistoryPolicy

rt_qos = QoSProfile(
    reliability=ReliabilityPolicy.BEST_EFFORT,
    history=HistoryPolicy.KEEP_LAST,
    depth=1,
    deadline=Duration(nanoseconds=1_000_000),  # 1ms
)

# 用于关节状态发布
joint_pub = node.create_publisher(JointState, '/joint_states', rt_qos)

3.2 实时执行器（Real-time Executor）

// ROS2 实时执行器配置
#include <rclcpp/executors/static_single_threaded_executor.hpp>

// 使用静态单线程执行器（避免动态内存分配）
auto executor = std::make_shared<
    rclcpp::executors::StaticSingleThreadedExecutor>();

// 设置实时优先级
struct sched_param param;
param.sched_priority = 90;
pthread_setschedparam(pthread_self(), SCHED_FIFO, &param);

// 锁定内存
mlockall(MCL_CURRENT | MCL_FUTURE);

executor->add_node(controller_node);
executor->spin();

3.3 ros2_control 框架

┌─────────────────────────────────────────┐
│           Controller Manager             │
│  ┌──────────┐  ┌──────────┐  ┌────────┐ │
│  │ Position  │  │ Velocity │  │ Force  │ │
│  │Controller│  │Controller│  │Control │ │
│  └────┬─────┘  └────┬─────┘  └───┬────┘ │
│       │              │            │       │
│  ┌────┴──────────────┴────────────┴────┐ │
│  │       Hardware Interface Layer       │ │
│  └────┬──────────────┬────────────┬────┘ │
└───────┼──────────────┼────────────┼──────┘
        │              │            │
   ┌────┴────┐   ┌────┴────┐  ┌───┴─────┐
   │EtherCAT │   │  CAN    │  │  Serial │
   │ Driver  │   │ Driver  │  │ Driver  │
   └─────────┘   └─────────┘  └─────────┘

四、通信总线

4.1 工业通信总线对比

总线	带宽	典型延迟	抖动	拓扑	典型应用
EtherCAT	100 Mbps / 1 Gbps	< 100 μs	< 1 μs	菊花链/星型	高性能伺服
PROFINET IRT	100 Mbps	< 1 ms	< 1 μs	星型	Siemens 生态
CAN/CANopen	1 Mbps	1-10 ms	100 μs	总线	移动机器人
CAN FD	8 Mbps	0.5-5 ms	50 μs	总线	新一代关节
SPI	10-50 MHz	< 10 μs	< 1 μs	主从	板内传感器
RS-485/Modbus	115.2 kbps	5-50 ms	1 ms	总线	简单设备
USB	480 Mbps	1-10 ms	1 ms	星型	相机、外设

4.2 EtherCAT 详解

EtherCAT（Ethernet for Control Automation Technology）是机器人领域最主流的实时总线：

工作原理：

主站发送以太网帧，从站在帧经过时"飞速"读写数据
帧只需遍历一次所有从站，极低延迟
典型：16 个伺服驱动器，周期 1ms，抖动 < 1μs

协议栈：

应用层:     CoE (CANopen over EtherCAT) / SoE / EoE
传输层:     EtherCAT 邮箱协议
数据链路层: EtherCAT 帧处理
物理层:     标准以太网 (100BASE-TX / 1000BASE-T)

开源主站：

主站	许可	特点
IgH EtherCAT Master	GPL	Linux 内核模块，功能完整
SOEM (Simple Open EtherCAT Master)	LGPL	用户空间，跨平台
EtherLab	GPL	集成 MATLAB/Simulink

4.3 CAN 总线

CAN（Controller Area Network）在移动机器人和低成本关节中广泛使用：

优势：成本低、布线简单、可靠性高（差分信号）
劣势：带宽有限（1 Mbps），不适合高频控制多轴
典型应用：Dynamixel 舵机（串行总线类似）、AGV 底盘

4.4 通信架构示例

┌──────────┐    EtherCAT (1kHz)    ┌──────────┐
│ 主控制器  │◄──────────────────────►│ 关节驱动1 │
│ (x86 PC) │◄──────────────────────►│ 关节驱动2 │
│          │◄──────────────────────►│ ...      │
│          │◄──────────────────────►│ 关节驱动7 │
│          │                        └──────────┘
│          │    USB 3.0 (30Hz)      ┌──────────┐
│          │◄───────────────────────│ RGB-D 相机│
│          │                        └──────────┘
│          │    Ethernet (10Hz)     ┌──────────┐
│          │◄───────────────────────│  LiDAR   │
│          │                        └──────────┘
│          │    SPI (10kHz)         ┌──────────┐
│          │◄───────────────────────│  IMU     │
└──────────┘                        └──────────┘

五、实时性能优化

5.1 代码层面

避免动态内存分配：预分配所有缓冲区
避免锁竞争：使用无锁队列（lock-free queue）
避免系统调用：减少上下文切换
避免 I/O 阻塞：使用异步 I/O
避免异常处理：C++ 中禁用 exceptions（-fno-exceptions）

5.2 系统层面

内核旁路：使用用户空间网络栈（DPDK）
NUMA 感知：在正确的 NUMA 节点分配内存
大页内存：减少 TLB 缺失
中断合并：减少中断处理开销

5.3 典型延迟预算

以 1kHz 控制循环为例（1ms 周期）：

环节	分配时间	说明
传感器读取	50 μs	EtherCAT 过程数据
状态估计	50 μs	滤波、前向运动学
控制计算	200 μs	逆动力学、力矩计算
安全检查	50 μs	限位、碰撞检测
指令输出	50 μs	EtherCAT 写入
余量	600 μs	应对最坏情况
总计	1000 μs

60% 余量原则

实时系统中，正常工况下 CPU 使用率应不超过 40%，留出充足余量应对最坏情况。

延伸阅读

计算平台 - 机器人计算硬件选型
EtherCAT Technology Group: https://www.ethercat.org/
ROS2 Real-time Working Group: https://github.com/ros-realtime
Jan Altenberg. "PREEMPT_RT: Basics and Practical Tips." Embedded Linux Conference, 2020.