互為備份的中央控制計算機采用完全相同的設計，通過內(nèi)部和外部的CAN總線與控制模塊和指令系統(tǒng)分別相連。熱備份時，主、備機從CAN總線上同時接收數(shù)據(jù)，但只有主機可以通過CAN總線向外部輸出指令及控制數(shù)據(jù)。
    主備機之間通過RS485總線相連，實現(xiàn)雙機之間數(shù)據(jù)監(jiān)測和同步等功能。在主機和備機的PIO口分別引出一條心跳線，定時發(fā)出脈沖信號，用來檢查判斷對方機是否具備基本運行能力。雙機進行切換時，通過仲裁邏輯電路改變雙機系統(tǒng)的當班權，完成系統(tǒng)的切換操作。

2 雙機熱備份策略
    為保證空間機器人系統(tǒng)正常、穩(wěn)定地運行，根據(jù)空間機器人中央控制計算機雙機熱備份系統(tǒng)的特點，主備雙機需要根據(jù)系統(tǒng)的同步數(shù)據(jù)和心跳信號對對方機的運行情況進行監(jiān)測，保持主備雙機同步運行。當系統(tǒng)發(fā)生故障時利用系統(tǒng)同步數(shù)據(jù)和心跳信號，定位系統(tǒng)發(fā)生的故障，并對故障源進行判斷，完成切換。在切換后，系統(tǒng)將嘗試恢復故障，整個策略示意如圖2所示。

2．1 心跳信號
    心跳信號是該中央控制計算機運行時發(fā)送的周期性脈沖信號，是中央控制計算機正常運行的判斷依據(jù)。
    主備雙機可以通過對對方機心跳信號的監(jiān)測，來判斷對方機是否正常運行，同時心跳信號也是裁決故障時的一種輔助判據(jù)。當發(fā)現(xiàn)備機無心跳信號時，主機切換到單機模式，備機由外部指令系統(tǒng)進行處理；當發(fā)現(xiàn)主機無心跳信號時，備機獲得當班權變?yōu)橹鳈C并進行輸出，主機交由外部指令系統(tǒng)處理。
2．2 同步監(jiān)測
    雙機同步是雙機熱備份系統(tǒng)能夠正常進行系統(tǒng)監(jiān)測，對故障進行正確判斷的基礎。正確的同步策略是雙機系統(tǒng)能夠及時檢測出軟件故障并執(zhí)行正確切換動作的前提，也是保證系統(tǒng)在故障發(fā)生之后成功恢復的關鍵要素。
    為了保證雙機能夠長期、穩(wěn)定地處于同步之中，維持系統(tǒng)正常運行，制定4項關鍵同步方法。
    ①雙機時鐘周期同步。當主備雙機上電后，在主機啟動周期定時器的同時，應同時向備機發(fā)出消息，通知備機啟動周期定時器。由于空間機器人系統(tǒng)以生命周期為單位執(zhí)行任務，所以生命周期的同步是整個系統(tǒng)保持同步的基礎。若該操作失敗，必須重新進行周期定時器的同步。
    ②雙機任務初始化同步。為保證主備雙機任務在同一時間啟動，應在任務啟動指令傳遞到主機時，由主機向備機發(fā)出指令，啟動備機任務，使備機進人工作模式，其具體步驟如圖3所示。

    ③雙機同步數(shù)據(jù)的實時監(jiān)測。機器人執(zhí)行任務期間，主備雙機將在每個系統(tǒng)生命周期的開始向?qū)Ψ綑C發(fā)送同步數(shù)據(jù)，并將收到的數(shù)據(jù)與自身數(shù)據(jù)進行比對，完成對系統(tǒng)同步數(shù)據(jù)的實時監(jiān)測。
    為保證對系統(tǒng)監(jiān)測的全面性和判斷故障的準確性，提取任務號、任務階段號、系統(tǒng)周期、實際關節(jié)角度以及一個隨機碼作為系統(tǒng)的同步數(shù)據(jù)，如表1所列。

    ④雙機再同步。當發(fā)現(xiàn)雙機系統(tǒng)的數(shù)據(jù)出現(xiàn)兩個周期以內(nèi)的超前或滯后現(xiàn)象時，不認為發(fā)生系統(tǒng)故障而進行切換，而是直接更新備機同步數(shù)據(jù)，使備機重新與主機同步。
2．3 裁決邏輯
    裁決是雙機熱備份系統(tǒng)中至關重要的一個環(huán)節(jié)。誘發(fā)空間機器人系統(tǒng)出現(xiàn)故障的原因很多，在其工作的空間環(huán)境中存在著大量高能粒子，極易使中央控制計算機電位發(fā)生反轉(zhuǎn)造成系統(tǒng)失常。通信線路的故障和隨機產(chǎn)生的誤碼率也很容易造成系統(tǒng)失常。通過分析總結，空間機器人系統(tǒng)最易出現(xiàn)3種故障類型，即雙機通信線路故障、系統(tǒng)任務流程故障和系統(tǒng)控制數(shù)據(jù)故障。為保證雙機熱備份系統(tǒng)及時、準確地檢測故障，判斷故障源，做出正確的切換動作，分別為3種故障制定相應的故障裁決邏輯。
    (1)雙機通信線路故障
    裁決邏輯：當RS485接收模塊連續(xù)3周期沒有接收到對方的同步數(shù)據(jù)時，給出故障信號。為避免計算機重復進行裁決判斷，停止同步數(shù)據(jù)發(fā)送，同時檢測備機心跳信號。若備機心跳信號停止，則由主機主動停止備機電源；若對方心跳信號正常，則由外部指令決定備機狀態(tài)。其實現(xiàn)流程如圖4所示。

    (2)雙機任務流程故障
    為有效、準確地判斷雙機任務流程故障，借助隨機碼表來對其進行輔助判斷。隨機碼表是一個32×16的二維short型數(shù)組，數(shù)組中的各個元素互不相同，查詢生成同步數(shù)據(jù)隨機碼的公式如下：

   
    式中X為隨機碼表行號，Y為隨機碼表列號，TaskID為任務號，PhaseNum為任務階段號，ClcNum為任務周期號。
    主備雙機存儲同一份隨機碼表，利用上述公式確定每周期的隨機碼作為同步數(shù)據(jù)，發(fā)送給對方機。這樣做大大簡化了裁決邏輯，也可檢測出CPU邏輯運算單元的錯誤。
    裁決邏輯：主備機首先比較同步數(shù)據(jù)中隨機碼，若隨機碼不同，則進一步比較任務號、階段號、周期號。若比較結果相同，則給出計算機邏輯運算故障信號；若不同，將對方同步數(shù)據(jù)與己方前后兩周期數(shù)據(jù)比較。若發(fā)現(xiàn)匹配數(shù)據(jù)，進行備機與主機再同步；若失敗，給出任務流程故障信號。其實現(xiàn)程序流程如圖5所示。

 [!--empirenews.page--]   故障源判斷：
    情況1，若系統(tǒng)出現(xiàn)計算機邏輯運算故障，則查詢上一周期同步數(shù)據(jù)隨機碼，且與上一周期保存的歷史數(shù)據(jù)隨機碼相比較，并根據(jù)比較結果進行切換。
    情況2，若系統(tǒng)出現(xiàn)流程故障，則將當前系統(tǒng)同步數(shù)據(jù)中的任務號、階段號和周期號與自身歷史數(shù)據(jù)進行比較。根據(jù)任務號、階段號、周期號是遞增并且不會發(fā)生突變這一原則進行判斷，確定故障源，如圖6所示。

    (3)雙機控制數(shù)據(jù)故障
    裁決邏輯：空間機器人的運動一般分為兩種模式，一種是預先規(guī)劃固定軌跡的運動，另一種是相對于目標的自主運動。主備雙機根據(jù)機器人不同的運動狀態(tài)，比較同步數(shù)據(jù)中的控制關節(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。
    故障源判斷：在固定規(guī)劃軌跡的模式下，控制數(shù)據(jù)預先給定，可以將雙機數(shù)據(jù)與正確數(shù)據(jù)對比，確定故障源；在自主運動模式下，關節(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當前數(shù)據(jù)進行邊界檢測，從而判斷出故障源，如圖7所示。

    另外，當雙機系統(tǒng)對故障源的判斷發(fā)生矛盾時，將交由外部指令系統(tǒng)對其進行處理。
2．4 系統(tǒng)恢復
    為保證空間機器人中央控制計算機能夠長期、穩(wěn)定地運行，就需要使其具有從故障狀態(tài)恢復的能力。根據(jù)其故障原因，分3種情況進行制定：
    ①系統(tǒng)裁定備機故障，主機正常，此時主機切換為單機模式繼續(xù)正常執(zhí)行任務，備機復位重啟并通知主機，主機切換到雙機同步模式，備機重新與主機同步，恢復系統(tǒng)正常運行。
    ②系統(tǒng)裁定主機故障，備機正常，此時主機讓權，進行切換，備機得權后變?yōu)橹鳈C，并切換到單機模式繼續(xù)執(zhí)行系統(tǒng)任務；而主機讓權后變?yōu)閭錂C，復位重啟后與主機重新進行同步，恢復系統(tǒng)的正常運行。
    ③系統(tǒng)失步，即備機周期超前或滯后于主機，這種情況并不是造成系統(tǒng)故障，不進行切換動作。此時主機依然正常執(zhí)行系統(tǒng)任務，備機利用主機的同步數(shù)據(jù)更新自身狀態(tài)，與主機進行再同步。

3 雙機熱備份系統(tǒng)軟件設計
    基于中央控制計算機雙機熱備份系統(tǒng)的硬件環(huán)境和策略的制定，將其軟件設計為6個模塊，并基于強實時性操作系統(tǒng)VxWorks進行實現(xiàn)。該操作系統(tǒng)提供的分布消息隊列機制支持系統(tǒng)軟件的容錯設計，其強實時性也滿足空間機器人任務的要求。首先，根據(jù)策略的制定，設計心跳任務、同步任務、故障裁決任務和系統(tǒng)恢復任務，另外根據(jù)雙機通信的需要設計RS485總線發(fā)送任務和RS485總線接收任務。它們的功能如下：
    ①心跳任務，任務名HeartBeat。周期性地檢測對方機發(fā)送的心跳信號，若發(fā)現(xiàn)無心跳信號，則通知故障裁決任務進行故障裁決。
    ②同步任務，任務名Synchronize。根據(jù)同步策略中的初始化同步過程進行系統(tǒng)時鐘和任務的初始化同步，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進行系統(tǒng)故障的裁決。
    ③故障裁決任務，任務名ExecSwitch。根據(jù)不同的故障情況，依據(jù)前面敘述的裁決過程對系統(tǒng)故障源進行判斷，并根據(jù)結果進行切換操作，保障系統(tǒng)正常運行。另外，通知系統(tǒng)恢復任務并嘗試對系統(tǒng)進行恢復。
    ④系統(tǒng)恢復任務，任務名Reconfigure。根據(jù)系統(tǒng)恢復策略嘗試對故障機進行恢復，出現(xiàn)“失步”現(xiàn)象時，依據(jù)再同步過程對備機進行再同步。
    它們之間的協(xié)作關系如圖8所示。

    ⑤RS485總線接收及發(fā)送任務，任務名Receive485、Send485。負責雙機的通信，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和結尾End位，保證RS485通信任務傳遞數(shù)據(jù)的正確性；Command為雙機熱備份系統(tǒng)的控制命令，如同步系統(tǒng)時鐘指令、任務同步指令等；Syn_data為雙機同步數(shù)據(jù)，它的數(shù)據(jù)結構定義如下：

    其中，關節(jié)數(shù)據(jù)以double類型計算，但在雙機通信中轉(zhuǎn)化為16位整數(shù)進行傳遞，節(jié)省數(shù)據(jù)流量；Result為裁決結果，雙機將比較裁決結果。如果一致則進行相應處理，如果矛盾將由指令系統(tǒng)進行處理。
    雙機熱備份系統(tǒng)的軟件由以上6個模塊組成，對系統(tǒng)進行監(jiān)測、裁決、恢復，保證中央控制計算機長期、穩(wěn)定地運行。

4 雙機熱備份系統(tǒng)驗證
    當中央控制計算機啟動后，主機將向備機發(fā)出同步系統(tǒng)周期指令，同步系統(tǒng)周期時間；在外部指令系統(tǒng)啟動主機任務的同時，主機將發(fā)出指令啟動備機任務。主機從接收指令到備機同步啟動任務所需時間為1 420 ms，備機從接收指令到啟動任務所需時間為1180 ms。該雙機系統(tǒng)可以快速啟動并進行同步。
    在運行過程中，利用錯誤注入的測試方法，預先在程序中注入錯誤，系統(tǒng)檢測到錯誤后，能夠快速的切換，并且備機可以及時更新系統(tǒng)數(shù)據(jù)，與主機進行再同步，從切換完成到重新同步的平均時間為592 ms內(nèi)，滿足空間機器人任務的強實時性要求。

結 語
    本研究在綜合考慮空間環(huán)境及機器人任務特殊性的基礎上，實現(xiàn)了一種獨特的雙機熱備份系統(tǒng)。依據(jù)可能出現(xiàn)的故障類型，設計了心跳策略、同步策略、裁決切換策略和恢復策略，并基于VxWorks操作系統(tǒng)實現(xiàn)了雙機熱備份系統(tǒng)的軟件。經(jīng)驗證，該系統(tǒng)具有較好容錯能力，可增強空間機器人系統(tǒng)在復雜空間環(huán)境下執(zhí)行任務的可靠性，適合在空間機器人系統(tǒng)中應用。