「組込み」と「RTPS」の深イイ話
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ROS Japan UG #43 組み込み勉強会 @ 2021/07/17 https://rosjp.connpass.com/event/215366/ 登壇動画 https://www.youtube.com/watch?v=f9LmERC6Ljc&t=4702s
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「組込み」と「RTPS」の深イイ話
- 2. 2 自己紹介 本務・兼務 −東京大学 情報理工学系研究科 准教授 −JSTさきがけ 兼任研究者 −一般社団法人ROSCon JP 理事 −TOPPERSプロジェクト 運営委員 学会活動 −IPSJ-SIGEMB 運営幹事 −IEICE-RECONF 専門委員 −SWEST ステアリング委員 −ROSCon JP 実行委員 コミュニティ活動 −ROS Japan Users Group −IoT ALGYAN (あるじゃん) 運営委員 −NervesJP : Elixir for IoT @takasehideki
- 3. 3 おしながき・おことわり 1. [宣伝] そもそも "組込み" とは？ [PR] 2. Dive into DDS/RTPS 3. embeddedRTPS!! (とは？ • おことわり −@ken551 に深く感謝いたします −「組込み」と「ROS」の話しをします 「組込みROS」の話しは今日はしません :D −発表者の解釈・調査に基づくものであり，間違いがあるかも しれません．なにかあれば(大々的に)ご意見・ご指摘ください．
- 4. 1. そもそも "組込み" とは？ rosjp #43 組み込み勉強会 2021/07/17
- 5. 5 「組込みシステム」とは？ • 各種の機器に組み込まれて，特定の機能を実現するためにその制 御を行うコンピュータシステム • アプリケーション特有の要求に応じて設計されるため， 必然的に多様な専用システムになる • 特有の要求を実現するための利用可能な資源が限られる − CPU能力，メモリ容量，製品サイズ，低消費電力 − コスト制約や利用環境制約から由来することが多い • 乱暴な定義をすれば， 「汎用システム以外のコンピュータシステム」 − つまり「ロボットシステム」も組込みシステム ＦＡ機器 その他 自動車 航空機 通信機器 家電製品 ＯＡ機器 ⾝の回りにある組込み機器
- 6. 6 「組込み」でよく聞く用語集 • マイコン（マイクロコントローラ）： − 最小限のCPU機能とメモリや各種ペリフェラルが集積された回路 − プログラム内蔵型の形態をとる（ことが多い） • リアルタイム性： − タスクが定められた時刻（デッドライン）までに処理を終えるための性能 − 入力から応答までの処理時間が一定に見積もれることが重要 例：ブレーキシステム，メディアプレイヤ 単に高速であればいいわけではない！ • リアルタイムOS： − リアルタイムシステム向けの機能を持つOS − 予測可能性や時間管理機能を提供する
- 7. 7 「組込み」の誤信と落とし穴 [誤信] ラズパイは組込みではない − 広義には組込みでええやんけ 時代はむしろ "IoT" [落とし穴] マイコンにRTOSを使えばリアルタイム性が確保できる − あくまで確保しやすい機能を提供するだけ − デファクトのものは動的な資源生成なのも注意 [落とし穴] 組込みはリアルタイム性が必要 − 達成されるべき性質のひとつに過ぎない [誤信] "組み込み" と言うと👮がやってくる
- 8. SWEST23開催概要 • メインテーマ： 密にしよう！組込み開発 • 目的：組込み技術の徹底議論・交流 • 参加対象：組込みシステム分野の技術者・研究者 • 産業界：技術者，マネージャ，教育部門従事者 • 学術界：教員，学生，研究所員 • 実施形態：1泊2日の合宿形式 • オンライン(Zoom, Discord) • 2021年9月2日(木)〜3日(金) • 参加費 • 一般：11,000円 • 会員：10,000円 • 学生：2,000円 今年もオンライン開催！ • 組込み業界では夏の恒例イベント • 毎年夏に１泊２日で開催 • 全国から活発な技術者が参集 （例年150〜200名） • SWESTの目指す姿：産学連携の場 • 組込みシステムの進むべき指針を徹底的 に議論する場 • SWEST名物：徹夜部屋 • 最新技術の動向調査・情報収集の場 • 若手技術者・学生の教育の場 • 外部技術者・研究者と交流する場 • スキルアップ、問題解決 https://swest.toppers.jp/ とは？
- 9. 9/2(木) 9/3(金) 午前 １ 午前 ２ 午後 １ 夜 インタラクティブ セッション オープニング 特別パネル 夜の分科会×3 休憩 徹夜部屋 (オンライン飲み会 オンライン交流会) クロージング Elixir/ Nerves ETロボコン シミュレー タ モデリング 教育 アジャイ ル 協働 ロボット 言語紹介 N連発 Rust SIMD/ ﾍﾞｸﾄﾙ処理 FPGA (PYNQ) FPGA (Alveo) 午後 ２ • 3日は，1コマ70分のセッションが 平行して3セッション行われます • 詳細はコチラから https://swest.toppers.jp/SWEST23/program/ ソフトウェ ア エンジニア リング 研究発表 (ポスター) ⾃由⼯作品展⽰ ポジションペーパー 発信しよう！ チュートリアル講演 ワーク実習 ハンズオン演習 まなぼう！ パネル討論・質疑応答 夜の分科会 懇親会・徹夜部屋 議論しよう！ 調整中
- 10. 2. Dive into DDS/RTPS rosjp #43 組み込み勉強会 2021/07/17
- 11. 11 ROS 2のソフトウェア階層構造 node.cpp rclcpp node.py rclpy RCL（ROS Client Library） RMW（ROS MiddleWare） DDS A OS / Kernel node.rs rclrs ・・・ DDS (Data Distribution Service) • OMG標準仕様として規定 • 出版購読通信機能を提供 • ノード自動検出 など • 共通の基盤機能 • 実装はC言語 • 各言語から呼び出すことで ライブラリを開発可能 DDS B ・・・ • DDSの通信機能を抽象化するAPI層 • 複数のDDS実装から選択可能
- 12. 12 DDS (Data Distribution Service) • OMG (Object Management Group) で策定された通信仕様 −peer-to-peer の通信を実現 −最新版は2015年4月公開の Version 1.4 https://www.omg.org/spec/DDS • ROS 2での採用による利点 −ROS 2のメンテコード削減 −厳格かつ明確な仕様に依存できる 第三者によるレビューや監査が可能 −高い互換性のある実装が提供される not “The DDS Wars”, but “DDS Cambrian Explosion” !!
- 13. 13 Foxyに(公式)対応しているDDS実装 Middleware Library Provider Support ライセンス・備考等 rmw_fastrtps_cpp eProsima Fast-RTPS Tier 1 Apache 2.0，Foxyまでのデフォルト， 軽量実装 rmw_connext_cpp RTI Connext Tier 1 商用／研究(機能制限)ライセンス， No.1ベンダ，PF/Arch.サポートは限定的 rmw_cyclonedds_cpp Eclipse Cyclone DDS Tier 1 Eclipse Public License 2.0(Open)， 高性能・高信頼な評価結果， Galacticからデフォルトに rmw_fastrtps_ dynamic_cpp eProsima Fast-RTPS Tier 2 Apache 2.0，型の実行時の解釈・変換 (type introspection)をサポート REP-2000 を基に 作成・整理 • 実装機能やライセンス形態に合わせて選択できる • 異種DDSを選択したノード間で通信できる（rmw層で抽象化） − Tier 1: Open Robotics公式の手厚いサポート − Tier 2: 公式だが限定的なサポート
- 14. 14 RTPS (Real-Time Publish-Subscribe) • DDSの通信プロトコル −正式名称は DDS Interoperability Wire Protocol (DDSI-RTPS) −最新版は2021年3月公開の Version 2.5 https://www.omg.org/spec/DDSI-RTPS/ node <- participant publisher/subscriber <- writer/reader • UDP/IP 上に実装される −OSI参照モデルのtransport層に位置 −パケットの到着保証などの不確実性は QoS機能によってカバーする
- 15. 15 QoS Control • 通信経路の品質を指定する（Pub/Sub間で互換性が必要） • 指定できるパラメータの例 (下線はデフォルト設定) −History (履歴) / Depth (深さ): Keep last (任意の値 (10個)を保持) or Keep all −Reliability (信頼性): Best effort or Reliable (リトライ試行) −Durability (耐久性): Transient local or Volatile (遅延非許容) −Deadline (許容更新間隔) https://docs.ros.org/en/foxy/Concepts/About-Quality-of-Service-Settings.html Profile History policy Reliability Durability Deadline Default Keep last 10 Reliable Volatile default Services Keep last 10 Reliable Volatile default Sensor data keep last 5 Best effort Volatile default Parameters keep last 1000 Reliable Volatile default
- 16. 16 RTPS Message の構造 • Header −プロトコルのバージョン番号 −プロトコルやベンダのID −Participant の GUIDs (Globally Unique IDs) • Submessage −INFO_TS: 送信元の時刻情報 −INFO_DST: 通信宛先 (Participant IDなど) −DATA: user / metatraffic data −HEARTBEAT: reliable 時の送信予定数 など −ACKNACK: reliable 時の受信数／損失数 など Figure 8.8 - Structure of RTPS Messages 9.4.5.4 Data Submessage
- 17. 17 RTPS による通信確立のフロー • 通信相手の探索／通信経路の確立を自律的に行う −SPDP / SEDP (Simple Participant / Endpoint Discover Protocol) 1. SPDP による通信相手 Participant の探索 −自身の Participant 情報を他の SPDP Endpoints へ multicast 発信 2. SEDP による Endpoint の探索 −送信元に User Endpoint の情報を unicast で発信 3. User Endpoints と自身の情報をマッチング 4. Reader/Writer としてマッチしたらメッセージを送受信
- 19. 3. embeddedRTPS!! (とは？ rosjp #43 組み込み勉強会 2021/07/17
- 20. 20 基本情報 • Paper: A. Kampmann, A. Wüstenberg, B. Alrifaee and S. Kowalewski, "A Portable Implementation of the Real-Time Publish-Subscribe Protocol for Microcontrollers in Distributed Robotic Applications," 2019 IEEE Intelligent Transportation Systems Conference (ITSC), Auckland, New Zealand, 2019, pp. 443-448. • GitHub: embedded-software-laboratory/embeddedRTPS Fig. 2. Software Architecture Overview.
- 21. 21 ざっくり言えば,,, • C++実装による組込み向けのRTPSスタック −UDP/IP には lwIP (Raw Mode) を採用 −シリアライズに eProsima Micro-CDR を利用 • 主な機能と利点 −Discovery: SPDP と SEDP の機能を提供 −Interoperability: FastDDS 2.3.1 との疎通確認済み −QoS Policies: reliable と best-effort に対応 −UDP Multicast: PR#4 にて実装（STM32版には未反映） −Message size: lwIP バッファサイズまで対応可能
- 22. 22 論よりRUN on STM32 NUCLEO-F767ZI • Ref: https://github.com/tlk-emb/embeddedRTPS-STM32/blob/doc_minor/readme.md • サンプル実行のおおまかな手順 1. git clone --recursive 2. STM32CubeIDE で Open projects from File System 3. ボードのIPアドレスを設定 (rtps/include/rtps/config.h Src/lwip.c) 4. build & flash 5. ホスト用アプリをビルド＆実行