Now and Next about mROS 2

ROSCon JP 2022
2022/10/19
https://roscon.jp/

now and next about mROS 2
高瀬英希、細合晋太郎、檜原陽一郎、田中晴亮 (東京大学)、森田正二 (イーソル株式会社)
概要：
mROS 2は組込みデバイス向けの軽量実行環境である。ホストデバイス上のROS 2ノードに対して、RTPSプロトコルに則った自律的な通信をagentノードの仕組みなしに実現できる。ROSCon JP 2021およびROS World 2021のLTでお披露目した本環境について、最新の開発状況やアップデートを紹介する。そして、IoT分野にもたらされるROS 2技術の今後の展開について議論したい。

論よりRUN:
Part1 (p.10) https://twitter.com/takasehideki/status/1505066116921524228
Part2 (p.14) https://twitter.com/takasehideki/status/1584486712780390401
Part3 (p.15) https://twitter.com/takasehideki/status/1584488359808102402

GitHub link (STAR please!!):
https://github.com/mROS-base/mros2

Transcript

1. Now and Next about ⾼瀬 英希，細合 晋太郎，檜原 陽⼀郎， ⽥中 晴亮 (東京⼤学)，森⽥ 正⼆ (イーソル株式会社) ROSConJP 2022 2022/10/19 本研究の⼀部は，JST CREST JPMJCR21D2 の⽀援ならびに 国⽴研究開発法⼈情報通信研究機構の委託研究（04001）により 得られたものである．
2. Hobby Recent R&D Affiliation Mission あらゆる モノ・コトと ヒトを繋げる 設計基盤の 確⽴ 最適化 設計技術 良いモノ を 誰でも楽に つくることができる世界へ 組込み／IoTコンピューティング基盤を⽀える プラットフォーム技術と設計⽅法論 @takasehideki ശ ఉ ϩʔΧϧ؀ڥ ηϯγϯά ̇ ̇ ̇ ө૾ Ի Թ౓ ࣪౓ ѹྗ ৼಈ Edge AI ޯ഑ܭࢉɾߋ৽ -PTT 8FJHIU ਪ࿦ ੍ޚ ΢ΣΞϥϒϧ σόΠεɾ ϔϧεέΞ ϩϘοτ ϞϏϦςΟ ೖྗ ग़ྗ ϑΟʔυ όοΫ Edge AI Edge AI Edge AI Edge AI Fog AI ू໿ ෼഑ ϩʔΧϧ؀ڥ Fog AI Edge AI Edge AI ϩʔΧϧ؀ڥ Fog AI Edge AI Edge AI Cloud MEC BEAM クラウド BEAM エッジ BEAM 最適配分アルゴリズム 透過型分散プラットフォーム BEAM システム開発者 デプロイされる コード ① ③ ② ③ ③ ❤ 評価アプリ ❤ 評価アプリ ④ ④ ❤ 評価アプリ ④ ② ② ❤ 評価アプリ ④ ② ② ② ②
3. 3 • ROSの本質は通信にあり — ROSノード (機能単位) の疎な結合⽅式 — ROS 2ではDDS/RTPSに則った通信⽅式 — 基本はTopicを介した出版購読型 http://www.ros.org/about-ros/ node1 node2 node3 node4 Topic1 Topic2 node5 出版（Publish） 購読（Subscribe） msg msg msg msg ROS2/DDS通信技術の IoT分野への展開にも期待 • 通信性能の向上 — 応答性︓遅延時間 — リアルタイム性︓遅延変動 • 消費電⼒の削減 mROS-base/mros2 meets EMB for IoT!!
4. mROS-base/mros2 4 Ｘ どうやって “組み込む” か︖ native ROS 2 on SBC micro-ROS on EMB board 豊富なカーネル／ボード対応 rclc に完全準拠の機能群 XRCE-DDS＝agent必須 mROS 2 on EMB board rclcppにサブ準拠API 通信性能・メモリ効率良し topic通信のみ，QoSなど 未対応機能多し,,,
5. 5 mROS 2?? https://vimeo.com/638040779/8a10335711 このとき v0.1.4,,, https://www.stmcu.jp/design/thirdparty/os/91883/ mROS-base/mros2 ROSConʼ22も お楽しみに,,, Embedded devices (STM32 MCU) HAL drivers (STM32Cube) RTOS (TOPPERS/ASP3) mROS 2 comm. lib. mROS 2 API mROS 2 application UDP stack (lwIP) CMSIS OS API DDS (embeddedRTPS)
6. 6 ソフトウェア構成 @v0.1.4 通信の⾃律性の確保 RTPSの仕様に則った通信の実現 軽量かつ効率的な通信処理の実現 C++実装 / CPU 数百MHz / Mem 数MB程度 ⾼品質なリアルタイムOSの採⽤ 通信性能・メモリ軽量性の向上にも寄与 基本型に対応した出版購読APIの提供 開発⽣産性＝rclcppとの互換性を考慮 mROS-base/mros2 Embedded devices (STM32 MCU) HAL drivers (STM32Cube) RTOS (TOPPERS/ASP3) mROS 2 comm. lib. mROS 2 API mROS 2 application UDP stack (lwIP) CMSIS OS API DDS (embeddedRTPS)
7. 7 補⾜︓embeddedRTPS [A. Kampmann+ ITSC'2019] • 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 と疎通可能 —QoS Policies: reliable と best-effort に対応 —UDP Multicast: multicast locators に対応 ü mros2 v0.1.4 では未追従 —Message size: lwIP バッファサイズまで対応可能 mROS-base/mros2
8. mROS-base/mros2 8 v0.2.0 @ 29 Oct 2021 • mros2-mbed︓Mbed Platform に対応︕ 🎉 https://rosjp.connpass.com/event/222141/ https://www.youtube.com/watch?v=YeQgeTnw5Tc&t=2393s • たった5分で試せる︕(しらんけど:D — Dockerでのビルド環境 (ghcr.io/armmbed/mbed-os-env) — Keil Studio Cloud a.k.a Mbed Online Compiler https://os.mbed.com/users/smoritaemb/code/ mbed-os-example-mros2/
9. mROS-base/mros2 9 v0.3.0 @ 20 Feb 2022 • 独⾃定義の MsgTypes によるトピック通信に対応︕ 🎉 提案⼿法②: 設計⽅針 10 ポイント①: 共通処理と固有処理の分離 mROS 2における通信処理 メッセージ型に依存しない処理 (=共通処理) メッセージ型固有の処理 (=固有処理) 共通処理が固有処理を呼び出す形式に. ポイント②: メッセージ型ヘッダファイルの⽣成 固有処理を含むヘッダファイルをメッセージ型ごとに⽣成. health.hpp Health.msg string name uint16 height float32 weight ⽣成 copyToBuf関数 copyFromBuf関数 messageSize関数 pub.cpp #include “health.hpp” ・・・ copyToBuf関数呼び出し ・・・ 呼び出し 共通処理 固有処理 ETNET2022-EMB (2022/3/10) 提案⼿法③: メッセージ出版フロー 11 ①: シリアライズ & バッファに格納 ②: 出版するメッセージサイズを計算 ③: バッファの所定領域にあるデータを送信 name=hibara height=171 weight=63.5 共通処理 シリアライズ関数& バッファ格納関数呼出 メッセサイズ 計算関数呼出 固有処理 シリアライズ& バッファ格納 メッセサイズ 計算 出版 タスクへ バッファ hibara17163.5 : 新規実装部分 ETNET2022-EMB (2022/3/10) 檜原 陽⼀郎, 中村 宏, ⾼瀬 英希: ROS 2ノード軽量実⾏環境mROS 2における任意型メッセージの通信処理⽅式, 情報処理学会研究報告，Vol. 2022-EMB-59, No. 38, 2022.
10. mROS-base/mros2 10 https://twitter.com/takasehideki/status/ 1505066116921524228 turtlesim $ ros2 run mturtlesim turtlesim_node $ picocom /dev/ttyACM0 EMB board + analog joystick publish Twist 論よりRUN!! "ron yori run" The RUN is mightier than the word
11. mROS-base/mros2 11 閑話休題︓性能どうなのか︖ 10 議論︓Pros and Cons uros- serial uros- udp uros- rtps mros2 -asp3 mros2 -mbed summary (weakness of mros2) latency × △ × ◎ ◯ mros2-同⼠ではasp3がやや良い real-time × △ × ◎ ◯ -mbedはまれに外れ値が観測されることがある stability △ △ × △ ◯ uXRCEはagentが必須 -rtpsは接続難あり -asp3は初回通信時に⽋損することあり mem. size △ △ × ◯ × 特に-asp3は静的OSの⽅針に完全に基づく variety ◎ ◯ ◯ × △ uros-は多様なチップ・ボードに対応 -asp3は1種のみ -mbedは選択肢多め productivity △ △ △ ◯ ◎ mros2-ではC++でノード実装可能 コンパイル環境の準備も容易 perfection ◎ ◎ ◯ △ △ uros-はROS 2機能に完全準拠 mros2-はトピック通信のみ community ◎ ◎ △ × × uros-は世界規模︕ mros2-はこれから,,, mROS-base/mros2 https://speakerdeck.com/takasehideki/zu-ip-mixiang-keros-2falsedoshi-xing-huan-jing-falseding-liang-de-ping-jia-robomech2022zai-yan-a 本研究の⽬的 それぞれの優位性を議論 - 定量的︓通信性能，メモリサイズ - 定性的︓主に開発者観点から 7 通信性能の評価結果(1) • UInt16 uros- serial uros- udp uros- rtps mros2- asp3 mros2- mbed avg 11.710 2.109 5.182 0.570 0.646 max 17.370 4.240 11.190 0.810 0.940 min 7.590 1.900 1.940 0.490 0.560 std.p 3.094 0.244 2.684 0.067 0.081 • Twist uros- serial uros- udp uros- rtps mros2- asp3 mros2- mbed avg 19.530 2.304 5.508 0.593 0.703 max 25.510 11.250 9.860 0.850 0.880 min 15.590 2.050 2.610 0.520 0.640 std.p 3.666 0.904 1.551 0.065 0.042 ü 100回測定 ü 単位は [ms] ümros2- のほうが明らかに優れている Ø最⼤値(max) = 応答性 Ø標準偏差(std.p) = リアルタイム性 üuros-rtps では出版の連続回数に応じて 通信時間が増加していく傾向がある mROS-base/mros2
12. 12 FAQ︓どうやったら始められるの︖ ALGYAN(あるじゃん)主催︕mROS 2 ハンズオン︕ https://algyan.connpass.com/event/259028/presentation/
13. mROS-base/mros2 13 v0.4.0 @ 18 Oct 2022 • multicast support (locators) 込みの embeddedRTPS に追従︕ 🎉 • mros2-posix︓POSIX layer を備えるカーネルにも対応︕ 🎉 — Portable Operating System Interface — 主にUNIX系OS（今回の実装対象はUbuntu）RTOSもいくつか準拠するものあり Kernel Information and Control Generic Wait Functions Message Queue Mutexes Semaphores Thread Management メッセージキュー 管理機能 スレッド同期処理 Pthread (Threads) Pthread (Mutex/Cond) Clocks and Timers キュー管理 機能 Memory (malloc/free) 時間管理機能 [凡例] CMSIS OS機能 利⽤する コア機能 利⽤する POSIX OS 機能 Embedded devices HAL library Kernel (ASP3, Mbed, POSIX) mROS 2 application mROS 2 comm. lib. mROS 2 API UDP stack (lwIP) RTPS (embeddedRTPS) CMSIS wrapper
14. 14 論よりRUN!! 其の弐 mROS-base/mros2 mros2-mbed NUCLEO_F767ZI mros2-mbed ARCH_MAX mros2-mbed GR_MANGO mros2-posix RPi4 (w/o ROS 2) /to_humble /to_mros2 /to_hum ble /to_m ros2 /to_humble /to_mros2 /to_humble /to_mros2
15. 15 論よりRUN!! 其の参 powered by mROS-base/mros2 robot body node calc. PWM node /to_pid IMU data /to_control PWM value ⼆輪倒⽴振⼦
16. mROS-base/mros2 Check it out! & Whatʼs next?? Please give us the Star! & your contribution!! https://github.com/mROS-base/mros2 • support other boards & kernels • implement new targets with POSIX-compliant RTOS • support QoS control, Service, Action, ... • design a dedicated board for real robots??