A Holistic Real-Time Scheduling Framework on Multi-Threaded ROS2 Executors

Abstract

Robot Operating System (ROS) 2 for robot software development is mainly used in systems where tim-ing constraints exist. A strong timing guarantee should be provided in time- and safety-critical applications. However, ROS2 lacks sufficient real-time support. In this study, we identify existing scheduler problems and design new scheduling behavior for the real-time guarantee of ROS2. Furthermore, we propose a response-time analysis when scheduling is performed using the proposed scheduling method. For real-time support for more tasks, we present a resource allocation method that provides minimal resources under the condition that scheduling is possible. We demonstrate that our proposed framework improves schedulability over existing methods using a case study and simulations of ROS2.|로봇 소프트웨어 개발 프레임워크인 Robot Operating System (ROS) 2는 일반적인 로봇 시스템 뿐만 아니라 자율주행 시스템, 항공 시스템 등의 복잡한 사이버 물리 시스템에서도 널리 사용되고 있다. 이와 같은 시스템은 타이밍 제약이 존재하는 시스템으로, 실시간 지원이 필요하다. 즉, 각 기능의 실행이 데드라인을 넘어서지 않는다는 것을 보장할 수 있어야 한다. 그러나 ROS2는 실시간 지원을 제공해주지 못하고 있다. 따라서 본 논문에서는 ROS2의 실시간 보장을 위한 스케줄링 프레임워크(Holistic Re-al-Time Scheduling Framework)를 제안하였다. ROS2의 기본 스케줄러와 관련 연구의 문제점을 파악하고 개선하여 새로운 스케줄러를 디자인하였다. 기본 스케줄러의 경우 지연시간을 예측할 수 없다는 한계점이 존재하여, 우선순위 기반의 스케줄링을 도입함으로써 예측 가능한 스케줄러를 디자인하였다. 본 논문에서 제안한 스케줄러에 대해 스케줄링 가능성을 판단하기 위하여 응답시간 분석(Response-time analysis)을 진행하였다. 또한 더 많은 태스크에 대해 실시간 지원을 제공해주기 위해 리소스 할당(Resource alloca-tion) 기법을 제안하였다. 마지막으로 실험을 통해 본 연구에서 제시하는 프레임워크가 기존 기법들보다 향상된 scheduling performance를 나타냄을 확인하였다.