Timing Analysis and Priority-driven Enhancements of ROS 2 Multi-threaded Executors

要約

第 2 世代のロボット オペレーティング システムである ROS 2 は、安全性が重要なロボット アプリケーションに使用できる可能性があるため、大きな注目を集めています。
したがって、タイミングの正確さとスケジューリング メカニズムのための強固な基盤を提供する必要性が急速に高まっています。
ROS 2 の処理チェーンの応答時間を正式に分析するために行われた先駆的な研究がいくつかありますが、焦点はシングルスレッドのエグゼキュータに限定されており、マルチスレッドのエグゼキュータは、その利点にもかかわらず、十分に研究されていません。
この知識のギャップを埋めるために、このペーパーでは、ROS 2 マルチスレッド エグゼキュータ上で実行されるチェーンのための包括的な応答時間分析フレームワークを提案します。
まず、ROS 2 マルチスレッド エグゼキュータのデフォルト スケジューリング スキームのタイミング動作を分析し、次にデフォルト スキームの制限に対処するための優先順位主導のスケジューリング拡張機能を示します。
私たちのフレームワークは、任意の期限と制約された期限の両方を持つチェーンを分析し、相互排他的なコールバック グループの影響も分析できます。
NVIDIA Jetson AGX Xavier のケーススタディとランダム生成チェーンを用いたスケジューラビリティ実験により評価を行います。
この結果は、当社の分析フレームワークがさまざまな条件下で安全に応答時間の上限を設定できることと、優先順位主導のスケジューリング強化によってクリティカル チェーンの応答時間が短縮されるだけでなく、分析限界も改善されることを示しています。

要約(オリジナル)

The second generation of Robotic Operating System, ROS 2, has gained much attention for its potential to be used for safety-critical robotic applications. The need to provide a solid foundation for timing correctness and scheduling mechanisms is therefore growing rapidly. Although there are some pioneering studies conducted on formally analyzing the response time of processing chains in ROS 2, the focus has been limited to single-threaded executors, and multi-threaded executors, despite their advantages, have not been studied well. To fill this knowledge gap, in this paper, we propose a comprehensive response-time analysis framework for chains running on ROS 2 multi-threaded executors. We first analyze the timing behavior of the default scheduling scheme in ROS 2 multi-threaded executors, and then present priority-driven scheduling enhancements to address the limitations of the default scheme. Our framework can analyze chains with both arbitrary and constrained deadlines and also the effect of mutually-exclusive callback groups. Evaluation is conducted by a case study on NVIDIA Jetson AGX Xavier and schedulability experiments using randomly-generated chains. The results demonstrate that our analysis framework can safely upper-bound response times under various conditions and the priority-driven scheduling enhancements not only reduce the response time of critical chains but also improve analytical bounds.

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