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しおりしもとり
5 years ago
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1 TOPPERS/EV3RT RTOS で Mindstorms EV3 開発名古屋大学大学院情報科学研究科高田本田研究室博士後期課程 2 年李奕驍 1

EV3 Intelligent Brick Button, LED, Speaker, LCD, SD Card,

2 背景 :Mindstorms EV3 とは多くの教育や研究で活用されているロボット開発キットシリーズ Mindstorms の最新版 Motor Large Servo Motor Medium Servo Motor EV3 Intelligent Brick Button, LED, Speaker, LCD, SD Card, USB, Wi- Fi, Bluetooth, etc. Sensor Ultrasonic Gyroscope Color Touch etc. 2

3 背景 :Mindstorms EV3 の標準開発環境の課題 Operating System Runtime Programming language lms2012 仮想マシン LabVIEW 起動が遅いメモリ消費量が多いリアルタイム性不足デバドラの Overhead Task 優先度つけない Task 同期機能がない VM の Overhead 複雑アプリ作り難いオープンソースではないため拡張性があまりない 3

4 TOPPERS/EV3RT の特徴アーキテクチャ HRP2 カーネルをベースとしたプラットフォーム TOPPERS 第二世代カーネル仕様 (μitron4.0) リアルタイム OS 保護機能対応でユーザアプリケーションの障害バグはプラットフォームに波及しない不具合が検出しやすくなるデバイスドライバ低オーバヘッド C/C++ で開発豊富な API 高速起動メモリ消費少ない動的ローディング Libraries & Bindings Trike User Application Application Programming Interface HRP2 API Task Self-balance Service Calls Time Synchronization EV3 API for C Platform Interface DCRE ISR API Bindings for C++ Application Loader Device Drivers & Middleware Sensor Newlib Bluetooth EV3Way Trike for EV3 Shared Memory Motor Serial LCD HelloEV3 Speaker μsd TOPPERS/HRP2 Kernel 非特権モード特権モード 4

5 ET ロボコンの公式プラットフォーム (2015 以降 ) Ref: 5

6 EV3RT のインストール Intelligent Brick(EV3 本体 ) にインストールリリースパッケージ (ev3rt-beta6-3-release.zip) の sdcard フォルダ内のファイルを EV3 の microsd カードにコピーするだけ開発環境構築 (Ubuntu Bash on Windows の例 ) Mac OS X Cygwin 等もサポート詳細は 6

7 アプリケーションプロジェクト EV3RT のアプリは hrp2/sdk/workspace の下で管理デフォルトはいくつかのサンプルアプリが入っているアプリのプロジェクトフォルダに以下のファイルが存在 app.c or app.cpp : デフォルトのソースファイル app.cfg : アプリ用 cfgファイル ( タスクの生成等 ) Makefile.inc : アプリ用 Makefile アプリケーションのビルド動的ローディング用モジュール make app=< フォルダ名 > スタンドアローン形式イメージ make img=< フォルダ名 > Makefile.incの例 7

8 アプリケーションの 2 つの実行形式動的ローディング形式動的ローディング用モジュールとしてビルド EV3RTのアプリケーションローダーでロードして実行するアプリ更新変更の時 EV3を再起動する必要がない再起動 Bluetooth 再接続等の手間を省くアプリは特定の保護ドメインしか使えない HRP2 の保護機能を意識しなくても良い (ASP カーネルのように開発 ) スタンドアローン形式 EV3のブートローダ (U-Boot) で直接に起動できるイメージ全ての機能を使えるプラットフォームの開発拡張向け動的ローディングのローダーは一つのスタンドアローン形式のアプリ 8

仮想シリアル ) で転送 Tera Term -> Transfer -> ZModem USB で PC に接続して SD カードを管理

9 アプリケーションローダー EV3RT 起動後 EV3RT Console の画面が表示される EV3 本体でタスクログを確認できる Load App でアプリをロードできる SD カードからファイルを選択 /ev3rt/apps/ フォルダ内 Bluetooth SPP( 仮想シリアル ) で転送 Tera Term -> Transfer -> ZModem USB で PC に接続して SD カードを管理アプリを SD カードにコピーして実行アプリ実行中を Console を呼び出す BACK ボタン長押しアプリを終了 ( アンロード ) できる 9

10 プラットフォームの設定変更設定ファイルでいくつかの設定が可能設定ファイル位置 :SDカードの /ev3rt/etc/rc.conf.ini タスクログの出力先デフォルトは LCD(EV3RT Console) Bluetoothのデバイス名とPINコードセンサポート1の有効化無効化するとシリアルポートとして使える USB 接続で自動的にアプリを終了するか排他制御のためアプリ実行中にUSBで SDカードをアクセスできない 10

11 Application Programming Interface EV3RT のアプリはデフォルトで以下 3 つの API が使える TOPPERS/HRP2 カーネル API RTOS 機能を提供サービスコール cfg ファイルに使う静的 API 標準 C ライブラリ fopen() 等で microsd カードを操作可能パス / は SD カードのルート動的メモリ確保も対応 TLSF Memory Allocator を採用 EV3 用 C 言語 API モータセンサスピーカ LCD 等 EV3 の機能を提供上記の API の他に静的ライブラリもインポート可能例 :EV3 用 C++ 言語 API(libcpp-ev3) 11

オープンソースのプロトコルスタック BTstack を採用 BTstack を操作するハードルが高いため

12 Application Programming Interface Bluetooth 通信機能 EV3RT と PC は Bluetooth の Serial Port Profile(SPP) で通信可能オープンソースのプロトコルスタック BTstack を採用 BTstack を操作するハードルが高いため簡単な方式を提供 TOPPERS/HRP2 カーネルのシリアルインターフェスを使う標準 C ライブラリのファイル操作関数を使う 12

13 性能評価プラットフォームの基本特徴 EV3RT の起動は他のプラットフォームと比べて遥かに速い lejos の 30 倍 MonoBrick の 50 倍以上 EV3RT のメモリ消費量が少ない (EV3 全体 RAM 容量の 3.4%) より大規模なデータを処理するアプリを開発可能ファイルデータのインメモリ化によりリアルタイム性向上 EV3RT の CPU 負荷率は一番低いプラットフォームの機能がユーザアプリの性能に影響しにくい 13

14 性能評価タスク切り替えの遅延 EV3RT の平均性能は他のプラットフォームの約百倍 EV3RT の性能ばらつきは一番小さい約 85% は 7us 以下約 96% は 12us 以下 14

15 性能評価モータ制御 API のオーバヘッド EV3RT の平均性能は他のプラットフォームの 36 倍以上 EV3RT の性能ばらつきは一番小さい約 76% は 12us 以下約 94% は 20us 以下 15

16 性能評価センサ取得 API のオーバヘッド EV3RT の平均性能は他のプラットフォームの約 10 倍 EV3RT の性能ばらつきは一番小さい約 85% は 8us 以下約 96% は 12us 以下 16

17 今後の展開 Work in Progress リアルタイム制御に十分な性能を達成したため今はユーザビリティの向上を目指している通信機能の強化 TCP/IP Bluetooth PAN (Personal Area Network) USB Wi-Fi Dongle (ESPr Developer 等 ) Eclipse CDT のサポートソースファイル管理 (Makefile.inc の自動生成 ) Run(or Upload and Execute) Application Remote Debug(GDB server over TCP/IP) TOPPERS/HRP3 カーネルの対応ティックレスの高分解能時間管理タスク終了要求機能時間パーティショニング機能 17

18 今後の展開 Work in Progress 通信機能の強化課題 Bluetooth SPP 経由アプリを転送する時 EV3 本体と PC 両方操作する必要がある更新頻度が高い場合思った以上に手間がかかる EV3 間の通信機能がないため複数台の EV3 から構成される作品は開発しにくい ( 例 :6 軸ロボットアーム V760) インターネットに接続できないため Open Roberta Lab 等 Web ベースの開発環境はサポートできないネットワーク通信機能で解決したいがミドルウェア不足 EV3RT の Bluetooth プロトコルスタック BTstack パケット通信まではサポート TCP/IP や DHCP サーバ等がない ESPr Developer 等 USB シリアルで通信する WiFi モジュール HRP2 カーネル用 USB ホストスタックがない 18

19 今後の展開 Work in Progress 通信機能の強化 mbed-on-toppers( 仮 ) TOPPERS カーネル用 ARM mbed OS 5 の互換レイヤ mbed community の沢山のミドルウェアを簡単に使えるライセンスは比較的に緩い (Apache v2/bsd/mit ) EV3 のような元々 mbed が対応しないターゲットでも動作 EV3RT は EthernetInterface lwip DhcpServer USB Host Stack を使用 Bluetooth PAN での TCP/IP 通信は対応済み例 :HTTP でアプリを転送 curl -H "Content-Type: ev3rt/app" USB Host Controller の Hardware Abstraction Layer を実装中 19

20 ご清聴ありがとうございました 20

EV3RTの概要.pptx

EV3RTの概要.pptx ETロボコン向けTOPPERS 活セミナー EV3RTの概要 2016 年 6 11 ( ) 松原豊 ( 名古屋学 ) 川拓也の資料を基に作成 1 EV3RT Real-Time platform for EV3 http://dev.toppers.jp/trac_user/ev3pf/wiki/whatsev3rt TOPPERS/HRP2カーネルをベースとしたプラット