[논문]소형 다관절로봇을 위한 운용 소프트웨어 구현

손현승; 김우열; 김영철

doi:10.5302/j.icros.2009.15.9.946

소형 다관절로봇을 위한 운용 소프트웨어 구현
Implementation of Operating Software for Small Multi-Jointed Robots 원문보기

제어·로봇·시스템학회 논문지 = Journal of institute of control, robotics and systems, v.15 no.9, 2009년, pp.946 - 951

손현승 (홍익대학교 전자전산공학과) , 김우열 (홍익대학교 전자전산공학과) , 김영철 (홍익대학교 컴퓨터정보통신공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

The small multi-jointed robots for most education are developed with the way of firmware. But the firmware may be very difficult to develop as gradually increasing throughputs and control routines. Due to limit of firmware we try to use on RTOS, but hard to adapt on the small multi-jointed robots. It would be hard to install RTOS into the small multi-jointed robots because of the size capacity of RTOS, and lack of libraries for control of the particular hardware. Moreover, even its RTOS with many functions causes its to make overheads scheduling, TCB (Task Control Block), and task states. Also to keep maintenance of RTOS, it is composed of components for the whole structure of my proposed RTOS. Additionally, We provided with libraries of servo motor and sensor control and developed RMS (Rate Montonic scheduler) to handle tasks on real time and reduce overheads. Therefore, It is possible to work the fixed priority and task preemptive way. We show one example of the multi-jointed robot installed with my proposed RTOS, which shows to obstacle avoidance and climbing up the slope.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문에서는 기존의 RTOS를 소형 다관절로봇인 6족 로봇에 적용하기 위해 경량화하고, 다수모터제어를 지원해줄 수 있는 운용 소프트웨어 개발을 목적으로 한다. 그리고 개발된 운용 소프트웨어가 실시간성을 지원하기 위해 RMS (Rate Monotonic Scheduler)[5]를 적용하였다.
본장에서는 제안한 운용 소프트웨어로 6족 로봇의 동작을 확인하여 운용소프트웨어의 수행가능성을 확인한다.

가설 설정

우선순위를 주기에 반비례하도록 지정한다. 모든 태스크가 주기적이고 데드라인이 주기의 끝에 있다고 가정한다. DMS는 태스크 집합에 대해 태스크의 우선순위가 마감 시간의 크기에 반비례이다.

제안 방법

운용 소프트웨어의 테스트를 위해서 다른 주기를 갖는 태스크 1, 2, 3을 생성하여 각각 "taskl", "task2", "task3"< 출력 하도록 하였다.
RTOS의 오버헤드 최소화와 크기를 위해 태스크 컨트롤 블록, 태스크 상태 등을 초경량화 하였고 다수모터를 제어하기 위해 RMS를 적용하였다.
개발한 운용 소프트웨어는 기존 RTOS의 문제를 해결하기 위해 경량화 하였고 실시간성 지원을 위해 RM爲를 적용하였다. RTOS의 오버헤드 최소화와 크기를 위해 태스크 컨트롤 블록, 태스크 상태 등을 초경량화 하였고 다수모터를 제어하기 위해 RMS를 적용하였다.
때문에 불필요한 태스크 간 통신기능인 메일박스, 플래그, 세마포, 큐잉 기능을 제거하여 초경량화 한다. 그 결과 제안하는 운용 소프트웨어의 구조는 그림 1과 같이 운영체제를 위한 필수 기능인 태스크관리, 문맥교환, 타이머를 제공하고 소형 다관절로봇을 위해 프로세서 통신, 하드웨어 관리를 추가하여 설계하였다.
여기서 중요한 것은 준비 큐로부터 높은 우선순위를 빠르게 찾아서 스케줄링을 해야 한다. 그래서 제안한 운용 소프트웨어는 태스크 생성시 만든 우선순위를 테이블로 유지하고 준비 큐에 있는 태스크를 할당하게 한다. 현재 태스크의 우선순위를 중심으로 높은 우선순위를 찾아야 되기 때문에 테이블에서 위쪽 방향만 검사하면 높은 우선순위를 찾을 수 있게 한다.
제안한 운용 소프트웨어는 소형 다관절로봇을 위해 소프트웨어 경량화, RMS 적용을 제안한다.
제안한 운용 소프트웨어는 일반적인 운영체제가 가진 상태를 경량화 하여 그림 2와같이 TASK KILL, TASK WAIT, TASKREADY, TASK_RUN 의 4가지 상태만 사용한다. TASK_KILLe 태스크가 수행 되기전 초기화된 상태이다.
위한 테스트코드를 작성한다. 테스트코드는 운용소프트웨어의 태스크 생성, 컨텍스트 스위칭, 인터럽트 발생을 테스트할 수 있도록 작성 하였다. 두 번째 단계는 컴파일러로 생성한 hex파일을 PonyProg2000< 이용하여 6족 로봇에 다운로딩 하는 것이다.
현재 우선순위보다 높은 태스크 컨트롤 블록을 준비 큐에서 가져와 스케줄링을 수행한다.

대상 데이터

그리고 PAO, PA1은 자이로 센서를 제어하기 위한 포트이다. 바디 모듈은 Atmegal28을 사용하며 18개의 모터로 구성된다. PAO-7, PBO-7, PC₃, PC₇번포트를 이용하여 18개의 모터를 제어한다.
6족형 로봇은 그림 7과 같다. 본 예제의 6족 로봇은 한 다리 당 3개의 관절을 사용하여 총 18개의 모터를 사용하는 구조로 되어 있다.
그리고 센서 모듈과 바디 모듈은 UART를 통해서 프로세서 간 통신으로 작동 된다. 센서 모듈은 Atmega8535 를 사용하며 4개의 초음파 센서와 2개의 자이로 센서로 구성된다. PC0~3은 초음파센서를 제어하기 위한 포트 이고 입력 출력을 사용한다.

데이터처리

표 1. RTOS의 프로그램 크기 비교.

이론/모형

그리고 개발된 운용 소프트웨어가 실시간성을 지원하기 위해 RMS (Rate Monotonic Scheduler)[5]를 적용하였다.
확인한다. 운용 소프트웨어의 개발은 Atmel에서 제공하는 통합 개발 도구인 AVR studio 4를 사용하고, 컴파일러는 AVR-GCC를 사용하였다.

성능/효과

또한 내부 코드를 공개하지 않고 바이너리 형태로 제공되기 때문에 응용 및 확장이 어려운 문제가 있대11, 12]. 결과적으로 제안한 운용 소프트웨어는 기존에 비해 적은기능이지만 소형 다관절로봇을 개발을 위한 적합한 크기와 라이브러리를 제공한다. 그리고 소스코드 형태로 제공되어 다양한 응용 및 실험이 가능하다.
그 결과 6족 로봇에 RTOS의 기능과 개선을 거친 운용소프트웨어를 적용 할 수 있었다. 또한 운용 소프트웨어로 다수 모터제어 문제를 쉽게 해결하였다.
그러면 하드웨어 선정이나 교체에 따른 부담을 줄일 수 있다. 두 번째로 태스크 단위별로 프로그램을 제작하므로 재 사용성이 높아진다. 재사용성이 높아지면 개발시간이 단축되고 검증된 코드를 사용으로 시험기간이 줄어든다.
세 번째로 다중의 프로세서에도 프로세서간 통신이 통일성을 갖고 간편하게 통신 구현이 가능하다. 마지막으로 프로그램의 오류를 사전에예방, 정정해주어 시스템이 다운되는 것을 방지하여 안정성을 높인다. 이러한 장점 때문에 일반적인 로봇에는 RTOS를 사용한다[3].
재사용성이 높아지면 개발시간이 단축되고 검증된 코드를 사용으로 시험기간이 줄어든다. 세 번째로 다중의 프로세서에도 프로세서간 통신이 통일성을 갖고 간편하게 통신 구현이 가능하다. 마지막으로 프로그램의 오류를 사전에예방, 정정해주어 시스템이 다운되는 것을 방지하여 안정성을 높인다.
③은 taskl의 수행은 5번, task2의 수행은 2번으로 1000ms마다 수행하는 것을 확인 가능하다. 이 결과를 통해 운용 소프트웨어가 태스크 생성, 컨텍스트 스위칭, 인터럽트 발생 및 처리를 할 수 있음을 확인하였다.
그림 8은 작성한 테스트코드이다. 코드를 보면 간단하게 작성되었지만 출력 결과로 컨텍스트 스위칭, 인터럽트 루틴, 태스크 생성이 정상으로 작동되는지 확인 가능하다. 그리고 PutString함수는 사용자가 입력한 텍스트를 PC에 전송한다.

후속연구

향후연구과제로 다중 프로세서 지원과 프로세서간의 상호운영을 위한 운영체제를 개발 중이다. 또한 모듈화 기능 지원하고 더 많은 하드웨어 기기를 지원하도록 운영체제의확장이 필요하다.

참고문헌 (12)

엄우용, 이종호, '로봇 플랫폼을 위한 이족보행로봇 개발.' 대한전자공학회, 제43권 제4호, pp. 136-143, 2006
김용규, 이명호, '자동차 조향 장치의 동향과 전망-기계 중심에서 software 중심으로-,' 정보처리학회지, 제15권 제5호, pp. 40-47, 2008

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김동진, 유승환, 신윤덕, 장승익, 기창두, '엔터테인먼트용 조류형 2족 보행 로봇의 설계 및 구현,' 한국정밀공학회지, 제22권 제3호, pp. 38-45, 2005

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박권서, '원칩 마이크로컴퓨터 8535,' 월간 전자기술, pp. 120-128, 2001
C. L. Liu and J. W. Layland, 'Scheduling algoritbms for multiprogramming in a hard real-time environment,' Journal of the ACM, vol. 20, no.1, pp. 46-61, 1973

상세보기
D. E. Simon, An Embedded Software Primer, Addison-Wesley, 1999
P. Altenbemd, 'Deadline-monotonic software scheduling for the CO-synthesis of parallel hard real-time systems,' IEEE Computer Society, pp. 190-195, 1995
H. Chetto and M Chetto, 'Some results of the earliest deadline scheduling algorithm,' IEEE Press, voL 15, Issue 10, pp. 1261-1269, 1989

상세보기
M. Kargahi and A. Movaghar, 'A method for performance analysis of earliest-deadline-first scheduling policy,' The Journal of Supercomputing, vol. 37, Issue 2, pp. 197-222, 2006

상세보기
임경현, 서재현, 박경우, '실시간 시스템에서 태스크 이용율을 이용한 스케줄링 가능성 검사,' 인터넷정보학회논문지 제6권 제2호, pp. 25-35, 2005

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손현승, 김우열, 김영철, '다관절 로봇의 효율적인 동작제어를 위한 기술 구현,' 한국정보처리학회, 제15권 제2호, pp. 593-596, 2008
손현승, 김우열, 김영철, '소형 다관절로봇 RTOS 구현을 위한 디자인 패턴 적용,' 한국인터넷방송통신TV학회, 제7권 제1호, pp. 110-113, 2009

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